慢性肝病背景下磁共振弹性成像肝脏硬度值的可重复性和稳定性研究

盘中贤，文武成，孟凡琦，郝连涛，李主镜，袁景，杨晓燕，吕涵青，胡元明，陈玥瑶

磁共振弹性成像（magnetic resonance elastography,MRE）是一种通过检测组织在外加剪切波下的质点相位位移评估组织硬度的成像技术。其中肝脏MRE 常用于评估肝纤维化，其机制是肝纤维化的胶原增生、游离胶原支链交联等病理变化会导致肝组织的硬度增高[1-3]。肝纤维化的临床管理需要长期动态监测，而动态监测需要无创、准确且高可重复性的检查方法。众多无创性肝纤维化检查方法中，肝脏MRE是公认最准确的[4-6]，其测值的可重复性也高于超声弹性成像、肝活检、磁共振扩散加权成像等肝纤维化检查技术[7-8]。已有研究表明慢性肝病（chronic liver disease, CLD）患者的肝铁过载、脂肪变性、高体质量指数（body mass index, BMI）等常见并发症会影响肝脏MRE 的图像质量或肝脏硬度值（liver stiffness,LS）[9-12]，而这些干扰因素背景下的肝脏MRE-LS 值可重复性及稳定性尚无深入研究。此外，既往研究大部分采用基于梯度回波（gradient recalled echo,GRE）序列的MRE，容易因肝铁过载而降低信噪比，影响图像质量，导致检查失败[9,12]。这会剔除肝铁过载严重的患者，不利于探讨肝铁过载与肝脏MRE 的关系。Wang等[12]研究发现，即使在CLD的肝铁过载患者中，基于自旋回波（spin echo, SE）序列的肝脏MRE检查成功率也高达93.8%，明显优于基于GRE 序列的检查成功率（0.0%）。Serai 等[13]在肝铁过载更严重的人群中（47%镰状细胞性贫血、26%β-地中海贫血），也证实了基于SE 序列的MRE 在严重肝铁过载患者中的可行性。本研究拟采用基于SE 序列的肝脏MRE，评估MRE-LS 值在CLD 患者常见干扰因素背景下的可重复性及稳定性。

1 材料与方法

1.1 研究对象

该研究获得深圳市中医院医学伦理委员会批准，免除受试者知情同意，批准文号：K2022-042-01。回顾性分析2019 年4 月至2020 年6 月在深圳市中医院进行肝脏MRE 检查的CLD 患者病例。纳入标准：（1）临床诊断为CLD，包括非酒精性脂肪肝、酒精性脂肪肝、各种病毒性肝炎及自身免疫性肝炎等；（2）完成2 次肝脏MRE 检查，间隔10 min。排除标准：（1）MRE检查失败，波形图上无有效的振动波；（2）合并大量腹水或直径＞3 cm 的肝脏占位性病变。根据以上标准共纳入60 例患者，包括非酒精性脂肪肝18 例、慢性乙型肝炎38例、甲型肝炎2例和不明原因的CLD患者2 例。纳入病例的MRE 波形图上均具有有效的振动波，提示检查成功。

1.2 临床资料

记录患者性别、年龄、体质量、身高，计算BMI（体质量/身高2，单位kg/m2）。以BMI是否≥25 kg/m2将患者划分为高BMI 组与非高BMI 组[14]。在MRE 检查前后2 周内行血常规和肝功能检查的患者，记录血小板（platelet, PLT）、天门冬氨酸氨基转移酶（aspartate aminotransferase, AST）和丙氨酸氨基转移酶（alanine aminotransferase, ALT）。根据以下公式计算天门冬氨酸氨基转移酶和血小板比率指数（aspartate aminotransferase-to-platelet ratio index, APRI）：APRI=[（AST/AST 正常上限）×100]/PLT。在肝活检受限时，APRI是目前WHO推荐的肝纤维化的替代标准[15-16]。

