2024年5月15日发(作者：闪高洁)
超声弹性成像技术研究现状
李斌;李德来;杨金耀;张琼
【摘 要】超声弹性成像(ultrasound elastography,UE)是以软组织的弹性参量为对象
的一种新的成像技术,它弥补了传统超声成像技术不能提供生态学特性的不足,拓宽了超声
图像在肿瘤探测及扩散疾病成像方面的应用,具有非常重要的临床应用价值.本文详细介绍
了超声弹性成像技术的实现原理、 研究现状以及常用的临床衡量指标,如对比度传输率、
应变滤波器、 时间延时等,并对其发展做出展望.%Ultrasound elastography is a new
medical imaging technology taking the information of tissue elasticity as object.
It compensates for the deficiency and broadens the application of the
conventional media ultrasound imaging. Therefore, it is of significant clinical
value. This review introduces in detail the principle and technology of the
ultrasound elastography, the research status of ultrasound elastography and the
common quality measure index.
【期刊名称】《北京生物医学工程》
【年(卷),期】2017(036)005
【总页数】5页(P535-539)
【关键词】超声弹性成像;应变;弹性;应变滤波器;时间延迟
【作 者】李斌;李德来;杨金耀;张琼
【作者单位】汕头市超声仪器研究所有限公司 广东汕头515041;汕头市超声仪器研
究所有限公司 广东汕头515041;汕头市超声仪器研究所有限公司 广东汕头515041;汕头
大学医学院 广东汕头 515063
【正文语种】中 文
【中图分类】R318.04
医学超声成像由于其具有实时、无辐射、价格低等优点，已经成为主流的医学成像手
段之一。常规医学超声成像的信息源主要来自相邻介质间声阻抗差异而形成的界面散射
(小界面)或界面反射(大界面)的回声。常规医学超声成像与传统的X线成像、计算机断层
扫面(computed tomography，CT )、磁共振成像一样属于解剖学成像，呈现的只是组
织的厚度、密度等属性。随着生活水平的提高，乳腺癌、肝硬化等危害人类健康的常见疾
病在全球范围内均有较高的发病率和死亡率，而这些疾病在早期时其解剖成像与正常组织
很相近，所以采用以上成像模式都很难对这类疾病进行早期检测。研究表明，当肿瘤在组
织中生长或扩散，组织的弹性信息(或硬度)会随着改变[1-4]。因此早期诊断中，医生一般
根据个人的临床经验，通过“触诊”的方法来初步判断病变组织的情况和鉴别肿瘤良恶性，
显然这种诊断方式过于依赖医生的临床经验及主观判断[5-8]。为解决此问题,在20世纪
90年代，日本学者Yamakoshi与美国学者Ophir等[9]利用外部提供压力的方式，提出
一种以获取生物组织弹性信息为目的的超声弹性成像技术。
超声弹性成像是一种新的成像模式，是以软组织的弹性大小为参量反映生物组织的弹
性信息，以此进一步反映了组织病变特征，因此超声弹性成像可有效地为临床医生提供重
要的诊断信息，有利于癌变的早发现及早治疗，具有非常重要的临床应用意义和前景。为
此本文围绕超声弹性成像技术的实现原理、研究现状，以及常用的临床衡量指标等进行综
述。
Ophir等[9]于1991年最早提出“弹性成像”理论。在这20余年中，出现了许多不
同的弹性成像方法。所有方法都包含两个相同的基本要素：一是给被测组织施加压力(或
应力)以使被测组织产生形变；二是测量被测组织的响应。其中最常用的应力类型是来自
外界的，如压缩设备、外部振动或声辐射力。
超声弹性成像的基本原理可以描述如下[10-12]：(1)先对被测组织施加激励(可以来自
外部的静态微小压缩、声脉冲辐射力、机械振荡，也可以来自器官内部的血压变化、心脏
的收缩舒张和呼吸等)；(2)被测组织在激励的作用下会产生不同的响应，为此具有不同弹
性特性的组织会有不同的位移、应变、应变率、剪切波速度或位移幅度等；(3)通过超声
波监测组织的运动过程并得到超声回波信号，应用超声弹性成像算法就能得到组织的一系
列弹性力学属性参数，包括杨氏模量、剪切模量、泊松比、拉梅常数、B-mode图、位移
图和弹性图等，最终通过这些参数反应组织的弹性信息。
超声弹性成像发展至今，已经形成了多种实现技术。根据实现方法的不同，超声弹性
成像可分为静态/准静态弹性成像、瞬时弹性成像、声辐射力脉冲成像和剪切波弹性成像
等。静态/准静态弹性成像产生的形变小，属于静态弹性成像，而瞬时弹性成像、声辐射
力脉冲成像和剪切波弹性成像产生的形变大，属于动态弹性成像。其中瞬时弹性成像采用
低频振动激励，而声辐射力脉冲成像及剪切波成像是采用辐射力激励。下面对这几种弹性
成像方法的实现技术进行介绍。
2.1 静态/准静态弹性成像技术
静态/准静态压缩技术(static/quasi-static elastography)是Ophir等于1991年首先
提出的，是最早提出也是研究得最多的超声弹性成像技术。它先对被测组织施加一个恒定
的外力，使得组织产生微小的应变，然后用经典的延时算法或其他算法分析接收到的组织
压缩前后的超声射频回波信号，得到轴向组织位移和应变分布等信息，最后用灰度图或者
