弹性成像（弹性成像）

视觉

视觉是大多数生物的一种生理功能，看的目的为了获取信息，生物的视觉功能所能获取的信息只是光学信息，光学为我们提供的信息包括大小，色彩，双目或多目获取的光学信息经大脑处理后还可以判断远近信息。触觉也是大多数生物的一种生理功能，它只能通过生物体的感觉器官感受，而不能通过视觉系统看到，例如，物体的温度高低，物质的软硬程度等只能通过触碰得知。从原理上讲，我们的视觉系统只能感受电磁波的可见光波段信息，这一波段的电磁波不能深入物体内部，所以只能提供物体表面的信息。问题是，我们怎么才能看到物体内部的情况？能否把感觉信息转换成可以看到的光学信息以便于观察分析？

成像

成像是人体视觉系统协调工作的过程和结果，它是通过眼球获得光学信号并把它转换成电学信号，通过电化学过程经神经系统传输到大脑，经大脑的深度处理，做出判断并发出相应的指令来指挥生物体其他系统进行相应的活动。成像技术就是人们利用各种可能的技术，把物体各种特征信息转换成生物体视觉系统能够识别的光学信息，以便于进行相应的判断的技术集成过程。事实上，成像技术存在的意义和价值就是可以有效地拓展我们的视觉范围，提升我们的识别能力。我们在理解成像技术的时候，需要做这样一些基本判断，第一，你想看的物质是什么，你希望了解这种物质的什么属性，用什么东西作为探测信使才能帮你有效获得这种物质属性，所获得这种物质属性怎么才能转换成你的视觉系统能够感知并方便识别的光学信号。例如，望远镜和显微镜能够有效放大我们的分辨视角范围，帮助我们的自体视觉系统获得清晰图像，这是直接辅助；X射线可以穿透物体，在穿透过程中被物质吸收，原子序数越大的物质（单个原子质量越大的物质）吸收的越多，如果我们用均匀强度的X射线照射物体，那么由于物体内部不同部位的物质吸收不同，穿过物体后的X射线强度就变得不均匀了，把它这种吸收不均匀的情况转换成视觉可分辨图像就是X射线成像，我们的X光片就是最简单的例子，但它给出的只是平面信息没有深度信息，也就是我们常说二维信息，如果你想获得三维信息，也就是立体信息，我们可以从不同的方向去照射物体，通过计算就可以获得三维信息了，这就是我们老百姓常说的CT扫描；电磁波中的射电波可以进入物体内部，其与物质发生相互作用时，会在物质中与水分子发生共振吸收，如果进入时的射电波强度均匀，由于在物质内部水成分分布的不均匀就会导致透过物质的射电波强度不均匀，通过不同方向的照射，经过计算就可以获得物质内部水成分的分布立体图像，我们把它转换成我们的视觉系统可识别图像，就是物质的核磁共振成像。在人体组织中，不同组织或同一种组织正常和病变以后的水成分有显著差异，我们就可以用核磁共振成像来进行疾病的影像诊断了。所得看到但生物体本身例如是看到才能识别，作为一种医学成像方式反映软组织的弹性性质。

弹性

弹性是材料的一种力学属性，日常所说的，材料弹性好，就是说材料容易变形，而材料的弹性不好，就是指的材料不容易变形，当然这指的都是在相同的力作用下。在力学学科里边，材料的弹性是指，材料在外力作用下发生变形并恢复原形的能力，一般用模量来表示，材料所受的力可以是不同的形式，它的弹性也表现了他的不同变形能力，例如，材料在与其变形方向相同的方向上受力，发生的变形叫做拉伸（作用力的方向与变形方向一致）或者叫做压缩（作用力的方向与变形的方向相反），描写材料这种变形能力的模量叫做杨氏模量，杨氏模量越大，材料越不容易变形，杨氏模量越小，材料越容易发生变形；描写材料剪切变形的模量叫做剪切模量，描写材料体积变形的模量叫做体积模量，总之，就是材料模量越大就越不容易发生形变。在生物体中，组织材料的软硬状况常常与其组织的健康状态有关，例如，癌症肿块儿通常比正常的组织硬。问题是，我们能否把人体组织的软硬程度（也就是其变形能力）信息转成医生习惯的影像信息，为医生提供一种疾病诊断的技术呢？回答是肯定的，这就是弹性成像。

弹性成像有多种技术实现方式，其应用范围从大量的临床应用延伸至早期的研究探索。每种弹性成像技术的工作方式是不同的，所有这些方式都需要产生组织的形变，通过观察和处理这些形变来推断组织的力学性质，并通常以图像的方式将结果显示给操作者，每种弹性成像方法由如何实现组织的形变并且得到组织的弹性性质这些行为特点来划分。

