CFREE-uPIV：一种无对比剂、可提升分辨率的超声粒子图像速度测量技术，用于快速检测微血管血流情况

《Ultrasonics》：CFREE-uPIV: A contrast-free resolution-enhanced ultrasound particle image velocimetry for rapid microvascular flow imaging

　　赵云龙|张佳斌|陈代超|尹静怡|夏宇|余浩|侯新林|张珏中国北京北京大学高级跨学科研究学院摘要微血管血流动力学异常与多种疾病的发病及进展密切相关，且往往先于明显的临床症状出现，这凸显了对其早期定量评估的重要性。然而，现有的方法，以超声定位显微镜为代表，受制于对造影剂的需求以及漫长的数据采集时间，限制了其在包括孕妇和婴儿在内的特殊人群中的应用。为解决这一难题，我们提出了一种基于均值漂移理论和超声斑点追踪的新型血流成像框架CFREE-uPIV。通过构建能够表征血液散射粒子运动的高分辨率斑点场，并追踪连续时间帧中的斑点动态，CFREE-uPIV无需造影剂即可生成高分辨率的矢量流场，精准捕捉最重要的血流动力学参数之一——多尺度血流速度。在大鼠体内的实验表明，CFREE-uPIV能有效提升无造影剂超声成像的分辨率（约40微米），并实现快速准确的矢量流速估算。在缺氧缺血性脑病模型中的进一步验证，凸显了其在检测病理性血流改变方面的临床应用潜力。总体而言，本研究为快速、无造影剂地评估微血管血流动力学提供了一种新方法。引言近年来，越来越多的证据表明，微血管血流动力学的异常与多种疾病的发病及进展密切相关。例如，阿尔茨海默病和帕金森病等神经退行性疾病，常常伴随着患处脑区的脑灌注降低以及微血管流动调节功能受损[1][2]。除了中枢神经系统外，微血管血流动力学功能障碍也被认为是心血管疾病[3][4]和肾脏疾病[5]发展及进展的关键因素，且与心血管疾病相关死亡风险的增加密切相关[6][7]。值得注意的是，血流动力学本质上是动态的，会随时间变化，因此难以通过单一点的静态观察来准确描述[8][9]。此外，血流动力学紊乱往往在疾病发展的早期阶段就会出现，早于其他临床症状的出现[1][2][10]。因此，监测并定量评估微血管血流动力学的动态变化，对于早期识别高风险人群以及制定旨在改善临床结局的针对性治疗策略至关重要（见图1）。目前，超声成像是临床评估血流动力学最常用的方法，而血流速度则是最常用的血流动力学参数[11][12][13][14]。然而，传统超声技术存在帧率低、时空分辨率不足以及灵敏度差等问题[14][15][16]，这导致它们容易错过检测血流异常的最佳早期时机。近年来，基于多角度平面波相干叠加的超快超声成像技术取得了重大突破，显著提升了血流成像的质量[16][17][18]。该技术能够实现更高的帧率、更好的时空分辨率以及更高的流量测量灵敏度[19][20]，有望成为动态评估微血管血流速度、促进早期诊断和干预的强大工具。在超快超声技术的基础上，人们开发出了多种用于评估微血管血流速度的方法。彩色多普勒血流成像通过基于自相关的相位估计算法来确定血流方向，但它只能提供沿超声束方向的单一速度分量[16][21][22][23]。矢量多普勒成像则通过在多个角度获取数据，结合几何重建方法，从而获得不同方向上的速度分量，进而估算矢量流场[24][25][26]。不过，CDFI和VDI都依赖于相位偏移原理，因此其可测量的速度范围受到奈奎斯特采样定理的限制，且本质上仍与角度有关[27][28][29]。此外，这两种技术的空间分辨率也从根本上受到衍射极限的限制[15][16]。因此，这些基于多普勒的血流成像方法无法可靠地捕捉微血管级别的血流速度信息，从而限制了它们在疾病早期诊断和风险分层中的应用。超声造影剂的引入，如微气泡，部分解决了上述限制，由此出现了超声定位显微镜等技术。通过精确定位和追踪分布稀疏的微气泡，ULM能够实现超越衍射极限的微血管超分辨率超声成像[30][31]，同时还能提供矢量流信息。此外，一种更为先进的ULM形式——动态ULM，能够在保持传统ULM优点的同时，以亚波长分辨率捕捉血流速度和脉动指数等血流动力学信息[32][33][34][35]。然而，ULM和DULM依赖于稀疏的微气泡分布，这就需要较长的数据采集时间[15][36][37]。超声粒子图像测速技术也利用稀疏微气泡，通过基于快速傅里叶变换的互相关匹配技术，能够快速估算矢量流场。不过，它的空间分辨率仍受衍射极限的限制[38][39][40]，难以分辨微血管级别的血流速度。