肝纤维化的影像学定量技术进展评述

马孟杰 肖泽宇 梁建业 罗良平

肝纤维化是各种病因导致的慢性肝损伤，最终可导致不可逆的肝硬化。肝硬化治疗是世界性医学难题，除进行肝移植外，目前还没有明显有效的治疗方法，早期肝纤维化经过及时的临床治疗可以逆转其纤维化进程[1]。临床判断肝纤维化程度最常采用的是Metavir系统（metavir score system），将肝纤维化分为F0-4：F0（无纤维化）；F1（汇管区纤维化，但无纤维间隔）；F2（汇管区纤维化，并有少量间隔）；F3（间隔纤维化）；F4（肝硬化）。导致肝纤维化的主要病理类型包括慢性病毒性肝炎（乙型、丙型）和代谢性肝病（非酒精性脂肪肝、酒精性肝病等）。尽管2种病理类型的发展模式并不相同，但共同的特征是细胞外基质蛋白沉积与清除之间的不平衡[2]。细胞外基质蛋白沉积是肝脏对急慢性损伤的一种修复反应，肝星状细胞通常处于静止状态，受炎症刺激后活化，通过增生和分泌细胞外基质参与肝纤维化过程，可导致纤维瘢痕形成[3]。

目前肝纤维化的诊断及分期的“金标准”是穿刺活检，其优点是能直接评估肝纤维化阶段，及评估共存的其他疾病，如脂肪肝、铁沉积等。但是，活检的局限性同样非常明显，其取样标本非常局限，不能评估肝脏整体的纤维化状态，当样本为局灶性肝纤维化时，甚至可能出现漏诊[4-5]。有研究表明，在33.1%的病例中，从肝脏提取的两个样本出现至少一个纤维化分级的差异[6-7]。同时，穿刺的并发症同样不能忽视，疼痛、感染，甚至腹腔出血等，使其在临床的常规应用及随访观察中受到限制。因此，临床医生对非侵入性检查肝纤维化的期望值越来越高。传统影像通过信号、密度、回声等改变可以大致判断肝纤维化的一般情况，但缺乏可定量评价肝纤维化严重程度的功能学指标。与传统影像学检查手段相比，分子影像可以提供肝脏细胞及分子层面的信息，并且可以定量测量相关参数，具有更高的灵敏度及特异性，成为了时下研究的热点。本文将对这些定量成像手段进行简要概述，并分析各个成像手段的优缺点，以提高临床及科研工作者对非侵入性定量影像检查的认识。

1 磁共振分子成像（magnetic resonance imaging，MRI）

磁共振成像具有优异的软组织分辨率，以不同序列可以获得不同的疾病信息的特点，不仅可应用于肝纤维化的一般诊断，随着新序列及对比剂的研发，探索肝纤维化的微观结构改变也成为了可能。其中主要的技术方法包括弹性成像、灌注成像、体内不相干运动成像等。

