基于實時二維剪切波彈性成像的正常肝臟彈性模量值探討

張 悅 莊 園 丁 紅△ 孫惠川 徐 晨 徐亞丹 王文平

(1復旦大學附屬中山醫院超聲科, 2消化科, 3病理科 上海 200032)

基于實時二維剪切波彈性成像的正常肝臟彈性模量值探討

張 悅1莊 園1丁 紅1△孫惠川2徐 晨3徐亞丹1王文平1

(1復旦大學附屬中山醫院超聲科,2消化科,3病理科 上海 200032)

目的 基于對實時二維剪切波彈性成像(two-dimensional shear wave elastography,2D-SWE)技術可重復性的研究,以病理學作為金標準,建立正常肝組織的2D-SWE彈性模量值范圍。方法 選取42例健康體檢者,由高低年資兩位醫師分別對其行2D-SWE肝組織彈性硬度檢測,通過分析組內及組間差異探討2D-SWE技術的方法學效能。設定嚴格入組條件,選取手術病理證實為無纖維化的128例患者,探討基于2D-SWE技術的正常肝臟彈性模量值范圍。結果 2D-SWE具有良好的可重復性,高低年資醫師組內相關系數分別為0.984及0.978,且不同操作者對同一組受檢者的彈性模量測值差異無統計學意義(P=0.121)。基于2D-SWE的正常肝臟彈性模量值參考范圍為4.33～7.40 kPa。男性彈性模量測值稍高于女性(P=0.013),不同年齡組及輕度炎癥差異均無統計學意義(P=0.775,P=0.138)。結論 2D-SWE技術檢測肝組織彈性硬度穩定性佳,推薦正常肝臟彈性模量值范圍為4.33～7.40 kPa,是肝纖維化診斷體系的可靠基礎。

超聲; 彈性成像; 肝臟; 纖維化; 正常值

隨著近十年生物醫藥學及生物工程學的迅猛發展,各類快速、便捷、無創的新興診斷技術革故鼎新,極大程度地挑戰著長期以來作為“金標準”的侵入性穿刺活檢病理診斷措施。肝纖維化的無創性診斷即是近年發展最為迅速的領域之一。

肝纖維化是各類慢性肝病通往肝硬化甚至誘發致死性結局的共同通路,我國作為乙型病毒性肝炎的高流行區,早期無創診斷肝纖維化已成為目前臨床面臨的重要課題。超聲彈性成像技術以其簡便實時、重復性高、診斷效能佳等諸多優勢成為當前肝纖維化無創評估的熱點研究方向。

本文以當下最新發展的實時二維剪切波彈性成像(two-dimensional shear wave elastography,2D-SWE)技術為依托,當前國內外僅有少量研究報道2D-SWE的正常值范圍,其中極少量文獻有組織學依據;本研究即以組織病理學為“金標準”,通過無纖維化受試者的測值反映正常肝組織彈性模量值范圍,是建立基于2D-SWE技術無創肝纖維化診斷體系的可靠基礎。

資 料 和 方 法

研究對象

2D-SWE方法學研究對象 選取2015年6月24—30日于復旦大學附屬中山醫院就診的42例無心肝腎疾患并成功行2D-SWE檢查的患者。其中男性31例,女性11例,年齡為34～77歲,平均年齡為(55.5±10.7)歲。

正常肝臟2D-SWE彈性模量值的研究對象 選取2015年7月1日至2016年5月1日于復旦大學附屬中山醫院住院的139例因肝臟局部占位性病變擬行肝外科手術并成功行2D-SWE檢查的患者,一般情況良好,所有肝炎病毒標記物檢查均為陰性或僅有乙肝表面抗體為陽性,實驗室肝功能檢查及血總膽固醇、高密度脂蛋白及三酰甘油等血脂檢查均在正常范圍,體質指數(body mass index,BMI)為18～25 kg/m2,無心臟病、高血壓、酗酒史,排除寄生蟲感染性肝病、酒精性肝病及彈性成像測值失敗者;排除標準:肝腫瘤最大徑超過8 cm者、腫瘤位于肝右葉聲像圖中央影響超聲彈性檢測者、影像學可見血管分支栓子、肝內外膽管擴張、肝淤血及腹水者。術后以病理學檢查為“金標準”,最終入組病理證實肝組織無肝纖維化患者共計128例,其中男性50例,女性78例;年齡為15～85歲,平均年齡為(52.9±14.6)歲。

