基于超聲射頻信號(hào)的肩袖損傷識(shí)別

徐大華，宋人杰，屠 娟，章 東，何玉冰，陸 倩

（1.江蘇省中醫(yī)院，南京中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院超聲醫(yī)學(xué)科，南京，210029；2.南京大學(xué)物理學(xué)院近代聲學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京，210093）

引 言

肩袖損傷是導(dǎo)致肩關(guān)節(jié)疼痛及功能障礙的常見(jiàn)原因，約占肩關(guān)節(jié)疾病的20%[1-2]，隨著中國(guó)老年社會(huì)進(jìn)程的推進(jìn)及不健康運(yùn)動(dòng)方式的增加，其發(fā)病率逐年上升，嚴(yán)重影響患者生活質(zhì)量并導(dǎo)致高昂的醫(yī)療費(fèi)用[3]，故對(duì)其早期診斷及治療已成為臨床研究的熱點(diǎn)?，F(xiàn)代高頻超聲可清晰顯示軟組織結(jié)構(gòu)，由于其便捷、高分辨率和無(wú)輻射等特點(diǎn)在肌骨疾病診斷中的應(yīng)用日益廣泛[4-6]。

由于傳聲介質(zhì)的非線性,聲波在傳播過(guò)程中發(fā)生畸變,并產(chǎn)生諧波。因此，人們利用聲波在人體組織中非線性傳播特性，建立了諧波成像技術(shù)。考慮二次諧波在生物組織中衰減較小,且具有良好的指向性,因此醫(yī)學(xué)諧波成像中常以二次諧波作為首選信號(hào)。相比傳統(tǒng)基波成像，二次諧波成像可以更好地反映生物組織的非線性特征參數(shù)，并且具有更高的信噪比和較強(qiáng)的空間分辨力，在消除近場(chǎng)偽像和旁瓣干擾、增強(qiáng)組織對(duì)比度、提高深部組織回聲信息和組織特異性定征等方面都有優(yōu)勢(shì)，可以更清晰地顯示探測(cè)目標(biāo)。Tranquart等[8]和Shapiro等[9]分別在1999年和1998年的研究，可以幫助佐證這些結(jié)論。Tranquart等利用二諧波成像和常規(guī)成像對(duì)不同器官（如腎和膽囊）采集的圖像進(jìn)行比較，結(jié)果表明：對(duì)于腎臟，與傳統(tǒng)基波圖像相比，在二次諧波成像的腎臟圖像中，可以顯著識(shí)別出腎中的隔膜、結(jié)節(jié)以及鈣化現(xiàn)象。對(duì)于膽囊，利用二次諧波成像可以從膽囊中明顯區(qū)分和檢測(cè)結(jié)石。在Shapiro等對(duì)胰腺的研究中也發(fā)現(xiàn)，二次諧波超聲分別在2.5和4 MHz的條件下，其穿透深度、細(xì)節(jié)和總體圖像質(zhì)量明顯優(yōu)于基波信號(hào)超聲，從而可以更容易地檢測(cè)胰腺癌。以上研究表明，二次諧波比基礎(chǔ)信息更具信息性[7-12]。因此，本研究將在二次諧波成像模式下，針對(duì)肩袖損傷組織的原始射頻（Radio frequency,RF）信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，通過(guò)p值計(jì)算，探討B(tài)超RF信號(hào)統(tǒng)計(jì)分析對(duì)肩袖損傷的臨床診斷價(jià)值。

1 資料與方法

選擇江蘇省中醫(yī)院院經(jīng)MRI和關(guān)節(jié)鏡手術(shù)證實(shí)的肩袖損傷的31名患者，以及21名正常對(duì)照患者為研究對(duì)象，采用飛依諾V70彩色多普勒超聲診斷儀進(jìn)行掃查，X6-16L探頭，中心頻率10 MHz，機(jī)器默認(rèn)的肩關(guān)節(jié)掃查模式（二次諧波掃描模式）?；颊呷∽?，CRASS體位對(duì)岡上肌進(jìn)行橫斷面及縱斷面掃查，對(duì)于可疑病灶分別于長(zhǎng)軸及短軸切面凍結(jié)圖像，并選擇儀器默認(rèn)的20幀條件下存貯RF圖像資料。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 數(shù)據(jù)采集

