基于40 MHz高频超声与SVD杂波滤波的转移性小鼠淋巴结微循环可视化研究：无造影与造影增强成像对比

《Scientific Reports》：High-frequency ultrasound for microcirculation in metastatic mouse lymph node: contrast-free versus contrast-enhanced imaging

　　本研究针对常规超声成像在区分良恶性淋巴结时对比度和空间分辨率不足的难题，开发了一种基于奇异值分解（SVD）杂波滤波和时间积分振幅包络（TIAE）的高频（40 MHz）超声微循环成像新方法。该技术能在无造影剂（UCA）和有造影剂条件下，高对比度地可视化小鼠淋巴结微循环特征，成功识别转移性淋巴结中的局灶性缺损，并与组织学结果高度一致，为早期淋巴结转移诊断提供了强有力的无创可视化工具。

　　

准确评估前哨淋巴结状态对癌症分期、预后预测和治疗规划至关重要。近年来研究发现，转移性淋巴结甚至是远处转移的起源，这使得淋巴结特性的评估更具临床意义。早期转移的特征，如细微的组织改变、局部皮质变薄和边缘不规则，需要高分辨率和高对比度的可视化手段，而标准成像模式往往难以满足这一需求。

超声成像因其实时、无创、可重复等优点成为临床首选。然而，传统B超检测微转移和早期结构变化的能力有限。局灶性缺损是诊断淋巴结转移的重要特征之一。超声造影剂增强超声有助于可视化微循环以确认局灶性缺损，但传统的造影增强图像在对比度和空间分辨率上存在局限，难以清晰显示用于区分良恶性淋巴结的微循环结构。

主要降低对比度分辨率的因素是称为杂波的信号噪声。杂波源于软组织中的多种物理现象。这些伪回波成分掩盖了真实反射信号，从而降低了图像对比度并损害了边界可视化。为了解决这个问题，研究人员开发了一种基于奇异值分解的杂波滤波技术，利用从采集的40 MHz高频射频数据中获得的同相/正交相位数据，并在小鼠淋巴结上评估了其有效性。该方法基于空间和时间频率的差异增强流动成分，有效去除杂波，同时保留相位和振幅信息，从而实现微循环的高精度成像。

本研究建立了一个通过将肿瘤细胞接种到髂下淋巴结，诱导腋窝固有淋巴结转移的模型。高频超声射频信号在全身注射超声造影剂前后记录。研究证实了高频超声结合杂波滤波如何增强非转移性和转移性淋巴结中血管结构的可见性。

奇异值分解有效分离了组织和流动成分。在转移性淋巴结中，总体血管面积减少了约8%，并且观察到血管在淋巴结右侧呈分散分布，同时组织回声较低。

对淋巴结区域内血管面积比值的定量分析显示，使用超声造影剂后，血管面积比自然增加约10%。此外，注射超声造影剂后0到2分钟，血管面积比下降约1-3%。特别是在注射后2分钟，转移组的血管面积比平均低于对照组约4%，反映了造影剂的快速洗脱和潜在的局灶性缺损差异。值得注意的是，即使在注射超声造影剂前，对照组和转移组之间的血管面积比也存在显著差异，表明基线血管特征本身已足以区分两种状态。

生物发光成像跟踪了肿瘤接种后天数荧光素酶活性的变化。在MXH54小鼠中，第35天通过离体成像确认了腋窝固有淋巴结和肺部同时存在转移，表明发生了全身性扩散。

杂波滤波后的超声造影剂图像与组织病理学的定性比较聚焦于局灶性缺损等局部特征。图像显示了局部腋窝固有淋巴结的低回声和分散分布的超声造影剂区域。在这些区域，组织学切片中观察到了肿瘤巢，被诊断为局灶性缺损。

主要关键技术方法

本研究使用MXH54/Mo-lpr/lpr和C3H/HeJ-lpr/lpr小鼠建立转移性淋巴结模型，通过将LM8-Luc细胞接种于髂下淋巴结诱导腋窝固有淋巴结转移。采用高频（40 MHz）超声射频数据采集系统获取同相/正交相位数据，并应用基于奇异值分解的自适应杂波滤波技术分离组织与血流信号。通过时间积分振幅包络生成噪声鲁棒的微循环图像，并采用局部自适应阈值法量化淋巴结内血管面积比。利用生物发光成像追踪肿瘤生长，并通过组织学分析进行验证。

结果

实验设计与信号分析： 通过将肿瘤细胞接种到髂下淋巴结，成功建立了腋窝固有淋巴结转移模型。超声数据采集显示，心脏搏动是信号动态波动的主要来源。

血管结构可视化： 奇异值分解杂波滤波结合时间积分振幅包络处理，能够在造影增强条件下清晰显示对照组淋巴结的互联血管结构，而在转移组中则观察到血管面积减少和分散分布。

血管面积比的定量评估： 定量分析表明，使用超声造影剂可增加血管面积比的检测灵敏度，并且转移组在注射后特定时间点表现出更低的血管面积比，甚至在无造影剂时基线值已有显著差异。

淋巴结转移的评估： 生物发光成像证实了肿瘤从局部淋巴结转移向全身扩散的过程，为模型有效性提供了支持。

局灶性缺损的定性比较： 杂波滤波后的超声造影剂图像能够检测到转移性淋巴结中的微小局灶性缺损，并与组织学观察到的肿瘤巢区域高度对应。

结论与讨论

本研究结果表明，高频无造影及造影增强超声结合奇异值分解杂波滤波，提供了一种可视化淋巴结微循环的方法。杂波滤波过程成功消除了组织信号和心脏运动的影响。时间积分振幅包络提供了抗噪声图像，有利于量化。本研究的一个关键新颖之处在于，无需依赖高帧率成像，仅使用无造影剂的高频超声就有可能检测到转移性淋巴结中的局灶性缺损。

该成像方法的生物学有效性得到了证实。MXH54小鼠从局部腋窝固有淋巴结转移发展到远处肺部受累的过程，反映了淋巴性和血行性播散，使其成为多阶段转移的有价值的临床前模型。通过杂波滤波超声检测淋巴结内微米级局灶性缺损，并与组织学相对应，不仅展示了高空间准确性，也显示了其无创监测潜力。

总之，这种融合时空超声分析和组织学验证的综合方法，提高了我们可视化和量化淋巴器官微血管和转移变化的能力。未来需要在提高换能器灵敏度、减少运动伪影、超分辨率成像、改进孤立血管提取算法以及在更大样本队列中进行验证等方面进一步努力，以确认临床转化的可行性。这种方法能够利用超声造影剂高精度可视化淋巴结微血管，为早期检测以往难以识别的微转移开辟了新途径。通过时间积分振幅包络技术实现的降噪和血管结构增强，在肿瘤血管生成评估和治疗监测方面具有应用前景。无创、实时获取血管信息可能减轻患者负担并提高诊断准确性，有助于临床推广。