對胸腔積液患者利用臨床及內(nèi)科胸腔鏡下特征構建諾謨圖診斷結(jié)核性胸膜炎的價值

柳芳超 楊新婷 姜慧 段鴻飛 梁清濤 李華 楊揚 郭超 張蕓 邵玲玲 陳效友

內(nèi)科胸腔鏡是近年來興起的操作安全、有效的微創(chuàng)介入檢查手段[1-3]，可在局部麻醉下完成，通過內(nèi)科胸腔鏡可直接觀察胸膜病變的形態(tài)，并可直接取出胸膜組織進行病理學檢測，進行有目的的活檢[4-5]。目前，已有眾多研究提示結(jié)核性胸膜炎在內(nèi)科胸腔鏡下具有特征性形態(tài)，包括粟粒樣結(jié)節(jié)狀病灶、胸膜粘連、充血等，鏡下取活組織進行病理檢查也常呈現(xiàn)一定的特征性表現(xiàn)，包括典型的干酪樣肉芽腫、具有結(jié)核病變提示作用的非典型肉芽腫等[4, 6-7]。但是，目前臨床醫(yī)生對于以上病理的特征性表現(xiàn)的判斷與甄別主要依靠個人經(jīng)驗[6]，尤其是針對胸膜組織病原學檢查呈陰性或缺乏病原學檢查證據(jù)的患者，病理報告僅給出不能完全肯定的結(jié)論時，依然缺乏一種結(jié)核性胸膜炎定量性輔助診斷工具。

本研究收集北京4家醫(yī)療機構經(jīng)胸腔鏡檢查的206例胸腔積液患者的基線特征、胸腔積液相關指標、內(nèi)科胸腔鏡下形態(tài)學特點資料和胸膜組織病理特點資料進行分析，通過長期抗結(jié)核藥品治療隨訪確診的結(jié)核性胸膜炎患者，構建了定量化判斷工具諾謨圖，幫助臨床醫(yī)生在針對胸膜組織病原學檢查呈陰性或缺乏病原學檢查證據(jù)的胸腔積液患者，根據(jù)患者臨床特征、鏡下胸膜形態(tài)學表現(xiàn)和病理形態(tài)學特征對結(jié)核性胸膜炎進行輔助診斷，并進一步評價該量化輔助診斷工具的區(qū)分度、校準度、診斷準確性及臨床收益。

資料和方法

一、研究對象

于2015年6月至2018年10月期間，前瞻性地收集來自首都醫(yī)科大學附屬北京胸科醫(yī)院(99例)、首都醫(yī)科大學附屬北京朝陽醫(yī)院(67例)、北京積水潭醫(yī)院(16例)及北京醫(yī)院(24例)收治的206例胸腔積液患者的資料。本研究通過首都醫(yī)科大學附屬北京胸科醫(yī)院倫理委員會批準[2015年臨審第(08-1)號]，所有患者在簽署知情同意書后在1周內(nèi)行內(nèi)科胸腔鏡檢查，同時采集胸膜組織送病理檢查。

納入標準：(1)不明原因的滲出性胸腔積液；(2)胸腔積液量>500 ml；(3)HIV檢測呈陰性；(4)年齡18～75歲。

排除標準：(1)胸膜腔閉鎖(嚴重胸膜粘連)；(2)胸腔積膿；(3)患有出血性疾病，血小板低于4.0×109/L；(4)嚴重低氧血癥，PO2低于60 mm Hg(1 mm Hg=0.133 kPa)；(5)持續(xù)不能控制的咳嗽；(6)嚴重心律失常；(7)最終診斷不明。