本研究經復旦大學附屬中山醫院倫理委員會審核同意,符合倫理學要求,所有研究對象均知情同意。

儀器與方法 采用法國Supersonic公司Aixplorer型實時二維剪切波彈性超聲診斷儀,SC6-1凸陣探頭,頻率為1～6 MHz。預先設定彩色編碼范圍為0～70 kPa,彈性成像取樣框大小為4 cm×3 cm,取樣框位于距離探頭6～8 cm處。患者取仰臥位,充分暴露腹部,雙上肢舉過頭頂以拉開肋間隙,于右側肋間掃查肝臟,選擇肝右前葉下段或右后葉下段適當切面,避開可見的肝內粗大管道結構,距離肝內腫塊2 cm以上。囑患者平靜呼吸下屏住呼吸并轉換到SWE模式,顯示為上下雙幅圖像(圖1)。靜置3 s待圖像穩定后凍結圖像并囑患者正常呼吸,以圖像填充≥90%且圖像填充相對均勻一致為成功,啟動Q-BOX功能,調節并選擇直徑為20 mm的圓形感興趣區,此時顯示Q-BOX測量區域內的彈性模量平均值(Mean)、最大值(Max)、最小值(Min)以及標準差(SD)。

對42例擬行重復性研究的患者,由具有5年腹部超聲臨床經驗的高年資醫師(操作者1)與僅有1年腹部超聲臨床經驗的低年資醫師(操作者2)分別測量5次,共計10次,兩位操作者均于實驗前接受2周的超聲彈性成像技術操作培訓;對139例肝占位患者由同一操作者重復測量5次并取平均值。

The picture below is the traditional two-dimensional gray scale ultrasound image.The picture above is the image of two-dimensional real-time shear wave elastography.The color-filled area is the sample area,while the circular frame is Q-BOX which represent the quantitative measurement region.

圖1 2D-SWE模式下彈性成像圖

Fig 1 Elastogram of 2D-SWE mode

組織病理學方法 行肝部分切除術后,取肝占位以外2 cm以上肝實質標本置于10%甲醛溶液中固定,石蠟包埋后連續切片,行常規HE染色及網狀纖維染色,采用光學顯微鏡觀察。病理分期依據“病毒性肝炎防治方案”有關慢性肝炎纖維化分期標準,作炎癥活動度(G0～G4)及纖維化分期(S0～S4)診斷[1]。

結 果

一般情況 以嚴格標準入組的139例研究對象,經病理結果證實排除其中11例肝實質肝纖維化患者(9例G0S1,2例G1S1),其余128例均無纖維化(95例G0S0,29例G1S0,4例G2S0)。此128例無肝纖維化的肝占位性病變病理結果如下:肝血管瘤37例,肝細胞肝癌22例,肝臟局灶增生性結節18例,腸腺癌肝轉移15例,肝內膽管細胞癌 8例,肝臟血管平滑肌脂肪瘤7例,纖維組織增生7例,肝囊腫 4例,淋巴組織增生2例,局部炎癥2例,轉移性鼻咽癌1例,轉移性食管癌1例,轉移性惡性黑色素瘤1例,轉移性惡性胃腸道間質瘤1例,轉移性乳腺癌1例,炎性假瘤1例。

不同操作者間重復性研究 兩位操作者檢測肝彈性模量值均符合正態分布趨勢,組內信度檢測顯示操作者1的ICC為0.984,操作者2的ICC為0.978。2位操作者的ICC均遠高于0.75,表示信度良好,單個操作者重復性佳。組間可重復性比較顯示P=0.121,操作者1與操作者2的彈性模量值差異無統計學意義(表1)。

表1 不同操作者間肝彈性模量值的重復性Tab 1 Repeatability of hepatic elastic modulusin different operators

ICC:Intraclass correlation coefficient.