弹性成像技术实现分成以下几个步骤：

通常，组织材料的力学特性是通过触觉感知的，触觉感知的本质就是，材料被触碰之后发生变形的难易程度，材料容易变形，触觉感知到的信息就是材料较软，反之就是较硬。也就是说要想知道材料的软硬程度，就必须使其发生性变。为了显示人体内部组织的力学性质，人们必须使组织发生一定的形变，这就是形变诱导。目前，用于诱导形变的方式主要有三种，他们分别是：

1）通过外部的机械装置或受试者自己的肢体推动或振动身体的表面（通常为皮肤），把外部作用力传递到身体内部，引起所关心的组织发生形变；

2）对人体施以体外超声波，使受试者体内组织发生振动诱发形变；

3）观察正常生理活动过程中，所关心组织发生的形变，如脉搏或心跳等诱发形变。

形变观察有多中方式，根据所获得的影像，它可能是一维（一条线），二维（平面）或三维（体积），或仅仅是一个单独的数值，也可能是视频或一幅图像。在大多情形下，呈现给操作者的结果会伴随着一幅常规的图像，这幅图像显示了不同硬度在组织中的分布情况。弹性成像技术的分类主要依观察形变的方式，目前，应用超声和核磁共振成像的弹性成像技术占据了主导地位，还存在其它的许多弹性成像方法，包括应用光或机械压力传感器等。

观测形变就可以通过力学关系获得相应材料的硬度。大多数弹性成像技术是基于以下两个主要力学关系获得组织硬度的：

1）对于给定的作用力，较硬的组织形变小于较软的组织；

2）机械波在较硬的组织中比在较软的组织中传播得更快。

为医生提供组织或器官材料的力学特性信息方式分为三种：它们是：

1）直接测量信息提供方式，也就是把测量得到形变或超声波速简单地显示给医生，由医生自己作出判断，这要求医生有一定的临床生物力学基础，必须事先知道什么样的形变或超声波速代表的是什么样的组织状态；

2）力学信息提供方式，也就是把测量得到形变或超声波波速换算成组织材料的硬度，如杨氏模量或剪切模量等显示给医生，这也要求医生能够准确对应硬度与组织的病例关系；

3）直接诊断影像信息提供方式，也就是把测量得到组织形变或超声波波速信息由计算机按照确定的诊断规律，转换成组织的硬度信息，再转换成可以确定位置、形状和大小的影像学信息，让医生能够形象地了解到组织病变的程度，在最后根据其经验作出合理的判断。这才是真正的弹性成像。

弹性成像的应用

弹性成像在临床上主要应用于软组织器官的疾病诊断，与解剖图像相比，弹性成像可提供组织力学状况的辅助诊断信息，可以指导活组织检查，一些时候结合其他检查，就可以代替活组织检查。例如，肝纤维化、脂肪肝等肝病患者的肝组织硬度通常高于正常肝。弹性成像在肝病诊断方面具有巨大的优势。

弹性成像可用于判别和诊断胸癌、甲状腺癌和前列腺癌，某些类型的弹性成像也适用于骨骼肌成像，他们能够鉴别肌肉和肌腱的力学性质和状态。

弹性成像避免了人工触诊的局限性，其应用可拓展到人工触诊所不能达到的领域。例如，磁共振弹性成像能够评估脑组织的硬度。

弹性成像的方法有好多，如超声弹性成像、准静态弹性成像/应变成像、磁共振弹性成像，其中占主导地位的技术是磁共振弹性成像。

在磁共振弹性成像中，把特定种类的机械振动放于受试者身体的表面，所产生的剪切波传播进入患者的深层组织，采用一种能够测量波速的图像采集序列推断出组织的硬度（剪切模量）。扫描的结果是定量组织硬度的三维映像，以及与其比较的普通的三维核磁共振影像。其一个优势是能够给出覆盖整个器官的三维弹性图，由于磁共振成像不受限于空气和骨组织，它能够显示超声所不能显示的组织，尤其是脑组织。具有对操作者一致性的优点，与大多数超声弹性成像方法相比，其对操作者依赖以来较少。但是，磁共振弹性成像需要较长的图像采集时间，每方向大约15分钟，这使得它时间耗费较高，并且对于运动的组织或运动组织毗邻的组织效果不好。另外，磁共振成像较超声成像更昂贵，并且对患者和医师来说也不够便利。

参考文献

[1]Wells, P. N. T. (June 2011). "Medical ultrasound: imaging of soft tissue strain and elasticity".Journal of the Royal Society, Interface8(64): 1521–1549.doi:10.1098/rsif.2011.0054.

