超声散射子有效声浓度成像检测微波消融凝固区

吴水才， 宋 爽， 吴薇薇， 王 月， 周著黄

(1.北京工业大学生命科学与生物工程学院，智能化生理测量与临床转化北京市国际科研合作基地， 北京 100124；2.首都医科大学生物医学工程学院， 北京 100069)

微波消融作为肿瘤微创治疗的有效手段，是通过将消融针插入肿瘤组织中，利用微波加热的方式使肿瘤组织产生凝固性坏死，具有费用低、并发症少以及患者耐受性好等优点[1]. 目前微波消融已应用于肝癌、肺癌等肿瘤的临床治疗，但是现有成像技术还不能实时准确监测消融区的变化，因此近年来，国内外学者不断探索微波消融凝固区检测新方法[2-5]. 现有肿瘤消融凝固区成像检测技术主要包括： 1) 磁共振成像技术，其对于热疗过程中组织温度的测量具有很高的精度，但缺点是实时性和成像对比度均不高，设备兼容性差且费用昂贵； 2) 计算机断层扫描成像技术，具有成像清晰、分辨率高、解剖关系明确等优点，但其成像断面比较固定，且对人体有一定的辐射，不适合长期监测； 3) 核医学成像技术，优势是可获得三维影像，能进行定量分析，进行早期诊断等，但其属于高成本核医学影像，费用昂贵； 4) 超声成像技术，因其兼容性强、无放射性损伤、价格便宜、实时性好及成像断面灵活等优点，受到研究人员的广泛关注. 传统的B超成像是定性的，显示的是组织或脏器的二维超声断层图. 相比传统超声成像，定量超声成像可以提供与组织特征相关的定量信息，提高图像的特异性，从而改善超声诊断[6]. 超声散射子有效声浓度[7]是一种基于背散射信号功率谱的定量超声参数. Lizzi等[8]提出了球形高斯模型，可得到描述组织微观结构的有效声浓度参数.

目前，基于有效声浓度参数进行组织定征已应用在热消融监测和疾病诊断等研究中. Kemmerer等[9]采用微波加热离体牛肝的实验，得出随着温度从18 ℃升高到42 ℃，有效声浓度下降了1.5 dB. Ghoshal等通过研究大鼠乳腺肿瘤高强度聚焦超声消融治疗，发现有效声浓度参数随温度升高而升高，随温度降低而降低[10]，且有效声浓度参数成像的对比度优于B超图像[11]. Lizzi等[12]指出有效声浓度参数可以反映热疗引起的组织微结构的变化. Dizeux等[13]通过3组小鼠肺癌模型实验，表明有效声浓度可以评估肿瘤的微结构. Oelze等[14]发现大鼠乳腺肿瘤外健康组织的声浓度大于肿瘤内的声浓度. Escoffre等[15]指出有效声浓度能够诊断并分级家兔肝纤维化. Muleki-Seya等[7,16]指出有效声浓度参数与小鼠肝脏脂肪含量的相关性较高. Rohrbach等[17]指出有效声浓度可用于定位活检组织，并指导前列腺癌可疑区域的局部治疗. Tamura等[18]提出了一种有效声浓度的修正算法.

由国内外研究现状分析可见，有效声浓度具有鉴别肝脏组织微观结构变化的潜力，但其尚未应用于微波消融凝固区检测(Kemmerer等[9]仅研究了18～42 ℃的微波加热，属于传统热疗的温度范围，而临床微波消融治疗的温度一般在60 ℃以上). 为此，本文探讨基于有效声浓度的微波消融(>60 ℃)凝固区检测，将离体猪肝微波消融后的组织剖面作为金标准，验证有效声浓度成像在微波消融凝固区检测中的可行性，以期为微波消融凝固区的有效检测提供新方法.

1 材料与方法

1.1 有效声浓度参数估算

超声背散射信号的理论功率谱[19]可表示为

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

(1)

式中：aeff表示有效散射子直径；nz表示有效声浓度；f为频率，MHz；Con(aeff，nz)表示依赖于aeff和nz的常数项；F(f,aeff)为形状因子.

具有球形高斯形状因子信号的理论功率谱[8,12]可表示为

(2)

式中：L表示窗的长度；q表示超声换能器半径与感兴趣区域(region of interest, ROI)的距离之比.

通过计算ROI(包含N条长度相同的扫描线)内的平均功率谱可以得到测量功率谱

(3)

式中：FT{pn(t)}为ROI内第n条扫描线pn(t)的傅里叶变换；Wref为参考功率谱.