1.1 弹性成像（elastography）

肝纤维化过程中，随着细胞外基质蛋白的沉积，并相互连接形成纤维网络，肝脏的应变力逐渐降低，肝脏的硬度随着纤维化程度的增高而不断增加，所以，肝脏的硬度可以反应肝纤维化程度。目前，弹性成像被认为是临床最可靠的无创肝纤维化检测和分期方法[8-10]。磁共振弹性成像（magnetic resonance elastography，MRE）是一种动态检测横波传播的技术，剪切波长与组织的硬度相关，因此MRE可以通过分析机械波在组织中的传播，无创、定量的检测肝脏的硬度，并以此来检测肝纤维化分期[11]。MRE是在普通磁共振设备的基础上，加上一套剪切波产生装置，紧贴于检测部位浅表皮肤，经过激励后的肝组织会产生几微米到几十微米的小位移，采用运动敏感梯度对位移进行映射及测量，并通过后处理对弹性力学进行逆求解，得到肝组织弹性系数分布图。商业化运用的MRE已经在主要的磁共振（magnetic resonance，MR）仪器制造商中实现标准化，这意味着MRE的测量结果是可重复的，标准化的测量设备及序列意味着不同设备的测量结果具有可对比性。与穿刺活检相比，通过MR进行弹性成像，可以对整个肝脏进行检测，不同肝叶、肝段的纤维化程度区别，在MRE上都可以直观的显示。因此，MRE不存在取样区域不同导致的结果差异，通过MRE成像可以对整个肝脏的纤维化情况进行一体式评估。但是，与常规MR肝脏成像一样，MRE对肝的铁沉积敏感，过量的铁沉积会导致图像的信噪比降低，造成测量结果不可靠。MRE的主要局限在于其测量的并非是肝纤维化本身，而是通过肝脏的硬度来反映纤维化的程度，一些生物干扰因素（如餐后状态、伴脂肪变性、胆汁淤积等）会影响测量结果，这些干扰因素大多会导致肝脏硬度增高，进而造成对肝纤维化分期的高估。

弹性成像还可以在超声设备进行，通过超声探头产生低频机械脉冲波传导至肝脏形成剪切波，再通过探头获取并计算得到弹性数值。超声弹性成像主要包括瞬时超声弹性成像（transient elastography，TE）、实时超声弹性成像（real-time tissue elastography，RTE）、声辐射力弹性成像（acoustic radiation force impulse imaging，ARFI）和剪切波弹性成像（shear wave elastography，SWE）。SWE整合了解剖学和组织硬度的信息，同时兼有RTE和ARFI的优点，并且能立即获得测量结果，是近年来研究的热点。SWE通过超声探头发射声辐射，声辐射力激励检测平面内肝组织产生剪切波，并通过快速平面波采集技术跟踪剪切波的传播时的位移及速度，通过计算机分析得到杨氏模型，组织硬度越大，则杨氏模型量越大[12]。Ferraioli等[13]学者发现，SWE 测量中不受腹腔积液、肥胖等常规超声成像的干扰因素的限制。与MRE相比，SWE操作便捷，价格更为低廉，而且具有不俗的诊断效能，这些优点使得SWE可以作为早期纤维化筛查手段。但是，与常规超声一样，SWE成像依赖于操作者对于扫描切面的选择，不同操作者的操作习惯差异，导致测量的纤维化程度可能出现不同。

弹性成像具有非常高的诊断效能，MRE在诊断早期非酒精性肝纤维化的敏感度及特异性分别为0.84和0.90，SWE和MRE对非酒精性肝纤维化分期的诊断具有很高的准确率[14]。

1.2 灌注成像（perfusion imaging）

MRE具有优异的诊断效能，但因其成像需要额外的激励设备，在各级医院普及有一定的难度。除了MRE外，能在常规MR设备上进行肝纤维化定量检测的成像方法也有很多报道，而且都具有不错的诊断效能。静脉注射对比剂是临床常规使用的一种检查手段，能够增强血供丰富的肿瘤与正常组织的对比度，它在肝纤维化的定量检测方面也有很多的报道。肝脏具有双重血供，正常状态下，肝脏主要由门静脉供血，随着肝纤维化的进展，肝内血管及肝窦逐渐闭塞，导致门静脉供血减少，肝动脉血流增加，形成肝内分流。Miyazaki等[15]学者的研究表明，晚期肝纤维化与对照组在几个灌注参数上存在显著差异，晚期纤维化患者肝动脉灌注、动脉分数、分布体积和平均转运时间均增加。灌注成像对肝纤维化F1-4期诊断的血药浓度-时间曲线下面积（area under curve，AUC）可以达到0.83，0.85，0.88，0.92，随着肝纤维化程度的加深，诊断效能也随之提高[16]。灌注成像与常规增强扫描一样，静脉注射对比剂之后，可以在MR、电子计算机断层扫描（computed tomography，CT）甚至超声设备上进行，由于病人灌注参数对照物是同一时间层面的其他器官、肌肉等灌注值，不同成像设备的测量值同样具有可对比性。

