剪切波弹性成像评价离体猪肝微波消融实验的初步研究

张植兰　ZHANG Zhilan朱才义　ZHU Caiyi马春燕　MA Chunyan

剪切波弹性成像评价离体猪肝微波消融实验的初步研究

张植兰ZHANG Zhilan朱才义ZHU Caiyi马春燕MA Chunyan

作者单位
中南大学湘雅医学院附属海口医院超声医学科 海南海口 570000

目的 微波消融术已广泛用于临床，但目前尚无较好的能够术中或术后即刻评估疗效的方法，本文探讨剪切波弹性成像对其评估的价值。材料与方法 对30个离体猪肝进行微波消融，在消融过程中对4个特殊位置（a、b、c、d点）进行实时电子测温，消融前后分别行弹性检查，对不同消融部位行病理学检查，并对4个位点在消融结束即刻的温度值与杨氏模量值进行相关性分析。结果 术后各点之间的温度值及弹性值比较，差异有统计学意义（P＜0.01）；c点术前、术后的剪切波弹性成像杨氏模量值比较，差异有统计学意义（P＜0.01）；而d点术前、术后的剪切波弹性成像杨氏模量值比较，差异无统计学意义（P＞0.05）。消融即刻消融灶内的杨氏模量值与温度值从消融灶中心向消融灶边缘呈同一趋势递减，两者呈线性回归和相关，回归系数1.15，相关系数0.948。当以22.5 kPa为消融灶边界组织凝固性坏死的弹性阈值时，鉴别组织凝固性坏死与否的敏感度和特异度分别为86.7%、73.3%，阳性预测值为0.823。结论 a、b点为消融的有效区域，c点为模糊区域，d点为安全区域；a、b、c、d点的温度值与弹性值呈同一趋势递减；消融灶边界组织凝固性坏死的弹性阈值为22.5 kPa。剪切波弹性成像可以较准确地评估离体猪肝微波消融效果。

肝；微波；导管消融术；超声检查，多普勒，彩色；弹性成像技术；体外研究；猪

目前公认的消融“安全边界”为0.5～1.0 cm［1］，但在临床实际消融过程中，很难较好地把握此“安全边界”。因此，微波消融术中及术后及时准确地监测治疗范围及评估疗效尤为重要。增强CT/MRI一度被认为是评估疗效的“金标准”，但是增强CT/MRI费用较高，不适合消融治疗后的即刻疗效评价，且不宜短期反复应用；超声造影是目前最常用的术中及术后即刻评估消融灶范围的方法，但其价格较高，且部分患者可能出现造影剂过敏。剪切波弹性成像（shear wave elastography，SWE）是近年兴起的一种评估方法，具有实时、简单、无创等优点，SWE可准确反映微波消融术中凝固坏死的范围［2］。本研究旨在进一步探讨SWE所测得的杨氏模量值与消融区域内的温度值之间的关系，以及消融灶边界组织凝固性坏死的弹性阈值。

1　材料与方法

1.1实验材料 由市场购置的同一猪场所宰杀的同一品种（2012BAI39B04）的厚度3～5 cm的新鲜猪肝30块，离体后6 h内送到实验室。

1.2仪器与方法 采用Aixplorer全数字化彩色多普勒超声波诊断仪（Supersonic Imagaing，法国），具有超高速SWE模式，使用SC15-4线阵探头，探头频率4～15 MHz。ECO-100B型超声引导微波凝固治疗仪（南京亿高公司），微波发射频率为2450 MHz，治疗功率30～70 W。微波凝固治疗仪具有双路输出，可同时进行双针治疗。用常温生理盐水200 ml作为冷却源，通过进、出水管与水冷式微波电极之间构成闭合式循环通路。水冷式防粘微波天线，总长150 mm，天线裸露段长30 mm，直径2.0 mm。2 cm×140 cm的圆头测温针（南京亿高公司），针尖部位为测量敏感区域，一共4根，与测温仪相连接，可从测温仪上实时读取测温针所在部位的温度，分别命名为a、b、c、d针。DM6801A数字温度表（深圳市胜利高电子科技有限公司），由3 V电池驱动，31/2位数字液晶显示，仪表测量温度范围宽、精度高，可以使用任意K型热电偶作为温度传感器，一共4台，与测温针对应，分别标记为a、b、c、d。

