超分辨率超声微血流成像研究进展

应育娟，郑元义，蔡晓军

(1.重庆医科大学附属第二医院超声科，重庆 400010；2.上海交通大学附属第六人民医院超声科，上海 200233)

微循环指微动脉与微静脉之间的血液循环，反映局部细胞和组织氧化代谢情况[1]。癌症、糖尿病及动脉粥样硬化等疾病均与微循环密切相关[2]。受限于分辨率，MRI及PET无法用于检测微米级微循环。激光共焦显微术、光学相干成像及正交偏振光谱成像技术等能获得较高分辨率的微循环图像，但其临床应用受设备昂贵、稳定性欠佳等缺点限制，尤其危重症患者的微循环成像[3]。超声具有实时、便携、经济、无创等优势，超声造影可对血管及血流进行评估。但超声波在远场面临着基本的衍射极限，即波在两个物体之间传播时，只有当它们之间的距离超过半个波长时才能被区分开。而微循环系统血管直径往往<100 μm，最小的毛细血管直径则<10 μm，因此，由于分辨率的限制，目前临床常规超声造影无法观察微血管网络结构的细节[3]。利用提高采集频率、应用近场成像方式可提高超声成像分辨率；但多数器官距离探头深度较大，近场超分辨率方法难以应用[2，4]。超声超分辨率微血流成像(Ultrasound super resolution microcirculation imaging, USRMI)可在超分辨率水平下行微循环系统成像，改善了临床对微血管系统的认识及疾病诊疗。本文对USRMI在医学领域的研究进展进行综述。

1 USRMI概述

早期超分辨率超声仅能基于手动追踪单个微气泡的超声信号[5-6]而显示其运动轨迹、向量、速度等参数，不能对大量血管内微泡进行追踪以实现超分辨率成像[5，7]。2015年，ERRICO等[8]以超快帧频显示移动的微泡信号，通过追踪其移动轨迹实现了大鼠大脑微循环λ/10亚波长空间分辨率超分辨率成像；CHRISTENSEN-JEFFRIES等[9]则利用微气泡成功显示小鼠耳部微血管系统。其后人工智能及超声成像技术的发展，使得自动追踪超声视野下所有微气泡成为可能，推动了超分辨率血流成像技术的发展[4,10-12]。目前USRMI已可对大量注入的微泡逐一进行定位、跟踪，对距离<半个波长的两个物体进行成像，由此实现直径为数十微米的微小血管成像，不仅能超分辨率显示微血流及微循环整体情况，解决了显示微血管网络细节的难题，还可用于测量微血流速度、向量、分布、血管形貌(如扭曲度等指标)及其直径等，成为研究微血流的有力工具[2,12]。

USRMI一般遵循以下步骤进行：①注射低(<106个微泡/ml)或高浓度(>108个微泡/ml)微泡造影剂；②以传统[1,9,13]或超快帧频[8,14-15]采集视频，并行运动校正[14,16-18]；③分离微泡信号；④以在射频信号或波束成形图像中定位每个微泡质心的位置；⑤追踪确定微泡在微血管中的路径；⑥分析微泡密度和速度矢量等信息；通过定位微循环系统中流动的单个微泡并逐帧分析、计数获得超声超分辨率超声图像的时间-微泡计数曲线，评估组织灌注和微血管血流情况[19]。

目前USRMI成像虽已突破衍射极限，但各项研究[8,12-13]所获图像分辨率仍存在差异。创建超分辨率图像所需帧频对于USRMI十分重要。采用常规帧频和超快帧频可获得亚波长分辨率图像。常规帧频可用于定位跟踪稀释造影剂，但微血管数量庞大，感兴趣区域大小不一，如果需要定位的微泡数量较多，视频循环时间可长达数十分钟甚至数小时[12]。为及时采样和识别2个相邻微泡的轨迹，对高速度血流必须采用高帧频，即便对于低速血流，高帧频的跟踪效果亦较常规帧频更佳[4,20]；但目前用于临床的多数超声系统不具备可满足USRMI需要的高帧频，使得USRMI的临床应用存在一定困难。为实现临床转化，可采用运动模式进行USRMI，但存在局限性：①成像时间较长，且需大量帧频以捕获更多气泡在血管中的流动轨迹；②为排除呼吸所致运动伪影，处理过程中会丢失20%～30%的帧频[14]；③更高帧频带来大量图像，所需处理时间长，难以实现实时显示，需在图像质量与处理图像时间之间寻找平衡点[20]。

2 USRMI应用研究进展

USRMI不仅能作为诊断手段提供深部组织的生理和病理过程的微观信息[19]，极大地加深对于微血管系统的认识，还能利用纳米级相变造影剂或普通造影剂信号波动而实现精准治疗[1-2]。

2.1 生理状态下微血流成像 孙幼屏等[21-22]将超声造影技术用于犬肝、肾、心脏微循环成像，获得正常状态下微循环血流速度，并分析血流方向和状态。ERRICO等[8]采用超高帧频实现了多微气泡追踪，可测量一定范围的血流速度。研究[9]表明USRMI可显示直径<20 μm的微血管。ZHU等[23]利用声学子孔径处理技术对兔腘窝淋巴结微循环结构进行三维超声超分辨率成像，显出USRMI具有检测淋巴结的潜力。