伪彩图表示的弹性图像或应用图像来表征。其基本原理是基于在相同的压力作用下，不同
弹性组织会产生不同响应，通过计算这些响应参数来表征组织之间弹性模量的差异。组织
越软，应变越大，弹性系数越小，反之亦然。因此通过对该恒定应力施加前后的回波信号
进行分析，计算出组织的位移变化，进而得到组织的变形程度等弹性信息[13-15]。
静态/准静态压缩技术是是一种无创的成像技术，技术上比较容易实现，且成像的实
时性较好。目前这方面的研究已经由传统的二维延伸到了三维，三维弹性图能提供丰富的
三维应变分布信息，克服了二维弹性技术的局限性。但是准静态压缩弹性成像技术只能得
到一个相对值，无法给出组织硬度，即组织弹性特征的定量结果，而且容易产生伪像，受
主观因素影响大，只适用于乳腺肿瘤等直接接触器官的检测，不适用于肝纤维化检测[16]。
2.2 瞬时弹性成像技术
瞬时弹性成像技术(transient elastogra-phy，TE)是由美国学者Paker等[17]提出的，
是在一维上对一定区域内组织的弹性进行成像。该成像技术是通过对被测组织施加低频机
械振动，使得组织内产生剪切波，然后用一维深度方向的超声波束来探测剪切波经过组织
内部时的传播速度，进而求解出表征组织弹性的数据，也就是杨氏模量随着技术的发展，
瞬时弹性成像技术已出现纵向和侧向二维振动的研究方向。
瞬时弹性成像技术的优点是实时、不容易受到患者呼吸或移动的影响，而且给出的是
定量的弹性模量值。其缺点主要是，由于只在一维方向进行检测，只能探测小体积的软组
织；由于不能同步地显示超声图像，所以无法进行测量导向；肥胖或腹水会造成测量的困
难；缺乏显著纤维化程度的区别；没有图像的导向使得方法难以掌握[18-19]。这种技术
目前多于肝脏评估，例如肝硬化的诊断。近年来国内外利用法国Echosens公司于2001
年成功研发的独家拥有专利的肝脏瞬时弹性成像系统Fibroscan来评估肝纤维化的程度
[20-21]。
2.3 声辐射力脉冲成像技术
声辐射力脉冲 (acoustic radiation force impulse,ARFI) 成像是利用声辐射力成像的
一种方法。随着声波频率的提高，组织的响应没有正负电压的切换快，因此能量聚集在组
织中。能量的聚集最终引起组织的位移，而且响应的时间比超声波传播慢得多。通过计算
接收到的超声射频回波信号来测量这个位移(通常是几个微米)，就可以获得比一般超声图
像更多的关于组织的信息。可以通过控制声辐射力的幅度、定位、空间区域和持续时间等
参数来获得组织的力学特性。具体的做法是：利用超声探头发射超声波到被测组织某一预
定深度，聚焦一段时间(约5～100 ms)，使得声辐射力在聚焦位置的组织发生位移，然后
用探头接收辐射力作用前后的超声射频回波信号，应用基于互相关的算法分析回波信号，
计算出组织的位移，根据随时间变化的位移量可以用来测量局部被测组织的弹性模量[22]。
目前，声辐射力脉冲成像在临床试验上已经可以应用于肝纤维化定量分析、乳腺肿块
成像、结肠直肠肿瘤成像、前列腺成像等多种脏器的二维弹性成像检查[23-24]。但由于
临床应用对辐射剂量的安全性、成像速度以及成像效果有一定的要求，目前还没有实际应
用的产品。
2.4 剪切波弹性成像技术
剪切波弹性成像(shear wave elasticity imaging，SWEI)是由美国学者Sarvazyan
等[25]提出的一种组织弹性估计和可视化的新技术。剪切波弹性成像技术与ARFI成像相
似，也是由声辐射力产生组织内的“推力”。这个“推力”使得被测生物组织在声辐射力
聚焦位置附近产生剪切波。通过利用超声成像技术观察超声波在侧向上到达的不同速度，
就可以推断出内部组织的硬度。SWEI和ARFI成像不同之处在于；剪切波弹性成像利用
的是声波传播侧向方向的剪切波，通过测量剪切波的传播参数来建立组织弹性图像；而声
辐射力脉冲成像的弹性信息来自于轴向的超声波束，并且利用多次发射来产生二维的硬度
映射。剪切波弹性成像实现了声波下的触诊，可得到组织弹性参数的绝对值，是一种新的
弹性量化成像方法，而且相比于其他几种弹性成像方法，其弹性重构复杂度更低，成像的
分辨能力更高[26-28]。
剪切波弹性成像测量的参数为与剪切波相关的杨氏模量值。组织的硬度用杨氏模量E
来表示，杨氏模量E定义为外界压力σ和组织应变ε的比值，即E=σ/ε。被测组织的硬
度和剪切波在该组织中的传播速度C之间的关系为E=3ρC2(ρ表示组织密度，kg/m3)。
因此如果组织的密度是已知的，那么测出剪切波的传播速度，就可以计算出杨氏模量，进
而得到组织的弹性信息。目前剪切波弹性成像方面主要的研究集中于如何提高成像的速度
和在声辐射剂量小的情况下改善成像质量。
超声弹性图像的质量衡量指标通常有对比度传输率、应变滤波器、对比度噪声比、时
间延迟等[29-30]。
3.1 对比度传输率
应用超声技术只能测量组织的局部应变张量，局部的应力张量是很难估计的。例如，
边界信息的不完整和假设或者计算的复杂性,没有使用可选的逆问题求解，只能选用应变
弹性图来表示组织弹性模量的分布。对比度传输率(contrast-transfer efficiency,CTE)为
从应变弹性图测量得到的应变对比度与组织实际的弹性模量对比度之间的比值[30]。用分
贝(dB)表示为：
式中：Co表示从弹性图像测量到的应变对比度；Ct表示组织实际弹性模量的对比度。
用分贝来表示是为了使得CTE可以归一化为0 dB，也就是说不管是硬还是软的组织，最
大的CTE=0 dB。
对比度传输率是弹性成像存在的固有局限性，如果在逆问题求解的框架中来利用弹性
应变分布，对比度传输率将显著地提高，从而改善其局限性。
3.2 应变滤波器
