超聲彈性成像監(jiān)測冷凍手術(shù)的仿真實驗研究

劉蕾，蘇立楠，王倩，劉靜＊

清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系，北京，100084

低溫外科手術(shù)從提出到獲得推廣，經(jīng)歷了一個漫長的發(fā)展過程[1]。早期，雖然此項技術(shù)在一些人體深部腫瘤的治療方面報道了許多令人鼓舞的結(jié)果，但距離為臨床普遍接受還存在一定距離，原因主要是由于冷凍控制方面的困難所致[2]。低溫醫(yī)學(xué)中實施選擇性凍傷的關(guān)鍵之一在于發(fā)展無損成像技術(shù)，相應(yīng)的監(jiān)測對象主要是凍結(jié)范圍即冰球大小。在迄今所建立的各種成像方法中，超聲作為一種實時成像工具，既能引導(dǎo)冷凍探針的插入定位，又能監(jiān)測出冷凍后組織凍結(jié)壞死所形成的冰球邊緣，并可多角度探測，特別是由于其檢查成本適中，因而在肝癌、前列腺癌等的冷凍治療中發(fā)揮了重要作用。該方法實際上自其在低溫醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用被提出以來就一直是臨床上所采用的主要影像監(jiān)測措施之一。然而，這種方法在實踐中仍然存在很大局限性，主要問題在于測量對象—冰球與周邊組織的對比度不高，圖像分辨率相對較低。因此，若能很好解決這一問題，無疑將能更充分地發(fā)揮超聲監(jiān)測在冷凍外科手術(shù)中的作用。在超聲影像技術(shù)的一些新發(fā)展中，彈性成像作為一種能捕捉生物組織彈性特征的方法[3]，在一定程度上彌補了常規(guī)超聲的不足，它充分地利用了病變組織彈性變化的特點，能更加清晰地顯示、定位病變以及鑒別病變性質(zhì)，因此在一些診斷環(huán)節(jié)如乳腺癌檢測上已取得良好成效[4]、[5]?？傮w上，超聲彈性成像是通過獲取組織的彈性信息而成像，而在冷凍手術(shù)中，柔軟的組織在凍結(jié)形成冰球后，其彈性模量會發(fā)生顯著變化。比如，冰的彈性模量約為53 MPa，是組織彈性模量的10倍左右。因此可以推斷，如果將超聲彈性成像應(yīng)用到冷凍手術(shù)的監(jiān)控中，則有可能獲得較高的成像對比度。正是基于這一考慮，我們于前期首次提出了監(jiān)測冷凍外科手術(shù)中凍結(jié)范圍的超聲彈性成像方法[6]，并從理論上研究了新方法的有效性。

本文基于前期研究基礎(chǔ)，通過設(shè)計模擬實驗采集超聲射頻數(shù)據(jù)，重建超聲彈性成像，來評估新方法在冷凍監(jiān)測中的可行性。

1 實驗設(shè)計

實驗中使用的儀器為邁瑞DP-9900全數(shù)字黑白超聲診斷系統(tǒng)（每幀的掃描線為240條，每條掃描線采樣4115個點，采樣率為20 MHz）。所采集的數(shù)據(jù)通過外置的射頻數(shù)據(jù)采集卡傳送到計算機。實驗中選用3.5 MHz凸陣探頭（圓弧半徑50 mm，波束夾角為55°）。

測試對象選用明膠代替生物組織，配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的明膠溶液，加熱至明膠融化，再冷卻至凝固。在凝固前，將所要觀察的物體放入明膠中，作為超聲試驗中待觀測的對象。在自制明膠體模中倒入少量水做耦合劑。

實驗中用鐵架臺固定住超聲探頭，使之正好與自制明膠體模界面接觸，由此得到的B超圖像清晰。松動鐵架臺，盡量將探頭垂直下移壓縮體模界面，在壓縮過程中及壓縮后分別連續(xù)采集10幀圖像。