1.3 磁共振检查

1.3.1 检查方法

采用西门子3.0 T 超导磁共振仪（MAGNETOM,Prisma, Siemens Healthcare, Erlangen, Germany），使用16 通道体部相控阵线圈行肝脏MRI 检查。为避免餐后肝血流量和肝硬度增加，患者禁食至少4 h；取舒适仰卧位，双手放于头部以减少伪影，在腹部呼吸运动幅度最大处绑腹带以限制腹部运动，并放置呼吸传感器监测患者呼吸。主要检查序列包括轴位多回波Dixon 序列和基于SE 序列的多频率MRE。扫描参数如下：（1）多回波Dixon 序列为T1WI 容积内插体部检查（volume interpolated body examination,VIBE），重复时间9 ms，回波时间1.1、2.46、3.69、4.92、6.15、7.38 ms，视野380 mm×380 mm，层厚3 mm，平均次数1，翻转角4°；（2）MRE序列，重复时间1200 ms，回波时间36 ms，视野420 mm×325 mm，体素2.5 mm×2.5 mm×5.0 mm，层厚5 mm，层数13，层间隔0，激励次数2，time steps 8，运动敏感梯度（motion sensitizing gradients, MSG）振幅70 mT/m，扫描时间4 min 15 s。MRE 扫描使用定制的压力驱动器，4 个振动单元，获得30、40、50、60 Hz 的驱动频率，进行快速单次激发三维波场的采集[1]。4个振动单元分别放置在剑突水平的两侧锁骨中线及肩胛线处，使有效振动波更好地覆盖全肝。为评估MRE 检查的短期可重复性，完成第1 次MRE 后，退出检查床，休息10 min后再进行第2次MRE扫描。

1.3.2 图像后处理及分析

多频率MRE 的图像后处理：将肝脏MRE 原始图像上传到德国洪堡大学弹性成像后处理官方网站（https://bioqic-apps.charite.de），采用Reiter 等[1]推荐的k-MDEV 反演算法，获得肝脏幅度图、波形图及弹性图（剪切波速度图，C-map）。本研究中在弹性图上测量的LS值为C值，有别于常用的传统MRE测量的G*值（单位为kPa），C值=波长×频率，单位为m/s，与G*值的换算关系为G*=C2[1]。

图像测量由2 名腹部MRI 诊断经验丰富的观测者应用ImageJ 1.52a 软件独立进行，且事先未知临床情况。如图1所示，以T1WI及MRE的幅度图像为解剖参考，在弹性图的门脉右支层面画取1个包括尽量多肝实质的感兴趣区（region of interest, ROI）[17]，尽量避开较大的血管及胆管、远离伪影及肝包膜（距离＞1 cm），测量及记录LS 值并评估LS 值的可重复性及稳定性。（1）观察者内：同1 名观测者对第1 次MRE 检查、间隔1 周第2 次MRE 检查的LS 测值；（2）观察者间：2名观测者分别对第1次MRE检查的LS测值；（3）短期复查：同1 名观测者对2 次MRE 检查的LS 测值。其中2 名观测者对第1 次MRE 检查的LS 测值，取均值用于相关性及回归分析。

多回波Dixon技术是通过检测横向弛豫率（R2*）值和质子密度脂肪分数（proton density fat fraction,PDFF），无创性评估肝铁过载和脂肪变性的可靠方法[18-20]，检查结束后可自动生成肝R2*图、PDFF 图。采用与测量LS值基本一致的ROI，分别在R2*图、PDFF图测量R2*值和PDFF 值，计算及记录2 名观测者测量的均值。参考既往相同场强及序列、相似研究人群的研究结果[18-19]，以R2*≥58.7 s-1诊断肝铁过载，将患者分为肝铁过载组与非肝铁过载组；以PDFF≥5.04%诊断脂肪变性，将患者分为脂肪变性组与非脂肪变性组。参考既往研究结果[21-22]，根据PDFF进行脂肪变性分级：0 级，PDFF＜6.4%；1 级，6.4%≤PDFF＜17.4%；2级，17.4%≤PDFF＜22.1%；3级，PDFF≥22.1%。

