超聲剪切波頻散成像用于肝臟彌漫性病變研究進展

孫曉慧，崔立剛

(北京大學第三醫(yī)院超聲科，北京 100191)

近年來，超聲剪切波彈性成像技術日益成熟，具有無創(chuàng)、簡便及定量評估肝硬度等優(yōu)勢，可評估彌漫性病變肝臟的纖維化程度、指導慢性肝病治療并監(jiān)測預后[1]。目前大部分商用超聲彈性成像僅將肝臟視為純彈性體；但本質(zhì)上大部分器官及組織為黏彈性體，兼具彈性固體性質(zhì)和黏性流體性質(zhì)[2]，黏性亦為表征肝組織病理變化的重要參數(shù)[3]，反映組織的抗形變能力。超聲剪切波頻散(shear wave dispersion, SWD)成像可同時獲得肝臟黏性和彈性相關參數(shù)，定量評估其黏彈性。本文就SWD成像在肝臟彌漫性病變中的研究進展進行綜述。

1 超聲SWD成像原理

超聲剪切波彈性成像楊氏模量或彈性模量計算公式為E=3ρC2；其基本原理為介質(zhì)接受超聲波激勵后產(chǎn)生的剪切波速度與介質(zhì)彈性呈正相關，然而黏彈性體接受超聲波激勵后產(chǎn)生的剪切波傳播情況卻并非如此簡單。根據(jù)經(jīng)典Voigt模型[2,4-5]可推導出反映剪切波速度與剪切波角頻率、介質(zhì)彈性及黏性之間關系的公式(1)：

(1)

式中C(ω)為剪切波速度，ω為剪切波角頻率，μ為介質(zhì)彈性，η為介質(zhì)黏性，ρ為介質(zhì)密度。由該公式可知，黏彈性介質(zhì)中，剪切波速度不僅與介質(zhì)黏性和彈性有關，還與剪切波角頻率有關；剪切波在某種黏彈性介質(zhì)中傳播時，其速度隨頻率變化而改變，此為剪切波的頻散特性，其所致頻散現(xiàn)象與介質(zhì)黏性有關，純彈性介質(zhì)黏性為0，公式(1)可簡化為公式(2)，即剪切波速度與剪切波角頻率無關，故不存在頻散現(xiàn)象：

(2)

式中C(ω)為剪切波速度，μ為介質(zhì)彈性，ρ為介質(zhì)密度。采用超聲剪切波彈性成像需假設黏彈性體為純彈性體，即忽略剪切波的頻散特性，直接利用剪切波速度估算介質(zhì)彈性，故所得黏彈性組織彈性值與真實彈性值之間存在偏差，且無法準確評估組織黏性。超聲SWD成像可在一定程度上彌補上述不足。

1.1 剪切波頻散超聲振動(shear wave dispersion ultrasound vibrometry, SDUV)成像 SDUV成像技術[2-3,5]通過聲輻射力激勵組織產(chǎn)生諧波振動，并測量不同諧波頻率的剪切波速度，以觀察組織的頻散特性，可定量檢測組織黏性和彈性。SDUV成像的理論基礎為采用Voigt模型描述組織力學特征時，將不同頻率剪切波速度代入公式(1)，可擬合得到組織黏性和彈性系數(shù)[2-3]。目前 SDUV成像多用于離體研究[5]。已有的剪切波成像技術，如快速剪切波成像(supersonic shear imaging, SSI)[6]，為在體生物組織黏彈性的定量檢測提供了可能，其測量原理與SDUV成像類似。多數(shù)研究采用Voigt模型描述生物組織的黏彈性特征，但由于生物組織的復雜性，難以適當選擇力學模型。

