剪切波弹性成像

剪切波弹性成像（精选七篇）

剪切波弹性成像 篇1

1 弹性技术的发展与实时剪切波技术的形成

目前超声弹性成像技术较多,Taylor等[7]于2000年将超声弹性成像技术分为压迫性弹性成像、间歇性弹性成像和震动性弹性成像。1991年,Ophir等[8]最早提出的超声弹性成像属于压迫性弹性成像,在操作者对组织多次加压- 减压过程中,比较感兴趣区内组织与周围正常组织之间产生的弹性差异。1998年,Fatemi等[9]提出超声激发震动声谱成像,利用声学射频压力诱发局部内部震动,并追踪组织运动轨迹,后被称为震动性弹性成像。1999年,Catheline等[10]提出间歇性弹性成像,应用低频率间歇震动造成组织位移,用组织反射回来的超声波探测组织的位置,得到感兴趣区域组织不同弹性系数组织的相对硬度图。2002年,Nightingale等[11]提出声脉冲辐射力成像,通过探头对组织发射脉冲,使组织产生纵向压缩,横向震动(低频剪切波),从而获得横向低频剪切波信号,直接获得剪切波速度并间接反映该区域组织弹性。2008年,西门子公司推出的ACUSON S2000所包含的“虚拟触诊”功能即应用该原理[12]。近年法国Aixplorer型Shear Wave ™实时SWE超声诊断仪的产生,在自动产生并分析实时剪切波的基础上,通过定量分析系统获得作为重要的生物力学参数的杨氏模量值,从而实现超声弹性成像的全定量,推动了SWE在临床的广泛研究。

2 SWE在骨骼肌系统的应用

2.1 SWE在肌腱中的应用

超声技术已经应用于骨骼肌系统的研究并得到了广泛认可,SWE在肌腱测量方面也具有一定的可行性。Aubry等[13]报道,SWE能有效地用于测量正常人体跟腱,而且跟腱的杨氏模量值随足背屈曲角度的增加而增加。张立宁等[14]利用SWE评价足底筋膜炎,发现足底筋膜的硬度随年龄增加而减小,足底筋膜炎的硬度较正常筋膜小,可能是因为新生血管增多所致,与既往研究[15,16]结果一致。Chen等[17]对36例正常人及14例跟腱断裂患者跟腱弹性模量进行分析,发现尽管正常跟腱硬度可能由于大于机器可测量范围而导致测量数据小于实际值,但因为断裂跟腱弹性模量值明显降低,且新鲜血肿部分表现弹性模量值为0,提示SWE对跟腱断裂的损伤及恢复过程具有较大的临床应用前景。

2.2 SWE在肌肉组织的应用

2.2.1 SWE在肌肉组织的基础研究

杨氏模量值与多种因素有关。Nordez等[18]通过应用SWE对肱二头肌肌腹等长收缩过程中肌肉杨氏模量变化分析发现,杨氏模量值与肌电活动有密切的线性关系。肖沪生等[2]也进一步证实了肌肉收缩过程中杨氏模量值变化曲线与在分子生理学水平的研究有一定的相似性,并证实SWE具有足够的灵敏度能够动态监测肌肉收缩过程中的杨氏模量值。比较两块肌肉组织在静止和紧张状态下各自及相互间的杨氏模量的分布特征显示,组织高回声区在静止状态下杨氏模量值较大,收缩过程中该区域杨氏模量值变化更大[19],与既往研究[20,21]证实肌肉组织收缩过程中硬度增加一致,即杨氏模量值增大。Koo等[22]通过对离体火鸡腓肠肌与胫外侧肌被动张力实验证明,应用实时剪切波技术获得的杨氏模量值与被动肌张力也存在线性关系;Eby等[23]应用一种能够拉长肌肉的设备,结合SWE,测量从猪离体骨骼肌的杨氏模量值与应用传统材料检测所得到的杨氏模量值高度相关。因此,杨氏模量值与肌肉活动性、组成、结构[19]、年龄及性别[18,24]均有较大的相关性。基于SWE于肌肉组织应用的可行性,徐芳等[25]首次将该技术应用于分析针刺“得气”与杨氏模量值变化的关系。任亚娟等[26]通过比较针刺前与针刺后及电刺激后肌肉组织杨氏模量值,发现差异均有统计学意义。上述结论进一步说明该技术可以应用于针刺“得气”的更深层次研究(图1)。通过近年对SWE的可行性研究,初步奠定了该技术应用于肌肉组织的基础,也为实验针灸学展开了新思路。

2.2.2 SWE评价肌肉病变的临床应用

Koo等[27]通过应用SWE成功得到胫骨前肌的弹性-曲度关系参数,能够更好地量化被动肌张力,并为进一步研究诊断价值提供可靠数据,为即将在颈部、背部、腰部等其他肌肉组织的进一步诊断提供了良好的指导方向。Lacourpaille等[28]采用实时SWE评估假肥大性营养不良患者在放松状态下肌肉硬度较正常人的变化特点,结果显示除小指屈肌组差异无统计学意义外,腓肠肌内侧肌、胫骨前肌、股外侧肌、肱二头肌、肱三头肌在顺肌纤维方向测量弹性模量值比较差异均有统计学意义。该研究表明,实时弹性成像可作为评估患者的一种新方法。SWE也被应用于评估帕金森病患者上肢肌张力[29],并用于测量女性耻骨直肠肌杨氏模量值[30],有望为妇科提供新的理论指导。

图1应用Aixplorer型Shear Wave™实时SWE超声诊断仪对正常人阳陵泉穴(小腿外侧,当腓骨小头前下方凹陷处)下肌肉组织杨氏模量的测量图像,探头方向与肌纤维排列方向夹角为0°。A、B分别为针刺前及针刺后杨氏模量值测量

2.3 SWE应用于肌肉组织的优势

以往应用二维超声已经获得丰富的形态学参数,如肌肉厚度、横截面积、肌纤维长度、羽状角等[31],并在一定程度上应用超声技术来评估神经肌肉、肌腱、韧带及关节病变,指导康复治疗,并有学者通过监测肌肉组织的厚度等形态学参数对重症监护室内因制动引起的肌肉无力患者进行评估[32]。但二维超声不能提供骨骼肌系统的机械力学特性,肌肉组织的各向异性也增加了二维超声应用的局限性[33],而超声弹性成像可以克服这种缺陷,随着超声弹性成像的飞速发展与不断完善,SWE克服了二维超声的不足,而且与其他弹性成像技术相比,不需要手动压缩过程,减小了操作者测量过程的误差,具有良好的重复性,并能直接获得代表肌肉组织生物学特性的杨氏模量值,不再局限于只能与周围组织进行弹性比较,更适用于肌肉组织系统的定量评价。

3 临床应用展望

肌肉组织弹性正常、异常参考值对肌肉组织病变与否有重要意义。近期有学者通过研究试图确立生理及病理状态下弹性值的范围[34,35],但目前尚缺乏肌肉组织杨氏模量正常、异常值参考范围的相关报道,将成为今后的研究方向。目前,应用SWE进行肌肉相关疾病的研究较少,但该技术的优越性将在肌肉损伤诊断、监测疾病的发展以及评估疾病所处阶段、预后,评价外科、康复理疗疗效等方面发挥更大的作用;在传统医学方面也将会有深远的影响[36]。

4 SWE应用于肌肉组织的局限性

尽管SWE具有非常好的稳定性[37],但其受操作技术的影响,Kot等[38]研究发现,髌韧带的弹性模量与感兴趣区大小无关,而与施加压力大小有关,压力较大会影响弹性模量的准确性。因此,进行SWE时应该施加较小的压力,同时也应注意探头角度问题[39,40],Miyamoto等[41]比较探头与肌束方向夹角及探头与皮肤夹角对测量杨氏模量值的影响,发现探头与肌束夹角<20°时差异无统计学意义,探头与皮肤表面夹角不影响测量值,在一定程度上证明了SWE测量肌肉组织杨氏模量的可靠性和可行性。

剪切波弹性成像 篇2

1 材料与方法

1.1 实验动物及分组

健康清洁级成年雄性SD大鼠96只, 购自解放军总医院实验动物中心[合格证号:SCXK- (军) 20070004], 体重250~320 g, 饲养环境为清洁级, 每笼4~5只, 温度为 (23±3) ℃, 湿度为50%~70%, 自然昼夜节律采光, 饲养、换水由专人负责。96只大鼠随机分为对照组和实验组, 每组供体、受体各24只。

1.2 肝移植手术方法

所有大鼠术前12 h禁食, 采用乙醚吸入麻醉, 取仰卧位, 腹部正中切口。肝移植手术在OLT方法的基础上[8]加以改良, 即置入支架以重建肝动脉[9]。实验组采用冷保存肝移植[10]的方法, 对照组行常规肝移植。供体手术:游离供肝。肝下下腔静脉及门静脉修剪后置入血管袖套, 用9/0丝线结扎固定。肝动脉及胆管置入支架备用。实验组供肝于器官保存液中4℃冰箱保存12 h, 对照组即刻进行供肝植入。供肝植入:受体移除肝脏。肝上、下腔静脉用8/0血管线连续缝合。肝下下腔静脉、门静脉、肝总动脉及胆管内支架分别用9/0丝线环扎固定。术后单独置于笼中, 对受体进行复温。

1.3 超声弹性成像检查

每组大鼠随机分为3个亚组, 分别于术后1周、2周、4周行超声弹性成像。采用法国Super Sonic Imagine公司Aix Plorer实时剪切波弹性成像超声诊断仪, 探头频率15 MHz。弹性成像检查彩色编码范围选取0~50 k Pa, Q-BOX测量直径10.0 mm。每次弹性测定取连续4帧图像, 测量后取其平均值记为该次弹性成像检查的LS。

1.4 病理检查

超声弹性成像测定后处死所有大鼠, 取肝脏标本经福尔马林溶液固定, 石蜡包埋。病理切片由1名经验丰富的病理科医师阅读。参照Toki等[11]的方法, 通过门管区平均胆管数量的计数进行胆管增生程度的定量评估。

1.5 统计学方法

采用SPSS 17.0软件, 不同组及不同时间点大鼠LS比较采用方差分析, 两两比较采用LSD法, LS与门管区胆管数量之间的相关性采用Spearman相关分析, P<0.05表示差异有统计学意义。

2 结果

2.1 大鼠术后存活情况

实验组大鼠术后1周、4周组各有1只大鼠因弹性测量前麻醉过深死亡, 对照组大鼠术后全部存活。两组大鼠术后1周、2周、4周存活率比较见表1。

2.2 LS测定

所有大鼠均成功进行LS测定 (图1B~D) 。肝移植术后1周、2周、4周, 实验组LS明显高于对照组, 差异有统计学意义 (F=89.98, P<0.01) , 实验组中肝移植术后1周与2周组间、2周与4周组间LS比较, 差异均有统计学意义 (P<0.05) , 见图2。

