基于超聲組織定征技術的脂肪肝無創(chuàng)檢測

丁琪瑛，周著黃，吳水才，崔博翔

1. 北京工業(yè)大學 a. 校醫(yī)院超聲室；b. 生命科學與生物工程學院，北京 100124；2. 臺灣長庚大學 醫(yī)學院，臺灣 桃園 33302

引言

非酒精性脂肪性肝病（Nonalcoholic Fatty Liver Disease，NAFLD）是指除大量飲酒和其他明確損害肝臟的疾病（如病毒性肝炎、藥物性肝病、Willson病及自身免疫性肝病等）外，以肝細胞內(nèi)脂肪過度沉積為主要特征的臨床病理綜合征。NAFLD是臨床上最常見的慢性肝病之一，可從最初的非酒精性脂肪肝（單純性脂肪肝）進展至非酒精性脂肪性肝炎、肝纖維化、肝硬化，甚至可最終發(fā)展為肝細胞癌。一般而言，NAFLD屬可逆性疾病，早期診斷并及時治療常可恢復正常。因此，早期診斷和評估脂肪肝對于及時治療和預防肝硬化至關重要。

肝組織活檢是目前診斷脂肪肝的金標準，此檢查從肝臟取下一小塊組織樣本，放在顯微鏡下進行組織學觀察，由病理科醫(yī)師給予脂肪肝程度分級，共分成四個等級：正常S0 （肝臟脂肪變性程度為0～4%）；輕度S1（5%～33%）；中度S2（34%～66%）；重度S3（≥67%）。但肝活檢是一種有創(chuàng)檢查，可能會產(chǎn)生取樣誤差，也可能導致感染、出血、膽漏等并發(fā)癥。因此，基于影像學方法的脂肪肝無創(chuàng)檢測和診斷具有重要的臨床意義，包括超聲成像、計算機斷層掃描（Computed Tomography，CT）、磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）及磁共振波譜（Magnetic Resonance Spectroscopy，MRS）等。MRS是目前診斷脂肪肝最準確的影像學方法，但MRS同CT、MRI一樣，價格昂貴，不易獲得，而CT有電離輻射。

超聲成像因方便快捷、無電離輻射和費用較低等優(yōu)點，成為診斷和評估脂肪肝的重要工具，但當肝臟脂肪變性程度＜30%時，臨床常用的“B超”（B-模式超聲成像）診斷脂肪肝的敏感性較差[1]。此外，B超是通過對背向散射射頻信號進行包絡檢測、對數(shù)壓縮、掃描變換等處理得到圖像（圖1），因此B超檢測脂肪肝會受動態(tài)范圍、信號/圖像處理等參數(shù)影響。因此，研究人員不斷探索基于超聲組織定征技術的脂肪肝無創(chuàng)檢測新方法，主要包括超聲彈性成像技術和定量超聲技術，本文對相關方法進行綜述。

圖1 超聲波散射模型

1 超聲彈性成像評估脂肪肝

超聲彈性成像技術通過測量肝臟硬度（彈性）或剪切波速度來評估脂肪肝，主要包括瞬時彈性成像（Transient Elastography，TE）[2]、聲輻射力脈沖彈性成像（Acoustic Radiation Force Impulse，ARFI）[3-4]、剪切波彈性成像（Shear Wave Elasticity Imaging，SWEI）[5]和超音速剪切波彈性成像（Supersonic Shear Wave Elastography，SWE）[6]等技術，但TE診斷NAFLD患者的失敗率高達25%，最近文獻報道，通過結合使用3.5 MHz中型探頭和2.5 MHz超大探頭可降低TE失敗率[2]。ARFI、SWEI和SWE檢測脂肪肝的研究結果之間存在較大差異。雞NAFLD模型研究[3]表明，脂肪肝組的剪切波速度與正常組之間具有統(tǒng)計學顯著差異（P＜0.001），且脂肪肝組的剪切波速度（1.91 m/s）高于正常組（0.94 m/s）。但在臨床NAFLD研究方面，Nightingale等[5]報道剪切波速度與脂肪變性程度之間無明顯的相關性。Fierbinteanu等[4]報道脂肪肝組的剪切波速度（1.02 m/s）低于正常組（1.12 m/s）。Kang等[6]基于大鼠NAFLD模型的研究表明，SWE測量的肝臟硬度可檢測出非酒精性脂肪性肝炎，但脂肪肝組的硬度與正常組之間無統(tǒng)計差異。總之，超聲彈性成像評估脂肪肝的臨床價值尚無定論。

