應育娟，鄭元義，蔡曉軍

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

微循環(huán)指微動脈與微靜脈之間的血液循環(huán)，反映局部細胞和組織氧化代謝情況[1]。癌癥、糖尿病及動脈粥樣硬化等疾病均與微循環(huán)密切相關[2]。受限于分辨率，MRI及PET無法用于檢測微米級微循環(huán)。激光共焦顯微術、光學相干成像及正交偏振光譜成像技術等能獲得較高分辨率的微循環(huán)圖像，但其臨床應用受設備昂貴、穩(wěn)定性欠佳等缺點限制，尤其危重癥患者的微循環(huán)成像[3]。超聲具有實時、便攜、經(jīng)濟、無創(chuàng)等優(yōu)勢，超聲造影可對血管及血流進行評估。但超聲波在遠場面臨著基本的衍射極限，即波在兩個物體之間傳播時，只有當它們之間的距離超過半個波長時才能被區(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)絡結(jié)構(gòu)的細節(jié)[3]。利用提高采集頻率、應用近場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，近場超分辨率方法難以應用[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，改善了臨床對微血管系統(tǒng)的認識及疾病診療。本文對USRMI在醫(yī)學領域的研究進展進行綜述。

1 USRMI概述

早期超分辨率超聲僅能基于手動追蹤單個微氣泡的超聲信號[5-6]而顯示其運動軌跡、向量、速度等參數(shù)，不能對大量血管內(nèi)微泡進行追蹤以實現(xiàn)超分辨率成像[5，7]。2015年，ERRICO等[8]以超快幀頻顯示移動的微泡信號，通過追蹤其移動軌跡實現(xiàn)了大鼠大腦微循環(huán)λ/10亞波長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的發(fā)展，使得自動追蹤超聲視野下所有微氣泡成為可能，推動了超分辨率血流成像技術的發(fā)展[4,10-12]。目前USRMI已可對大量注入的微泡逐一進行定位、跟蹤，對距離<半個波長的兩個物體進行成像，由此實現(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)絡細節(jié)的難題，還可用于測量微血流速度、向量、分布、血管形貌(如扭曲度等指標)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行：①注射低(<106個微泡/ml)或高濃度(>108個微泡/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，并行運動校正[14,16-18]；③分離微泡信號；④以在射頻信號或波束成形圖像中定位每個微泡質(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)中流動的單個微泡并逐幀分析、計數(shù)獲得超聲超分辨率超聲圖像的時間-微泡計數(shù)曲線，評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于USRMI十分重要。采用常規(guī)幀頻和超快幀頻可獲得亞波長分辨率圖像。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)時間可長達數(shù)十分鐘甚至數(shù)小時[12]。為及時采樣和識別2個相鄰微泡的軌跡，對高速度血流必須采用高幀頻，即便對于低速血流，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的臨床應用存在一定困難。為實現(xiàn)臨床轉(zhuǎn)化，可采用運動模式進行USRMI，但存在局限性：①成像時間較長，且需大量幀頻以捕獲更多氣泡在血管中的流動軌跡；②為排除呼吸所致運動偽影，處理過程中會丟失20%～30%的幀頻[14]；③更高幀頻帶來大量圖像，所需處理時間長，難以實現(xiàn)實時顯示，需在圖像質(zhì)量與處理圖像時間之間尋找平衡點[20]。

2 USRMI應用研究進展

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]，極大地加深對于微血管系統(tǒng)的認識，還能利用納米級相變造影劑或普通造影劑信號波動而實現(xiàn)精準治療[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]采用超高幀頻實現(xiàn)了多微氣泡追蹤，可測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]利用聲學子孔徑處理技術對兔腘窩淋巴結(jié)微循環(huán)結(jié)構(gòu)進行三維超聲超分辨率成像，顯出USRMI具有檢測淋巴結(jié)的潛力。

