超聲輻射力脈沖技術分級量化肝纖維化的實驗研究

黃文波，陳 科，邱婷婷，羅 燕，林江莉

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超聲輻射力脈沖技術分級量化肝纖維化的實驗研究

黃文波1，陳 科1，邱婷婷2，羅 燕2，林江莉1

(1. 四川大學生物醫(yī)學工程系 成都 610065; 2. 四川大學華西醫(yī)院超聲科 成都 610041)

肝纖維化是慢性肝病進展到肝硬化的中間階段，肝纖維化不同分期的硬度量化具有重要的臨床意義，但目前其彈性參數檢測尚不準確。該文基于超聲輻射力脈沖(ARFI)技術，提出一種對肝臟組織彈性系數進行量化的新方法。通過ARFI技術產生超聲輻射力推動聚焦處組織產生微小縱向位移，獲取激勵前后的超聲回波信號，采用累積相位互相關算法檢測微小位移，評估其分級肝纖維化程度的可行性；再通過Voigt粘彈性模型建立特定聲輻射力下彈性系數與組織受激產生應變的關系曲線，從而獲得不同分期肝纖維化組織彈性系數的絕對值。對不同分期的兔子肝臟進行實驗，結果表明如果采用單一輻射力獲得的縱向位移進行分期結果不穩(wěn)定，而應采用多種聲強度和多種脈沖寬度的輻射力下的平均縱向位移。最終得到的肝纖維化不同分期的彈性系數為：0: (11.95±1.91) kPa，1: (13.28±1.89) kPa，2: (15.40±1.98) kPa，3:(16.83±2.01) kPa，4:(18.52±2.28) kPa。實驗結果實現了區(qū)分不同肝纖維化等級的兔子肝臟，并得到不同等級相對應的彈性參數值，為臨床上肝纖維化的準確檢查和診斷提供了新的方法和手段。

超聲輻射力; 累計相位; 肝纖維化; 硬度量化; Voigt模型

肝纖維化是許多肝臟疾病尤其是慢性肝病的一個共同病理基礎[1]。慢性肝纖維化程度的評估是判斷病情、早期干預治療和隨訪療效的關鍵環(huán)節(jié)[2]。一直以來肝活檢通常被當作肝纖維化診斷的金標準[1-2]。然而，肝活檢本身存在著給患者帶來風險傷害、取樣誤差以及不可忽視的發(fā)病和偶爾的死亡率等問題[3]。無創(chuàng)準確測量肝臟組織的粘彈性在臨床中意義重大[4-5]，非創(chuàng)傷性診斷標志物和非創(chuàng)傷性影像學檢查成為人們一直研究的方向。其中血清標志物作為目前無創(chuàng)肝纖維化診斷的有力工具，但對于肝纖維化早期的微小改變也無法準確區(qū)分。

近年來，已有將彈性像技術應用于肝纖維化的臨床檢測[12-14]。例如文獻[6]彈性成像就是其中一種，它是通過獲取剪切波的傳播速度對肝纖維化程度進行診斷[6]。文獻[7]基于超聲輻射力彈性成像技術也應用于肝纖維化的診斷，和文獻[6]一樣，通過輻射力激勵后得到剪切波的傳播速度，間接反映肝纖維化程度。但是，文獻[8]提出肝纖維化指標0～3與健康肝臟在剪切波速上的差異只有1%，而對比于肝硬化也僅超過健康肝臟2%，對于健康和疾病肝臟在剪切波速上的微小差異，可能無法有效區(qū)分病變的等級。同時，剪切波本身易衰減不易測量等問題使得測量準確性有待進一步提高[9]。

基于以上問題，本文利用超聲脈沖輻射力技術基礎，提出了一種對肝纖維化不同分期對應的彈性參數標準化定量量化的方法：通過間隔發(fā)射激勵脈沖和檢測脈沖對組織運動進行追蹤，得到組織激勵前后的縱向位移(即應變)情況；對不同肝纖維化程度兔子肝臟進行ARFI實驗以觀察不同肝纖維化分期的應變變化情況；再基于肝臟組織粘彈特性的特點，利用Voigt模型對已知彈性的彈性小球和背景材料(8、14、25、45、80 kPa)進行實驗建立彈性系數-應變(相位)變化的擬合曲線；最后結合彈性系數-應變(相位)變化擬合曲線實現不同分期肝纖維化彈性系數的定量量化。

