超聲波數域衰減系數評估早期肝纖維化在體實驗初步研究

丁騰云，邱文倩，王亞丹，張嘉靖，鄭馳超，張超學

肝臟穿刺活檢病理診斷是目前診斷肝纖維化的“金標準”，但臨床應用依然受到取樣誤差、出血風險、患者依從性低等因素限制[1-2]。肝活檢的局限性引起許多研究者開發非侵入性的肝纖維化診斷方法，超聲彈性成像在判斷中晚期肝纖維化具有較高的準確度，對早期肝纖維化診斷依然不容樂觀[3]。最近的研究[4-7]使用組織結構聲學定量技術評估肝纖維化，研究顯示這種技術有利于早期肝纖維化的臨床診斷。有研究者對不同肝纖維化的人類肝臟組織標本進行離體實驗，測試他們區分各肝纖維化分期的能力，取得了較好的結果[5-8]。該研究使用臨床獲取的在體肝臟超聲波束形成后射頻(post-beamforming radio frequency，PRF)數據，提出一種波數域衰減系數(wavenumber domain attenuation coefficient，W-AC)方法，對比W-AC與肝纖維化組織學評分之間的關系，分析W-AC在體實驗中對早期肝纖維化判斷能力。

1 材料與方法

1.1在體波數域衰減系數計算方法與離體的單陣元回波信號處理的方法不同，該在體研究使用超聲成像系統對臨床采集的患者的PRF數據進行處理。如圖1所示，臨床常規超聲檢查使用傳感器陣列發射超聲信號，信號經人體皮下組織、肌肉組織、肝包膜等達到肝臟。為了計算肝實質對超聲信號的衰減而排除肝臟以外組織的影響，該研究提出以淺層肝組織回波信號為參考信號(圖1中白色實線框)，基于一定深度肝組織[見圖1中白色虛線框，即感興趣區域(region of interest，ROI)]的波數域衰減系數測量方法。

圖1 在體超聲檢查采集肝臟回波數據示意圖白色實線框：選取的近場參考區域；白色虛線框：ROI區

假設探頭陣面的幅度譜為Ps(k)，參考信號的幅度譜為Pr(k,z)，超聲發射信號經皮膚、肌肉等組織到達參考信號的區域的衰減系數設為α1(k)，超聲回波信號從參考區域經肌肉等組織到達傳感器陣列的衰減系數設為α1(k)，探頭陣面到參考區域的距離是d1，則超聲信號到達參考區域然后返回至傳感器陣元過程中的衰減可表達為： 20[log10Ps(k)-log10Pr(k,z)]=α1(k)·d1+α1(k)·d1(公式1)。同樣，設信號經參考區域之后在無血管肝實質中均勻衰減，衰減系數為α2(k)，感興趣區域的超聲回波信號幅度譜是Pt(k,z)，將ROI按深度分為段，每段長度為Δd，則超聲信號到達ROI然后返回至傳感器陣元過程中的衰減可表達為：20[log10Ps(k)-log10Pt(k,z)]=α1(k)·d1+α2(k)·2(d2+Δd·n)+α1(k)·d1(公式2)。設參考區域(實線框)與感興趣區域(虛線框)之間的距離是d2，由公式1和公式2得到超聲信號經過參考區域與感興趣區域之間的肝實質后的衰減A(k)為：

A(k)=20(log10Pr(k,z)-log10(Pt(k,z))

=α2(k)·2(d2+Δd·n)

(公式3)

從公式3可以看出，A(k)的計算與α1(k)和α1(k)無關，并且當被測目標的d2+Δd·n設為相同時，A(k)可以反映α2(k)，不同肝纖維化分期的肝組織對應α2(k)的不同，通過對A(k)的測量即可得到不同肝纖維化分期的肝實質對超聲的衰減情況，從而可以得到衰減系數與肝纖維化分期的關系，由此可見，以每個實驗對象自身的淺層肝組織作為參考信號的波數域衰減系數方法，在計算肝實質對超聲信號的衰減時，可以不受肝臟以外分布不均勻的組織的影響，可消除或減少在不同人之間計算肝組織衰減時，由于表層組織分布不同而帶來的差異性，使計算結果更穩定性。因此可將該方法應用于臨床實驗中對在體肝臟測量超聲衰減。

1.2實驗設備及數據來源使用的儀器為VINNO70彩色多普勒超聲診斷儀(VINNO70 Diagnostic Color Doppler Ultrasound System，VINNO70 DCD )，X4-12L線陣探頭，中心頻率為10 MHz，成像深度6 cm,焦點設在3 cm處，能夠輸出所有實驗對象的PRF數據。該研究的所有數據來自于安徽醫科大學第一附屬醫院，參與者為慢性乙型肝炎患者并擬行肝臟穿刺活檢，研究項目獲得醫院倫理委員會批準，向所有參與者闡述研究原理、內容、風險等，并簽署知情同意書。所有參與者首先完成肝臟常規灰階超聲檢查，并采集PRF數據；根據PRF數據采集點定位，超聲檢查后2 h內行肝臟穿刺活檢；累計成功搜集完整數據共計36例，其中S0期14例、S1期13例、S2期9例，所有PRF數據、肝臟活檢病理纖維化分期進行對比統計分析。

