超声剪切波弹性成像技术对成年人中脑硬度的定量评估研究

刘银龙 吴 刚 朱好辉 朱丽敏

河南省人民医院 郑州大学人民医院，河南 郑州 450003

剪切波弹性成像(shear wave elastography，SWE)是一种全新的超声成像技术，它能够提供组织硬度的信息[1-2]，临床工作中可通过检测一些组织的弹性模量值来推算这些组织的硬度，通过分析组织硬度属性的变化对某些疾病进行早期诊断或对病情严重程度进行评估。由于具有简便、无创、实时、可重复测量等优点，SWE技术被广泛应用在乙型病毒性肝炎肝纤维化分期的诊断及乳腺、甲状腺肿块良恶性的鉴别诊断，但此技术在中脑的应用未见报道。近年来利用经颅彩色多普勒超声(TCCD)观察脑实质和脑血管方面的研究备受关注，经颅彩色多普勒超声被用于监测脑炎、脑水肿、脑中线移位、脑血管狭窄或闭塞等方面，同时TCCD对某些颅内一些脑组织结构的识别也较准确，目前国内外也用于观察帕金森病人黑质回声强弱、测量强回声面积大小来判断中脑黑质的功能状态，并帮助诊断和鉴别诊断原发、继发帕金森综合征和帕金森叠加综合征等运动障碍性疾病[3-6]。若能借助经颅彩色多普勒超声通过弹性成像技术获得中脑硬度的信息，这对中脑病变的研究会有一定的帮助。本研究旨在借助经颅彩色多普勒超声探查中脑并通过剪切波弹性成像技术获取健康成人的中脑弹性模量值，分析在不同操作者、性别、年龄等因素情况下中脑杨氏模量值的差异，为弹性成像技术在中脑病变的进一步应用奠定基础。

1 资料与方法

1.1一般资料选取2018-01—2019-06于河南省人民医院接受健康检查的258例健康成人，其中14例中脑超声不能清晰显像，未纳入本次样本中。最后进入统计数据244例，年龄18～75岁，平均48.2岁；男126例，女118例。受检者均无脑部疾病史，无高血压、糖尿病，体重指数18.5～30 kg/m2。所有检查均于受检者及家属知情同意后完成。按照性别分为男性组、女性组。按年龄分为3组，青年组 85例，年龄18～40岁；中年组81例，年龄41～59岁；老年组78例，年龄60～75岁。

1.2方法采用Philips EPIQ 5彩色多普勒超声诊断仪，选择C-1探头，频率5～10 MHz，穿透深度16 cm。嘱受试者取仰卧位，头转向一侧，操作者将探头放置于受试者的颞窗区域，沿眶耳线水平扫描中脑的横断面，显示的中脑位于图像中间部位，呈蝴蝶状。图像亮度及时间增益补偿根据需要调整。对每位受检者中脑进行弹性成像检查，选择“Elasto”模式启动超声剪切波，将取样框置于中脑，深度5～6 cm，取样框Q-BOX大小尽量固定一致，嘱受检者屏住呼吸，待图像稳定之后测量中脑部位的杨氏模量值，同一受检者均重复测量5次，取平均值记录。在本研究样本中随机选取25例能清晰显示中脑的受检者，由两位高年资、有经验的医生分别测量中脑杨氏模量值。

2 结果

2.1中脑SWE探查成功率258例健康成人中脑超声弹性成像探查成功率94.6%(244/258)，其中男性探查成功率97.7%(126/129)，女性探查成功率91.5%(118/129)。11例女性、3例男性因声窗限制不能显示中脑图像，未能探查出中脑弹性值。

2.2不同操作者中脑杨氏模量值比较两名超声医生对本次样本中随机选取的25例能清晰显示中脑的受检者中脑杨氏模量值分别为(4.66±0.92)kPa、(4.63±0.94)kPa，两者比较差异无统计学意义(t=0.494，P>0.05)。见图1。

2.3不同性别组中脑杨氏模量值比较男性组、女性组中脑杨氏模量值分别为(4.68±0.91)kPa、(4.63±0.91)kPa，2组比较差异无统计学意义(t=0.378，P>0.05)。见图2。

图1 A：医师测量的一受检者中脑SWE杨氏模量值5.22 kPa；B：另一医师测量的同一受检者中脑SWE杨氏模量值5.00 kPaFigure 1 A：subject image of SWE mesencephalon Young’s modulus showed 5.22 kPa measured by a physician；B：Image of SWE mesencephalon Young’s modulus of the same subject measured by another physician showed 5.00 kPa

图2 A：男性组受检者中脑SWE杨氏模量值5.05 kPa；B：女性组受检者中脑SWE杨氏模量值5.22 kPaFigure 2 A：Image of SWE mesencephalon Young’s modulus showed 5.05 kPa in the male group；B：Image of SWE mesencephalon Young’s modulus showed 5.22 kPa in the female group

2.4不同年龄组中脑杨氏模量值比较青年组、中年组、老年组中脑杨氏模量值比较差异有统计学意义(F=3.193，P=0.000)。见表1。青年组、中年组中脑杨氏模量值比较差异有统计学意义(t=-10.242，P<0.05)，青年组、老年组中脑杨氏模量值比较差异有统计学意义(t=-17.668，P<0.05)，中年组、老年组中脑杨氏模量值比较差异有统计学意义(t=-7.207，P<0.05)。见图3。