应变滤波器(stain filter，SF)的理论框架是由Varghese和Ophir提出的[31]，是分
析不同算法及不同参数的弹性成像效果的通用方法。SF描述了分辨率、动态范围(DRe)、
敏感度(Smin)和弹性图像信噪比(SNRe)之间的关系。
定量表示应变估计的准确性的准则是弹性图像信噪比SNRe，定义为：
式中：ms为统计平均应变估计值；σs为从弹性图估计出的应变噪声标准差。当
SNRe越高，表示算法的抗噪能力越强，反之越差。当统计平均应变估计值由理想的组的
应变值替代，应变噪声标准差由最小标准差的下界代替，就可以得到弹性成像算法的信噪
比上界，则该值定义为应变滤波器：
式中：St表示组织应变；为应变估计标准差的Ziv-Zakai下界。
3.3 对比度噪声比
弹性成像的对比度噪声比(contrast-to-noise，CNRe)是重要的量化参数，用来表示
对组织损伤的检测能力[26]。它将应变滤波器SF和对比度传输率CTE相结合，可以预测
简单的几何结构，其定义为：
式中：s1和s2分别表示两个不同区域的应变平均值；σs1和σs2分别表示两个不同
区域的应变估计标准差。CNRe越大，表示弹性成像算法的检测性能越高。
3.4 时间延迟
时间延迟(time delay,TD)是评估弹性图像质量的一个非常重要的参数。一般是通过
压缩前后回波信号间的互相关函函数来估计的，而组织应变通常是从组织位移的梯度估计
得到的，因此弹性图像的质量很大程度依赖于时间延迟估计[29]。
时间延迟估计主要受两方面的影响，一是随机噪声，如电子和量化噪声等，会造成时
间延迟估计的误差；另一个是组织需要被压缩，而压缩会造成压缩后回波波形的畸变，从
而使得时间延迟的估计并不准确。因此减小组织压缩量，可降低回波波形的畸变，从而提
高时间延迟估计的准确性以及弹性图像的质量。
超声弹性成像是以软组织的弹性参量为对象的一种新的成像技术，它显示的是表征组
织硬度的图像，即组织病变特征的信息。自J．Ophir等于1991年提出“弹性成像”理
论至今20余年间，超声弹性成像从定性估计发展到定量显示弹性参量信息图像，已成为
医学超声成像领域的研究热点，目前已有多种实现方式来获得组织弹性信息的定量估计，
可以实现对组织弹性的实时检测与自动测量。它弥补了传统超声成像技术的不足，拓宽了
超声图像的应用，具有非常重要的临床应用价值和广阔的应用前景。
2 汕头大学医学院(广东汕头 515063)
【相关文献】
[1] Zhang Q,Bin HU. Real-time ultrasound elastography in the differential
diagnosis of benign and malignant breast diseases[J]. Journal of Medical
Imaging,2011,28(7):861-867.
[2] Cosgrove D,Piscaglia F,Bamber J,et al. EFSUMB guidelines and
recommendations on the clinical use of ultrasound elastography. Part 2:Clinical
applications[J]. Ultraschall in Der Medizin,2013,34(3):238-253.
[3] Zhi H,Ou B,Luo B M,et al. Comparison of ultrasound
elastography,mammography,and sonography in the diagnosis of solid breast
lesions[J]. Journal of Ultrasound in Medicine Official Journal of the American
Institute of Ultrasound in Medicine,2007,26(6):807-815.
[4] Tan SM,Teh HS,Mancer JF,et al. Improving B mode ultrasound evaluation
of breast lesions with real-time ultrasound elastography--a clinical approach[J].
Breast,2008,17(3):252-257.
[5] 罗建文,白净. 采用径向压缩的超声弹性成像逆问题求解[J]. 北京生物医学工
程,2007,26(2):124-128.
Luo JW. Bai Jing. Sollution for the inverse problem of ultrasound elastography
using radial compression [J]. Beijing Biomedical Engineering,2007,26(2):124-128.
[6] 李凤,关义满,张巍巍,等.超声弹性成像技术及其应用进展[J].临床荟萃，
2016,31(7):800-804.
Li F,Guang YM,Zhang WW et al. Ultrasound elastography technology and its
development[J]. Clinical Focus，2016,31(7):800-804.
[6] Shaswary E,Yuan X,Tavakkoli J. Performance study of a new time-delay
estimation algorithm in ultrasonic echo signals and ultrasound elastography[J].