2 定量超聲評估脂肪肝

肝臟組織可建模為一系列超聲散射子的組合。超聲探頭(換能器)發(fā)射超聲波到肝臟組織內(nèi)，再接收來自微小粒子的背向散射回波，如圖1所示，所以超聲射頻信號又稱為背向散射信號。超聲散射粒子即散射子，比如肝細胞（漫散射子）和肝小葉（相干散射子）等，它可以直接反映組織的微觀結構。超聲背向散射信號蘊含著散射子重要的特性，如散射子體積大小、聲阻抗、濃度與排列等，脂肪變性 （脂肪滴）的產(chǎn)生將改變原有肝臟組織的散射子空間結構，最終體現(xiàn)在超聲散射信號中[7-18]。定量超聲技術從超聲背向散射信號中挖掘頻率、相位和統(tǒng)計等信息[19]，用于肝臟組織定征，包括超聲衰減系數(shù)（Attenuation Coefficient，AC）[7]、包絡統(tǒng)計[8-9,11-14,16-18]、背向散射系數(shù)（Backscatter Coefficient，BSC）[10]、譜參數(shù)[15]、散射子特性[15-16]等。各方法檢測脂肪肝概覽，見表1。

2.1 基于AC的脂肪肝檢測方法

超聲波在組織內(nèi)傳播時，由于散射及組織吸收等作用，導致超聲波能量衰減。早在三十年前，研究人員就發(fā)現(xiàn)脂肪浸潤程度的提升會導致AC的增大[20]。衰減系數(shù)的估算方法主要包括時域和頻域估計法兩大類。頻域估計法主要有譜移法和譜差法等[19]。受控衰減參數(shù)（Controlled Attenuation Parameter，CAP）是一種商業(yè)化AC技術，裝配在FibroScan瞬時彈性超聲診斷儀(最新文獻報道了CAP檢測不同程度脂肪肝的性能[7]，見表1)，但CAP檢測≥S1和≥S2的脂肪肝的特異性存在不足；CAP檢測≥S3的脂肪肝的敏感性和特異性均有待提高。

2.2 基于包絡統(tǒng)計的脂肪肝檢測方法

此類方法基于超聲背向散射信號包絡的概率分布，主要分為基于統(tǒng)計模型的聲學結構定量技術（Acoustic Structure Quantification，ASQ）、 零 差 K（Homodyned-K，HK）分布模型、Nakagami分布模型，以及基于非統(tǒng)計模型的香農(nóng)熵（Shannon Entropy，SE）等。超聲背向散射信號本質上是一種隨機信號，分析背向散射信號包絡的概率分布模式，可歸納出信號概率與組織特性之間的關聯(lián)性(圖2)。若超聲波分辨單元中存在大量隨機分布的散射子，則包絡統(tǒng)計將服從瑞利分布，此時的影像散斑稱作完全發(fā)展散斑。考慮到人體組織結構的多樣性，不同組織的散射子分布并不一定符合完全發(fā)展的條件。因此，許多學者便開始發(fā)展非瑞利統(tǒng)計模型來描述包絡統(tǒng)計，HK分布和Nakagami分布就是其中最主要的兩種廣義模型。