2.3 病理结果

实验组及对照组大鼠术后1周时, 肝细胞体积增大, 胞质淡染, 细胞空泡化, 门管区有多量炎症细胞浸润。对照组在肝移植术后2周、4周肝小叶、门管区结构清晰, 无明显炎症细胞浸润及胆管增生。实验组肝移植术后2周时, 门管区扩大但无纤维隔形成。肝移植术后4周时, 门管区可见胆管增生较多。实验组1周、2周、4周中位胆管增生数量分别为1.8 (1.7~2.0) 、19.0 (14.0~24.0) 、31.0 (17.8~35.0) , 见图1A~C。

2.4 LS与胆管增生数量的相关性

实验组术后2周、4周时LS与胆管增生数量呈显著正相关 (r=0.898, P<0.01) , 见图3。

图1实验组大鼠肝移植术后2周, 门管区扩大、胆管增多, 但无纤维隔形成, 箭示门管区胆管增生 (HE, ×400, A) ;超声弹性成像示肝移植术后2周LS为14.72 k Pa (B) ;肝移植术后4周, 门管区可见胆管增生较多 (箭, C) ;超声弹性成像示肝移植术后4周LS为26.54 k Pa (D)

3讨论

肝移植术后的胆道并发症是影响患者预后的重要因素, 而胆管增生不足是其发生的关键[1,2], 因此, 评估肝移植术后的胆管再生情况具有重要意义。然而, 目前在评估胆管再生情况方面主要依赖组织学检查, 尚无理想的无创性方法[1]。由于肝脏组织活检的有创性、取材有限性、可重复性差及术后并发症, 使得胆管增生的评估受到限制[1,12]。

肝脏超声弹性测量作为一种新兴技术具有无创、操作简便、可重复性好等优点。自2003年超声弹性成像首次应用于肝脏, 目前国内外已有大量研究证明LS与肝脏纤维化等级呈显著相关[3,4,5]。剪切波弹性成像是基于声辐射力与超速的超声成像序列的一种技术, 具有成像迅速、稳定的优势, 已在肝脏纤维化分级方面得到了深入而广泛的研究与应用[13]。剪切波弹性成像可以较准确地评估肝脏弹性, 与肝脏纤维化程度密切相关[14]。鉴于胆管增生过程中出现的胆管周围的纤维沉积[6]及移植肝冷缺血损伤后胆管纤维化的发生[7], 这种变化很可能导致LS升高。因此, LS可以用于评估胆管再生情况。

本实验研究中, 病理结果显示实验组有不同程度的小胆管增生, 而对照组均未发现小胆管增生, 同时对肝移植术后2周、4周组LS分析发现, 实验组LS明显高于对照组, 对照组与实验组术后2周LS分别为 (6.16±0.51) k Pa、 (11.68±1.54) k Pa, 术后4周分别为 (6.08±0.60) k Pa、 (25.46±4.01) k Pa (F=89.98, P<0.01) , 而且LS与胆管增生数量呈显著正相关 (r=0.898, P<0.01) , 提示LS可以评估胆管增生情况。

既往研究证实, 丙型肝炎复发[15]、肝纤维化[13]、排异反应及各种外科并发症[12]均会引起肝移植术后LS升高。然而本实验研究提示, 肝移植术后早期LS升高应当谨慎诠释。由于目前尸体供肝肝移植均采用冷保存, 其移植过程中不可避免地会出现胆管上皮损伤[2], 因此移植后的胆管必然出现代偿性增生, LS升高属于正常现象, 此时LS升高未必与胆汁淤积、肝脏充血或肝纤维化有关。Lee等[15]也观察到肝移植术后早期非病理情况下的LS升高, 推测此时LS升高可能提示移植肝较好的胆管增生能力。另外, 基于移植肝供肝冷保存过程中广泛存在的胆管损伤[2], Karimian等[1]提出胆管增生不足是肝移植术后发生胆道并发症的关键, 故肝移植术后超声弹性的测定很有可能在预测胆道并发症的发生方面有一定的价值。因此, 肝移植术后早期LS升高时应当动态监测, 并且结合多种检测指标综合评估, 以免导致过度医疗, 同时有望为评估肝移植术后胆道并发症的发生提供一定的信息。

本研究应用剪切波弹性成像初步探讨了大鼠肝移植术后LS在评估胆管增生能力方面的应用价值, 但因肝脏炎症细胞浸润会明显影响LS[16], 故本研究未对1周时的LS进行分析, 因此炎症较重时的LS与胆管增生数量的相关性仍需进一步研究。另外, LS用于临床评估胆管增生能力以及判断何种程度的胆管增生足以代偿移植过程中的胆管损伤尚需进一步研究。

总之, 肝移植术后LS的改变与胆管增生数量显著相关, LS在胆管增生评估方面具有一定的应用价值, 其临床应用价值需进一步探讨。

摘要：目的 通过建立移植肝胆管损伤模型, 探讨超音速剪切波弹性成像评价移植肝冷保存损伤后胆管再生能力的价值。材料与方法 96只成年雄性大鼠随机分为两组, 实验组48只, 24只供体, 24只受体, 供肝4℃保存12 h后移植;对照组48只, 24只供体, 24只受体, 常规肝移植。每组大鼠随机分为3个亚组, 分别于术后1周、2周、4周进行超声弹性成像检查, 并取肝脏标本行病理检查, 比较各组肝脏弹性指数及实验组各亚组的门管区平均胆管数量。结果 实验组大鼠肝移植术后1周、2周、4周较对照组肝脏弹性指数明显升高 (F=89.98, P<0.01) , 实验组1周与2周、2周与4周组间肝脏弹性指数差异有统计学意义 (P<0.05) 。实验组术后2周、4周时肝脏弹性指数与肝脏门管区胆管增生数量呈显著正相关 (r=0.898, P<0.01) 。结论肝移植术后肝脏弹性指数的改变与胆管增生数量显著相关, 在评估肝移植术后胆管增生方面具有一定的应用价值。

剪切波弹性成像 篇3

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取2015年10月~2016年1月我院收治的乳腺结节的患者68例作为研究对象, 所有病例均经细针穿刺细胞学检查及病理证实, 共有96个结节。年龄29~69岁, 平均年龄41.1岁, 按照病理结果对这些患者进行分类, 其中良性病变40例;恶性病变28例。

1.2 仪器与方法

仪器:使用Simens Acuson S3000型超声诊断仪器, 9L4式探头, 探头频率为4~9 MHz。配有声辐射力脉冲VTIQ成像软件。

方法:选取病灶最大切面图像最清晰时选择VTIQ模式, 重点分析VTIQ质量及速度模式图, VTIQ质量模式下由高到低表示为绿、黄、红色, 呈绿色且均匀分布的区域表示质量最高, 在质量最高区域选定有效的SWV测量范围, 嘱患者屏气调至VTIQ速度模式图像, VTIQ速度模式下, 图像中SWV速度由高到低分别呈现红色、黄色、绿色、蓝色, 调整SWV量程大小, 最大10 m/s, 以病灶周围背景组织呈现均匀浅蓝色或淡绿色病灶内部呈现红色或黄色为标准获得最终的VTIQ速度模式图像, 将感兴趣区 (Region of interest, ROI) 置于病灶不同区域, ROI框最小为1 mm×1 mm, VTIQ速度模式下在有效的测量区域同时进行多组SWV数据测量, 单位为m/s。

1.3 统计学方法

使用SPSS 15.0统计学软件对数据进行分析, 以P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

在这68例患者诊断结果中, 良性病变患者40例, 结节大小为5~14 mm, 平均大小是9.25 mm, 病灶64个:乳腺病34个, 纤维瘤17个, 导管内乳头状瘤4个, 纤维囊性乳腺病伴炎症3个, 纤维腺病伴纤维腺瘤结构2个, 良性叶状肿瘤4个。恶性病变患者28例, 结节大小6~19 mm, 平均大小是9.78 mm, 病灶32个:导管内原癌5个, 浸润性导管癌27个。重复检查的结果见表1、表2。

表1和表2结果显示, 观察者之间测量结果I C C值分别是0.95和0.97, 观察者先后测量结果ICC值分别是0.96和0.95 (P>0.05) , 此测量具有重复性。

在VTIQ模式下, 测量病灶SWV, 结果见表3。

注:*表示恶性组与良性组之间对比, P<0.05

表3结果显示, 恶性与良性的病灶VTIQ上SWV值三组对比, 差异有统计学意义 (P<0.05) 。

根据数值制作ROC曲线, 得到SWV值的截断值为3.51 m/s, 此时, 曲线下的面积为0.903, 它的敏感性为94.5%, 特异性81.4%, 准确性86.3%。

3 讨论

乳腺癌是一种常见的女性恶性肿瘤, 仅次于子宫癌, 与遗传有关[1]。近些年来, 它的发病率逐渐提高, 患者年龄也是老年逐渐向青年扩展[2]。城市, 尤其是发达城市, 女性患者的发病率更高。乳腺癌的病理是未知的, 缺少有效的预防手段。因此, 治疗乳腺癌的当务之急是准确诊断, 从而实现早期发现, 早期诊断[3]。实时组织弹性成像是一种超声弹性成像技术, 被广泛的应用在诊断乳腺癌中, 但是此技术与使用人员的经验等有关, 受到主观因素影响较大, 因此具有局限性[4,5]。

声触诊组织成像与定量 (VITQ) 剪切波弹性成像技术是一种更加新型的技术, 相对传统声脉冲辐射力技术——声触诊组织成像 (Virtual touch tissue imaging, VTI) 和声触诊组织定量 (Virtual touch tissue quantification, VTQ) 技术, 其优势在于通过在速度模式测量剪切波速度, 可定量且直观反应组织硬度信息, 并可多点重复测量剪切波速度, 选择ROI最小为1 mm×1 mm, 测量的范围更宽0.5~10 m/s, 这样对一些较小及较硬的乳腺结节测值较为准确。在本实验中, 不同观察者之间测量结果ICC值比较高, 观察者先后测量结果ICC值也将近100% (P>0.05) , 前后差异不显著, 说明此测量具有重复性。定量剪切波弹性成像技术测量的剪切波弹性成像技术的敏感度、特异性、准确度都比较高。在本研究中, 我们得到SWV值的截断值为3.51m/s, 它的敏感性为94.5%, 特异性为81.4%, 准确性为86.3%。

综上所述, 声触诊组织成像与VTIQ剪切波弹性成像技术在诊断乳腺良恶性病变中起重要的作用, 值得临床推广。

参考文献

[1]张凌, 范玉华, 黄昌举.彩色多普勒超声诊断乳腺良恶性肿瘤的价值[J].中国医师进修杂志, 20l1, 34 (14) :61-63.

