基于实时二维剪切波弹性成像的正常肝脏弹性模量值探讨

张 悦 庄 园 丁 红△ 孙惠川 徐 晨 徐亚丹 王文平

(1复旦大学附属中山医院超声科, 2消化科, 3病理科 上海 200032)

基于实时二维剪切波弹性成像的正常肝脏弹性模量值探讨

张 悦1庄 园1丁 红1△孙惠川2徐 晨3徐亚丹1王文平1

(1复旦大学附属中山医院超声科,2消化科,3病理科 上海 200032)

目的 基于对实时二维剪切波弹性成像(two-dimensional shear wave elastography,2D-SWE)技术可重复性的研究,以病理学作为金标准,建立正常肝组织的2D-SWE弹性模量值范围。方法 选取42例健康体检者,由高低年资两位医师分别对其行2D-SWE肝组织弹性硬度检测,通过分析组内及组间差异探讨2D-SWE技术的方法学效能。设定严格入组条件,选取手术病理证实为无纤维化的128例患者,探讨基于2D-SWE技术的正常肝脏弹性模量值范围。结果 2D-SWE具有良好的可重复性,高低年资医师组内相关系数分别为0.984及0.978,且不同操作者对同一组受检者的弹性模量测值差异无统计学意义(P=0.121)。基于2D-SWE的正常肝脏弹性模量值参考范围为4.33～7.40 kPa。男性弹性模量测值稍高于女性(P=0.013),不同年龄组及轻度炎症差异均无统计学意义(P=0.775,P=0.138)。结论 2D-SWE技术检测肝组织弹性硬度稳定性佳,推荐正常肝脏弹性模量值范围为4.33～7.40 kPa,是肝纤维化诊断体系的可靠基础。

超声; 弹性成像; 肝脏; 纤维化; 正常值

随着近十年生物医药学及生物工程学的迅猛发展,各类快速、便捷、无创的新兴诊断技术革故鼎新,极大程度地挑战着长期以来作为“金标准”的侵入性穿刺活检病理诊断措施。肝纤维化的无创性诊断即是近年发展最为迅速的领域之一。

肝纤维化是各类慢性肝病通往肝硬化甚至诱发致死性结局的共同通路,我国作为乙型病毒性肝炎的高流行区,早期无创诊断肝纤维化已成为目前临床面临的重要课题。超声弹性成像技术以其简便实时、重复性高、诊断效能佳等诸多优势成为当前肝纤维化无创评估的热点研究方向。

本文以当下最新发展的实时二维剪切波弹性成像(two-dimensional shear wave elastography,2D-SWE)技术为依托,当前国内外仅有少量研究报道2D-SWE的正常值范围,其中极少量文献有组织学依据;本研究即以组织病理学为“金标准”,通过无纤维化受试者的测值反映正常肝组织弹性模量值范围,是建立基于2D-SWE技术无创肝纤维化诊断体系的可靠基础。

资 料 和 方 法

研究对象

2D-SWE方法学研究对象 选取2015年6月24—30日于复旦大学附属中山医院就诊的42例无心肝肾疾患并成功行2D-SWE检查的患者。其中男性31例,女性11例,年龄为34～77岁,平均年龄为(55.5±10.7)岁。

正常肝脏2D-SWE弹性模量值的研究对象 选取2015年7月1日至2016年5月1日于复旦大学附属中山医院住院的139例因肝脏局部占位性病变拟行肝外科手术并成功行2D-SWE检查的患者,一般情况良好,所有肝炎病毒标记物检查均为阴性或仅有乙肝表面抗体为阳性,实验室肝功能检查及血总胆固醇、高密度脂蛋白及三酰甘油等血脂检查均在正常范围,体质指数(body mass index,BMI)为18～25 kg/m2,无心脏病、高血压、酗酒史,排除寄生虫感染性肝病、酒精性肝病及弹性成像测值失败者;排除标准:肝肿瘤最大径超过8 cm者、肿瘤位于肝右叶声像图中央影响超声弹性检测者、影像学可见血管分支栓子、肝内外胆管扩张、肝淤血及腹水者。术后以病理学检查为“金标准”,最终入组病理证实肝组织无肝纤维化患者共计128例,其中男性50例,女性78例;年龄为15～85岁,平均年龄为(52.9±14.6)岁。