基于2D-SWE技術的肝彈性模量正常值及信度探討 128例經病理證實為無纖維化(S0)的患者,其彈性模量值分布符合正態分布,見正常肝臟彈性模量Q-Q圖(圖2),繪制128例研究對象正常肝彈性模量正態分布直方圖(圖3)。彈性模量均值為(5.52±0.77) kPa,最小值為3.86 kPa,最大值為8.52 kPa,95%CI為5.38～5.65 kPa,中位數為5.40 kPa,取百分位數P2.5及P97.5作為正常肝臟彈性模量值范圍,統計分析結果為4.33～7.40 kPa。信度分析得ICC=0.973。

圖2 128例研究對象正常肝彈性模量Q-Q圖

Fig 2 Q-Q plot of the normal hepatic elastic modulus in 128 patients

圖3 128例研究對象正常肝彈性模量正態分布直方圖

Fig 3 Normal distribution histogram of the normal hepatic elastic modulus in 128 patients

不同性別組彈性模量值分布特點 128例研究對象,其中男性50例(39.1%),女性78例(60.9%),兩組觀察對象的彈性模量值均符合正態分布。方差齊性(P=0.013)說明彈性模量值檢測的性別差異有顯著意義(表2、圖4)。

表2 不同性別組肝彈性模量的比較Tab 2 Comparison of hepatic elastic modulus in different gender groups

○indicate discrete values,* represents extreme value.

圖4 不同性別組彈性模量值箱圖

Fig 4 Boxplot of hepatic elastic modulus in different gender groups

不同年齡組彈性模量值分布差異 將128例患者分成3個年齡組;<40歲(25例),40～60歲(63例),>60歲(40例);具體年齡分布如下(表3、圖5)。對各年齡組作單因素方差分析得P=0.775,說明不同年齡組間肝彈性模量值差異無統計學意義。

表3 不同年齡組肝彈性模量的比較Tab 3 Comparison of normal values of hepatic stiffness in different age groups ±s)

○indicate the discrete values.

圖5 不同年齡組彈性模量值箱圖

Fig 5 Boxplot of hepatic elastic modulus in different age groups

輕度炎癥活動對肝組織彈性模量值的影響 本組128例S0患者中除了95例G0S0患者以外,其余33例患者存在肝細胞輕度炎癥活動(29例G1S0、4例G2S0),分為無炎癥組與輕度炎癥組,行兩獨立樣本t檢驗,結果顯示P=0.138,說明有無輕度炎癥肝彈性模量值的差異無統計學意義(表4)。

表4 不同炎癥分級組彈性模量測值比較分析Tab 4 Comparative analysis of measurement values of elastic modulus in different groups of inflammation

討 論

臨床上對肝纖維化的診斷主要由以下4個方面構成:臨床癥狀與體征評估、實驗室血清學檢查、影像學檢查以及組織病理學活檢。國內有學者[2]對近十年發表在Pubmed、Embase、Web of science有關慢性肝纖維化診斷方法的英文文獻共計1 253篇進行薈萃分析,得出結論:病理學肝活檢依舊是診斷參考標準,血清生化指標是常用輔助檢測手段,以超聲為基礎的彈性成像技術已成為無創診斷肝纖維化的研究熱點。

病理學活檢不僅存在侵入性檢查本身的諸多禁忌癥與弊病,并且不可避免地存在檢測樣本少帶來的取樣誤差。近年各類無創性肝纖維化診斷技術涌現,包括血清學單獨指標與聯合模型,以及如核磁共振彈性成像、超聲彈性成像等影像學新技術。血清學檢查存在間接性和非特異性的弊端,單獨血清標志物如透明質酸以及聯合指標如谷-草轉氨酶與血小板計數比值指數(aspartate aminotransferase and platelet ratio index,APRI)等均已被證實其應用價值,尤其是在乙型病毒性肝炎方面診斷價值相當有限[3-5];核磁共振檢查更是除了本身應用的諸多禁忌癥外還存在價高耗時的缺點。相較之下,臨床工作中超聲彈性成像檢查幾乎無需任何事前準備,整個檢查耗時約5 min并可即時獲得結果,醫師操作簡易,患者依從性好,診斷準確度高,其中的FibroScan (FS)技術、聲輻射力脈沖成像(acoustic radiation force impulse,ARFI)技術對肝纖維化良好的診斷價值已得到大量實驗與臨床證實[6-8]。