圖1 加水壓縮法圖示Fig.1 Sketch for hydraulic pressure method

壓縮方法需滿足的條件為：垂直壓縮、施力均勻和施力大小易控。常規(guī)方法是借助電控機構(gòu)推動擠壓板裝置，但實現(xiàn)起來相對復(fù)雜。為此，本文探索了一種簡捷高效的壓縮方法——加水壓縮法，如圖1所示，即直接在明膠體模中加入水，利用水的壓力來擠壓體模。水是超聲的良好的耦合劑，不會對圖像產(chǎn)生影響，而實驗中所使用的體模均為在明膠中加入想要觀察的物體，明膠接觸水不會溶解，故也不會對體模產(chǎn)生影響。研究表明，水壓法很容易滿足垂直壓縮、施力均勻和施力大小可控制的成像要求。

數(shù)據(jù)采集時需要注意的問題有：壓縮過程中對組織施加負(fù)載的變化時間應(yīng)大于數(shù)據(jù)采集時間，以確保數(shù)據(jù)采集過程中，負(fù)載基本不變；為避免大位移引起的超聲散射回波畸變，通常施加的負(fù)載均比較小。同時，忽略組織的粘彈性，而將其假設(shè)為各向同性的線彈性體。一般其壓縮量控制在1%。

2 實驗數(shù)據(jù)處理

2.1 采集數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于采集的只是射頻數(shù)據(jù)，沒有經(jīng)過數(shù)字掃描變換器，要顯示圖像需要進行掃描變換。

本文實驗中采用的是凸陣探頭，掃描變換的過程涉及坐標(biāo)變換與插補。圖2給出了掃描變換后的扇形圖像，其中虛線部分表示被測物體。

圖2 經(jīng)過掃描變換后的B超圖像Fig.2 B mode ultrasonic image after digital scan converter.

2.2 超聲彈性成像

實現(xiàn)彈性成像的基本過程為[4]：利用探頭或者一個探頭-擠壓板裝置，沿著探頭的縱向(軸向)壓縮組織，分別采集組織壓縮前、后的射頻信號，利用互相關(guān)算法對信號進行分析，得到組織內(nèi)部在不同位置的位移；然后經(jīng)過數(shù)值微分操作，計算出組織內(nèi)部的應(yīng)變分布情況，并以偽彩圖或灰度圖的形式顯示出來，即可得到所謂的應(yīng)變圖像或彈性圖像。由此圖像可間接反映出組織內(nèi)部的彈性模量分布。

在上述算法基礎(chǔ)上，為提高成像精度，可進行兩處改進：① 由于受射頻信號采樣率限制，利用互相關(guān)法進行時延估計的誤差在±0.5個采樣點之間。為減小這一誤差，我們對互相關(guān)函數(shù)進行了二次曲線插值，從而明顯降低了時延估計的誤差；② 由于組織受壓縮，相應(yīng)回波信號產(chǎn)生形變，每段信號只能與原信號部分重合，因此實驗估計的結(jié)果不夠準(zhǔn)確。為減小波形畸變對實驗估計的影響，采用了壓縮擴展的方法[7]，即線性插值，將被壓縮信號拉伸成與原信號同長，以增加壓縮前后波形的重合度。詳細(xì)處理可參閱文獻(xiàn)[6]，此處不贅述。

經(jīng)過改進后得到的算法精確度得到了明顯提高，經(jīng)用于下文中計算仿真數(shù)據(jù)的彈性圖評估后，效果較好。

3 實驗結(jié)果

研究中，我們分別制備出三種不同的體模，計算超聲彈性成像并分析其結(jié)果，從而在實驗上驗證超聲彈性成像在監(jiān)測冷凍手術(shù)上的可行性。

3.1 含玻璃塊的體模

圖3 含玻璃塊體模的B超圖Fig.3 B mode ultrasonic image for phantom embedded with glass block

圖4 玻璃體模超聲彈性成像：(a) 加水深度2 cm彈性偽彩圖；(b) 加水深度3cm彈性偽彩圖；(c)、(d)分別為(a)、(b)對應(yīng)的灰度圖Fig.4 Ultrasonic elastography for phantom embedded with glass block: (a)Pseudo color elastography for the case of adding 2 cm depth water; (b) Pseudo color elastography for the case of adding 3cm depth water; (c) and (d) are gray images of (a) and (b), respectively.