对测量功率谱Wm进行衰减补偿

Wc=WmA(f,z)

(4)

式中A(f,z)为衰减补偿函数[20]

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

(5)

式中：a(f)为超声衰减系数；z为超声传播距离.

对比测量功率谱与理论功率谱，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)

利用最小二乘法将式(7)中(10lgWc-10lgx2)与变量x线性拟合，得到拟合直线的斜率m和截距b. 参数m和b与aeff和nz的对应关系[12]为

(8)

最后，根据式(8)得到有效声浓度nz的表达式为

(9)

1.2 实验装置与数据采集

搭建2个实验平台：1) 参考体模信号采集平台，采集衰减系数已知的体模的超声背散射信号，用于计算体模的背散射信号功率谱，在有效声浓度成像时可作为参考值，去除超声设备的影响；2) 微波消融实验平台，用于采集不同消融参数、不同时刻下猪肝组织微波消融背散射信号.

1.2.1 参考体模信号采集平台

体模信号采集平台实物如图1所示，其中包括：体模(中国科学院声学研究所研制，型号：KS107BD(L)；声速：(1 540±10)m/s；超声衰减系数：(0.7±0.05)dB/[cm·MHz])；超声仪(美国Terason公司制造，型号：Terason T3000)；线阵换能器(型号：12L5A，通道数：256，中心频率：7.5 MHz).

1.2.2 微波热消融实验平台

微波消融实验平台实物如图2所示，其中包括：超声仪和换能器，用于固定换能器的铁架，微波消融仪(南京康友公司制造，型号：KY-2000)，水冷式微波消融针(型号：EN868-5)，自制亚克力盒(尺寸：6 cm×6 cm×6 cm)等.

1.2.3 实验数据获取

根据参考体模信号采集平台，利用Terason T3000超声设备自带的信号采集系统，获取体模超声背散射信号，B超成像如图3所示.

利用微波消融实验平台采集猪肝组织微波消融过程中的超声背散射信号. 实验开始前，将购买的新鲜猪肝静置于质量分数为0.9%的生理盐水中2 min，达到去除猪肝组织内部气体的目的. 实验开始，将去气的猪肝组织放入自制的亚克力盒中，将微波消融针通过亚克力盒侧壁预留的圆孔水平插入猪肝组织中，将圆孔封堵后向亚克力盒中加入质量分数为0.9%的生理盐水；然后设置好微波消融仪的消融参数(消融功率P=80 W，消融时间t=60 s；消融功率P=50 W，消融时间t=120 s)开始消融实验，期间利用自编程序[21]采集超声背散射信号存入超声仪硬盘中. 所得超声背散射信号参数如下：中心频率f0=7.5 MHz，采样频率fs=37.5 MHz，声速c=1 540 m/s，超声背散射数据维数：1558(采样点)×256(扫描线). 微波消融(P=50 W,t=120 s)结束瞬间获取的超声背散射信号B超图成像如图4所示.

1.3 有效声浓度成像

首先确定窗函数后，分别在参考体模信号和猪肝组织微波消融背散射信号内选择ROI. 根据式(3)(4)求出猪肝组织和体模ROI内的平均功率谱并取对数. 然后将猪肝组织ROI内对数功率谱与体模ROI内对数功率谱做差，根据式(7)和最小二乘法计算对数功率谱差与频率平方的线性拟合直线的斜率m和截距b. 然后根据式(9)计算有效声浓度参数. 最后将窗口遍历整幅图像，得到猪肝有效声浓度参数成像.

2 结果

2.1 有效声浓度成像检测凝固区

在离体猪肝组织微波消融开始前及微波消融结束瞬间B超成像中，选取感兴趣区域ROI1和ROI2，如图5(a)(b)中红色方框.

ROI1和ROI2内有效声浓度成像如图6(a)(b)所示. 计算得到ROI1内有效声浓度均值为104.8，ROI2内有效声浓度均值为114.2. 消融前正常组织ROI1与消融后组织ROI2的有效声浓度参数值存在差异，因此可考虑通过设置阈值的方法检测微波消融的凝固区.

消融前正常猪肝组织(见图5(a))和微波消融结束瞬间猪肝组织(见图5b))整幅图像的有效声浓度成像如图7(a)(b)所示.

通过反复实验发现，阈值thr=110时可以实现凝固区检测，即有效声浓度参数值大于thr的区域视为消融凝固组织，小于thr的区域视为正常组织. 阈值法处理后的有效声浓度参数成像如图8所示.

