超聲彈性成像在肺部病變診斷上的應用展望

楊免玉 王繼靈

超聲彈性成像(ultrasound elastography,UE)的應用為許多疾病的診斷開創了新的診斷思路,其在肝臟、乳腺、甲狀腺等器官病變的診斷評估等方面都取得了良好的臨床進展,但在肺部疾病的應用仍處于探索的階段。UE在肺部疾病的應用并不成熟,本篇綜述在總結UE已有的臨床應用成果的基礎上,對UE在肺部病變診治上的應用提出展望。

一、超聲彈性成像概述

Ophir等[1]在1991年提出了UE的概念,并開始將其應用于臨床。彈性成像是一項被稱為楊氏模數,用來估計組織硬度的技術。楊氏模數是一個比例常數,它與單位面積上的作用力或應力,以及由此產生的組織應變的相對變化有關;彈性是生物組織的基本屬性,不同個體的彈性各不相同,即便是同一個體的不同組織,彈性也會存在差異,而彈性成像的原理就是給組織施加一個激勵,根據組織的位移、應變等差異收集其產生的不同信號,并以圖像或參數的形式表達,從而進行臨床分析[2,3]。UE方法可分為兩類:基于應變的準靜態方法(應變彈性成像)和基于剪切波的動態方法[剪切波彈性成像(shear wave elastography,SWE)][2]。

二、UE在肺部疾病中的應用

1. UE在間質性肺疾病中的應用

間質性肺疾病(interstitial lung disease,ILD)是一組進行性肺組織損傷,并引起肺組織彈性改變的疾病。Zhang等[4,5]開發了一種肺表面波超聲彈性成像(lung ultrasound surface wave elastography, LUSWE)技術,用于評估肺淺表組織的彈性,并利用離體豬肌肉-肺模型驗證了這項技術的可行性;隨后,研究者將這項技術應用于人群,分別測量了當振動頻率為100、150和200Hz時,ILD患者和健康對照組通過6個肋間區域的肺表面波速度,結果發現在同一振動頻率下ILD患者的肺表面波速度均高于健康對照組,提示通過LUSWE測得的肺表面波速度可被用于無創評估肺纖維化。為了進一步研究LUSWE在ILD分期中的作用,Zhou等[6,7]進行了一項前瞻性研究,研究中納入91例ILD患者和30例健康對照組,根據臨床評估和影像學檢查,按病情的進展程度將其分為健康肺、輕度、中度和重度肺纖維化,結果顯示LUSWE在區分不同纖維化程度的肺組織均有較高的特異度和敏感度;隨后,研究者進一步建立離體博來霉素小鼠模型,驗證了該技術在評估小鼠肺組織纖維化程度的可行性,表明通過LUSWE測得的肺表面波速度與ILD患者臨床分期有良好的相關性,在對ILD進行分期時LUSWE可作為輔助方法。Huang等[8]選取結締組織疾病相關間質性肺疾病患者與健康志愿者行SWE檢查,發現區分病變肺和健康肺的平均楊氏模量值為15.81kPa,且在某些部位,病例組的平均楊氏模量顯著高于對照組,進一步驗證了UE在鑒別結締組織疾病相關間質性肺疾病的病變肺和健康肺的可行性。以上研究表明,UE不僅可用于診斷ILD,還能用于判斷疾病的臨床分期,并且未來值得進行更深入的研究。

