脂肪校正虚拟MR弹性成像评估MASLD纤维化分期的开发与验证

引言

代谢功能障碍相关脂肪性肝病（MASLD）影响全球约25%的人口，其与代谢综合征的强关联性构成了沉重的医疗负担[1, 2]。MASLD谱系从单纯性脂肪变性进展为代谢功能障碍相关脂肪性肝炎（MASH）、肝硬化和肝细胞癌。纤维化的存在是MASLD中最重要的预后因素，并与肝脏相关结局和死亡率相关，因此需要准确的纤维化评估以进行预后分层和治疗指导[3]。

虽然肝活检仍是诊断和分期肝纤维化的金标准，但其有创性、潜在并发症和采样变异性促使了无创诊断方法的发展[4]。磁共振弹性成像（MRE）已成为一种高度准确的技术，其诊断性能优于基于超声的弹性成像[5, 6]。MRE通过可视化组织内传播的机械波来量化肝脏硬度，提供与纤维化分期强相关的稳健生物标志物。然而，MRE的广泛采用面临显著挑战，包括专用硬件需求、检查时间增加、技术复杂性和较高成本。

因此，利用标准MRI序列进行纤维化评估引起了相当大的兴趣。扩散加权成像（DWI）是肝脏MRI方案的常规组成部分，用于测量水分子的随机运动。由DWI得出的表观扩散系数（ADC）反映组织微观结构，包括细胞密度、细胞外间隙和纤维化的影响[7]。这促进了虚拟磁共振弹性成像（vMRE）概念的发展，该概念利用ADC值无创估算肝脏硬度，为使用广泛可用的序列实现无硬件评估提供了可能。vMRE方法学基于以下原理：纤维化组织中受限的水扩散（通过高b值DWI测量）与组织硬度强相关。具体而言，DWI采集使用多个b值进行，逐像素拟合生成ADC图。然后通过基于标准MRE测量建立的经验校准方程，将由高b值计算得到的位移ADC转换为剪切模量[8]。然而，将vMRE推广至MASLD面临独特挑战。与其他肝脏疾病不同，MASLD呈现出独特的病理改变三联征——脂肪变性、炎症和纤维化——这些改变在疾病进展过程中以不同程度和组合出现[9]。DWI采集的适当b值选择在MASLD与其他慢性肝病之间可能有所不同。关键的是，脂肪会混杂肝脂肪变性患者中观察到的ADC，而肝脂肪变性是MASLD的标志性特征[10]。这种混杂效应可导致DWI解读不准确并影响vMRE测量。近年来，利用质子密度脂肪分数（PDFF）进行定量脂肪分数成像的进展使得脂肪校正算法的开发成为可能，该算法可从常规ADC测量中推导出脂肪校正ADC值（ADCw），有望提高MASLD患者基于扩散的肝纤维化评估的准确性[11]。本研究旨在开发并验证一种新型脂肪校正vMRE（FC-vMRE）框架，使用针对MASLD专门优化的临床级DWI采集b值。通过建立与MRE和组织学参考标准的诊断一致性，我们力求为全面的MASLD评估提供一种临床可行的、无硬件的替代方案。

材料与方法

研究队列

本前瞻性研究获得上海中医药大学附属曙光医院机构审查委员会批准（2023-1249-16-01），所有参与者均提供书面知情同意。患者根据已知或临床怀疑的肝脂肪变性，通过既往影像学、肝酶异常或代谢风险特征识别，从肝病科和代谢病门诊预选。从该预选人群中，研究连续纳入2022年1月至2024年6月期间接受肝脏MRI评估并符合以下标准的成年人（≥ 18岁）：（1）MRI-质子密度脂肪分数（MRI-PDFF）证实肝脂肪变性（肝脏脂肪含量≥ 5%）；以及（2）至少一项MASLD代谢危险因素：BMI > 23 kg/m²；空腹血糖≥ 5.6 mmol/L；甘油三酯≥ 1.7 mmol/L或正在接受降脂治疗；高密度脂蛋白胆固醇：男性≤ 1.0 mmol/L，女性≤ 1.3 mmol/L，或正在接受降脂治疗；血压> 130/85 mmHg或正在接受高血压治疗[3]。排除标准包括显著饮酒（男性> 30 g/天，女性> 20 g/天）和其他慢性肝病。2022年1月至2024年6月期间，参与者被分为训练队列和验证队列。训练队列由未接受肝活检的患者组成，利用无创影像参数从中开发脂肪校正虚拟MRE模型。验证队列由因临床指征接受肝活检的患者组成，为模型验证提供组织病理学参考标准。