最終共收集206例有病因?qū)W診斷依據(jù)的胸腔積液患者，其中確診結(jié)核性胸膜炎患者129例(結(jié)核性胸膜炎組)，其他原因胸腔積液患者77例(其他原因胸腔積液組)。其他原因胸腔積液組包括惡性胸腔積液57例，感染性胸腔積液10例，結(jié)節(jié)病、結(jié)締組織病等其他原因?qū)е碌男厍环e液10例。所有患者年齡的中位數(shù)(四分位數(shù))[M(Q1，Q3)]為53(35，62)歲；男147例(71.4%)，女59例(28.6%)。收集患者術前檢查信息，包括血常規(guī)、凝血、肝炎、血生化、胸腔積液超聲檢查及胸腔積液實驗室檢測等結(jié)果。

二、內(nèi)科胸腔鏡檢查

參照《內(nèi)科胸腔鏡》[8]有關內(nèi)容進行操作。206例胸腔積液患者均經(jīng)胸腔B超定位后患者取健側(cè)臥位，常規(guī)消毒局部麻醉后在患側(cè)定點處皮膚作1 cm 左右的小切口，插入胸部軟性穿刺套管，用Olympus LTF-240型可彎曲電子內(nèi)科胸腔鏡通過穿刺套管進入胸腔，吸出積液后依次觀察胸腔壁層、臟層胸膜，膈面等，收集鏡下形態(tài)學信息，發(fā)現(xiàn)病變后在胸腔鏡直視下于壁層胸膜病變處行多部位活檢。采集胸膜組織3～5塊經(jīng)95%酒精固定后送病理檢查。另取胸膜組織5～10塊保存于無菌15 ml 離心管中2 h或冷藏保存3 d內(nèi)送參比實驗室行結(jié)核分枝桿菌GeneXpert MTB/RIF檢測和BACTEC MGIT 960檢測。

三、結(jié)核性胸膜炎確診標準

胸腔積液患者滿足以下任一條件可確診為結(jié)核性胸膜炎：(1)病原學檢查：胸膜組織GeneXpert MTB/RIF檢測陽性，或BACTEC MGIT 960培養(yǎng)陽性，或有其他病原學檢查陽性證據(jù)，同時菌種鑒定為結(jié)核分枝桿菌復合群，且經(jīng)規(guī)范抗結(jié)核藥品治療有效并至少隨訪1年；(2)胸膜組織病理表現(xiàn)為干酪樣肉芽腫/不典型肉芽腫/壞死/多核巨細胞，伴或不伴抗酸染色陽性，且經(jīng)規(guī)范抗結(jié)核藥品治療有效并至少隨訪1年。本研究中其他原因胸腔積液指有明確病因的其他原因胸腔積液，主要包括惡性胸腔積液、感染性胸腔積液，以及包括結(jié)節(jié)病、結(jié)締組織病等其他病因的胸腔積液患者。

四、模型構建及驗證

206例胸腔積液患者按照4∶1的比例通過SAS隨機分組過程(PROC PLAN)完全隨機分為訓練集(162例)與驗證集(44例)，訓練集用于變量篩選和建模，驗證集用于模型的內(nèi)部驗證。所有患者均行胸腔鏡檢查，并取胸膜組織送病理檢查，分別收集患者的一般資料(性別、年齡、吸煙情況、胸腔積液部位、胸腔積液量)、胸腔積液實驗室檢查指標(胸腔積液白細胞計數(shù)、單核細胞百分比、腺苷脫氨酶水平、總蛋白水平、乳酸脫氫酶水平)、胸腔鏡下形態(tài)學特征(是否出現(xiàn)胸膜充血、粟粒樣結(jié)節(jié)狀病灶、纖維素沉積、胸膜粘連帶、胸膜增厚、孤立結(jié)節(jié)狀病灶)、胸膜組織病理形態(tài)學特征(是否出現(xiàn)干酪樣肉芽腫、不典型肉芽腫、壞死表現(xiàn)、非特異性炎性反應)，共計20項特征。在訓練集中，通過套索(least absolute shrinkage and selection operator，LASSO)回歸與10折交叉驗證的方法進行特征的篩選，選擇誤差最小值的一個標準差處的位置作為最優(yōu)診斷因素集合，確定最優(yōu)懲罰系數(shù)繪制內(nèi)科胸腔鏡下形態(tài)學特征診斷結(jié)核性胸膜炎的診斷諾謨圖。然后分別在訓練集與驗證集中進行模型的驗證，分別進行輔助診斷模型的ROC分析、校準曲線(calibration plot)的繪制、決策曲線分析(decision curve analysis，DCA)，評價該模型的區(qū)分度(discrimination)、校準度(calibration)和臨床收益(benefits)。