將Vinno70型B超診斷儀(VINNO Technology(Suzhou)Co.Ltd.)設(shè)置在二次諧波掃描模式，使用X6-16L型寬頻帶B超探頭對(duì)組織進(jìn)行掃描，獲取原始RF數(shù)據(jù)。

超聲在非均勻組織中傳播時(shí)產(chǎn)生的二次諧波p2（x）與組織的非線性參量B/A的關(guān)系可表示為

2.2 數(shù)據(jù)處理

對(duì)一幀圖像存儲(chǔ)的原始RF數(shù)據(jù)進(jìn)行帶通濾波，本實(shí)施例使用FIR帶通濾波器提取RF數(shù)據(jù)中的二次諧波信號(hào)，中心頻率取二次諧波的頻率（10 MHz）。為了確保提取二次諧波信號(hào)并避免噪聲干擾，帶寬需設(shè)為中心頻率的40%～60%，本實(shí)施例取中心頻率的50%。

2.3 感興趣區(qū)

由于常規(guī)B超圖像中始終存在與目標(biāo)病灶無(wú)關(guān)的其他組織（如血管、脂肪、肌肉或皮膚等）。本實(shí)驗(yàn)中將由超聲科醫(yī)生根據(jù)RF數(shù)據(jù)的灰度圖，選取感興趣區(qū)（Region of interest,ROI）和參考區(qū)（Reference region,RR）（圖1）。同時(shí)，為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，將感興趣區(qū)和參考區(qū)中每條掃描線都分成N個(gè)周期，針對(duì)每個(gè)周期計(jì)算RF信號(hào)的均方根(Root mean square,RMS)值。采用均方根值而非RF信號(hào)幅值進(jìn)行計(jì)算，可以有效縮減原本龐大的數(shù)據(jù)量，并能夠用于得到經(jīng)驗(yàn)累計(jì)分布函數(shù)（Cumulative distribution function,CDF），從而可以直觀地比較出病變區(qū)域的組織情況。在后續(xù)工作中，利用均方根值才能得到核心的p值與相對(duì)p值。因此，可以使用二次諧波的均方根值來(lái)定征肩袖損傷。

2.4 二次諧波均方根值

計(jì)算感興趣區(qū)和參考區(qū)中每條掃描線上每N個(gè)周期二次諧波信號(hào)p2（x）的均方根值，受感興趣區(qū)和參考區(qū)內(nèi)掃描點(diǎn)數(shù)的限制，N可取1，2或3，本實(shí)施例中N=2，即計(jì)算每10個(gè)點(diǎn)的均方根值，計(jì)算的具體過(guò)程為

式中：fs為掃描頻率，f2為二次諧波頻率，x為掃描線上的第x個(gè)點(diǎn)。從而獲得每條掃描線上二次諧波均方根值數(shù)組。

2.5 二次諧波分布差異度

利用統(tǒng)計(jì)學(xué)中假設(shè)檢驗(yàn)的p值，對(duì)掃描線上的二次諧波的均方根值數(shù)組進(jìn)行雙樣本Kolmogorov-Smirnov檢驗(yàn)。將各區(qū)域內(nèi)每條掃描線上的均方根值數(shù)組與參考區(qū)的進(jìn)行比較，判斷各區(qū)內(nèi)每條掃描線上的均方根值數(shù)組與參考區(qū)的是否同分布，得到反映感興趣區(qū)和參考區(qū)某掃描線上二次諧波分布差異度的p值。具體過(guò)程為

