超快多普勒联合定量超声成像技术无创监测脂肪肝动态准确率高达92%
2025-12-24 来源:本站 点击次数:83脂肪肝疾病（Steatotic Liver Disease, SLD）是一种全球流行的慢性肝病，影响着超过30%的世界人口，其早期诊断和持续监测对预防病情恶化至关重要。传统超声成像（USI）虽广泛应用，但存在灵敏度低、特异性差及观察者变异性大等问题。本研究发表在《Nature Communications》上，题为“3D multiparametric ultrasound imaging of steatotic liver disease in a study with male rats”，通过整合超快多普勒成像（UFD）和定量超声技术，实现了对活体雄性大鼠肝脏的3D多参数超声成像。研究不仅可视化并量化了SLD进展过程中的血管变化，如血管体积、灌注、分支和迂曲度，还发现这些血管指数与组织病理学揭示的脂肪积累强相关。通过支持向量回归（SVR）模型整合多参数，诊断准确率高达92%，为SLD的非侵入性诊断和监测提供了新思路。
本论文由Donghyun Lee、Jinseok Heo、Hyeonji Mun、Donghyeon Oh、Yongjoo Ahn和Chulhong Kim共同完成，于2025年11月在《Nature Communications》上在线发表。该研究基于浦项科技大学的研究团队，通过创新成像技术突破了传统超声的局限，为肝病研究开辟了新途径。
重要发现
01核心贡献与实验设计
本研究的核心贡献在于开发了一套3D多参数肝脏超声成像系统，结合了超快多普勒成像（UFD）、衰减成像（ATI）和声学结构量化（ASQ）。实验以雄性Wistar大鼠为模型，通过蛋氨酸-胆碱缺乏（MCD）饮食诱导SLD，并进行了为期8周的纵向监测。实验设计包括SLD进展组、恢复组和验证组，通过每周的3D超声成像、血液生物标志物检测（如ALT、AST和TBIL）以及组织病理学分析（如Oil Red O、CD31和H&E染色），全面评估了肝脏脂肪积累和血管变化。研究重点突出了光学成像和生物成像相关技术，如UFD利用超快平面波传输和高帧率采集，实现了微米级血管的3D可视化，突破了传统多普勒超声对微血管检测不敏感的难题。
在实验过程中，研究人员使用高频线性阵列 transducer 和数据采集系统，通过实时呼吸触发技术，在心脏周期内自动采集超声数据。UFD处理包括杂波滤波和血管建模，生成3D功率多普勒图像，并量化四个关键指数：血管体积占有率（VVO）、分数移动血容量（FMBV）、血管分叉密度（VBD）和角度度量总和（SOAM）。这些指数分别反映了血管的容积、灌注情况、分支复杂度和迂曲程度。同时，ATI通过分析深度方向的功率谱衰减估计脂肪积累，而ASQ则通过回声振幅分布评估组织异质性。实验结果显示，在SLD进展期间，血管指数呈现显著变化：wnVVO、wnFMBV和VBD随脂肪积累增加而下降，SOAM则上升，表明血管稀疏和扭曲；这些变化与组织病理学中的脂肪百分比强相关（Pearson系数超过0.9）。
03主要结论与成像验证
通过相关性和ROC曲线分析，UFD指数在诊断脂肪肝方面表现优异，尤其在区分不同脂肪等级（如0级 vs. 1-3级）时，平衡准确率超过90%。整合UFD、ATI和ASQ指数的SVR模型进一步提升了诊断性能，Pearson系数达0.96。在SLD恢复监测中，血管指数显示出部分可逆性变化，但结构恢复不完全，提示SLD的长期影响。组织病理学验证表明，脂肪积累与CD31密度呈负相关，支持了成像结果的可靠性。这些发现凸显了3D多参数超声成像在生物医学应用中的潜力，特别是在无创监测肝病进展方面。
创新与亮点
01突破成像难题
本研究突破了传统超声成像的多个难题。首先，传统2D超声无法全面捕捉肝脏血管的3D结构，尤其对微血管变化不敏感。通过UFD技术，研究实现了活体大鼠肝脏的3D血管成像，分辨率达113微米，能够可视化从宏观到微观的血管网络，包括肝动脉、门静脉和肝静脉的分支。这种技术克服了采样偏差和观察者变异性，为SLD的早期诊断提供了新工具。其次，研究通过多参数整合（如UFD、ATI和ASQ），解决了单一成像模态信息不足的问题，实现了对脂肪积累和血管变化的协同评估。
在技术创新方面，UFD利用超快平面波和实时呼吸门控，实现了高速数据采集和运动补偿，提高了成像的稳定性和可重复性。血管建模中的去偏置、非局部均值滤波和Jerman滤波等后处理技术，进一步增强了图像质量。从光学生物医疗价值看，这种成像方法具有非侵入性、成本低和实时性等优势，可替代部分MRI应用，尤其适合资源有限的环境。研究还展示了该技术在药物响应测试和肝移植手术中的潜力，如通过监测血管恢复评估治疗效果。此外，成像指数与血液生物标志物的结合，为SLD的全面管理提供了多维指标，有望推动个性化医疗发展。
总结与展望
本研究通过3D多参数超声成像技术，成功揭示了脂肪肝疾病过程中的血管变化，并证明了其诊断价值。创新性地整合UFD、ATI和ASQ，不仅提升了超声成像的准确性和可靠性，还为肝病研究提供了新的生物标志物。尽管目前技术在大鼠模型中验证，且存在样本量有限和翻译到人体的挑战，但未来通过GPU加速、运动补偿和低频探头优化，有望应用于临床。例如，初步人体肝成像实验已展示出潜力。展望未来，这种成像技术可与人工智能结合，进一步优化脂肪量化，并扩展至其他肝病如肝硬化和肝癌的监测。总体而言，本研究为无创肝病诊断开辟了新道路，具有重要的科学和临床意义。
声明：本文仅用作学术目的。
Lee D, Heo J, Mun H, Oh D, Ahn Y, Kim C. 3D multiparametric ultrasound imaging of steatotic liver disease in a study with male rats. Nat Commun. 2025 Nov 20;16(1):10226.
DOI:10.1038/s41467-025-65046-x.