五、統(tǒng)計學處理

統(tǒng)計分析均使用R軟件(3.1.1版本)。本研究所用軟件包包括glmnet包(用于LASSO與10折交叉驗證回歸分析，進行因素篩選)、rms包(用于繪制諾謨圖，繪制校正曲線)、pROC包(用于ROC分析)、rmda包(進行臨床決策曲線分析，繪制決策曲線)。全分析集及訓練集中結(jié)核性胸膜炎組及其他胸腔積液組各項特征的比較，單因素比較采用兩獨立樣本t檢驗，不滿足正態(tài)分布情況的定量指標采用秩和檢驗；分類指標的比較采用卡方檢驗，不滿足卡方檢驗應用條件的指標采用Fisher確切概率法。多因素比較采用logistic回歸分析。以P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

結(jié) 果

一、結(jié)核性胸膜炎診斷因素的篩選

單因素分析顯示，年齡、胸腔積液白細胞計數(shù)、單核細胞百分比、胸腔積液腺苷脫氨酶水平、胸腔積液乳酸脫氫酶水平、胸腔鏡下胸膜充血、粟粒樣結(jié)節(jié)狀病灶、纖維素沉積、胸膜粘連帶等形態(tài)學表現(xiàn)，以及病理學形態(tài)學特征，包括干酪樣肉芽腫、不典型肉芽腫等特征在兩組之間分布的差異有統(tǒng)計學意義。差異有統(tǒng)計學意義者，對結(jié)核性胸膜炎的確診可能具有一定的提示意義。見表1。

表1 206例胸腔積液患者潛在診斷因素的分布與比較

續(xù)表1

129例經(jīng)結(jié)核性胸膜炎確診標準診斷為結(jié)核性胸膜炎的患者中，每例患者經(jīng)胸腔鏡取胸膜組織后，至少經(jīng)過某種病原學檢測為陽性；其中69例進行了核酸檢測的患者陽性率最高，可達50.7%。胸膜組織抗酸染色陽性率最低，僅為2.4%。5種病原學診斷方法聯(lián)合評價，病原學診斷陽性率為58.1%，即經(jīng)胸腔鏡檢查取胸膜組織后，仍有41.9%的結(jié)核性胸膜炎患者無法確診，這部分患者均是根據(jù)病理形態(tài)學表現(xiàn)及隨訪抗結(jié)核藥品治療確診。見表2。

訓練集162例患者的各潛在診斷因素與全分析集的分布情況基本一致，以男性患者為主(68.5%)，年齡的M(Q1，Q3)為53(35，62)歲，胸腔積液以單側(cè)為主(93.2%)，吸煙者占34.6%，結(jié)核性胸膜炎組104例(64.2%)。結(jié)核性胸膜炎組與其他胸腔積液組相比，呈現(xiàn)出年齡較低、胸腔積液白細胞個數(shù)多、胸腔積液腺苷脫氨酶水平高、乳酸脫氫酶水平高的特征，結(jié)核性胸膜炎鏡下形態(tài)學常表現(xiàn)出粟粒樣結(jié)節(jié)、纖維素沉積、出現(xiàn)胸膜粘連帶等特征，經(jīng)病理學檢查，形態(tài)學上呈現(xiàn)出干酪樣肉芽腫或不典型肉芽腫的特點。以上特征經(jīng)單因素分析，兩組之間差異均有統(tǒng)計學意義。見表3。

