超声波数域衰减系数评估早期肝纤维化在体实验初步研究

丁腾云，邱文倩，王亚丹，张嘉靖，郑驰超，张超学

肝脏穿刺活检病理诊断是目前诊断肝纤维化的“金标准”，但临床应用依然受到取样误差、出血风险、患者依从性低等因素限制[1-2]。肝活检的局限性引起许多研究者开发非侵入性的肝纤维化诊断方法，超声弹性成像在判断中晚期肝纤维化具有较高的准确度，对早期肝纤维化诊断依然不容乐观[3]。最近的研究[4-7]使用组织结构声学定量技术评估肝纤维化，研究显示这种技术有利于早期肝纤维化的临床诊断。有研究者对不同肝纤维化的人类肝脏组织标本进行离体实验，测试他们区分各肝纤维化分期的能力，取得了较好的结果[5-8]。该研究使用临床获取的在体肝脏超声波束形成后射频(post-beamforming radio frequency，PRF)数据，提出一种波数域衰减系数(wavenumber domain attenuation coefficient，W-AC)方法，对比W-AC与肝纤维化组织学评分之间的关系，分析W-AC在体实验中对早期肝纤维化判断能力。

1 材料与方法

1.1在体波数域衰减系数计算方法与离体的单阵元回波信号处理的方法不同，该在体研究使用超声成像系统对临床采集的患者的PRF数据进行处理。如图1所示，临床常规超声检查使用传感器阵列发射超声信号，信号经人体皮下组织、肌肉组织、肝包膜等达到肝脏。为了计算肝实质对超声信号的衰减而排除肝脏以外组织的影响，该研究提出以浅层肝组织回波信号为参考信号(图1中白色实线框)，基于一定深度肝组织[见图1中白色虚线框，即感兴趣区域(region of interest，ROI)]的波数域衰减系数测量方法。

图1 在体超声检查采集肝脏回波数据示意图白色实线框：选取的近场参考区域；白色虚线框：ROI区

假设探头阵面的幅度谱为Ps(k)，参考信号的幅度谱为Pr(k,z)，超声发射信号经皮肤、肌肉等组织到达参考信号的区域的衰减系数设为α1(k)，超声回波信号从参考区域经肌肉等组织到达传感器阵列的衰减系数设为α1(k)，探头阵面到参考区域的距离是d1，则超声信号到达参考区域然后返回至传感器阵元过程中的衰减可表达为： 20[log10Ps(k)-log10Pr(k,z)]=α1(k)·d1+α1(k)·d1(公式1)。同样，设信号经参考区域之后在无血管肝实质中均匀衰减，衰减系数为α2(k)，感兴趣区域的超声回波信号幅度谱是Pt(k,z)，将ROI按深度分为段，每段长度为Δd，则超声信号到达ROI然后返回至传感器阵元过程中的衰减可表达为：20[log10Ps(k)-log10Pt(k,z)]=α1(k)·d1+α2(k)·2(d2+Δd·n)+α1(k)·d1(公式2)。设参考区域(实线框)与感兴趣区域(虚线框)之间的距离是d2，由公式1和公式2得到超声信号经过参考区域与感兴趣区域之间的肝实质后的衰减A(k)为：

A(k)=20(log10Pr(k,z)-log10(Pt(k,z))

=α2(k)·2(d2+Δd·n)

(公式3)

从公式3可以看出，A(k)的计算与α1(k)和α1(k)无关，并且当被测目标的d2+Δd·n设为相同时，A(k)可以反映α2(k)，不同肝纤维化分期的肝组织对应α2(k)的不同，通过对A(k)的测量即可得到不同肝纤维化分期的肝实质对超声的衰减情况，从而可以得到衰减系数与肝纤维化分期的关系，由此可见，以每个实验对象自身的浅层肝组织作为参考信号的波数域衰减系数方法，在计算肝实质对超声信号的衰减时，可以不受肝脏以外分布不均匀的组织的影响，可消除或减少在不同人之间计算肝组织衰减时，由于表层组织分布不同而带来的差异性，使计算结果更稳定性。因此可将该方法应用于临床实验中对在体肝脏测量超声衰减。

1.2实验设备及数据来源使用的仪器为VINNO70彩色多普勒超声诊断仪(VINNO70 Diagnostic Color Doppler Ultrasound System，VINNO70 DCD )，X4-12L线阵探头，中心频率为10 MHz，成像深度6 cm,焦点设在3 cm处，能够输出所有实验对象的PRF数据。该研究的所有数据来自于安徽医科大学第一附属医院，参与者为慢性乙型肝炎患者并拟行肝脏穿刺活检，研究项目获得医院伦理委员会批准，向所有参与者阐述研究原理、内容、风险等，并签署知情同意书。所有参与者首先完成肝脏常规灰阶超声检查，并采集PRF数据；根据PRF数据采集点定位，超声检查后2 h内行肝脏穿刺活检；累计成功搜集完整数据共计36例，其中S0期14例、S1期13例、S2期9例，所有PRF数据、肝脏活检病理纤维化分期进行对比统计分析。

