超声弹性成像在宫颈癌筛查中的应用研究进展

李桐,王建东

首都医科大学附属北京妇产医院妇瘤科,北京1000100

宫颈癌是中国第二大妇科恶性肿瘤,每年约有10万新发病例[1].目前,宫颈癌的筛查以"三阶梯"模式(细胞学-阴道镜-病理活检)为基础,但是液基薄层细胞学检查(thinprep cytologic test,TCT)的结果受读片水平、取材方法等多种因素影响.相关研究表明,TCT的准确率仅有70%～80%,因此提高宫颈癌筛查的检出率十分必要[2].

超声弹性成像由Ophir等[3]在1991年首次提出,其原理为与正常组织相比,病变组织的物理属性(硬度)会发生改变,在受到外力压迫或声波脉冲后组织发生不同程度的变形,仪器获取组织变形参数后将其编码成不同颜色间接反映组织硬度差异,从而判断病变的良恶性[4].超声弹性成像技术按激励方式的不同可以分为静态/准静态压缩的弹性成像(又称准静态弹性成像)、辐射力振动成像、剪切波弹性成像、血管弹性成像和心肌弹性成像[5].目前,在宫颈癌筛查中应用最多的是准静态弹性成像和剪切波弹性成像.

1 准静态弹性成像和剪切波弹性成像的原理

1.1 准静态弹性成像原理

准静态弹性成像又称实时组织弹性成像(realtime elastography,RTE)[6-8],即通过对组织施加压力使组织产生位移,再用仪器测量其位移绘制出图像.每种生物组织都有其特异的弹性系数,弹性系数是评价组织硬度的一个指标.弹性系数大,受压后产生的位移小,则组织硬;相反,弹性系数小,受压后产生的位移大,则组织软.不同组织的弹性系数不同,同一组织在不同病理状态下的弹性系数也不同.因此,通过对弹性系数的测量,可以反映组织硬度的变化,进而判断是否发生病变.

1.2 剪切波弹性成像原理

剪切波弹性成像是近年来新研究的一种通过声辐射作用于组织的技术,通过探头发射脉冲在组织不同深度聚焦产生"马锥赫效应",引起组织位移产生横波也称为剪切波.不同组织的硬度不同,其剪切波传播的速度也不同,测量剪切波的传播速度,将其转化为杨氏模量值(E=3pc2,E表示杨氏模量值,p表示组织密度,c表示组织剪切波传播速度)并记录.杨氏模量值是反映组织硬度的指标,杨氏模量值越大,表明组织越硬;相反,杨氏模量值越小,表明组织越软.因此,可以通过比较不同组织杨氏模量值的大小来判断组织的硬度.采用相关软件将杨氏模量值编码成弹性彩图,可以更直观地判断组织的软硬程度.目前,剪切波弹性成像应用最多的两种成像方法为实时剪切波弹性成像和超高速剪切波弹性成像.

1.2.1 实时剪切波弹性成像原理 实时剪切波弹性成像与声辐射冲击成像、声触诊组织量化的区别在于其可获得感兴趣区(region of interest,ROI)内最大杨氏模量值、最小杨氏模量值和平均杨氏模量值,从而避免对ROI内的组织硬度一概而论,减少误差.实时剪切波弹性成像不仅能够测量局部宫颈组织的硬度,还能够整体评价宫颈组织的硬度,对可疑病变部位组织重新测量剪切波的传播速度,可以降低误诊率.

1.2.2 超高速剪切波弹性成像原理 超高速剪切波弹性成像是最新的声辐射冲击成像技术,其与实时剪切波弹性成像类似,即通过杨氏模量值和弹性彩图反映组织硬度,但超高速剪切波弹性成像的声辐射脉冲更强,超声波在组织中以平面波传播,并在组织不同深度连续聚焦,提高了剪切波的传播速度和时间图像的分辨率,弹性图像帧频达到每秒20 000帧,使图像更清晰,颜色分辨更明确[9].由于超高速剪切波弹性成像拥有更好的计算机图形处理器和更快的中央处理运算速度,因此该技术刚刚兴起便有研究者将其应用于宫颈癌的筛查[10].

2 准静态弹性成像和剪切波弹性成像在宫颈组织中的评价方法

2.1 准静态弹性成像的评价方法

目前准静态弹性成像在宫颈癌筛查中主要有两种评价方法,分别为弹性评分法和应变率比值法.

