[科普中國(guó)]-彈性成像

彈性成像就是把獲取的生物體材料的彈性信息轉(zhuǎn)換成醫(yī)生習(xí)慣的可見(jiàn)光圖像，從而讓醫(yī)生能夠通過(guò)可見(jiàn)光圖像判別組織的材料力學(xué)特性，進(jìn)而根據(jù)組織的軟硬情況判斷相應(yīng)組織或器官可能發(fā)生的病理改變以及其位置、形狀和大小。

彈性成像就是把獲取的生物體材料的彈性信息轉(zhuǎn)換成醫(yī)生習(xí)慣的可見(jiàn)光圖像，從而讓醫(yī)生能夠通過(guò)可見(jiàn)光圖像判別組織的材料力學(xué)特性，進(jìn)而根據(jù)組織的軟硬情況判斷相應(yīng)組織或器官可能發(fā)生的病理改變以及其位置、形狀和大小。要了解彈性成像，就必須先了解什么是視覺(jué)，什么是成像以及什么是彈性等基本概念。

視覺(jué)視覺(jué)是大多數(shù)生物的一種生理功能，看的目的為了獲取信息，生物的視覺(jué)功能所能獲取的信息只是光學(xué)信息，光學(xué)為我們提供的信息包括大小，色彩，雙目或多目獲取的光學(xué)信息經(jīng)大腦處理后還可以判斷遠(yuǎn)近信息。觸覺(jué)也是大多數(shù)生物的一種生理功能，它只能通過(guò)生物體的感覺(jué)器官感受，而不能通過(guò)視覺(jué)系統(tǒng)看到，例如，物體的溫度高低，物質(zhì)的軟硬程度等只能通過(guò)觸碰得知。從原理上講，我們的視覺(jué)系統(tǒng)只能感受電磁波的可見(jiàn)光波段信息，這一波段的電磁波不能深入物體內(nèi)部，所以只能提供物體表面的信息。問(wèn)題是，我們?cè)趺床拍芸吹轿矬w內(nèi)部的情況？能否把感覺(jué)信息轉(zhuǎn)換成可以看到的光學(xué)信息以便于觀察分析？

成像成像是人體視覺(jué)系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作的過(guò)程和結(jié)果，它是通過(guò)眼球獲得光學(xué)信號(hào)并把它轉(zhuǎn)換成電學(xué)信號(hào)，通過(guò)電化學(xué)過(guò)程經(jīng)神經(jīng)系統(tǒng)傳輸?shù)酱竽X，經(jīng)大腦的深度處理，做出判斷并發(fā)出相應(yīng)的指令來(lái)指揮生物體其他系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的活動(dòng)。成像技術(shù)就是人們利用各種可能的技術(shù)，把物體各種特征信息轉(zhuǎn)換成生物體視覺(jué)系統(tǒng)能夠識(shí)別的光學(xué)信息，以便于進(jìn)行相應(yīng)的判斷的技術(shù)集成過(guò)程。事實(shí)上，成像技術(shù)存在的意義和價(jià)值就是可以有效地拓展我們的視覺(jué)范圍，提升我們的識(shí)別能力。我們?cè)诶斫獬上窦夹g(shù)的時(shí)候，需要做這樣一些基本判斷，第一，你想看的物質(zhì)是什么，你希望了解這種物質(zhì)的什么屬性，用什么東西作為探測(cè)信使才能幫你有效獲得這種物質(zhì)屬性，所獲得這種物質(zhì)屬性怎么才能轉(zhuǎn)換成你的視覺(jué)系統(tǒng)能夠感知并方便識(shí)別的光學(xué)信號(hào)。例如，望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡能夠有效放大我們的分辨視角范圍，幫助我們的自體視覺(jué)系統(tǒng)獲得清晰圖像，這是直接輔助；X射線可以穿透物體，在穿透過(guò)程中被物質(zhì)吸收，原子序數(shù)越大的物質(zhì)（單個(gè)原子質(zhì)量越大的物質(zhì)）吸收的越多，如果我們用均勻強(qiáng)度的X射線照射物體，那么由于物體內(nèi)部不同部位的物質(zhì)吸收不同，穿過(guò)物體后的X射線強(qiáng)度就變得不均勻了，把它這種吸收不均勻的情況轉(zhuǎn)換成視覺(jué)可分辨圖像就是X射線成像，我們的X光片就是最簡(jiǎn)單的例子，但它給出的只是平面信息沒(méi)有深度信息，也就是我們常說(shuō)二維信息，如果你想獲得三維信息，也就是立體信息，我們可以從不同的方向去照射物體，通過(guò)計(jì)算就可以獲得三維信息了，這就是我們老百姓常說(shuō)的CT掃描；電磁波中的射電波可以進(jìn)入物體內(nèi)部，其與物質(zhì)發(fā)生相互作用時(shí)，會(huì)在物質(zhì)中與水分子發(fā)生共振吸收，如果進(jìn)入時(shí)的射電波強(qiáng)度均勻，由于在物質(zhì)內(nèi)部水成分分布的不均勻就會(huì)導(dǎo)致透過(guò)物質(zhì)的射電波強(qiáng)度不均勻，通過(guò)不同方向的照射，經(jīng)過(guò)計(jì)算就可以獲得物質(zhì)內(nèi)部水成分的分布立體圖像，我們把它轉(zhuǎn)換成我們的視覺(jué)系統(tǒng)可識(shí)別圖像，就是物質(zhì)的核磁共振成像。在人體組織中，不同組織或同一種組織正常和病變以后的水成分有顯著差異，我們就可以用核磁共振成像來(lái)進(jìn)行疾病的影像診斷了。所得看到但生物體本身例如是看到才能識(shí)別，作為一種醫(yī)學(xué)成像方式反映軟組織的彈性性質(zhì)。

