超声弹性成像及生理参数在慢性肝病纤维化分级中的相关性分析*

张雨萌，张蕴显，王丹，彭璠，张瑶，杨智△

(1.首都医科大学生物医学工程学院，北京 100069；2.首都医科大学临床生物力学应用基础研究北京市重点实验室，北京 100069； 3.首都医科大学附属北京地坛医院超声科，北京 100015)

引言

目前，肝脏组织穿刺(肝活检)是临床医生诊断肝纤维化的“金标准”，但肝活检是有创检查，存在并发症风险，且检测费用较为昂贵，给患者带来生理和心理上的不适。弹性成像是常用的辅助诊断肝纤维化的无创影像学检测手段之一。超声因经济适用、安全便捷，被广泛应用于各级医疗机构。医生可观察灰阶超声中的肝被膜形态、厚度以及肝组织回声强度等来进行定性诊断，而近年出现的弹性超声能够通过测量剪切波传播速度继而反映组织弹性，如肝组织杨氏模量越大，说明肝越硬，对应肝纤维化越严重。

有学者[4-6]研究二维剪切波弹性成像中肝硬度值LSM对慢性乙型肝炎患者肝纤维化分级的影响和对应截断值，取得了不错的结果。也有一些学者[7-10]把研究对象定为非酒精性脂肪性肝病肝纤维化、原发性胆汁胆管炎或自身免疫性肝炎的肝纤维化分级，但都是针对单一慢性肝病进行的研究。本研究将针对多种慢性肝病在肝纤维化弹性和生理参数的相关性进行共性的研究，探究诊断慢性肝病肝纤维化分期最佳的指向性参数[11-12]。

1 方法

1.1 数据情况

本研究与首都医科大学附属北京地坛医院超声科合作，共收集慢性肝病患者394例，其中缺乏病理结果86例，未有肝纤维化病变的其它慢性肝病88例，弹性超声图像质量欠佳33例，以及血清学检测缺失99例，将上述病例进行逐一排除，最终纳入研究88例，整个纳入排除流程见图1。该88例慢性肝病患者均进行肝活检、二维剪切波弹性超声检查和血清学检测，且以上三项检查在一周内进行。纳入本研究的患者均未接受抗病毒药物治疗。

患者特征包括年龄、性别、身体质量指数(body mass index, BMI)、血小板数量(platelet count, PLT)、天冬氨酸转氨酶(aspartate aminotransferase, AST)、丙氨酸转氨酶(alanine aminotransferase,ALT)、纤维化分期和慢性肝病种类。88例患者特征见表1。

图1 数据纳入排除情况

表1 患者特征

1.2 弹性超声测量

使用Aixplorer系统(SuperSonic Imagine,SSI,France)采集二维剪切波弹性超声图像[13-15]，探头选用SC6-1(频率为1～6 MHz)的凸面探头。所有患者要求在检查前至少4 h内禁食，并在仰卧位检查且保持屏住呼吸。采集时确保感兴趣区域中的弹性值伪彩色填充至少三分之二，注意避开大血管、肝囊、韧带和胆囊。感兴趣区域(region of interest,ROI)中弹性值的平均值、最大值、最小值和标准差自动计算得出，在弹性图右侧框内显示，每位患者重复测量三次。整个过程均由临床经验丰富的医师进行测量，以获取稳定可靠的弹性图，见图2。

图2 二维剪切波弹性超声图

1.3 肝脏病理

在超声引导下，使用16或18G(Bard Magnum,GA,USA)粗针进行肝组织穿刺[16]，标本长度在1.5～2.5 cm左右，在镜下包括6个以上汇管区。肝穿刺标本作连续切片，石蜡包埋，苏木精-伊红染色，以观察肝脏形态和纤维化程度。所有标本均由两位六年以上工作经验的病理学医师进行分析，且两位医师的判断互相独立(双盲)。