ASQ技術：現(xiàn)已商業(yè)化，裝配在東芝Aplio XG超聲診斷儀上。通過測量包絡統(tǒng)計與瑞利分布之間的差異，對肝實質進行超聲組織定征。首先計算參數(shù)Cm2，為描述包絡分布的統(tǒng)計參數(shù)；再利用包絡振幅＜ μ+4σ（μ和σ分別表示包絡振幅的均值和標準差）的信號，重新計算Cm2，從而得2，得到FD（Focal Disturbance）比率參數(shù)[14]。動物模型和臨床研究表明，ASQ檢測脂肪肝具有一定的可行性，但其研究結果之間存在較大差異[8-9,13-14]，且其檢測不同程度脂肪肝的性能尚待明確。到參數(shù)rCm2；最后，對比rCm2和原始Cm

表1 定量超聲技術檢測脂肪肝概覽

圖2 超聲背向散射包絡統(tǒng)計示意圖

HK分布模型：其概率密度函數(shù)不存在解析表達式，但可表達為以下廣義積分形式：

式(1)中，r表示包絡的振幅，x是積分變量，J0(·)是零階第一類Bessel函數(shù)，s2表示相干散射信號的能量，2σ2為漫散射信號的能量，m是超聲波分辨單元內(nèi)的有效散射子數(shù)目；定義參數(shù)k=s/σ，表示相干散射與漫散射的比值。HK模型被認為是最具物理意義的統(tǒng)計模型[21]，但其算法復雜度較高。HK模型常用參數(shù)為m和k，其估算方法主要有矩估計法[22-23]、RSK法[24]和XU統(tǒng)計法[25]。動物模型研究表明，基于RSK法估算的μ參數(shù)隨著脂肪浸潤程度的增加而增大[16]，但其檢測不同程度脂肪肝的性能尚待明確。

Nakagami分布模型：可視為HK模型的一種近似，因其算法復雜度較低，現(xiàn)已成為醫(yī)學超聲領域應用最廣的統(tǒng)計模型[19]。Nakagami模型的概率密度函數(shù)如式(2)：

式(2)中，Γ(·)和U(·)分別為伽馬函數(shù)和單位階躍函數(shù)，Ω為尺度參數(shù)，m為形狀參數(shù)。當m＜1時，代表包絡統(tǒng)計為前瑞利分布（如K分布，代表分辨單元內(nèi)存在少量散射子）；當m=1時代表包絡統(tǒng)計為瑞利分布；當m＞1時代表包絡統(tǒng)計為后瑞利分布（如Rician分布，代表分辨單元中除了大量隨機分布散射子，還包括周期性散射子或局部高濃度散射子聚集），請參見圖2。m參數(shù)的估算方法主要包括矩估計法[17-18,26]和最大似然法[26-27]等。動物模型和臨床研究表明，基于矩估計法估算的m參數(shù)隨脂肪肝嚴重程度的升高而增加[11,17-18]，但其檢測不同程度脂肪肝的性能尚待明確。

香農(nóng)熵：最早由Hughes教授將信息論中的香農(nóng)熵引入醫(yī)學超聲領域，定義如式(3)：

式(3)中，rmin和rmax分別為包絡振幅的最小值和最大值，w(r)為概率密度函數(shù)。香農(nóng)熵反應隨機信號的不確定性；香農(nóng)熵越大，不確定性越大，代表超聲背向散射信號由規(guī)則性轉向隨機性，甚至復雜性狀態(tài)[28]。基于統(tǒng)計模型的包絡統(tǒng)計方法要求包絡服從某一特定分布，但香農(nóng)熵不受此條件限制。臨床研究表明，香農(nóng)熵隨脂肪肝程度的加重而增大[12]，但其檢測不同程度脂肪肝的性能尚待明確。

2.3 基于BSC的脂肪肝檢測方法

BSC是在與入射聲波成180°的方向上的單位體積元在單位立體角截面內(nèi)的微分散射[29]，可表征生物組織散射聲波的有效性。臨床研究表明，基于參考體模法[30]估算的BSC與MRI測量的質子密度脂肪分數(shù)之間具有相關性[9]，但BSC檢測不同程度脂肪肝的性能尚待明確。

