超聲彈性成像技術在肺部疾病中的臨床應用進展

王白冰，逯雪峰，陳夢，童明輝

(1.蘭州大學第二臨床醫學院，蘭州 730000； 2.蘭州大學第二醫院超聲科，蘭州 730000)

肺部疾病是嚴重危害人類健康的常見病、多發病[1]。傳統影像學檢查方法(如X線、CT及正電子發射斷層成像等)在肺部疾病的診治中具有重要作用，但由于具有一定的輻射性，在新生兒、兒童及孕婦中的應用受到限制。傳統的肺超聲成像只有在特殊情況下(如胸膜粘連、肺不張或肺炎)才能依賴胸腔氣體的反射偽影(如A線、B線)、肺滑以及肺點等定性診斷疾病或顯示肺組織，主觀依賴性較大，且無法直接測量肺臟彈性特征。而超聲彈性成像(ultrasound elastography，UE)可根據肺實質硬度變化定性、定量評估肺部疾病的嚴重程度，早期反映病變的組織學特征[2]，甚至在正常充氣組織中也能提供周圍肺部疾病信息。UE結合二維超聲檢查具有獨特優勢，不僅可提供肺部病變的機械力學變化特征，還可實時提供解剖學定位，因此可提高間質性肺疾病(interstitial lung disease，ILD)診斷的特異性、周圍型肺癌穿刺活檢的準確性以及胸腔積液定性、定位的敏感性[3-4]。此外，UE在診斷新生兒及兒童相關性肺疾病方面也具有一定價值[5]，可更準確評估新型冠狀病毒肺炎(簡稱新冠肺炎)患者膈肌組織學變化并及時預測脫機[6]。現就UE在肺部疾病中的臨床應用進展予以綜述。

1 UE概述

Ophir等[7]于20世紀90年代首次提出UE技術，UE可以無創的方式評估組織內部結構和病理狀態。組織彈性是用彈性模量表征組織抵抗壓縮及剪切形變的能力。根據外部施加的機械激勵的不同，UE可分為靜態法(應變彈性成像)和動態法[剪切波彈性成像(shear wave elastography，SWE)]。應變彈性成像由最初的通過手動、探頭壓迫或心血管、呼吸運動等誘發組織應變，測量其應變位移、評估感興趣區內組織硬度，逐漸發展為聲輻射力脈沖彈性成像(acoustic radiation force pulse elastography，ARFI)，但均因受組織幾何形態的影響而不能提供組織彈性模量的定量值。SWE則是一種基于剪切波速度(shear wave velocity，SWV)測量的成像方式，通過將聲輻射力脈沖自探頭發射至目標組織直接測量SWV，SWV與靶組織硬度呈正相關[8]。SWE由最初的瞬時彈性成像發展為單點SWE，再逐步發展到多維SWE，可對組織彈性進行精確定量評估。SWE和應變彈性成像提供的信息均與組織硬度相關，理想情況下，應變彈性成像的空間分辨率相對較高，但SWE的對比度更好。

2 UE在成人肺部疾病診斷中的應用

UE可以無創、定性、半定量或定量的方式實時顯示肺組織彈性變化、客觀反映肺部疾病的組織學特征、顯著提高病變的檢出率，因此對肺部疾病的早期診斷、治療及定期隨訪均至關重要。近年來，UE主要應用于重癥新冠肺炎、ILD、胸腔積液及周圍型肺腫瘤等肺部疾病。