诊断肝纤维化分期采用METAVIR评分[17]规则，肝纤维化可分为F0-F4五期：F0=无纤维化;F1=汇管区纤维扩大，但无纤维间隔;F2=汇管区纤维扩大，少数纤维间隔形成;F3=多数纤维间隔形成，但无硬化结节;F4=肝硬化。

1.4 血清学检测

记录患者的血清学检测结果，包括血小板数、天冬氨酸转氨酶、丙氨酸转氨酶含量。临床上血清学诊断方法有APRI[18]和FIB-4指数[19]，二者的公式分别为：APRI=[(AST/AST正常上限值×100)/PLT(109/L)];FIB-4=[年龄(岁)]×[AST(U/L)]/[PLT(109/L)]×[ALT(U/L)1/2]。

针对最新的转换器接口标准JESD204B协议,采用四字节并行处理方案实现了接收端同步系统设计。在完成同步控制功能的同时,还将理论时钟频率要求由1.25 GHz降频到312.5 MHz。通过与官方IP核的对接,证明了本方案的功能正确性。综合结果也表明了本方案的时序正确性。本设计是一种切实可行的JESD204B协议实现方案,为国内自主设计高速串行接口电路提供了参考。

1.5 统计学分析

定量变量采用“均值±标准差”描述，而定性变量表示为绝对值和相对频数。比较纤维化不同分期下的弹性数值采用Kruskal-Wallis秩和检验[20]。评估肝硬度值LSM、APRI和FIB-4指数的诊断效能是ROC曲线[21]，同时按照下述公式计算敏感性、特异性和置信区间。

1.5.1混淆矩阵 混淆矩阵用来衡量一个分类器的准确程度。图3中的每列代表实际的类别，每行代表预测值。真阳性(true positive, TP)，假阳性(false positive, FP)，假阴性(false negative, FN)，真阴性(true negative, TN)构成混淆矩阵。

图3 混淆矩阵Fig.3 Confusion matnix

1.5.2敏感性 敏感性(sensitivity, Sen)是真实值为阳性的全部样本中预测出为阳性的比例。其计算公式如下：

(1)

标准误(standard error of mean, Sem)是描述均数抽样分布的离散程度及衡量均数抽样误差大小的尺度。

(2)

总体敏感性的95%置信区间为Sen±1.96×SemSen。

1.5.3特异性 特异性(specificity, Spe)是真实值为阴性的全部样本中预测出为阴性的比例。其计算公式如下：

(3)

标准误为:

(4)

总体特异性的95%置信区间为Spe±1.96×SemSpe。

统计分析过程使用SPSS(Statistical Product and Service Solutions, USA)软件。

2 结果与讨论

2.1 患者特征

本研究纳入的88例慢性肝病患者年龄分布在(43.1±12.8)岁，其中有51位男性，BMI指数(23.8±3.3)kg/m2，血小板数量(213.5±66)109/L,天冬氨酸转氨酶(43.1±33.5)IU/L，丙氨酸转氨酶(56.7±49.3)IU/L。肝纤维化分期F1较多，一共有49例，占比55.7%；F0、F2、F3、F4分别有6例(占比6.8%)、12例(占比13.6%)、13例(占比14.8%)、8例(占比9.1%)。

2.2 统计学检验

由表2可知，随着肝纤维化分期从F0-F4，弹性成像每次测量的最小值、最大值和平均值均有不同程度的增加。从每项指标的平均值来看，最大值和平均值在肝纤维化分期F0-F4中的范围分别为7.0～26.6 kPa和5.7～17.7 kPa，弹性值跨度较大；而在F0-F4中弹性值最小值范围从2.2～8.2 kPa，跨度较小，说明纤维化病变导致肝组织变硬，使得测量区域检测到的弹性值较大。虽然肝纤维化是弥散性病变，但从结果来看，测量区域肝硬度值是不均匀的，最大值和最小值差别较大，最小值可能代表测量区域中较轻度病变或正常肝组织部分，而最大值代表测量区域肝纤维化病变较严重的部分，因此，观测最大值和平均值较能综合地表达肝脏病变的特点。此外本研究还采用了排序统计的方法对数据进行观察，表2中统计了30%分位数和70%分位数(括号内数值)，以避免序列中较大或较小值对整体数据的影响。结果显示，在F2、F3和F3、F4纤维化两两分期中，最大值和平均值的范围有部分重叠，相似肝硬度值较难区分纤维化分期，针对该情况，我们建议结合最大值和平均值的30%～70%分位数范围及医生给出的经验阈值，综合给出分期结果。

