超分辨率超聲微血流成像研究進(jìn)展

應(yīng)育娟，鄭元義，蔡曉軍

(1.重慶醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院超聲科，重慶 400010；2.上海交通大學(xué)附屬第六人民醫(yī)院超聲科，上海 200233)

微循環(huán)指微動(dòng)脈與微靜脈之間的血液循環(huán)，反映局部細(xì)胞和組織氧化代謝情況[1]。癌癥、糖尿病及動(dòng)脈粥樣硬化等疾病均與微循環(huán)密切相關(guān)[2]。受限于分辨率，MRI及PET無法用于檢測(cè)微米級(jí)微循環(huán)。激光共焦顯微術(shù)、光學(xué)相干成像及正交偏振光譜成像技術(shù)等能獲得較高分辨率的微循環(huán)圖像，但其臨床應(yīng)用受設(shè)備昂貴、穩(wěn)定性欠佳等缺點(diǎn)限制，尤其危重癥患者的微循環(huán)成像[3]。超聲具有實(shí)時(shí)、便攜、經(jīng)濟(jì)、無創(chuàng)等優(yōu)勢(shì)，超聲造影可對(duì)血管及血流進(jìn)行評(píng)估。但超聲波在遠(yuǎn)場(chǎng)面臨著基本的衍射極限，即波在兩個(gè)物體之間傳播時(shí)，只有當(dāng)它們之間的距離超過半個(gè)波長(zhǎng)時(shí)才能被區(qū)分開。而微循環(huán)系統(tǒng)血管直徑往往<100 μm，最小的毛細(xì)血管直徑則<10 μm，因此，由于分辨率的限制，目前臨床常規(guī)超聲造影無法觀察微血管網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)[3]。利用提高采集頻率、應(yīng)用近場(chǎng)成像方式可提高超聲成像分辨率；但多數(shù)器官距離探頭深度較大，近場(chǎng)超分辨率方法難以應(yīng)用[2，4]。超聲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環(huán)系統(tǒng)成像，改善了臨床對(duì)微血管系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)及疾病診療。本文對(duì)USRMI在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 USRMI概述

早期超分辨率超聲僅能基于手動(dòng)追蹤單個(gè)微氣泡的超聲信號(hào)[5-6]而顯示其運(yùn)動(dòng)軌跡、向量、速度等參數(shù)，不能對(duì)大量血管內(nèi)微泡進(jìn)行追蹤以實(shí)現(xiàn)超分辨率成像[5，7]。2015年，ERRICO等[8]以超快幀頻顯示移動(dòng)的微泡信號(hào)，通過追蹤其移動(dòng)軌跡實(shí)現(xiàn)了大鼠大腦微循環(huán)λ/10亞波長(zhǎng)空間分辨率超分辨率成像；CHRISTENSEN-JEFFRIES等[9]則利用微氣泡成功顯示小鼠耳部微血管系統(tǒng)。其后人工智能及超聲成像技術(shù)的發(fā)展，使得自動(dòng)追蹤超聲視野下所有微氣泡成為可能，推動(dòng)了超分辨率血流成像技術(shù)的發(fā)展[4,10-12]。目前USRMI已可對(duì)大量注入的微泡逐一進(jìn)行定位、跟蹤，對(duì)距離<半個(gè)波長(zhǎng)的兩個(gè)物體進(jìn)行成像，由此實(shí)現(xiàn)直徑為數(shù)十微米的微小血管成像，不僅能超分辨率顯示微血流及微循環(huán)整體情況，解決了顯示微血管網(wǎng)絡(luò)細(xì)節(jié)的難題，還可用于測(cè)量微血流速度、向量、分布、血管形貌(如扭曲度等指標(biāo))及其直徑等，成為研究微血流的有力工具[2,12]。