1.2 超聲SWD成像 Canon Aplio i系列超聲儀可利用剪切波的頻散特性實現(xiàn)SWD成像，定量測量剪切波傳播速度和剪切波頻散斜率(shear wave dispersion slope, SWDS)，其中前者用于計算組織彈性，后者則間接反映組織黏性，且無需依賴力學模型[7-8]。超聲SWD成像通過檢測不同頻率的剪切波傳播速度獲得剪切波速度-頻率曲線(圖1)，其斜率為剪切波頻散值，與介質(zhì)黏性呈正相關；即剪切波頻散效應隨介質(zhì)黏性增加而加強，故剪切波頻散值可間接反映組織黏性[8-9]。因此，Canon Aplio i系列超聲SWD成像本質(zhì)上為SWDS成像。

圖1 Voigt黏彈性模型中剪切波速度與頻率關系曲線圖 純彈性組織中剪切波速度恒定，與頻率無關；而黏彈性組織中剪切波速度隨頻率變化而改變

1.2.1 操作方法 檢查前患者至少禁食4 h。檢查時囑患者仰臥、右臂上抬置于頭頂，將探頭置于其右上腹，避開肋骨聲影、血管、韌帶、膽囊及囊腫等局灶性病變而獲得最佳灰階圖像；之后囑患者于平靜呼吸狀態(tài)下屏氣，設置取樣框3 cm×3 cm、上緣距肝被膜至少1 cm，通過“Multi模式”獲取實時連續(xù)剪切波圖像后凍結回放，亦可通過“1 shot模式”于圖像穩(wěn)定時采集單幀圖像后凍結；隨后采用四屏同步模式(圖2)，于圖像上距探頭5 cm范圍、剪切波傳播圖相對規(guī)則平行區(qū)域內(nèi)勾畫直徑10 mm的圓形ROI，測量剪切波彈性值和頻散值，重復10次，取中位數(shù)，評估肝臟彈性和黏性。測量結果滿足四分位數(shù)間距/中位數(shù)<0.30時為可靠數(shù)據(jù)。

圖2 肝臟Canon Aplio i900超聲SWD成像 A.剪切波彈性圖； B.剪切波傳播圖； C.二維灰階圖； D.剪切波頻散圖

1.2.2 參考值 TROUT等[10]采用Canon Aplio i800超聲儀檢測無肝病史的128名兒童與32名成人肝臟剪切波頻散值，發(fā)現(xiàn)兒童和成人肝臟剪切波頻散值范圍分別為(11.43±1.75)m/(s·kHz)和(10.24±1.65)m/(s·kHz)。由于該研究未能排除患有潛在肝臟疾病的受試者，且樣本量較小，所得參考值代表性不佳。

1.2.3 可重復性 YOO等[11]發(fā)現(xiàn)Canon Aplio i系列超聲SWD成像檢測非酒精性脂肪性肝病患者與正常人肝臟剪切波頻散值具有良好的觀察者內(nèi)(ICC=0.955)和觀察者間一致性(ICC=0.800)。

2 超聲SWD成像用于肝臟彌漫性病變

肝臟彌漫性病變指各種原因所致肝實質(zhì)、纖維結構及脈管系統(tǒng)變性或損害，包括各型肝炎、脂肪肝、肝纖維化、肝硬化、肝淤血、肝寄生蟲病及其他罕見肝臟疾病等[12]。目前超聲SWD成像評估肝纖維化、脂肪變性及炎性壞死等尚處于初步探索階段。