2.1UE在新冠肺炎診斷中的潛在應用 新冠肺炎主要以肺為靶器官，雖然有些患者癥狀輕微，但重癥患者存在不同程度的低氧血癥和(或)呼吸困難，嚴重者可快速發展為急性呼吸窘迫綜合征[9]。機械通氣是維持新冠肺炎重癥患者呼吸功能的一種有效治療手段，可有效改善患者呼吸狀況，但同時也會導致膈肌功能障礙(致使患者脫機困難)，且存在多種并發癥[10]。灰階超聲可通過測量肌肉的橫截面積和厚度、分析肌肉回聲來評估肌肉質量，但新冠肺炎危重患者常伴有皮下肌肉水腫和炎癥，導致灰度分析受限[11]，使其在評估膈肌活力、預測脫機方面的應用受到限制。目前，跨膈壓是衡量膈肌肌力的最佳指標，但由于技術方面的限制，跨膈壓的測量目前僅限于實驗室條件下[12]。SWE利用高頻聚焦超聲束在組織內部產生橫波，并通過超聲追蹤橫波的傳播，最終發現肌肉剪切模量與主動肌力間存在強烈的線性關系，且可提供單個肌力變化的指標[13]。因此，膈肌的剪切模量值可作為膈肌肌力變化的指標，準確、定量評估膈肌功能。Chino等[12]運用SWE測量14例男性健康受試者在平靜呼氣末以及不同亞極量吸氣口腔壓(分別為最大吸氣壓的15%、30%、45%、60%和75%)下膈肌的剪切模量值，結果發現，隨著吸氣負荷的增加，膈肌的剪切模量值也增加，兩者呈顯著正相關。因此，以亞極量吸氣口腔壓與膈肌剪切模量的關系為衡量方式，可客觀評估神經肌肉類疾病患者呼吸肌康復治療后的肌力恢復情況，從而為臨床確定康復鍛煉目標及調整訓練強度提供參考依據。Fossé等[14]對30例急性呼吸衰竭重癥患者行SWE檢查，比較機械通氣患者膈肌剪切模量的變化與跨膈壓變化的一致性以及改變呼吸機設置時膈肌剪切模量變化對呼吸負荷的影響，結果顯示，膈肌剪切模量的變化與跨膈壓顯著相關，且與呼吸頻率呈負相關。提示，膈肌剪切模量值結合機械通氣指標可以為重癥患者脫機提供客觀依據。SWE監測膈肌剪切模量的變化具有良好的重復性與可操作性，有望成為評估重癥新冠肺炎患者膈肌功能的新型無創指標，在動態檢測機械通氣過程、調整呼吸機支持方式、預測脫機等方面發揮重要作用。

2.2UE在ILD中的應用 ILD是一組進展緩慢的彌漫性肺實質受累疾病，組織纖維化的全身性進展通常發生在ILD病程早期，肺纖維化最終導致肺組織硬化和受損[15]。Zhang等[16-17]研發了一種可無創、安全評估淺表肺組織硬度的肺超聲表面波彈性成像技術，研究者分別在100、150、200 Hz的振動頻率下測量ILD患者與健康對照者雙肺6個肋間區域的波速，結果發現ILD患者肺表面波速度分別為(3.3±0.37) m/s、(4.38±0.33) m/s、(5.24±0.44) m/s，均高于同一頻率下的健康對照者[(1.88±0.11) m/s、(2.74±0.26) m/s、(3.62±0.13) m/s]，提示肺超聲表面波彈性成像可根據肺表面波速無創評估肺纖維化。Zhou等[18]采用肺超聲表面波彈性成像前瞻性評估ILD的臨床分期，研究者根據肺功能、高分辨力CT和臨床評估結果將91例ILD患者按嚴重程度分為輕度組(F1)、中度組(F2)和重度組(F3)，同時納入30例健康受試者作為健康組(F0)結果發現SWE鑒別F0與F1～F3的靈敏度、特異度分別為92%和89%；鑒別F0～F2與F3的靈敏度、特異度分別為50%和81%；鑒別F0與F1的靈敏度、特異度分別為88%和97%；此外，當振動頻率為200 Hz時，受試者工作特征曲線下面積為0.83～0.94，可區分健康受試者與各個嚴重程度分級的ILD患者，表明肺表面波速度的整體和局部變化均與ILD臨床分期具有良好的相關性。