1.4 统计学分析

应用SPSS 17.0 及MedCalc11.5.0 软件进行统计学分析。采用Kolmogorov-Smirnov 检验评价计量资料是否符合正态分布。计量资料以（±s）表示。根据有/无肝铁过载、脂肪变性或高BMI 进行分组，采用组内相关系数（intraclass correlation coefficient,ICC）及Bland-Altman法评估各组LS值的观察者内、观察者间及短期复查的可重复性及稳定性。ICC＞0.75 认为一致性好。采用Spearman 线性相关分析LS 值与R2*值、PDFF 值、BMI、AST、ALT、APRI、年龄及性别的相关性，P＜0.05 的变量进一步纳入多元线性回归分析，明确LS 值的独立影响因素。LS 值符合正态分布时采用单因素方差分析比较各脂肪变性分级的LS 值，并进行事后两两比较及Bonferroni 校正（P＜0.05/比较次数）。P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 纳入病例基本特征

本研究共纳入60 例患者病例，其中在MRE 检查前后2 周内具有血常规及肝功能检查结果的患者病例共48例，患者的基本特征见表1。

表1 纳入患者的特征Tab.1 Characteristics of the included patients

2.2 肝铁过载背景下MRE检查的可重复性及稳定性

本研究纳入的CLD患者48.33%（29/60）诊断为肝铁过载，肝铁过载组的R2*值为（81.95±26.44）s-1。肝铁过载组与非肝铁过载组的LS值差异无统计学意义[（1.71±0.37）vs.（1.89±0.53），P=0.125）]。在肝铁过载组的MRE检查中，观察者内、观察者间及短期复查的LS 值之间ICC 分别为0.987、0.981、0.982，与非肝铁过载组的ICC 相仿（0.994、0.994、0.978）（表2）。Bland-Altman图显示在肝铁过载组MRE检查中，观察者内、观察者间及短期复查的LS 值之间的差值大部分在95%一致性界限内，差值的均值（上限，下限）分别为0.02（-0.10，0.13）、0.00（-0.14，0.15）、0.04（-0.09，0.16）（图2）。为避免潜在混杂因素的干扰，剔除脂肪变性及高BMI患者后，肝铁过载组（n=6）vs.非肝铁过载组（n=14）的观察者内、观察者间及短期复查的LS 值之间ICC 分别为0.978、0.984、0.918 vs.0.995、0.994、0.974（P均＜0.05）。

2.3 脂肪变性背景下MRE检查的可重复性及稳定性

本研究纳入的CLD 患者56.67%（34/60）诊断为脂肪变性，脂肪变性组的PDFF 值为15.82%±9.51%。脂肪变性组与非脂肪变性组的LS值差异无统计学意义[（1.73±0.47）vs.（1.89±0.46），P=0.191]。在脂肪变性组的MRE 检查中，观察者内、观察者间及短期复查的LS 值之间ICC 分别为0.994、0.990、0.987，与非脂肪变性组的ICC 相仿（0.989、0.990、0.969）（表2）。Bland-Altman 图显示在脂肪变性组MRE 检查中，观察者内、观察者间及短期复查的LS值之间的差值大部分在95%一致性界限内，差值的均值（上限，下 限）分 别 为0.01（-0.09，0.11）、0.00（-0.13，0.13）、0.04（-0.10，0.17）（图2）。剔除肝铁过载及高BMI患者后，脂肪变性组（n=7）vs. 非脂肪变性组（n=14）的观察者内、观察者间及短期复查的LS 值之 间ICC 分 别 为0.996、0.996、0.990 vs. 0.995、0.994、0.974（P均＜0.05）。

表2 MRE-LS在有/无肝铁过载、脂肪变性或高BMI背景下的可重复性及稳定性Tab.2 Repeatability and stability of MRE-LS in patients with/without hepatic iron overload,fatty liver,or high BMI

图2 在肝铁过载、脂肪变性或高BMI背景下LS值的Bland-Altman图。Bland-Altman图显示在肝铁过载、脂肪变性或高BMI患者中，观察者内、观察者间及短期复查的MRE-LS值的差值大部分在95%一致性界限内。注：BMI：体质量指数；LS：肝脏硬度；MRE：磁共振弹性成像。Fig. 2 Bland-Altman plot of the LS (liver stiffness) values in patients with hepatic iron overload, fatty liver, or high BMI (body mass index). Bland-Altman plots shows that in patients with hepatic iron overload, steatosis, or high BMI, most of the differences in MRE-LS (magnetic resonance elastography liver stiffness)values between intraobservers,interobservers,and short-term reexaminations were within the 95%limits of agreement.