彈性彈性是材料的一種力學(xué)屬性，日常所說(shuō)的，材料彈性好，就是說(shuō)材料容易變形，而材料的彈性不好，就是指的材料不容易變形，當(dāng)然這指的都是在相同的力作用下。在力學(xué)學(xué)科里邊，材料的彈性是指，材料在外力作用下發(fā)生變形并恢復(fù)原形的能力，一般用模量來(lái)表示，材料所受的力可以是不同的形式，它的彈性也表現(xiàn)了他的不同變形能力，例如，材料在與其變形方向相同的方向上受力，發(fā)生的變形叫做拉伸（作用力的方向與變形方向一致）或者叫做壓縮（作用力的方向與變形的方向相反），描寫材料這種變形能力的模量叫做楊氏模量，楊氏模量越大，材料越不容易變形，楊氏模量越小，材料越容易發(fā)生變形；描寫材料剪切變形的模量叫做剪切模量，描寫材料體積變形的模量叫做體積模量，總之，就是材料模量越大就越不容易發(fā)生形變。在生物體中，組織材料的軟硬狀況常常與其組織的健康狀態(tài)有關(guān)，例如，癌癥腫塊兒通常比正常的組織硬。問(wèn)題是，我們能否把人體組織的軟硬程度（也就是其變形能力）信息轉(zhuǎn)成醫(yī)生習(xí)慣的影像信息，為醫(yī)生提供一種疾病診斷的技術(shù)呢？回答是肯定的，這就是彈性成像。

彈性成像有多種技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式，其應(yīng)用范圍從大量的臨床應(yīng)用延伸至早期的研究探索。每種彈性成像技術(shù)的工作方式是不同的，所有這些方式都需要產(chǎn)生組織的形變，通過(guò)觀察和處理這些形變來(lái)推斷組織的力學(xué)性質(zhì)，并通常以圖像的方式將結(jié)果顯示給操作者，每種彈性成像方法由如何實(shí)現(xiàn)組織的形變并且得到組織的彈性性質(zhì)這些行為特點(diǎn)來(lái)劃分。

彈性成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)分成以下幾個(gè)步驟：1、 誘導(dǎo)形變通常，組織材料的力學(xué)特性是通過(guò)觸覺(jué)感知的，觸覺(jué)感知的本質(zhì)就是，材料被觸碰之后發(fā)生變形的難易程度，材料容易變形，觸覺(jué)感知到的信息就是材料較軟，反之就是較硬。也就是說(shuō)要想知道材料的軟硬程度，就必須使其發(fā)生性變。為了顯示人體內(nèi)部組織的力學(xué)性質(zhì)，人們必須使組織發(fā)生一定的形變，這就是形變誘導(dǎo)。目前，用于誘導(dǎo)形變的方式主要有三種，他們分別是：

1）通過(guò)外部的機(jī)械裝置或受試者自己的肢體推動(dòng)或振動(dòng)身體的表面（通常為皮膚），把外部作用力傳遞到身體內(nèi)部，引起所關(guān)心的組織發(fā)生形變；

2）對(duì)人體施以體外超聲波，使受試者體內(nèi)組織發(fā)生振動(dòng)誘發(fā)形變；

3）觀察正常生理活動(dòng)過(guò)程中，所關(guān)心組織發(fā)生的形變，如脈搏或心跳等誘發(fā)形變。

2、 形變觀察形變觀察有多中方式，根據(jù)所獲得的影像，它可能是一維（一條線），二維（平面）或三維（體積），或僅僅是一個(gè)單獨(dú)的數(shù)值，也可能是視頻或一幅圖像。在大多情形下，呈現(xiàn)給操作者的結(jié)果會(huì)伴隨著一幅常規(guī)的圖像，這幅圖像顯示了不同硬度在組織中的分布情況。彈性成像技術(shù)的分類主要依觀察形變的方式，目前，應(yīng)用超聲和核磁共振成像的彈性成像技術(shù)占據(jù)了主導(dǎo)地位，還存在其它的許多彈性成像方法，包括應(yīng)用光或機(jī)械壓力傳感器等。

