超声剪切波弹性成像在肾脏疾病中的应用进展

肖雨菲(综述)，韩若凌(审校)

(河北医科大学第四医院超声科，河北 石家庄 050011)

肾脏疾病病因繁多，发病机制复杂，且有相当比例的肾脏疾病随病程进展表现出不可逆性，因此，对于肾脏疾病的早发现、早诊断、早治疗便显得尤为重要。CT、MRI及常规传统超声技术必须在肾脏具备形态学改变时方可发现病变，在疾病诊断的时效性及准确性方面均有所限制，而剪切波弹性成像技术基于生物组织的硬度特性，可定量反映肾脏组织的生理状态，为临床医师早期发现肾脏疾病及全面评估疾病严重程度提供及时、有效的影像学依据。现对超声剪切波弹性成像在肾脏疾病中的应用进展综述如下。

1 超声剪切波弹性成像技术的基本概念

超声弹性成像于1991年由Ophir等第一次提出，通过计算生物组织的弹性系数进行评估其硬度[1]。而SWE 则是Sarvazyan等于1998年首先提出，现已成为目前最为前沿、精准的超声弹性成像技术[2]。根据欧洲医学和生物学超声学会联合会发布的指南，超声弹性成像(ultrasonic elastography,UE)可以细分如下：①应变弹性成像(real-time strain elastography，RTE)，也称为准静态和定性弹性成像，人工施加压力，通过比较换能器施加力之前和施加力之后的两个超声回波来测量组织的定性应变；②剪切波弹性成像，也称为定量弹性成像，包括一维式瞬态弹性成像(transient elastography，TE)，声辐射力脉冲(acoustic radiation force impluse，ARFI)和实时剪切波弹性成像[3]。“剪切波弹性成像”究其本质是一种动态弹性成像技术，通过跟踪穿过给定介质的剪切波来评估组织的硬度，利用杨氏模量，其中E=qCs2,E代表杨氏模量值绝对值，q(rho)=密度,Cs=剪切波速度，以米/秒(m/s)为单位，将剪切波速度与组织刚度(即弹性)建立了正相关，通过确定剪切波速度，即可计算和量化组织刚度[4]。

剪切波可以被认为是通过施加的力在给定组织的分子中引起的形变波。相对于超声波束的激发发射，剪切波沿垂直方向传播，它通常与感兴趣的结构平行(图1)。

图1 与激发超声束相关的剪切波传播的基本原理。来自超声束的入射瞬态脉冲(绿色箭头)产生剪切波(横向箭头)，该剪切波在垂直方向上在目标组织内传播。剪切波的速度以米/秒为单位记录，可以使用杨氏模量转换为定量的刚度分数，并以 kPa 表示

2 肾脏弹性影响因素

近年来不断有学者对肾脏弹性成像的影响因素进行探索。与其他腹部脏器相比较而言，肾脏具有更高的组织异质性和各向异性—肾皮质结构致密，富含毛细血管，故而硬度较大；肾髓质主要由集合管构成，内含液体较多，相对硬度较小。而SWE技术对肾实质的各向异性以及由于探头压迫、血流灌注、尿液压力等因素引起的外部或内部压力敏感[5]。一项由Muttray等[6]进行的体外猪模型试验已证实，肾脏剪切波速度可随肾盂压力的急剧增高而增加；而Jarv等[7]通过一项前瞻性研究发现，SWE测量值的结果主要取决于患者的体重指数(body mass index，BMI)，同种异体肾的深度和供体年龄。除上述生理因素的影响外，一项由Gungor等进行的研究则证明弹性成像评分与血清尿素氮、肌酐水平呈正相关，而与肾小球滤过率值(glomerular filtration rate，GFR)和蛋白尿水平之间没有关系[8]，此项发现也为SWE技术弹性成像评分评估慢性肾脏病患者的肾功能分期提供了可靠的理论基础。因此，在利用SWE技术评估肾脏生物状态时，如何最大程度地排除上述生理因素的影响以及恰当地联系病人临床生化血液学指标是值得深思的问题。