本研究经复旦大学附属中山医院伦理委员会审核同意,符合伦理学要求,所有研究对象均知情同意。

仪器与方法 采用法国Supersonic公司Aixplorer型实时二维剪切波弹性超声诊断仪,SC6-1凸阵探头,频率为1～6 MHz。预先设定彩色编码范围为0～70 kPa,弹性成像取样框大小为4 cm×3 cm,取样框位于距离探头6～8 cm处。患者取仰卧位,充分暴露腹部,双上肢举过头顶以拉开肋间隙,于右侧肋间扫查肝脏,选择肝右前叶下段或右后叶下段适当切面,避开可见的肝内粗大管道结构,距离肝内肿块2 cm以上。嘱患者平静呼吸下屏住呼吸并转换到SWE模式,显示为上下双幅图像(图1)。静置3 s待图像稳定后冻结图像并嘱患者正常呼吸,以图像填充≥90%且图像填充相对均匀一致为成功,启动Q-BOX功能,调节并选择直径为20 mm的圆形感兴趣区,此时显示Q-BOX测量区域内的弹性模量平均值(Mean)、最大值(Max)、最小值(Min)以及标准差(SD)。

对42例拟行重复性研究的患者,由具有5年腹部超声临床经验的高年资医师(操作者1)与仅有1年腹部超声临床经验的低年资医师(操作者2)分别测量5次,共计10次,两位操作者均于实验前接受2周的超声弹性成像技术操作培训;对139例肝占位患者由同一操作者重复测量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.

图1 2D-SWE模式下弹性成像图

Fig 1 Elastogram of 2D-SWE mode

组织病理学方法 行肝部分切除术后,取肝占位以外2 cm以上肝实质标本置于10%甲醛溶液中固定,石蜡包埋后连续切片,行常规HE染色及网状纤维染色,采用光学显微镜观察。病理分期依据“病毒性肝炎防治方案”有关慢性肝炎纤维化分期标准,作炎症活动度(G0～G4)及纤维化分期(S0～S4)诊断[1]。

结 果

一般情况 以严格标准入组的139例研究对象,经病理结果证实排除其中11例肝实质肝纤维化患者(9例G0S1,2例G1S1),其余128例均无纤维化(95例G0S0,29例G1S0,4例G2S0)。此128例无肝纤维化的肝占位性病变病理结果如下:肝血管瘤37例,肝细胞肝癌22例,肝脏局灶增生性结节18例,肠腺癌肝转移15例,肝内胆管细胞癌 8例,肝脏血管平滑肌脂肪瘤7例,纤维组织增生7例,肝囊肿 4例,淋巴组织增生2例,局部炎症2例,转移性鼻咽癌1例,转移性食管癌1例,转移性恶性黑色素瘤1例,转移性恶性胃肠道间质瘤1例,转移性乳腺癌1例,炎性假瘤1例。

不同操作者间重复性研究 两位操作者检测肝弹性模量值均符合正态分布趋势,组内信度检测显示操作者1的ICC为0.984,操作者2的ICC为0.978。2位操作者的ICC均远高于0.75,表示信度良好,单个操作者重复性佳。组间可重复性比较显示P=0.121,操作者1与操作者2的弹性模量值差异无统计学意义(表1)。

表1 不同操作者间肝弹性模量值的重复性Tab 1 Repeatability of hepatic elastic modulusin different operators

ICC:Intraclass correlation coefficient.

基于2D-SWE技术的肝弹性模量正常值及信度探讨 128例经病理证实为无纤维化(S0)的患者,其弹性模量值分布符合正态分布,见正常肝脏弹性模量Q-Q图(图2),绘制128例研究对象正常肝弹性模量正态分布直方图(图3)。弹性模量均值为(5.52±0.77) kPa,最小值为3.86 kPa,最大值为8.52 kPa,95%CI为5.38～5.65 kPa,中位数为5.40 kPa,取百分位数P2.5及P97.5作为正常肝脏弹性模量值范围,统计分析结果为4.33～7.40 kPa。信度分析得ICC=0.973。

图2 128例研究对象正常肝弹性模量Q-Q图

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

图3 128例研究对象正常肝弹性模量正态分布直方图

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

不同性别组弹性模量值分布特点 128例研究对象,其中男性50例(39.1%),女性78例(60.9%),两组观察对象的弹性模量值均符合正态分布。方差齐性(P=0.013)说明弹性模量值检测的性别差异有显著意义(表2、图4)。

表2 不同性别组肝弹性模量的比较Tab 2 Comparison of hepatic elastic modulus in different gender groups

○indicate discrete values,* represents extreme value.