2.1.1 弹性评分法 用超声探头轻压宫颈表面,至压力指数为3～4时,持续3～4秒,待颜色完全充填ROI后获得图像.宫颈组织受压产生相应的位移,仪器获取其位移量,通过软件编码成红绿蓝三色,形成超声图像,医师根据颜色分布做出诊断.相关研究表明,正常宫颈组织硬度中等,超声图像呈绿色;妊娠末期成熟宫颈组织较软,超声图像呈红色;宫颈恶性肿瘤组织较硬,超声图像呈蓝色[11].根据Thomas等[12]提出的宫颈弹性图像5级法对弹性图像进行评分:1分表示正常,表现为区域中2/3呈绿色,1/3呈红色,极少呈蓝色,宫颈管线清晰,无蓝色区域;2分表示基本正常,表现为区域中2/3呈绿色,1/3呈红色和蓝色,宫颈管线清晰,局灶性蓝色区域伴有其他颜色;3分表示交界状态,表现为区域中2/3呈绿色,1/3呈红色和蓝色,宫颈管线基本可见,伴局部蓝色区域;4分表示大致异常,宫颈中蓝色多于红色,宫颈管线中断,存在可疑蓝色区域,突出宫颈轮廓;5分表示异常,蓝色区域最大,宫颈管线中断,蓝色区域边缘清晰可见,突出宫颈轮廓.

2.1.2 应变率比值法 应变率比值法是体现组织在压力下变形速率的度量方法,应变率越大提示压力下组织变形越快、组织弹性越好.在宫颈组织中选择一块RO(I可疑病变区域),同时选择一块正常宫颈组织区域作为对照,分别测量两个区域的应变率,然后计算两个区域的应变率比值[应变率比值=应变率正常宫颈组织区域/应变率ROI],该比值越大提示ROI组织相较于正常宫颈组织的硬度越大.以灵敏度为纵坐标,1-特异度为横坐标绘制受试者特征曲线,选取曲线上真阳性率最高且假阳性率最低点作为宫颈良恶性病变的截断值,计算值≥该截断值则判断为宫颈恶性病变.

2.2 剪切波弹性成像的评价方法

剪切波弹性成像仅有1种评价方法,即杨氏模量值评价法.该方法通过比较杨氏模量值的大小和观察弹性彩图的颜色来判断宫颈组织的硬度.弹性彩图中蓝色表示组织较软,绿色表示组织硬度适中,红色表示组织较硬,该彩色编码与弹性评分法彩色编码软硬颜色正好相反.

剪切波弹性成像与准静态弹性成像的区别在于剪切波弹性成像为定量分析,剪切波测量更准确,杨氏模量值的大小可以客观反映组织间硬度的差异;而准静态弹性成像评分法为定性分析,应变率比值法是半定量分析.因此,剪切波弹性成像的准确度更高.

3 准静态弹性成像和剪切波弹性成像在宫颈癌筛查中的应用

3.1 准静态弹性成像在宫颈癌筛查中的应用

近年来,准静态弹性成像被广泛应用于乳腺癌、甲状腺癌、前列腺癌等恶性肿瘤的诊断研究中[13-16].目前,准静态弹性成像是超声弹性成像在宫颈癌筛查研究中应用最多的一种研究方法.多数研究者将弹性评分≥3分作为宫颈癌的诊断标准[17-20],但也有部分研究者将弹性评分≥4分作为宫颈癌的诊断标准[21-22].李欣欣[19]研究显示,将超声弹性成像评分≥2分作为截断值,宫颈癌诊断敏感度为100%(50/50),但特异度仅为64.0%(64/100);将超声弹性成像评分≥4分作为截断值,宫颈癌诊断特异度为100%(100/100),但敏感度仅为62.0%(31/50);将超声弹性成像评分≥3分作为截断值,此时宫颈癌诊断的敏感度和特异度分别为94.0%(47/50)、91.0%(91/100).岳馨等[20]研究发现,将超声弹性成像评分≥3分作为截断值,宫颈癌诊断的敏感度达95.24%(40/42),特异度达90.48%(38/42).而刘宏等[23]研究发现,正常宫颈组弹性评分87.5%为1级,慢性宫颈炎组弹性评分82.3%为2～3级,宫颈上皮内瘤样病变(cervical intraepithelial neoplasia,CIN)组弹性评分83.9%为2～3级,宫颈癌组弹性评分85.4%为4～5级.该研究将弹评分≥4分作为宫颈癌的诊断标准,而正常宫颈组织、慢性宫颈炎和CIN三者之间不能区分.

多数研究者认为,准静态弹性成像能够有效区分宫颈癌与宫颈良性病变及CIN,但是不能区分CIN与宫颈良性病变[24].但是也有研究显示,准静态弹性成像能区分CIN组与正常对照组[4].林晓明[4]研究发现,正常宫颈弹性评分多为1分、CIN弹性评分多为2～3分,早期宫颈癌弹性评分为4～5分,且三者之间弹性评分比较,差异均有统计学意义(P<0.01);同时该研究认为,应用应变率比值法评价宫颈癌前病变时,CINⅠ、CINⅡ的应变率与CINⅢ比较,差异均有统计学意义(P<0.05),但CINⅠ的应变率与CINⅡ比较,差异无统计学意义(P=0.377).