[2]刘丽红.彩色多普勒超声对乳腺疾病筛查中的应用价值[J].中外医疗, 2013, 33 (33) :178-179.

[3]Ianculescua V, Ciolovana LM, Dunantb A, et al.Added value of Virtual Touch IQ shear wave elastography in the ultrasound assessment of breast lesions[J].Eur J Radiol, 2014, 83 (5) :773-777.

[4]陈曦, 解丽梅, 董颖, 等.实时超声弹性成像诊断慢性肝病肝纤维化[J].中国医学影像技术, 2012, 28 (1) :129-132.

剪切波弹性成像 篇4

1 资料与方法

1.1 一般资料

选择2015年5—11月在我院经超声或CT诊断的非酒精性脂肪肝210例, 排除病毒性、药物性及其他肝脏疾病。其中, 男性117例, 女性93例, 年龄23~65岁, 平均 (45±15) 岁。超声诊断分为轻、中、重度脂肪肝, 轻度脂肪肝80例, 男性42例, 女性38例;中度脂肪肝80例, 男性45例, 女性35例;重度脂肪肝50例, 男性30例, 女性20例。采用深圳市一体医疗股份公司生产的ET-CD-I超声肝硬化检测仪, 进行肝纤维化程度检测, 获得肝纤维化弹性值。选择同期在我院体检中心体检的80例健康志愿者作为对照组, 其中男性49例, 女性31例, 年龄20~60岁, 平均 (43±16) 岁。两组年龄、性别比较, 差异无显著性 (P>0.05) 。

1.2 不同程度脂肪肝超声诊断标准

根据中华医学会肝脏病学分会制定的非酒精性脂肪肝诊断标准进行超声诊断[3]及脂肪肝分度。轻度脂肪肝:肝脏外形、肝界正常, 肝缘锐利, 肝脏实质回声细密增强, 后方无衰减, 肝内管道结构显示清晰, 脾脏大小形态正常。中度脂肪肝:肝脏外形稍大, 肝缘变钝, 肝脏实质回声细密增强, 后方回声轻度衰减, 肝内管道结构变细, 脾脏厚度3.8~4.5 cm。重度脂肪肝:肝脏形态增大, 肝缘圆钝, 肝脏回声密集增强, 肝内血管显示不清, 脾脏厚度>4.5 cm[4,5]。

1.3 血清相关指标检查

研究对象禁食12 h后清晨抽静脉血5 ml, 采用酶联免疫法测总胆固醇 (TC) 、甘油三酯 (TG) 、低密度脂蛋白 (LDL) 、高密度脂蛋白 (HDL) 、谷草转氨酶 (AST) 、谷丙转氨酶 (ALT) 。

1.4 仪器和方法

1.4.1 仪器

应用日立公司生产的HITACHI—二郎神彩色多普勒超声诊断仪, 频率为3~5 MHz的凸阵探头。肝弹性测量采用深圳市一体医疗股份公司生产的ET-CD-I超声肝硬化检测仪, 检测探头频率5 MHz, 由一个频率为2~6 MHz的单阵元超声换能器、低频激振器和连接电缆组成。

1.4.2 操作方法

根据中华医学会肝脏病学分会制定的非酒精性脂肪肝诊断标准进行脂肪肝超声诊断, 然后利用剪切波瞬间弹性成像技术测量肝脏弹性及脂肪含量等相关指标。患者取仰卧位, 右臂屈置于头后, 在右腋前线第4~5肋间手托振荡器滑行寻找合适的位置 (肝脏右前叶对应的位置) , 屏幕上会实时显示患者当前位置的肝脏信号图, 按动手柄上的按钮, 数秒后显示当前位置的肝脏硬度值, 生成一张弹性图且计算出对应的弹性值。对同一个位置进行10次有效检测, 系统自动计算平均值, 得出肝脏弹性值及脂肪含量。

1.5 统计学方法

采用SPSS 17.0统计软件包, 计量资料以均数±标准差表示, 组间相关指标的均值比较采用t检验, 以P<0.05表示有显著性差异。

2 结果

(1) 各组弹性值、脂肪含量及BMI值比较。中、重度脂肪肝组弹性值高于对照组, 重度脂肪肝组高于轻、中度脂肪肝组, 差异均有显著性 (P<0.05) ;轻度脂肪肝组与对照组比较无显著性差异。轻、中、重度脂肪肝组脂肪含量、体重指数 (BMI) 均高于对照组, 重度脂肪肝组高于轻、中度脂肪肝组, 差异均有显著性 (P<0.05) 。

(2) 血脂指标比较。中、重度脂肪肝组甘油三酯 (TG) 高于对照组且重度脂肪肝组高于轻、中度脂肪肝组 (P<0.05) , 轻度脂肪肝组与对照组比较无显著性差异。重度脂肪肝组总胆固醇 (TC) 及低密度脂蛋白 (LDL) 高于对照组 (P<0.05) , 轻、中度脂肪肝组与对照组无显著性差异。各组高密度脂蛋白 (HDL) 无显著性差异。

(3) 肝功指标比较。重度脂肪肝组谷草转氨酶 (AST) 、谷丙转氨酶 (ALT) 高于对照组 (P<0.05) , 轻、中度脂肪肝组与对照组无显著性差异, 见表1。

3 讨论

(1) 脂肪肝是常见的弥漫性肝病, 是脂肪在肝细胞内蓄积量的异常, 当肝细胞组织内脂质超过肝湿重的5%或组织学上每单位面积见1/3以上的肝细胞脂变时, 称之为脂肪肝[6]。脂肪肝的发病机制复杂, 其主要病理生理是肝脏合成甘油三酯的速度超过合成及分泌极低密度脂蛋白的速度时, 便出现肝细胞中甘油三酯堆积, 形成脂肪肝。剪切波瞬间弹性成像技术的基本原理是采用低频振荡器在被测组织内产生剪切波来造成一个可逆、可测的小机械形变, 用超声换能器记录不同时刻生物组织的超声回波信号, 计算出由剪切波传播所造成的组织偏移, 再从应变图上得到剪切波传播速度, 进而求得生物组织的弹性模量。可利用该技术检测脂肪肝患者肝脏硬度及脂肪含量, 进而估算出肝纤维化或硬化程度, 指导临床早诊断、早干预。

(2) 本次研究结果表明, 中、重度脂肪肝组弹性值高于对照组, 且重度脂肪肝组高于轻、中度脂肪肝组, 差异有显著性 (P<0.05) , 轻、中、重度脂肪肝组脂肪含量、BMI均高于对照组, 重度脂肪肝组高于轻、中度脂肪肝组, 差异有显著性 (P<0.05) 。说明脂肪肝程度越严重, 其肝脏弹性值异常的可能性越大。研究发现体重指数是较敏感的指标, 体重指数越大, 肝脏脂肪含量值越大, 弹性值也越大, 说明肥胖是导致脂肪肝的主要易患因素, 反映肝脏硬度的弹性值随脂肪肝程度的加重而增加。

(3) 中、重度脂肪肝组TG高于对照组, 且重度脂肪肝组高于轻、中度脂肪肝组 (P<0.05) , 重度脂肪肝组TC及LDL高于对照组 (P<0.05) 。说明在血清学指标中甘油三酯是较敏感的指标, 甘油三酯血症是脂肪肝的主要易患因素, 脂肪肝程度越重, 血脂异常的可能性越大。

(4) 重度脂肪肝肝功能有不同程度的损伤, 可能与游离脂肪酸对肝细胞的毒性作用, 引起肝内代谢紊乱、肝细胞坏死所致肝纤维化和肝硬化有关。

综上所述, 脂肪肝患者存在肝纤维化或肝硬化风险, 脂肪肝程度越严重, 肝弹性值、脂肪含量、BMI、血脂及肝功指标异常的可能性越大。剪切波弹性成像技术操作方法简单、实用性强、有较好的重复性, 且不易受检查者主观因素的影响, 可以弥补二维超声诊断的不足, 较客观地量化肝脏弹性及肝脏脂肪含量指标, 是目前诊断慢性肝纤维化的一项新技术[7,8], 有较高的临床应用价值, 对脂肪肝肝纤维化早期诊断、指导临床治疗及疗效评估有重要意义。

该技术的不足之处是因超声波的物理特性检查易受肥胖因素影响, 对特别肥胖的患者操作较为困难, 准确率较低, 故对此类患者的检测还有待改进和完善。

摘要：目的 探讨剪切波瞬间弹性成像技术定量评价脂肪肝纤维化程度与血清相关指标之间的关系。方法 选择2015年5—11月在我院就诊的非酒精性脂肪肝患者210例, 根据中华医学会肝脏病学分会制定的非酒精性脂肪肝诊断标准进行脂肪肝超声诊断, 分为轻、中、重度脂肪肝, 应用超声肝硬化检测仪进行肝纤维化程度检测, 获得肝脏弹性值及脂肪含量, 观察受检者血脂等相关血清指标。选择同期在我院体检中心体检的80例健康志愿者作为对照组。结果 脂肪肝组弹性值、脂肪含量、体重指数、血脂指标等均高于对照组 (P<0.05) , 脂肪肝的严重程度、体重指数及血脂指标越高, 其弹性值越高。结论 剪切波瞬间弹性成像技术可定性、定量反映脂肪肝纤维化程度, 是一种简单、快捷评估肝纤维化程度的方法。

关键词：肝弹性值,脂肪肝,肝纤维化,血清学指标

参考文献

[1]Clark J M, Diehl A M.Defining nonalcoholic fatty liver disease:Implications for epidemiologic studies[J].Gastroenterology, 2003 (124) :248-250.

[2]曾民德.脂肪肝[J].中华消化杂志, 1999, 19 (2) :120-122.

[3]李治安.临床超声影像学[M].北京:人民卫生出版社, 2003.

[4]中华医学会肝脏病学分会脂肪肝和酒精性肝病学组.非酒精性脂肪肝诊断标准[J].中华肝脏病杂志, 2003, 11 (2) :71-73.

[5]周永昌, 郭万学.超声医学[M].4版.北京:科学技术文献出版社, 2002.

[6]田家玮, 任卫东.超声科主治医师450问[M].2版.北京:中国协和医科大学出版社, 2009.

[7]王娟, 艾红, 石秀英.超声弹性成像技术在肝纤维化诊断中的研究进展[J].中华超声影像学杂志, 2010, 19 (9) :815-818.

