超聲散射子有效聲濃度成像檢測微波消融凝固區(qū)

吳水才， 宋 爽， 吳薇薇， 王 月， 周著黃

(1.北京工業(yè)大學(xué)生命科學(xué)與生物工程學(xué)院，智能化生理測量與臨床轉(zhuǎn)化北京市國際科研合作基地， 北京 100124；2.首都醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院， 北京 100069)

微波消融作為腫瘤微創(chuàng)治療的有效手段，是通過將消融針插入腫瘤組織中，利用微波加熱的方式使腫瘤組織產(chǎn)生凝固性壞死，具有費用低、并發(fā)癥少以及患者耐受性好等優(yōu)點[1]. 目前微波消融已應(yīng)用于肝癌、肺癌等腫瘤的臨床治療，但是現(xiàn)有成像技術(shù)還不能實時準確監(jiān)測消融區(qū)的變化，因此近年來，國內(nèi)外學(xué)者不斷探索微波消融凝固區(qū)檢測新方法[2-5]. 現(xiàn)有腫瘤消融凝固區(qū)成像檢測技術(shù)主要包括： 1) 磁共振成像技術(shù)，其對于熱療過程中組織溫度的測量具有很高的精度，但缺點是實時性和成像對比度均不高，設(shè)備兼容性差且費用昂貴； 2) 計算機斷層掃描成像技術(shù)，具有成像清晰、分辨率高、解剖關(guān)系明確等優(yōu)點，但其成像斷面比較固定，且對人體有一定的輻射，不適合長期監(jiān)測； 3) 核醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，優(yōu)勢是可獲得三維影像，能進行定量分析，進行早期診斷等，但其屬于高成本核醫(yī)學(xué)影像，費用昂貴； 4) 超聲成像技術(shù)，因其兼容性強、無放射性損傷、價格便宜、實時性好及成像斷面靈活等優(yōu)點，受到研究人員的廣泛關(guān)注. 傳統(tǒng)的B超成像是定性的，顯示的是組織或臟器的二維超聲斷層圖. 相比傳統(tǒng)超聲成像，定量超聲成像可以提供與組織特征相關(guān)的定量信息，提高圖像的特異性，從而改善超聲診斷[6]. 超聲散射子有效聲濃度[7]是一種基于背散射信號功率譜的定量超聲參數(shù). Lizzi等[8]提出了球形高斯模型，可得到描述組織微觀結(jié)構(gòu)的有效聲濃度參數(shù).

目前，基于有效聲濃度參數(shù)進行組織定征已應(yīng)用在熱消融監(jiān)測和疾病診斷等研究中. Kemmerer等[9]采用微波加熱離體牛肝的實驗，得出隨著溫度從18 ℃升高到42 ℃，有效聲濃度下降了1.5 dB. Ghoshal等通過研究大鼠乳腺腫瘤高強度聚焦超聲消融治療，發(fā)現(xiàn)有效聲濃度參數(shù)隨溫度升高而升高，隨溫度降低而降低[10]，且有效聲濃度參數(shù)成像的對比度優(yōu)于B超圖像[11]. Lizzi等[12]指出有效聲濃度參數(shù)可以反映熱療引起的組織微結(jié)構(gòu)的變化. Dizeux等[13]通過3組小鼠肺癌模型實驗，表明有效聲濃度可以評估腫瘤的微結(jié)構(gòu). Oelze等[14]發(fā)現(xiàn)大鼠乳腺腫瘤外健康組織的聲濃度大于腫瘤內(nèi)的聲濃度. Escoffre等[15]指出有效聲濃度能夠診斷并分級家兔肝纖維化. Muleki-Seya等[7,16]指出有效聲濃度參數(shù)與小鼠肝臟脂肪含量的相關(guān)性較高. Rohrbach等[17]指出有效聲濃度可用于定位活檢組織，并指導(dǎo)前列腺癌可疑區(qū)域的局部治療. Tamura等[18]提出了一種有效聲濃度的修正算法.