本研究使用的2D-SWE是目前可無創用于肝組織彈性硬度檢測的最新超聲彈性成像技術,其基本原理是基于物理學中的“馬赫錐”效應,利用探頭產生聲輻射脈沖,在不同深度聚焦后產生剪切波,以高達20 000幀/s的超快速成像系統追蹤剪切波并計算出待測組織的楊氏模量值。楊氏模量值計算公式為E=3ρc2(其中E為楊氏模量,ρ為組織密度,c為剪切波速度),其值越大說明組織硬度越大。現有國內外報道均一致表明2D-SWE技術所測肝臟彈性模量值與肝纖維化進程明顯相關,尤其是對顯著性肝纖維化(≥S2)診斷效能顯著[9-12]。相較于FS,2D-SWE以二維圖像為指導,可良好地避開肝內非目標結構;相較于ARFI,2D-SWE避免了能量在局部過高聚焦產生負面生物效應,且以其足夠大的取樣面積減少取樣誤差達到方法學上的優化。Cassinotto等[13]對349例慢性肝病患者同時行FS、ARFI和2D-SWE檢查,結果顯示2D-SWE技術診斷效能高于前兩者,診斷S≥1、S≥2、S≥3受試者工作特性曲線下面積(area under the receiver operating characteristic,AUROC)高達0.89、0.89和0.92。

2D-SWE技術在肝纖維化無創評估領域具有廣闊的應用前景,但對其研究尚處于初始階段。2015年世界醫學生物學超聲聯合會大會指南[14]中,對諸多應用于肝纖維化診斷的超聲彈性成像技術,僅給出關于FS技術的正常值范圍以及各期纖維化界值,應用2D-SWE的診斷體系尚處于初期探索階段。

本研究首先對2D-SWE技術進行可重復性探究,對比高低年資醫師兩位操作者對42例患者分別行肝臟2D-SWE彈性模量值的檢測,結果顯示2D-SWE技術方法學上良好的可重復性,與國外研究報道相符[15-16]。基于以上研究結果,經過嚴格標準的設定和篩選,最終入組128例經病理證實為無纖維化(S0)的患者,探索正常肝臟的彈性模量值,均值為(5.52±0.77) kPa,以百分位數P2.5及P97.5作為界值推薦4.33～7.40 kPa為肝臟彈性模量值的正常范圍。

國內有學者[17]對502例健康受試者行2D-SWE檢查,其肝臟彈性模量均值為(5.10±1.02) kPa,范圍是2.4～8.7 kPa;國外一項研究[18]應用2D-SWE檢測健康志愿者所得正常彈性值范圍約為4.0～7.5 kPa,但其共性是缺乏組織學依據,結論可靠性欠佳。目前,大部分對2D-SWE技術檢測肝纖維化正常值范圍報道均利用健康志愿者或者僅臨床病史與實驗室檢查正常的患者推定假設為病理學無肝纖維化,然實質上缺乏組織學證據。健康志愿者的正常肝組織活檢以用于組織學驗證是不符合倫理道德的舉措,鮮有機會以量化組織學證實無纖維化。SUH等[19]利用臨床工作中活體肝移植前對供體肝行肝活檢評估功能,收集196例正常肝臟2D-SWE測值,最終推薦2.6～6.2 kPa為正常肝臟彈性模量值范圍。鮮有類此以病理學結果為客觀依據的2D-SWE技術肝臟正常彈性模量值的報道。本研究以嚴格的入組標準獲得128例經病理學證實為無纖維化患者的肝臟彈性模量值,以足夠多的病例數與組織學“金標準”為優勢,所得正常肝組織彈性值參考值范圍具有較高的可信度及更佳的指導性意義。