[2] Muthupillai R, Lomas DJ, Rossman PJ, et al. Magnetic resonance elastography by direct visualization of propagating acoustic strain waves. Science 1995; 269: 1854-7.[49, 219, 220].

[3]Manduca A, Oliphant TE, Dresner MA, et al. Magnetic resonance elastography: Non-invasive mapping of tissue elasticity. Med Image Anal 2001; 5: 237-54.

[4]Sarvazyan; Hall, TJ; Urban, MW; Fatemi, M; Aglyamov, SR; Garra, BS. "An overview of elastography - an emerging branch of medical imaging".Current medical imaging reviews7(4): 255–282.

[5]Ophir, J.; Céspides, I.; Ponnekanti, H.; Li, X. (April 1991). "Elastography: A quantitative method for imaging the elasticity of biological tissues".Ultrasonic Imaging13(2): 111–134.doi:10.1016/0161-7346(91)90079-W.

[6]Parker, K J; Doyley, M M; Rubens, D J (February 2011). "Imaging the elastic properties of tissue: the 20 year perspective".Physics in Medicine and Biology56(2): 513.doi:10.1088/0031-9155/57/16/5359.

[7] Sandrin, Laurent; Tanter, Mickaël; Gennisson, Jean-Luc; Catheline, Stefan;Fink, Mathias(April 2002). "Shear elasticity probe for soft tissues with 1-D transient elastography.".IEEE transactions on ultrasonics, ferroelectrics, and frequency control49(4): 436–446.doi:10.1109/58.996561.

[8] Ganne-Carrié N, Ziol M, de Ledinghen V et al. (2006). "Accuracy of liver stiffness measurement for the diagnosis of cirrhosis in patients with chronic liver diseases".Hepatology44(6): 1511–7.doi:10.1002/hep.21420.PMID17133503.

[9] Nightingale, Kathy (November 2011). "Acoustic radiation force impulse (ARFI) imaging: a review".Current medical imaging reviews7(4): 328–339.doi:10.2174/157340511798038657.Acoustic.

[10]Supersonic Shear Imaging: A New Technique for Soft Tissue Elasticity Mapping. Bercoff J. et al., IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, Vol. 51, No. 4, April 2004.

[11] Acoustoelasticity in soft solids: Assessment of the nonlinear shear modulus with the acoustic radiation force, J.-L. Gennisson,a M. Rénier, S. Catheline, C. Barrière, J. Bercoff, M. Tanter, and M. Fink, J. Acoust. Soc. Am. 122 [1]6, December 2007

[12] Mendelson EB, Chen J, Karstaedt P.Assessing tissue stiffness may boost breast imaging specificity.Diagnostic Imaging.

[13]Shear wave elastography for breast masses is highly reproducible. Cosgrove DO, Berg WA, Doré CJ, Skyba DM, Henry JP, Gay J, Cohen-Bacrie C; the BE1 Study Group. Eur Radiol. 2011 Dec 31.

[14] Shear-wave Elastography Improves the Specificity of Breast US: The BE1 Multinational Study of 939 Masses. Berg WA, Cosgrove DO, Doré CJ, Schäfer FKW, Svensson WE, Hooley RJ, Ohlinger R, Mendelson EB, Balu-Maestro C, Locatelli M, Tourasse C, Cavanaugh BC, Juhan V, Stavros AT, Tardivon A, Gay J, Henry JP, Cohen-Bacrie C, and the BE1 Investigators. Radiology 2012;262:435-449

[15]Kennedy BF, Kennedy KM, Sampson DD.[1]A review of optical coherence elastography: fundamentals, techniques and prospects. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics 2014; 20(2):7101217.

[16]Weiss RE, Egorov V, Ayrapetyan S, Sarvazyan N, Sarvazyan A. Prostate mechanical imaging: a new method for prostate assessment. Urology 2008; 71(3):425-429.

[17]Egorov V, Sarvazyan AP.Mechanical Imaging of the Breast. IEEE Transactions on Medical Imaging 2008; 27(9):1275-87.

[18]Egorov V, van Raalte H, Sarvazyan A.Vaginal Tactile Imaging. IEEE Transactions on Biomedical Engineering 2010; 57(7):1736-44.

[19]Turo D, Otto P, Egorov V, Sarvazyan A, Gerber LH, Sikdar S. Elastography and tactile imaging for mechanical characterization of superficial muscles. J Acoust Soc Am 2012; 132(3):1983.