对胸腔积液患者利用临床及内科胸腔镜下特征构建诺谟图诊断结核性胸膜炎的价值

柳芳超 杨新婷 姜慧 段鸿飞 梁清涛 李华 杨扬 郭超 张芸 邵玲玲 陈效友

内科胸腔镜是近年来兴起的操作安全、有效的微创介入检查手段[1-3]，可在局部麻醉下完成，通过内科胸腔镜可直接观察胸膜病变的形态，并可直接取出胸膜组织进行病理学检测，进行有目的的活检[4-5]。目前，已有众多研究提示结核性胸膜炎在内科胸腔镜下具有特征性形态，包括粟粒样结节状病灶、胸膜粘连、充血等，镜下取活组织进行病理检查也常呈现一定的特征性表现，包括典型的干酪样肉芽肿、具有结核病变提示作用的非典型肉芽肿等[4, 6-7]。但是，目前临床医生对于以上病理的特征性表现的判断与甄别主要依靠个人经验[6]，尤其是针对胸膜组织病原学检查呈阴性或缺乏病原学检查证据的患者，病理报告仅给出不能完全肯定的结论时，依然缺乏一种结核性胸膜炎定量性辅助诊断工具。

本研究收集北京4家医疗机构经胸腔镜检查的206例胸腔积液患者的基线特征、胸腔积液相关指标、内科胸腔镜下形态学特点资料和胸膜组织病理特点资料进行分析，通过长期抗结核药品治疗随访确诊的结核性胸膜炎患者，构建了定量化判断工具诺谟图，帮助临床医生在针对胸膜组织病原学检查呈阴性或缺乏病原学检查证据的胸腔积液患者，根据患者临床特征、镜下胸膜形态学表现和病理形态学特征对结核性胸膜炎进行辅助诊断，并进一步评价该量化辅助诊断工具的区分度、校准度、诊断准确性及临床收益。

资料和方法

一、研究对象

于2015年6月至2018年10月期间，前瞻性地收集来自首都医科大学附属北京胸科医院(99例)、首都医科大学附属北京朝阳医院(67例)、北京积水潭医院(16例)及北京医院(24例)收治的206例胸腔积液患者的资料。本研究通过首都医科大学附属北京胸科医院伦理委员会批准[2015年临审第(08-1)号]，所有患者在签署知情同意书后在1周内行内科胸腔镜检查，同时采集胸膜组织送病理检查。

纳入标准：(1)不明原因的渗出性胸腔积液；(2)胸腔积液量>500 ml；(3)HIV检测呈阴性；(4)年龄18～75岁。

排除标准：(1)胸膜腔闭锁(严重胸膜粘连)；(2)胸腔积脓；(3)患有出血性疾病，血小板低于4.0×109/L；(4)严重低氧血症，PO2低于60 mm Hg(1 mm Hg=0.133 kPa)；(5)持续不能控制的咳嗽；(6)严重心律失常；(7)最终诊断不明。

最终共收集206例有病因学诊断依据的胸腔积液患者，其中确诊结核性胸膜炎患者129例(结核性胸膜炎组)，其他原因胸腔积液患者77例(其他原因胸腔积液组)。其他原因胸腔积液组包括恶性胸腔积液57例，感染性胸腔积液10例，结节病、结缔组织病等其他原因导致的胸腔积液10例。所有患者年龄的中位数(四分位数)[M(Q1，Q3)]为53(35，62)岁；男147例(71.4%)，女59例(28.6%)。收集患者术前检查信息，包括血常规、凝血、肝炎、血生化、胸腔积液超声检查及胸腔积液实验室检测等结果。

二、内科胸腔镜检查

参照《内科胸腔镜》[8]有关内容进行操作。206例胸腔积液患者均经胸腔B超定位后患者取健侧卧位，常规消毒局部麻醉后在患侧定点处皮肤作1 cm 左右的小切口，插入胸部软性穿刺套管，用Olympus LTF-240型可弯曲电子内科胸腔镜通过穿刺套管进入胸腔，吸出积液后依次观察胸腔壁层、脏层胸膜，膈面等，收集镜下形态学信息，发现病变后在胸腔镜直视下于壁层胸膜病变处行多部位活检。采集胸膜组织3～5块经95%酒精固定后送病理检查。另取胸膜组织5～10块保存于无菌15 ml 离心管中2 h或冷藏保存3 d内送参比实验室行结核分枝杆菌GeneXpert MTB/RIF检测和BACTEC MGIT 960检测。