1 研究方法

1.1 超聲輻射力脈沖激勵和運動檢測波束

實驗基于聲泰特C21iMago超聲彩色多普勒實驗儀搭建了超聲輻射力脈沖激勵和運動跟蹤系統(tǒng)。圖1顯示了該系統(tǒng)的激勵和檢測聲波序列。該序列由1個標準波束、1個激勵波束和24個檢測波束構成，3種波束均為正弦脈沖。

圖1 激勵和檢測波速序列圖[17]

其中標準脈沖和檢測脈沖用于組織運動位移的檢測，脈沖寬度為2個周期(cycle)，而激勵脈沖用于產生聲輻射力推動組織產生瞬時縱向運動，它是提高了發(fā)射能量的和增加了脈沖發(fā)射時間的聚焦波束。激勵脈沖的寬度一般為30～200個周期(cycle)，具體cycle數根據要施加的超聲輻射力大小決定。相鄰兩波束間時間間隔為重復掃描時間間隔。

每一個位置生物組織的彈性相關的縱向位移信息的獲得就由聚焦于該位置的一組激勵和檢測聲波序列完成。

圖2 超聲回波波束

圖3 激勵和檢測位置變換

1.2 組織縱向位移的計算

根據課題組之前的研究，應用相位累積型自相關算法實現微小位移的檢測[11]。該方法將信號差異累積起來再進行統(tǒng)一估計，減少了反正切計算中的誤差，有更好的平滑效果。具體算法簡述如下：

信號回波可以描述為：

則第0次回波信號可描述為：

圖4為檢測到的一組檢測回波信號，橫軸方向每一條曲線為一次回波信號，可見當物體發(fā)生縱向運動時，信號間出現相位差異。

圖4 超聲回波信號[17]

通過公式推導(詳見參考文獻[11])，利用相位累積型自相關算法相位差異計算式為：

1.3 彈性系數與縱向位移的關系曲線

大量研究表明，黏彈性(viscoelasticity)是反映生物組織力學特性的最佳指標[2-3]。本小節(jié)基于Voigt粘彈性模型，獲得應變與彈粘性系數之間關系的解釋式，從而為后面彈粘性體縱向位移與彈性系數的關系曲線的擬合做準備(見2.1節(jié))。

已知Voigt模型的應力-應變關系如下：

通過求解上述一階線性微分方程得到：

有了彈性系數與縱向位移的關系曲線，便為量化肝纖維化彈性系數提供了標準。

2 實驗和分析

2.1 實驗對象

本文的實驗動物采用兔子，共17只，隨機分為對照組和實驗組。兔子、飼料及其喂養(yǎng)工作均由四川大學動物實驗中心提供。

實驗對兔子注射四氯化碳(Carbon Tetrachloride)來建立肝纖維化模型。兔子分為模型組14只和對照組3只，模型組包含肝纖維化1～4期，對照組為0期(正常期)。在培養(yǎng)階段，對照組一直給予正常的水和食物。模型組的造模按以下步驟來進行：第一周開始，按0.3 mL/100 g體重給每只兔子皮下注射兩次CCl4和橄欖油的混合液(體積比1:1)。通過控制對兔子注射的天數，將其誘導成肝纖維化的不同分期。這樣，分別于第5、9、13、17周后進行ARFI實驗，實驗時取大小約1 cm′0.5 cm′0.5 cm樣本組織兩片進行組織病理學分析，分期結果為1期3只、2期4只、3期5只、4期2只。

2.2 信號采集

17只兔子共分為4次實驗采集完成，分別于第5、9、13、17周后對兔子進行聲輻射力實驗。每次實驗前兔子空腹3 h后腹部脫毛，靜脈麻醉后固定兔子采取仰臥位解剖，取出兔子肝臟(取最大肝葉)在10 min內完成實驗，采集完成獲取回波信號，從而避免了肝臟組織離體時間過長對實驗過程以及結果數據的影響。文中激勵波束的參數由聲功率和cycle個數控制，探頭中心頻率為5 MHz，采樣頻率40 MHz，重復頻率8 kHz?；夭ㄐ盘栔?，每一幀共有624束波束，共采集26個位置，每個位置每次采集24個包絡數的聲束，每根聲束由592個數據點組成。采集每次超聲輻射力激勵后組織的回波RF信號如圖2所示。

累積型相位即表示縱向位移的變化(本文中累積相位個數=12)，結合式(4)的累積相位計算方法，得到組織的受激勵后同一位置24個包絡波束的累積相位變化圖，如圖5所示。

圖5 某一位置點的相位變化圖(50 V電壓條件)