然而，灌注成像存在着标准化的问题，灌注参数的测量对扫描时间点的把握十分重要，目前国际上倾向于在动脉期（注射对比剂20 s后），门脉期（70 s），延迟期（3 min），但由于病人个体因素相差较大，导致测量的结果阈值难以界定[16]。同时，灌注成像还存在着一些干扰因素，如空腹状态、肝脏充血、门静脉血流等。

肝纤维化过程中血管的变化除了用灌注成像反映外，还可以通过超声下微血管成像技术（microflow imaging，MFI）来观察血管形态。在静脉注入对比剂后，通过探头输出较高能量波将扫描区域内微气泡破坏，随后，邻近血管内的微泡再次灌注到该区域，此时转换为低能量模式观察，显示出区域内血管的走向及分布。Sugimoto等[17]学者研究显示，通过对门静脉分支角度、变细甚至中断及扭曲角度的测量，可以对纤维化定量分级，MFI对肝纤维化各期的诊断AUC可达0.91～0.96。

1.3 磁共振双对比剂成像（double contrast enhanced MR imaging）

除了通过注射对比剂来观测纤维化肝脏的血流灌注的差异，通过注射2种不同的对比剂后，最大化显示纤维成分，双对比成像在肝纤维化定量检测上也取得了不错的成绩。双对比剂是通过静脉连续注射超顺磁性氧化铁（superparamagnetic iron oxide，SPIO）及钆对比剂（gadolinium，Gd）进行扫描成像。肝纤维化病人肝内Kupffer细胞密度降低，氧化铁积聚减少，注射SPIO增强后，增生结节在T2加权像（T2 weighted image，T2WI）上呈明显低信号；胶原纤维成分在注射Gd对比剂后，会出现渐进性强化。双对比剂增强扫描正是运用了上述2种对比剂增强的原理，使低信号的增生结节与高信号的纤维间隔对比增强。通过计算机纹理分析技术对肝纤维化进行诊断及分期。Bahl等[18]采用二分法，将患者纤维化程度分为F2、F3，得出双对比剂成像诊断的敏感度和特异性分别为0.91，0.83。通常认为F2期纤维化是治疗的明确指标[19]，因此，这个研究让我们看到了双对比剂成像在肝纤维化分期上的巨大潜能。但是，2种对比剂势必会导致病人检查费用的增高及扫描时间的延长。同时，为获取精准评估纤维化的图像，呼吸及运动伪影需要尽可能避免，对于多数病人难以达到这种要求。此外，双对比剂对肾脏带来的负担及潜在的过敏反应不容忽视。

1.4 肝细胞功能成像（hepatocellular function imaging）

肝特异性对比剂（钆塞酸二钠、钆喷酸二甲葡胺等）的发现，使得放射科医生对肝小结节的诊断上更进一步，肝特异性对比剂除了在肝小结节的良恶性鉴别上具有喜人的成果，对于肝纤维化的定量检测也有令人惊喜的表现。肝细胞特异性对比剂，其摄取依赖于转运蛋白的表达，与肝细胞功能有关，肝纤维化过程中，原发病变（病毒性、代谢性疾病）对肝细胞的损伤，导致肝细胞功能进行性降低，肝纤维化程度越高，肝细胞功能越低。通过注射特异性对比剂进行扫描成像，可以评估纤维化的肝功能，进而对肝纤维化分期。增强扫描肝细胞特异期的强化随着肝纤维化程度的加重而降低。肝细胞功能成像对不同阶段肝纤维化分期的诊断敏感度和特异性分别为0.78，0.94[20]。肝细胞功能成像在常规MR设备上可以进行，与灌注成像相同，功能成像仅需注射肝细胞特异性对比剂，即可进行检测，简便的操作使得功能成像在于治疗效果的评价上具有良好的运用前景。但是，肝细胞特异性对比剂昂贵的售价及潜在的不良反应成为了临床常规使用的阻碍。同时，肝细胞特异期通常在注射对比剂之后的20分钟扫描，导致了扫描时间的延长。