三、结核性胸膜炎确诊标准

胸腔积液患者满足以下任一条件可确诊为结核性胸膜炎：(1)病原学检查：胸膜组织GeneXpert MTB/RIF检测阳性，或BACTEC MGIT 960培养阳性，或有其他病原学检查阳性证据，同时菌种鉴定为结核分枝杆菌复合群，且经规范抗结核药品治疗有效并至少随访1年；(2)胸膜组织病理表现为干酪样肉芽肿/不典型肉芽肿/坏死/多核巨细胞，伴或不伴抗酸染色阳性，且经规范抗结核药品治疗有效并至少随访1年。本研究中其他原因胸腔积液指有明确病因的其他原因胸腔积液，主要包括恶性胸腔积液、感染性胸腔积液，以及包括结节病、结缔组织病等其他病因的胸腔积液患者。

四、模型构建及验证

206例胸腔积液患者按照4∶1的比例通过SAS随机分组过程(PROC PLAN)完全随机分为训练集(162例)与验证集(44例)，训练集用于变量筛选和建模，验证集用于模型的内部验证。所有患者均行胸腔镜检查，并取胸膜组织送病理检查，分别收集患者的一般资料(性别、年龄、吸烟情况、胸腔积液部位、胸腔积液量)、胸腔积液实验室检查指标(胸腔积液白细胞计数、单核细胞百分比、腺苷脱氨酶水平、总蛋白水平、乳酸脱氢酶水平)、胸腔镜下形态学特征(是否出现胸膜充血、粟粒样结节状病灶、纤维素沉积、胸膜粘连带、胸膜增厚、孤立结节状病灶)、胸膜组织病理形态学特征(是否出现干酪样肉芽肿、不典型肉芽肿、坏死表现、非特异性炎性反应)，共计20项特征。在训练集中，通过套索(least absolute shrinkage and selection operator，LASSO)回归与10折交叉验证的方法进行特征的筛选，选择误差最小值的一个标准差处的位置作为最优诊断因素集合，确定最优惩罚系数绘制内科胸腔镜下形态学特征诊断结核性胸膜炎的诊断诺谟图。然后分别在训练集与验证集中进行模型的验证，分别进行辅助诊断模型的ROC分析、校准曲线(calibration plot)的绘制、决策曲线分析(decision curve analysis，DCA)，评价该模型的区分度(discrimination)、校准度(calibration)和临床收益(benefits)。

五、统计学处理

统计分析均使用R软件(3.1.1版本)。本研究所用软件包包括glmnet包(用于LASSO与10折交叉验证回归分析，进行因素筛选)、rms包(用于绘制诺谟图，绘制校正曲线)、pROC包(用于ROC分析)、rmda包(进行临床决策曲线分析，绘制决策曲线)。全分析集及训练集中结核性胸膜炎组及其他胸腔积液组各项特征的比较，单因素比较采用两独立样本t检验，不满足正态分布情况的定量指标采用秩和检验；分类指标的比较采用卡方检验，不满足卡方检验应用条件的指标采用Fisher确切概率法。多因素比较采用logistic回归分析。以P<0.05为差异有统计学意义。

结 果

一、结核性胸膜炎诊断因素的筛选

单因素分析显示，年龄、胸腔积液白细胞计数、单核细胞百分比、胸腔积液腺苷脱氨酶水平、胸腔积液乳酸脱氢酶水平、胸腔镜下胸膜充血、粟粒样结节状病灶、纤维素沉积、胸膜粘连带等形态学表现，以及病理学形态学特征，包括干酪样肉芽肿、不典型肉芽肿等特征在两组之间分布的差异有统计学意义。差异有统计学意义者，对结核性胸膜炎的确诊可能具有一定的提示意义。见表1。

表1 206例胸腔积液患者潜在诊断因素的分布与比较

续表1

129例经结核性胸膜炎确诊标准诊断为结核性胸膜炎的患者中，每例患者经胸腔镜取胸膜组织后，至少经过某种病原学检测为阳性；其中69例进行了核酸检测的患者阳性率最高，可达50.7%。胸膜组织抗酸染色阳性率最低，仅为2.4%。5种病原学诊断方法联合评价，病原学诊断阳性率为58.1%，即经胸腔镜检查取胸膜组织后，仍有41.9%的结核性胸膜炎患者无法确诊，这部分患者均是根据病理形态学表现及随访抗结核药品治疗确诊。见表2。

训练集162例患者的各潜在诊断因素与全分析集的分布情况基本一致，以男性患者为主(68.5%)，年龄的M(Q1，Q3)为53(35，62)岁，胸腔积液以单侧为主(93.2%)，吸烟者占34.6%，结核性胸膜炎组104例(64.2%)。结核性胸膜炎组与其他胸腔积液组相比，呈现出年龄较低、胸腔积液白细胞个数多、胸腔积液腺苷脱氨酶水平高、乳酸脱氢酶水平高的特征，结核性胸膜炎镜下形态学常表现出粟粒样结节、纤维素沉积、出现胸膜粘连带等特征，经病理学检查，形态学上呈现出干酪样肉芽肿或不典型肉芽肿的特点。以上特征经单因素分析，两组之间差异均有统计学意义。见表3。