MRI采集

所有成像均在3.0-T MRI系统（uMR 790，联影医疗）上使用32通道柔性体线圈进行。所有受试者在MRI扫描前禁食至少6小时。使用三个序列：MRE、DWI和PDFF。对于MRE，采用60 Hz控制器和驱动器。序列参数如下：重复时间（TR）/回波时间（TE）= 1000.2/44.6毫秒；视野（FOV）= 420 × 420 mm²；矩阵= 96 × 96；层厚= 8 mm；加速因子= 2；采集时间= 10秒。剪切刚度图由采集的波图像自动生成。DWI采用呼吸导航、脂肪抑制回波平面成像（EPI）技术。参数：TR/TE = 3000/69.9毫秒；层厚= 7 mm；FOV = 380 × 280 mm²；矩阵= 144 × 144；b值0、50、100、150、200、800、1000、1200和1500 s/mm²。平均次数：b ≤ 200 s/mm²时为一次，b ≥ 800 s/mm²时为三次；采集时间= 7分57秒。对于PDFF，三维脂肪分析与计算技术（FACT）序列使用化学位移编码。参数：TR/TE = 12.06/1.71、3.22、4.73、6.24、7.75、9.26毫秒；翻转角= 3°；FOV = 420 × 420 mm²；矩阵= 240 × 240；层厚= 10 mm；带宽= 900 Hz；加速因子= 2；采集时间= 15秒。

MRI分析

原始MR图像传输至专用工作站（uWS，联影医疗）进行数据分析。定量评估包括MRE刚度和PDFF测量，以及由DWI计算ADC。

通过对四幅弹性图上最大可测量肝脏切面手动勾画多边形感兴趣区（ROI）来评估肝脏硬度[12]。在最大肝脏横断面切片上放置四个ROI，同时仔细避开大血管、胆管和器官边界。每个ROI测量面积大于2.5 cm²，以确保充分采样，同时与潜在混杂结构保持距离。平均硬度值由这四次测量计算得出。两名放射科医生，一位具有12年腹部MRI经验的资深医生和一位具有5年经验的初级医生，通过共识判读共同确定ROI，讨论任何不确定区域直至达成一致。MRE、PDFF和DWI的ROI尽可能对齐在同一层面，如图1所示。

ADC值使用九种不同的b值组合（低b值：0、50、100、150、200 s/mm²；高b值：800、1000、1200、1500 s/mm²）根据单指数模型计算：其中S1和S2分别代表低b值（b1）和高b值（b2）处的信号强度。为考虑混杂脂肪信号的贡献，所有ADC值均使用Hansmann等人[11]描述的算法进行校正。其中A为局部质子密度，η为PDFF，α为未被抑制或被激发的残余脂肪信号分数，TE为回波时间，T2w和T2f分别为水和脂肪的T2弛豫时间，ADCw和ADCf分别为水和脂肪的真实ADC。根据Hansmann等人，T2w = 23毫秒，T2f = 62毫秒，ADCf = 0 sec/mm²，α = 0.087。因此，脂肪校正ADC（ADCw）可通过上述方程推导得出。

为评估测量可重复性，在训练队列中随机选取20%的子集（n = 72）使用组内相关系数（ICC）评估读者间可重复性。详细的ICC值和结果见补充材料。

FC-vMRE模型的开发

FC-vMRE的开发在训练队列中进行，以建立ADC到MRE的转换公式。该过程包括以下步骤：首先，使用相关系数对所有二十个ADCw参数与实际MRE测量的肝脏硬度值之间进行相关性分析。该分析确定了哪个ADCw参数与肝脏硬度表现出最强的关系。其次，进行线性回归建模以推导最佳ADC参数与MRE值之间的数学关系。建立回归模型，使用由方程[2]推导的ADCw生成FC-vMRE公式。回归方程采用一般形式：其中α代表截距，β代表斜率系数。

肝脏组织学

根据Brunt标准，患者被诊断为代谢功能障碍相关脂肪性肝病（MASLD），肝活检样本采用NASH-CRN组织学评分系统进行评分[13]。组织病理学评估由两名经验丰富的组织病理学家（肝脏病理学经验>10年）独立完成，他们对所有临床数据和影像学结果（包括MRI和MRE表现）均不知情。若出现不一致，通过共同重新评估达成共识。MRI检查与肝活检之间的中位间隔为8天（范围：0–89天；四分位距：2–12天）。