圖5可以看出在受到聲輻射力激勵后，組織相位變化迅速，在第2個回波處縱向位移達到最大值。同時，縱向位移的最大值隨著電壓值的增大而增大。

2.3 肝纖維化分級

使用激勵檢測系統(tǒng)對17只兔子肝臟26個位置進行激勵和應變追蹤，根據施加聲功率和聲數數目的不同，得到不同聲功率和聲束寬度條件下，各個兔子肝臟累計相位最大值，取26個位置的平均值顯示，如表1所示。這里累計相位最大值就作為組織聚焦部分的瞬時縱向應變。

表1 50 V條件下肝纖維化等級的累積相位

將不同電壓下的肝纖維化不同分期的累積相位繪制成曲線。如圖6所示。

圖6 F0～F4的累積相位曲線(50 V電壓條件下)

從圖6可以看出，總的趨勢是累積相位變化隨肝纖維化程度的加深而減少，但是脈沖寬度小于100 cycles的時候，對肝纖維化程度的區(qū)分不穩(wěn)定，甚至出現錯誤。比如50 V/40 cycles條件下1期較0期小。鑒于此，本文將相同激勵電壓下不同脈沖寬度(20～200 cylcles)獲得的累積相位進行累加，計算其平均值。用平均值的大小來表現不同程度的肝硬化。其分級效果如圖7所示。

從圖7可以看到，在各個聲功率條件(30 V、50 V、60 V)下多個脈沖寬度獲得的累積相位求平均都能明顯地區(qū)分出肝纖維化程度，說明利用超聲激勵脈沖對肝纖維化分級的有效性。但是，在30 V條件下，3期和4期的區(qū)分沒有50 V和60 V條件下的明顯，同時脈沖寬度小于100 cycles的時候，對各期的區(qū)分也不穩(wěn)定，這可能是由于激勵脈沖的力量不夠，加上信號采集中噪音的影響造成的。鑒于此，本文將分級方案調整為：將50 V和60 V激勵電壓下脈沖寬度為100～200 cylcles之間獲得的累積相位進行累加，計算其平均值，即每個肝纖維化分級的縱向位移情況是10個累積相位求平均，其分級效果如圖8所示。

圖7 30 V/50 V/60 V的條件下各肝纖維化等級的累積相位

圖8 綜合條件下各肝纖維化等級的累積相位

圖8表明，從0期～4期實現了對肝纖維化的分級，從而也證明ARFI在肝纖維化分級中的可行性。同時得到了ARFI試驗中最佳的輻射力強度和脈沖寬度。

2.4 彈性系數與累積相位關系

為了量化不同分期的肝纖維化組織的彈性系數，需要做出一條標準的彈性系數與縱向位移的關系曲線，然后在這條曲線上找出某個縱向位移對應的彈性系數，從而得到不同肝纖維化分期的肝臟彈性系數值。

實驗采用CIRS公司的Model049模型。Model049是一款專門用于超聲彈性成像研究的模型，其由4種彈性系數不用的小球和彈性背景組成，類型I～類型IV的小球小球的彈性系數分別為：8、14、45、80 kPa，背景區(qū)域為25 kPa，Model049模型如圖9所示，其中每種類型的彈性小球均有2個，其大小和位置如圖9所示。

圖9 Model 049模型示意圖

前面提到，30 V條件下組織受激勵后累計相位變化值不明顯；同時，測試phantom時發(fā)現對45、80 kPa的粘彈性小球進行聲輻射力激勵后，累計相位值微弱且很不穩(wěn)定。故此處分別采用50 V/60 V的聲功率以及100 cycles/200 cycles的激勵脈沖寬度條件下對位于離頂面15 mm的4個直徑10 mm的小球和背景進行激勵，然后計算其縱向位移，結果如表4所示。其中縱向位移我們采用累積相位表示。

表4 Model 049模型的應變情況

在已知聲輻射力激勵條件下，建立彈性系數-應變(相位)變化，整合50 V、60 V各個條件取平均值，根據式(6)建立擬合曲線，得到在此條件下的彈性-應變關系曲線，如圖10所示。

如圖10所示，在已知聲輻射力條件下建立的彈性應變關系圖，即在50 V、60 V條件多次測量的累計相位結果取平均值，因為已知彈性小球的楊氏模量，借助力學Voigt模型建立彈性系數與應變的擬合關系。表5給出了胡克和Voigt模型的擬合的誤差結果。擬合誤差計算如式(7)所示。

式中，為均方差；為數據點個數(文中=5)；P為原始數據值；(P)為對應的擬合值。

圖10 彈性系數-應變擬合關系

表5 兩種模型相關系數

結果顯示，粘彈性Voigt模型的擬合誤差值僅0.016 9。后文在此基礎上利用在Voigt模型條件下的彈性系數-應變關系，可對當前條件下測量得到應變值進行彈性系數的估計。