表2 129例经过金标准确诊为结核性胸膜炎患者的病原学检查阳性情况

表3 训练集162例胸腔积液患者各辅助诊断因素的分布与比较

续表3

在训练集中，针对LASSO回归筛选的7个诊断因素进行logistic多因素回归分析，干酪样肉芽肿、不典型肉芽肿、胸膜粘连带、坏死表现及胸腔积液腺苷脱氨酶水平两组之间差异有统计学意义(P值均<0.05)。见表4。

注：采用10折交叉验证进行变量筛选。观察不同变量个数模型偏差及其95%置信区间，通过寻找偏差最低处确定最佳惩罚系数λ，λ的一个标准误外视为LASSO回归中最优辅助诊断因素个数位置。此时，取自然对数作为横坐标，模型偏差作为纵坐标作图，在时，有7个辅助诊断因素组成最优模型图1 训练集中基于偏差最小原则诊断因素个数确定图

表4 训练集162例胸腔积液患者各辅助诊断因素logistic多因素回归分析

注：随着惩罚系数的增大，各因素系数逐渐被压缩为0，在前有7个辅助诊断因素系数未压缩至0，实现了变量的筛选；a：从上到下依次为1、2、5、6、7、8、10、11、16图2 变量系数惩罚图

二、诺谟图绘制

基于最优模型筛选出的7个因素利用logistic回归模型绘制诺谟图，见图3。绘制了主要基于胸膜形态学特征的结核性胸膜炎的可视化辅助诊断工具。基于胸腔镜下形态学特征或病理形态学特征可实现结核性胸膜炎的定量化的概率辅助诊断。考虑到腺苷脱氨酶在100 U/L以上时情况较为复杂，本诺谟图模型并不适用于对腺苷脱氨酶在100 U/L以上患者结核性胸膜炎的辅助诊断。

三、诺谟图的诊断效能评价

1. 模型校准度：分别在训练集、验证集中分别绘制校正曲线，见图4、5。在训练集中，诺谟图模型校准度较高，实际概率与诊断预测概率差距较小，校正曲线未偏离理想曲线，但诊断概率在50%～70%区间时，预测概率略高于患者实际发生结核性胸膜炎的概率。在验证集中，总体校准度有所降低，但校正曲线及修正校正曲线未偏离理想曲线太远，预测概率在20%～70%区间时，预测概率略低于患者实际患结核性胸膜炎的概率，最大概率差异发生在辅助诊断概率40%的位置，预测概率比实际概率约低10%。

2. 模型区分度：在训练集和验证集中分别进行ROC曲线分析，见表5、图6。训练集中，模型诊断准确性较高，ROC曲线下面积(AUC)达0.97，正确指数为0.85，敏感度为92.31%，特异度为93.42%，阴性预测值为87.14%，阳性预测值为96.31%。在验证集中，诺谟图模型AUC有所降低，为0.89，敏感度为80.44%，特异度为100.00%，正确指数为0.80，阴性预测值为79.45%，阳性预测值为100.00%。可见，模型总体区分度在训练集和验证集中均较高，尤其是特异度较高，提示诺谟图判断阴性的准确度是很高的。

表5 训练集和验证集的ROC分析结果[值 (95%CI值)]

注：如1例患者胸腔积液腺苷脱氨酶水平为25 U/L，胸腔镜下见粟粒样结节状病灶，组织标本病理检查为干酪样肉芽肿。根据上述条件，分别在分数轴上判断各变量得分，胸腔积液腺苷脱氨酶水平为20分，粟粒样结节状病灶为10分，干酪样肉芽肿为43分，依次累积各个变量的得分，得到分数合计为73分；然后在分数合计数轴上找到相应位置，对应的概率为86%，则结核性胸膜炎概率为86%图3 病原学阴性结核性胸膜炎辅助诊断诺谟图

图4 训练集中结核性胸膜炎辅助诊断诺谟图校正曲线图

图5 验证集中结核性胸膜炎辅助诊断诺谟图校正曲线图

图6 训练集和验证集的ROC曲线

3. 模型的临床收益：在训练集中，进行决策曲线分析，绘制临床决策曲线，见图7。收益是指真阳性结核性胸膜炎患者干预后的获益减去假阳性患者干预后的损失的差值。假设1例患者接受治疗获益与1例非患者接受治疗损失相等，观察临床决策曲线，以辅助诊断概率50%为界值，对经诺谟图判断结核性胸膜炎辅助诊断概率大于50%的患者进行抗结核治疗时，扣除假阳性给予治疗的收益损失，约55%的患者仍然有净收益。

