趙婷婷 嚴碧歌

(陜西師范大學 物理學與信息技術學院，西安 710062)

引言

乳腺疾病是一種常見病，多發(fā)病，是危害婦女身心健康的主要疾病，其致病因素較復雜，如不及時治療，將可能發(fā)生病變，隨時導致生命危險。近年來，我國的乳腺疾病發(fā)病率有明顯上升趨勢，其中乳腺癌發(fā)病率居女性惡性腫瘤首位［1］。乳腺腫塊的良惡性鑒別成為醫(yī)學診斷的焦點。在乳腺實性腫塊中，乳腺纖維腺瘤和乳腺癌最為常見。乳腺纖維腺瘤是常見的乳腺良性腫瘤，其典型表現(xiàn)為:形態(tài)呈規(guī)則圓形或橢圓形。而乳腺癌為惡性腫瘤，其典型的特征為:呈毛刺狀、蟹足狀或分葉狀改變，無明顯邊界［2］。

乳腺腫塊的軟硬或彈性，反映其本身的特性。對于這些信息的檢測，往往有助于良、惡性的鑒別。傳統(tǒng)醫(yī)學診斷中的觸診是取得這些信息的常用簡便方法，但這種方法具有很多局限性，一方面它受醫(yī)生主觀經(jīng)驗的影響較大，另一方面，當腫塊太小或者埋藏得太深時，這種方法就無能為力了。彈性成像則是通過不同組織間的硬度差別進行成像的，而且超聲檢查簡單易行，所以超聲彈性成像現(xiàn)已成為診斷乳腺疾病的常用檢查方法之一。

1 方法

在計算機模擬實體乳腺組織試驗中，最終要測量的是乳腺組織在應力作用下的應變分布情況，采用有限元分析方法，以單元結點的位移作為基本未知量求解，使用Matlab軟件下的PDE工具箱進行分析。應變模型為:一個1.6 cm×1.6 cm的矩形區(qū)域內含有一個半徑為0.1 cm的圓形區(qū)域。取物理量值與實驗結果相一致，組織的泊松比ν為0.495，即假定軟組織幾乎沒有體積膨脹。并假設在平面應變狀態(tài)下，用超聲探頭對組織施加2%的整體應力。同時左側邊的邊界條件取第立克特(Dirichlet)邊界條件，其x方向位移取0.02，即在 PDE工具箱中的參數(shù)r1取0.02，右側邊同樣也是第立克特邊界條件，x方向位移即 r1取 0，頂邊和底邊為紐曼(Neumann)邊界條件即自由邊界條件。該模型近似于一塊正常組織內分布有一個圓形的良性腫塊，并用探頭對組織施加2%的整體應變。取腫塊與組織的彈性模量比分別為 7∶1，5∶1，2∶1，做其 x 方向應變圖和剪切應變圖。來比較不同彈性模量下的模擬的良性腫塊應變圖差異。

組織彈性的改變通常是與一些疾病相關聯(lián)的。大多數(shù)惡性腫瘤為堅硬的病變組織組成，其邊界不清，形狀不規(guī)范，并與附近結構粘連，致使病變組織活動性減低，彈性減少，從而使硬度增加。根據(jù)惡性腫瘤的特點，建立了一個星形異物的模型，其中星形異物的幾何大小與圓形異物接近，邊界條件相同。比較這兩種不同幾何建模的應變大小，可以對彈性成像在判斷乳腺腫瘤性質的應用上提供一定的參考。分別取腫物與組織的彈性模量比為7∶1，5∶1和2∶1，做其 x方向應變圖和剪切應變圖。來比較不同彈性模量下的模擬的惡性腫塊應變圖差異。

超聲彈性成像反映所檢測組織的硬度［3－4］，彈性系數(shù)越大，腫瘤硬度越大。現(xiàn)實生活中，醫(yī)院診斷乳腺病的結果表明:對于一些硬度較大的良性病變，如伴有鈣化和膠原化的乳腺病和纖維腺瘤，和一些硬度較小的惡性病變如粘液腺癌等，彈性成像均會造成誤診［5］。也就是說，在良性病變中的相對硬度較大的腫塊，與惡性病變中相對硬度較小的腫塊不易區(qū)分。在這里取圓形，星形兩種不同形狀的腫塊，使其彈性模量相同，密度不同。有研究表明［6］:病變組織的硬度與病變組織的良惡性相關，乳腺惡性腫瘤的硬度是良性腫瘤的2～3倍。因此，取圓形腫塊密度為4.50 kg/L，星形腫塊密度為1.50 kg/L，比較密度不同的腫塊的應變圖差異。