统计分析

统计分析使用R 4.3.1版本进行。连续变量对正态分布数据以均值±标准差表示，对非正态分布数据以中位数表示，正态性由Shapiro–Wilk检验确定。采用Pearson或Spearman相关系数评估FC-vMRE与MRE值之间的关系。Bootstrap重采样（1000次迭代）使用95%置信区间评估ADCw参数组合间相关系数的稳定性。线性回归以最优ADCw参数为自变量、MRE为因变量推导FC-vMRE公式。MRE、vMRE和FC-vMRE之间的一致性采用Pearson相关、Bland–Altman分析（95%一致性界限）和组内相关系数（ICC）进行量化。在验证队列的纤维化分期中，采用10折分层交叉验证确定最佳截断值并计算基于阈值的诊断指标（灵敏度、特异度、PPV、NPV和准确率），以各折的均值±标准差报告以避免过拟合偏倚。在每一折中，通过在训练集中最大化Youden指数确定最佳截断值，然后应用于独立测试集进行性能评估。受试者工作特征（ROC）曲线及ROC曲线下面积（AUC）及其95%置信区间使用完整验证队列数据集计算，AUC值采用DeLong检验进行比较。在补充材料中进行了校准分析，以评估所有纤维化阈值下预测概率与观察结果之间的一致性。统计学显著性设定为p < 0.05。

结果

研究人群人口学特征和特点

本研究共纳入463例患者，其中训练队列361例，验证队列102例，如图2所示。在验证队列中，纤维化分期分布如下：F0（n = 2，2.0%）、F1（n = 25，24.5%）、F2（n = 38，37.3%）、F3（n = 24，23.5%）和F4（n = 13，12.7%）。训练队列的中位年龄为48.00岁（22.00–82.00岁），男性患者占60.9%，而验证队列的中位年龄为49岁（18.0–77.0岁），男性比例为47.5%。验证队列的中位MRE值（3.64 kPa）高于训练队列（2.96 kPa）。表1列出了验证组详细的患者人口学特征和组织学表现。

ADC参数与MRE值的相关性分析

在训练队列中，所有脂肪校正ADCw参数组合均与MRE值呈显著负相关（均p < 0.001）。图3通过散点图展示了这些反向关系，揭示了一致的分布模式。相关性最强的是脂肪校正ADC200-1200（R = −0.706，p < 0.001），其次是ADC150-1200（R = −0.559，p < 0.001）和ADC200-1000（R = −0.545，p < 0.001）。1000次重复的Bootstrap分析证实了ADC200-1200相对于其他参数组合的一致性优势。所有相关性差异（Δr）范围为−0.146至−0.209，95% CI均不包含零（p < 0.05）。鉴于其优越的相关强度，选择脂肪校正ADC200-1200作为FC-vMRE计算的最佳参数。推导出的FC-vMRE公式为：

FC-vMRE与MRE之间的一致性分析

MRE显示肝脏硬度中位数为2.96 kPa（范围：1.61–5.50 kPa）。FC-vMRE值与MRE测量值表现出密切一致性（中位数3.12 kPa，范围1.69–4.46 kPa），而未校正vMRE系统性高估肝脏硬度（中位数3.62 kPa，范围1.84–4.76 kPa）。相关性分析显示FC-vMRE与传统MRE之间存在显著正相关（r = 0.706，95% CI [0.65, 0.754]，p < 0.001），显著强于未校正vMRE所观察到的相关性（r = 0.546，95% CI [0.47, 0.615]）。Bland–Altman分析进一步证实FC-vMRE与MRE之间具有更优的一致性，平均偏差为−0.001 kPa（95%一致性界限：−1.027至1.025 kPa），显著低于未校正vMRE所观察到的偏差（0.469 kPa；95%一致性界限：−0.749至1.686 kPa）。ICC分析显示FC-vMRE与MRE之间具有良好一致性（ICC = 0.666，95% CI [0.604, 0.719]，p < 0.001），显著优于未校正vMRE所观察到的不良一致性（ICC = 0.381，95% CI [0.084, 0.579]，p = 0.006）。所有三种模态肝脏硬度测量值的综合分布模式及比较分析见图4。