剪切波弹性成像 篇5

关键词：实时剪切波弹性成像,慢性乙型肝炎,早期肝纤维化,诊断,价值

慢性乙型肝炎是引起肝纤维化的主要病因, 我国作为一个慢性乙型肝炎大国, 临床诊断早期肝纤维化, 对于慢性乙型肝炎的病情发展控制非常重要[1]。对肝纤维化程度进行早期科学的评价, 对于临床治疗的指导和患者预后的改善非常重要。在对肝纤维化进行临床诊断时, 肝活检是金标准, 但是穿刺活检属于创伤性检查, 风险性比较高, 并且无法进行动态观察和随访[2]。实时剪切波弹性成像是一种新型的弹性成像技术, 采用实时剪切波弹性成像技术定量检测肝脏杨氏弹性模量值, 可以得到组织的硬度方面的信息, 而影响肝脏硬度的病理基础为肝脏纤维化, 所以就能利用肝组织硬度成像来对肝纤维化进行反映。本研究主要分析实时剪切波弹性成像 (SWE) 对慢性乙型肝炎患者早期肝纤维化的诊断价值。报道如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取2013年11月~2015年11月我院收治150例慢性乙肝 (S1、S2期) 患者。所有患者均行肝穿刺活检进行确诊, 并按肝纤维化情况进行分组。S1期组77例, 其中男48例, 女29例;年龄20~64 (37.3±8.5) 岁。S2期组73例, 其中男41例, 女32例;年龄19~65 (40.3±9.6) 岁。另选80例同期健康体检者作为对照组。对照组中男43例, 女37例;年龄22~73 (35.2±15.2) 岁。对照组无慢性乙型肝炎感染史, 各项肝功能指标正常。三组在一般资料方面比较无显著差异 (P>0.05) , 具有可比性。

1.2 方法

设备采用彩色多普勒超声诊断仪 (Supeisonic Imagine Aixplorer型) , 并配有实时剪切波弹性成像技术, 将探头频率设置为1~6MHz。全部入选对象均采用实时剪切波弹性成像技术定量检测肝脏杨氏弹性模量值, 具体操作为:被检者取平卧位, 把右上肢上抬, 在右侧第4~7肋之间进行二维扫描。清楚显示二维图像后, 转变成实时剪切波弹性成像模式, 在右肝包膜下大约1cm的肝实质处放置弹性成像取样框, 注意不要放置于肝内管道结构;嘱患者坚持屏气3s, 若取样框内颜色超过90%, 图像稳定则成功;一般检测区域选择直径在2cm左右, 显示效果更好, 并进行存储。每一位受检者同一样的方法进行5次重复测量, 计算平均值。

1.3 统计学处理

数据采用SPSS 17.0统计学软件进行分析。计量资料采用±s表示, 行t检验;计数资料采用例 (百分率) 表示, 行χ2检验。P<0.05示差异有统计学意义。

2 结果

早期肝纤维化S1期、S2期以及对照组的弹性模量值分别是7.11±2.18、7.43±2.51、4.96±0.68k Pa, 差异有统计学意义 (P<0.05) , 两两组间比较, 差异有统计学意义 (P<0.05) 。见附表。

3 讨论

临床上, 肝脏炎症和纤维化诊断的金标准是肝脏组织病理活检, 但是创伤非常大, 限制了其在临床上的广泛应用。因此, 探寻一种安全且有效的判断、分级方法对于监测病情变化及预后有非常重要的临床意义。临床研究发现, 在慢性乙型肝炎患者中, 大约40%的患者最终会发展成为肝硬化;而慢性肝病发展成肝硬化的必经阶段就是肝纤维化, 同时也是肝硬化的早期变化[3~5]。有效判断纤维化程度, 对于疾病预后非常关键, 特别是肝纤维化的早期诊断尤为重要, 发病初期若采取科学合理的干预方式, 是可以逆转早期肝纤维化的;若不及时发现处理, 极易发展成为肝硬化, 不能逆转[6]。在肝脏二维超声图像方面, 早期肝纤维化和正常肝脏没有明显差别, 另外早期纤维化患者的肝功能也没有异常, 不存在临床症状, 所以临床中容易被忽视[7]。

临床中在对肝纤维化程度进行评估时, 肝脏穿刺活检被看成是金标准, 但是肝脏穿刺活检具有一定的风险和局限性, 肝纤维化是一个动态发展的过程, 肝穿刺活检无法监测肝纤维化的发展过程;由于其检查方式的有创性、侵入性, 临床上容易导致一系列并发症的发生[8~10]。

实时剪切波弹性成像技术采用多波成像平台, 探头晶片可以发射出不同模式的声波, 在组织的不同深度持续聚焦, 发生“马赫锥”现象, 形成剪切波, 通过测量组织密度得到杨氏系数, 是测量组织硬度的定量技术之一[11]。在肝组织发生早期肝纤维化变化时, 二维超声图像并不能发生显著改变, 而杨氏弹性模量值则会发生变化。实时剪切波弹性成像技术对定性标准进行了量化, 能有效减少外界因素的干扰, 同时还能有效避开肝内的管道结构, 操作比较简单、方便, 极短时间就能完成单次成像, 如果患者存在腹水或者肥胖, 也比较适用[12,13]。分析本研究结果发现, 在杨氏弹性模量值方面, 早期肝纤维化 (S1、S2期) 和对照组比较差异有统计学意义 (P<0.05) 。

剪切波弹性成像 篇6

关键词：软组织,弹性测量,剪切波,压缩波,传播速度,位移,剪切模量,杨氏模量,体积模量,肝纤维化,乳腺癌

1 简介

为了直接测量组织的弹性,需要对其施加一定的激励,然后测量产生的应变,根据应力/应变的关系确定组织的硬度,如传统的压缩、拉伸和印压测试。但是如果测试的部位不在人体的表面而位于人体的内部,或者在局部弹性差异很大的不均匀的组织上测量不同点的弹性,那么问题就变得非常复杂。该问题类似于弹性成像中利用测得的应变弹性图(strain elastogram)重建组织的弹性模量图(modulus imaging)[1]。这类实际问题的解析解通常很难得到,常用的解决方法是得到应变分布图后,根据边界处应力的分布和边界条件,利用有限元方法进行反问题的优化求解法算出不同点的弹性模量。因为牵涉到大量的未知参数和大量运算,并且还有收敛性问题,所以该方法的结果受到外界影响的因素较多,应用比较有限。为了有效地解决这个问题,需要借助其他一些非直接的弹性测量方法。

本文介绍2种间接测量组织弹性的方法。第一种是触觉共振传感器的频率偏移法[2,3]。该方法引入共振传感器,在不接触被测组织的时候具有本征共振频率。当其接触被测组织的时候,因为振动回路声阻抗的变化,所以会使共振频率发生偏移。但是偏移的大小除了与组织的弹性有关外,也与其他因素,如接触面积或接触压力有关。共振频率偏移法和印压方法相结合可消除接触力大小对测量结果的影响,最终只需测量印压力和频偏关系就可获得组织的杨氏模量[4]。该方法已经成功应用于各种组织,包括皮肤[5]、眼球(眼内压)[6]、乳腺[7]、前列腺[8,9,10,11,12,13]、肝脏[14]、膀胱[15]、淋巴[16]和卵细胞[17]等的弹性测量,证明其具有一定的医学应用前景[18]。但是因为该方法需要接触测量,而且测量的是传感器探头附近组织的弹性特征,因此,探测深度有限,不适宜完全无创地测量活体人体内部组织。第二种间接测量的方法需要利用1个检测媒介,其能无损到达探测部位,然后探测媒介在该处的某些物理特性,这些特性与组织的弹性特征有关,因此可以利用测量得到的媒介特性间接算出该处组织的弹性特性。可以进行无创检测的媒介主要包括各种电磁波和机械波。电磁波的传播特性主要受材料的介电常数和磁导率等因素有关,与材料的力学特征关系不是很直接,不适宜用于探测材料的弹性特征;机械波的传播特性与组织的弹性特征息息相关,因此适合作为探测组织弹性的工具。Avenhaus等[19,20]利用全息内窥成像方法观察胃壁在轻触之后机械波的干涉条纹发现,局部弹性的变化会使干涉条纹模式发生明显的变化,据此可以判断局部组织病变的存在。该方法虽然可以定性判断局部弹性改变的存在,但是无法进行定量化测量。实际当中广泛应用的定量测量组织弹性的方法是利用剪切波的传播速度法。该方法可使用不同的激励技术首先在组织中产生剪切波,然后利用不同的工具,如超声成像、磁共振(MRI)成像或光学成像进行检测,获得传播速度,最后算得组织的弹性系数。本文主要介绍基于超声的剪切波传播速度法测量软组织的弹性。

2 测量基本原理

在无限大均匀各向同性的固体中,传播的机械波主要分为两类,一类为压缩波(compresional wave);另外一类为剪切波(shear wave)[21]。这两种机械波在固体里面的传播速度分别为[22]:

式中CL,CS分别代表压缩波和剪切波的波速;K为体积模量;μ为剪切模量;ρ为材料的质量密度。体积模量K和剪切模量μ之间的关系为:

式中ν为材料的泊松比。另外一个重要的弹性特征参数是杨氏模量E,和剪切模量μ的关系为:

通常认为软组织不可压缩,既认为ν近似等于0.5,因此弹性模量和剪切模量的关系可近似为:

除非特别说明,本文以下的讨论都基于这一关系进行。在软组织上,因为体积不可压缩,那么体积模量就远大于剪切模量,因此压缩波传播速度也远大于剪切波传播速度。如在组织成像里面通常所用的超声信号,就是一种压缩波,其波速约为1540m/s。但是在软组织里面剪切波的传播速度就只有几到几十m/s,远小于压缩波传播速度。通常压缩波是一种纵波,在传播方向上粒子的振动方向和传播方向一致;而剪切波是一种横波,在传播方向上粒子振动方向和传播方向垂直。但是需要注意的是,这种情况也不是绝对的,在特殊情况下,如近场剪切波也可以是以纵波的形式存在和传播的[21]。如振动器在组织表面产生垂直方向的振动,其在近场振动方向(纵深向)传播的剪切波就以纵波的形式存在[21]。因为压缩波的传播速度主要取决于体积模量,而对于大部分软组织,其体积模量的值差别不是很明显,一般认为在一个数量级之内(109~1010Pa)[23],压缩波(超声)在组织里面的声速差别都不明显。而对于剪切波速度,其主要受剪切模量影响,而不同软组织的剪切模量差别比较明显,可达到几个数量级(103~108Pa)[23]。因此,剪切波在不同组织里面的传播速度差别相对明显。对于同一种组织,其体积模量的变化往往很小,而剪切模量在不同状态下却可以有很大的变化。如对于乳腺组织,体积模量在不同结构之间变化很小,都在2000MPa左右。但是对于杨氏模量,正常脂肪组织其值约为20k Pa;纤维化组织和恶性肿瘤组织可达100k Pa,所以区别很明显[24,25],可用剪切波传播速度进行检测。假设获得了组织的剪切波传播速度,那么组织的杨氏模量就可以通过下式算出:

其中组织的密度通常可取一个常数1000kg/m3。那么在组织当中有什么方法可以产生剪切波呢?又可以用什么方法检测这些剪切波的传播呢?以下本文介绍现在常用的一些产生和利用超声检测剪切波的技术、特点和发展情况。

3 测量技术

根据产生剪切波的方式不同,现有剪切波传播速度弹性测量法主要分为3种,以下分别介绍。

3.1 声弹性成像技术(Sonoelastography)

声弹性成像主要是利用连续的振动波传播测量组织的弹性特征。Lerner等[26,27,28,29]受手触诊方法的启示,首先提出了震动幅度声弹性成像的技术。他们提出利用低频(20~1000Hz)振动器放置在组织外表面进行振动,该振动可传入组织内部引起组织内部粒子的振动。因此可以结合超声多普勒效应,利用多普勒超声测量组织里面不同地方的振动速度,然后利用振动速度间接算得该处振动的振幅。假设组织内部弹性均匀,那么振动的振幅分布具有一定的本征模式(eigenmode)。如果里面有局部硬度变化的肿块,那么振幅的分布模式就会产生明显的变化。该方法最初是用来对于组织进行弹性分布成像,很难通过振动幅度分布直接定量算出组织量化的弹性系数,这里就不再详述。

通过简化的模型,Krouskop等[30]提出利用多普勒超声测量剪切波在不同深度振动幅度的差异(梯度),然后结合波动方程,证明利用剪切波可以定量化地计算肌肉组织的杨氏模量。随后Yamakoshi[31]利用多普勒超声同时测量剪切波的幅度和相位,然后根据相位分布图求得剪切波的波长,然后结合频率算出波速,最后得到组织的弹性模量。具体来说,对于从组织内部散射得到的超声多普勒信号,对其进行互相关相干解调,可得到正交信号,其实部和虚部信号分别为[31]:

式中φ为传播引起的相位;Ji(x)为第i阶Bessel函数;

为低频振动的频率;φb为振动相位;K是与系统有关的增益因子;mf为多普勒调制因子,其值跟该处振幅有关:

式中为超声的载波频率;CL为超声声速;为振幅。从公式(7)可以看出,解调后的多普勒超声信号具有直流分量和倍频频谱。因此可以根据不同倍频处信号幅度之间Bessel系数之间的关系,然后根据Bessel函数值表查询求得多普勒调制因子mf,然后求得组织内部各处振动的振幅。另外一个重要的参数就是振动的相位信息φb,可以根据基波分量的相位直接求得。如果对相位信息进行连续测量,那么就可以观测振动传播的情况,然后根据剪切波波长计算振动的传播速度。

除了单振源法,还可以使用双振源产生爬行波(crawling wave)的方法测量剪切波传播速度[32,33]。该方法使用两个频率接近但稍有不同的振源,分别放置在测量区域的两端。这两个剪切波在组织里面能互相干涉最后形成爬行波,由振动频率高的一方传向振动频率低的一方,传播速度比原始剪切波速度小,但跟其成比例,可以表示为[33]:

式中ω和Δω分别为振源的基频及差频。因为Δω«ω,爬行波的波速比剪切波速度小很多,因此传播很容易通过传统的超声仪器直接测量[34,35]。

在实验设备上,具有多普勒成像功能的超声成像仪器经过适当的改进然后结合引入适当的振源就可以应用于声弹性成像。声弹性测量的缺点是测量的可靠性受到超声多普勒信号质量的影响。在实际活体测量上,因为组织边界和探头有限大小的影响,连续波可能很容易在组织中产生强烈的绕射和反射,并相互干涉形成复杂的传播模式,使结果产生较大的误差[36]。同时,怎样方便放置振源和超声探头(特别是使用双振源时),在实际测量也是需要特别认真考虑的问题。由于这些困难,使得该方法目前还基本处于实验阶段,在临床上还没有商业化的应用系统。

3.2 可通过B超引导的瞬时弹性成像技术(Transientelastography)

Catheline等[36,37]为了说明利用传统连续剪切波测量存在的问题,所以详细研究了低频(10~300Hz)连续和脉冲振动在组织及仿体里面的传播情况。使用的方法是在组织或仿体的一面放置振源,正对的另外一面放置单阵元超声探头,利用M模超声进行观察振动在样本中的传播情况。实验发现,使用单频周期振动,由于边界反射、绕射和压缩波的影响,所以测量的结果具有很大的偏差。如果引入脉冲振动,那么就能在一定程度上很好地避免这些因素产生的影响,因此该方法能够更加准确地测量剪切波速度并用于弹性模量的计算。使用脉冲振动然后测量剪切波传播用于弹性测量和成像的技术称为瞬时弹性成像(Transient elastography,TE)。

最初提出的瞬时弹性技术使用的是透射(transmission)模式检测剪切波的传播,该方法需要将超声探头放在振源的另外一面进行测量。这种测量模式不适于应用在临床实际测量当中,因此Sandrin等[38]又提出了反射(reflection)模式的瞬时弹性测量技术。该方法将超声探头与振动器连接在一起,直接使用超声探头作为振源在组织里面产生剪切波,然后利用超声M模信号进行检测。这两种方法的区别就是在透射模式里面,探测振动的超声探头本身是不动的,通过M模信号超声计算出来的位移就是组织在不同深度位置振动的位移。但是在反射模式中,计算振动幅度时需考虑探头本身的振动影响。该影响可以使用参考位置进行补偿,该位置可以选择组织里面的不动参考面,如骨头处产生的强反射信号。也可以选择一个组织里面足够深的参考点,假设剪切波因为衰减传播到此处的幅度已经很小,该点通过超声得到的振动就能一定程度上代表超声探头的振动。如果该假设不能完全成立,则补偿后利用求导算应变的方法就可以进一步减小计算的误差[38]。反射模式的瞬时弹性成像被证明能够很好地应用在活体测量上,区分二头肌在放松和收缩状态下弹性的巨大变化[38]。在组织表面放置的振源,除了在深度方向可观察剪切波的传播(瞬时弹性成像)外,还可以在横向进行观察。方法是在离振源一定横向距离的位置处设置两条超声观察线(可使用阵列超声探头的两个单阵元),然后检测剪切波传播经过这两条观察线的时间差异,计算出剪切波传播速度用以计算组织的弹性。Wang等[39,40]利用这个方法检测血管和肌肉的弹性。通过肌肉等长收缩实验发现,肌肉硬度在放松和最大自主性收缩状态(MVC)下的硬度差异非常惊人,能达到百倍左右[41,42]。

一维的瞬时弹性技术还可以推广到二维测量上,为了测量剪切波在二维空间的传播情况,必须使用超快速的二维超声成像系统(成像速度达5000帧/s以上)[43]。该方法使用固定在超声探头两侧的两个振动杆产生脉冲振动,然后通过二维超声成像观察组织中不同位置的位移随时间的变化情况,最后利用组织位移的空间和时间分布计算弹性模量[43]。

基于一维瞬时弹性测量技术,诞生了商业化的测量系统Fibroscan®(法国巴黎Echosens公司,现已被中国内蒙古福瑞中蒙药股份有限公司收购)。该系统在临床上主要应用于肝脏硬度的测量,为肝脏纤维化,特别是肝硬化的无损定量化检测提供了非常有效的工具[44,45,46],且在临床上得到了非常广泛的应用。Fibroscan是独立于传统超声成像系统的测量仪器,其本身对定位不具有引导功能。但是肝脏位于腹腔中,超声只有通过肋间隙才能进入;同时肝脏的结构比较复杂,具有一些大血管和胆管,所以在测量时需要避开大血管,以免引起较大的误差。因此,Fibroscan的操作者需要具有一定的经验用以找到准确的测量部位。如果在正式测量之前能够对测量位置进行准确定位,那么就可以提高测量的可靠性和准确性。郑永平等[47,48]提出在瞬时弹性测量上结合B超图象进行引导,首先利用B超通过肋间空隙对肝脏进行成像,然后找到均匀的区域(避开大血管和胆管),选择单条A超线确定感兴趣区域,然后通过超声探头产生脉冲振动进行M模超声测量剪切波,最后测得肝脏的硬度。基于B超图像的视觉引导可以减低肝脏硬度测量对经验的依赖程度,得到更加可靠、准确的结果,且相关的系统验证工作和临床实验正在进行当中。

3.3 声辐射力弹性测量技术

除了利用放置在组织表面的振源产生剪切波的方法,还可以利用聚焦超声产生声辐射力(acoustic radiation force)的方法来进行剪切波弹性测量。当声波在传播路径上被反射或者吸收时,就会产生声辐射力[49]。对于生物组织来说,声辐射力通常利用组织在聚焦点处对声波的吸收来产生。声波产生的声辐射力的方向与声波传播的方向相同,在焦点处产生的脉冲声辐射力会使该处的组织粒子产生振动,从而产生剪切波,然后沿着与振幅垂直的方向传播。声辐射力很早就被人们发现,其科学的定义可以追溯到20世纪初(1903年)Rayleigh的经典论文《振动压》[50],但是到1998年Sarvazyan等[23]才提出利用声辐射力产生剪切波,然后对组织弹性进行测量或成像。

Sarvazyan等[23]对利用超声波产生的声辐射力及其引起的振动和剪切波进行了详细的理论分析,提出可以使用3种方法来测量组织的剪切模量。第一种方法为测量声辐射力产生处,即聚焦点位置的位移达到最大时所需的时间tmax。该时间和剪切波传播速度成反比关系,可以通过这个时间计算剪切波传播速度,然后计算组织的剪切模量。第二种方法是测量声辐射力产生处的最大位移幅度,该幅度和剪切模量()成反比,可以利用最大位移算出该点的剪切模量。第三种方法是观察声辐射力产生的剪切波的波前阵面的传播情况,然后测量其传播速度以计算组织的剪切模量。前两种方法因为只能测量单点的弹性参数,且测量受超声系统和组织其他因素的影响比较大,所以本文不作详细介绍。在此,着重介绍第三种方法,即利用剪切波的传播测量法。对于声辐射力产生的剪切波,可以在其传播路径上设置两个观察点测量传播的时间差,然后计算剪切波的传播速度。Chen等[51]提出使用剪切波速度频散模型(速度跟频率有关)测量组织的固有弹性和粘性,他们使用的模型是[31]:

式中ω=2πf为角频;μ为剪切模量(k Pa);η为粘性系数(k Pa·s)。通过测量剪切波传播速度与频率的关系然后计算出剪切模量和粘性系数,他们称这个方法为“剪切波频散超声振动测量法(SDUV)”[52]。随后,分析了测量误差的主要来源[53],利用印压实验验证测量结果的准确性[54],并对该方法在前列腺疾病的诊断上进行了初步的验证[55]。该方法的优点是,可以单独测量表征组织本征特性的弹性参数和粘性参数,能更好地描述组织的实际材料特性。

为了测量剪切波的二维传播情况,必须对其进行高速跟踪成像。普通的超声成像系统速度(通常<100帧/s)不能够进行实时测量,但是通过多次测量,可以用间接的方法以达到虚拟的高速成像[56]。其方法是在脉冲声辐射力激励后利用高速单线A模超声在某个位置进行M模观测一段时间,假设观测时间足够,剪切波在此期间就已经通过观测的位置,然后重复声辐射力激励(源位置不变),改变观测的位置,进行多位置观测,最后利用多次重复测量的分块数据进行整合,达到虚拟高速成像的目的,然后利用这些数据计算位移的时空分布,跟踪剪切波在组织中的传播情况[56]。利用此方法,通过对普通的超声仪器进行一定的改造,就可以达到弹性测量成像的目的。在商业系统上,西门子的超声系统Acouson S2000系统就包含利用声辐射力进行剪切波传播速度测量的功能,称为“虚拟触诊组织量化(virtual touch tissue quantification)”。方法是在B模图像上选取某一感兴趣区域,然后在其附近产生声辐射力激励,测量剪切波传播到该感兴趣区域所需的时间计算剪切波速度。该测量显示是区域平均测量值。

除使用单点的声辐射力激励外,还可进行多点激励,使声辐射力源从点源变为线源,以用来进行弹性的测量和成像。该方法首先由一个法国的研究小组提出,他们称这种利用声辐射力成像的方法为超音速剪切波成像(Supersonic shear imaging,SSI)[57],并成立了相应的公司(Supersonic Imagine,法国普罗旺斯地区艾克斯),商业化地推广了这项技术。该技术的原理是利用快速的声辐射力激励产生线性振源,然后利用特殊的超高速的超声成像(>5000帧/s)技术[58]来追踪剪切波传播路径上各点的位移,基于这些位移的时空分布图利用各种算法,如微分法或者传播时间法等[57,59,60]计算组织的杨氏模量。因为线性点激励振源产生的速度比剪切波速度还快,所以称为超音速激励。这种方式的激励可以在一定的程度上保证剪切波的传播是在线性振源的产生之后。多点激励产生的速度和剪切波的传播速度之比被称为马赫数(Mach number),可以利用不同的马赫数来调节激励源两边波前阵面传播的夹角。当马赫数为1~5时,两个波前阵面夹角变化明显,当马赫数大于5,则两波前阵面基本平行。可以利用不同马赫数下传播情况的不同进行复合成像。方法是首先利用不同马赫数产生不同的弹性图,然后进行平均,就可提高成像的质量[57]。另外需要注意的就是SSI可以在振源两边拿到弹性模量图,但是在振源处因为有源的存在,测量是不准确的[57],因此需要作特殊处理。解决的方法就是改变振源的位置,然后让第一次成像时声辐射力激励的位置处于第二次激励时的成像区域,第二次激励的位置处于第一次激励的成像区,两次测量结果相互补充获得各自振源处位置的弹性分布[61]。利用SSI可以对弹性模量进行多点测量和成像,且测量结果受外界和测试条件影响小,因此有很大的临床价值,已经在很多组织包括乳房[61,62]、肝脏[63]、肌肉[64,65,66,67]、甲状腺[68]、脑[69]和角膜[70]上进行了初步的应用。

使用声辐射力进行弹性测量的另外一个重要的课题就是安全问题。Sarvazyan等[23]粗略地指出用来产生辐射力的超声波功率密度与普通超声成像的相似之处,但是前者所持续的时间会长一些,通常情况下,未达到产生生物效应的门限,因此是安全的。声辐射力测量可能给组织带来的损害主要集中在温度效应上。在聚焦位置,组织的温度会局部升高。Palmeri等[71,72,73]分别利用实验和有限元方法测量和模拟了声辐射成像方法对组织的温度影响。得出的结论是,声辐射力引起的温度效应与组织的衰减系数及激励的频率有关,在安全的能量范围内其能够用来进行成像。但是基于安全因素的考虑,激励不能太频繁或持续太长时间。在成像帧速度、区域大小和扫描线间隔之间需要进行一定的平衡。对于单点弹性值的剪切波测量,因为只使用一次聚集超声激励,然后就可进行测量,因此基本是安全的。而对于SSI成像方式,Bercoff等[57]通过计算明确也并指出其安全性。Athanasiou等[62]报导了临床使用的商业成像系统探头参数,该成像方式的机械指数(Mechanical index,MI)为1.4,成像速度为1帧/s时的空间峰值时间平均声强(ISPTA)为603m W/cm2,温度指数(Thermal index,TI)为0.48,都小于FDA规定的安全界限值(MI<1.9,ISPTA<720 m W/cm2,TI<6)。因此可以得出结论,在单次或少量多次声辐射力激励的情况下,利用声辐射力对组织进行弹性测量是安全的,但是在声辐射力激励高速连发的情况下,必须考虑测量的安全性。

4 应用

基于剪切波的组织的弹性在最近10年发展迅速,并已经开始在临床方面获得了一些应用。其中,最明显的例子就是利用瞬时弹性技术测量肝脏硬度用来评估肝脏的纤维化程度。传统的客观评价肝脏纤维化程度的“金标准”是组织活检测试,其需要利用微创型针头在肝脏上取出一小部分组织,然后进行解剖分析。但是其有创性检测,会伴随疼痛及可能引起的严重的并发症,不适宜频繁多次使用,且取出的组织体积通常只是肝脏体积的1/50000,所以不能很好地代表整个肝脏的受损情况,因此易产生误诊或者漏诊[74,75]。基于以上缺点,故需要开发新的、客观化的无损检测方法,以进行辅助诊断。而伴随着纤维化产生的肝脏硬度变化就是很有潜力的测量对象。Yeh等[76]通过离体压缩测试和解剖分析进行相关性测试,发现肝脏硬度与组织解剖纤维化程度呈现很强的正相关性。因此,如果能够准确地无损测量肝脏硬度的大小,就可以利用它来对肝脏的纤维化程度进行量化评估。利用剪切波速度测量组织弹性的Fibroscan系统被引入肝脏硬度的检测以后,受到了很多临床人员的重视,他们开展了一系列的临床研究,用于了解该仪器的特性。使用中,需要找到腹部肝脏右叶上方的肋骨间隙,通过此处将50Hz的振动打入肝脏,然后利用超声进行检测。Fibroscan测量的是皮肤下方2.5~6.5cm固定深度部分肝脏组织的平均硬度[44,45]。实验的成功率以获取正确读数的次数除以激励发射总次数来计算,最后获取10次有效的测量结果,取中位数用来代表肝脏的硬度。因为肝纤维化通常在慢性病毒性肝炎患者中普遍存在,所以已有的关于肝脏硬度在评估纤维化中作用的结论很大一部分都是在肝炎患者的研究上得到的。研究对象主要是慢性丙型肝炎(Hepatitis C)患者[45,77,78,79],也有一些丙型肝炎病毒(HCV)/人类免疫缺陷病毒(HIV)共同携带者[80,81]及乙型肝炎(Hepatitis B)患者[82,83,84]的研究。在慢性肝炎引起的肝脏纤维化的评估方面,大部分研究证明,通过瞬时弹性获得的肝脏硬度与由组织解剖获得的纤维化水平之间存在明显的正向相关性。肝脏硬度能较好的区分低纤维化等级和肝硬化之差异。但是在中等纤维化(F2~F3)程度的区分上,肝脏硬度值有较多的重叠,诊断效果一般。对于慢性肝病患者,其病情的突然加剧(具体表现在急性炎症引起谷丙转氨酶ALT急剧增加),也会导致肝脏硬度增加[83,85,86,87,88]。这会影响纤维化诊断的准确性,因此需要特别注意。其他一些可能的肝病病理,如温和性脂肪变性(steatosis)、非酒精脂肪肝炎(NASH)、非酒精性脂肪肝病(NAFLD)、肝窦淤血、肝外胆汁淤积等因素对肝硬度的影响也有一些相关的研究[89,90,91,92]。只有对这些因素作彻底研究,才能利用肝脏硬度值对肝脏纤维化水平进行正确客观的评估。除了用于诊断,肝脏硬度弹性检测还可以用于评估肝脏纤维化治疗药物的效果。相关的研究[93,94,95,96]显示,经过治疗以后肝脏硬度有所降低,其降低的程度受许多因素影响,如初始纤维化的严重程度和体重指数(BMI)等[96]。实际操作使用Fibroscan进行肝硬度测量需要注意的是,在某些患者身上测量会失败(拿不到数值)或测量可靠性不高(上下四分位数间隔大于肝硬度中位值的30%,或者测试成功率低于60%)。Castera等[97]回顾分析了13369例Fibroscan检查,发现有1/5的测量结果难以解释。导致这些缺陷测量的原因包括肥胖、操作者经验、肋间距、腹水、性别、年龄、高血糖、高血压等[98,99]。到目前为止,国内也已有一些关于利用Fibroscan开展肝脏硬度检测的研究报导[100,101]。我国是乙肝大国,Hepatitis B患者肝脏纤维化的检测和治疗是一个具有重要意义的课题。因此,通过肝脏硬度测量对肝脏进行无损纤维化检测在国内具有非常大的应用潜力。关于这方面的发展历史和现状,有兴趣的读者可进一步参考国内、外相关的综述文章[77,102,103,104,105,106,107,108,109,110,111,112,113,114,115]。值得注意的是,除Fibroscan外,其他基于声辐射力产生的剪切波传播测量弹性的方法也可以用于肝硬度的检测[63,116]。这些方法在临床使用上互有优缺点,互相补充,它们之间的良性竞争还可以促进各自技术的长远发展并且降低相应医疗仪器的价格。