表2 129例經(jīng)過金標準確診為結(jié)核性胸膜炎患者的病原學檢查陽性情況

表3 訓練集162例胸腔積液患者各輔助診斷因素的分布與比較

續(xù)表3

在訓練集中，針對LASSO回歸篩選的7個診斷因素進行l(wèi)ogistic多因素回歸分析，干酪樣肉芽腫、不典型肉芽腫、胸膜粘連帶、壞死表現(xiàn)及胸腔積液腺苷脫氨酶水平兩組之間差異有統(tǒng)計學意義(P值均<0.05)。見表4。

注：采用10折交叉驗證進行變量篩選。觀察不同變量個數(shù)模型偏差及其95%置信區(qū)間，通過尋找偏差最低處確定最佳懲罰系數(shù)λ，λ的一個標準誤外視為LASSO回歸中最優(yōu)輔助診斷因素個數(shù)位置。此時，取自然對數(shù)作為橫坐標，模型偏差作為縱坐標作圖，在時，有7個輔助診斷因素組成最優(yōu)模型圖1 訓練集中基于偏差最小原則診斷因素個數(shù)確定圖

表4 訓練集162例胸腔積液患者各輔助診斷因素logistic多因素回歸分析

注：隨著懲罰系數(shù)的增大，各因素系數(shù)逐漸被壓縮為0，在前有7個輔助診斷因素系數(shù)未壓縮至0，實現(xiàn)了變量的篩選；a：從上到下依次為1、2、5、6、7、8、10、11、16圖2 變量系數(shù)懲罰圖

二、諾謨圖繪制

基于最優(yōu)模型篩選出的7個因素利用logistic回歸模型繪制諾謨圖，見圖3。繪制了主要基于胸膜形態(tài)學特征的結(jié)核性胸膜炎的可視化輔助診斷工具。基于胸腔鏡下形態(tài)學特征或病理形態(tài)學特征可實現(xiàn)結(jié)核性胸膜炎的定量化的概率輔助診斷。考慮到腺苷脫氨酶在100 U/L以上時情況較為復雜，本諾謨圖模型并不適用于對腺苷脫氨酶在100 U/L以上患者結(jié)核性胸膜炎的輔助診斷。

三、諾謨圖的診斷效能評價

1. 模型校準度：分別在訓練集、驗證集中分別繪制校正曲線，見圖4、5。在訓練集中，諾謨圖模型校準度較高，實際概率與診斷預測概率差距較小，校正曲線未偏離理想曲線，但診斷概率在50%～70%區(qū)間時，預測概率略高于患者實際發(fā)生結(jié)核性胸膜炎的概率。在驗證集中，總體校準度有所降低，但校正曲線及修正校正曲線未偏離理想曲線太遠，預測概率在20%～70%區(qū)間時，預測概率略低于患者實際患結(jié)核性胸膜炎的概率，最大概率差異發(fā)生在輔助診斷概率40%的位置，預測概率比實際概率約低10%。

2. 模型區(qū)分度：在訓練集和驗證集中分別進行ROC曲線分析，見表5、圖6。訓練集中，模型診斷準確性較高，ROC曲線下面積(AUC)達0.97，正確指數(shù)為0.85，敏感度為92.31%，特異度為93.42%，陰性預測值為87.14%，陽性預測值為96.31%。在驗證集中，諾謨圖模型AUC有所降低，為0.89，敏感度為80.44%，特異度為100.00%，正確指數(shù)為0.80，陰性預測值為79.45%，陽性預測值為100.00%。可見，模型總體區(qū)分度在訓練集和驗證集中均較高，尤其是特異度較高，提示諾謨圖判斷陰性的準確度是很高的。

表5 訓練集和驗證集的ROC分析結(jié)果[值 (95%CI值)]