1.3實驗數據處理使用MATLAB2013a對所有PRF數據處理，設計的數據處理步驟如下：① 如圖2所示為肝臟的超聲圖像，在肝包膜下，取長度0.2 cm左右，寬度100條掃描線的圖像區域(圖2中的白色虛線框)的PRF信號作為參考信號；② 在參考區域以下0.5 cm(即d2=0.5 cm)，取深度為1 cm，寬度100條掃描線的區域作為感興趣區域(圖2中的白色實線框)；③ 根據公式3計算肝實質對超聲信號的衰減。取Id=0.1 cm，n=10，計算經過1 cm肝實質超聲信號的衰減。圖3是圖像中一條掃描線的PRF信號，圖4是選取的一段參考信號，圖5參考信號傅里葉變換。

圖2 MATLAB2013a取樣分析示意圖白色虛線框：參考區域；白色實線框：ROI；白色箭頭：肝包膜

圖3 PRF信號

圖4 參考信號

圖5 參考信號傅里葉變換

2 結果

36例參與者病理分期分別為S0期14例，S1期13例，S2期9例，其衰減系數分別為(0.090 4±0.018 7)、(0.126 7±0.025 1)、(0.141 1±0.031 0)，隨著肝纖維程度增加，肝臟波數域衰減系數呈增高趨勢，如圖6所示。肝臟波數域衰減系數與肝纖維化分期具有較好相關性，隨著肝纖維化階段(S0、S1、S2)的遞增，衰減系數依次增大，組間比較差異有統計學意義(F=264.63，P<0.05)，Spearman相關分析表明衰減系數與肝纖維化分期有關(rs=0.939，P<0.05)。

3 討論

在這項研究中，筆者提出波數域衰減系數來表征肝組織的聲學特性，探索該方法對在體肝臟評估早期肝纖維化(S0、S1、S2)的能力。該研究結果顯示在圖6中，三個肝纖維化分期總的動態范圍(最小值和最大值之差)是0.058～0.196，W-AC在各纖維化分期的動態范圍分別是：S0期0.057 9～0.108 6；S1期0.106 3～0.196 3；S2期0.103 4～0.188 7，中位數和平均值均隨肝纖維化分期增加而逐漸增大，依次是0.098 0和0.090 4，0.115 9和0.126 7，0.139 7和0.141 1。正常肝組織均勻性較好，聲阻抗差異較小，因此肝組織對超聲信號的衰減較小，隨著肝纖維化分期的增加，肝臟內的纖維化組織沉積增加，導致肝組織均勻性變差，聲阻抗的差異變大，因此對于超聲信號的衰減會變大。

圖6 參與者衰減系數分布圖

在聲學參數評估肝纖維化的研究中目前尚缺乏臨床應用的研究，因此該研究將高頻探頭及PRF聲學參數方法應用于臨床評估肝纖維化。該文提出波數域衰減系數方法，可適用于常規B超檢查獲取的PRF數據，它最突出的優點是，選取淺層肝組織對超聲的回波信號作為計算衰減的參考信號，使測量結果不受肝臟之外組織差異的影響，僅與測量距離和超聲信號的衰減有關，另外算法簡單易于實現，能方便與超聲檢查系統兼容。

在實驗數據采集過程中，常規B超檢查獲取PRF數據時，為獲得真實的回波信號，不使用TGC增益補償，盡量全部對肝實質成像，避免成像區域內的血管、膽管等組織的出現。在實驗數據處理過程中，為了盡可能減少對計算結果有影響的因素，在數據處理時，選擇肝包膜在圖像內顯示較為水平的數據進行處理，另外在圖像中選取參考信號和感興趣區域時，對所有數據選取肝包膜以下相同深度的肝組織，使得到的衰減系數結果完全體現的是肝實質對超聲信號的衰減。

該研究在相關離體研究[6-9]基礎上，提出了一種基于PRF數據處理計算超聲衰減的新方法，即波數域衰減系數，以應用于在體實驗研究，初步研究結果顯示該在體實驗方法具有診斷或區分早期肝纖維化(S0、S1、S2)的潛力。中晚期肝纖維化灰階超聲易于識別，因此，該方法能夠對常規超聲無法識別的早期肝纖維化提供有價值的診斷信息。當然，該研究是對該方法學進行了初步探索，存在樣本量有限、參數單一等不足，因此，未來的工作將會探索方法學的改進和增加樣本量，進一步探索該方法的可行性及效能。