根据PDFF 进行肝脏脂肪变性分级，纳入的患者中51.67%（31/60）为0 级，26.67%（16/60）为1 级，5.00%（3/60）为2 级，16.67%（10/60）为3 级。方差分析示脂肪变性0级、1级与2～3级的LS值之间差异具有统计学意义（F=3.37，P=0.041），两两比较示脂肪变性2～3级的LS值显著低于0级的LS值[（1.52±0.13）vs.（1.87±0.44），P=0.001）]，2～3 级与1 级、0 级与1 级的LS 值之间差异无统计学意义（P均＞0.05）。脂肪变性0 级vs. 1 级vs. 2～3 级患者的观察者内、观察者间及短期复查的LS 值之间ICC 分别为0.990、0.991、0.968 vs. 0.995、0.993、0.993 vs. 0.918、0.840、0.757（P均＜0.05）。

2.4 高BMI背景下MRE检查的可重复性及稳定性

本研究纳入的CLD患者中40.0%（24/60）诊断为高BMI，BMI值为（28.74±3.60）kg/m2。高BMI组与非高BMI 组的LS 值差异无统计学意义[（1.67±0.19）vs.（1.89±0.57），P=0.073]。在高BMI 组的MRE 检查中，观察者内、观察者间及短期复查的LS值之间ICC分别为0.958、0.948、0.926，与非高BMI组的ICC相仿（0.994、0.993、0.983）（表2）。Bland-Altman 图显示在高BMI组MRE检查中，观察者内、观察者间及短期复查的LS值之间的差值大部分在95%一致性界限内，差值的均值（上限，下限）分别为0.00（-0.10，0.11）、-0.01（-0.13，0.11）、0.03（-0.09，0.16）（图2）。剔除肝铁过载及脂肪变性患者后，高BMI 组（n=4）vs.非高BMI 组（n=14）的观察者内、观察者间及短期复查的LS 值之间ICC分别为0.907、0.968、0.957 vs. 0.995、0.994、0.974（P均＜0.05）。

2.5 MRE-LS值的影响因素

Spearman 相关分析显示，LS 值分别与R2*值（r=-0.271，P=0.036）、PDFF 值（r=-0.366，P=0.004）及ALT（r=0.355，P=0.011）呈弱相关；LS 值分别与AST（r=0.538，P＜0.001）、PLT（r=-0.465，P=0.001）及APRI（r=0.584，P＜0.001）呈中度相关；LS 值分别与BMI、年龄及性别的相关性无统计学意义（P均＞0.05）。APRI 是根据AST 及PLT 计算的肝纤维化评估指标，与AST、PLT 存在共线性，因此回归分析时将APRI 纳入分析，而不纳入AST 及PLT。多元线性回归分析示，APRI 及PDFF 是LS 值的独立影响因素，其非标准化回归系数分别为0.246（P=0.015）、-0.012（P=0.047），且纳入指标之间无共线性（容差≥0.1，方差膨胀因子≤5）。

3 讨论

MRE 是一种通过检测组织在外加剪切波下的质点相位位移评估组织硬度的成像技术，其中肝脏MRE常用于评估肝纤维化。肝纤维化的长期动态监测需要无创、准确且高可重复性的检查方法。已有研究表明肝铁过载、PDFF、BMI等CLD的常见并发症会影响肝脏MRE 的图像质量或LS 值[9-12]，而这些干扰因素背景下LS 值的可重复性及稳定性尚无深入研究。因此，本研究评估MRE-LS 值在CLD 患者常见干扰因素背景下的可重复性及稳定性。