為考察超聲彈性成像應(yīng)用于強反射物體的效果，我們首先對由硬質(zhì)長方體玻璃塊與明膠制成的模型進行了測試，相應(yīng)的B超成像如圖3所示。隨后，我們分別在模型中加入2 cm、3 cm深的水，并采集射頻數(shù)據(jù)，由此計算得到超聲彈性圖像，結(jié)果如圖4所示，紅色反映了不規(guī)則形狀玻璃體的外輪廓?？梢?，與原始B超圖像作對比，待測對象的彈性圖像顯得更加清晰。

3.2 常溫組織體模情形

如下以瘦肉、肥肉等組織為研究對象，考察超聲彈性成像應(yīng)用于生物組織時的效果。實驗所采用的體模分別為肥肉明膠體模、瘦肉明膠體模和瘦肉肥肉混合明膠體模，其中明膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為6%。

圖5 常溫組織體模的B超圖像和超聲彈性圖像：(a) 肥肉明膠體模的B超圖像；(b) 肥肉明膠體模的超聲彈性圖像；(c) 瘦肉明膠體模的B超圖像；(d) 瘦肉明膠體模的超聲彈性圖像；(e) 瘦肥肉混合明膠體模B超圖像；(f) 瘦肥肉混合明膠體模的超聲彈性圖像Fig.5 Type-B ultrasonic image and elastography for phantom embedded with tissues at normal temperature: (a) Type-B ultrasonic image for phantom gel with fat; (b) Elastography for phantom gel with fat; (c) Type-B ultrasonic image for phantom gel with muscle; (d) Elastography for phantom gel with muscle; (e)Type-B ultrasonic image for phantom gel with mixed fat and muscle;(f) Elastography for phantom gel with mixed fat and muscle.

圖5給出了幾種常溫組織體模的B超圖和超聲彈性成像圖對比。紅筆標(biāo)出的輪廓皆為不規(guī)則形狀的組織的外輪廓。可以看到，在常溫組織監(jiān)測方面，超聲彈性成像的圖像分辨率及對比度與B超成像相比，沒有明顯的提高。這是因為，超聲彈性成像是對組織的應(yīng)變量成像，而B超則是對組織中存在聲阻抗差異的反射界面成像。因此，當(dāng)組織彈性模量大小相差不大，而組織的聲阻抗不同時，超聲彈性成像的區(qū)分能力弱于B超成像。

對于存在明顯彈性模量差異的組織，則可以得到清楚得多的圖像。從圖5（b）、圖5（d）中可以看出，超聲彈性成像能很清楚地區(qū)分出肥瘦肉和明膠的范圍，而且所顯示組織的范圍基本與其在B超下的成像一致。

超聲彈性成像的對比度與彈性模量差是直接相關(guān)的。如圖5（b）中的肥肉組織較圖5（d）中的瘦肉組織的外輪廓清晰，這是因為肥肉組織的彈性模量與明膠彈性模量的相差量，大于瘦肉組織與明膠的相差量。

組織彈性發(fā)生變化后，可較明顯地反應(yīng)在超聲彈性圖像上。圖5（f）成像比其他圖片模糊的主要原因在于體模。本實驗的3個體模均用新鮮的豬肉組織同時制備，通過實驗安排，我們將瘦肥肉混合體模放置時間較長，組織由于長時間在明膠中的浸泡，其彈性會發(fā)生變化，即變軟。從而將其圖像的成像效果與圖5（b）、圖5（d）對比，可以比較明顯地看出變化。由此可以預(yù)見，當(dāng)組織發(fā)生凍結(jié)時，會在彈性成像上呈現(xiàn)很好的對比度，而這一點對于監(jiān)測冷凍手術(shù)中冰球的成長和消融過程將十分有利。

