影像触诊

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●1 磁共振弹性成像使“影像触诊”成为可能
   
    弹性是人体组织的重要物理特性。正常组织与病理组织相比，两者的弹性存在较大差异。能够无创性地显示组织的弹性具有重要的临床诊断价值。磁共振弹性成像(Magnetic Resonance Elastography, MRE)作为一种新的能直观显示和量化组织弹性的非侵入性成像方法显示出了良好的研究和应用前景。尤其是在脑组织检查方面，提供了一种全新的反应组织生物力学特性的检查手段。本文就MRE的基本原理以及研究现状作一简要综述。
    在医疗实践中，触诊作为一项基本而有效的临床检查方法，至今已沿用了几个世纪。医生通过触诊诊断肿瘤或其他病变。从工程学角度，触诊实际上是评价人体组织对抗变形的物理特性，这种特性称为弹性模量。然而，触诊是一种主观的判断，与检查者的经验有很大关系，缺乏客观的量化指标，而且人体许多部位（如脑组织）的病变无法或难以触及。正常组织与病理组织相比，两者的弹性存在较大差异。通过对手术标本的实验测试，乳腺癌的弹性模量要比正常脂肪、腺体组织和纤维腺瘤高5～20倍。人体不同组织之间弹性模量的差异程度明显大于其他物理特性，如X线吸收系数或MR弛豫时间。近年来，一些研究者开始致力于探索组织的弹性成像，即采用影像方法显示或测量组织的弹性模量。超声弹性成像开发稍早，但其信噪比和侧向分辨力较低，而且受到观察窗限制，影响了其进一步研究和发展。磁共振弹性成像（MRE）作为一种新的能直观显示和量化组织弹性的非侵入性成像方法显示出了良好的研究和应用前景，使“影像触诊”成为了可能，弥补了临床医生触诊的局限性。
   
    ●2 MRE基本原理外部激发装置
   
    ▼外部激发装置
   
    激发器采用电磁装置或电压装置，大多数研究采用电磁装置。由波形发生器产生低频率的正弦信号，经放大器放大后，驱动激发器产生震荡，后者藕合于被检体表面，产生低频率剪切波在介质内传播, 剪切波的频率可调。剪切波传播的应力引起介质内周期性微小位移。
    纵向机械波在弹性成像中的价值有限，由于纵向波反应的是体积模量，体积模量在软组织之间的差异非常小，而且纵向波由于波速快，在低频率时相对于被检器官波长过长，不适合成像。剪切模量在人体组织之间差别较大，剪切波的波长相对于纵向波较短。所以MRE采用动态的剪切波而不采用静态或准静态的机械应力使组织内产生应变，其计算弹性的优势是不需要估计局部的静态应力分布。由于受梯度转换速度的限制不能采用高频率，而且剪切波在低频率时衰减较少。因此频率为50～1000Hz的剪切波适合MRE的成像。
   
    ▼MRE的脉冲序列
   
    MRE的脉冲序列以梯度回波序列为基础，在X、Y或Z轴上施加运动敏感梯度(motion sensitizing gradient，MSG)。MSG是一系列极性振荡梯度，其频率可以调节，并与激发器产生的剪切波频率一致，且两者保持同步。通常MSG的方向与质点运动的方向平行，而与波传播的方向垂直。当MSG存在时，剪切波传播所致质子自旋的周期性移动可使接收信号中产生周期性相位位移。从测得的相位位移就能计算出每个体素的移位值，直接显示介质内机械波的传播。每个像素的信号代表运动速度的矢量。通过在多个周期内重复采集，可获得累积相位位移，因此对周期性的微小位移非常敏感。Muthupillai等报道机械震荡移位幅度小于100nm的剪切波就可以显示。在外部激发与施加MSG之间有4～6个振荡周期的时间延迟，以保证介质内振荡稳态。通过逐渐增加外部激发与MSG之间的相位偏置，序列重复6～8次，可获得一个完整周期内剪切波的动态传播图像。接收信号的相位位移可由公式表示，公式中包含梯度周期数，梯度波形间期，运动敏感梯度矢量，移位矢量，旋磁比，机械波的波矢量，自旋位置矢量，外加机械振荡与运动敏感梯度之间的相位关系等。
    在相位位移公式中，相位位移与介质内移位矢量和运动敏感梯度矢量的数量积成比例，因此当质点移动与梯度矢量方向一致时产生相位位移，若两者方向垂直则无相位位移产生。相位位移的量也依赖于机械振荡和梯度振荡之间的相位关系，沿着梯度矢量方向的质点移动与梯度振荡完全同步时产生最大的相位位移，质点移动与梯度振荡呈90度异相时则无净相位位移产生。因此机械震荡必须与梯度震荡保持同步，这是成像的基础。
   