2.5年龄与中脑杨氏模量值之间的相关性分析中脑杨氏模量值与年龄呈正相关(r=0.865，P<0.01)。见图4。

表1 各年龄组中脑杨氏模量值

图3 A：青年组中脑SWE杨氏模量值3.72 kPa；B：中年组中脑SWE杨氏模量值4.17 kPa；C：老年组中脑SWE杨氏模量值5.42 kPaFigure 3 A：Image of SWE mesencephalon Young’s modulus showed 3.72 kPa in the youth group；B：Image of SWE mesencephalon Young’s modulus showed 4.17 kPa in the middle aged group；C：Image of SWE mesencephalon Young’s modulus showed 5.42 kPa in the old aged group

3 讨论

一些神经系统疾病，如苍白球-黑质色素变性及帕金森病等的发生与铁的异常沉积有关[7-8]，可引起中脑神经轴索损害、细胞变性及空泡形成[9]，损害中脑的正常功能并促使细胞坏死，这些病理变化可能会引起中脑纤维化增多，进而导致中脑硬度的改变。如果通过检测中脑硬度的改变能早期发现这些疾病，将为临床预防和控制这些疾病带来一些帮助。本研究应用剪切波弹性成像(SWE)技术测量健康成年人中脑硬度值，并分析测量中脑硬度的影响因素，期望为疾病状态下中脑硬度改变的研究奠定一些基础。

剪切波弹性成像的基本原理是声源振动产生的声波在传播过程中会产生辐射力，该辐射力可使受检测的组织粒子发生横向振动形成剪切波，通过检测该剪切波的速度获得被检测组织的硬度[10-14]，即组织弹性绝对值——杨氏模量值(E=3ρc2)，其中E是杨氏模量，c是剪切波传播的速度，ρ是组织的密度，人体组织密度可设定为1 000 kg/m3。剪切波传播速度和组织硬度密切相关，通过测量剪切波传播速度即可算出组织弹性值[15-18]。组织质地越硬，弹性值越大，组织质地越软，弹性值越小[19-20]。

由于SWE是在二维超声的基础上对感兴趣区域进行弹性测定的，其测量依赖于颅内二维超声图像的显示[21-24]。有研究报道亚洲人中15%～30%的人因颞窗穿透不良而不能检测到中脑黑质，尤其是绝经后雌激素分泌减少的老年女性，出现颞窗穿透不良的情况较同龄男性更多见[13-14]。本次研究部分受检者受颅骨声窗的影响和限制，颅内二维图像不能显示，未能探查出中脑弹性值，中脑超声弹性成像探查成功率94.6%，男性探查成功率略高于女性；探查不成功者也多发生在中年组和老年组女性，与以往研究结果相似。

有研究提示部分颅内结构超声显示不良，是受所使用仪器和调节对分辨率的影响，与检查者操作技巧和熟练度等有关[25-30]。本次研究中两名医师分别测量了一些受检者中脑杨氏模量值，检查结果差异无统计学意义，说明不同的操作者对SWE杨氏模量测值影响不大。但本次研究比较的是两位高年资、有经验的医师检测之间的差异，不同年资、不同经验医师之间检测有无差异尚待进一步研究。本次研究还发现男性组与女性组中脑杨氏模量值差异无统计学意义，与其他研究者运用实时剪切波弹性成像技术测量健康成人发现性别对测值无影响结果类似，在综合评价中脑硬度时性别因素对杨氏模量值的影响可以忽略。

神经细胞死亡的3种机制为兴奋性毒性、氧化应激及代谢障碍，它们可以独立或相互作用导致大脑神经退行性变的发生[31-34]。在增龄过程中伴随中脑神经纤维数量减少、髓鞘的脱失、神经纤维变短、有髓轴突的消失、神经纤维排列紧密程度下降及细胞外间隙扩大等[15，35-37]，这可导致中脑内的氧化应激、兴奋性神经毒性及代谢障碍的发生，引起神经细胞凋亡。

本研究发现各年龄组中脑杨氏模量测值不同，3组间差异有统计学意义，而且随年龄增加，中脑的杨氏模量值有不断增高的趋势，分析原因可能与神经细胞凋亡因素有关，随着年龄的增加，自身代谢因素的影响和(或)各种外界的一些因素影响，中脑一些神经细胞凋亡，胶原变性，纤维化增多，导致中脑硬度的增加。

本次研究存在一些不足，因Elasto PQ无法评估深度超过7 cm的组织弹性，对于部分头颅左右径较大，中脑较深的人弹性感兴趣区不能完全包括中脑组织，测量中脑杨氏模量值不准确。另外，取样框大小随取样深度不同会自动变化，无法调节，测量会存在一定偏差。以上局限性尚待进一步的研究来解决问题。本研究样本中老年组3例男性需要不断调整取样框在中脑的位置及角度，或换到另一侧颞窗探查才能测出杨氏模量值，何种原因尚未清楚。

SWE技术可以用来检测成年人中脑的杨氏模量值，可以相对客观地反映组织的硬度，定量分析评价中脑硬度，随着技术的不断推广和临床实践经验的积累，将对临床早期发现或评估中脑病变提供一些帮助。