图7 临床决策曲线分析图

讨 论

胸腔积液是内科常见疾病，病因较多，临床上常用的诊断方法有胸腔积液细菌学、细胞学检查、胸膜活检等，但这些常规方法在病因诊断方面阳性率较低[2, 9]。而胸腔镜可以通过肉眼观察整个胸膜腔、壁层胸膜、肺脏表面、膈胸膜及肋膈窦，观察胸膜组织的形态学特征，并可以直视下进行病变活检，可进一步获得明确的病理形态学特征，与胸腔积液细胞学和胸膜活检相比，胸腔镜极大地改善了胸腔积液诊断的精确性[10]，提高了诊断的阳性率[11]，并且整个操作过程损伤较小，不良反应少，安全可靠[3, 12-13]，显示出较强的应用价值[14]。

目前，已有研究证明了胸腔镜下的胸膜形态学特征对结核性胸膜炎的诊断价值[6, 12, 15]，这些特异性结核性胸膜炎的胸膜形态学特征包括急性期的壁层胸膜弥漫性充血水肿、粟粒样改变、纤维素的沉积等，也包括慢性期可见的淡黄色厚薄不均的纤维素沉积和胸膜粘连带等特征[4]。本研究结果与以往研究相似，最具有辅助诊断价值的形态学特征包括粟粒样结节状病灶、胸膜粘连带及未出现孤立结节状病灶，病理形态学方面包括干酪样肉芽肿及坏死表现是结核性胸膜炎的特征。

虽然胸腔镜检查术作为最准确的诊断结核性胸膜炎的方法之一，其诊断价值已经获得广泛认可与确认[10, 16]。在符合病理形态学特征的基础上，胸膜组织病原学检测呈阳性，则给出第1类肯定的病理诊断；但是，如病原学检测呈阴性，病理常会根据病理形态学特征给出第2类不肯定的诊断。此时，临床医生需根据患者临床特征以个人的经验进行研判，在缺乏病原学证据的情况下，针对以上形态学及病理学的特征性表现的判断与甄别带有一定主观性[6]。某些提高病因学诊断率的新技术，包括半刚性胸腔镜、胸腔镜下胸膜洗刷等，还未广泛用于临床[5, 17]。本次研究结果显示，41.9%的结核性胸膜炎患者的确诊是在具有结核病理形态学特征的基础上，通过1年的规范化治疗证明有效而确诊的，未找到患者的病原学证据。

针对经胸腔镜检查术后病原学阴性的不明原因胸腔积液患者，本研究在筛选出7个最有诊断价值的因素后，构建了一套量化辅助诊断诺谟图[18]。模型中病理的形态学特征诊断价值总体远高于胸腔镜下所见的形态学特征，性别、年龄等人口学特征并未纳入辅助诊断模型，提示这些人口学因素对于患者结核性胸膜炎的诊断影响较小，这与文献报道的结论一致[7, 13]。临床医师在已知某一例患者胸腔积液中的腺苷脱氨酶水平、胸腔镜下形态学特征与病理形态学特征后，分别在分数标尺上读出各项特征得分，将分数相加，在合计分数标尺上确定总分的位置，之后在平行的概率标尺上读出合计分数所对应的结核性胸膜炎概率，可以在获得病原学证据之前就计算出该例患者罹患结核性胸膜炎的概率，并且具有较高的诊断准确性。尤其是在无法获得病原学证据，现行病原学检查为阴性的情况下，对结核性胸膜炎的诊断具有较好的准确性；经小样本验证，该辅助诊断模型AUC达0.89，模型在区分度、校准度方面均有较优表现。在临床实践中，对于经诺模图模型判断结核性胸膜炎概率大于50%的胸腔积液患者全部进行抗结核药品治疗，依旧至少有55%的患者将受益。尤其是在缺乏病原学证据或病原学检测结果呈阴性的不明原因胸腔积液患者中，经小样本验证，敏感度为80.44%，特异度达到100.00%，研究所构建的诺谟图能够较为准确地诊断胸腔积液患者是否为结核性胸膜炎患者，具有一定的实用性。

本研究也存在一定的局限性，由于经胸腔镜诊断的胸腔积液患者数量有限，研究样本量较小，仅进行了小样本的内部验证，可能存在模型诊断准确性不稳定的风险，有待进一步扩大样本量进行外部验证和优化。

综上所述，本研究显示结核性胸膜炎患者最具诊断价值的形态学特征有胸腔镜下所见的粟粒样结节状病灶、胸膜粘连带及未出现孤立结节状病灶，病理形态学上的干酪样肉芽肿、不典型肉芽肿、坏死表现，以及胸腔积液实验室检查指标的腺苷脱氨酶水平。构建的结核性胸膜炎辅助诊断诺谟图在小样本验证中达到了良好的准确度、敏感度及特异度。针对缺乏病原学证据需要随访抗结核药品治疗效果的胸腔积液患者，能够用于结核性胸膜炎的辅助诊断，为临床治疗决策提供有价值的参考。