剪切波弹性成像基础普及系列之一
剪切波（Shear Wave）的前世今生 剪切波最
近大热，到底什么是剪切波？今天就来说说剪切波的前世
今生。 声波（Sound Wave或Acoustic Wave）是
一种机械波，由物体（声源）产生振动，引起构成介质的
质点在空间的机械运动。人耳可以听到的声波的频率一般
在20Hz至20000Hz之间。 对于超声医生来说最
熟悉的一种声波应该是超声波，其频率超过了人耳可听范
围（高于20000Hz），可以用于组织结构成像。 但
其实超声波只是机械波的一种，是一种纵波，在介质中超
声波的质点位移方向同波的传播方向是平行的（图1左）。
而另一种波，横波，在弹性介质中的质点位移方向与波的
传播方向垂直（图1右），剪切波就是横波的一种。
给两个图对比一下就看明白了。图1:超声波（纵波）与剪
切波（横波）传播简易图
由于剪切波独特的物理特性，它的传播速度与介
质的硬度或者说是弹性直接相关，因此剪切波最初被工程
学科用来评价土层的性质以及土层弹性模量的计算。
剪切波理论最早由法国朗之万研究所（Institue Langevin）
的Mathias Fink教授（2005年诺贝尔物理学奖提名者）提
出： E（kPa）＝3rc2 这个公式中E是杨氏模
量，国际单位是kPa（千帕），用来表示传播介质的软硬也
就是弹性；r是组织的密度；而c表示的就是剪切波速度。
从上面的公式里很容易看出，在弹性介质里，剪切波传播
的越快，对应介质杨氏模量（硬度）越高；剪切波传播的
越慢，对应介质杨氏模量越低。 随着现代医学的
不断发展，近几年剪切波的物理特性被医学工程学家重新
挖掘并应用在了医学影像领域——利用剪切波去定量显示
人体软组织的硬度。 这种新型的超声检测技术仅
需要超声探头的辅助，完全不需要使用者进行外力加压，
对组织弹性进行客观、定量评估。这样就避免了以往传统
外压式超声弹性成像受主观经验影响、缺乏客观定量指
标、应用范围仅在浅表组织等局限性。 体内剪切
波的出现可以有很多种不同的方式。例如，跳动的心脏就
是产生剪切波的天然振源，不过它的振动仅限于临近的局
部组织。图2:心脏搏动
而来源于体外的振动器，如动态核磁共振弹性
图，因为需要两个设备同时操纵，对于超声环境来说又不
够理想。 图3:MRI的动态型弹性成像技 术。频率50Hz下
所产生的位移相 位（左下）、弹性图（右下）。
剪切波技术利用超声声束产生的声辐射力对组织进行扰
动，这种压力或称“声学气流”能够沿着它的传播方向对组织
产生推力，弹性介质如人体组织由于其自身存在恢复力，
所以对这种推力会有所反应，从而引发机械波。对我们超
人来说非常有意义的是，这其中就含有在组织中横向传播
的剪切波。图4:剪切波技术成像原理
由于人体内各种组织的密度值相对稳定，都近似于
水的密度（1000kg／m3），其弹性值的变化就与剪切波的
传播速度直接相关。 这种实时、定量硬度图是将组
织的弹性值进行编码并叠加于B超图像之上而产生的，其
标尺根据杨氏模量E（单位为kPa）的大小而定，一般的设
备将较硬的组织（杨氏模量高）显示为红色，较软的组织
（杨氏模量低）显示为蓝色（不同的厂商提供的设备表示
方法不尽相同）。硬度图能够与二维图像同步保持实时更
新，其图像分辨率保持在1mm左右。定量测量工具可定量
获得感兴趣区域内杨氏模量值（平均值mean、最小值min
以及最大值max），以kPa表示（如下图所示）。
图5:硬质体模的超声硬度示意图。其中下方是二维灰阶图
像，上方是硬度图，右上方是硬度量程显示，蓝色表示
软，红色表示硬。右侧所显示的Qbox测量工具，可定量获
得感兴趣区域内杨氏模量值。 这种超声新技术
为临床提供组织定量信息，将超声从定性时代带入定量时
代。