1.3实验器械 长约50 cm、宽约40 cm的木制手术台，不锈钢治疗盘，特制的间距为0.5 cm的放置微波天线及测温针的卡槽，手术刀及毫米尺。

1.4实验方法

1.4.1预实验 在与正式实验同等条件下，对离体猪肝施行不同时间-功率组合的微波消融，术后紧贴微波天线平面切开大体标本，用毫米尺测量此平面上消融灶的最大横径。本研究消融参数取最大横径为2 cm时的消融参数，即功率30 W，持续治疗时间6 min。

1.4.2微波消融前 实验室温度控制在25℃。将新鲜猪肝放置于木制实验台上，拟定消融区域，分别测量区域内a、b、c、d各点的杨氏模量值和温度值。再在超声引导下将微波天线及测温针在同一平面沿特制卡槽水平插入消融区域的相应位点，即a、b、c、d点，分别为消融灶中心点、消融灶中心与边界连线的中点、消融灶边界点、距消融灶外0.5 cm处的正常组织点，由于本研究采用消融灶最大横径为2 cm的消融参数，故a、b、c、d点各点之间的距离均为0.5 cm。

1.4.3微波消融 微波天线距猪肝表面至少1.5 cm，进针深度2 cm，功率30 W，消融持续时间6 min。

1.4.4微波消融术后即刻 记录各位点的温度值，然后退出微波天线及测温针，测量相应位点的杨氏模量值。

1.5不同消融部位病理学检查 由于前期试验［2］已经证实a点的组织为溶解性坏死，b点为局灶性坏死，故本研究着重对c、d位点进行病理分析。切开大体标本后将消融灶内c、d位点处的组织用10%中性甲醛固定，然后石蜡包埋，切片，HE染色，于光学显微镜下观察。

1.6统计学方法 采用SPSS 21.0软件，计量资料采用表示，术前、术后的杨氏模量值比较采用单因素方差分析；术后各位点的温度差异和弹性差异采用随机区组方差分析；对杨氏模量平均值与温度值之间的关系进行直线回归和相关分析，对回归系数和相关系数采用随机区组方差分析，P＜0.05表示差异有统计学意义；以病理结果为“金标准”，绘制c区域杨氏模量平均值的受试者工作特征（ROC）曲线，计算曲线下面积，取得最合适的消融灶边界组织凝固性坏死的杨氏模量平均值阈值。

2　结果

共制备了36个消融灶，其中30个结果可靠。各位点的剪切波弹性图像见图1。

2.1温度分析 未消融前，a、b、c、d点的温度值分别为（23.0±0.3）℃、（25.1±0.3）℃、（24.8±0.3）℃、（25.3±0.5）℃，术后即刻a、b、c、d点的温度值分别为（124.4±0.6）℃、（110.7±0.5）℃、（66.2±0.6）℃、（36.5±0.8）℃，呈梯度性递减趋势，术后即刻a、b、c、d各点之间的温度两两比较，差异有统计学意义（P＜0.001）。

图1　离体猪肝消融术即刻各位点剪切波弹性图像

2.2弹性分析 未消融前，a、b、c、d点的杨氏模量值分别为（8.77±0.39）kPa、（8.78±0.41）kPa、（8.93± 0.44）kPa、（9.01±0.46）kPa，术后即刻a、b、c、d点的杨氏模量值分别为（118.21±7.44）kPa、（72.87± 10.71）kPa、（29.46±4.77）kPa、（9.13±1.71）kPa。微波消融术后即刻a、b、c点杨氏模量值均高于微波消融术前，差异有统计学意义（P＜0.001）；d点微波消融术前后差异无统计学意义（P＞0.05）；另外，再对术后即刻a、b、c、d各点的杨氏模量值进行分析，两两比较，差异均有统计学意义（P＜0.001）。

2.3温度分布与弹性分布之间的关系 以SWE测得的杨氏模量值为因变量Y，温度值为自变量X，来阐述温度衰减与硬度回落之间的趋势变化是否一致及其关联程度（图2）。得到回归方程Y=1.15X-39.69，回归系数1.15，相关系数0.948，决定系数R2=0.899，表明消融区域内杨氏模量平均值的变化89.9%可用温度变化来解释。

图2　离体猪肝消融术后温度与杨氏模量值的相关性

2.4不同消融部位病理结果 消融术后，a点处组织溶解性坏死，b点处组织局灶性坏死，c点处组织部分凝固性坏死、部分充血水肿，d点处组织肝窦稍扩张，肝小叶结构完整（图3、4）。