式中：P21(n)和P22(n)分別為兩條掃描線上的二次諧波均方根值數(shù)組的累積分布函數(shù)，M為二次諧波均方根值數(shù)組長(zhǎng)度。

2.6 相對(duì)p值

將感興趣區(qū)與參考區(qū)（即組織中懷疑異常的區(qū)域與正常區(qū)域）進(jìn)行比較，即按式（3）計(jì)算反映組織異常的相對(duì)p值。

3 結(jié)果與分析

p值法首先假設(shè)沿著ROI的掃描線上的回波信號(hào)的振幅分布與鄰近正常組織的RR不同。圖1分別展示了在B模式圖像（圖1（a））中和相應(yīng)的RF數(shù)據(jù)合成圖像（圖1（b））中的典型右側(cè)肩部岡上肌腱。RF圖像通過(guò)以下步驟構(gòu)建合成(例如圖1（b）)：（1）利用超聲診斷系統(tǒng)獲取原始RF數(shù)據(jù)；（2）利用帶通濾波器(7.5～12.5 MHz)，從原始RF數(shù)據(jù)中提取出二次諧波；（3）通過(guò)希爾伯特變換得到濾波后的二次諧波信號(hào)的包絡(luò)信號(hào)；（4）將二次諧波振幅轉(zhuǎn)化成灰度值，并以此構(gòu)建RF灰度圖像。

圖1 典型右側(cè)肩部岡上肌腱的B超圖像及RF數(shù)據(jù)合成圖像Fig.1 B-mode and RF images of a typical sample of the supraspinatus tendon in the right shoulder

為了顯示兩個(gè)區(qū)域之間的分布差異，選取該樣本的一幀RF數(shù)據(jù)中的4條不同的掃描線，在ROI中選取了第160行和第200行，在左側(cè)RR中選取第100行，右側(cè)RR中選第260行。區(qū)域和線的劃分在圖1中標(biāo)出，圖1（b）所示的RF圖像框架的掃描總深度為38 mm。由于聲譜儀或患者的輕微運(yùn)動(dòng)，RF圖像的撕裂部位位置(圖1(b))可能與B超圖像（圖1（a））略有不同。之后計(jì)算二次諧波信號(hào)的RMS（均方根值）振幅，ROI的RMS通常低于RR，表明撕裂區(qū)具有明顯的低回聲結(jié)構(gòu)。然后，通過(guò)計(jì)算RMS各單行的CDF來(lái)說(shuō)明ROI和RR的分布差異，結(jié)果如圖2所示。如果兩個(gè)組的分布類似，那么它們的CDF應(yīng)該很接近。從圖2可以看出，RR中的兩條線（第110根和第280根）的CDF是接近于彼此的，而與ROI中線（第160根和第200根）的CDF相差甚遠(yuǎn)，這進(jìn)一步說(shuō)明了所選ROI回波信號(hào)分布確實(shí)與相應(yīng)正常組織部分不同。

圖2 在圖1中所選的4條線的經(jīng)驗(yàn)累積分布函數(shù)曲線Fig.2 Empirical CDF curve of four lines selected from Fig.1

為了量化這一肩部岡上肌腱的異常，在二次諧波RF圖像（圖1（b））中，取所選部分每一行數(shù)據(jù)的RMS（共220行），基于雙尾雙樣本Kolmogorov-Smirnov（K-S）測(cè)試，與RR部分的每一條數(shù)據(jù)的RMS（共136行）進(jìn)行了比較。然后，通過(guò)對(duì)K-S測(cè)試給出的p值進(jìn)行平均，可以估計(jì)出該條線的有效p值，同時(shí)可以用來(lái)評(píng)估其與RR部分的差異。其中，有效p值越小說(shuō)明與RR部分的區(qū)別越大。在RF圖像中所有掃描線的p值如圖3所示。顯然，ROI部分的p值明顯小于RR部分，再次表明撕裂部分與正常組織部分回波信號(hào)分布不同。這兩個(gè)區(qū)域的算術(shù)平均值分別是然后對(duì)兩個(gè)區(qū)域之間的rp值進(jìn)行評(píng)估，以量化表示ROI的病理變化。