對于腹部成像，由于體內(nèi)多數(shù)組織運動輕微，生理搏動甚至局限于數(shù)十微米和毫秒范圍內(nèi)，追蹤微循環(huán)中的流動微泡時，即便是經(jīng)驗豐富的臨床醫(yī)師也可能出現(xiàn)檢測誤差[4，20]，需要高幀頻系統(tǒng)、采集持續(xù)數(shù)分鐘和精確運動補償方案加以支持[13,16]；但運動糾正會造成部分幀頻信息缺失，且對平面外的運動無法糾正。KANOULAS等[12]采用3 MHz線陣探頭、幀頻12～13 Hz對8只正常羊的10個卵巢血管進行USRMI，測得最窄血管直徑(55±10)μm，并將血管直徑和黃體區(qū)域、濾泡區(qū)域及濾泡壁厚度測值分別與光學相干斷層成像、光學投影層析及病理結(jié)果進行比較，發(fā)現(xiàn)光學相干斷層成像、光學投影層析部分測量結(jié)果比USRMI偏小，而USRMI測值與光學相干斷層成像的一致性較好。FOIRET等[16]應用6.9 MHz探頭、幀頻300 Hz對正常大鼠腎臟行USRMI，顯示腎臟解剖結(jié)構(gòu)良好，并獲得了局部血流量測值。SONG等[17]以8 MHz探頭采集兔腎臟USRMI，采用時空非局部均值濾波和二部圖，提高了圖像質(zhì)量和測量血流速度的準確性。KIERSKI等[24]應用超諧波技術行兔腎臟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致毛細血管密度稀疏、剩余毛細血管功能障礙、血流通過受限[25]，可能導致血管支架植入術后再狹窄，或低血流量增加支架內(nèi)血栓形成風險[25]。改善毛細血管密度可能是治療動脈粥樣硬化的靶點。GAN等[26]對43例2型糖尿病患者皮內(nèi)注射編碼VEGF-A165的化學修飾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)毛細血管稀疏的疾病如杜氏肌營養(yǎng)不良癥[25]。GHOSH等[27]評價不同成像幀頻、圖像采集時長和不同大小、濃度的微泡對小鼠后肢內(nèi)收肌群微血管USRMI的影響，結(jié)果顯示幀頻大于20 fps、圖像采集時長8 min和微泡濃度2.5×107個獲得的圖像質(zhì)量較好。骨骼肌微血管對胰島素反應減弱是2型糖尿病和肥胖導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對肥胖小鼠行后肢內(nèi)收肌群近端造影，證實存在胰島素反應減弱、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間-微泡曲線與超聲造影的時間-強度曲線的血管參數(shù)，發(fā)現(xiàn)USRMI具有評估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)介導病理生理改變對了解代謝性疾病的發(fā)生發(fā)展機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、預測腫瘤侵襲和轉(zhuǎn)移、評估治療效果及預后等[13-14]。KANOULAS等[12]以 3.5 MHz經(jīng)直腸探頭、幀頻10 Hz對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)果存在相關性。評估淋巴結(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具有檢測淋巴結(jié)病變的潛力。下一步將通過免疫組織化學對比等研究[12，29]挖掘血管USRMI特征，篩選可用于評估腫瘤的理想?yún)?shù)[13]。

OPACIC等[13]以40 MHz探頭對3種荷瘤大鼠行運動模式超分辨率成像，并與顯微CT及免疫組織化學結(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3例乳腺癌患者行USRMI，發(fā)現(xiàn)化學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)測化學治療乳腺癌效果。

腫瘤血管多呈不規(guī)則分布，三維成像可提高檢測微血管功能障礙的能力，對微血管變化更敏感[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挑戰(zhàn)，如采集時間長、數(shù)據(jù)量大、超分辨率逐平面檢查可操作性過低、難以實現(xiàn)準確立體檢測血管等[4]，應首先致力于在有限時間內(nèi)監(jiān)測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)時間較微泡長，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，可對微血流行超分辨率成像，并評估及監(jiān)測其狀態(tài)，有利于闡明疾病發(fā)生、發(fā)展機制，為診療決策及評估預后提供依據(jù)。目前對于USRMI參數(shù)尚無統(tǒng)一標準。另外，微循環(huán)體量龐大、結(jié)構(gòu)復雜，圖像采集時間較長，超聲造影與人工智能技術的結(jié)合，進一步提高圖像處理和人工智能技術是未來重要發(fā)展方向。隨著上述問題的逐步解決，USRMI將展現(xiàn)出廣闊的臨床應用前景。