基于對2D-SWE技術良好可重復性的了解以及正常界值的探索,本研究分析得出性別差異對肝臟彈性模量檢測存在一定的影響,而不同年齡組及輕度炎癥分級的差異均無統計學意義。關于不同性別對彈性檢測有無影響目前仍無統一結論。各研究結果相悖[20-21],可能與入組病例數較少、入組病例男女比例差異明顯、不同地區流行病學疾病譜不同等原因相關,有待進一步探討。本研究經病理證實為G0S0患者95例、G1S0患者29例、G2S0患者4例,分析結果表明輕度炎癥(G1&G2vs. G0)對彈性測值不存在影響。肝臟彈性模量值主要受肝纖維化進展程度影響,其次諸多混雜因素諸如肝臟炎癥活動度、肝功能異常波動、肝脂肪變性等均可影響硬度測值,在本實驗中由于排除了血清學檢查異常的患者,故在該研究中缺乏炎癥分級G3與G4的患者。2D-SWE檢測的種種影響因素尚有待進一步的系統性研究。

綜上所述, 2D-SWE技術檢測肝組織彈性硬度穩定性高、重復性好;正常肝臟彈性模量均值為(5.52±0.77) kPa,以百分位數P2.5及P97.5作為界值,推薦4.33～7.40 kPa為正常肝臟彈性模量值參考范圍。本研究以組織病理學為“金標準”,對2D-SWE技術應用于肝纖維化的診斷作客觀可信的基礎探究,有利于完整可靠診斷體系的建立,以期更好地服務于臨床肝纖維化無創早期診斷、指導抗病毒與抗纖維化治療、監測藥物療效及評估疾病預后。2D-SWE技術作為一種完全不同于傳統超聲成像的新興檢查技術,優勢顯著,前景廣闊,其正常值范圍的確定在肝纖維化無創定量診斷中具有重要意義,是進一步臨床應用及深入研究的基礎。

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Determination of normal hepatic stiffness by using real-time two-dimensional shear wave elastography

ZHANG Yue1, ZHUANG Yuan1, DING Hong1△, SUN Hui-chuan2, XU Chen3, XU Ya-dan1, WANG Wen-ping1

(1DepartmentofUltrasound,2DepartmentofGastroenterology,3DepartmentofPathology,>ZhongshanHospital,FudanUniversity,Shanghai200032,China)

Objective To establish the normal reference value of elastic modulus in healthy liver by two-dimensional shear wave elastography (2D-SWE) technology,using pathology as the gold standard,based on the repeatability study. Methods Liver stiffness measurements were firstly performed in 42 healthy volunteers with 2D-SWE by a senior and a junior physician,respectively.The intra- and inter- difference of liver stiffness measured with 2D-SWE were investigated to discuss the methodology efficacy.By setting strict criterion,128 histologically proven non-fibrosis subjects successfully underwent 2D-SWE preoperatively were enrolled in the research to determine the normal reference values of hepatic elasticity. Results 2D-SWE technique showed a good repeatability with the intra-class correlation coefficients of 0.984 and 0.978 for the senior and the junior physician,respectively.There was no significant difference in the measurement of hepatic stiffness between different operators(P=0.121).The hepatic stiffness of histologically proven normal livers measured with 2D-SWE ranged from 4.33 kPa to 7.40 kPa.The liver stiffness measurement was slightly higher in males than that in females (P=0.013),and there was no statistically difference between different age groups and mild inflammation groups (P=0.775,P=0.138). Conclusions 2D-SWE technology possesses high stability.Hepatic stiffness of 4.33-7.40 kPa is recommended to be the normal reference values,and it is a highly reliable basis of the diagnosis system for liver fibrosis.

ultrasound; elastography; liver; fibrosis; normal value

上海市自然科學基金(14ZR1406800);國家自然科學基金(81571675)

R445.1

A

10.3969/j.issn.1672-8467.2017.01.003

2016-06-16;編輯:王蔚)

△Corresponding author E-mail:ding.hong@zs-hospital.sh.cn

*This work was supported by the Natural Science Foundation of Shanghai (14ZR1406800) and the National Natural Science Foundation of China (81571675).