除肝脏硬度的检测外,剪切波弹性测量还可以用于许多与疾病相关的医学检测和治疗上。如使用SSI弹性测量可以进行乳腺基本结构物质(脂肪和腺体)弹性参数特征化[117]和病变检测。Tanter等[61]通过初步研究(13例病例)发现,对于乳腺组织,正常脂肪和实质结构的杨氏模量为3~45k Pa;良性肿瘤的杨氏模量为80k Pa以下;而恶性肿瘤的硬度在100k Pa以上。孢囊病变结构因为有液体在里面,不传播剪切波,所以无硬度值显示。随后,在48例乳腺病变上的测量得出良性肿瘤的杨氏模量均值为(45.3±41.1)k Pa;恶性肿瘤值为(146.6±40.1)k Pa,进一步证实良、恶性肿瘤的硬度区别[62]。通过剪切波传播法实现的乳腺弹性测量的可重复性和诊断性能最近也得到了验证[118]。这些初步的结果证明,弹性测量可以结合传统B超成像,来提高乳腺疾病良、恶性肿瘤诊断的准确性,成功使用可减少穿刺活检的次数,值得推广,有进一步进行大规模临床测试的必要性[119]。剪切波弹性测量还可以用于测量肌肉的弹性。因为肌肉的位置在表皮下层,所以传统上很难有方法可以有效地测量活体肌肉的弹性特征。剪切波弹性测量法不仅可以定量测量肌肉弹性在收缩时的改变[65,67,120,121,122],而且还可以定量测量由肌纤维排列方向引起的肌肉弹性的各向异性[64,123]。因此,该方法也有很大的潜力用于研究各种肌肉疾病或各种肌肉训练方法对肌肉功能的改善情况。在辅助治疗评估方法,另外一个重要的应用就是利用剪切波弹性测量法监视高能聚焦超声(HIFU)的效果[124]。HIFU是最新发展起来的利用高能聚焦超声治疗肿瘤的新方法,具有很大的应用潜力。但是实际使用当中还存在一些问题,如需要实时检测治疗的范围,以免对正常组织造成不必要的损伤。利用弹性测量对HIFU治疗区域进行监视的原理基于经过HIFU高温治疗后的组织会变性,最终硬度会增加,然后通过弹性的测量成像就可以知道治疗的范围和效果[125]。Bercoeff等[124]首先提出了利用剪切模量成像监视热疗过程当中组织的变化情况。之后,Sapin-de Brosses等[126]利用热浴方法研究了组织剪切模量和温度的关系,发现不同组织的剪切模量对温度的反应是不同的。对于肌肉组织,剪切模量随温度变化经历4个典型的阶段,在前三个阶段,剪切模量是随温度增加而减小的,到了最后阶段,其值才慢慢增加。进一步的研究证明,可以利用剪切模量和温度在低温区域(<45℃)的线性关系对HIFU治疗区域进行快速的剪切波温度成像,相对于传统超声温度成像,剪切波温度成像可以降低其他因素,如呼吸对测量结果的影响[127]。当温度继续升高到达损伤形成阶段,可以同时利用剪切波温度成像和剪切模量成像对热疗损伤的形成,治疗处周围组织温度和弹性特征进行监视[128]。

5 问题和展望

以剪切波作为探测媒介的弹性测量法具有一个很重要的优点,就是能够利用对局部范围内剪切波的传播方式对组织的弹性特征进行局部测量,其测量受组织整体情况,如器官的大小、其所处的位置和其周围组织等因素的影响比较小。探测仪器本身,如探头的尺寸对测量的结果影响也较小,操作者所需要的就是将探头准确放置到感兴趣测量范围的外部,让剪切波顺利地传播到感兴趣区域进行自动化测量。因此,在这个过程当中,环境和人为操作因素的影响减小了,在一定程度上能保证测量结果的准确性和可靠性,很适合进行临床应用,并具有广泛的应用前景。本文主要介绍利用超声的方法来检测剪切波的传播波速,进而测量组织的弹性及成像。使用超声进行检测的好处是超声仪器广泛的普及率,及成像具有实时性的优点。但是其也有一些明显的缺点,如骨头的强反射导致在某些组织(大脑)里面很难进行活体测量,解决的方法是借助其他一些成像方法进行测量。核磁共振弹性成像(MRE)就是最近发展起来的一种很重要的组织弹性测量方法[129,130,131,132],在脑部弹性测量和成像方面具有得天独厚的优势,受到了科研和医学界的广泛关注,我们将在以后介绍。

剪切波弹性成像 篇7

盾构法隧道施工具有自动化程度高、工作效率高、安装性强、受地面环境限制小、较少破坏人文自然景观、对城市交通影响小等优点,是地铁建设中区间施工常用方法之一[1]。岩石由于结构、岩性、所含矿物及环境不同,其抗风化能力也有差异,在花岗岩地区,当完整岩石中有交叉节理发育时,节理把岩石分割成棱角形块,风化作用在棱角部位加速,棱角部位岩石首先风化成土,被节理包围岩块变圆,形成球状风化体(孤石),其大小、规模、分布具有随机性和隐蔽性,但主要分布于全风化带和强风化带中。孤石给工程建设带来众多问题。在城市轨道建设中,孤石严重影响盾构法隧道施工,盾构过程中如遇到孤石,孤石会使盾构机刀盘磨损严重、刀座变形,严重时刀盘由于受力不均匀导致主轴承受损,较大孤石可能导致盾构转向,偏离隧道轴线。因此,为了确保工程顺利进行,减少经济损失,在盾构机通过之前必须查明孤石分布范围,提前清除孤石障碍[2]。

目前,孤石探测技术已在国际上引起重视并得到广泛研究。研究表明,地震和电磁层析成像技术采用射线“照射”目标体的观测方式及成像计算方法能获得较高的探测分辨率[3],已经广泛应用于矿体探测和工程勘探。两种方法综合运用于孤石探测及探测效果分析的参考资料较少,为给类似工程提供应用经验,本文从方法原理、工作方法、数据处理及解释做了详细论述。

1 孤石波速和衰减系数特征

孤石赋存在花岗岩全、强风化层中,由于所处环境和风化条件不同,相对于风化残积土孤石完全保留了花岗岩的物理化学性质,岩石参数良好[4]。表1[5]是某地孤石、强风化层、全风化层物性参数。

上述数据说明孤石与周围介质存在明显的波速差异和对电磁波的吸收差异,这为孤石探测提供了良好的应用地球物理基础。理想条件下微风化体和全强风化存在很大波速差异,差异比约为3.1;其衰减系数差异更大,差异比约为7.5。实际情况下二者差异没那么大,例如:对于风化程度相当、裂隙不发育、弱含水的孤石,其电性差异较小,波速差异占主导;对于风化程度相当、裂隙发育、富含水的孤石,其波速差异不明显,其电性差异占主导。因此,在对孤石发育特征不甚了解情况下,综合运用两种方法从孤石的波速和电性参数探测其发育范围更可靠,综合分析两种资料有助于孤石边界划定。以实例探测结合基坑开挖资料,针对两种探测技术对孤石的探测效果进行客观分析和评价,可为以后类似工程提供参考依据。

2 基本理论

2.1 跨孔层析成像

跨孔层析成像又称井—井CT(Computer Tomography),是在常规物探方法基础上发展起来的新技术,它通过在探测介质一侧发射某种信号(例如电磁波、弹性波、电压等),在另外一侧利用仪器记录透射信号,根据被测介质对信号的影响特征,利用计算机层析成像技术重构介质内部结构,再分析重构的某个物理量图像与介质的对应关系达到层析成像技术应用目的[6]。该技术具有很多显著优点,首先,数据采集时,信号发射源和接收器均放入钻孔中,接收器远离地面直达目的层,采集信号为目的层直接反应,提高了数据信噪比;其次,跨孔探测反应的资料为两钻孔之间区域,相比地表勘探单位面积数据量大,为反演技术应用提供了数据基础,探测精度高于地面物探方法;最后,跨孔探测是在孔中进行,占地少,对场地条件要求不高,更适合于城市工程物探。

跨孔层析成像工作时至少需要两个钻孔,一孔作为信号源发射孔,另一孔或多孔作为信号接收孔,然后按照某种观测系统进行信号采集,目前国内外发展起来的观测系统有以下三种[7]:①共发射点观测,在发射孔固定信号发射点,在一个或多个接收孔中同时布置多个接收器进行采集,工作示意图如图1所示;②共接收点观测,在接收孔固定接收点,在发射孔不同深度依次发射物理信号;③平行观测,观测时发射点、接收点分别在发射孔和接收孔平行等间距移动,顺序由深向浅或由浅向深。

跨孔弹性波CT工作时,在激发孔采用震源发射器发射弹性波,在接收孔利用传感器接收经过介质散射后的弹性波,接收信息传输到地震仪并记录,通过分析记录到弹性波运动学(走时、射线路径)和动力学(波形、振幅、相位、频率)特征,达到地质勘探目的(见图1)。而走时层析成像主要利用弹性波中的直达波,是对拾取的直达波时间(又称初至)进行反演,达到孔间弹性波场重建目的。按成像方式可分为基于射线方程的层析技术和基于波动方程的层析技术,按重建参数可分为波速层析成像和衰减系数层析成像。基于射线理论的弹性波CT由于旅行时具有信噪比高、受激发条件影响小、信号稳定、且无论是柱面波还是球面波其走时规律均相同等优点,相对于其他层析成像方法发展较早,也较为成熟,是目前地震层析成像的主要方法(1992,zhou Bing)[8]。

跨孔电磁波CT的工作方式与跨孔弹性波CT类似,它是在一钻孔放置发射天线,另一钻孔放置接收天线。发射天线发射固定频率的电磁信号,接收天线感应经地层传播来的电磁波场,衰减后的电磁波经专门仪器记录。通过分析接收到的电磁波场强和相位变化可达到地质勘探目的。由于硬件技术限制,目前相位反演尚处于研究阶段,相比之下场强应用较为广泛。电磁波CT工作时应避免采用金属套管保护,前人研究成果表明金属套管会对电磁波传播产生较大影响[9]。

2.2 正演理论

弹性波和电磁波在介质中传播具有相同的运动学性质[10],均遵从射线理论,因此传播路径正演追踪具有相同算法。数据分析区别在于反演算法,以弹性波为发射源的层析成像技术,可以对能量、旅行时和相位反演,以电磁波为发射源的层析成像技术,也可以对以上三种物理量进行反演,但是,基于当前硬件发展现状,弹性波勘探一般对旅行时进行层析成像,电磁波勘探一般对衰减能量进行层析成像。

弹性波传播过程中遵从如下公式:

式中:i为传播路径编号;j为剖分网格编号;Ti为第i条射线的传播时间;Li为第i条射线的传播路径长度;dl为第i条射线穿过第j个网格的弧长微元;Vj(x,y)为第j网格的速度,为方便计算,有时用慢度Sj(x,y)表示,且;由(1)式知弹性波的传播时间就是慢度沿传播路径的积分。

电磁波在传输工程中,电磁波振幅(能量)的衰减遵从如下公式[11]:

式中:Ai第i条射线的衰减后能量;Li为第i条射线的传播路径长度;Lij为第i条射线在j网格里面的弧长微元;βj为第j网格的衰减系数;A0为发射天线的初始辐射常数;fS(θS)、fR(θR)分别为发射天线和接收天线与垂线之间角度的函数。为讨论方便,公式推导时忽略发射和接收天线之间的角度影响,相当于把发射场认为球形源,简化后的公式为:

两边取对数之后再进行数学变换后,式(3)变为式(4):

简写为:

式中:Ei为接收天线的接收到衰减后的电磁场强数值。

对比式(1)和式(5),从数学分析两个公式一致,只是代表物理量不同而已,因此数据经变换之后,弹性波和电磁波层析成像所归结数学问题是完全相同的。

弹性波正演是以介质的波速分布为基础,按照波的传播理论追踪传播路径,计算从发射点到接收点的传播时间,射线追踪过程即是正演计算。正演计算的精度和速度决定着成像的分辨率和可靠程度。弹性波射线追踪理论是在高频近似条件下,波场的主能量沿射线轨迹传播。追踪算法分为直线追踪和弯曲射线追踪两类[12]。本试验采用射线理论中的直射线追踪算法,计算过程如下。

首先将孔间成像区域网格化成M×N个单元,每个网格用慢度(速度的倒数)Sj(j=1,2,3…M×N)表示(见图2),网格单元内图像函数看作常量,因此,图像函数沿第i条射线的积分值即投影函数为:

式中:i为通过图像区射线号;j为图像区单元号;Lij为第i条射线通过第j个单元的路径长度;Sj为图像区函数值,对于弹性波代表慢度,对于电磁波正演代表衰减系数[13]。

对于图2模型,第i条弹性波射线在成像区域中的旅行时间由式(1)和式(6)推导为:

由此可见,成像区域内介质慢度是旅行时在射线方向的投影函数。假如有N条射线依次通过图像重建区时,式(7)可列成如下线性方程组:

基于上述正演算法,地质模型给定后,由于每个网格单元慢度以及发射点和接收点坐标已知,每个网格切割每条射线的长度Lij则可求取。再由式(7)计算出每条射线的理论旅行时Ti,最后根据式(8)建立关于每条射线通过成像区域后旅行时矩阵方程。这就是已知慢度求理论旅行时的正演计算过程。正演计算的目的是确定弹性波旅行时路径,求取理论旅行时,为反演计算做准备。

2.3 反演理论

地球物理反演是依据观测信息和前向物理模型求解或推断地质体的赋存状态和物性参数的计算过程,最终归结为求解一个大型的﹑稀疏的﹑超定的线性方程组。常用算法有:标准层析重建方法(如:代数重建ART和联合迭代重建SIRT),最小二乘法,迭代矩阵法,共轭梯度法等。在工程中以SIRT应用最为广泛[14,15]。

SIRT(Simultaneous Iterative Reconstruction Techniques)算法首先由Givert提出。该算法把第K轮所有射线对某一网格单元的修正值保存下来,直到本轮迭代结束后求所有射线对该网格的修正平均,并作为下一次迭代的初值。SIRT算法对超定或欠定方程组均能求解,且不会出现解的奇异现象,同时具有平稳收敛、计算简便快捷、占用内存少等特点。详细计算步骤如下:

(1)初始化方程组中慢度值Sj,根据式(7)计算M条射线的旅行时估算值Ti(i=1,2…M),其中Lij由射线追踪算法求取。

(2)求每条射线实测旅行时ti与估算值Ti之差Δti=ti-Ti(i=1,2…M),按照加权算法计算第i条射线在第j个网格中的旅行时差Δti分摊量,并计算第j个网格中所有射线旅行时差Δti分摊量之和∑Δti。

(3)计算每个网格单元切割每条射线的长度之和∑L,求每个网格的慢度修正量。为直观起见,上述步骤的算术表达式如下:

式中:Mj表示穿过第j个网格的射线数;N表示射线数;M表示模型离散化后的网格数。为了加快计算速度,并突出短射线的作用,其平均化算法更为实用,即:

式中:和分别表示旅行时变化量和第i条射线的总长度;Ni表示第i条射线穿过成像区域的网格数。为了让求解结果更加平稳,可对每次迭代求取的慢度修正量ΔSj进行平滑。

(4)把步骤(3)中计算的慢度修正量ΔSj(k)与Sj(k-1)相加,作为模型的下一次迭代的初值。重复上述步骤,直至满足限定误差条件为止。

3 实例分析

试验地位于广州东北部,经勘察上覆地层为人工堆填、冲积、洪积、坡积及残积的第四系,主要包括全新统(Q4)和全—上更新统(Q3+4)。下伏基岩为中生代燕山期侵入岩,属燕山晚期第一阶段的萝岗岩体,以细、中、粗粒斑状黑云母二长花岗岩为主体岩石结构。在花岗岩全、强风化层中存在大小不等且随机分布的孤石,其中一处经钻探揭露,钻孔柱状描述为:0~2.6m为人工堆积粘性土;2.6~7.0m为坡积而成的粉质粘土;7.0~9.8m为花岗岩风化残积而成的砂质粘性土;9.8~12.2m为花岗岩微风化体(孤石);12.2~16.5m为花岗岩风化残积而成的砂质粘性土;16.5~33.6m为全风化,局部夹强风化花岗岩;稳定水位2.5m。本例以此钻孔揭露孤石为探测对象,探测方法综合应用上述介绍的跨孔弹性波和电磁波CT技术。

3.1 试验方案

试验时在孤石两侧各布置一个钻孔,钻孔深度超过现存孤石深度,两钻孔平面距离孤石各5m,通过设计使得探测孤石位于成像区域中部。跨孔弹性波CT和电磁波CT工作参数为:激发点距1m,接收点距0.5m,采用共发射点观测系统,单点24道接收。原始记录结果见图3和图4。

注:激发深度10m;接收深度8.5~20m

注:发射点深度10m;接收点深度3~18m

图3跨孔弹性波CT单炮记录表明激发震源能量较强,有效波信噪比高,首波清晰,初至时间易于拾取,记录中15~18道初至有超前现象,推测为孤石异常所致;图4跨孔电磁波CT定点发射记录表明,电磁波随着距离的增加衰减量增加,曲线平滑,外界无电磁干扰,但曲线的曲率具有变化,说明该段岩石电性具有差异性。

3.2 数据反演及对比分析

数据处理采用上文介绍的正反演方法,为了提高计算速度和精度,程序设计时对数据格式和正、反演算法进行了部分优化,如图5是两种方法的处理结果。跨孔弹性波通过对拾取的初至反演得到孔间区域内波速分布图,跨孔电磁波通过对接收到的场强反演得到孔间区域内电磁波衰减系数分布图,剖面图中纵坐标为钻孔高程,横坐标为孔间距,图中数值表示波速数值和电磁波衰减系数,白色竖条为揭露孤石钻孔位置。

图5(a)是跨孔弹性波CT反演结果,剖面图中显示探测区域内介质波速大小存在差异,大部分区域为低速介质,个别点为高速体,高、低速分布形态具有规律性,高速体推断为孤石发育区,异常体的波速数值大小介于1900~2600m/s,横向距离ZK02孔3~6.5m,发育深度9~11m;图5(b)是跨孔电磁波反演结果,剖面图中显示探测区域内介质对电磁波的吸收能力存在差异,大部分区域对电磁波强吸收,个别区域弱吸收,吸收系数大小分布形态具有规律性,弱吸收异常区推断为孤石发育区,异常区衰减系数数值大小1~2.5m/s,平面距ZK01孔2.5~6.5m,发育深度9~11.5m;对比两种方法所得结果,对异常体的发育范围推测基本一致,通过与既有钻孔资料对比,垂向深度相差约0.7m,结果基本一致;图5(c)是所探孤石开挖后照片,经实地测量孤石平面大小为3m×5m,本次跨孔探测剖面平行于3m方向,因此两种层析成像方法对所探异常平面大小和深度大小基本吻合。

岩石是矿物集合体,具有一定的孔隙度,其物性跟岩石骨架(矿物颗粒)、胶结物及孔隙流体相互作用等因素有关[16],物探资料反演的数值是岩石某个物性的综合体现,因此对反演剖面进行地质解释时,异常体的推断应以数值的相对大小为准则。跨孔弹性波CT探测结果反映了异常体与围岩之间的波速差异,跨孔电磁波CT反映了异常体与围岩之间的电性差异,两种跨孔物探方法综合应用,对异常体双性定位,增加对异常体解析的可靠性,且能起到相互补充和相互印证作用。本文综合运用了弹性波和电磁波两种技术对孤石探测,均取得成效,但勘探结果均与实际位置存在偏差,二者结果联立解释后减小了偏差,因此,本研究成果揭示跨孔弹性波CT和跨孔电磁波CT两种资料联合处理是可行的,并初步判断联合处理成果要优于单一处理结果。

4 结语

本文简要介绍了孤石成因及其给城市轨道工程带来的问题,说明孤石探测的必要性,实验数据表明孤石与周围介质之间存在波速差异和对电磁波的吸收差异,说明可以利用跨孔弹性波CT和跨孔电磁波CT层析成像技术进行探测。本文重点介绍了跨孔层析成像技术的工作方法和数据处理算法,说明二者数据数理具有一致性,并进行了详细公式推导,工程实践证明采用相同算法对跨孔弹性波和电磁波CT数据处理得到理想效果,并对试验成果作了详细分析,说明两种方法综合利用对探测孤石具有应用前景,也为两种资料的联合反演提供参考。

摘要：在工程建设过程中常遇到花岗岩球状风化体不良地质问题,城市轨道交通建设尤其明显,严重影响着盾构法隧道施工的效率和安全,因此,发展孤石探测技术意义重大,但目前仍是一项技术难题。本文以孤石探测技术为研究目的,提出从孤石的波速特征和对电磁波的衰减特性进行综合探测,文中详细论述了数据处理的正、反演理论,并重点介绍了波速层析和衰减层析两种算法的高度一致性,通过实例分析说明两种探测技术均对孤石探测存在成效,研究成果说明综合利用两种物性条件进行孤石探测可增加探测精度,成果相互补充,相互印证,最后以本研究为基础展望了基于波速和衰减系数的联合反演技术。