    ▼弹性模量的计算和图像数据处理
   
    由于介质的弹性与在该介质中所传播的剪切波的波长相关，介质的剪切模量可由以下公式表示：
    μ=ρ·f2·γ2
    μ为剪切模量，f为外加激发频率,γ为波长，ρ为介质的密度，由于软组织的密度可假定与水的密度等同为1.0，所以当局部波长作为已知变量时，就可获得剪切模量的量化值。
    相位图需要通过图像处理后估算出局部剪切波的波长，才能转化为弹性图。图像处理是MRE技术的重要方面，由于机械波在非均质介质中传播的复杂性，使MRE的数据处理非常复杂。要实现组织弹性的准确成像必须研究和采用有效的图像处理方法。局部频率估算法（local wavelength estimation，LFE）最早被采用，由于其准确性较高，而且对噪声相对不敏感，目前仍是十分有效的图像处理方法，但缺点是分辨力有限。近年来已发展了多种数据处理方法，这些算法各有优缺点，但要获得更准确和高分辨力的弹性图像仍充满了挑战。
   
    ●3 MRE临床研究状况
   
    1995年Muthupillai等报道，应用相位对比MRI技术显示了剪切波在体模中的传播，并通过估算相位图像中剪切波的波长，得到了体模中模拟材料的剪切模量，与力学方法测量的结果有高度相关性。此后，MRE技术开始引起相关研究人员的关注。近年来MRE技术的研究多集中在图像处理方面。
    MRE的研究多采用体模、动物离体器官等，目前一些研究者已开展了初步临床研究，包括乳腺、脑、前列腺、和肌肉等。在乳腺方面的研究相对较多，应用相对较成熟。McKnight等应用MRE检测了6名健康志愿者和6名确诊的乳腺癌患者，结果显示，健康志愿者中乳腺纤维腺组织的剪切模量稍高于脂肪组织，在乳腺癌患者病变部位显示了局灶性剪切模量增高区域，其平均值比周围乳腺组织的平均值高4.18倍。Lorenzen 等的初步研究显示，乳腺恶性浸润性肿瘤的弹性值显著高于乳腺良性病变，但在少数患者中两者的弹性值范围有一定重叠。Sinkus等报道，对MRE数据的各向异性分析，可帮助鉴别乳腺的良性及恶性组织，前者的弹性参数显示为各向同性，而后者为各向异性。MRE也为研究脑组织的生物力学特性提供了新的方法，Kruse等对25名健康志愿者进行了初步研究，结果显示脑白质的平均剪切模量是14.6 kPa,而脑灰质为6.43 kPa，两者差异有统计学意义，而剪切模量与年龄间未见相关性。MRE对脑外伤和脑肿瘤具有潜在的应用价值，但目前对该项目的研究非常少，尚未见有关病变脑组织的研究报道。MRE在前列腺研究方面的文献也非常有限，Kemper等通过对7名健康志愿者的检测，以评价MRE对前列腺检查的可行性，图像显示弹性分布与前列腺的解剖分区有关系，中央区的弹性值（2.2±0.3kPa）低于周围区（3.3±0.5kPa）。可以预计MRE会对前列腺癌的诊断和鉴别诊断提供帮助，但尚未见这方面的研究报道。肌肉组织具有高度各向异性，研究者对肌肉组织的弹性分布和不同肌肉组织的剪切模量值也作了测定。另一项研究显示，剪切波倾向于沿着肌肉纤维方向传播，剪切波的波长会随着骨骼肌负重的增加而变长，两者呈线性关系。Wu等报道采用MRE评价热消融后组织的生物力学特性，动物实验显示，聚焦超声消融后组织的机械特性与正常组织间有显著差异，其弹性值明显大于正常组织，因此MRE为评价热消融治疗后组织的凝固状况提供了一条新的途径。另外，预计MRE在人体肝脏、肾脏等腹部脏器方面也将会有广阔的应用前景，如肝癌及肝硬化的早期诊断等，但目前尚未见相关的文献报道。
    目前，各医疗设备公司尚未推出有关MRE技术的配套装置、现成序列和图像处理软件。只有少数的科研机构在从事该项技术的研究工作。尽管MRE的研究尚处于起步阶段，但显示出良好的研究和应用前景，尤其是在脑组织检查方面，提供了一种全新的无创性地反应组织生物力学特性的检查手段，这是其他检查方法都无法实现的。鉴于目前的文献报道的资料非常有限，其成功的临床应用尚需要进一步的临床研究。