上述结论也可以由纤维化分期和弹性值2D-SWE关系的箱型图进一步印证,见图4。同时，通过Kruskal-Wallis秩和检验，其检验概率P<0.001，在α=0.05检验水准下差异有统计学意义，也确认了不同肝纤维化分期下2D-SWE值的差异性。

表2 排序统计

图4 不同肝纤维化程度下的2D-SWE值Fig.4 2D-SWE values under different degrees of liver fibrosis

表3 不同肝纤维化分期下2D-SWE、APRI和FIB-4诊断效能比较

2.3 弹性值与APRI、FIB-4诊断肝纤维化性能的比较

由表3可知，弹性值的诊断能力高于血清学检测方法APRI和FIB-4，在硬化期 (F4)、纤维化进展期 (≥F3)和纤维化显著期 (≥F2)，其AUC值分别为0.9、0.85和0.88。在区分肝硬化和非肝硬化分期中，2D-SWE的敏感性和特异性较高，分别为87.5%和86.2%；在区分进展期肝纤维化和非进展期肝纤维化中，2D-SWE的敏感性较低，为71.4%，特异性较高，为95.5%，以上结果说明2D-SWE对较严重的肝纤维化诊断性能较好，即较严重的肝纤维化往往肝组织病变更为明显，若肝组织越硬，则肝硬度值越大，弹性值越大，区分越容易；在区分显著性肝纤维化和非显著性肝纤维化中，2D-SWE的敏感性和特异性都较进展组有所下降，再次证实了前述结论。

图5反映了不同肝纤维化分期下2D-SWE诊断的ROC曲线，对于显著组、进展组和肝硬化组，它们的ROC曲线均大于0.5。显著组和进展组的ROC曲线形态相似，说明诊断性能较为接近；肝硬化组ROC曲线展示了更强的区分能力。

图5 不同肝纤维化分期下2D-SWE诊断的ROC曲线

二维剪切波弹性成像通过测量声波在肝组织的传播速度及组织的杨氏模量，获得相应肝组织硬度值的信息，并对其进行彩色编码，转为直观的弹性图，因此，可同时观察肝脏形态和获得肝硬度值，比单一灰阶成像更有优势[22]。

采用一些基本的统计学方法，本研究对88例慢性肝病肝纤维化和弹性值相关性进行分析，从AUC值可以看到，弹性值对慢性肝病纤维化判断起着积极的作用。尤其是对于肝硬化组，在区分F0-F3组与F4组时，弹性值诊断效能AUC达到0.9，能够较为准确地反映肝硬化信息[23]。

但本研究仍然存在一些局限性。首先，数据样本量不均衡，F1级肝纤维化偏多，而F2、F3、F4数量较少；其次，数据包含多种慢性肝病，这对肝病纤维化情况能形成一个较为综合的认知，但我们仍需收集更多数据来对单一慢性肝病进行相关分析[24-25]，以及研究弹性值和脂肪肝的相关性[26]。

3 结论

本研究结果表明，肝组织弹性最大值和平均值可以较综合地表达患者肝脏病变的特点，通过排序统计，可以减小测量中异常值的影响。在F2、F3和F3、F4纤维化分期两两辨别中，建议结合最大值和平均值的整体情况给出分期结果。对于较严重的纤维化，其硬度值越大，2D-SWE的诊断性能越显著，并且该诊断模型优于其它生化检测方法如APRI和FIB-4。本研究工作为肝纤维化分期提供了参考。