对于腹部成像，由于体内多数组织运动轻微，生理搏动甚至局限于数十微米和毫秒范围内，追踪微循环中的流动微泡时，即便是经验丰富的临床医师也可能出现检测误差[4，20]，需要高帧频系统、采集持续数分钟和精确运动补偿方案加以支持[13,16]；但运动纠正会造成部分帧频信息缺失，且对平面外的运动无法纠正。KANOULAS等[12]采用3 MHz线阵探头、帧频12～13 Hz对8只正常羊的10个卵巢血管进行USRMI，测得最窄血管直径(55±10)μm，并将血管直径和黄体区域、滤泡区域及滤泡壁厚度测值分别与光学相干断层成像、光学投影层析及病理结果进行比较，发现光学相干断层成像、光学投影层析部分测量结果比USRMI偏小，而USRMI测值与光学相干断层成像的一致性较好。FOIRET等[16]应用6.9 MHz探头、帧频300 Hz对正常大鼠肾脏行USRMI，显示肾脏解剖结构良好，并获得了局部血流量测值。SONG等[17]以8 MHz探头采集兔肾脏USRMI，采用时空非局部均值滤波和二部图，提高了图像质量和测量血流速度的准确性。KIERSKI等[24]应用超谐波技术行兔肾脏USRMI，成功显示了直径20 μm的微血管。上述研究表明，USRMI可为观察血管结构和局部血流提供可靠的定量信息。

2.2 病理状态下微血流成像

2.2.1 代谢性疾病 高血压、高胆固醇血症和糖尿病均可导致毛细血管密度稀疏、剩余毛细血管功能障碍、血流通过受限[25]，可能导致血管支架植入术后再狭窄，或低血流量增加支架内血栓形成风险[25]。改善毛细血管密度可能是治疗动脉粥样硬化的靶点。GAN等[26]对43例2型糖尿病患者皮内注射编码VEGF-A165的化学修饰mRNA，发现其可短暂改善糖尿病局部皮肤血流。基因治疗可能有益于伴发毛细血管稀疏的疾病如杜氏肌营养不良症[25]。GHOSH等[27]评价不同成像帧频、图像采集时长和不同大小、浓度的微泡对小鼠后肢内收肌群微血管USRMI的影响，结果显示帧频大于20 fps、图像采集时长8 min和微泡浓度2.5×107个获得的图像质量较好。骨骼肌微血管对胰岛素反应减弱是2型糖尿病和肥胖导致胰岛素抵抗中的重要一环[19]。GHOSH等[19]利用10 MHz探头、帧频15 Hz对肥胖小鼠行后肢内收肌群近端造影，证实存在胰岛素反应减弱、葡萄糖耐受不良和胰岛素抵抗。GHOSH 等[19]比较2型糖尿病小鼠骨骼肌血管时间-微泡曲线与超声造影的时间-强度曲线的血管参数，发现USRMI具有评估2型糖尿病小鼠骨骼肌周围血管损伤的潜力。探讨微循环介导病理生理改变对了解代谢性疾病的发生发展机制及其治疗具有积极作用[25，28]。

2.2.2 肿瘤性病变 肿瘤血管形态多异常，USRMI可全面、定量评估其特征，包括微血管直径、密度和分布等，有利于提高鉴别诊断水平、预测肿瘤侵袭和转移、评估治疗效果及预后等[13-14]。KANOULAS等[12]以 3.5 MHz经直肠探头、帧频10 Hz对1例前列腺癌患者行USRMI，所获超分辨率密度图和速度图参数与病理结果存在相关性。评估淋巴结、尤其前哨淋巴结有无异常是临床判断肿瘤是否转移的重要方式，ZHU等[23]的研究结果提示USRMI具有检测淋巴结病变的潜力。下一步将通过免疫组织化学对比等研究[12，29]挖掘血管USRMI特征，筛选可用于评估肿瘤的理想参数[13]。

OPACIC等[13]以40 MHz探头对3种荷瘤大鼠行运动模式超分辨率成像，并与显微CT及免疫组织化学结果相比较，发现血管间距离参数可用于鉴别肿瘤。OPACIC等[13]对3例乳腺癌患者行USRMI，发现化学治疗过程肿瘤体积缩小、血管分布情况改变，提示USRMI可用于监测化学治疗乳腺癌效果。

肿瘤血管多呈不规则分布，三维成像可提高检测微血管功能障碍的能力，对微血管变化更敏感[19]，是USRMI用于诊断肿瘤的主要发展方向之一。LIN等[14]对3组健康大鼠及3组荷瘤大鼠同一部位行三维成像，定量分析皮下379条血管，结果显示荷瘤组血管弯曲度、血管异质性明显高于对照组，提示USRMI可用于鉴别健康组织和荷瘤组织。目前三维超分辨超声成像面临多项挑战，如采集时间长、数据量大、超分辨率逐平面检查可操作性过低、难以实现准确立体检测血管等[4]，应首先致力于在有限时间内监测平面中尽可能多的血管[14]。

2.3 其他 纳米液滴在体内的持续时间较微泡长，可渗透至血管外，如肿瘤组织中，且能被选择性激活。LUKE等[30]发现USRMI结合激光激发相变纳米液滴可用于定位大鼠大脑组织。

3 小结与展望

USRMI克服了传统分辨率的限制，可对微血流行超分辨率成像，并评估及监测其状态，有利于阐明疾病发生、发展机制，为诊疗决策及评估预后提供依据。目前对于USRMI参数尚无统一标准。另外，微循环体量庞大、结构复杂，图像采集时间较长，超声造影与人工智能技术的结合，进一步提高图像处理和人工智能技术是未来重要发展方向。随着上述问题的逐步解决，USRMI将展现出广阔的临床应用前景。