超声弹性成像实验系统的研制

　　1　引　　言

　　生物组织弹性模量的变化通常与其病理现象有关[1-3]。例如,乳房硬癌、前列腺癌、甲状腺癌及肝转移等恶性的病理损害,通常表现为硬的小结。乳房硬癌是乳腺癌的最常见形式,大约占乳腺癌总数的四分之三,由于其基质密度增大而表现为致密的硬块。而其他类型的乳腺癌如导管内癌和乳头状瘤则表现为柔软的组织,良性的乳腺纤维囊性病也很少表现为硬块。

　　生物组织的弹性模量信息对于疾病的诊断过程具有重要的参考价值。然而,包括X射线成像、超声成像、计算机断层成像(CT)和磁共振成像(MRI)等在内的传统医学成像模态都不能直接提供关于弹性模量这一组织的基本力学属性的信息。因此,临床上用得比较多的还是延续了千百年的传统方法——触诊。然而,触诊有很大的局限性。首先,触诊很大程度上依赖于大夫主观经验,并且得到的只是一个定性的信息。因此,不同大夫甚至同一大夫在不同时期诊断的结果不能比较。其次,当损害太小或者埋藏太深,这种方法就无能为力了。

　　1991年,J.Ophir教授提出超声弹性成像(ultra-sound elastography)的方法,对组织的弹性模量分布进行定量估计、成像[3]。目前,超声弹性成像已经成为医学超声成像的一个研究热点,广泛应用于乳房[4 5]、前列腺[6]、动脉粥样斑块[7 8]、局部心肌功能[9 10]以及高强度聚焦超声(HIFU)[11 12]与射频消融(RFA)[13]引起的损害(lesion)的检测与评估。

　　国内主要有西安交通大学万明习教授领导的课题组[14 17]和清华大学白净教授领导的课题组[18 22]致力于超声弹性成像的研究。白净等人[20]提出利用多尺度的方法减小大应变情况下的组织位移估计误差,使得最大允许的应变量由1%～2%达到8%～10%[20];利用空间互相关的方法在一定程度上减小了组织横向位移影响对组织(纵向)位移估计的影响[21];并研究了超声弹性成像位移估计和应变估计之间的数值微分问题,提出利用某些低通差分滤波器来减小数值微分操作的噪声放大作用[22]。但是目前的研究主要集中于计算机仿真。为了进一步进行超声体模实验和组织实验,验证超声弹性成像在鉴别组织弹性模量差异上的优越性,并在实验研究中发现问题、分析和解决问题,改善弹性成像的成像效果,以及超声弹性成像这一新的成像方式尽快应用于临床,需要建立一套超声弹性成像的实验系统。

　　2　原理与方法

　　组织的超声散射信号反映的是组织的散射系数等声学特性,与组织的弹性模量没有直接关系。但是,组织轻微移动后,超声散射信号的变化如散斑(speckle)的移动包含了组织的运动信息;而该运动信息又与组织的弹性模量有关,所以对超声散射信号进行分析、处理能够得到组织的弹性模量信息。