Ultrasonics,2016,69:11-18.
[7] 吴晓丽,梅丽,王军. 超声弹性成像技术鉴别乳腺肿块良恶性应用价值分析[J]. 中国
实验诊断学,2012(10):1836-1838.
Wu XL,Mei L,Wang J. Application study of ultrasound elasticity imaging
technique in diagnosis of malignant and benign breast lumps[J]. Chinese Journal
of Laboratory Diagnosis, 2012(10):1836-1838.
[8] Ophir J,Céspedes I,Ponnekanti H,et al. Elastography:a quantitative method
for imaging the elasticity of biological tissues [J].Ultrasonic Imaging,1991,13:111-
134.
[9] Ophir J,Céspedes I,Ponnekanti H,et al. Elastography:a quantitative method
for imaging the elasticity of biological tissues[J]. Ultrasonic
Imaging,1991,13(2):111-134.
[10] Bamber J,Cosgrove D,Dietrich CF,et al. EFSUMB guidelines and
recommendations on the clinical use of ultrasound elastography. Part 1:Basic
principles and technology[J]. Ultraschall in Der Medizin,2013,34(2):169-184.
[11] Gennisson JL,Deffieux T,Fink M,et al. Ultrasound elastography:principles
and techniques[J]. Diagnostic & Interventional Imaging,2013,94(5):487-495.
[12] Muravieva OV,Murashova DS,Murashov SA,et al. Mathematical modeling
of static elastography[J]. Biomedical Engineering,2014,48(3):148-152.
[13] Treece G,Lindop J,Chen L,et al. Real-time quasi-static ultrasound
elastography[J]. Interface Focus A Theme Supplement of Journal of the Royal
Society Interface,2011,1(4):540-552.
[14] Varghese T. Quasi-static ultrasound elastography[J]. Ultrasound
Clinics,2009,4(3):323-338.
[15] 袁金伟. 超声弹性成像中的位移和应变估计[D].杭州：浙江大学,2012.
Yuan JW. The estimation of motion and strain in ultrasound elastography[D].
Hangzhou：Zhejiang University,2012.
[16] Lerner RM,Huang SR,Parker KJ. “Sonoelasticity” images derived from
ultrasound signals in mechanically vibrated tissues.[J]. Ultrasound in Medicine &
Biology,1990,16(3):231-239.
[17] Parker KJ,Doyley MM,Rubens DJ. Imaging the elastic properties of
tissue:the 20 year perspective.[J]. Physics in Medicine & Biology,2011,56(1):R1.
[18] Friedrich-Rust M,Ong M,Martens S,et al. Performance of transient
elastography for the staging of liver fibrosis:a Meta-analysis[J].
Gastroenterology,2008,134(4):960-974.
[19] Foucher J,Chanteloup E,Vergniol J,et al. Diagnosis of cirrhosis by transient
elastography (FibroScan):a prospective study[J]. Gut,2006,55(3):403-408.
[20] Kettaneh A,Marcellin P,Douvin C,et al. Features associated with success
rate and performance of FibroScan measurements for the diagnosis of cirrhosis in
HCV patients:a prospective study of 935 patients.[J]. Journal of
Hepatology,2007,46(4):628-634.
[21] Nightingale K. Acoustic radiation force impulse (ARFI) imaging:a
review[J]. Current Medical Imaging Reviews,2011,7(4):328-339.
[22] Friedrich-Rust M,Nierhoff J,Lupsor M,et al. Performance of acoustic
radiation force impulse imaging for the staging of liver fibrosis:a pooled meta-
analysis[J]. Journal of Viral Hepatitis,2012,19(2):212-219.
[23] Yoneda M,Suzuki K,Kato S,et al. Nonalcoholic fatty liver disease:US-based
acoustic radiation force impulse elastography1[J]. Radiology,2010,256(2):640-647.
[24] Sarvazyan AP，Rudenko OV，Swanson SD,et al. Shear wave elasticity
imaging:a new ultrasonic technology of medical diagnostics[J]. Ultrasound in
Medicine and Biology,1998,24：1419-1435.
[25] Rudenko OV,Sarvazyan AP ，Emelianov SY. Acoustic radiation force and
streaming induced by focused nonlinear ultrasound in a dissipative medium[J].
Journal of the Acoustical Society of America,1996,99(5):2791-2798.
[26] Barr RG,Memo R,Schaub CR. Shear wave ultrasound elastography of the
prostate:initial results[J]. Ultrasound Quarterly,2012,28(1):13-20.
[27] Evans A,Whelehan P,Thomson K,et al. Quantitative shear wave ultrasound
elastography:initial experience in solid breast masses[J]. Breast Cancer
Research,2010,12(6):1-11.
[28] Ophir J,Alam SK,Garra B,et al. Elastography:ultrasonic estimation and
imaging of the elastic properties of tissues[J]. Proceedings of the Institution of
Mechanical Engineers Part H Journal of Engineering in Medicine,1999,213(3):203-
233.
[29] Ponnekanti H,Ophir J,Huang Y，et al. Fundamental mechanical
limitations on the visualization of elasticity contrast in elastography[J]. Ultrasound
in Medicine and Biology,1995,21： 533-543.
[30] Varghese T，Ophir J. A theoretical framework for performance
characterization of elastography:the strain filter[J]. IEEE Transactions on
Ultrasonics Ferroelectrics & Frequency Control,1997,44(1):164-172.