2.5 量化肝纖維化彈性系數

結合上一節(jié)中得到的綜合條件下彈性系數與應變的擬合變化關系。結合不同肝纖維化的兔子肝臟受輻射力激勵后的縱向值(累計相位平均值)，可以得到對應條件下不同肝纖維化兔子肝臟的彈性系數，統(tǒng)計結果如表6所示。

表6 不同肝纖維化兔子肝臟的彈性系數值

圖11 不同肝纖維化等級兔子的彈性參數值

根據表6統(tǒng)計的結果繪制不同肝纖維化兔子肝臟的彈性系數圖，如圖11所示。

3 結束語

本文利用超聲輻射力脈沖技術推動聚焦處組織產生微小縱向位移，借此評估該瞬時縱向位移對分級肝纖維化的可行性。通過動物實驗發(fā)現，如果只用一種輻射力一種脈沖寬度的縱向位移進行分級結果并不穩(wěn)定；同時脈沖寬度低于100 cycles時獲得的結果也不穩(wěn)定。最后采用了50 V和60 V兩種強度下100～200 cycles之間獲得的所有縱向位移的平均值作為分級標準，結果表明不同程度的肝纖維化獲得了較好的區(qū)分。之后，本文基于Model 049彈粘性體模型，建立彈性系數-縱向位移(相位)關系曲線，該關系曲線利用Voigt粘彈性力學模型進行擬合，能表征生物組織的粘性和彈性兩個方面的特征，其數據誤差0.016 9，遠小于采用純彈性胡克模型數據誤差0.251 4。最后，在Voigt擬合曲線中找出不同肝纖維化的縱向位移值所對應的彈性系數，從而量化出不同肝纖維化分期。結果表明，不同分期的肝臟彈性系數有較大差異，0與1之間差11.13%，1與2之間差15.96%，2與3之間差9.29%，3與4之間差10.04%。

本文的研究為臨床上肝纖維化的無創(chuàng)準確檢查和診斷提供了新的方法和手段。進一步的研究將加大動物實驗的數據量，采用不用種類的動物(如大鼠、豬等)，提高信號的檢測精度，實現在體實驗等。

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編 輯 蔣 曉

Experimental Study on Classifying and Quantifying Hepatic Fibrosis based on Acoustic Radiation Force Impulse

HUANG Wen-bo1, CHEN Ke1, QIU Ting-ting2, LUO Yan2, and LIN Jiang-li1

(1. School of Material and Engineering Science, Sichuan University Chengdu 610065; 2. Department of Ultrasonography of West China Hospital, Sichuan University Chengdu 610041)

Liver fibrosis is the intermediate stage from chronic liver disease to cirrhosis, the quantification of stiffness of different liver fibrosis stages has important significance to clinic application. To overcome the shortcomings that elasticity detection is not yet accurate to quantitatively measure the stiffness of liver fibrosis, a new method based on acoustic radiation force impulse (ARFI) for the elastic coefficient quantification of liver tissue is proposed. In this paper, ultrasound echo signals are collected before and after the elastic tissue pushed by acoustic radiation forces to implement the strain detection by the cumulative phase autocorrelation, and the results shows that the proposed method is feasible to assess the degree of liver fibrosis. The relationship between the elasticity coefficient and the strain of the stimulated tissue is established by the Voigt viscoelastic model to obtain the absolute elastic modulus of different stages of liver fibrosis. Experiments on different fibrosis stages of rabbit liver show that the longitudinal displacement obtained using single radiation force is not stable, so the average longitudinal displacement under a variety of intensity and pulse length radiation forces is used. The elastic coefficients of the different stages of liver fibrosis are:0: (11.95±1.91) kPa,1: (13.28±1.89) kPa, F2: (15.40± 1.98) kPa,3: (16.83±2.01) kPa,4: (18.52±2.28) kPa. Results illustrate that the rabbit liver with different levels of liver fibrosis is distinguished and the elastic parameters are obtained. This result provides a new means for the accurate examination and diagnosis of liver fibrosis in clinic.

ARFI; cumulative phase; liver fibrosis; quantifying stiffness; voigt model

R318

A

10.3969/j.issn.1001-0548.2017.06.025

2017-03-21；

2017-09-10

國家自然科學基金(81301286)；教育部博士點基金(20130181120001)；四川省科技支撐項目(2014GZ0005-7)

黃文波(1991-)，男，主要從事醫(yī)學圖像處理方面的研究.