超声弹性成像系统

多模式超声波乳腺弹性成像系统

摘要：本项目在研制全数字化宽频彩色超声系统的基础上，使用无外加压的超声剪切波成像方式（Supersonic shear wave imaging, SSI），同时检测乳腺组织中纵波和横波的传播情况；探索设计专用于乳腺的探头激励脉冲，研究检测、处理和分析横波信号的方式，重建出反映组织弹性的物理量；在此基础上研制出具有高清晰度的专用于乳腺检查的多模式超声波乳腺弹性成像系统。为乳腺疾病的诊断，尤其是早期诊断提供高效率、低成本、非创的新手段。本研究不仅可提供更丰富的诊断信息，而且可能成为乳腺疾病检查的首选手段。

关键词：剪切波；弹性超声成像；乳腺病；剪切弹性模量；超声剪切波成像一、立项依据

1．项目的目的及意义

乳腺疾病甚为多见,尤其是乳腺癌是严重危害女性健康的主要疾病之一，目前我国乳腺癌发病率居妇女恶性肿瘤发病率的第二位，并且发病率有逐年上升的趋势，使用非创的方法进行乳腺普查已经成为迫切的需要。虽然钼靶X线摄影对乳腺癌有较高的诊断率,但对致密型乳腺有假阴性的缺陷和增加年轻妇女罹患乳腺癌的危险；核磁共振被认为是评估乳腺癌较为有效的影像学方法之一，但成本较高。超声能弥补上述缺陷，是一种更安全的更适合于普查的诊断方法。但目前采用的超声诊断方法对乳腺疾病鉴别的特异性不强，不能量化，仅能提供组织的结构学和动力学信息，无法提供组织的定量性物理学特性信息-硬度或弹性信息。

肿瘤在组织中生长或扩散，组织的硬度或弹性会随着改变，即肿瘤在出现形态学改变前，其硬度已经发生变化，导致正常组织与病变组织之间存在较大的弹性差异，因而软组织病理的改变往往与组织的硬度相关。如占乳腺癌90%以上的导管癌，其癌变组织的硬度大大不同于周边正常组织；很多处于不同病理阶段的组织硬度也不同，因此生物组织的弹性信息或硬度对疾病的诊断过程具有非常重要的参考作用。在弹性成像方式出现之前，触诊（Palpation）是广泛的检测乳腺肿瘤的诊断方法。触诊的依据是某些正常组织与病变组织之间存在较大的弹性差异，但触诊仅限于确诊表层附近的组织，人为因素大，可重复性差。而现有的医学成像方式包括MRI、CT、B超以及超声多普勒成像均不能提供组织的弹性或硬

度信息，虽然超声诊断乳腺疾病早有应用，但现有的B超只能提供形态学信息，而不能提供有关组织物理学特性的信息。将B超与超声弹性成像结合，既能提供解剖结构的形态学信息，也能提供软组织的硬度或弹性信息，为乳腺疾病的诊断补充了非常重要的有关组织力学特性的又一维信息——弹性或硬度，为超声成像开辟了新的成像参量。更重要的是，在传统的影像学检查方法未能检测到形态学的改变前，弹性成像已能很好地显示组织的弹性或硬度的改变，因此能对乳腺肿瘤提供早期诊断，而乳腺恶性肿瘤的早期发现、早期诊断对提高治愈率和降低病死率意义重大。正因为这些特点和优势，弹性成像(Elastography)成为近10多年医学成像技术研究的热点，并且在日本日立公司推出静态弹性成像产品的基础上，最近德国西门子公司和法国SSI公司又推出动态弹性超声成像产品。目前动态弹

性成像产品价格昂贵，西门子公司的ACUSON S2000 超声系统单价约300万元人

民币。临床应用结果表明，不少乳腺肿瘤在普通B超图上没有展示出与正常组织的明显对比，尤其是病变早期诊断情况下，但在弹性成像中显示出明显的对比度，使得弹性超声成像在乳腺、肝脏、前列腺和肾脏的病变诊断具有广阔的应用前景。

基于我国目前产业现状及卫生事业的发展需求，研发具有自主知识产权的新型高端超声诊断系统迫在眉睫，本项目研制具有世界先进水平的动态弹性超声成像产品，将为乳腺疾病的早期诊断和普查提供有效的手段。中国妇女人口超过5亿，而乳腺病是高发病，因此,对超声弹性成像系统有极大的市场需求，超声弹性成像系统的研制具有巨大的市场价值。在拥有此产品的国外厂家不多的情况下，研发自有知识产权的超声弹性成像系统必将在国内的市场上占有一席之地，并替代进口产品，为国家减少进口仪器的费用。而且可以出口到国外。