2024年5月15日发(作者：闪高洁)
超声弹性成像技术研究现状
李斌;李德来;杨金耀;张琼
【摘 要】超声弹性成像(ultrasound elastography,UE)是以软组织的弹性参量为对象
的一种新的成像技术,它弥补了传统超声成像技术不能提供生态学特性的不足,拓宽了超声
图像在肿瘤探测及扩散疾病成像方面的应用,具有非常重要的临床应用价值.本文详细介绍
了超声弹性成像技术的实现原理、 研究现状以及常用的临床衡量指标,如对比度传输率、
应变滤波器、 时间延时等,并对其发展做出展望.%Ultrasound elastography is a new
medical imaging technology taking the information of tissue elasticity as object.
It compensates for the deficiency and broadens the application of the
conventional media ultrasound imaging. Therefore, it is of significant clinical
value. This review introduces in detail the principle and technology of the
ultrasound elastography, the research status of ultrasound elastography and the
common quality measure index.
【期刊名称】《北京生物医学工程》
【年(卷),期】2017(036)005
【总页数】5页(P535-539)
【关键词】超声弹性成像;应变;弹性;应变滤波器;时间延迟
【作 者】李斌;李德来;杨金耀;张琼
【作者单位】汕头市超声仪器研究所有限公司 广东汕头515041;汕头市超声仪器研
究所有限公司 广东汕头515041;汕头市超声仪器研究所有限公司 广东汕头515041;汕头
大学医学院 广东汕头 515063
【正文语种】中 文
【中图分类】R318.04
医学超声成像由于其具有实时、无辐射、价格低等优点，已经成为主流的医学成像手
段之一。常规医学超声成像的信息源主要来自相邻介质间声阻抗差异而形成的界面散射
(小界面)或界面反射(大界面)的回声。常规医学超声成像与传统的X线成像、计算机断层
扫面(computed tomography，CT )、磁共振成像一样属于解剖学成像，呈现的只是组
织的厚度、密度等属性。随着生活水平的提高，乳腺癌、肝硬化等危害人类健康的常见疾
病在全球范围内均有较高的发病率和死亡率，而这些疾病在早期时其解剖成像与正常组织
很相近，所以采用以上成像模式都很难对这类疾病进行早期检测。研究表明，当肿瘤在组
织中生长或扩散，组织的弹性信息(或硬度)会随着改变[1-4]。因此早期诊断中，医生一般
根据个人的临床经验，通过“触诊”的方法来初步判断病变组织的情况和鉴别肿瘤良恶性，
显然这种诊断方式过于依赖医生的临床经验及主观判断[5-8]。为解决此问题,在20世纪
90年代，日本学者Yamakoshi与美国学者Ophir等[9]利用外部提供压力的方式，提出
一种以获取生物组织弹性信息为目的的超声弹性成像技术。
超声弹性成像是一种新的成像模式，是以软组织的弹性大小为参量反映生物组织的弹
性信息，以此进一步反映了组织病变特征，因此超声弹性成像可有效地为临床医生提供重
要的诊断信息，有利于癌变的早发现及早治疗，具有非常重要的临床应用意义和前景。为
此本文围绕超声弹性成像技术的实现原理、研究现状，以及常用的临床衡量指标等进行综
述。
Ophir等[9]于1991年最早提出“弹性成像”理论。在这20余年中，出现了许多不
同的弹性成像方法。所有方法都包含两个相同的基本要素：一是给被测组织施加压力(或
应力)以使被测组织产生形变；二是测量被测组织的响应。其中最常用的应力类型是来自
外界的，如压缩设备、外部振动或声辐射力。
超声弹性成像的基本原理可以描述如下[10-12]：(1)先对被测组织施加激励(可以来自
外部的静态微小压缩、声脉冲辐射力、机械振荡，也可以来自器官内部的血压变化、心脏
的收缩舒张和呼吸等)；(2)被测组织在激励的作用下会产生不同的响应，为此具有不同弹
性特性的组织会有不同的位移、应变、应变率、剪切波速度或位移幅度等；(3)通过超声
波监测组织的运动过程并得到超声回波信号，应用超声弹性成像算法就能得到组织的一系
列弹性力学属性参数，包括杨氏模量、剪切模量、泊松比、拉梅常数、B-mode图、位移
图和弹性图等，最终通过这些参数反应组织的弹性信息。
超声弹性成像发展至今，已经形成了多种实现技术。根据实现方法的不同，超声弹性
成像可分为静态/准静态弹性成像、瞬时弹性成像、声辐射力脉冲成像和剪切波弹性成像
等。静态/准静态弹性成像产生的形变小，属于静态弹性成像，而瞬时弹性成像、声辐射
力脉冲成像和剪切波弹性成像产生的形变大，属于动态弹性成像。其中瞬时弹性成像采用
低频振动激励，而声辐射力脉冲成像及剪切波成像是采用辐射力激励。下面对这几种弹性
成像方法的实现技术进行介绍。
2.1 静态/准静态弹性成像技术
静态/准静态压缩技术(static/quasi-static elastography)是Ophir等于1991年首先
提出的，是最早提出也是研究得最多的超声弹性成像技术。它先对被测组织施加一个恒定
的外力，使得组织产生微小的应变，然后用经典的延时算法或其他算法分析接收到的组织
压缩前后的超声射频回波信号，得到轴向组织位移和应变分布等信息，最后用灰度图或者