2.3UE在胸腔積液診斷中的應用 胸腔內液可減少呼吸運動時臟層胸膜與壁層胸膜之間的摩擦，任何病理原因導致的靜水壓升高或胸膜血管通透性增加均會出現胸腔積液。Ozgokce等[19]對比分析60例胸腔積液患者的SWE特征，結果發現，其中43例滲出性胸腔積液患者的平均SWV值高于13例漏出性胸腔積液患者[(3.29±0.63) m/s比(2.29±0.41) m/s]，SWE區別滲出性與漏出性胸腔積液的截斷值為2.52 m/s，靈敏度為91%，特異度為76.5%。但在良、惡性胸腔積液的鑒別診斷中僅區分滲出液與漏出液并不能證明SWE在臨床應用中的價值[20]。Jiang等[21]應用UE測量114例惡性胸腔積液患者的胸膜硬度，并通過構建受試者工作特征曲線得出UE診斷惡性胸腔積液的最佳平均截止彈性指數為47.25 kPa；進一步比較基于此截止彈性指數的UE與傳統經胸超聲后發現，UE診斷及鑒別診斷惡性胸腔積液的靈敏度顯著優于傳統經胸超聲(83.6%比60.0%)；此外，UE還根據胸膜機械特征檢測出約91.11%(41/45)經傳統經胸超聲漏診的惡性胸腔積液患者。以上研究表明，UE不僅可鑒別診斷胸腔積液性質，還可定量評估胸腔積液存在時肺臟的力學特征變化，但未來仍需進一步擴大樣本量以驗證其診斷效能。

2.4UE在周圍型肺腫瘤中的應用 肺癌是最常見的惡性腫瘤之一，嚴重威脅人類生命健康。良、惡性病變的鑒別診斷對肺癌患者的診療具有重要意義。惡性腫瘤基質硬度增加可嚴重影響腫瘤的生長和轉移[22]，其纖維化的病理過程會改變組織的彈性，導致彈性成像的改變。UE可無創測量組織的硬度，并根據彩色圖譜對疾病進行定性分析，較硬組織以藍色為主，較軟組織以紅色為主[23]。Sperandeo等[24]對95例病變累及胸壁或胸膜的疑似腫瘤性肺結節患者行經胸ARFI檢查，結果發現鱗狀細胞癌組織硬度值顯著高于肺炎組織[(4.67±0.492) kPa比(2.35±0.48) kPa]，而截斷值為4 kPa的肺結節可強效預測肺癌，且其預測的靈敏度和特異度分別為86.9%和99.7%，提示ARFI是鑒別良、惡性肺腫瘤的有效方法。Boccatonda等[25]聯合應變彈性成像與ARFI鑒別14例胸膜下肺部病變的良、惡性，結果發現應變彈性成像與ARFI測量惡性病變的平均SWV值分別為(5.92±2.8) m/s和5.92 m/s，均高于同成像條件下良性病變者[(3.36±1.20) m/s和3.36 m/s]，且當SWV截斷值為3.6 m/s時診斷準確率最高，表明ARFI在定性診斷良、惡性胸膜下腫瘤中具有潛在價值。Lim等[26]應用ARFI鑒別25例原發性肺腫瘤與 3例轉移性肺癌的應變比，結果發現，原發性肺腫瘤應變比范圍為41.07±20.32，其中鱗狀細胞癌應變比為46.89±25.41，顯著高于轉移腫瘤(9.59±10.03)，提示原發性肺腫瘤的變形速度較轉移性病變快。UE可在二維成像基礎上結合彩色多普勒成像技術識別血管，尤其是動脈，還可更準確地判斷胸膜下結節的形態和大小，從而更好地識別壞死與融合區，增加活檢“靶點”的準確性，提高活檢的安全性。