對(duì)共計(jì)52例（21例正常，31例損傷）病例都進(jìn)行上述計(jì)算，得到每一個(gè)病例的rp值，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖4所示，其中“0”表示陰性，“1”表示陽(yáng)性。當(dāng)取rp值的閾值為0.5時(shí)，能夠區(qū)分出所有的肩袖撕裂的病例，而僅有4例正常病例的rp值也小于0.5?？傻?，本次實(shí)驗(yàn)的敏感性為100%，特異性為81%。由此可以說(shuō)明對(duì)于診斷肩袖撕裂，p值法是一種十分高效且準(zhǔn)確的方法。

圖3 RF圖像ROI與RR區(qū)域各掃描線p值分布Fig.3 p-value calculated for the scanning lines of the ROI and RR regions in the sample RF image

圖4 rp值統(tǒng)計(jì)分布圖Fig.4 Distribution of rp-value for 52 samples

4 討 論

本方法涉及B超檢查和統(tǒng)計(jì)學(xué)中的假設(shè)檢驗(yàn)，特別是反映生物組織特性異常的技術(shù)。更具體地說(shuō)，涉及一種反映生物組織異常的參數(shù)及其測(cè)量方法。超聲檢查是根據(jù)人體器官組織聲學(xué)性質(zhì)上的差異，以波形或圖像的形式顯示和記錄器官反射的超聲波，實(shí)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)組織異常的方法。目前使用最廣的是B超檢查。它對(duì)人體的軟組織具有高分辨力、操作簡(jiǎn)單、成像快、診斷及時(shí)、非侵入性、無(wú)痛苦和無(wú)危害等優(yōu)勢(shì)，屬于非損傷性檢查。超聲成像技術(shù)的廣泛應(yīng)用推動(dòng)了利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息處理技術(shù)處理和分析超聲圖像的研究進(jìn)程。生物組織特性主要可以從形態(tài)、邊界、回聲、浸潤(rùn)表現(xiàn)和有無(wú)淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移等方面綜合評(píng)價(jià)。

目前，主要通過(guò)B超診斷檢查生物組織并找出感興趣區(qū)，然后根據(jù)選擇的區(qū)域進(jìn)行相應(yīng)處理。另一方面，基于超聲成像技術(shù)的處理超聲圖像識(shí)別和提取組織特征的方法也在近年來(lái)得到發(fā)展，并建立了計(jì)算機(jī)輔助診斷系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)輔助判別已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)之一。這個(gè)系統(tǒng)包括圖像采集、圖像預(yù)處理、感興趣區(qū)區(qū)域分割、特征提取并識(shí)別等步驟。從B超圖像中提取的包括分形維數(shù)的紋理信息和形態(tài)特征等難以單獨(dú)用于反映組織異常。目前具有較高準(zhǔn)確率的方法是綜合這些參數(shù)，使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或支持向量機(jī)作為分類器對(duì)圖像進(jìn)行識(shí)別。然而這個(gè)方法需要大量樣本，多種特征的提取，計(jì)算復(fù)雜，同時(shí)受圖像本身信息量限制。超聲圖像獲取的是經(jīng)處理的背向散射信號(hào)，只包括了散射信號(hào)的幅度信息，影響了反映組織特性的準(zhǔn)確性。信息量的丟失，在成像過(guò)程中是不可避免的。特別對(duì)于結(jié)構(gòu)多源的復(fù)雜組織，只用圖像往往難以診斷。