3、形變的處理和硬度的獲得觀測(cè)形變就可以通過(guò)力學(xué)關(guān)系獲得相應(yīng)材料的硬度。大多數(shù)彈性成像技術(shù)是基于以下兩個(gè)主要力學(xué)關(guān)系獲得組織硬度的：

1）對(duì)于給定的作用力，較硬的組織形變小于較軟的組織；

2）機(jī)械波在較硬的組織中比在較軟的組織中傳播得更快。

為醫(yī)生提供組織或器官材料的力學(xué)特性信息方式分為三種：它們是：

1）直接測(cè)量信息提供方式，也就是把測(cè)量得到形變或超聲波速簡(jiǎn)單地顯示給醫(yī)生，由醫(yī)生自己作出判斷，這要求醫(yī)生有一定的臨床生物力學(xué)基礎(chǔ)，必須事先知道什么樣的形變或超聲波速代表的是什么樣的組織狀態(tài)；

2）力學(xué)信息提供方式，也就是把測(cè)量得到形變或超聲波波速換算成組織材料的硬度，如楊氏模量或剪切模量等顯示給醫(yī)生，這也要求醫(yī)生能夠準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)硬度與組織的病例關(guān)系；

3）直接診斷影像信息提供方式，也就是把測(cè)量得到組織形變或超聲波波速信息由計(jì)算機(jī)按照確定的診斷規(guī)律，轉(zhuǎn)換成組織的硬度信息，再轉(zhuǎn)換成可以確定位置、形狀和大小的影像學(xué)信息，讓醫(yī)生能夠形象地了解到組織病變的程度，在最后根據(jù)其經(jīng)驗(yàn)作出合理的判斷。這才是真正的彈性成像。

彈性成像的應(yīng)用彈性成像在臨床上主要應(yīng)用于軟組織器官的疾病診斷，與解剖圖像相比，彈性成像可提供組織力學(xué)狀況的輔助診斷信息，可以指導(dǎo)活組織檢查，一些時(shí)候結(jié)合其他檢查，就可以代替活組織檢查。例如，肝纖維化、脂肪肝等肝病患者的肝組織硬度通常高于正常肝。彈性成像在肝病診斷方面具有巨大的優(yōu)勢(shì)。

彈性成像可用于判別和診斷胸癌、甲狀腺癌和前列腺癌，某些類型的彈性成像也適用于骨骼肌成像，他們能夠鑒別肌肉和肌腱的力學(xué)性質(zhì)和狀態(tài)。

彈性成像避免了人工觸診的局限性，其應(yīng)用可拓展到人工觸診所不能達(dá)到的領(lǐng)域。例如，磁共振彈性成像能夠評(píng)估腦組織的硬度。

彈性成像的方法有好多，如超聲彈性成像、準(zhǔn)靜態(tài)彈性成像/應(yīng)變成像、磁共振彈性成像，其中占主導(dǎo)地位的技術(shù)是磁共振彈性成像。

在磁共振彈性成像中，把特定種類的機(jī)械振動(dòng)放于受試者身體的表面，所產(chǎn)生的剪切波傳播進(jìn)入患者的深層組織，采用一種能夠測(cè)量波速的圖像采集序列推斷出組織的硬度（剪切模量）。掃描的結(jié)果是定量組織硬度的三維映像，以及與其比較的普通的三維核磁共振影像。其一個(gè)優(yōu)勢(shì)是能夠給出覆蓋整個(gè)器官的三維彈性圖，由于磁共振成像不受限于空氣和骨組織，它能夠顯示超聲所不能顯示的組織，尤其是腦組織。具有對(duì)操作者一致性的優(yōu)點(diǎn)，與大多數(shù)超聲彈性成像方法相比，其對(duì)操作者依賴以來(lái)較少。但是，磁共振彈性成像需要較長(zhǎng)的圖像采集時(shí)間，每方向大約15分鐘，這使得它時(shí)間耗費(fèi)較高，并且對(duì)于運(yùn)動(dòng)的組織或運(yùn)動(dòng)組織毗鄰的組織效果不好。另外，磁共振成像較超聲成像更昂貴，并且對(duì)患者和醫(yī)師來(lái)說(shuō)也不夠便利。

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本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

劉志成 - 教授 - 首都醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院