基于3项无创指标的肝硬化诊断模型的建立及验证

胡 捷， 张翔宇， 王 征*， 周 俭,2*

1. 复旦大学附属中山医院肝肿瘤外科；复旦大学肝癌研究所；教育部癌变与侵袭原理重点实验室，上海 200032 2. 复旦大学生物医学研究院，上海 200032

肝硬化是肝脏在长期慢性炎症过程中产生的一种不可逆病理学改变，对肝脏的合成、代谢等生理功能造成严重影响。在中国，慢性乙型肝炎引起的肝硬化较为常见，而西方国家以丙型肝炎性肝硬化或酒精性肝硬化多见[1]。肝硬化失代偿期患者可出现多种严重并发症，如腹水、上消化道出血、肝性脑病、肝衰竭等[2]，同时肝硬化也大大增加了患者发生肝癌的风险。肝硬化是不可逆的病理改变，因此对高危人群进行早期评估干预是防控的关键[3]。肝穿刺病理学检查结果是目前评估肝纤维化或肝硬化程度的金标准[4]。但穿刺活检为侵入性检查不适合动态连续监测、存在取样误差，严重限制了其临床应用[5]。本研究拟通过收集患者血液学指标及肝脏弹性超声数据，采用套索(LASSO) logistic回归算法建立肝硬化的评估模型。同时与已报道的无创肝硬化评估方法天冬氨酸转氨酶/血小板比率指数(APRI)、基于4因子的纤维化评分(FIB-4)指数、King评分和 Forns指数比较。

1 资料与方法

1.1 一般资料 选择2015年7月至2016年11月在复旦大学附属中山医院肝脏外科手术治疗的患者460例。纳入标准：(1)年龄≥18岁；(2)若为肝脏占位性病变，占位直径小于5 cm；(3)具有完整的血液学结果及弹性超声检查结果；(4)所有病例术后标本均经过肝脏组织病理学检查。排除标准：(1)胆道梗阻或其他因素引起的肝脏淤胆或肝脏水肿；(2)接受过肝移植手术；(3)药物性肝炎或自身免疫性肝炎的患者。本研究通过了复旦大学附属中山医院伦理委员会审查(B2020-326R)。所有患者按照入院时间分为建模组(n=308)和验证组(n=152)。

1.2 弹性超声及病理诊断 采用Aixplorer 超声图像系统 (Supersonic Imagine公司)进行肝脏弹性超声检查，超声探头置于肝脏实质，距离大血管、胆囊或肝脏占位等肝内其他组织至少2 cm。在患者平静状态下屏住呼吸的3～5 s内进行检测，重复5次，取平均值。所有病理切片均由2位有经验的病理科医生读片，根据Scheuer评分系统将肝脏纤维化程度分为5级(S0～S4)：S0为无纤维化、S4为肝硬化。

1.3 血液学指标 纳入与肝脏纤维化及肝硬化潜在相关的指标22个，如血小板计数、Ⅲ型前胶原、Ⅳ型胶原，γ-谷氨酰转移酶(GGT)、丙氨酸转氨酶(ALT)、天冬氨酸转氨酶(AST)、透明质酸等。已报道的无创肝硬化诊断模型APRI、Forns指数、 King评分 及FIB4计算公式如下。APRI= [AST (U/L)×正常值上限 (一般设为40 U/L) × 100]/血小板计数 (×109/L)[6]。Forns 指数 = 7.811-3.131 × ln[血小板计数 (× 109/L)] + 0.781 × ln[γ-GT (U/L)] + 3.467 × ln[年龄(岁)]-0.014×ln[胆固醇 (mg/dL)][7]。King评分 =年龄 (岁)×AST(U/L) × 国际标准化比值/血小板计数(×109/L)[8]。FIB-4=年龄 (岁) × AST (U/L)/[ALT (U/L)1/2×血小板计数(× 109/L)][9]。

2 结 果

2.1 临床资料 根据入排标准，在2015年7月至2016年11月，共460例患者入组(表1)。男性368例，女性92例，年龄(59.0±11.6)岁, 乙型肝炎表面抗体阳性患者244例(46.5%)，弹性超声值为(11.48±4.82) kPa。460例患者中S0期29例、S1期78例、S2期76例、S3期69例、S4期208例。所有入组病例按照时间顺序分为训练集(n=308)和验证集(n=152)。

表1 建模组及验证组患者临床特征

2.2 血液学指标与肝硬化的相关性 建模组308例患者分析结果(表2)显示：肝硬化患者(S4)的弹性超声值[(13.60±4.98) kPavs(9.67±3.68) kPa,P<0.01]、HBsAg阳性率(63.5%vs30.4%,P<0.01)、Ⅳ型胶原[ (74.23±45.57) ng/mLvs(61.30±41.22) ng/mL,P=0.01]、碱性磷酸酶[(84.21±30.94) U/Lvs(98.49±68.30) U/L,P=0.02]、凝血酶原时间[(11.75±0.89) svs(11.39±0.78) s,P<0.01]、透明质酸[ (152.71±143.36) ng/mLvs(99.64±71.08) ng/mL,P<0.01]显著高于非肝硬化患者(S0～S3)，而血小板计数[ (150.94±70.28) × 109/Lvs(195.39±67.99) × 109/L，P<0.01]显著低于非肝硬化患者。单个指标诊断肝硬化的AUC值为0.537～0.768。