2.4 基于譜參數(shù)的脂肪肝檢測方法

生物組織散射的基本理論假定散射是弱散射，符合玻恩近似。玻恩近似認為散射行為僅依賴于散射子與入射場之間的相互作用。Lizzi教授首次給出了背向散射信號功率譜與空間自相關函數(shù)（Spatial Autocorrelation Function，SAF）之間的理論基礎：

式(4)中，S是校準功率譜（對系統(tǒng)傳遞函數(shù)進行校準），k為波數(shù)，Rζ(Δx)是散射子相對聲阻抗分布的SAF（與組織相關），RD(Δy,Δz)表示雙向超聲波束指向性函數(shù)的SAF（與換能器相關），RG(Δx)為窗函數(shù)（一般為漢明窗或漢寧窗）的SAF。功率譜的校準通過除以理想反射界面（如剛性反射板）的參考功率譜得到。實際應用中，通常假定式(4)中的Rζ(Δx)為高斯函數(shù)。對于高斯函數(shù)，如果以分貝（dB）形式表達，則式(4)預測出一條緩慢彎曲的譜線。若在可用的噪聲限制帶寬內(nèi)以直線方式逼近，則校準功率譜的線性擬合具有三個譜參數(shù)：功率譜回歸直線的斜率（Spectral Slope，SS）、中頻帶擬合（Midband Fit，MBF）和截距（Intercept，INT）[31]，如圖3所示，其中f0為換能器中心頻率。動物模型研究表明，SS和MBF隨著脂肪含量的增加而增大，INT隨著脂肪含量的增加而減小；其中，MBF與脂肪含量具有相關性[15]，但SS、MBF和INT檢測不同程度脂肪肝的性能尚待明確。

2.5 基于散射子特性的脂肪肝檢測方法

散射子特性參數(shù)主要包括有效散射子直徑（Effective Scatterer Diameter，ESD） 和 有 效 聲 濃 度（Effective Acoustic Concentration，EAC）等。ESD的定義為散射子相對聲阻抗分布的空間自相關函數(shù)Rζ(Δx)的-6 dB寬度。EAC定義為EAC=CQ2，其中C是散射子數(shù)密度，Q是散射子與周圍組織的相對聲阻抗差異。準確估算散射子特性的一個重要考量就是選擇恰當?shù)男螤钜蛩亍Ｐ螤钜蛩馗鶕?jù)散射子的尺寸、形狀和機械特性來描述散射的頻率相關性。高斯形狀因素表示散射子相對周邊組織連續(xù)變化的聲阻抗的分布，已被用于多種軟組織的散射特性建模。實際應用中，通常假定散射子為球形高斯散射子。動物模型研究表明，EAC隨著脂肪含量的增加而增大，ESD隨著脂肪含量的增加而減小[15-16]；EAC與脂肪含量具有相關性[15]，但ESD和EAC檢測不同程度脂肪肝的性能尚待明確。

圖3 譜參數(shù)示意圖

3 總結與展望

根據(jù)以上國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析可見，超聲組織定征技術評估脂肪肝的研究仍然有待深入，體現(xiàn)在：① 超聲彈性成像評估脂肪肝的臨床價值存在爭議，需進一步研究明確；② 定量超聲檢測不同程度脂肪肝的性能有待明確和提高。相關研究的未來發(fā)展應聚焦在：① 各種超聲組織定征技術檢測不同程度脂肪肝的性能對比研究，以明確各種超聲組織定征技術檢測不同程度脂肪肝的性能和特點；② 融合多種超聲組織定征技術的脂肪肝檢測方法研究，以提高不同程度脂肪肝檢測的性能；③ 探索能有效評估不同程度脂肪肝的超聲組織定征新技術。