3 SWE技术的临床应用

3.1SWE技术在原发性肾脏疾病中的应用 原发性肾脏疾病的病理类型包括了急性肾小球肾炎，慢性肾小球肾炎、急进性肾小球肾炎，肾盂肾炎、IgA肾病及肾病综合征等多种病理类型，其中部分病理类型的慢性肾脏病已被公认为进展性不可逆性肾脏疾病，及时发现早期肾脏病、及时判断肾脏病理类型便更显重要。一项由阿丽米热·阿不都热依木等[9]进行的临床实验，以病理结果为金标准，运用SWE技术定量评价成人早期慢性肾小球肾炎的肾脏纤维化程度，结果证明肾脏组织弹性的变化与肾功能的改变具有良好的一致性。应用SWE技术定量测量肾脏弹性值，即可在一定程度上初步评估肾脏功能分期[10]。原发性肾病综合征是原发性肾脏疾病的常见临床综合征，严重者可引起肾功能损害、细菌感染及代谢紊乱等多种不良事件。临床综合征诊断的局限性显而易见，必须结合肾组织病理学，才有可能对疾病的病理生理机制和病因学进行分析，进而指导诊断和治疗，但目前在一些基层医院，肾脏活检的开展尚未完全普及，为从预防到诊治，全面精准管地控肾脏疾病[11]，SWE技术作为一种创新、无创、便捷的技术手段，有望通过检测肾脏的弹性模量值，进而对比不同病理类型原发性肾病综合征患者肾脏的硬度差异，初步为早期肾脏弥漫性病变提供一定的诊断和分型依据。经过大量学者近年来的不断研究发现，微小病变型肾病的肾脏硬度与正常人无异[12]，而膜性肾病(但不同分期的膜性肾病患者杨氏模量值差异没有统计学意义)、局灶节段性肾小球硬化症及IgA 肾病患者的肾脏YM值均高于微小病变型肾病，其中IgA肾病所有T分期患者肾实质剪切波传播速度(shearwavevelocity，SWV)测值均较健康对照组降低，且T0、T1、T2组SWV测值进行组间比较,差异亦具有统计学意义(P<0.05)，以2.66、2.59和2.39 m/s为诊断IgA肾病T0、T1及T2分型的最佳诊断界值[13],可以说其利用剪切波弹性成像无创性评估IgA肾病牛津病理分型的经验具有一定的推广应用价值。综上，剪切波弹性成像测量值与肾脏病理损伤程度及肾脏纤维化程度的改变均保持高度一致，这在一定程度上证明SWE技术能够通过定量测量肾脏的硬度进而为原发性肾病综合征的早期诊断及病理分型提供有力的影像学依据，也就是说，剪切波弹性成像技术的使用有望使无创化评价早期肾功能改变成为现实。

3.2SWE技术在继发性肾脏疾病中的应用 继发性肾脏疾病形式多样，常见种类有狼疮性肾炎、过敏性紫癜性肾炎、糖尿病肾病糖尿病肾病(diabates mellitus，DKD)等。其中，DKD作为最常见的继发性慢性肾病，目前已成为引起终末期肾病的首要病因。有研究显示，在弹性成像的基础上创新应用了弹性成像点量化技术(elastographypoint quantification，ElastPQ),在获取清晰有效的肾脏二维图像之后，打开ElastPQ成像软件的虚拟触摸组织定量模式即可准确测量感兴趣区域DKD患者肾脏皮质僵硬程度变化，通过综合尿白蛋白排泄率、糖尿病持续时间及肾皮质YM值三种数据，即可对早期和中度 DKD进行准确的鉴别诊断，从而显著提高了DKD的早期诊断准确性[14]。SWE技术作为一种无创、可重复性好且定量的新型超声技术手段，在糖尿病肾病患者肾功能分期的评估过程中起到了不可或缺的作用[15-16]。而另一项由李雪娇等[17]进行的研究则是应用剪切波弹性成像技术对儿童过敏性紫癜肾炎的影像学变化进行了创新性的探索。以病理穿刺结果作为金标准，结果证实过敏性紫癜肾炎患儿病理分级(Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ级)与肾实质弹性模量值呈正相关，这初步证明了SWE技术可定量分析、评估过敏性紫癜肾实质的损害程度,对儿童过敏性紫癜肾炎的病理诊断、病程观察及预后评估有一定的参考价值。

3.3SWE技术在移植肾中的应用 肾脏移植目前已被公认为肾脏终末期最有效的治疗方法，但不可否认的是作为一种移植手术，它也往往伴随不可避免的急性、慢性排斥反应。病理结果是判断移植肾纤维化程度的金标准，但是肾脏穿刺作为一种有创检查极有可能对移植肾产生损伤，且重复性差。而SWE技术则可通过重复、定量且无创地对移植肾的实质硬度进行测量，从而对其生物状态进行准确评估，目前剪切波弹性成像已被认为是用于非侵入性肾脏移植弹性评估的最合适的弹性成像方法[18-19]。肾脏移植术后，常见并发症主要为以下四种：药物引起的肾脏损害，急性排斥反应，慢性同种异体肾病和BK病毒肾病，其中慢性同种异体肾病被认为是肾脏移植术后再次发生肾衰竭的主要原因。有学者通过对31例肾移植后肾功能不全的患者进行超声引导下的肾脏穿刺活检、常规超声和SWE超声检查，以肾脏穿刺作为金标准，根据病理结果，对SWE超声在评估四种不同并发症之间的诊断功效进行评价。结果证明SWE技术的定量指标最大弹性模量(elastic maximum modulus，Emax)在四种不同并发症之间的差别具有统计学意义(P<0.05)，肾皮质中Emax值的大小分布为BK病毒肾病>慢性同种异体肾病>急性排斥>药物引起的肾损伤，肾皮质Emax值在肾纤维化和肾小管萎缩的严重程度上差异有统计学意义(P<0.05)，可用于评估肾纤维化和肾小管萎缩的严重程度[20-21]，且在发现早期肾小管萎缩和间质纤维化进程中，弹性模量值与血清肌酐水平呈正相关[22]。至于使用SWE技术评估移植肾脏排斥反应的最佳时间，目前有研究显示最好选取移植肾脏稳定后的时间段，如第六个月以后对肾脏皮质硬度进行测量[23]。综上，SWE技术作为一种非侵入性的、简便、重复性的超声检查手段，有助于发现早期移植肾病理改变并提示临床及时进行干预。