伪彩图表示的弹性图像或应用图像来表征。其基本原理是基于在相同的压力作用下，不同
弹性组织会产生不同响应，通过计算这些响应参数来表征组织之间弹性模量的差异。组织
越软，应变越大，弹性系数越小，反之亦然。因此通过对该恒定应力施加前后的回波信号
进行分析，计算出组织的位移变化，进而得到组织的变形程度等弹性信息[13-15]。
静态/准静态压缩技术是是一种无创的成像技术，技术上比较容易实现，且成像的实
时性较好。目前这方面的研究已经由传统的二维延伸到了三维，三维弹性图能提供丰富的
三维应变分布信息，克服了二维弹性技术的局限性。但是准静态压缩弹性成像技术只能得
到一个相对值，无法给出组织硬度，即组织弹性特征的定量结果，而且容易产生伪像，受
主观因素影响大，只适用于乳腺肿瘤等直接接触器官的检测，不适用于肝纤维化检测[16]。
2.2 瞬时弹性成像技术
瞬时弹性成像技术(transient elastogra-phy，TE)是由美国学者Paker等[17]提出的，
是在一维上对一定区域内组织的弹性进行成像。该成像技术是通过对被测组织施加低频机
械振动，使得组织内产生剪切波，然后用一维深度方向的超声波束来探测剪切波经过组织
内部时的传播速度，进而求解出表征组织弹性的数据，也就是杨氏模量随着技术的发展，
瞬时弹性成像技术已出现纵向和侧向二维振动的研究方向。
瞬时弹性成像技术的优点是实时、不容易受到患者呼吸或移动的影响，而且给出的是
定量的弹性模量值。其缺点主要是，由于只在一维方向进行检测，只能探测小体积的软组
织；由于不能同步地显示超声图像，所以无法进行测量导向；肥胖或腹水会造成测量的困
难；缺乏显著纤维化程度的区别；没有图像的导向使得方法难以掌握[18-19]。这种技术
目前多于肝脏评估，例如肝硬化的诊断。近年来国内外利用法国Echosens公司于2001
年成功研发的独家拥有专利的肝脏瞬时弹性成像系统Fibroscan来评估肝纤维化的程度
[20-21]。
2.3 声辐射力脉冲成像技术
声辐射力脉冲 (acoustic radiation force impulse,ARFI) 成像是利用声辐射力成像的
一种方法。随着声波频率的提高，组织的响应没有正负电压的切换快，因此能量聚集在组
织中。能量的聚集最终引起组织的位移，而且响应的时间比超声波传播慢得多。通过计算
接收到的超声射频回波信号来测量这个位移(通常是几个微米)，就可以获得比一般超声图
像更多的关于组织的信息。可以通过控制声辐射力的幅度、定位、空间区域和持续时间等
参数来获得组织的力学特性。具体的做法是：利用超声探头发射超声波到被测组织某一预
定深度，聚焦一段时间(约5～100 ms)，使得声辐射力在聚焦位置的组织发生位移，然后
用探头接收辐射力作用前后的超声射频回波信号，应用基于互相关的算法分析回波信号，
计算出组织的位移，根据随时间变化的位移量可以用来测量局部被测组织的弹性模量[22]。
目前，声辐射力脉冲成像在临床试验上已经可以应用于肝纤维化定量分析、乳腺肿块
成像、结肠直肠肿瘤成像、前列腺成像等多种脏器的二维弹性成像检查[23-24]。但由于
临床应用对辐射剂量的安全性、成像速度以及成像效果有一定的要求，目前还没有实际应
用的产品。
2.4 剪切波弹性成像技术
剪切波弹性成像(shear wave elasticity imaging，SWEI)是由美国学者Sarvazyan
等[25]提出的一种组织弹性估计和可视化的新技术。剪切波弹性成像技术与ARFI成像相
似，也是由声辐射力产生组织内的“推力”。这个“推力”使得被测生物组织在声辐射力
聚焦位置附近产生剪切波。通过利用超声成像技术观察超声波在侧向上到达的不同速度，
就可以推断出内部组织的硬度。SWEI和ARFI成像不同之处在于；剪切波弹性成像利用
的是声波传播侧向方向的剪切波，通过测量剪切波的传播参数来建立组织弹性图像；而声
辐射力脉冲成像的弹性信息来自于轴向的超声波束，并且利用多次发射来产生二维的硬度
映射。剪切波弹性成像实现了声波下的触诊，可得到组织弹性参数的绝对值，是一种新的
弹性量化成像方法，而且相比于其他几种弹性成像方法，其弹性重构复杂度更低，成像的
分辨能力更高[26-28]。
剪切波弹性成像测量的参数为与剪切波相关的杨氏模量值。组织的硬度用杨氏模量E
来表示，杨氏模量E定义为外界压力σ和组织应变ε的比值，即E=σ/ε。被测组织的硬
度和剪切波在该组织中的传播速度C之间的关系为E=3ρC2(ρ表示组织密度，kg/m3)。
因此如果组织的密度是已知的，那么测出剪切波的传播速度，就可以计算出杨氏模量，进
而得到组织的弹性信息。目前剪切波弹性成像方面主要的研究集中于如何提高成像的速度
和在声辐射剂量小的情况下改善成像质量。
超声弹性图像的质量衡量指标通常有对比度传输率、应变滤波器、对比度噪声比、时
间延迟等[29-30]。
3.1 对比度传输率
应用超声技术只能测量组织的局部应变张量，局部的应力张量是很难估计的。例如，
边界信息的不完整和假设或者计算的复杂性,没有使用可选的逆问题求解，只能选用应变
弹性图来表示组织弹性模量的分布。对比度传输率(contrast-transfer efficiency,CTE)为
从应变弹性图测量得到的应变对比度与组织实际的弹性模量对比度之间的比值[30]。用分
贝(dB)表示为：
式中：Co表示从弹性图像测量到的应变对比度；Ct表示组织实际弹性模量的对比度。
用分贝来表示是为了使得CTE可以归一化为0 dB，也就是说不管是硬还是软的组织，最
大的CTE=0 dB。
对比度传输率是弹性成像存在的固有局限性，如果在逆问题求解的框架中来利用弹性
应变分布，对比度传输率将显著地提高，从而改善其局限性。
3.2 应变滤波器