由國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析可見，有效聲濃度具有鑒別肝臟組織微觀結(jié)構(gòu)變化的潛力，但其尚未應(yīng)用于微波消融凝固區(qū)檢測(Kemmerer等[9]僅研究了18～42 ℃的微波加熱，屬于傳統(tǒng)熱療的溫度范圍，而臨床微波消融治療的溫度一般在60 ℃以上). 為此，本文探討基于有效聲濃度的微波消融(>60 ℃)凝固區(qū)檢測，將離體豬肝微波消融后的組織剖面作為金標準，驗證有效聲濃度成像在微波消融凝固區(qū)檢測中的可行性，以期為微波消融凝固區(qū)的有效檢測提供新方法.

1 材料與方法

1.1 有效聲濃度參數(shù)估算

超聲背散射信號的理論功率譜[19]可表示為

Wt=Con(aeff,nz)f4F(f,aeff)

(1)

式中：aeff表示有效散射子直徑；nz表示有效聲濃度；f為頻率，MHz；Con(aeff，nz)表示依賴于aeff和nz的常數(shù)項；F(f,aeff)為形狀因子.

具有球形高斯形狀因子信號的理論功率譜[8,12]可表示為

(2)

式中：L表示窗的長度；q表示超聲換能器半徑與感興趣區(qū)域(region of interest, ROI)的距離之比.

通過計算ROI(包含N條長度相同的掃描線)內(nèi)的平均功率譜可以得到測量功率譜

(3)

式中：FT{pn(t)}為ROI內(nèi)第n條掃描線pn(t)的傅里葉變換；Wref為參考功率譜.

對測量功率譜Wm進行衰減補償

Wc=WmA(f,z)

(4)

式中A(f,z)為衰減補償函數(shù)[20]

A(f,z)=exp[4a(f)zf]

(5)

式中：a(f)為超聲衰減系數(shù)；z為超聲傳播距離.

對比測量功率譜與理論功率譜，可得

10lgWc≈10lgf4+m(aaff)f2+b(nz,aaff)

(6)

令x=f2，得到

10lgWc-10lgx2≈m(aeff)x+b(nz,aeff)

(7)

利用最小二乘法將式(7)中(10lgWc-10lgx2)與變量x線性擬合，得到擬合直線的斜率m和截距b. 參數(shù)m和b與aeff和nz的對應(yīng)關(guān)系[12]為

(8)

最后，根據(jù)式(8)得到有效聲濃度nz的表達式為

(9)

1.2 實驗裝置與數(shù)據(jù)采集

搭建2個實驗平臺：1) 參考體模信號采集平臺，采集衰減系數(shù)已知的體模的超聲背散射信號，用于計算體模的背散射信號功率譜，在有效聲濃度成像時可作為參考值，去除超聲設(shè)備的影響；2) 微波消融實驗平臺，用于采集不同消融參數(shù)、不同時刻下豬肝組織微波消融背散射信號.

1.2.1 參考體模信號采集平臺

體模信號采集平臺實物如圖1所示，其中包括：體模(中國科學(xué)院聲學(xué)研究所研制，型號：KS107BD(L)；聲速：(1 540±10)m/s；超聲衰減系數(shù)：(0.7±0.05)dB/[cm·MHz])；超聲儀(美國Terason公司制造，型號：Terason T3000)；線陣換能器(型號：12L5A，通道數(shù)：256，中心頻率：7.5 MHz).

1.2.2 微波熱消融實驗平臺

微波消融實驗平臺實物如圖2所示，其中包括：超聲儀和換能器，用于固定換能器的鐵架，微波消融儀(南京康友公司制造，型號：KY-2000)，水冷式微波消融針(型號：EN868-5)，自制亞克力盒(尺寸：6 cm×6 cm×6 cm)等.

1.2.3 實驗數(shù)據(jù)獲取

根據(jù)參考體模信號采集平臺，利用Terason T3000超聲設(shè)備自帶的信號采集系統(tǒng)，獲取體模超聲背散射信號，B超成像如圖3所示.