在国内市场上，目前只有国外的几家公司的超声弹性成像产品，而且销售价格非常高(300万元人民币左右)，使得超声弹性成像技术无法在国内得到推广应用。在我国，随着社会竞争压力的增加，乳腺系统疾病和肝脏器官的病变在人群中有上升趋势。如果有高质量低成本的国产超声弹性成像系统并得到普及的话，就能为乳腺肿瘤的早期诊断和普查提供有效的手段，提高肿瘤治愈率和降低病死率。国产的超声弹性成像系统的推出，可以大力降低同类产品在国内的市场售价从而降低人们的看病费用，促进这种有效诊断技术的普及，减少更多人们的病患痛苦，使更多的妇女受益，对提高群众健康水平具有现实意义。因此，本项目的研究开发不仅有极高的经济效益，更具有非常重要的社会效益。

2．国内外技术发展现状与趋势

2.1国内外技术发展现状

J．Ophir等于91年最早提出“弹性成像”的概念，经过近20年的研究已有可供临床应用的设备，在这期间，超声弹性成像技术经历了从定性到定量显示弹性参量的发展历程。

2.1.1 国外现状

（1）静态超声弹性成像方法

Ophir等使用了外部手动加压的方法来获取静态条件下的应变图，这种方法

已经成为静态弹性成像最常用的方法。广泛应用于临床的日本HITACHI公司所开

发的超声弹性成像设备即采用了静态弹性成像技术。超声弹性成像仪是以彩色超声成像仪为基础，在设备内部设置可调的弹性成像感兴趣区(ROI)，采用手动加压的方法，比较加压过程中感兴趣区内病变组织与周围正常组织之间的弹性(即硬度)差异，从而定性地了解组织的硬度差异，根据这一差异诊断组织的病理状况。但手动加压法受人为因素影响较多，产生的应变与位移可因施加压力的大小不同而不同，也可因压、放的频率快慢而不同。

静态的弹性成像对成像的深度和位置都会有限制，而且由于用力的不同会导致生成的图像也发生变化，并且只能提供定性的弹性信息，重复性差。为了克服静态弹性成像的这些缺陷，研究者采用聚焦超声束激励的方法引起组织运动，再使用普通超声探头探测组织的运动，通过组织运动特性重建组织体弹性参数分布，即动态超声弹性成像技术。

（2）动态超声弹性成像方法

依据声激励方法的不同，动态的超声弹性成像可分为三类：

1）利用外加的低频振源（low frequency vibration）引发组织运动，再用常规的超声探头检测组织位移的多普勒信号，从而获得组织的纵向位移和横向位移，位移幅度越大，表明组织越软，图像灰度越亮，成像平面以灰度图显示了各点的位移幅度，从而获取组织的弹性信息。实现这种方法需要使用两个器件（低频振源和检测探头），因而导致在实际操作中不实用，存在方向局限，剪切波无法传播到的组织无法测量。鉴于这些缺陷，后来选用了超声束代替外加的低频振动源。

2）利用聚焦于体内的超声波束引起组织的运动，由于声波在组织内的扩散和反射引起了动力传输，从而产生了体积（volumic)辐射力，这个力将在组织内产生横向传播的剪切波，剪切波传播速度（1-10m/s)与组织的弹性有关。这种基

于超声波辐射力的方法最早由Sugimoto研究小组提出。从事这方法研究的研究小组有：

①Sarvazyan于1998年提出基于剪切波的弹性成像技术（Shear Save Based Elastography，SWEI），利用聚焦于体内的高强度超声波产生的辐射力引起剪切波在体内的传播，通过采用互相关的方法测量组织纵向位移，从而算出剪切模量，这种方法是后来出现的动态成像方法的源头。它根据聚焦区组织的纵向位移估计的剪切弹性模量是定性的，主要检测纵向位移。剪切模量越大，组织越硬。因此根据组织的剪切模量分布图可以定性地判断组织的硬度或弹性。

②Nightingale等提出的声辐射力脉冲成像（Acoustic Radiation Force Impulse Imaging，ARFI），这种成像方法与普通B超共用同一探头,通过采用与多普勒血流检测同样的射频脉冲重复频率，检测超声聚焦区域的组织纵向位移，采用了实时获取数据,离线处理的技术，不能实时跟踪组织运动的情况。西门子的ACUSON S2000系统正是采用了ARFI技术研制了弹性成像技术，提供了定性的VTI(Virtual Touch Tissues Information)图像和定量的点VTQ（Virtual Touch Tissues Quantification），即实现了定性的组织纵向位移图像和定量的小区域平均剪切波速度显示。