2.1 評估肝纖維化 大量臨床研究已證實可根據(jù)肝臟彈性對肝纖維化進行有效分期，而肝臟黏性能否用于評估肝纖維化程度目前尚不明確。有學者[13]采用MR彈性成像(MR elastography, MRE)檢測肝纖維化大鼠模型，發(fā)現(xiàn)其肝臟黏性和彈性參數(shù)均與肝纖維化程度有關，這意味著除肝臟彈性外，肝臟黏性亦可為肝纖維化分期提供有效信息。CHEN等[13]采用SDUV成像觀察大鼠肝臟黏彈性與肝纖維化的相關性，發(fā)現(xiàn)肝臟黏性和彈性均隨肝纖維化程度加重而增加，且肝臟彈性診斷不同分期肝纖維化的曲線下面積(area under curve, AUC)均高于黏性，即采用肝臟彈性對肝纖維化進行分期的準確性高于黏性。在此基礎上，CHEN等[14]采用SDUV成像檢測各種病因慢性肝病患者，并評估其肝臟黏彈性對肝纖維化分期的價值，結果顯示肝臟彈性和黏性診斷≥F2期肝纖維化的AUC分別為0.98和0.86，表明肝臟彈性診斷≥F2期肝纖維化的準確性高于黏性，且多因素分析發(fā)現(xiàn)肝臟黏性與肝纖維化分期無顯著相關性，與上述研究[13-14]結果基本相符。

2.2 評估肝脂肪變性 BARRY等[15]基于SDUV成像技術，利用剪切波的頻散特性觀察小鼠和大鼠肝臟力學特征，發(fā)現(xiàn)肝脂肪含量增加可導致剪切波頻散增加，提示肝臟黏性有望成為評估肝脂肪變性程度的新指標。DEFFIEUX等[16]以病理結果為金標準，觀察以肝臟黏性預測120例慢性肝病患者肝纖維化、脂肪變性和炎性壞死程度的準確性，發(fā)現(xiàn)肝臟黏性雖與肝纖維化程度有關，但與脂肪變性和炎性壞死程度無關。NIGHTINGALE等[17]納入135例非酒精性脂肪性肝病患者，分析肝臟SWDS即剪切波頻散值對脂肪性肝病的診斷價值，發(fā)現(xiàn)其診斷≥S2期肝脂肪變性的AUC僅為0.47，即肝臟黏性與其脂肪變性程度無明顯相關性，無法用于評估非酒精性脂肪性肝病脂肪變性程度。上述臨床研究結論與動物實驗結果相悖的原因可能在于動物模型基本條件一致、病理改變相對單一，而肝病患者病因、病程、疾病管理及干預等方面均不相同；還可能與檢查方法不同有關。目前仍未確知肝臟黏性能否用于評估肝脂肪變性程度。

2.3 評估肝炎性壞死 SUGIMOTO等[18]建立肝炎性壞死和纖維化大鼠模型，以Canon Aplioi系列超聲SWD成像技術進行觀察，發(fā)現(xiàn)大鼠肝纖維化程度與肝臟彈性相關，而炎性壞死程度與SWDS即肝臟黏性顯著相關，提示根據(jù)肝臟彈性可有效預測其纖維化程度，黏性則能有效預測炎性壞死程度。LEE等[7]將這種SWD成像技術用于肝移植術后患者，發(fā)現(xiàn)移植術后肝損傷組患者肝臟彈性和黏性均高于無損傷組；僅肝纖維化程度可影響肝臟彈性，而肝纖維化和炎性壞死程度均能影響肝臟黏性；肝臟黏性和彈性診斷肝損傷的AUC分別為0.86和0.75，即肝臟黏性診斷肝移植術后肝損傷效能較佳。SUGIMOTO等[19-20]發(fā)現(xiàn)肝臟黏性評估非酒精性肝病炎性壞死分級具有較高準確性。de ARAUJO NETO[21]指出，肝纖維化可能為影響其炎性壞死程度與黏性之間相關性的混雜因素。對于肝臟黏性與其炎性壞死和纖維化程度的相關性及其評估肝移植術后肝炎復發(fā)和排斥性反應等的潛在應用價值尚需進一步觀察。

3 小結

超聲SWD成像為評估肝臟彌漫性病變提供了新視角。黏性可能為反映肝臟不同病理狀態(tài)的有效參數(shù)，其在評估肝纖維化分期、脂肪變性及炎性壞死程度等方面的價值值得期待。開展大樣本、多中心臨床研究探索超聲SWD成像的應用價值可為后續(xù)推廣奠定基礎。