3.3 凍結(jié)組織體模情形

如下考察凍結(jié)組織的情況，以模擬超聲彈性成像監(jiān)測冷凍外科手術(shù)的情形，以進一步從更接近真實的實驗上驗證相應(yīng)方法的可行性。

首先分別將肥瘦肉組織放置在冰箱冷凍，溫度控制為-26oC，使組織完全凍結(jié)。制備明膠溶液，溶液制好后置于2oC處讓其冷卻（溫度過低會使明膠溶液直接結(jié)冰）。在明膠溶液冷卻并即將凝固之前，將制好的凍結(jié)組織放入明膠溶液中，并將含有凍結(jié)組織的明膠溶液在-26oC中放置約5分鐘，使明膠表面凝固成型。

利用水壓法采集凍結(jié)組織體模的數(shù)據(jù)。體模經(jīng)過運輸、超聲儀器準(zhǔn)備等環(huán)節(jié)，其內(nèi)的凍結(jié)組織與明膠接觸的部分會融化，從而出現(xiàn)組織的固液交界面，而中心的冰凍組織類似冰球，正好模擬了冷凍手術(shù)中需要觀察的冰球的情況。

如圖6中所示，（a）、（c）為凍結(jié)組織體模的B超圖像，（b）、（d）為相對應(yīng)的超聲彈性成像圖。兩條標(biāo)注線之間是未凍結(jié)組織，而下方的標(biāo)注線是凍結(jié)分界線。從這些實測結(jié)果可以看出，超聲彈性成像具有準(zhǔn)確性高、分辨率高的特點。

圖6 凍結(jié)組織體模成像：（a）凍結(jié)瘦肉體模1的B超圖像；（b）凍結(jié)瘦肉體模1的超聲彈性成像；（c）凍結(jié)瘦肉體模2的B超圖像；（d）凍結(jié)瘦肉體模2的超聲彈性成像Fig.6 Images on phantom gel embedded with pre-frozen tissues:(a) Type-B ultrasonic image for phantom gel #1 with frozen muscle;(b) Elastography for phantom gel #1 with frozen muscle; (c) Type-B ultrasonic image for phantom gel #2 with frozen muscle;(d) Elastography for phantom gel #2 with frozen muscle

4 討論

如下討論由于實驗條件和算法理論的不同，導(dǎo)致產(chǎn)生的誤差及改進方向。

4.1 凸陣探頭產(chǎn)生的影響

圖7（a）為凸陣探頭成像原理圖。本實驗使用的超聲探頭的圓弧半徑為50 mm，超聲波束夾角為55o，超聲采樣率為20 MHz。由于使用凸陣探頭，壓縮前后的同一條超聲掃描線對應(yīng)的組織已經(jīng)發(fā)生了改變，故使用前文提到的超聲彈性成像算法將會產(chǎn)生一定的誤差。下面定性分析誤差的來源及大小。

圖7 凸陣探頭成像原理(a)及實驗中凸陣探頭成像示意(b)Fig.7 Imaging principle for convex array probe (a) and schematic for convex array probe imaging in the present experiment (b)

圖7（b）為實驗中凸陣探頭成像示意圖。超聲束從O點發(fā)出，超聲OMH為波束中左側(cè)最邊緣的一根。因此使用的腹腔探頭，探測深度較大，而根據(jù)平常使用的經(jīng)驗，體模是最大深度的一半左右，即在AD=2000采樣點左右，矩形ABGH為探頭的最大視野，而矩形ABCD為明膠體模的位置。