肝纤维化分期的诊断效能：组织病理学验证

对于显著纤维化（≥ F2）的检测，MRE 的 AUC 为 0.848（95% CI：0.757–0.939），交叉验证性能为： cutoff 值 3.09 ± 0.05 kPa，灵敏度 87.3 ± 12.5%，特异度 70.0 ± 18.9%，准确率 82.1 ± 10.4%。FC-vMRE 表现出相当的性能，AUC 为 0.761（95% CI：0.661–0.860），cutoff 值 3.42 ± 0.10 kPa，灵敏度 64.8 ± 17.3%，特异度 63.3 ± 33.1%，准确率 64.5 ± 9.9%，如图 5A 所示。MRE 与 FC-vMRE 之间的差异无统计学意义（DeLong 检验 p = 0.053），而 MRE 显著优于 vMRE（p = 0.001）。FC-vMRE 与 vMRE 相比也表现出更优的性能（p = 0.038）。对于进展期纤维化（≥ F3），MRE 保持了优异的诊断准确性，AUC 为 0.818（95% CI：0.729–0.906），交叉验证指标为：cutoff 值 3.99 ± 0.13 kPa，灵敏度 63.3 ± 18.5%，特异度 77.4 ± 12.1%，准确率 72.5 ± 9.3%。FC-vMRE 的 AUC 为 0.756（95% CI：0.650–0.862），cutoff 值 3.73 ± 0.02 kPa，灵敏度 62.5 ± 26.7%，特异度 83.6 ± 14.2%，准确率 76.4 ± 12.0%。MRE 与 FC-vMRE 之间的性能差异接近但未达到统计学意义（p = 0.066，图 5B）。两种方法均显著优于 vMRE（AUC = 0.612，95% CI：0.499–0.724；分别为 p < 0.001 和 p = 0.024）。对于肝硬化检测（F4），观察到 MRE 具有最强的诊断性能，AUC 为 0.914（95% CI：0.849–0.978），交叉验证指标为：cutoff 值 4.28 ± 0.04 kPa，灵敏度 80.0 ± 42.2%，特异度 85.6 ± 9.1%，准确率 85.4 ± 8.5%。FC-vMRE 表现出稳健的性能，AUC 为 0.838（95% CI：0.761–0.914），cutoff 值 3.77 ± 0.01 kPa，灵敏度 85.0 ± 33.7%，特异度 77.5 ± 14.8%，准确率 78.3 ± 13.7%（图 5C）。MRE 与 FC-vMRE 之间的差异无统计学意义（p = 0.065）。MRE 和 FC-vMRE 均显著优于 vMRE（AUC = 0.570，95% CI：0.392–0.747；分别为 p < 0.001 和 p = 0.008）。所有三种模态在不同纤维化分期的详细交叉验证诊断性能指标见表 2。来自不同肝纤维化程度的 MASLD 患者的代表性 MRE、FC-vMRE 及相应组织病理学图像见图 6。

讨论

本研究探讨了源自DWI的FC-vMRE作为一种无需额外硬件的替代方法，在评估MASLD患者肝纤维化方面的潜在临床实用性。采用PDFF的脂肪校正算法似乎解决了传统DWI在MASLD人群中的关键局限性，在该人群中肝脂肪变性会干扰ADC测量。我们的研究结果显示，经脂肪校正的ADC200-1200与MRE值达到最强相关性，提示基于脂肪校正DWI的指标可能作为肝硬度测量的有前景的替代标志物。与未校正的vMRE相比，FC-vMRE与MRE的一致性更优，并在纤维化分期方面显示出令人鼓舞的诊断性能，使FC-vMRE成为有望在临床实施的MRE替代方法。

我们的结果与既往强调DWI在肝病中诊断潜力的研究一致[14]，同时将其扩展至以脂肪变性、炎症和纤维化三联病理为特征的MASLD。最佳b值似乎对MASLD评估尤为重要。我们的研究结果提示，ADC200-1200在MASLD评估中与MRE具有较强相关性，这与既往关于慢性肝纤维化的研究倾向于200–1500 [15]不同。这一差异可能归因于若干因素：第一，我们的研究专门聚焦于MASLD，其不仅包括纤维化，还包括脂肪变性和炎症，而Kromrey等人的研究主要针对肝纤维化。这些病理差异可能需要不同的最佳b值组合。第二，MASLD的三联病理可能需要不同的DWI参数来捕捉其复杂特征[16]。我们较低的最大b值（1200 vs 1500）表现良好，可能反映了其检测MASLD多层面病理改变的能力。第三，我们的FC-vMRE模型强调，MASLD特异性方案必须考虑脂肪变性引起的ADC改变[10]。这可能解释了为何较低的最大b值（1200）表现良好，因为它可能对脂肪肝组织中独特的扩散特性更为敏感。这些发现凸显了根据特定肝病调整DWI方案的重要性，并为优化MASLD评估中的DWI提供了见解。

