Research Article |Open AccessVolume2022|Article ID9879632|https://doi.org/10.34133/2022/9879632
近日，美國伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的Pengfei Song教授團隊在Science合作刊BMEF上發表題為 「Three-dimensional Shear Wave Elastography Using a 2D Row Column Addressing (RCA)Array」 的文章。剪切波彈性成像（Shear Wave Elastography, SWE）是一種成熟的超聲成像方式，能夠在二維圖像的基礎上進行彈性成像，並在包括癌症和肝纖維化在內的廣泛臨床應用中具有重要作用。剪切波通常通過使用來自超聲換能器的聲輻射力（Acoustic Radiation Force, ARF）或者外部機械振動來產生。由於剪切波的傳播速度很快（在大多數軟組織中的傳播速度為1–10 m/s），通常需要較高的成像幀速率（1,000–2,000 Hz）才能獲得穩健的SWE。雖然現在由軟件波束形成器驅動的主流超聲掃描儀已廣泛用於2D成像，但具有如此高成像速度的3D成像方案仍很難實現。因此，儘管3D SWE具有許多優於2D的優點，但很大程度上仍局限於2D成像。
到目前為止，研究者已經提出了幾種3D SWE的解決方案。其中一種是基於ARF通過機械掃描1D換能器來獲取2D SWE圖像，然後進行3D重建。另一種方法是基於二維矩陣陣列，以外部振動或ARF作為剪切波源。雖然已有研究表明在2D陣列上可以使用ARF進行3D SWE，但由於多路復用2D陣列無法維持用於ARF的長時間持續高壓推斥脈衝，該方法仍然難以實現。此外，ARF誘導的剪切波需要1,000–2,000 Hz的高體積成像速率來跟蹤，且具有瞬變和高帶寬的特點（75–500 Hz），而這往往會帶來高昂的使用成本。另一方面，由於基於外部振動的方法不使用ARF，剪切波信號的頻率較低且帶寬較窄，因此對於基於2D陣列的3D-SWE更可行。特別是對於使用連續振動的方法，由於產生的剪切波信號的循環特性，可以使用換能器的子孔徑分別獲取剪切波信號的子體積，然後將橫波信號的子體積拼接在一起以合成全3D體積。同時可以進一步利用連續振動引起的剪切波的循環特性，在具有非常低成像體積率的傳統超聲掃描儀上實現3D-SWE（如Sub-Nyquist採樣技術）。然而，這些方法有個共性的缺陷就是需要通過多次的數據採集來合成完整3D體積的數據，因此容易受到組織運動偽影的影響。
為了解決這些限制，作者提出了一種基於2D行列尋址（Row Column Addressing, RCA）陣列的新3D SWE方法。與傳統的2D矩陣陣列的設計不同，RCA陣列使用正交排列來降低3D成像計算的複雜性。由於通道數少，RCA陣列與大多數商用超聲掃描儀兼容，並支持具有數千Hz體積成像速率的超快3D體積成像。同時，由於沒有多路復用，RCA陣列可以維持基於ARF的3D SWE推動脈衝。作者基於RCA的不同平面波複合方案用於3D剪切波跟蹤，然後進行體模和體內研究，證明使用RCA進行外部振動和ARF誘導的 3D-SWE剪切波進行成像是可行的。作者團隊首先基於RCA陣列研究了三種複合平面波超聲成像方法。第一種是複合RC方案，它使用行元素（R）來傳輸具有不同轉向角的平面波，並使用列元素（C）來接收（圖1a）。第二種複合CR方案則使用列元素（C）發送，使用行元素（R）接收。而第三種複合RC+CR方案則結合了RC和CR並實現了對稱的點擴散函數（Point Spread Functions, PSF）。上述三種傳輸方案在400 Hz體積速率下的仿真結果如圖1b所示。由於行元素和列元素的對稱布局，RC方案的PSF與CR方案的PSF相同，只是圖像旋轉了90°。因為複合RC+CR方案是RC方案和CR方案的組合，所以PSF在x-y平面上是對稱的。由於與RC或CR相比，RC+CR方案使用較小的角孔徑以保持相同的體積率，因此它具有較弱的發射聚焦和較寬的主瓣（即更差的空間分辨率）。沿y方向的平均半峰全寬（Full Width at Half Maximum, FWHM）是使用位於20–50 mm深度之間的30個點目標計算的。通過比較三種方案在2,000 Hz的體積速率下的仿真結果（圖1c）發現，由於複合角度的數量有限，沿發射聚焦方向的主瓣很寬。與單獨使用RC或CR相比，複合RC+CR方案在x和y方向都具有更好的B-mode空間分辨率。對多功能多組織體模的成像結果與模擬結果相似，RC和CR方案在400 Hz時比複合RC+CR方案具有更好的B-mode分辨率，而複合RC+CR方案在2,000 Hz時具有更好的分辨率（圖2a、b）。
圖1：傳輸方案和模擬PSF的介紹：(a)基於RCA陣列的複合RC方案的圖示，(b)不同傳輸方案(複合RC、複合CR和複合RC+CR)在400Hz下的模擬PSF，(c)以2,000Hz體積速率模擬不同傳輸方案的PSF
3D SWE的另一個重要指標是剪切波檢測的信噪比（Signal-to-Noise Ratio, SNR），它會影響檢測到剪切波信號的質量（比如ARF引起的剪切波信號）。圖2c和2d顯示了使用三個方案的多功能體模中的測量信號、噪聲和SNR測量值。由於RC和CR方案的對稱性，這兩種方案的SNR性能是相同的。而由於RC+CR方案使用較小的角孔徑，所以當體積速率為400 Hz時，RC+CR的SNR高於RC或CR方案的SNR（圖2c）。