當(dāng)加水壓縮明膠體模后，設(shè)體模被壓縮1%，即AB面壓縮到FE處。則原來在ML線上的組織移動到NL線上。但是在超聲彈性成像的算法中，使用壓縮前后的OML掃描線上的采樣點進行互相關(guān)運算，從而找出位移的變化。但事實上，壓縮前后的組織并不在同一條超聲掃描線上。設(shè)組織壓縮后偏移角為?，則容易看出，在所有的偏移角?中，最左端和最右端的偏移角即∠MLN為最大者。而垂直線OP處的采樣點沒有偏移。下面計算∠MLN的大小。可以寫出(注：式中長度單位為采樣點)：

由余弦定理可得：

由以上計算可得：

(1) 在所有的偏移角中，偏移角∠MLN為最大。故本實驗中使用凸陣探頭對每條掃描線造成的偏移不大于0.22o。

(2) OP掃描線的組織在壓縮前后并不發(fā)生偏移，越是接近OP處，發(fā)生的偏差越小。故實驗時盡量將需要觀察的物體放在超聲波束的中間部位。

(3) 單就一條掃描線來看，則底部的偏移小，頂部的偏移大。如ML掃描線上，L處沒有偏差，而M點偏差20個采樣點，故應(yīng)該盡量將需要觀察的物體放在超聲視野的下方。

(4) 如果明膠體模的深度AD增加，則各掃描線的偏移角不發(fā)生變化。但是掃描線上方的點的偏移數(shù)增加。因此沒有必要加大明膠體模的深度。

4.2 超聲彈性算法的改進方向

本實驗使用的算法和硬件設(shè)備并不完善。超聲彈性成像的算法相對單一，從超聲儀器中直接采樣出來的射頻數(shù)據(jù)沒有經(jīng)過有效的去噪算法處理，較之在超聲儀器中顯示的圖像分辨率差一些。文獻(xiàn)[6]利用擬合數(shù)據(jù)已經(jīng)驗證了本實驗所采用的超聲彈性算法的正確性以及較高的分辨率。其明顯的缺點即為抗噪能力較弱。而實驗數(shù)據(jù)為直接采集自未經(jīng)有效去噪的射頻數(shù)據(jù)，包含許多噪聲，因此會使超聲彈性成像算法的結(jié)果出現(xiàn)較多失真。

4.3 加水壓縮法與實際應(yīng)用的差別

加水壓縮法中，使用了裝在固定容器中的明膠來模擬人體組織，故加水之后組織只有垂直方向的壓縮。因此在超聲彈性成像算法中只需要考慮2維數(shù)據(jù)的互相關(guān)問題。而在實際操作中，探頭壓縮組織后，組織既有垂直方向也有水平方向的壓縮，故需要考慮3維數(shù)據(jù)的互相關(guān)，來確定壓縮的情況?？紤]到算法和硬件兩方面的制約，本文研究定位為初步在理論和實驗上驗證超聲彈性成像在冷凍手術(shù)監(jiān)測上的可行性?？梢灶A(yù)計，后期若能改進算法和設(shè)備，還將大大提高實際成像效果。最后，在臨床應(yīng)用中，需要人體組織冷凍前后的彈性模量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。要想使得超聲彈性成像在冷凍手術(shù)中得到應(yīng)用，首先需要對人體組織冷凍前后的彈性模量進行測量。個體之間雖然有一定差異，但是可限定在一定的誤差范圍內(nèi)。彈性模量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的確定可以幫助有效地判斷組織的類型及凍結(jié)的程度。

5 結(jié)論

超聲彈性成像作為一種對組織力學(xué)特性實施成像的技術(shù)，理論上可用于任何可用超聲監(jiān)測的、可接受靜態(tài)或動態(tài)壓力的組織系統(tǒng)，前景比較廣闊。目前，這種方法主要用于乳腺癌[8]、前列腺癌的檢測[9]，心肌功能的評價[10]，腎臟和前列腺等具有彈性模量差異的正常解剖結(jié)構(gòu)的成像[11]，用于射頻消融檢測，強度聚焦超聲檢測的研究[12]以及化學(xué)消融范圍監(jiān)測[13]等。