注：如1例患者胸腔積液腺苷脫氨酶水平為25 U/L，胸腔鏡下見粟粒樣結(jié)節(jié)狀病灶，組織標本病理檢查為干酪樣肉芽腫。根據(jù)上述條件，分別在分數(shù)軸上判斷各變量得分，胸腔積液腺苷脫氨酶水平為20分，粟粒樣結(jié)節(jié)狀病灶為10分，干酪樣肉芽腫為43分，依次累積各個變量的得分，得到分數(shù)合計為73分；然后在分數(shù)合計數(shù)軸上找到相應位置，對應的概率為86%，則結(jié)核性胸膜炎概率為86%圖3 病原學陰性結(jié)核性胸膜炎輔助診斷諾謨圖

圖4 訓練集中結(jié)核性胸膜炎輔助診斷諾謨圖校正曲線圖

圖5 驗證集中結(jié)核性胸膜炎輔助診斷諾謨圖校正曲線圖

圖6 訓練集和驗證集的ROC曲線

3. 模型的臨床收益：在訓練集中，進行決策曲線分析，繪制臨床決策曲線，見圖7。收益是指真陽性結(jié)核性胸膜炎患者干預后的獲益減去假陽性患者干預后的損失的差值。假設1例患者接受治療獲益與1例非患者接受治療損失相等，觀察臨床決策曲線，以輔助診斷概率50%為界值，對經(jīng)諾謨圖判斷結(jié)核性胸膜炎輔助診斷概率大于50%的患者進行抗結(jié)核治療時，扣除假陽性給予治療的收益損失，約55%的患者仍然有凈收益。

圖7 臨床決策曲線分析圖

討 論

胸腔積液是內(nèi)科常見疾病，病因較多，臨床上常用的診斷方法有胸腔積液細菌學、細胞學檢查、胸膜活檢等，但這些常規(guī)方法在病因診斷方面陽性率較低[2, 9]。而胸腔鏡可以通過肉眼觀察整個胸膜腔、壁層胸膜、肺臟表面、膈胸膜及肋膈竇，觀察胸膜組織的形態(tài)學特征，并可以直視下進行病變活檢，可進一步獲得明確的病理形態(tài)學特征，與胸腔積液細胞學和胸膜活檢相比，胸腔鏡極大地改善了胸腔積液診斷的精確性[10]，提高了診斷的陽性率[11]，并且整個操作過程損傷較小，不良反應少，安全可靠[3, 12-13]，顯示出較強的應用價值[14]。

目前，已有研究證明了胸腔鏡下的胸膜形態(tài)學特征對結(jié)核性胸膜炎的診斷價值[6, 12, 15]，這些特異性結(jié)核性胸膜炎的胸膜形態(tài)學特征包括急性期的壁層胸膜彌漫性充血水腫、粟粒樣改變、纖維素的沉積等，也包括慢性期可見的淡黃色厚薄不均的纖維素沉積和胸膜粘連帶等特征[4]。本研究結(jié)果與以往研究相似，最具有輔助診斷價值的形態(tài)學特征包括粟粒樣結(jié)節(jié)狀病灶、胸膜粘連帶及未出現(xiàn)孤立結(jié)節(jié)狀病灶，病理形態(tài)學方面包括干酪樣肉芽腫及壞死表現(xiàn)是結(jié)核性胸膜炎的特征。