1.3实验数据处理使用MATLAB2013a对所有PRF数据处理，设计的数据处理步骤如下：① 如图2所示为肝脏的超声图像，在肝包膜下，取长度0.2 cm左右，宽度100条扫描线的图像区域(图2中的白色虚线框)的PRF信号作为参考信号；② 在参考区域以下0.5 cm(即d2=0.5 cm)，取深度为1 cm，宽度100条扫描线的区域作为感兴趣区域(图2中的白色实线框)；③ 根据公式3计算肝实质对超声信号的衰减。取Id=0.1 cm，n=10，计算经过1 cm肝实质超声信号的衰减。图3是图像中一条扫描线的PRF信号，图4是选取的一段参考信号，图5参考信号傅里叶变换。

图2 MATLAB2013a取样分析示意图白色虚线框：参考区域；白色实线框：ROI；白色箭头：肝包膜

图3 PRF信号

图4 参考信号

图5 参考信号傅里叶变换

2 结果

36例参与者病理分期分别为S0期14例，S1期13例，S2期9例，其衰减系数分别为(0.090 4±0.018 7)、(0.126 7±0.025 1)、(0.141 1±0.031 0)，随着肝纤维程度增加，肝脏波数域衰减系数呈增高趋势，如图6所示。肝脏波数域衰减系数与肝纤维化分期具有较好相关性，随着肝纤维化阶段(S0、S1、S2)的递增，衰减系数依次增大，组间比较差异有统计学意义(F=264.63，P<0.05)，Spearman相关分析表明衰减系数与肝纤维化分期有关(rs=0.939，P<0.05)。

3 讨论

在这项研究中，笔者提出波数域衰减系数来表征肝组织的声学特性，探索该方法对在体肝脏评估早期肝纤维化(S0、S1、S2)的能力。该研究结果显示在图6中，三个肝纤维化分期总的动态范围(最小值和最大值之差)是0.058～0.196，W-AC在各纤维化分期的动态范围分别是：S0期0.057 9～0.108 6；S1期0.106 3～0.196 3；S2期0.103 4～0.188 7，中位数和平均值均随肝纤维化分期增加而逐渐增大，依次是0.098 0和0.090 4，0.115 9和0.126 7，0.139 7和0.141 1。正常肝组织均匀性较好，声阻抗差异较小，因此肝组织对超声信号的衰减较小，随着肝纤维化分期的增加，肝脏内的纤维化组织沉积增加，导致肝组织均匀性变差，声阻抗的差异变大，因此对于超声信号的衰减会变大。

图6 参与者衰减系数分布图

在声学参数评估肝纤维化的研究中目前尚缺乏临床应用的研究，因此该研究将高频探头及PRF声学参数方法应用于临床评估肝纤维化。该文提出波数域衰减系数方法，可适用于常规B超检查获取的PRF数据，它最突出的优点是，选取浅层肝组织对超声的回波信号作为计算衰减的参考信号，使测量结果不受肝脏之外组织差异的影响，仅与测量距离和超声信号的衰减有关，另外算法简单易于实现，能方便与超声检查系统兼容。

在实验数据采集过程中，常规B超检查获取PRF数据时，为获得真实的回波信号，不使用TGC增益补偿，尽量全部对肝实质成像，避免成像区域内的血管、胆管等组织的出现。在实验数据处理过程中，为了尽可能减少对计算结果有影响的因素，在数据处理时，选择肝包膜在图像内显示较为水平的数据进行处理，另外在图像中选取参考信号和感兴趣区域时，对所有数据选取肝包膜以下相同深度的肝组织，使得到的衰减系数结果完全体现的是肝实质对超声信号的衰减。

该研究在相关离体研究[6-9]基础上，提出了一种基于PRF数据处理计算超声衰减的新方法，即波数域衰减系数，以应用于在体实验研究，初步研究结果显示该在体实验方法具有诊断或区分早期肝纤维化(S0、S1、S2)的潜力。中晚期肝纤维化灰阶超声易于识别，因此，该方法能够对常规超声无法识别的早期肝纤维化提供有价值的诊断信息。当然，该研究是对该方法学进行了初步探索，存在样本量有限、参数单一等不足，因此，未来的工作将会探索方法学的改进和增加样本量，进一步探索该方法的可行性及效能。