为缓解数据采集时间与空间分辨率之间的矛盾，人们提出了改进型超声粒子图像测速技术E-uPIV[41]。通过使用高浓度微气泡，重建高分辨率的微气泡轨迹，再进行uPIV分析，E-uPIV能够实现微血管的高分辨率成像以及矢量流场的动态评估。然而，在临床检查中，某些人群使用超声造影剂是禁忌或不被推荐的，包括有严重过敏反应的人群，以及孕妇和婴儿[42][43][44][45]。因此，如何在无造影剂条件下实现快速、高分辨率的矢量流成像仍然是一个重要挑战。尽管E-uPIV适用于微气泡浓度较高的情况，但在无造影剂条件下，散射粒子的浓度甚至高于高微气泡浓度环境，这使得E-uPIV不适合用于无造影剂成像。相比之下，均值漂移超分辨率技术是一种光学超分辨率成像方法，既适用于荧光团密度较低的情况，也适用于较高密度的情况。通过计算均值漂移向量，MSSR能够生成荧光团估计值的概率分布，从而优化图像的空间分布，实现超分辨率重建。此外，MSSR还具有很强的去噪能力，且不会产生明显的伪影。受E-uPIV的启发，本研究试图将MSSR与uPIV相结合，从而在提升无造影剂超快超声图像分辨率的同时，实现快速的微血管矢量流成像。为此，我们首先利用均值漂移处理技术构建高分辨率斑点场，以捕捉血液散射粒子的运动特征。随后，通过集成互相关分析技术，对连续时间帧中的斑点进行追踪。在此基础上，我们提出了一种无造影剂条件的快速微血管矢量流成像方法，称为无造影剂增强分辨率超声粒子图像测速技术CFREE-uPIV。为了验证CFREE-uPIV的有效性，我们在新生大鼠的脑血流成像方面进行了实验，并与作为无造影剂矢量流成像参考标准的VDI进行了对比分析。实验结果表明，CFREE-uPIV能够有效提升无造影剂超声图像的分辨率，并实现快速矢量流评估。我们还在新生大鼠的缺氧缺血性脑病模型中对该方法进行了进一步测试[47]，进一步证明了CFREE-uPIV在临床前研究中的潜在价值。章节节选动物准备与模型建立在本研究中，我们使用健康大鼠来验证CFREE-uPIV的可行性和有效性。此外，我们还建立了缺氧缺血性脑病的大鼠模型[47][48]，这是新生儿脑损伤中最常见的类型[49][50]，旨在探讨CFREE-uPIV在临床前研究中的应用价值。具体而言，实验选用出生后第5天的Sprague–Dawley系新生大鼠（雄性，体重12–17克）。在超声扫描过程中，这些新生大鼠通过异氟烷麻醉（诱导剂量为3.0%）。CFREE-uPIV生成的矢量流场在无造影剂条件下，我们使用超快超声技术对出生后第5天新生大鼠后囟附近的脑血流进行了成像，并通过CFREE-uPIV进行处理。图2A展示了CFREE-uPIV生成的分辨率提升后的矢量流场。该流场由彩色箭头表示，红色箭头表示朝向换能器的血流，蓝色箭头表示远离换能器的血流，箭头的方向则表示血流的矢量方向。讨论在无造影剂条件下实现快速、准确的微血管血流动力学评估，长期以来一直是临床领域的迫切需求，同时也是一项重大的技术挑战[66][67][68][69]。在本研究中，我们通过将均值漂移理论[55][56]与超声斑点追踪技术[63][64]相结合，开发出了CFREE-uPIV，从而实现了无需造影剂即可快速、高分辨率地获取矢量血流图像。体内实验结果表明，CFREE-uPIV能够提升空间分辨率。结论基于均值漂移理论和超声斑点追踪技术，本研究提出了一种新的血流成像方法CFREE-uPIV。通过将MSSR与uPIV相结合，CFREE-uPIV能够在无造影剂条件下生成高分辨率的矢量流场，精准反映最重要的血流动力学参数之一——多尺度血流速度。在大鼠体内的实验表明，CFREE-uPIV能够有效提升无造影剂超声图像的空间分辨率。CRediT作者贡献说明赵云龙：撰写——初稿、软件、方法学、研究实施、概念构思。张佳斌：撰写——审阅与编辑、指导、方法学、概念构思。陈代超：软件、研究实施。尹静怡：软件、研究实施。夏宇：软件、研究实施。余浩：软件、研究实施。侯新林：撰写——审阅与编辑、指导、资金获取。张珏：撰写——审阅与编辑、指导、资金获取。利益冲突声明作者声明自己不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。致谢本研究得到了北京大学-吉林大学医学与数据工程联合实验室、北京市生物医学成像实验室、北京市教育委员会、国家自然科学基金项目（82471745）、北京市高层次创新创业人才支持计划-医疗健康领域领军人才项目（70062501）以及宁夏自治区国家重点研发计划（2024BEG01002）的支持。作者们对张琳女士的帮助表示衷心的感谢。