雖然胸腔鏡檢查術作為最準確的診斷結(jié)核性胸膜炎的方法之一，其診斷價值已經(jīng)獲得廣泛認可與確認[10, 16]。在符合病理形態(tài)學特征的基礎上，胸膜組織病原學檢測呈陽性，則給出第1類肯定的病理診斷；但是，如病原學檢測呈陰性，病理常會根據(jù)病理形態(tài)學特征給出第2類不肯定的診斷。此時，臨床醫(yī)生需根據(jù)患者臨床特征以個人的經(jīng)驗進行研判，在缺乏病原學證據(jù)的情況下，針對以上形態(tài)學及病理學的特征性表現(xiàn)的判斷與甄別帶有一定主觀性[6]。某些提高病因?qū)W診斷率的新技術，包括半剛性胸腔鏡、胸腔鏡下胸膜洗刷等，還未廣泛用于臨床[5, 17]。本次研究結(jié)果顯示，41.9%的結(jié)核性胸膜炎患者的確診是在具有結(jié)核病理形態(tài)學特征的基礎上，通過1年的規(guī)范化治療證明有效而確診的，未找到患者的病原學證據(jù)。

針對經(jīng)胸腔鏡檢查術后病原學陰性的不明原因胸腔積液患者，本研究在篩選出7個最有診斷價值的因素后，構建了一套量化輔助診斷諾謨圖[18]。模型中病理的形態(tài)學特征診斷價值總體遠高于胸腔鏡下所見的形態(tài)學特征，性別、年齡等人口學特征并未納入輔助診斷模型，提示這些人口學因素對于患者結(jié)核性胸膜炎的診斷影響較小，這與文獻報道的結(jié)論一致[7, 13]。臨床醫(yī)師在已知某一例患者胸腔積液中的腺苷脫氨酶水平、胸腔鏡下形態(tài)學特征與病理形態(tài)學特征后，分別在分數(shù)標尺上讀出各項特征得分，將分數(shù)相加，在合計分數(shù)標尺上確定總分的位置，之后在平行的概率標尺上讀出合計分數(shù)所對應的結(jié)核性胸膜炎概率，可以在獲得病原學證據(jù)之前就計算出該例患者罹患結(jié)核性胸膜炎的概率，并且具有較高的診斷準確性。尤其是在無法獲得病原學證據(jù)，現(xiàn)行病原學檢查為陰性的情況下，對結(jié)核性胸膜炎的診斷具有較好的準確性；經(jīng)小樣本驗證，該輔助診斷模型AUC達0.89，模型在區(qū)分度、校準度方面均有較優(yōu)表現(xiàn)。在臨床實踐中，對于經(jīng)諾模圖模型判斷結(jié)核性胸膜炎概率大于50%的胸腔積液患者全部進行抗結(jié)核藥品治療，依舊至少有55%的患者將受益。尤其是在缺乏病原學證據(jù)或病原學檢測結(jié)果呈陰性的不明原因胸腔積液患者中，經(jīng)小樣本驗證，敏感度為80.44%，特異度達到100.00%，研究所構建的諾謨圖能夠較為準確地診斷胸腔積液患者是否為結(jié)核性胸膜炎患者，具有一定的實用性。

本研究也存在一定的局限性，由于經(jīng)胸腔鏡診斷的胸腔積液患者數(shù)量有限，研究樣本量較小，僅進行了小樣本的內(nèi)部驗證，可能存在模型診斷準確性不穩(wěn)定的風險，有待進一步擴大樣本量進行外部驗證和優(yōu)化。

綜上所述，本研究顯示結(jié)核性胸膜炎患者最具診斷價值的形態(tài)學特征有胸腔鏡下所見的粟粒樣結(jié)節(jié)狀病灶、胸膜粘連帶及未出現(xiàn)孤立結(jié)節(jié)狀病灶，病理形態(tài)學上的干酪樣肉芽腫、不典型肉芽腫、壞死表現(xiàn)，以及胸腔積液實驗室檢查指標的腺苷脫氨酶水平。構建的結(jié)核性胸膜炎輔助診斷諾謨圖在小樣本驗證中達到了良好的準確度、敏感度及特異度。針對缺乏病原學證據(jù)需要隨訪抗結(jié)核藥品治療效果的胸腔積液患者，能夠用于結(jié)核性胸膜炎的輔助診斷，為臨床治療決策提供有價值的參考。