2. UE在胸腔積液中的應用

胸腔積液在肺部病變中的占比越來越大,許多疾病都會產生胸腔積液。LUSWE可以評估肺實質的力學變化,為了探究胸腔積液對LUSWE測量的影響,Zhou等[9]建立了模擬胸腔積液的海綿模型,將不同厚度的超聲傳輸凝膠植入安全套,并將安全套放置在海綿模型和超聲換能器之間,利用機械激振器對海綿模型產生100-300Hz的振動,同時利用超聲換能器捕捉海綿的表面波速。結果發現,當振動頻率為100Hz和150Hz時,超聲透射凝膠厚度對海綿表面波速的影響無統計學意義,表明胸腔積液在一定程度上對LUSWE的測量無影響。Ozgokce等[10]對60名胸腔積液患者行SWE檢查,發現當截斷值為2.52m/s時SWE可鑒別滲出液和漏出液,且敏感度為91%,特異度為76.5%。但Porcel等[11]的研究卻表明鑒別滲出液和漏出液并不能證明SWE判斷胸腔積液良惡性的應用價值。Jiang等[12]納入244名胸腔積液患者按時間順序分為發展組(114例,53例惡性和61例良性)和驗證組(130例,55例惡性和75例良性),通過UE測量患者的胸膜彈性,并將發展組患者的測量結果構建受試者工作特征曲線,發現當平均截止彈性指數為47.25kpa時,診斷惡性胸腔積液的效果最佳;進一步驗證發現胸膜UE診斷惡性胸腔積液的敏感度為83.64%,特異度為90.67%;同時與傳統超聲成像相比,UE的靈敏度優勢明顯。通過以上研究,我們發現UE可以用于鑒別滲出液和漏出液,甚至可以定量評估胸腔積液患者肺表面的力學變化,但在臨床中的應用未來需要更進一步的探索。

3. UE在新冠病毒感染與呼吸機相關性肺炎中的潛在應用

新冠病毒感染是一組由新型冠狀病毒(Corona Virus Disease 2019,COVID-19)感染,主要累及肺部但不局限于肺部的感染性疾病,嚴重影響患者的生命質量[13]。目前還沒有針對該病毒的有效治療,對新冠病毒感染患者管理中最重要的就是早期篩查重癥和危重癥患者[14]。COVID-19檢測的金標準是通過逆轉錄聚合酶鏈反應檢測咽拭子的陽性,但該結果往往會有延遲[15]。一項薈萃分析[16]發現CT可能是COVID-19良好的診斷手段,但CT的高輻射性,以及CT室的不易清潔都給診斷帶來了困難。Poggiali等[17]發現對新冠患者行超聲檢查和同時進行的CT掃描有很強的相關性。Roy等[18]開發了一種用于超聲檢查中COVID-19標記物分類和定位的深度學習框架,能夠預測與輸入框架相關的疾病嚴重程度評分。通過UE獲得的肺淺表組織波速或硬度等可作為該框架的一項標準,有望提高COVID-19診斷的準確性。治療上,機械通氣是維持COVID-19重癥和危重癥患者呼吸功能的有效手段,但有創機械通氣往往會增加患者罹患呼吸機相關性肺炎的風險,特別是當需要長時間機械通氣時[19]。避免機械通氣和機械通氣后早日脫機是預防呼吸機相關性肺炎的有效措施,Fossé等[20]應用SWE對30例符合機械通氣脫機標準的呼吸衰竭患者進行檢測,通過比較患者膈肌剪切模量的變化與跨膈壓的變化是否具有一致性,以及當改變呼吸機設置時,膈肌剪切模量改變對呼吸負荷的影響,結果顯示膈肌剪切模量的變化與跨膈壓顯著相關,與呼吸頻率呈負相關。提示膈肌剪切模量結合機械通氣指標可以為符合脫機條件的呼吸衰竭患者脫機提供客觀依據,表明SWE有望成為評估COVID-19機械通氣患者膈肌功能的有效檢測手段,并為患者脫機提供可靠依據。