USRMI一般遵循以下步驟進(jìn)行：①注射低(<106個(gè)微泡/ml)或高濃度(>108個(gè)微泡/ml)微泡造影劑；②以傳統(tǒng)[1,9,13]或超快幀頻[8,14-15]采集視頻，并行運(yùn)動(dòng)校正[14,16-18]；③分離微泡信號(hào)；④以在射頻信號(hào)或波束成形圖像中定位每個(gè)微泡質(zhì)心的位置；⑤追蹤確定微泡在微血管中的路徑；⑥分析微泡密度和速度矢量等信息；通過定位微循環(huán)系統(tǒng)中流動(dòng)的單個(gè)微泡并逐幀分析、計(jì)數(shù)獲得超聲超分辨率超聲圖像的時(shí)間-微泡計(jì)數(shù)曲線，評(píng)估組織灌注和微血管血流情況[19]。

目前USRMI成像雖已突破衍射極限，但各項(xiàng)研究[8,12-13]所獲圖像分辨率仍存在差異。創(chuàng)建超分辨率圖像所需幀頻對(duì)于USRMI十分重要。采用常規(guī)幀頻和超快幀頻可獲得亞波長(zhǎng)分辨率圖像。常規(guī)幀頻可用于定位跟蹤稀釋造影劑，但微血管數(shù)量龐大，感興趣區(qū)域大小不一，如果需要定位的微泡數(shù)量較多，視頻循環(huán)時(shí)間可長(zhǎng)達(dá)數(shù)十分鐘甚至數(shù)小時(shí)[12]。為及時(shí)采樣和識(shí)別2個(gè)相鄰微泡的軌跡，對(duì)高速度血流必須采用高幀頻，即便對(duì)于低速血流，高幀頻的跟蹤效果亦較常規(guī)幀頻更佳[4,20]；但目前用于臨床的多數(shù)超聲系統(tǒng)不具備可滿足USRMI需要的高幀頻，使得USRMI的臨床應(yīng)用存在一定困難。為實(shí)現(xiàn)臨床轉(zhuǎn)化，可采用運(yùn)動(dòng)模式進(jìn)行USRMI，但存在局限性：①成像時(shí)間較長(zhǎng)，且需大量幀頻以捕獲更多氣泡在血管中的流動(dòng)軌跡；②為排除呼吸所致運(yùn)動(dòng)偽影，處理過程中會(huì)丟失20%～30%的幀頻[14]；③更高幀頻帶來大量圖像，所需處理時(shí)間長(zhǎng)，難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示，需在圖像質(zhì)量與處理圖像時(shí)間之間尋找平衡點(diǎn)[20]。

2 USRMI應(yīng)用研究進(jìn)展

USRMI不僅能作為診斷手段提供深部組織的生理和病理過程的微觀信息[19]，極大地加深對(duì)于微血管系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，還能利用納米級(jí)相變?cè)煊皠┗蚱胀ㄔ煊皠┬盘?hào)波動(dòng)而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)治療[1-2]。

2.1 生理狀態(tài)下微血流成像 孫幼屏等[21-22]將超聲造影技術(shù)用于犬肝、腎、心臟微循環(huán)成像，獲得正常狀態(tài)下微循環(huán)血流速度，并分析血流方向和狀態(tài)。ERRICO等[8]采用超高幀頻實(shí)現(xiàn)了多微氣泡追蹤，可測(cè)量一定范圍的血流速度。研究[9]表明USRMI可顯示直徑<20 μm的微血管。ZHU等[23]利用聲學(xué)子孔徑處理技術(shù)對(duì)兔腘窩淋巴結(jié)微循環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維超聲超分辨率成像，顯出USRMI具有檢測(cè)淋巴結(jié)的潛力。