也有研究學(xué)者提出了利用原始RF信號(hào)提取組織特性的方案[13-14]，RF信號(hào)不僅包括了幅度信息還包含有相位信息。文中提及其主要貢獻(xiàn)的特征是由RF信號(hào)時(shí)間序列提取的數(shù)個(gè)特征，也同時(shí)說(shuō)明了B超圖像信息量低的結(jié)論。但是，RF信號(hào)時(shí)間序列的采集過(guò)程中不可避免的會(huì)因醫(yī)生或病人的抖動(dòng)引入誤差，而這種抖動(dòng)，對(duì)小面積的變異來(lái)說(shuō)影響也會(huì)很大。另一方面，人們開(kāi)始研究組織的分布函數(shù)，通過(guò)函數(shù)中的參數(shù)反映組織異常。如Shankar等[14]曾嘗試根據(jù)Nakagami分布的統(tǒng)計(jì)學(xué)計(jì)算來(lái)診斷乳腺組織異常,但這種方法計(jì)算復(fù)雜，尚處于探索階段，目前很少有研究將統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法應(yīng)用于肩袖損傷的B超圖像診斷應(yīng)用中。

本方法有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）作為一種反映生物組織異常的參數(shù)測(cè)量方法，在二次諧波掃描模式下獲取原始RF數(shù)據(jù)，并利用原始RF數(shù)據(jù)進(jìn)行帶通濾波和感興趣區(qū)域劃分，然后將感興趣區(qū)和參考區(qū)內(nèi)每條掃描線上得到的均方根值數(shù)組與參考區(qū)的進(jìn)行比較，再計(jì)算反映組織異常的相對(duì)p值，相對(duì)目前仍處于探索階段的計(jì)算組織具體分布（例如K分布，瑞利分布），利用分布參數(shù)反映組織異常的方法，有計(jì)算簡(jiǎn)單、通用性高的優(yōu)勢(shì)；（2）作為一種反映生物組織異常的參數(shù)測(cè)量方法，僅需要廠家公開(kāi)原始RF數(shù)據(jù)，不需要額外的儀器就能得到反映組織異常的相對(duì)p值，相比從B超圖像提取特征的方式，有較高的信息量[15-17]；（3）作為一種反映生物組織異常的參數(shù)測(cè)量方法，在B超檢查中，無(wú)需醫(yī)師綜合多方面（形態(tài)、邊界、回聲等）因素概括生物組織異常，有效地解決了B超檢查中主觀性強(qiáng)和需要有豐富臨床經(jīng)驗(yàn)的問(wèn)題，也避免了抖動(dòng)引入的誤差，是一種測(cè)量準(zhǔn)確，容易實(shí)施的反映生物組織異常的參數(shù)測(cè)量方法。

5 結(jié)束語(yǔ)

肩袖肌腱撕裂后局部肌纖維中斷、部分纖維攣縮，裂口處無(wú)回聲血腫充填，超聲可較清晰顯示病變部位，裂口未見(jiàn)積液而裂口處滑囊的凹陷充填超聲亦可作為肩袖撕裂的間接征象對(duì)于進(jìn)行診斷，但對(duì)于肩袖撕裂后裂口內(nèi)血腫機(jī)化充填或增生的低回聲滑膜充填于裂口時(shí)常規(guī)超聲聲像圖顯示病變處的肌腱形態(tài)結(jié)構(gòu)正常、滑囊面的弧形結(jié)構(gòu)光滑，同時(shí)由于肩袖肌腱附著點(diǎn)處肌纖維相互交織，常規(guī)的灰階圖像難以提供足夠的影像學(xué)診斷依據(jù)，這是導(dǎo)致肩袖肌腱損傷超聲診斷假陰性的主要原因，本研究對(duì)基于超聲射頻流的RF信號(hào)的分析，發(fā)現(xiàn)ROI的p值明顯小于RR的p值，可有效避免肌腱撕裂后血腫充填導(dǎo)致的假陰性，顯著提高了對(duì)肩袖損傷的超聲診斷正確率，具有重要的臨床意義。