3.1 基于k-MDEV反演算法的多频率MRE

对比传统MRE，多频率MRE 的C-map 弹性图在解剖分辨率及扫描层数上显著提高，有助于准确画取ROI、扩大观测范围，提高LS 值诊断肝纤维化的性能[1]。由于噪声及边界条件对弹性成像重建的影响，传统MRE 的解剖分辨率低、伪影重，临床应用中需要屏蔽不可靠的肝硬度区域，测量大面积ROI 的LS值[23]。此外，由于平面内噪声波的干扰，传统MRE 只能进行少量的逐层扫描（2～4 层）[23]。既往研究提出了多种方法来克服传统MRE的不足，其中基于k-MDEV反演算法的多频率MRE 是一种比较有效的方法[1,24]。其通过采集多频率振动波进行平均，再行k-MDEV 反演算，可将单一频率中振动传导弱、信噪比低的区域通过其他频率进行补偿，从而减少振幅零点对弹性成像重建的影响[24]，获得的弹性图甚至可分辨大脑灰白质、肾皮质等[25]。此外，k-MDEV 反演算采用基于一阶导数的平面内波数重建，解决了反演中噪声波干扰的问题，使MRE 的多层连续扫描成为可能[24]。对于肝脏MRE，可获得体素为2.5 mm×2.5 mm×5.0 mm、连续13 层的肝脏弹性图。Reiter 等[1]研究表明，基于k-MDEV 反演算法的多频率MRE 诊断肝纤维化≥F1、≥F2、≥F3 及F4 的AUC 值 分 别 为0.89（0.81～0.95）、0.94（0.89～0.99）、0.98（0.96～1.00）及0.98（0.96～1.00），对比传统MRE有所提高[23]。

3.2 CLD 的肝铁过载背景下MRE-LS 值的可重复性及稳定性

本研究结果表明，在CLD 患者肝铁过载背景下，也具有极高的可重复性及稳定性，与无肝铁过载患者的相当。目前研究认为MRE-LS值诊断肝纤维化的准确性仅次于肝活检[4-6]，而肝铁过载组与非肝铁过载组的LS 值差异无统计学意义，提示肝纤维化背景对两组的影响无显著差异。MRE 测值可重复性及稳定性的主要影响因素是图像质量和干扰因素。图像质量越高，越有助于ROI 的规范画取，则两次ROI 画取的位置及范围越一致；两次ROI内测值的干扰因素影响越小，则测值大小差异越小。肝铁过载会加速肝脏T2*信号衰减，降低图像信噪比，是MRE 检查失败的主要原因之一，尤其对于GRE 序列[9,12]。超声瞬时弹性成像（transient elastography, TE）不会因为肝铁过载而检查失败。Hamidieh 等[26]在容易导致严重肝铁过载的重型地中海贫血患者中，发现肝铁过载会导致TE 测量的肝硬度增加。该结果也得到Pipaliya 等[27]的证实，提示肝铁过载是肝硬度测值的影响因素，尤其对于严重肝铁过载患者。这些研究表明肝铁过载会影响MRE 图像质量及LS 值，可能降低MRE的可重复性。然而，本研究及既往基于传统GRE 序列的研究结果均表明，对于CLD 的研究人群MRE 具有很高的可重复性，其观察者间及短期复查的ICC分别为0.823～0.963、0.923～0.956[7-8]。主要原因可能是与重型地中海贫血患者不同，CLD 患者的肝铁过载以轻度为主，对LS 值影响小。一项样本量达781 例且以CLD 患者为主的研究中[9]，R2*的范围为23.0～212.7 s-1，根据肝铁过载分级[27]均属于轻度。另一项纳入332例CLD患者的研究[12]及本研究也证实了CLD患者的肝铁过载以轻度为主。此外，也可能由于肝铁过载越严重，既往基于GRE 序列的传统MRE 检查失败率越高，因而剔除了肝铁过载严重的患者，低估了肝铁过载的影响。已有研究表明基于SE序列的MRE 在CLD 肝铁过载患者中检查成功率也高达93.8%，可以弥补GRE 序列的不足[12]。因此，本研究采用基于SE 序列的MRE，把基于GRE 序列可能检查失败的部分纳入分析，发现在CLD 的肝铁过载患者中，MRE-LS值的观察者内、观察者间和短期复查ICC均高于0.98；剔除肝铁过载组的脂肪变性及高BMI 患者后，LS 值的ICC 为0.918～0.984，具有很高的可重复性及稳定性。该结果说明，在CLD 人群中，即使包括因肝铁过载较重而传统MRE检查失败的患者，肝铁过载对MRE-LS 值的影响也很小，不足以影响MRE-LS 值的可重复性及稳定性。