對(duì)于腹部成像，由于體內(nèi)多數(shù)組織運(yùn)動(dòng)輕微，生理搏動(dòng)甚至局限于數(shù)十微米和毫秒范圍內(nèi)，追蹤微循環(huán)中的流動(dòng)微泡時(shí)，即便是經(jīng)驗(yàn)豐富的臨床醫(yī)師也可能出現(xiàn)檢測(cè)誤差[4，20]，需要高幀頻系統(tǒng)、采集持續(xù)數(shù)分鐘和精確運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方案加以支持[13,16]；但運(yùn)動(dòng)糾正會(huì)造成部分幀頻信息缺失，且對(duì)平面外的運(yùn)動(dòng)無法糾正。KANOULAS等[12]采用3 MHz線陣探頭、幀頻12～13 Hz對(duì)8只正常羊的10個(gè)卵巢血管進(jìn)行USRMI，測(cè)得最窄血管直徑(55±10)μm，并將血管直徑和黃體區(qū)域、濾泡區(qū)域及濾泡壁厚度測(cè)值分別與光學(xué)相干斷層成像、光學(xué)投影層析及病理結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)光學(xué)相干斷層成像、光學(xué)投影層析部分測(cè)量結(jié)果比USRMI偏小，而USRMI測(cè)值與光學(xué)相干斷層成像的一致性較好。FOIRET等[16]應(yīng)用6.9 MHz探頭、幀頻300 Hz對(duì)正常大鼠腎臟行USRMI，顯示腎臟解剖結(jié)構(gòu)良好，并獲得了局部血流量測(cè)值。SONG等[17]以8 MHz探頭采集兔腎臟USRMI，采用時(shí)空非局部均值濾波和二部圖，提高了圖像質(zhì)量和測(cè)量血流速度的準(zhǔn)確性。KIERSKI等[24]應(yīng)用超諧波技術(shù)行兔腎臟USRMI，成功顯示了直徑20 μm的微血管。上述研究表明，USRMI可為觀察血管結(jié)構(gòu)和局部血流提供可靠的定量信息。

2.2 病理狀態(tài)下微血流成像

2.2.1 代謝性疾病 高血壓、高膽固醇血癥和糖尿病均可導(dǎo)致毛細(xì)血管密度稀疏、剩余毛細(xì)血管功能障礙、血流通過受限[25]，可能導(dǎo)致血管支架植入術(shù)后再狹窄，或低血流量增加支架內(nèi)血栓形成風(fēng)險(xiǎn)[25]。改善毛細(xì)血管密度可能是治療動(dòng)脈粥樣硬化的靶點(diǎn)。GAN等[26]對(duì)43例2型糖尿病患者皮內(nèi)注射編碼VEGF-A165的化學(xué)修飾mRNA，發(fā)現(xiàn)其可短暫改善糖尿病局部皮膚血流?；蛑委熆赡苡幸嬗诎榘l(fā)毛細(xì)血管稀疏的疾病如杜氏肌營(yíng)養(yǎng)不良癥[25]。GHOSH等[27]評(píng)價(jià)不同成像幀頻、圖像采集時(shí)長(zhǎng)和不同大小、濃度的微泡對(duì)小鼠后肢內(nèi)收肌群微血管USRMI的影響，結(jié)果顯示幀頻大于20 fps、圖像采集時(shí)長(zhǎng)8 min和微泡濃度2.5×107個(gè)獲得的圖像質(zhì)量較好。骨骼肌微血管對(duì)胰島素反應(yīng)減弱是2型糖尿病和肥胖導(dǎo)致胰島素抵抗中的重要一環(huán)[19]。GHOSH等[19]利用10 MHz探頭、幀頻15 Hz對(duì)肥胖小鼠行后肢內(nèi)收肌群近端造影，證實(shí)存在胰島素反應(yīng)減弱、葡萄糖耐受不良和胰島素抵抗。GHOSH 等[19]比較2型糖尿病小鼠骨骼肌血管時(shí)間-微泡曲線與超聲造影的時(shí)間-強(qiáng)度曲線的血管參數(shù)，發(fā)現(xiàn)USRMI具有評(píng)估2型糖尿病小鼠骨骼肌周圍血管損傷的潛力。探討微循環(huán)介導(dǎo)病理生理改變對(duì)了解代謝性疾病的發(fā)生發(fā)展機(jī)制及其治療具有積極作用[25，28]。