利用微波消融實驗平臺采集豬肝組織微波消融過程中的超聲背散射信號. 實驗開始前，將購買的新鮮豬肝靜置于質(zhì)量分數(shù)為0.9%的生理鹽水中2 min，達到去除豬肝組織內(nèi)部氣體的目的. 實驗開始，將去氣的豬肝組織放入自制的亞克力盒中，將微波消融針通過亞克力盒側(cè)壁預(yù)留的圓孔水平插入豬肝組織中，將圓孔封堵后向亞克力盒中加入質(zhì)量分數(shù)為0.9%的生理鹽水；然后設(shè)置好微波消融儀的消融參數(shù)(消融功率P=80 W，消融時間t=60 s；消融功率P=50 W，消融時間t=120 s)開始消融實驗，期間利用自編程序[21]采集超聲背散射信號存入超聲儀硬盤中. 所得超聲背散射信號參數(shù)如下：中心頻率f0=7.5 MHz，采樣頻率fs=37.5 MHz，聲速c=1 540 m/s，超聲背散射數(shù)據(jù)維數(shù)：1558(采樣點)×256(掃描線). 微波消融(P=50 W,t=120 s)結(jié)束瞬間獲取的超聲背散射信號B超圖成像如圖4所示.

1.3 有效聲濃度成像

首先確定窗函數(shù)后，分別在參考體模信號和豬肝組織微波消融背散射信號內(nèi)選擇ROI. 根據(jù)式(3)(4)求出豬肝組織和體模ROI內(nèi)的平均功率譜并取對數(shù). 然后將豬肝組織ROI內(nèi)對數(shù)功率譜與體模ROI內(nèi)對數(shù)功率譜做差，根據(jù)式(7)和最小二乘法計算對數(shù)功率譜差與頻率平方的線性擬合直線的斜率m和截距b. 然后根據(jù)式(9)計算有效聲濃度參數(shù). 最后將窗口遍歷整幅圖像，得到豬肝有效聲濃度參數(shù)成像.

2 結(jié)果

2.1 有效聲濃度成像檢測凝固區(qū)

在離體豬肝組織微波消融開始前及微波消融結(jié)束瞬間B超成像中，選取感興趣區(qū)域ROI1和ROI2，如圖5(a)(b)中紅色方框.

ROI1和ROI2內(nèi)有效聲濃度成像如圖6(a)(b)所示. 計算得到ROI1內(nèi)有效聲濃度均值為104.8，ROI2內(nèi)有效聲濃度均值為114.2. 消融前正常組織ROI1與消融后組織ROI2的有效聲濃度參數(shù)值存在差異，因此可考慮通過設(shè)置閾值的方法檢測微波消融的凝固區(qū).

消融前正常豬肝組織(見圖5(a))和微波消融結(jié)束瞬間豬肝組織(見圖5b))整幅圖像的有效聲濃度成像如圖7(a)(b)所示.

通過反復(fù)實驗發(fā)現(xiàn)，閾值thr=110時可以實現(xiàn)凝固區(qū)檢測，即有效聲濃度參數(shù)值大于thr的區(qū)域視為消融凝固組織，小于thr的區(qū)域視為正常組織. 閾值法處理后的有效聲濃度參數(shù)成像如圖8所示.

為進一步檢測微波消融凝固區(qū)，將有效聲濃度參數(shù)與歸一化多項式擬合技術(shù)相結(jié)合，并將歸一化多項式擬合參數(shù)閾值設(shè)為0.94以檢測凝固區(qū)，多項式擬合有效聲濃度參數(shù)成像，如圖9所示.

2.2 凝固區(qū)檢測精度驗證

通過15例離體豬肝微波消融實驗(5例P=50 W、t=120 s；10例P=80 W、t=60 s)，對有效聲濃度成像的微波熱凝固檢測方法進行驗證. 微波消融結(jié)束后，將豬肝組織沿超聲探頭掃描平面切開，如圖10所示，測量并記錄豬肝組織剖面中凝固區(qū)的長軸a1和短軸b1，其面積為

Sπab/4

(10)

利用式(10)計算實際凝固區(qū)面積S1作為金標準. 利用消融結(jié)束瞬間超聲背散射信號估算有效聲濃度參數(shù)并成像，結(jié)合多項式擬合定量檢測凝固區(qū)，根據(jù)參數(shù)成像中凝固區(qū)的長軸a2、短軸b2及式(10)，得到凝固區(qū)面積的估計值S2. 將S1和S2代入

(11)

得到有效聲濃度參數(shù)成像檢測凝固區(qū)的精度(accuracy).

基于有效聲濃度成像技術(shù)的微波熱凝固檢測結(jié)果如表1、2所示. 通過2組共15例不同微波消融參數(shù)的離體肝臟實驗，表明有效聲濃度成像檢測微波消融凝固區(qū)的平均精度分別為91.44% (P=50 W、t=120 s)、85.01% (P=80 W、t=60 s)，總平均精度為87.15%.