图3　离体猪肝微波消融术后即刻c点部分组织为凝固性坏死，部分组织充血性水肿（HE，×100）

2.5关于消融灶边界（c区域）组织凝固性坏死的弹性阈值分析 应用ROC曲线评价微波消融灶边界组织凝固性坏死的杨氏模量平均值及其敏感度、特异度，选择ROC曲线左上方点，即约登指数达到最大的切点作为最佳临界点。杨氏模量平均值最佳诊断界点为22.5 kPa，即＞22.5 kPa为凝固性坏死区，≤22.5 kPa为充血水肿区，敏感度为86.7%，特异度为73.7%，ROC曲线下面积为0.823。见图5。

图4　离体猪肝微波消融术后即刻d点肝窦稍扩张，肝小叶结构完整（HE，×100）

图5　离体猪肝消融术后即刻c位点的ROC曲线，曲线下面积为0.823

3　讨论

1994年Seki等［3］首次将微波凝固疗法应用于18例微小肝癌患者，结果发现，17例患者治疗后既无肿瘤局部复发，也无严重并发症发生，由此开启了微波消融治疗肿瘤的先河。近年来，由于微波消融疗法方便快捷，在门诊治疗室或者手术室即可进行操作，而且因其热场分布均匀、热效率高、安全稳定、创伤小、出血少、可使肿瘤原位完全灭活等优势得到了临床的普遍认可及广泛推广［4］，成为目前治疗肿瘤的重要手段之一。肿瘤组织的灭活与否不仅取决于温度的高低，还与其持续时间长短有关，当肿瘤组织内温度达到42～45℃时，对化疗与放疗的敏感性增高；温度达到50～55℃时持续4～6 min组织即可出现凝固性坏死，到60～100℃时则立刻发生凝固性坏死；若＞100℃则组织会出现气化或炭化［5］，因此，有效监测微波消融术中的温度及持续时间能更好地控制消融灶的范围，使其既能完全覆盖肿瘤组织，又尽量减少周围正常组织的损伤。但在临床实际应用中，由于测温针的监测属于有创检查，不适宜推广使用，因此，寻求一种简便、可靠的评估技术至关重要。

SWE是利用快速发射的声辐射力脉冲产生线性振源，在组织不同深度上连续聚焦而对组织施加激励，因线性点激励振源产生的速度比剪切波速度还快，故称为超高速激励，由于“马赫锥”原理，被聚焦部位的组织粒子因高效振动而产生横向剪切波，再利用特殊的超高速超声成像技术追踪剪切波传播路径上各点的位移，然后利用这些位移的时空分布图计算出组织的弹性模量，即杨氏模量值，杨氏模量值的计算公式为E=3ρc2［6］，单位为kPa，其中E为杨氏模量值，ρ为组织密度，c为剪切波的传播速度；E越大，说明剪切波传播速度越快，组织的硬度越大。SWE是一种相对客观的定量评价指标，可以较好地反映组织的弹性特征。关于SWE在热消融方面的应用已有报道，如Pareek等［7］认为其可用于肾脏射频消融术中的实时监测；纪莉等［8］认为SWE可基本反映甲状腺结节射频消融术后即刻消融灶的范围；Wiggermann等［9］认为实时超声弹性检查可以作为常规的热消融治疗监控手段等，本课题前期研究也表明，SWE能够定量分析微波消融前后组织的硬度变化，评价微波消融即刻凝固灶的范围具有可行性［9］。但最近Correa-Gallego等［10］认为组织弹性成像不能反映微波消融中细胞的损伤水平，甚至会低估消融灶的大小。