图4 不同性别组弹性模量值箱图

Fig 4 Boxplot of hepatic elastic modulus in different gender groups

不同年龄组弹性模量值分布差异 将128例患者分成3个年龄组;<40岁(25例),40～60岁(63例),>60岁(40例);具体年龄分布如下(表3、图5)。对各年龄组作单因素方差分析得P=0.775,说明不同年龄组间肝弹性模量值差异无统计学意义。

表3 不同年龄组肝弹性模量的比较Tab 3 Comparison of normal values of hepatic stiffness in different age groups ±s)

○indicate the discrete values.

图5 不同年龄组弹性模量值箱图

Fig 5 Boxplot of hepatic elastic modulus in different age groups

轻度炎症活动对肝组织弹性模量值的影响 本组128例S0患者中除了95例G0S0患者以外,其余33例患者存在肝细胞轻度炎症活动(29例G1S0、4例G2S0),分为无炎症组与轻度炎症组,行两独立样本t检验,结果显示P=0.138,说明有无轻度炎症肝弹性模量值的差异无统计学意义(表4)。

表4 不同炎症分级组弹性模量测值比较分析Tab 4 Comparative analysis of measurement values of elastic modulus in different groups of inflammation

讨 论

临床上对肝纤维化的诊断主要由以下4个方面构成:临床症状与体征评估、实验室血清学检查、影像学检查以及组织病理学活检。国内有学者[2]对近十年发表在Pubmed、Embase、Web of science有关慢性肝纤维化诊断方法的英文文献共计1 253篇进行荟萃分析,得出结论:病理学肝活检依旧是诊断参考标准,血清生化指标是常用辅助检测手段,以超声为基础的弹性成像技术已成为无创诊断肝纤维化的研究热点。

病理学活检不仅存在侵入性检查本身的诸多禁忌症与弊病,并且不可避免地存在检测样本少带来的取样误差。近年各类无创性肝纤维化诊断技术涌现,包括血清学单独指标与联合模型,以及如核磁共振弹性成像、超声弹性成像等影像学新技术。血清学检查存在间接性和非特异性的弊端,单独血清标志物如透明质酸以及联合指标如谷-草转氨酶与血小板计数比值指数(aspartate aminotransferase and platelet ratio index,APRI)等均已被证实其应用价值,尤其是在乙型病毒性肝炎方面诊断价值相当有限[3-5];核磁共振检查更是除了本身应用的诸多禁忌症外还存在价高耗时的缺点。相较之下,临床工作中超声弹性成像检查几乎无需任何事前准备,整个检查耗时约5 min并可即时获得结果,医师操作简易,患者依从性好,诊断准确度高,其中的FibroScan (FS)技术、声辐射力脉冲成像(acoustic radiation force impulse,ARFI)技术对肝纤维化良好的诊断价值已得到大量实验与临床证实[6-8]。

本研究使用的2D-SWE是目前可无创用于肝组织弹性硬度检测的最新超声弹性成像技术,其基本原理是基于物理学中的“马赫锥”效应,利用探头产生声辐射脉冲,在不同深度聚焦后产生剪切波,以高达20 000帧/s的超快速成像系统追踪剪切波并计算出待测组织的杨氏模量值。杨氏模量值计算公式为E=3ρc2(其中E为杨氏模量,ρ为组织密度,c为剪切波速度),其值越大说明组织硬度越大。现有国内外报道均一致表明2D-SWE技术所测肝脏弹性模量值与肝纤维化进程明显相关,尤其是对显著性肝纤维化(≥S2)诊断效能显著[9-12]。相较于FS,2D-SWE以二维图像为指导,可良好地避开肝内非目标结构;相较于ARFI,2D-SWE避免了能量在局部过高聚焦产生负面生物效应,且以其足够大的取样面积减少取样误差达到方法学上的优化。Cassinotto等[13]对349例慢性肝病患者同时行FS、ARFI和2D-SWE检查,结果显示2D-SWE技术诊断效能高于前两者,诊断S≥1、S≥2、S≥3受试者工作特性曲线下面积(area under the receiver operating characteristic,AUROC)高达0.89、0.89和0.92。