与未校正的vMRE相比，FC-vMRE在肝纤维化分期方面表现出更优的诊断性能，并在所有分期中与MRE相比显示出令人鼓舞的性能，在活检队列中无统计学显著差异[17]。中等程度的ICC一致性和临界p值表明，尽管FC-vMRE显示出前景，但其性能应谨慎解读。FC-vMRE与MRE之间观察到的相关性和一致性指标，以及Bland–Altman评估中的最小测量偏倚，支持脂肪校正方法的潜在可靠性。这表明FC-vMRE可作为评估MASLD患者肝纤维化的有前景的MRE替代方案。我们的发现与先前一项前瞻性研究形成对比，该研究中FC-vMRE未能预测疑似NAFLD患者的肝纤维化[18]。这一差异突出表明，有效的脂肪校正需要与MASLD优化的b值（本研究中为200/1200）相结合，而非孤立应用。与未校正的vMRE相比，FC-vMRE显著更高的决定系数和更低的RMSE证明了通过脂肪校正所实现的实质性改善。vMRE中基于DWI的硬度测量似乎能够捕捉纤维化肝组织的力学特性，尽管其所利用的物理原理与MRE中直接机械波传播的原理根本不同[19]。本研究所建立的FC-vMRE截断值虽不完全相同，但与现有MRE文献总体一致，支持其作为有用诊断阈值的潜力[14]。这些截断值在临床关键纤维化分期中保持了平衡的敏感性和特异性。

对于进展期纤维化和肝硬化的检测，FC-vMRE表现出令人鼓舞的诊断性能，保持了合理的敏感性和特异性。FC-vMRE与MRE之间相当的诊断准确性进一步巩固了FC-vMRE作为MRE可靠替代方案的地位。值得注意的是，FC-vMRE在所有纤维化分期中始终优于未校正的vMRE。从vMRE到FC-vMRE诊断准确性的显著提高强调了考虑肝脂肪变性的关键重要性。FC-vMRE优于未校正vMRE的诊断性能可能与其校正脂肪变性对水扩散特征引起的混杂效应有关[20, 21]。与测量宏观组织位移的MRE不同，FC-vMRE基于脂肪校正ADC值，使其可能对肝细胞完整性和细胞外基质组成的微观结构变化更为敏感[22]。这一特性可能使FC-vMRE能够更好地评估纤维化，同时最大限度减少脂肪变性的干扰，尤其是在MRE和未校正vMRE均面临局限的早期阶段。FC-vMRE与MRE相比略低的敏感性表明，尽管FC-vMRE具有前景，但与MRE直接测量组织力学特性相比，其在检测早期纤维化阶段方面可能存在局限。

优化MASLD患者DWI采集的b值是一项重要的研究贡献。既往vMRE研究可能未考虑MASLD独特的病理三联征[8, 14, 18]。我们的研究结果表明，b值200–1200 s/mm²与MASLD患者肝脏硬度相关性最佳。这一优化可能提高vMRE在该人群中的准确性，并为未来代谢性肝病的DWI方案开发提供指导。利用现有DWI数据进行肝脏硬度估算，vMRE有可能提高肝纤维化评估的可及性。与MRE相比，vMRE具有多项优势，包括缩短检查时间、提高可及性和降低成本。这在MRE硬件不可用或存在禁忌的情况下尤为重要。无需额外硬件即可进行肝脏评估的能力还可能改善肝脏异质性的评估，而这在MASLD中往往是一个挑战，因为疾病进展具有斑片状特征。此外，FC-vMRE在纤维化分期和MASH检测方面与MRE相比令人鼓舞的表现提示，它可作为MASLD患者纵向监测的有用工具。这在评估治疗反应和随时间推移的疾病进展方面可能特别有用，并有可能减少重复肝活检的需求。

若干局限性值得考虑。第一，单中心设计和特定MRI系统可能限制其在不同机构和成像平台间的推广性。第二，经活检确认的相对较小的验证队列可能无法完全代表MASLD人群的多样谱系。第三，脂肪校正算法依赖于源自既往文献的预定组织参数，这些参数可能无法准确反映个体患者差异或不同阶段的肝病。未来需要更大队列、不同MRI平台的多中心研究来验证这些发现。

总之，FC-vMRE是一种有前景的无创技术，可用于评估MASLD患者的肝纤维化和MASH。其性能显示出与MRE令人鼓舞的一致性，同时具有无需额外硬件要求和降低成本的实际优势，因此FC-vMRE为广泛临床实施提供了一种可能有价值的选择，尤其是在MRE不可用的情况下。

补充信息

电子补充材料