1.5 体素内不相干运动成像（intravoxel incoherent motion Imaging，IVIM）

静脉注射对比剂可以很大程度上帮助肝纤维化的定量分期，但肝纤维化晚期的临床病人往往都有不同程度的肾损害，注射对比剂可能加重肾脏损伤。无需对比剂的肝纤维化定量成像手段为这些病人带来了希望。纤维化过程中过度生成的胶原纤维等细胞外基质会限制水分子的自由扩散。IVIM是基于弥散加权成像的一种成像技术，通过分析多个b值信号的衰减，可以分离水分子的真性扩散系数D及灌注相关系数（D*及f）。IVIM在肿瘤方面的应用很多研究都已证实其作用，肿瘤微灌注的检测[21-22]等，在肝纤维化的诊断及分期上的应用，也具有很大的潜能[23]。关于D、D*及f值与肝纤维化之间的关系，目前并没有明确，不同的实验组得出的结论大相径庭。三者之中，D*值的变化较为明显，目前研究倾向于D*与肝纤维化阶段之间存在负相关。Hu等[24]学者使用IVIM对肝纤维化病人进行评估，得出D*对大于等于F2期纤维化诊断的AUC达0.90，对F4期AUC达0.91，D*值主要反应灌注相关参数，星状细胞的活化和胶原蛋白的沉积可能是导致灌注减少和门脉高压的原因。IVIM可以在常规MR仪器上进行扫描，不需要额外的硬件，不需要注射对比剂，扫描时间较快，这些特点使得IVIM的临床接受程度较高，但其诊断效能仍需要更多实验来验证。

IVIM对肝纤维化分期的评估也存在着许多不足。IVIM对于运动伪影十分敏感，临床操作中，病人配合与否难以控制，会导致测量结果偏差，尤其是对于心脏运动干扰的肝左叶。更重要的是，IVIM的成像依赖参数，场强、重复时间、回波时间和b值都会对测量结果产生影像，其中b值的大小及数量对不同组织、器官、疾病的诊断阈值有很大差异。这些因素的差异最终会导致D值的结果偏离预测值，导致测量结果不可靠。因此，标准化扫描参数对于IVIM评估肝纤维化分期十分必要。

1.6 T1ρ定量成像（T1ρ mapping）

T1ρ，即旋转坐标系下的自旋-晶格弛豫时间常数，可以反应体内的水分子与大分子（如蛋白质）之间的化学交换。已有的动物实验及临床研究表明，T1ρ值与肝纤维化阶段有关，肝纤维化的分级越高，T1ρ亦增高。这可能与肝纤维化过程中细胞外基质蛋白的过度沉积有关。Li等[25]研究者通过对比T1ρ成像与SWE对肝纤维化的诊断及分期，得出T1ρ对于F1-4诊断的AUC分别为0.85 0.84 0.79 0.69，相对的SWE诊断的AUC分别为0.86 0.90 0.87 0.84。有研究报道称，T1ρ值不受诸如餐后状态、肝负荷因素的影响。T1ρ可以在常规MR设备上扫描，无需增加额外的设备，且不需要注射对比剂[26]。但是，T1ρ的变化机制尚不明确，胶原蛋白的沉积可能不是引起T1ρ增高的唯一因素，具体的变化机制还需要更多的实验来证实。