低溫冷凍治療作為一種新的綠色腫瘤治療方法，具有麻醉鎮(zhèn)痛、止血或減少出血以及能防止腫瘤擴散等優(yōu)點，且副作用遠(yuǎn)低于放療和化療，被確認(rèn)為是一種治療抗藥性很強的大塊腫瘤的重要方法[14]。如果能精確的控制冷凍范圍，則低溫冷凍方法無疑會成為一種臨床腫瘤治療的理想選擇。

本文實驗首次表明，將超聲彈性成像應(yīng)用于冷凍手術(shù)中的凍結(jié)范圍檢測時具有明顯的可行性。相對于其他方法，超聲彈性成像監(jiān)測的是彈性模量信息，應(yīng)用在冷凍手術(shù)監(jiān)測時，可得到相對較高的圖像對比度。當(dāng)然，為了將該方法發(fā)展為成熟的臨床監(jiān)測方法，尚需開展更多的研究和探討。雖然目前研究尚處于初級階段，但是可以確信，超聲彈性成像在冷凍手術(shù)監(jiān)測中有很好的應(yīng)用前景，將有助于推動低溫外科醫(yī)學(xué)向精確化邁進。

致謝 本文成稿過程及理論分析中，得到高上凱教授具體幫助，謹(jǐn)致謝意。作者感謝高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金及清華-裕元醫(yī)學(xué)科學(xué)基金對本研究工作給予的資助。

[1]劉靜.低溫生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)原理[M].北京: 科學(xué)出版社.2007.

[2]Rubinsky B.Cryosurgery [J].Annu.Rev.Biomed.Eng., 2000, 2:157-187.

[3]Ophir J, Cespedes I, Ponnekanti H, et al.Elastography: A quantitative method for imaging the elasticity of biological tissues[J].Ultrason Imaging, 1991, 13 (2): 111-134.

[4]羅建文，白凈.超聲彈性成像的原理及理論分析[J].國外醫(yī)學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程分冊，2003, 26(3): 97- 101.

[5]富麗娜，王怡，王涌.超聲彈性成像在探索乳腺腫瘤上的價值[J].上海醫(yī)學(xué)影像, 2006, 15(2): 167-169.

[6]劉蕾，劉科，劉靜.提升冷凍手術(shù)中冰球檢測對比度的超聲彈性成像方法[J].科技導(dǎo)報，2009，27(13): 32-35.

[7]Chaturvedi P.2-D Companding for noise reduction in strain imaging [J].IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics,and Frequency Control, 1998, 45(1): 179-190.

[8]Carra BS, Cespedes EI, Ophir J, et al.Elastography of breast lesions: initial clinical results [J].Radiology, 1997,202:79-86.

[9]Cochlin DL, Ganatra RH，Griffiths DF.Elastography in the detection of prostatic cancer [J].Clin Radiol, 2002, 57: 1014-1020.

[10]Konofagou EE, DHppge J, Ophir J.Myocardial elastography feasibility study in vivo[J].Ultrason imaging, 2002, 28: 475-482.

[11]Kallel F, Price RE, Konofagou , et al.Elastographic Imaging of the normal canine prostate in vitro [J].Ultrason Imaging, 1999,21: 201-215.

[12]Righetti R, Kallel F, Stafford RL, el al.Elastographic characterization of HIFU-induced lesions in canine livers [J].Ultrasound Med Biil, 1999, 25: 1099-1113.

[13]Shao J, Wang J, Zhang Y, Cui L, Liu K, Bai J.Subtraction elastography for the evaluation of ablation-induced lesions:a feasibility study [J].IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control.2009, 56(1): 44-54.

[14]王洪武．現(xiàn)代腫瘤靶向治療技術(shù)[M]．北京：中國醫(yī)藥科技出版社, 2005.