为进一步检测微波消融凝固区，将有效声浓度参数与归一化多项式拟合技术相结合，并将归一化多项式拟合参数阈值设为0.94以检测凝固区，多项式拟合有效声浓度参数成像，如图9所示.

2.2 凝固区检测精度验证

通过15例离体猪肝微波消融实验(5例P=50 W、t=120 s；10例P=80 W、t=60 s)，对有效声浓度成像的微波热凝固检测方法进行验证. 微波消融结束后，将猪肝组织沿超声探头扫描平面切开，如图10所示，测量并记录猪肝组织剖面中凝固区的长轴a1和短轴b1，其面积为

Sπab/4

(10)

利用式(10)计算实际凝固区面积S1作为金标准. 利用消融结束瞬间超声背散射信号估算有效声浓度参数并成像，结合多项式拟合定量检测凝固区，根据参数成像中凝固区的长轴a2、短轴b2及式(10)，得到凝固区面积的估计值S2. 将S1和S2代入

(11)

得到有效声浓度参数成像检测凝固区的精度(accuracy).

基于有效声浓度成像技术的微波热凝固检测结果如表1、2所示. 通过2组共15例不同微波消融参数的离体肝脏实验，表明有效声浓度成像检测微波消融凝固区的平均精度分别为91.44% (P=50 W、t=120 s)、85.01% (P=80 W、t=60 s)，总平均精度为87.15%.

表1 热凝固检测结果(P=50 W, t=120 s)

表2 热凝固检测结果(P=80 W, t=60 s)

3 讨论

本文利用超声散射子有效声浓度成像技术检测微波消融凝固区，通过离体猪肝微波消融实验验证了有效声浓度检测微波消融凝固区的可行性.

目前，热消融超声监测技术主要分为2类：超声弹性成像和定量超声. 超声弹性成像监测热消融的原理是凝固区的硬度高于未加热组织[22-23]. 然而，当消融过程中产生加热引起的气泡时，与气泡相关的信号会在凝固区的超声弹性图像中产生伪影[24-27]. 例如，气泡效应导致超声信号衰减，致使超声弹性图像中凝固区边界部分丢失[26]. 使用超声弹性成像监测凝固区时[24-25]，刻意采用较低加热功率等手段，尽量避免产生汽化或气泡，以免影响监测效果，但临床微波消融肿瘤时，气泡往往不可避免. 因此，用超声弹性成像技术监测术中凝固区变化有一定困难.

声学上，生物组织可建模为一系列散射声波的微小粒子即散射子的组合. 定量超声[28]从超声背散射射频信号中提取定量声学参数. 超声散射子有效声浓度成像是一种定量超声参数成像技术. 其他用于监测热消融的定量超声方法包括超声衰减系数[29-30]、包络统计[21,31-32]、平均散射子间距(mean scatterer spacing, MSS)[33-35]和射频信号超谱分析方法[36]. 超声衰减系数监测凝固区的原理是：在组织凝固性坏死和热诱导气泡的作用下，凝固区的超声衰减系数高于未加热组织[29-30]. 包络统计分布模型监测凝固区的原理是：热诱导气泡增加凝固区内的散射子浓度，利用Nakagami模型的形状参数m可检测散射子浓度的变化[21,31-32]. MSS是相干散射子之间的平均间距[33]. 肝小叶通常被认为是肝脏组织的相干散射子. MSS监测消融区的理论基础是，热效应破坏了部分相干散射子的结构，导致凝固区的MSS小于未加热组织[33-35]. 超谱分析是通过射频信号的多维谱分析得到热疗超声视图(thermotherapy ultrasonic view,TUV)，但TUV用于术中监测凝固区会受到气泡影响[36].

超声散射子有效声浓度成像监测凝固区的原理是加热引起气泡增加凝固区内的散射子浓度，因此具有术中监测凝固区的潜力. 但目前散射子有效声浓度技术尚未应用于微波消融监测，其检测微波消融凝固区的可行性有待验证.

本文实验结果表明，有效声浓度成像检测15例离体猪肝微波消融凝固区的平均精度为87.15%，表明有效声浓度可有效检测微波消融凝固区. 未来研究工作包括进一步改进方法以提供有效声浓度成像的检测精度，以及活体动物模型验证.

4 结论

1) 采集15例离体猪肝微波消融超声背散射射频信号，利用背散射信号功率谱估算散射子有效声浓度，进行有效声浓度成像，结合多项式拟合技术，实现了凝固区的定量检测.

2) 超声散射子有效声浓度成像能有效检测离体猪肝微波消融凝固区.