1.7 T1、T2定量（T1、T2 mapping）和细胞外体积分数（extracellular volume fraction，ECV）

无对比剂T1定量技术对肝纤维化评估已有报道具有较高的诊断效能，但无对比剂T1 mapping受场强的影响，且对肝脏铁含量、水肿等因素敏感[27]。T2 mapping测量肝纤维化的研究表明，肝脏炎症、水肿区域与纤维化区域之间存在着密切的联系[28]。ECV是细胞外空间的测量值，反应非细胞的体积分数，注射对比剂之后，对比剂在细胞外间隙残留，通过计算注射对比剂前后T1值，可以得到ECV。ECV不受场强及个体因素影响，具有量化肝纤维化程度的潜能。Luetkens等[29]学者研究表明，随着纤维化程度的增加，T1、T2 mapping及ECV也随之增高，说明ECV可能是量化纤维化分期的一种非常有价值的指标。该实验的不足之处在于没有矫正脂肪及铁沉积对T1、T2 mapping及ECV的影响，而这种干扰因素的存在，会严重影响这些测量值的准确性。

1.8 磁共振靶向探针（targeted MR imaging probe）

胶原蛋白在纤维化过程中十分重要，随着纤维化程度进展而增加。Zhu等[30]学者研究表明，MRI型胶原靶向探针EP-3533可以检测肝纤维化分期，但因其使用钆喷酸葡甲胺盐（gadolinium-diethylene triamine pentaacetic acid，Gd-DTPA）在骨及其他组织中有残留，由于Gd相关的肾脏损伤，这种靶向探针未能进行临床转换。为了探索MR靶向探针在肝纤维化定量诊断方面的应用，Farrar等[31]学者研究了一种新的分子对比剂CM-101，使用的是更加稳定的钆特酸葡胺（gadopentetate dimeglumine，Gd-DOTA），他们研究发现肝纤维化小鼠血液及其他组织中的Gd可以快速清除，而骨组织的积累量很少可以忽略不记，并且观察到肝硬化小鼠的肝脏信号大约是没有肝硬化小鼠的2倍。CM-101的发现让我们看到了MR靶向探针在肝纤维化定量诊断中应用的希望。

除了上述几种定量成像手段外，本课题组还使用了R2*mapping[23]技术检测辐射诱导肝纤维化大鼠模型的早期肝纤维化，并且得出R2*mapping是检测早期肝纤维化的敏感指标。诸如T1和T2 Mapping、胶原靶向MR探针、R2*mapping等技术的发现让肝纤维化的无创检测更添活力，但是目前的临床相关实验研究较少，需要进一步临床验证，我们也期待这这些检查手段在临床肝纤维化分期中提供更加精准的诊断。

肝纤维化过程中，激活的肌成纤维细胞增生不但生成细胞外基质，并伴随着一些特异性物质的表达[32]，例如基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinase，MMP）、整合素、转化生长因子-β（transforming growth factor-β，TGFβ1）等，针对这些特异性靶点，PET、光学成像等分子成像技术通过特异性分子探针开发用来检测肝纤维化，并希望以此达到早期诊断的目的。

2 正电子发射型计算机断层显像（positron emission computed tomography，PET）

PET是通过能发射正电子的放射性核素标记到能与人体内代谢物、细胞受体甚至是DNA等特异性结合的化合物上，将含放射性核素的化合物注入体内，这些化合物在人体内与代谢物等特异性结合，发生湮灭反应释放正电子，通过照相机捕捉及计算机后处理，观测体内化合物分布情况，并对代谢物等物质体内分布进行成像。肝纤维化过程中星状细胞的活化、胶原蛋白沉积等病理生理改变，都可以通过PET特异性分子探针定量检测。

整合素αvβ3在肝星状细胞细胞的活化过程中，在细胞间的信息传递（黏附、凋亡等）中起着重要的作用，是细胞间信息传递的受体感受器。在肝纤维化过程中，随着星状细胞的不断活化，整合素αvβ3的表达也越来越多，因此，人们寄希望于对肝内整合素αvβ3的检测从而检测肝纤维化的进程，即通过检测整合素αvβ3的测量，对肝纤维化进行分期。Rokugawa等[33]人运用整合素 αvβ3 特异性靶向药物18F-FPP-RGD2，对大鼠非酒精性肝纤维化模型进行检测，研究结果表明整合素αvβ3与肝纤维化有良好的相关性，通过检测整合素αvβ3，可以检测肝纤维化的发展。除了整合素αvβ3外，Hatori等[34]学者，采用[18F]FEDAC检测纤维化大鼠体内转位蛋白（主要表达于巨噬细胞和星状细胞），得出转运蛋白随着肝纤维化程度的加重而增加。

