超聲波數(shù)域衰減系數(shù)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(xué)

肝臟穿刺活檢病理診斷是目前診斷肝纖維化的“金標(biāo)準(zhǔn)”，但臨床應(yīng)用依然受到取樣誤差、出血風(fēng)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(fā)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(zhǔn)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(jié)構(gòu)聲學(xué)定量技術(shù)評估肝纖維化，研究顯示這種技術(shù)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(biāo)本進行離體實驗，測試他們區(qū)分各肝纖維化分期的能力，取得了較好的結(jié)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(shù)據(jù)，提出一種波數(shù)域衰減系數(shù)(wavenumber domain attenuation coefficient，W-AC)方法，對比W-AC與肝纖維化組織學(xué)評分之間的關(guān)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(shù)域衰減系數(shù)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(tǒng)對臨床采集的患者的PRF數(shù)據(jù)進行處理。如圖1所示，臨床常規(guī)超聲檢查使用傳感器陣列發(fā)射超聲信號，信號經(jīng)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(zhì)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(qū)域(region of interest，ROI)]的波數(shù)域衰減系數(shù)測量方法。

圖1 在體超聲檢查采集肝臟回波數(shù)據(jù)示意圖白色實線框：選取的近場參考區(qū)域；白色虛線框：ROI區(qū)

假設(shè)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(fā)射信號經(jīng)皮膚、肌肉等組織到達參考信號的區(qū)域的衰減系數(shù)設(shè)為α1(k)，超聲回波信號從參考區(qū)域經(jīng)肌肉等組織到達傳感器陣列的衰減系數(shù)設(shè)為α1(k)，探頭陣面到參考區(qū)域的距離是d1，則超聲信號到達參考區(qū)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(shè)信號經(jīng)參考區(qū)域之后在無血管肝實質(zhì)中均勻衰減，衰減系數(shù)為α2(k)，感興趣區(qū)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(shè)參考區(qū)域(實線框)與感興趣區(qū)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(jīng)過參考區(qū)域與感興趣區(qū)域之間的肝實質(zhì)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(guān)，并且當(dāng)被測目標(biāo)的d2+Δd·n設(shè)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(yīng)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(zhì)對超聲的衰減情況，從而可以得到衰減系數(shù)與肝纖維化分期的關(guān)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(shù)域衰減系數(shù)方法，在計算肝實質(zhì)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(jié)果更穩(wěn)定性。因此可將該方法應(yīng)用于臨床實驗中對在體肝臟測量超聲衰減。

1.2實驗設(shè)備及數(shù)據(jù)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(shè)在3 cm處，能夠輸出所有實驗對象的PRF數(shù)據(jù)。該研究的所有數(shù)據(jù)來自于安徽醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)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(yī)院倫理委員會批準(zhǔn)，向所有參與者闡述研究原理、內(nèi)容、風(fēng)險等，并簽署知情同意書。所有參與者首先完成肝臟常規(guī)灰階超聲檢查，并采集PRF數(shù)據(jù)；根據(jù)PRF數(shù)據(jù)采集點定位，超聲檢查后2 h內(nèi)行肝臟穿刺活檢；累計成功搜集完整數(shù)據(jù)共計36例，其中S0期14例、S1期13例、S2期9例，所有PRF數(shù)據(jù)、肝臟活檢病理纖維化分期進行對比統(tǒng)計分析。

1.3實驗數(shù)據(jù)處理使用MATLAB2013a對所有PRF數(shù)據(jù)處理，設(shè)計的數(shù)據(jù)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(qū)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(qū)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(qū)域作為感興趣區(qū)域(圖2中的白色實線框)；③ 根據(jù)公式3計算肝實質(zhì)對超聲信號的衰減。取Id=0.1 cm，n=10，計算經(jīng)過1 cm肝實質(zhì)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(qū)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(jié)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(shù)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(shù)域衰減系數(shù)呈增高趨勢，如圖6所示。肝臟波數(shù)域衰減系數(shù)與肝纖維化分期具有較好相關(guān)性，隨著肝纖維化階段(S0、S1、S2)的遞增，衰減系數(shù)依次增大，組間比較差異有統(tǒng)計學(xué)意義(F=264.63，P<0.05)，Spearman相關(guān)分析表明衰減系數(shù)與肝纖維化分期有關(guān)(rs=0.939，P<0.05)。

3 討論

在這項研究中，筆者提出波數(shù)域衰減系數(shù)來表征肝組織的聲學(xué)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(jié)果顯示在圖6中，三個肝纖維化分期總的動態(tài)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(tài)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(shù)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(nèi)的纖維化組織沉積增加，導(dǎo)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(shù)分布圖

在聲學(xué)參數(shù)評估肝纖維化的研究中目前尚缺乏臨床應(yīng)用的研究，因此該研究將高頻探頭及PRF聲學(xué)參數(shù)方法應(yīng)用于臨床評估肝纖維化。該文提出波數(shù)域衰減系數(shù)方法，可適用于常規(guī)B超檢查獲取的PRF數(shù)據(jù)，它最突出的優(yōu)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(jié)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(guān)，另外算法簡單易于實現(xiàn)，能方便與超聲檢查系統(tǒng)兼容。

在實驗數(shù)據(jù)采集過程中，常規(guī)B超檢查獲取PRF數(shù)據(jù)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(zhì)成像，避免成像區(qū)域內(nèi)的血管、膽管等組織的出現(xiàn)。在實驗數(shù)據(jù)處理過程中，為了盡可能減少對計算結(jié)果有影響的因素，在數(shù)據(jù)處理時，選擇肝包膜在圖像內(nèi)顯示較為水平的數(shù)據(jù)進行處理，另外在圖像中選取參考信號和感興趣區(qū)域時，對所有數(shù)據(jù)選取肝包膜以下相同深度的肝組織，使得到的衰減系數(shù)結(jié)果完全體現(xiàn)的是肝實質(zhì)對超聲信號的衰減。

該研究在相關(guān)離體研究[6-9]基礎(chǔ)上，提出了一種基于PRF數(shù)據(jù)處理計算超聲衰減的新方法，即波數(shù)域衰減系數(shù)，以應(yīng)用于在體實驗研究，初步研究結(jié)果顯示該在體實驗方法具有診斷或區(qū)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?qū)ΤＲ?guī)超聲無法識別的早期肝纖維化提供有價值的診斷信息。當(dāng)然，該研究是對該方法學(xué)進行了初步探索，存在樣本量有限、參數(shù)單一等不足，因此，未來的工作將會探索方法學(xué)的改進和增加樣本量，進一步探索該方法的可行性及效能。