圖2：體模的體積圖像和信噪比：(a)使用不同傳輸方案(複合RC、複合CR和複合RC+CR)在400 Hz下的多功能多組織體模的切片圖，(b) 2,000 Hz下不同傳輸方案體模的體積圖像，(c) 400 Hz下不同傳輸方案的體模信號、噪聲和信噪比測量結果，(d) 2,000 Hz下利用不同傳輸方案體模中的信號、噪聲和信噪比測量結果
接着作者使用同質體模和彈性體模進行了3D剪切波研究。圖3a顯示了在同質體模中檢測到的100 Hz 3D剪切波運動，體積成像速率為400 Hz。圖3b顯示了使用3D局部頻率估計（Local Frequency Estimation, LFE）方法重建的剪切波速度（Shear Wave Speed, SWS），圖3c則顯示了來自全體積SWS的直方圖。使用3D SWE方法估計的平均SWS為2.38±0.35 m/s，而由LOGIQ E10超聲系統測量的SWS為2.98 m/s。使用3D SWE方法估計的SWS較低可能是外部振動器的較低剪切波頻率導致的。在彈性體模中對楊氏模量為64.9 kPa （4.65 m/s）的剛性球形病變進行成像，對照的楊氏模量為18 kPa （2.45 m/s）。圖4a顯示了在四個連續時間點使用彈性體模中的外部振動的剪切波運動的代表性體積幀（Representative Volumetric Frames），圖4b顯示了重建的彈性體模的SWS體積，球狀病變清晰可見，位於左上角的偽影可能是邊界效應導致的。使用GE系統測量對照的平均SWS為2.67 m/s，使用本研究方法的平均SWS為2.43±0.19 m/s，GE系統剛性目標的SWS為4.94 m/s，本研究方法的SWS為3.30±0.06 m/s。為了評估該方法在人體內的性能，使用另一個RCA換能器在健康志願者的二頭肌中進行了體內研究（圖5a）。檢測到的剪切波運動如圖5b所示。使用局部互相關算法估算的SWS為3.29 m/s，用GE系統測得的SWS為3.84 m/s。
圖3：使用基於外部振動的3D SWE重建的同質體模的剪切波運動和重建的SWS圖：(a)不同時間點在同質體模中由外部振動引起的剪切波體積圖像，(b)重建同質體模的SWS圖，(c) SWS值直方圖
圖4：使用基於外部振動的3D SWE的彈性體模的剪切波運動和SWS圖：(a)在連續四個時間點的彈性體模中使用外部振動的剪切波代表性體積幀，(b)重建的彈性體模SWS的體積圖像
圖5：健康志願者肱二頭肌內基於外部振動的3D SWE：(a)實驗裝置，(b)剪切波運動的體積圖像，(c)重建的肱二頭肌SWS圖
最後，作者利用3D SWE檢測了基於ARF的剪切波信號。基於該研究中使用的特定RCA陣列具有元件靈敏度相對較低這一限制，作者使用一維線形陣列換能器來產生用於RCA檢測的剪切波生成的信號。圖6a顯示了使用複合RC和複合RC+CR方案在1.5 ms 處檢測到的x-y切片中的剪切波運動。與RC+CR方案相比，儘管RC+CR方案在2,000 Hz時實現了更好的B-mode空間分辨率，但使用複合RC方案檢測到的剪切波具有更好的信號質量（圖2b）。圖6c顯示了在2,000 Hz的體積速率下使用複合RC方案在六個連續時間點檢測到的剪切波運動。可以清楚地看到L7-4線性陣列的ARF引起的圓柱形剪切波。使用隨機樣本一致性（RandomSampleConsensus, RANSAC）算法估計同質體模的SWS為3.05 m/s（圖6b）。使用GE系統測量的SWS為2.75 m/s。
圖6：使用基於ARF的3D SWE的剪切波運動：(a)複合RC和複合RC+CR方案在1.5 ms處檢測到基於ARF的剪切波，(b) ARF引起的沿x方向的一維剪切波隨時間的變化，並使用隨機樣本一致性估計的SWS，(c)連續6個時間點的剪切波運動的代表性體積幀。
總之，作者團隊首次開發了基於RCA的外部振動或ARF的3D SWE方案，並在體模和體內進行了驗證，並將定量測量結果與最先進的臨床2D超聲SWE系統進行了比較。該方法通過基於GPU的計算加速，能夠以較短的採集時間和較快的處理速度提供具有高體積成像速率的三維彈性成像。
本研究的通訊作者是PengfeiSong教授，就職於伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校貝克曼先進科學技術研究所，目前研究的重點方向為功能超聲成像、超分辨率超聲成像、深度學習和超聲彈性成像等。
撰稿：王忠宇、張宏
審核：孫敏軒、劉萍萍、鄧旻
https://doi.org/10.34133/2022/9879632
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https://doi.org/10.34133/2022/9870386
BMEF(《生物醫學工程前沿》)是中國科學院蘇州生物醫學工程技術研究所（SIBET CAS）與美國科學促進會（AAAS）/Science合作出版的開放獲取國際學術期刊。期刊旨在為生物醫學工程這一交叉學科提供一個高效的交流平台，以推動領域內的科學家、工程師和臨床醫學專家及時地交流，共同促進人類健康。關注在致病機理研究和疾病預防、診斷、治療及評估方面取得的突破性進展，包括概念、設備、材料、組織、過程和方法。致力於報道臨床前的基礎研究、轉化醫學和臨床研究的成果。https://spj.sciencemag.org/journals/bmef/https://www.editorialmanager.com/bmef/
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