2 結果

2.1 具有不同彈性模量的良惡性腫塊應變圖

利用計算機軟件仿真模擬做出良性腫塊x方向應變分布圖(見圖1)，以及剪切應變分布圖(見圖2)。其中，橫坐標表示組織橫向空間位置，縱坐標表示組織在外界作用下的應變值(正負號代表應變方向)，顏色漸變表示應變大小的變化。從圖1中可以看出，對于良性腫瘤的仿真模擬，在相同的外界條件下，在組織的腫塊區(qū)域內(－0.1≤x≤0.1)，其x方向應變值最小，含有彈性模量較大異物的組織相比較于含有彈性模量較小異物的組織，其應變的最大值和最小值之間的差異要明顯一些，即區(qū)別較明顯。從圖2中可以看出，對良性腫瘤的仿真模擬中，在相同的外界條件下，在組織的腫塊區(qū)域內(－0.1≤ x≤0.1)，切應變較小，在組織的邊緣區(qū)域切應變值最大，向中心區(qū)域有減小的趨勢。含有彈性模量較大異物的組織，在 －0.4≤ x≤0.4的區(qū)域內，變化幅度要大于含有彈性模量較小異物的組織。

圖1 正常組織含有圓形腫塊時x方向上不同彈性模量比的應變分布圖。(a)7∶1;(b)5∶1;(c)2∶1Fig.1 Strain distribution of circular tumor in x direction for different Young＇s modulus ratio.(a)7 ∶1;(b)5 ∶1;(c)2∶1

圖2 含有圓形腫塊時不同彈性模量比的剪切應變分布圖。(a)7∶1;(b)5∶1;(c)2∶1Fig.2 shear strain distribution of circular tumor for different Young＇s modulus ratio.(a)7∶1;(b)5∶1;(c)2∶1

惡性腫瘤的應變分布圖如圖3和圖4所示。其中圖3為x方向的應變分布圖，圖4為剪切應變分布圖。從圖3中可以看出，對惡性腫瘤的仿真模擬，在相同的外界條件下，在組織的腫塊區(qū)域內(－0.1≤ x≤0.1)，其x方向應變值最小，并且值有一個小的變化浮動，不同于圖1所示的良性腫瘤的應變圖，仿真圖中的含有彈性模量較大異物的組織相比較于含有彈性模量較小異物的組織，其應變的最大值和最小值之間的差異要明顯一些。從圖4中可以看出，在惡性腫瘤的仿真模擬中，給組織施加相同的外界條件，在組織的腫塊區(qū)域內(－0.1≤ x≤0.1)，表現(xiàn)為切應變值較小，并且有一個不規(guī)則的變化，在組織的邊緣區(qū)域切應變值最大，向中心區(qū)域有減小的趨勢。含有彈性模量較大異物的組織，在－0.4≤x≤0.4的區(qū)域內，變化幅度要大于含有彈性模量較小異物的組織。

圖3 含有星形腫塊時x方向上不同彈性模量比的應變分布圖。(a)7∶1;(b)5∶1;(c)2∶1Fig.3 Strain distribution of star tumor in X direction for different Young's modulus ratio.(a)7∶1;(b)5∶1;(c)2∶1

2.2 具有不同密度的良惡性腫塊應變圖

利用計算機軟件仿真模擬做出不同密度的良惡性腫塊應變分布圖，比較它們的x方向應變圖和剪切應變圖，如圖5和圖6所示。從圖5中(a)和(b)可以看出，在組織的腫塊區(qū)域內(－0.1≤ x≤0.1)，其x方向應變值和切應變值都是最小值，并且值都有一個小的變化浮動，在組織的邊緣區(qū)域切應變值最大，向中心區(qū)域有減小的趨勢。從圖6中(a)(b)可以看出，在組織的腫塊區(qū)域內(－0.1≤x≤0.1)，其x方向應變值和切應變值都是最小值，在組織的邊緣區(qū)域切應變值最大，向中心區(qū)域有減小的趨勢。圖5和圖6表現(xiàn)出來的值的變化趨勢并沒有明顯差異。