应变滤波器(stain filter，SF)的理论框架是由Varghese和Ophir提出的[31]，是分
析不同算法及不同参数的弹性成像效果的通用方法。SF描述了分辨率、动态范围(DRe)、
敏感度(Smin)和弹性图像信噪比(SNRe)之间的关系。
定量表示应变估计的准确性的准则是弹性图像信噪比SNRe，定义为：
式中：ms为统计平均应变估计值；σs为从弹性图估计出的应变噪声标准差。当
SNRe越高，表示算法的抗噪能力越强，反之越差。当统计平均应变估计值由理想的组的
应变值替代，应变噪声标准差由最小标准差的下界代替，就可以得到弹性成像算法的信噪
比上界，则该值定义为应变滤波器：
式中：St表示组织应变；为应变估计标准差的Ziv-Zakai下界。
3.3 对比度噪声比
弹性成像的对比度噪声比(contrast-to-noise，CNRe)是重要的量化参数，用来表示
对组织损伤的检测能力[26]。它将应变滤波器SF和对比度传输率CTE相结合，可以预测
简单的几何结构，其定义为：
式中：s1和s2分别表示两个不同区域的应变平均值；σs1和σs2分别表示两个不同
区域的应变估计标准差。CNRe越大，表示弹性成像算法的检测性能越高。
3.4 时间延迟
时间延迟(time delay,TD)是评估弹性图像质量的一个非常重要的参数。一般是通过
压缩前后回波信号间的互相关函函数来估计的，而组织应变通常是从组织位移的梯度估计
得到的，因此弹性图像的质量很大程度依赖于时间延迟估计[29]。
时间延迟估计主要受两方面的影响，一是随机噪声，如电子和量化噪声等，会造成时
间延迟估计的误差；另一个是组织需要被压缩，而压缩会造成压缩后回波波形的畸变，从
而使得时间延迟的估计并不准确。因此减小组织压缩量，可降低回波波形的畸变，从而提
高时间延迟估计的准确性以及弹性图像的质量。
超声弹性成像是以软组织的弹性参量为对象的一种新的成像技术，它显示的是表征组
织硬度的图像，即组织病变特征的信息。自J．Ophir等于1991年提出“弹性成像”理
论至今20余年间，超声弹性成像从定性估计发展到定量显示弹性参量信息图像，已成为
医学超声成像领域的研究热点，目前已有多种实现方式来获得组织弹性信息的定量估计，
可以实现对组织弹性的实时检测与自动测量。它弥补了传统超声成像技术的不足，拓宽了
超声图像的应用，具有非常重要的临床应用价值和广阔的应用前景。
2 汕头大学医学院(广东汕头 515063)
【相关文献】
[1] Zhang Q,Bin HU. Real-time ultrasound elastography in the differential
diagnosis of benign and malignant breast diseases[J]. Journal of Medical
Imaging,2011,28(7):861-867.
[2] Cosgrove D,Piscaglia F,Bamber J,et al. EFSUMB guidelines and
recommendations on the clinical use of ultrasound elastography. Part 2:Clinical
applications[J]. Ultraschall in Der Medizin,2013,34(3):238-253.
[3] Zhi H,Ou B,Luo B M,et al. Comparison of ultrasound
elastography,mammography,and sonography in the diagnosis of solid breast
lesions[J]. Journal of Ultrasound in Medicine Official Journal of the American
Institute of Ultrasound in Medicine,2007,26(6):807-815.
[4] Tan SM,Teh HS,Mancer JF,et al. Improving B mode ultrasound evaluation
of breast lesions with real-time ultrasound elastography--a clinical approach[J].
Breast,2008,17(3):252-257.
[5] 罗建文,白净. 采用径向压缩的超声弹性成像逆问题求解[J]. 北京生物医学工
程,2007,26(2):124-128.
Luo JW. Bai Jing. Sollution for the inverse problem of ultrasound elastography
using radial compression [J]. Beijing Biomedical Engineering,2007,26(2):124-128.
[6] 李凤,关义满,张巍巍,等.超声弹性成像技术及其应用进展[J].临床荟萃，
2016,31(7):800-804.
Li F,Guang YM,Zhang WW et al. Ultrasound elastography technology and its
development[J]. Clinical Focus，2016,31(7):800-804.
[6] Shaswary E,Yuan X,Tavakkoli J. Performance study of a new time-delay
estimation algorithm in ultrasonic echo signals and ultrasound elastography[J].