PET成像具有特异性、灵敏度高的特点，能提供详细的功能及代谢等分子水平信息。PET成像灵敏度高，可以测定组织中较低数量级的配体浓度，只需要少许的探针浓度，肝纤维化早期细胞间微小的改变，都可以被PET成像捕捉到。PET具有较高的敏感度，可以动态地获得较快的动力学信息，进行快速显像。而且，随着更多的特异性靶向药物的研发，对于肝纤维化的更全面、更精准的检测成为可能。

然而，目前大多数PET靶向探针成像的研究数据都是从动物实验得到的结果，关于PET特异性分子探针成像对于肝纤维化诊断的临床研究罕有报道，人体肝纤维化结构与纤维化机制比实验动物更加复杂，人体肝脏纤维化PET特异性分子探针成像的应用潜能，需要更多动物及人体体外实验来论证。

3 光学成像（optical imaging）

肝星状细胞在持续性肝脏损伤时激活，形成肌成纤维细胞并产生胶原纤维沉积导致肝纤维化。通过体外细胞实验证明，C1-3可以特异性地将药物传递给肌成纤维细胞[35]，但是，这种药物受到化学耦合反应的限制，无法在体内顺利进行。Luli等[36]人将一种新的脂质特异性靶向受体与C1-3结合，并与荧光标记团结合，成功在小鼠体内将C1-3特异性结合肌成纤维细胞，并通过光学成像，成功观察到肝纤维化小鼠肝内肌成纤维细胞量。这个实验让我们看到了光学成像在肝纤维化分期中运用的潜能。光学成像最大的优势在于，将治疗药物与特异性受体结合后，可以通过光学成像观察药物在体内的分布，达到诊疗一体化的效果。而且，光学成像还能够直接观察细胞和分子在体内的行为，有助于更深入了解疾病发病机制。

但是，光学成像由于结构分辨率较低，并不具备对组织解剖结构显像的能力。而且，光学成像还容易受到组织厚度的影响，对肝脏深部的显示容易出现误差，对于合并肥胖、腹水等干扰因素的病人，光学成像不能很好的对其纤维化进行准确分期。目前关于光学成像对肝纤维化评估的研究同样罕有，大多限于动物实验，活体实验的可行性仍需要进一步研究。

4 小结与展望

磁共振分子成像的主要优势在于可以将肝脏解剖及分子成像结合，得到关于肝脏整体纤维化情况的分布，解剖与功能结合，达到一体式评估，且不易受诸如腹水、肥胖等干扰因素的影响。超声成像则具操作便捷，成像速度快的优势，相较于其他检查，病人的接受程度更高，适合作为常规筛查手段。PET成像因其特异性的分子探针，具有特异性、灵敏度高的优势，对早期纤维化的诊断效能高。光学成像则具有诊疗一体化潜能，而且能帮助深入研究疾病的发病机制。目前，分子成像尚未成为临床常规检测肝纤维化分期的主要手段，最接近临床甚至已应用于临床检查的只有MRE及超声弹性成像，其他成像手段主要问题是诊断效能及标准化等问题。不过，我们看到，越来越多分子成像手段展示出了在肝纤维化早期诊断中的潜能，非侵入性分子成像有可能成为肝纤维化的常规检查、筛查的手段。未来，随着分子影像技术的飞速发展，使用各种非侵入性定量成像与临床、实验室检查结合的检测手段对肝纤维化进行筛查、早期诊断甚至是靶向治疗必将走向技术成熟。