表2 临床病理参数与肝硬化的相关性

2.3 模型的建立及验证 在308例建模组的患者中，首先利用LASSO筛选模型相关变量。LASSO 回归复杂度调整的程度由参数 λ来控制，λ越大，对变量较多的线性模型的惩罚力度越大，从而获得一个变量较少的模型。经过10次交叉验证后，对于每一个λ值，可得到一个目标参量的置信区间。经过交叉验证后，可得2个λ值，即lambda.min和lambda.1se。λ值达到一定大小之后，增加自变量个数无法显著提升模型性能，而lambda.1se恰好给出的是具备优良性能且自变量最少的模型，最终筛选出3个参数(图1A)，并经logistic回归得出最优预测模型即：模型= -2.068 2+0.211 7×弹性超声值-0.006 6×血小板计数+1.357 1×[1(HBsAg阳性)或0(HBsAg阴性)]。预测肝硬化的概率可由公式[exp(Model)]/[1+exp(Model)]计算得出。采用病理学诊断作为金标准，ROC分析(表2、图1B)显示，建模组病例中本模型AUC可达0.823，灵敏度为82.86%,特异度为69.64%, 显著优于APRI(AUC=0.667，P<0.001)、FIB-4 (AUC=0.626，P<0.001)、Forns指数 (AUC=0.648，P<0.001)、King评分 (AUC=0.650，P<0.001) 。进一步在验证集队列中分析发现，本模型AUC可达0.860(0.795～0.911)，灵敏度83.82%,特异度77.38%，显著优于APRI、FIB-4、Forns 指数、King评分 (P<0.001)。

表3 无创检测模型判断肝硬化的效能分析

图1 预测模型的构建及验证A：模型变量筛选。使用glmnet函数拟合LASSO回归模型，选取最优λ值。2条虚线分别表示2个特殊的λ值：左侧为lambda.min，右侧为lambda.1se。lambda.1se是指lambda.min在方差范围内得到模型最简单的λ值。最终筛选出3个参数，进行logistic回归建模；B：建模组ROC分析，3指标模型AUC面积为0.823，显著优于其他模型(P<0.01)；C：验证组ROC分析，模型AUC曲线下面积为0.860, 显著优于其他模型(P<0.01)。

2.4 模型的可视化及临床决策分析 为了便于临床应用，本研究对预测模型进行可视化并建立了诺莫图(图2A)。验证集校准曲线图及Hosmer-Lemeshow(拟合优度检验)分析显示，诺莫图预测风险和实际风险吻合性良好(P=0.66)，拟合优秀(图2B)。同时，为了评价模型的临床有效性，本研究绘制了决策曲线(图2C)。分析表明，该评分预测模型相比较于既往的肝硬化无创诊断模型，有显著的净获益(20%～90%)，提示该预测模型临床应用价值高，满足临床决策的实际需要。

图2 模型的可视化及临床决策分析A：将模型用可视化列图展示，更适合临床应用；B：利用外部数据构建校准曲线图验证Nomogram预测效果的准确性，拟合优度检验分析显示其预测风险和实际风险吻合性良好(P=0.66)，拟合优秀；C：决策曲线表明，该评分预测模型相比较于既往的肝硬化无创诊断模型，有显著的净获益(20%～90%)，提示该模型临床应用价值高。

3 讨 论

肝活检组织病理学检查仍是肝硬化诊断的金标准。但腹水、凝血功能异常或PLT<60×109/L等无法肝穿刺的患者则缺乏准确有效的诊断方法[4]。此外，在组织病理学诊断方面尚存在观察者内和观察者间的差异。血清学指标的变化能够在一定程度上反映出肝硬化患者病情的进展[10]。因此，涌现出一些以血清学指标为参数的肝硬化无创诊断模型，如APRI、FIB-4、King评分、Forns指数等。这些模型对肝硬化的判断准确性不尽如人意，且存在一定的局限性[11]。如APRI的构建源于慢性丙型肝炎患者，该指数对慢性乙型肝炎人群的肝硬化诊断价值并不高。超声弹性成像可测量肝组织硬度，从而间接判断肝硬化程度。但是在肝脏一过性炎症水肿、胆道梗阻、肝脏淤胆时，其硬度也会增高，单纯采用弹性超声判断肝脏硬化也存在一定的假阳性。因此，不管是弹性超声还是血液学检测，单一指标与金标准病理学结果的相关性均不高，无法用于诊断。

本研究在筛选21项血清学指标的同时，纳入了肝脏的瞬时弹性成像数据，增加了评估维度，从而可更准确地判断肝硬化的程度。肝脏的瞬时弹性成像可通过探头震动产生一个瞬时低频脉冲激励，使肝组织产生瞬间位移和剪切波，从而判断肝脏的硬度。本研究将血液学指标与弹性超声相结合，使得二者优势互补，提高了模型的准确性。既往也有研究[12-16]尝试将弹性超声和/或血清学指标建立诊断模型，但受限于样本量少、无独立的验证队列、病种局限化、建模方法缺陷、模型过于复杂等因素影响，未在临床广泛应用。 此外，相较于既往研究[17]所采用的穿刺活检，本研究采用切除的部分肝脏进行病理诊断，组织量更大，诊断准确度更高，从而增加了模型的准确性。

随着乙型肝炎疫苗接种的推广，我国非病毒肝炎性肝硬化，如酒精性肝硬化和非酒精性脂肪性肝炎(NASH)相关性肝硬化的比例不断提高。因此，本研究纳入了近246例非病毒肝炎性的患者，以增加该模型在不同病种的适用性。本模型适用于只须评估肝硬化程度，无须评估肝脏炎症状态的肝病患者，尤其是凝血功能障碍、门脉高压、有出血倾向的患者。