③超声剪切成像（Supersonic Shear Imaging，SSI），声辐射力脉冲成像方式中，超声聚焦处组织的纵向位移，与超声声束几何构型、组织超声的吸收系数和剪切波的多样性等多个参量有关，在简化处理后不能提供定量实时的弹性信息图像。针对这一缺陷，J. Bercoff等提出了SSI技术。图1-1为SSI技术中剪切波产生原理的示意图。在声激励过程中，通过控制换能器阵列的聚焦位置，使焦点以高于剪切波波速的速度移动，则会在组织中形成剪切波的冲击波。在均匀组织中，冲击波波前在成像平面上的交线为直线。冲击波在组织体中的传播，实现了“超声远触”功能。结合超声远触和超快速成像技术，SSI技术能在组织体较大范围内定量评估由超声辐射力引起的横波，即剪切波，因为采用了超快速成像的方法因而可以提供实时的局部弹性信息成像，同时因为采集的数据是局部的非聚焦区剪切波的运动，边界对它的影响很小，因而可以提供定量的弹性成像。这种成像技术已由法国SSI公司研制出商用产品，但尚未在中国医疗市场推广使用。

3）超声激发振动声成像(Ultrasonic

Vibro-acoustography, USVA)，1998年，Greenleaf

等提出了超声激发振动声谱成像技术,该方法后

来被称为振动声成像，但这种方法仍难以在在体

组织上实现。目前仍处于实验室研究阶段。

2.1.2 国内现状

国内未见动态弹性成像技术的产品研制，只有汕头超声最近推出了静态弹性成像技术产品。

现在国内市场主要有静态弹性成像的HITACHI 公司产品、西门子ACUSON Antares 和动态弹性成像的西门子ACUSON S2000的销售和临床研究，但只能提供定性信息和单点定量弹性信息。现在国内急切需要具有自主知识产权的超声动态弹性成像系统的研发，以尽快占领相应的超声诊断市场，与国外品牌抗衡。

2.2发展趋势

由于超声剪切成像技术是通过聚焦超声束产生剪切波，并可利用现有的超声探头检测剪切波的传播，得到重复性好的定量的组织弹性信息，是超声弹性成像技术的发展趋势。

从20世纪70年代到90年代，多阵元超声换能器技术、数字扫描转换技术、超声多普勒检测技术、数字声束成像技术等重大技术的突破，有力地促进医学超声诊断仪的发展，促进了医学超声图像诊断的蓬勃发展和深入应用，现在，彩超的使用已经很普及了。随着DSP 技术和计算机技术的发展，医学超声成像技术朝着宽带化、全数字化、多功能化、多维化及信息化等方向发展，超声造影和弹性成像成为超声成像技术的研究热点。弹性成像能提供组织的弹性信息，诊断定量化一直是超声医学及工程学追求的目标。实时动态弹性成像能提供定量的弹性信息，它是DSP 技术和计算机技术，医疗技术等多学科、跨领域的现代高技术的结晶，是最有发展前途的最新医学超声成像技术。

由于超声弹性成像技术在肿瘤早期诊断和普查方面的技术优势，而且,产品价格比MRI,CT 产品低,操作方便易于使用，在不久的将来，有可能成为乳腺肿瘤筛查乃至肝脏病变的常规检查设备，因此市场需求非常大。国外医疗仪器公司都在投入力量研究开发。目前商品化的产品，主要有静态弹性成像的HITACHI 公司产品、西门子ACUSON Antares 和动态弹性成像的西门子ACUSON S2000的销售和临床研究，但只能提供定性信息和单点定量弹性信息。法国SSI 公司推出的动态弹性超声成像产品可以提供组织的定量弹性信息。东芝，阿洛卡、法国Echosens

波前 图1-1 SSI 技术中剪切波产生原理

等国外公司也都研究开发或生产超声弹性成像产品。

3．项目的产业化前景分析

近年来，中国超声诊断仪器市场的市场规模超过2亿美元，成为继美国和日本之后的世界第三大市场。专家分析，2010年及今后几年，我国超声医疗器械市场将进一步扩大，主要的有利因素有: (1)新医改的推进加大了我国对医疗器械的需求；(2)社会的发展，老龄化结构的扩大、人们对提高生命质量的追求，都会不断扩大医疗器械的市场；(3)超声医疗技术的发展，对超声医疗器械提出多功能和新机能的要求，将会不断调整超声医疗器械产品的结构，使其市场不断扩大；(4)随着科学技术的不断进步和临床诊断的需要，人们对无损伤的检查设备要求越来越高。实时动态弹性超声诊断系统可以提供新的定量的诊断信息，对肿瘤具有早期诊断和普查功能，符合我国社会发展的需要。

从国内医院的需求分析看，我国现有县级以上大、中型医院20000余家，除个别大型综合医院已拥有超声弹性成像设备外，其它医院均无此设备。按每家医院需一台超声弹性成像系统估计，国内的总需求量在15000台以上。目前，跨国医疗器械制造商的产品在我国大医院占有率超过了70％。高端超声诊断仪器更是被GE、飞利浦、西门子三大厂家占尽市场。目前已进入我国大型医院的几个国外公司的进口超声弹性成像设备价格昂贵，高达约300万元人民币左右，使得这项新技术很难在国内推广使用。我国目前产业现状及卫生事业的发展情况都要求我们必须发展具有自主知识产权的超声弹性成像设备。