圖4 正常組織中含有星形腫塊時不同彈性模量比的剪切應變分布圖。(a)7∶1;(b)5∶1;(c)2∶1Fig.4 Shearstrain distribution ofstartumorfor different Young＇s modulus ratio.(a)7∶1;(b)5∶1;(c)2∶1

3 討論

對于相同彈性模量的圓形和星形腫塊，比較其x方向應變和剪切應變，如表1所示。

圖5 含有星形腫塊的應變圖。(a)x方向;(b)剪切應變圖Fig.5 Strain figure of star tumor.(a)x direction of strain;(b)shear strain

由表1可以看出，具有相同彈性模量比的圓形和星形腫塊的x方向應變并沒有明顯的差異，但是它們剪切應變的差異則較明顯，含有惡性腫瘤乳腺的剪切應變，比含有良性腫瘤乳腺的剪切應變要小一些;并且，隨著腫塊與組織彈性模量比的減少，其差異明顯度降低，說明在彈性成像中，不論是x方向應變［7］，還是剪切應變圖像，都比較適合于檢測彈性模量相對較大的腫塊，而對于彈性模量相對較小的腫塊，則具有一定的局限性。

利用彈性成像中的剪切應變圖像可以較容易的區(qū)分開良惡性乳腺腫塊，也可以說明軟組織的剪切應力與它的移動性有關，由于惡性乳腺腫瘤的邊界條件較復雜，不規(guī)律，滲透到周圍組織內與周圍組織結合緊密，因此移動性不好。所以，如果可以利用彈性成像技術重建出乳腺的剪切應變，則有可能判斷乳腺腫瘤的性質，在臨床上將會有很大的參考價值。

圖6 含有圓形腫塊的應變圖。(a)x方向;(b)剪切應變圖Fig.6 Strainfigureofcircletumor.(a)x direction of strain;(b)shear strain

表1 相同彈性模量比的圓形和星形腫塊的應變差異比較Tab.1 Strain comparison of different tumor shaps with the same Young’s modulus

對于彈性模量相同而密度不同的圓形和星形腫塊，比較其x方向應變和剪切應變，如表2所示。

表2 彈性模量相同而密度不同的圓形和星形腫塊的應變差異比較Tab.2 Strain comparison with the same Young’s modulus of different density tumor

由表2可知:在這兩種模型中，比較不同異物分布的x方向上應變分布和剪切應變分布，可以看出并沒有明顯的差異。說明不僅組織的彈性模量、形狀對應變圖有影響，組織的密度對應變圖也有一定的影響。因此，對于良性病變中的相對硬度較大的腫塊，與惡性病變中相對硬度較小的腫塊相比較的這種情況，超聲彈性成像具有局限性，容易造成誤診。這是由于乳腺良惡性腫瘤的彈性系數(shù)之間有些重疊，并且當惡性腫瘤內部出現(xiàn)液化或良性腫瘤出現(xiàn)有機化、鈣化時，也會使腫瘤的硬度發(fā)生變化。結合國內外相關報道，王志遠等對62例良性和25例惡性乳腺腫塊的超聲彈性成像進行比較，準確性、特異性和靈敏度分別為 84.00%，96.77%和93.10%［8］?？梢妴我灰揽砍晱椥猿上襁M行乳腺腫塊的良惡性鑒別，其準確性不是很高，需要結合常規(guī)灰階超聲和多普勒彩超進行綜合性診斷，而且有必要對乳腺腫塊進行全面檢查，做出綜合判斷，以減少誤差。

4 結論

彈性成像技術是通過不同組織件硬度差異進行成像的，而超聲檢查簡單易行，使超聲彈性成像技術成為超聲鑒別診斷良、惡性乳腺腫塊的常用手段之一，特別是對于彈性模量較大的腫塊，其x方向應變和切應變圖象在鑒別診斷上都具有較高的臨床應用價值。但是同時，對于一些硬度較大的良性病變和一些硬度較小的惡性病變，單一依靠超聲彈性成像技術進行鑒別，其準確性不是很高?？傊?，作為一個全新的成像原理，超聲彈性成像技術，在乳腺良惡性鑒別上初步顯示了其臨床應用價值，但是此技術還需要進行更多的深入研究與發(fā)展。

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