3.4SWE技术在肾积水疾病中的应用 肾积水是泌尿外科的常见疾病之一，不同病因、不同病程的肾积水可对肾脏引起不同程度的损害，通常需要及时衡量肾脏积水程度、判断泌尿系统梗阻部位以及评估肾功能，进而选择恰当的手术时机和方案。常规超声主要通过观察积水肾脏的肾实质厚度来间接评估肾功能，而SWE技术可直接测量肾实质弹性模量值来反映肾实质的纤维化程度，一项由蒋映丰[24]进行的研究，对40例先天性尿路梗阻患儿联合应用磁共振尿路成像及肾实质弹性成像技术，结果证实二者不仅可以准确判断其梗阻部位及梗阻性质，还能在一定程度上评估其残余肾功能及手术预后情况。可以说，SWE技术使传统影像学实现了从形态学检查到功能学测定的革命。

3.5SWE技术在肾脏肿瘤中的应用 众所周知，常规超声在肾脏占位性病变的诊断与鉴别中始终存在一定的局限性，临床工作中往往将CT、MRI作为判断肾脏占位性质的首选。鉴于SWE技术在甲状腺、乳腺等浅表器官占位性病变良、恶性鉴别中高度的应用价值，近年来亦不断有学者尝试将SWE技术运用于不同肾脏肿瘤性质的鉴别中，Aydin等[25]通过对40例经病理证实的良、恶性肾脏病灶进行SWE检查，发现恶性肿瘤YM值远大于良性肿瘤YM值，但是另有学者通过对68例肾细胞癌和49例血管平滑肌脂肪瘤进行剪切波弹性成像测定，所得结论恰好与之相反[26]。鉴于目前业界对于肾脏良、恶病变的弹性模量值高、低差异暂无定论，临床尚需进行多中心、扩大样本量研究，以待早日规范、精准测量肾脏占位性病变弹性模量值。

3.6SWE技术在肾脏多模态模型中的应用 支持向量机(support vector machine，SVM)作为一种基于结构最小化理论的机器学习方法，可用于处理样本量少的高维度的线性、非线性医学相关数据。目前已有学者将SWE技术运用于SVM模型中，通过测量双侧肾皮质硬度数值，将SWE超声弹性列为最终计算参数进而衡量SVM模型在处理不同类型肾脏疾病的医疗图像、文字数据等信息方面具备的诊断效能[27]。目前，受技术水平及供体数量限制，终末期肾脏病患者接受肾脏移植手术的可行性依旧较低，血液透析仍作为肾脏移植的最佳替代疗法被临床普遍认可[28]。如何建立行之有效的透析通路—“动静脉瘘”成为了终末期肾病血液透析的重要课题。一项由胡艳等[29]进行的研究结合应用了传统常规超声、超声弹性成像、血管回声跟踪技术，比照病理结果，对桡动脉血管弹性进行了综合的客观评价，其中超声弹性成像技术通过测定血管内血流与血管壁弹性的比值反映血管壁弹性，结果显示，相较于传统超声,该比值具有更高的诊断效能，即使轻度病变组的B/A比值仍旧比空白对照组数值明显增高，这为临床更早更精准评估桡动脉弹性提供了新的超声检查手段。

4 结 语

弹性成像技术作为一种创新性的超声检查技术，具备实时、无创、精准、可重复性高等诸多优势，被视作是超声技术的第四次飞跃。尽管由于肾脏复杂的解剖结构及肾脏疾病的繁杂多变，弹性成像的临床应用仍存在一定的局限性，但也恰是因此，SWE技术仍有较大的发展空间，值得广大超声工作者同道在今后的工作中不断进行摸索及改进。随着医疗手段的不断完善，多中心实验研究的不断进行以及大数据时代的不断发展，弹性成像技术有望为肾脏疾病的临床诊断及治疗提供更加及时、完善、可靠的影像学数据信息。