3 UE在新生兒和兒童肺部疾病中的潛在應用

新生兒和兒童肺部疾病臨床表現多樣，癥狀和體征往往重疊，準確診斷和監測兒科肺部疾病進展一直是臨床面臨的挑戰。胸部X線和CT檢查在呼吸系統疾病的診斷中至關重要，但因輻射暴露對兒童的有害影響，尤其是對新生兒潛在的致癌作用限制了其在兒科肺部疾病診療中的應用[27]。而肺部超聲很好地規避了原有X線和CT的缺點，可清晰顯示胸壁較薄、肺體積較小的新生兒和兒童肺部病變[28]。其中，UE可全面、客觀地分析新生兒肺組織發育，評價肺組織硬度。Quarello等[29]研究SWE應用于靈長類動物胎兒中的可能性以及SWE在探索胎兒器官方面的可行性，結果發現胎兒肺組織彈性值與器官和胎齡有關，且在整個妊娠周期中胎兒近端肺組織彈性值呈增加趨勢，提示肺SWE可無創、定量評估胎兒肺組織變化特征。Mottet等[30]對妊娠24～34周的胎兒肝、肺行二維SWE檢查，并建立胎兒肝/肺彈性成像比值模型，用于評估二維SWE在胎兒肝、肺彈性測量中的可行性，結果發現，正常妊娠胎兒肺、肝具有不同的彈性值且胎肺彈性值與胎齡呈中度正相關，提示二維SWE可評估胎兒不同器官的硬度，并在一定程度上反映胎兒肺的發育和成熟；進一步通過肝/肺彈性成像比值評估皮質類固醇治療后早產兒肺硬度變化特征發現，經藥物治療后早產兒肺彈性值降低，而肝臟彈性值保持不變，這可能與皮質類固醇(尤其是磷脂酰膽堿)在合成肺表面活性物質后引起的胎肺黏滯性增加導致SWV分散和衰減有關。該研究成果對指導皮質類固醇在早產新生兒中的規范治療、劑量選擇以及決定分娩時期方面具有重要的參考價值。

研究顯示，新生兒呼吸窘迫綜合征(neonatal respiratory distress syndrome，NRDS)約占所有新生兒的1%[30]，而NRDS相關的早產新生兒死亡約占圍生兒死亡的28%[31]。因此，準確診斷、連續監測NRDS對降低早產新生兒病死率至關重要。張景發等[32]對86例NRDS患兒行SWE檢查，并選取同時出生的86例正常新生兒作為對照，比較兩者的楊氏模量值，結果發現NRDS患兒的楊氏模量值顯著增加；在治療過程中，NRDS患兒住院第1、3、7天的楊氏模量平均值雖然逐漸降低，但仍高于相同住院天數的正常對照患兒，且兩者差異有統計學意義，表明SWE不僅對NRDS具有較高診斷價值，還可客觀評估NRDS的臨床療效，這對NRDS重癥患兒的床旁監護具有重要的臨床意義。此外，兒童心臟病患者由于呼吸儲備減少，在心臟手術后存在呼吸功能不全的風險，因此術前監測肺臟組織特性是兒童心臟手術必不可少的環節。孫莉萍等[33]應用肺臟SWE評估小兒術前肺組織彈性，并按病種不同將32例擇期行全身麻醉的手術患兒分為先天性心臟病組和非先天性心臟病組，并機械通氣5 min，然后測量所有入選患兒胸膜線下各肺區域SWV，結果發現，先天性心臟病患兒術前右上前區和上肺組織SWV均顯著低于非先天性心臟病患兒，提示肺臟SWE可敏感、實時監測圍手術期患兒肺組織彈性。

4 問題與展望

UE在肺部疾病中的應用尚處于初步探索階段，易受肋骨遮擋產生偽像，因此在檢測深部肺疾病中的作用有限，需要高分辨率CT或其他影像學方法來確定疾病類型和程度。同時，兒科肺部UE檢查的準確性和重復性還易受患兒年齡、探頭頻率的影響。肺部UE應用必須考慮安全性問題，目前動物和人體研究均顯示，肺部UE的應用是安全的[34-35]，但并不能排除其他生物學效應[35]。雖然肺部UE受諸多因素影響，但其可提供肺部病變的彈性及機械力學信息，客觀診斷肺部疾病；此外，UE還可分析肺部病變內部的彈性分布、識別病變周圍及內部的血供情況，提高細胞學穿刺活檢的成功率、安全性，同時也可監測胎兒肺成熟度、預測NRSD發病率、評估兒童圍手術期肺組織彈性并調整呼吸監護。因此，未來還應進行多中心、大樣本的深入研究，以探討其他力學特征(如非線性、各向異性、黏彈性等)對肺組織硬度的影響，從而更好地開展和實施UE在兒科床旁的應用。