Ultrasonics,2016,69:11-18.
[7] 吴晓丽,梅丽,王军. 超声弹性成像技术鉴别乳腺肿块良恶性应用价值分析[J]. 中国
实验诊断学,2012(10):1836-1838.
Wu XL,Mei L,Wang J. Application study of ultrasound elasticity imaging
technique in diagnosis of malignant and benign breast lumps[J]. Chinese Journal
of Laboratory Diagnosis, 2012(10):1836-1838.
[8] Ophir J,Céspedes I,Ponnekanti H,et al. Elastography:a quantitative method
for imaging the elasticity of biological tissues [J].Ultrasonic Imaging,1991,13:111-
134.
[9] Ophir J,Céspedes I,Ponnekanti H,et al. Elastography:a quantitative method
for imaging the elasticity of biological tissues[J]. Ultrasonic
Imaging,1991,13(2):111-134.
[10] Bamber J,Cosgrove D,Dietrich CF,et al. EFSUMB guidelines and
recommendations on the clinical use of ultrasound elastography. Part 1:Basic
principles and technology[J]. Ultraschall in Der Medizin,2013,34(2):169-184.
[11] Gennisson JL,Deffieux T,Fink M,et al. Ultrasound elastography:principles
and techniques[J]. Diagnostic & Interventional Imaging,2013,94(5):487-495.
[12] Muravieva OV,Murashova DS,Murashov SA,et al. Mathematical modeling
of static elastography[J]. Biomedical Engineering,2014,48(3):148-152.
[13] Treece G,Lindop J,Chen L,et al. Real-time quasi-static ultrasound
elastography[J]. Interface Focus A Theme Supplement of Journal of the Royal
Society Interface,2011,1(4):540-552.
[14] Varghese T. Quasi-static ultrasound elastography[J]. Ultrasound
Clinics,2009,4(3):323-338.
[15] 袁金伟. 超声弹性成像中的位移和应变估计[D].杭州：浙江大学,2012.
Yuan JW. The estimation of motion and strain in ultrasound elastography[D].
Hangzhou：Zhejiang University,2012.
[16] Lerner RM,Huang SR,Parker KJ. “Sonoelasticity” images derived from
ultrasound signals in mechanically vibrated tissues.[J]. Ultrasound in Medicine &
Biology,1990,16(3):231-239.
[17] Parker KJ,Doyley MM,Rubens DJ. Imaging the elastic properties of
tissue:the 20 year perspective.[J]. Physics in Medicine & Biology,2011,56(1):R1.
[18] Friedrich-Rust M,Ong M,Martens S,et al. Performance of transient
elastography for the staging of liver fibrosis:a Meta-analysis[J].
Gastroenterology,2008,134(4):960-974.
[19] Foucher J,Chanteloup E,Vergniol J,et al. Diagnosis of cirrhosis by transient
elastography (FibroScan):a prospective study[J]. Gut,2006,55(3):403-408.
[20] Kettaneh A,Marcellin P,Douvin C,et al. Features associated with success
rate and performance of FibroScan measurements for the diagnosis of cirrhosis in
HCV patients:a prospective study of 935 patients.[J]. Journal of
Hepatology,2007,46(4):628-634.
[21] Nightingale K. Acoustic radiation force impulse (ARFI) imaging:a
review[J]. Current Medical Imaging Reviews,2011,7(4):328-339.
[22] Friedrich-Rust M,Nierhoff J,Lupsor M,et al. Performance of acoustic
radiation force impulse imaging for the staging of liver fibrosis:a pooled meta-
analysis[J]. Journal of Viral Hepatitis,2012,19(2):212-219.
[23] Yoneda M,Suzuki K,Kato S,et al. Nonalcoholic fatty liver disease:US-based
acoustic radiation force impulse elastography1[J]. Radiology,2010,256(2):640-647.
[24] Sarvazyan AP，Rudenko OV，Swanson SD,et al. Shear wave elasticity
imaging:a new ultrasonic technology of medical diagnostics[J]. Ultrasound in
Medicine and Biology,1998,24：1419-1435.
[25] Rudenko OV,Sarvazyan AP ，Emelianov SY. Acoustic radiation force and
streaming induced by focused nonlinear ultrasound in a dissipative medium[J].
Journal of the Acoustical Society of America,1996,99(5):2791-2798.
[26] Barr RG,Memo R,Schaub CR. Shear wave ultrasound elastography of the
prostate:initial results[J]. Ultrasound Quarterly,2012,28(1):13-20.
[27] Evans A,Whelehan P,Thomson K,et al. Quantitative shear wave ultrasound
elastography:initial experience in solid breast masses[J]. Breast Cancer
Research,2010,12(6):1-11.
[28] Ophir J,Alam SK,Garra B,et al. Elastography:ultrasonic estimation and
imaging of the elastic properties of tissues[J]. Proceedings of the Institution of
Mechanical Engineers Part H Journal of Engineering in Medicine,1999,213(3):203-
233.
[29] Ponnekanti H,Ophir J,Huang Y，et al. Fundamental mechanical
limitations on the visualization of elasticity contrast in elastography[J]. Ultrasound
in Medicine and Biology,1995,21： 533-543.
[30] Varghese T，Ophir J. A theoretical framework for performance
characterization of elastography:the strain filter[J]. IEEE Transactions on
Ultrasonics Ferroelectrics & Frequency Control,1997,44(1):164-172.