2D-SWE技术在肝纤维化无创评估领域具有广阔的应用前景,但对其研究尚处于初始阶段。2015年世界医学生物学超声联合会大会指南[14]中,对诸多应用于肝纤维化诊断的超声弹性成像技术,仅给出关于FS技术的正常值范围以及各期纤维化界值,应用2D-SWE的诊断体系尚处于初期探索阶段。

本研究首先对2D-SWE技术进行可重复性探究,对比高低年资医师两位操作者对42例患者分别行肝脏2D-SWE弹性模量值的检测,结果显示2D-SWE技术方法学上良好的可重复性,与国外研究报道相符[15-16]。基于以上研究结果,经过严格标准的设定和筛选,最终入组128例经病理证实为无纤维化(S0)的患者,探索正常肝脏的弹性模量值,均值为(5.52±0.77) kPa,以百分位数P2.5及P97.5作为界值推荐4.33～7.40 kPa为肝脏弹性模量值的正常范围。

国内有学者[17]对502例健康受试者行2D-SWE检查,其肝脏弹性模量均值为(5.10±1.02) kPa,范围是2.4～8.7 kPa;国外一项研究[18]应用2D-SWE检测健康志愿者所得正常弹性值范围约为4.0～7.5 kPa,但其共性是缺乏组织学依据,结论可靠性欠佳。目前,大部分对2D-SWE技术检测肝纤维化正常值范围报道均利用健康志愿者或者仅临床病史与实验室检查正常的患者推定假设为病理学无肝纤维化,然实质上缺乏组织学证据。健康志愿者的正常肝组织活检以用于组织学验证是不符合伦理道德的举措,鲜有机会以量化组织学证实无纤维化。SUH等[19]利用临床工作中活体肝移植前对供体肝行肝活检评估功能,收集196例正常肝脏2D-SWE测值,最终推荐2.6～6.2 kPa为正常肝脏弹性模量值范围。鲜有类此以病理学结果为客观依据的2D-SWE技术肝脏正常弹性模量值的报道。本研究以严格的入组标准获得128例经病理学证实为无纤维化患者的肝脏弹性模量值,以足够多的病例数与组织学“金标准”为优势,所得正常肝组织弹性值参考值范围具有较高的可信度及更佳的指导性意义。

基于对2D-SWE技术良好可重复性的了解以及正常界值的探索,本研究分析得出性别差异对肝脏弹性模量检测存在一定的影响,而不同年龄组及轻度炎症分级的差异均无统计学意义。关于不同性别对弹性检测有无影响目前仍无统一结论。各研究结果相悖[20-21],可能与入组病例数较少、入组病例男女比例差异明显、不同地区流行病学疾病谱不同等原因相关,有待进一步探讨。本研究经病理证实为G0S0患者95例、G1S0患者29例、G2S0患者4例,分析结果表明轻度炎症(G1&G2vs. G0)对弹性测值不存在影响。肝脏弹性模量值主要受肝纤维化进展程度影响,其次诸多混杂因素诸如肝脏炎症活动度、肝功能异常波动、肝脂肪变性等均可影响硬度测值,在本实验中由于排除了血清学检查异常的患者,故在该研究中缺乏炎症分级G3与G4的患者。2D-SWE检测的种种影响因素尚有待进一步的系统性研究。

综上所述, 2D-SWE技术检测肝组织弹性硬度稳定性高、重复性好;正常肝脏弹性模量均值为(5.52±0.77) kPa,以百分位数P2.5及P97.5作为界值,推荐4.33～7.40 kPa为正常肝脏弹性模量值参考范围。本研究以组织病理学为“金标准”,对2D-SWE技术应用于肝纤维化的诊断作客观可信的基础探究,有利于完整可靠诊断体系的建立,以期更好地服务于临床肝纤维化无创早期诊断、指导抗病毒与抗纤维化治疗、监测药物疗效及评估疾病预后。2D-SWE技术作为一种完全不同于传统超声成像的新兴检查技术,优势显著,前景广阔,其正常值范围的确定在肝纤维化无创定量诊断中具有重要意义,是进一步临床应用及深入研究的基础。

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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

上海市自然科学基金(14ZR1406800);国家自然科学基金(81571675)

R445.1

A

10.3969/j.issn.1672-8467.2017.01.003

2016-06-16;编辑: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).