本研究表明，微波消融区域内的温度由中心向边缘呈梯度性的降低，这与既往研究结果一致［11］。其次，c点术前与术后的杨氏模量平均值比较，差异有统计学意义（P＜0.001）；而位于消融灶外的d点，术前与术后的杨氏模量平均值比较，差异无统计学意义（P＞0.05），这充分证实了前期研究所得出的结论，即SWE可以定量反映消融灶内组织的硬度特征。另外，大体标本的病理结果显示，a点组织溶解性坏死，b点组织局灶性坏死［2］，c点组织部分凝固性坏死、部分充血水肿，d点组织结构完整。温度测量显示，a、b两点的温度及时间均超过使组织凝固性坏死的温度和时间阈值［2］，c点温度值已达到坏死阈值但持续时间不足，d点组织温度较正常组织略有升高，但远未达到坏死的阈值；SWE显示，a、b、c点的组织在微波消融术后弹性较术前明显增加（P＜0.001），而d点的组织术前与术后差异无统计学意义（P＞0.05），弹性测量与温度测量高度相关，可以通过弹性测量来代替温度测量对消融情况进行评估，且SWE对消融情况的评估准确可靠，a、b点为绝对有效消融区域，c点为消融模糊区域，而d点为安全区域。本研究以病理结果为“金标准”绘制ROC曲线，得到消融灶边界的弹性阈值为22.5 kPa，即当SWE杨氏模量值达到22.5 kPa时，组织即已发生凝固性坏死，此结论与既往研究结果略有差别［12］，可能因在体组织与离体组织的弹性值存在一定的差异，但其具体原因尚未明了，有待进一步研究。另外，在进行术后SWE测量时，弹性图像在横径上的显示较纵轴上更好，具体原因有待进一步研究。

总之，离体猪肝微波消融术后消融灶内的弹性分布与温度分布具有方向一致的梯度变化；消融灶边界组织凝固性坏死的弹性阈值为22.5 kPa；SWE能够定量分析微波消融前后消融灶的硬度变化，有助于评估微波消融的疗效，有望成为微波消融术中监测的手段。但是本研究也存在一些不足之处，例如，对于消融灶边界的弹性值来讲，是对正常猪肝组织的离体实验，而当SWE应用于临床时，应考虑在体组织的弹性值与离体组织可能存在差异，另外肿瘤组织的组成成分与正常组织不同，其弹性值也可能会发生变化；其次，本研究固定了消融灶的大小，而在临床实际应用时，需根据肿瘤的范围来调整消融灶的大小，对于较大的消融灶，SWE的成像效果是否一致，尚待进一步研究。因此，本课题组下一步的研究工作是在动物模型上进行在体实验，进一步探讨SWE对微波消融术的评估价值。

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（本文编辑周立波）

Preliminary Study of Shear Wave Elastography in Evaluating Microwave Ablation of In Vitro Pork Livers

Purpose Although microwave ablation has been widely used for clinical purposes， assessment of intra- or post-operative efficacy still keeps controversial. The purpose of this study is to explore the significance of shear wave elastography in evaluating microwave ablation of in vitro pork livers. Materials and Methods Microwave ablation was performed on 30 in vitro pork livers. Real temperature was measured at four （a， b， c and d） special sites during ablation. Elastic examination was made before and after ablation. Pathological examination was performed at the different ablation locations. Correlation between temperature and young modulus of the 4 sites was analyzed at the end of ablation. Results There was a statistic difference between the temperature and elastic value of each point after ablation （P＜0.01）. Young modulus values of site c were different before and after procedure （P＜0.01）， but not at site d （P＞0.05）. The mean young modulus values and temperature determinations decreased gradually from the central to the peripheral area after ablation. There were linear regression and linear correlation between the temperatures and the mean young modulus with coefficient of regression of 0.948 and correlation coefficient of 1.15. The sensitivity and specificity at the threshold of 22.5 kPa for detecting tissue necrosis were 86.7% and 73.3%， respectively， and the positive predictive value was 0.823. Conclusion Site a and b are the effective areas of ablation， while site c is the fuzzy region，and site d is the safe area. The young modulus values and temperature for the 4 different sites decreased gradually from site a to site d. The elasticity threshold of the coagulation necrosis is 22.5 kPa. Shear wave elastography could quantitatively evaluate the effect of microwave ablation in vitro pork livers.

Liver； Microwaves； Catheter ablation； Ultrasonography， Doppler， color； Elasticity imaging techniques； In vitro； Swine

10.3969/j.issn.1005-5185.2016.09.003

朱才义

Department of Medical Ultrasound， Central

South University Xiangya Medical School

Affiliated Haikou Hospital， Haikou 570000，China

Address Correspondence to: ZHU Caiyi E-mail: zhucaiyi56@163.com

R445.1；R454.1

2016-02-07

2016-03-21

中国医学影像学杂志

2016年 第24卷 第9期：650-653，657

Chinese Journal of Medical Imaging 2016 Volume 24 （9）: 650-653， 657