4. UE在中央型肺疾病中的應用

支氣管腔內超聲(endobronchial ultrasound, EBUS)是肺中央型病變常用的診斷手段,也是判斷肺癌縱隔淋巴結良惡性重要的無創檢查技術,甚至作為手術分期的初始組織取樣手段[21,22]。臨床將超聲上表現有低回聲、回聲不均勻、短徑>10mm等特征的淋巴結列入可疑淋巴結[23]。可通過這些標準識別的淋巴結中,能進行良惡性分類的淋巴結往往只有約25%[24]。Uchimura等[25]納入132例患者(共149個淋巴結)進行EBUS彈性成像(EBUS-elastography, EUBS-E)分析,結果顯示惡性淋巴結的中位剛度面積比顯著高于良性淋巴結;在截斷值為0.41時,彈性成像的靈敏度和特異度分別為88.2%和80.2%。曾多等[26]對66例經胸部增強CT檢查顯示縱隔淋巴結增大的患者進行EBUS-E檢查,并同時對比穿刺病理結果,發現EBUS-E在縱隔淋巴結性質判定中具有良好的診斷價值。一項薈萃分析[27]評估了EBUS-E對鑒別肺門和縱隔淋巴結良惡性的合并敏感度為90%,特異度為78%,明顯優于傳統EBUS圖像。Zhi等[28]在EBUS-E的基礎上聯合正電子發射斷層掃描預測胸內淋巴結的轉移,結果發現EBUS-E的診斷準確率高于正電子發射斷層掃描,當兩者聯合使用時診斷效果最好。以上研究表明,EBUS-E為肺門和縱隔淋巴結良惡性的無創鑒別提供了一種新方法,依據EBUS-E圖像特點指導穿刺,提高了淋巴結活檢的準確性和安全性,同時可作為縱隔和肺門淋巴結轉移的預測手段。

5. UE在外周肺占位性病變的潛在應用

肺癌、肺部感染、肺結核等多種病因都會引起肺部占位性改變,特別是肺癌,良惡性腫瘤的早期鑒別在肺癌患者的診斷和治療過程中起著關鍵作用。Lim 等[29]應用經胸超聲輻射力脈沖鑒別肺部病變,發現不同病變的應變比存在顯著差異[壞死(1.03±0.71,n=8)、肺不張(2.51±0.71,n=17)、硬化(19.98±15.59,n=7)、腫瘤(36.19±20.18,n=38);P<0.05];此外,實驗中納入25例原發性肺腫瘤與3例轉移性肺癌,對比發現當應變比范圍為(41.07±20.32)時,提示原發性肺腫瘤,其中當應變比為(46.89±25.41)時,提示鱗狀細胞癌,均顯著高于轉移腫瘤(9.59±10.03),提示原發性肺腫瘤的變形速度顯著大于轉移性病變。Boccatonda等[30]對14例胸膜下肺部病變的良、惡性進行應變彈性成像與聲輻射力脈沖鑒別,結果發現聲輻射力脈沖在良、惡性胸膜下腫瘤的定性診斷中具有潛在價值。李秀珍等[31]探索發現應變式超聲彈性成像技術對胸膜下肺病灶具有較好的良惡性鑒別診斷能力。與上述研究者不同,Quarato等[32]對190例連續的胸膜下肺病變患者進行了SWE檢查,卻發現經胸SWE不能區分肺惡性腫瘤與肺炎,也不能區分不同組織學類型的肺癌。以上研究表明,UE在外周肺占位性病變中的應用價值目前尚不能得出確切的結論,未來的研究可能專注于胸膜下占位性病變的良惡性鑒別,以獲得更多的量化指標幫助臨床診斷。

三、問題和展望

肺部病變是世界范圍內的一個重要的健康問題,對肺部病變的準確評估和監測越來越重要。超聲作為一項無創、經濟、安全的檢查手段,在肺部根據其A線、B線的變化,可以對胸腔積液進行定性定量的評估,但基于超聲成像的原理,以及肋骨的遮擋限制了超聲在肺部疾病應用的繼續進展。在超聲基礎上發展起來的UE,繼承超聲優點的同時,對疾病的性質、進展、轉歸有著更加精準的評估,成為很多疾病的輔助檢查方式。目前的研究表明,在診斷部分肺外周疾病如ILD、胸腔積液等,UE的臨床應用價值已經初見雛形,甚至在新冠病毒感染的診治過程中,UE也能起到一定的作用。近些年越來越熱門的EBUS-E可以探及支氣管內病變,但EBUS-E受到支氣管鏡自身的局限,對于小細支氣管病變,同樣不能做出診斷。有研究開始探索在診斷肺外周貼壁病變過程中UE的作用,但結果尚存爭議。雖然肺部UE的使用受到很多因素的限制,但其能客觀的反映肺表面彈性,提供病變部位的信息;此外,UE還可以分析病變內部的彈性改變、識別病變周圍的血供情況,提高了有創操作的安全性。因此,對UE在肺部病變診斷上的應用進行多中心、大樣本的深入研究是有必要的。