3.3 CLD 的脂肪变性背景下MRE-LS 值的可重复性及稳定性

本研究中CLD患者脂肪变性背景下，MRE-LS值的观察者内、观察者间和短期复查的ICC 均高于0.98，具有很高的可重复性及稳定性。剔除脂肪变性组的肝铁过载及高BMI 患者后，LS 值的ICC 高于0.99；此外，脂肪变性组与非脂肪变性组的LS 值差异无统计学意义，提示肝纤维化背景对两组的影响无显著差异。首先，脂肪变性不影响肝脏MRE图像质量及检查成功率[12]。因此，MRE 不会因为脂肪变性而降低图像质量，影响观测者准确画取ROI。其次，CLD患者的脂肪变性以轻-中度为主，其对LS值影响明显低于肝纤维化的影响。本研究中CLD 患者的脂肪变性也大部分为1～2 级（65.52%），与既往研究结果一致[22]。回归分析显示PDFF是LS值的独立影响因素，但PDFF每增加1%，LS 值仅降低0.012 m/s，与Joshi 等[10]研究结果相仿；PDFF 与LS 值的相关性明显低于肝纤维化指标APRI与LS值的相关性。该结果说明在CLD患者中，脂肪变性对LS值的影响比较小，明显低于肝纤维化的影响。这也可能是本研究中脂肪变性组与非脂肪变性组的LS 值差异无统计学意义的原因。然而，比较不同脂肪变性分级的LS 值发现，脂肪变性2～3 级患者的LS 值显著低于0 级患者的LS 值，其LS 值的ICC 为0.757～0.918，也低于0 级及1 级患者的ICC。这说明随着脂肪变性加重，其对LS 值的大小、可重复性及稳定性的影响也不容忽视，尤其对于日益严重的非酒精性脂肪性肝病[28-29]。为了准确评估肝纤维化，画取ROI 测量肝硬度时，应该参考PDFF图，尽量避开严重脂肪变性区域。

3.4 CLD 的高BMI 背景下MRE-LS 值的可重复性及稳定性

本研究中CLD 的高BMI 背景下，MRE-LS 值的观察者内、观察者间和短期复查的ICC 为0.926～0.958，具有很高的可重复性及稳定性。剔除高BMI 组的肝铁过载及脂肪变性患者后，LS 值的ICC 为0.907～0.968；此外，高BMI组与非高BMI组的LS值差异无统计学意义，提示肝纤维化背景对两组的影响无显著差异。Wagner 等[9]认为高BMI是MRE检查失败的影响因素，可能因为高BMI患者的弹性振动效果降低及有效振动范围缩小。然而，Yin 等[30]结果表明MRE 检查失败组与成功组之间的BMI无显著差异，而且成功组的BMI 范围更大，即使在高BMI 患者中MRE 也具有良好的穿透性。Wang 等[12]研究也证实BMI 对MRE 检查失败率、图像质量及LS值无显著影响。与Yin等[30]及Wang等[12]研究结果一致，本研究也发现BMI与LS值无显著相关，提示CLD患者的高BMI，对MRE-LS值的可重复性及稳定性影响很小。然而，在高BMI（≥25 kg/m2）、脂肪变性患者中，TE 的观察者间可重复性较低[14]。因此，对于高BMI和脂肪变性患者，MRE可以提供更可靠的LS值，弥补TE的不足。

3.5 本研究的不足

第一，本研究采用了MRI 的多回波Dixon 序列检测R2*和PDFF 评估肝铁过载和脂肪变性，采用了WHO推荐的替代性指标评估肝纤维化[15]，而未采用肝活检。由于肝活检的有创性、取样误差和观察者的主观差异等缺点[31]，临床应用受限；此外，本研究评估CLD 的脂肪变性背景下MRE-LS 值的可重复性及稳定性，而脂肪变性在肝纤维化早期发生率更高[32]，这些患者对肝活检接受度较差。第二，由于样本量有限，未能评估不同程度的肝铁过载、BMI背景下MRE-LS值的可重复性及稳定性，未来需要扩大样本量，进行亚组分析。第三，由于研究条件所限，本研究未评估不同品牌的设备之间LS值的可重复性。

综上所述，在CLD 患者的肝铁过载、脂肪变性或高BMI背景下，MRE-LS值具有极高的可重复性及稳定性。但随着脂肪变性加重，其对LS 值的影响也不容忽视，尤其对于日益严重的非酒精性脂肪肝病。

作者利益冲突声明：全体作者均声明无利益冲突。