2.2.2 腫瘤性病變 腫瘤血管形態(tài)多異常，USRMI可全面、定量評(píng)估其特征，包括微血管直徑、密度和分布等，有利于提高鑒別診斷水平、預(yù)測(cè)腫瘤侵襲和轉(zhuǎn)移、評(píng)估治療效果及預(yù)后等[13-14]。KANOULAS等[12]以 3.5 MHz經(jīng)直腸探頭、幀頻10 Hz對(duì)1例前列腺癌患者行USRMI，所獲超分辨率密度圖和速度圖參數(shù)與病理結(jié)果存在相關(guān)性。評(píng)估淋巴結(jié)、尤其前哨淋巴結(jié)有無異常是臨床判斷腫瘤是否轉(zhuǎn)移的重要方式，ZHU等[23]的研究結(jié)果提示USRMI具有檢測(cè)淋巴結(jié)病變的潛力。下一步將通過免疫組織化學(xué)對(duì)比等研究[12，29]挖掘血管USRMI特征，篩選可用于評(píng)估腫瘤的理想?yún)?shù)[13]。

OPACIC等[13]以40 MHz探頭對(duì)3種荷瘤大鼠行運(yùn)動(dòng)模式超分辨率成像，并與顯微CT及免疫組織化學(xué)結(jié)果相比較，發(fā)現(xiàn)血管間距離參數(shù)可用于鑒別腫瘤。OPACIC等[13]對(duì)3例乳腺癌患者行USRMI，發(fā)現(xiàn)化學(xué)治療過程腫瘤體積縮小、血管分布情況改變，提示USRMI可用于監(jiān)測(cè)化學(xué)治療乳腺癌效果。

腫瘤血管多呈不規(guī)則分布，三維成像可提高檢測(cè)微血管功能障礙的能力，對(duì)微血管變化更敏感[19]，是USRMI用于診斷腫瘤的主要發(fā)展方向之一。LIN等[14]對(duì)3組健康大鼠及3組荷瘤大鼠同一部位行三維成像，定量分析皮下379條血管，結(jié)果顯示荷瘤組血管彎曲度、血管異質(zhì)性明顯高于對(duì)照組，提示USRMI可用于鑒別健康組織和荷瘤組織。目前三維超分辨超聲成像面臨多項(xiàng)挑戰(zhàn)，如采集時(shí)間長(zhǎng)、數(shù)據(jù)量大、超分辨率逐平面檢查可操作性過低、難以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確立體檢測(cè)血管等[4]，應(yīng)首先致力于在有限時(shí)間內(nèi)監(jiān)測(cè)平面中盡可能多的血管[14]。

2.3 其他 納米液滴在體內(nèi)的持續(xù)時(shí)間較微泡長(zhǎng)，可滲透至血管外，如腫瘤組織中，且能被選擇性激活。LUKE等[30]發(fā)現(xiàn)USRMI結(jié)合激光激發(fā)相變納米液滴可用于定位大鼠大腦組織。

3 小結(jié)與展望

USRMI克服了傳統(tǒng)分辨率的限制，可對(duì)微血流行超分辨率成像，并評(píng)估及監(jiān)測(cè)其狀態(tài)，有利于闡明疾病發(fā)生、發(fā)展機(jī)制，為診療決策及評(píng)估預(yù)后提供依據(jù)。目前對(duì)于USRMI參數(shù)尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。另外，微循環(huán)體量龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，圖像采集時(shí)間較長(zhǎng)，超聲造影與人工智能技術(shù)的結(jié)合，進(jìn)一步提高圖像處理和人工智能技術(shù)是未來重要發(fā)展方向。隨著上述問題的逐步解決，USRMI將展現(xiàn)出廣闊的臨床應(yīng)用前景。