表1 熱凝固檢測結(jié)果(P=50 W, t=120 s)

表2 熱凝固檢測結(jié)果(P=80 W, t=60 s)

3 討論

本文利用超聲散射子有效聲濃度成像技術(shù)檢測微波消融凝固區(qū)，通過離體豬肝微波消融實驗驗證了有效聲濃度檢測微波消融凝固區(qū)的可行性.

目前，熱消融超聲監(jiān)測技術(shù)主要分為2類：超聲彈性成像和定量超聲. 超聲彈性成像監(jiān)測熱消融的原理是凝固區(qū)的硬度高于未加熱組織[22-23]. 然而，當消融過程中產(chǎn)生加熱引起的氣泡時，與氣泡相關(guān)的信號會在凝固區(qū)的超聲彈性圖像中產(chǎn)生偽影[24-27]. 例如，氣泡效應(yīng)導(dǎo)致超聲信號衰減，致使超聲彈性圖像中凝固區(qū)邊界部分丟失[26]. 使用超聲彈性成像監(jiān)測凝固區(qū)時[24-25]，刻意采用較低加熱功率等手段，盡量避免產(chǎn)生汽化或氣泡，以免影響監(jiān)測效果，但臨床微波消融腫瘤時，氣泡往往不可避免. 因此，用超聲彈性成像技術(shù)監(jiān)測術(shù)中凝固區(qū)變化有一定困難.

聲學(xué)上，生物組織可建模為一系列散射聲波的微小粒子即散射子的組合. 定量超聲[28]從超聲背散射射頻信號中提取定量聲學(xué)參數(shù). 超聲散射子有效聲濃度成像是一種定量超聲參數(shù)成像技術(shù). 其他用于監(jiān)測熱消融的定量超聲方法包括超聲衰減系數(shù)[29-30]、包絡(luò)統(tǒng)計[21,31-32]、平均散射子間距(mean scatterer spacing, MSS)[33-35]和射頻信號超譜分析方法[36]. 超聲衰減系數(shù)監(jiān)測凝固區(qū)的原理是：在組織凝固性壞死和熱誘導(dǎo)氣泡的作用下，凝固區(qū)的超聲衰減系數(shù)高于未加熱組織[29-30]. 包絡(luò)統(tǒng)計分布模型監(jiān)測凝固區(qū)的原理是：熱誘導(dǎo)氣泡增加凝固區(qū)內(nèi)的散射子濃度，利用Nakagami模型的形狀參數(shù)m可檢測散射子濃度的變化[21,31-32]. MSS是相干散射子之間的平均間距[33]. 肝小葉通常被認為是肝臟組織的相干散射子. MSS監(jiān)測消融區(qū)的理論基礎(chǔ)是，熱效應(yīng)破壞了部分相干散射子的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致凝固區(qū)的MSS小于未加熱組織[33-35]. 超譜分析是通過射頻信號的多維譜分析得到熱療超聲視圖(thermotherapy ultrasonic view,TUV)，但TUV用于術(shù)中監(jiān)測凝固區(qū)會受到氣泡影響[36].

超聲散射子有效聲濃度成像監(jiān)測凝固區(qū)的原理是加熱引起氣泡增加凝固區(qū)內(nèi)的散射子濃度，因此具有術(shù)中監(jiān)測凝固區(qū)的潛力. 但目前散射子有效聲濃度技術(shù)尚未應(yīng)用于微波消融監(jiān)測，其檢測微波消融凝固區(qū)的可行性有待驗證.

本文實驗結(jié)果表明，有效聲濃度成像檢測15例離體豬肝微波消融凝固區(qū)的平均精度為87.15%，表明有效聲濃度可有效檢測微波消融凝固區(qū). 未來研究工作包括進一步改進方法以提供有效聲濃度成像的檢測精度，以及活體動物模型驗證.

4 結(jié)論

1) 采集15例離體豬肝微波消融超聲背散射射頻信號，利用背散射信號功率譜估算散射子有效聲濃度，進行有效聲濃度成像，結(jié)合多項式擬合技術(shù)，實現(xiàn)了凝固區(qū)的定量檢測.

2) 超聲散射子有效聲濃度成像能有效檢測離體豬肝微波消融凝固區(qū).