3.2 剪切波弹性成像在宫颈癌筛查中的应用

剪切波弹性成像是一种定量评价方法,其广泛应用于甲状腺疾病、乳腺疾病、宫颈疾病和肾脏疾病等研究.相关研究表明,正常宫颈前后壁的剪切波弹性成像杨氏模量值比较,差异无统计学意义(P>0.05),且杨氏模量值不随女性年龄、生理周期和绝经情况的变化而改变[25].由于正常生理状态不会导致剪切波弹性成像杨氏模量值的改变,因此杨氏模量值的异常能更好地反映宫颈病变的病理状态.魏珊等[26]研究发现,超高速剪切波弹性成像应用于宫颈癌前病变及宫颈浸润癌诊断时,宫颈癌组的杨氏模量值与CIN组、正常对照组比较,差异均有统计学意义(P<0.05),但CIN组的杨氏模量值与正常对照组比较,差异无统计学意义(P>0.05).

3.3 准静态弹性成像与剪切波弹性成像的比较

准静态弹性成像为定性或半定量研究方法,而剪切波弹性成像为定量方法,能更客观地反映宫颈组织硬度,因此剪切波弹性成像在原理上更客观.准静态弹性成像人为施加压力和阅读彩色图像时会产生主观影响,而剪切波弹性成像不存在主观影响,因此结果比准静态弹性成像更准确.

剪切波弹性成像不仅仅反映宫颈某一点组织的硬度,而是反映宫颈整体的硬度.通过获得ROI内最大杨氏模量值、最小杨氏模量值和平均杨氏模量值,可以综合分析宫颈部位的病变,而准静态弹性成像做不到如此精准.鲁蓉和肖萤[27]的研究认为,应用准静态弹性成像技术测量宫颈组织时若宫颈癌病灶中出现出血坏死灶,宫颈组织对压力和压放频率的感受会被液化部分影响,出现假阴性结果;若病灶中出现钙化灶则会出现假阳性结果.而剪切波弹性成像能通过综合评价宫颈组织硬度,对于可疑病灶部位反复测量,不局限于准静态弹性成像对某一图像显色的判断,可以降低误诊率.

研究发现,准静态弹性成像和剪切波弹性成像均能显示病灶范围,为宫颈癌活检定位,但准静态弹性成像较剪切波弹性成像能更精准地显示病灶边界[28].徐明等[29]研究认为,剪切波弹性成像比准静态弹性成像对肿瘤边缘的判断更精确.

超声弹性成像技术不能区分CIN与宫颈良性病变的原因可能为CIN的异型细胞仅存在于上皮层并未突破基底膜浸润间质,而宫颈癌组织中肿瘤细胞在间质内形成团块状或网状使组织硬度增加更明显.但也有研究认为,CIN的异型细胞虽未突破基底膜,但是其平滑肌细胞的异型性变理论上会引起组织弹性系数的改变,因此需要大样本量的进一步研究[30].以上研究表明,超声弹性成像技术在CIN中的应用仍需进一步深入研究.

鲁蓉[2]的研究认为,准静态弹性成像应变率比值法应用于宫颈癌筛查时,其准确率高于TCT.因此,准静态弹性成像应用于宫颈癌筛查的研究是很有意义的.大量研究显示,超声弹性成像技术可用于判断肺癌患者是否存在颈部淋巴结转移[31-34].周春华等[35]研究认为,超声弹性成像可用于诊断乳腺癌腋窝淋巴结的转移情况.史俊妮等[36]研究发现,超声弹性成像技术可用于鉴别恶性淋巴瘤和转移性淋巴癌.目前已有大量研究显示,超声弹性成像技术可用于诊断多种肿瘤淋巴结转移情况,但是尚无关于宫颈癌淋巴结转移的研究[37-39].因此,可以开展超声弹性成像技术在宫颈癌淋巴结转移的诊断研究,超声弹性成像技术不仅可以应用于宫颈癌筛查,也可能辅助判断宫颈癌的分期.

4 小结

超声弹性成像可以通过对宫颈组织施加外力或发射声波脉冲的方式,使宫颈组织形变产生位移或剪切波.通过测量宫颈组织位移量和剪切波传播速度编码成彩色图像反映宫颈病变状态.准静态弹性成像和剪切波弹性成像在宫颈癌病变诊断研究中均具有筛查作用,但剪切波弹性成像比准静态弹性成像更加准确.超声弹性成像技术在宫颈癌筛查、病灶边缘判定和淋巴结转移中均具有诊断作用,然目前尚无统一的诊断标准,需要更进一步的研究.