基于多模態(tài)超聲的決策樹診斷模型對頸動脈斑塊易損性的診斷價值

李 寧 張樹華 唐 姍 解婷婷 劉 陽 闞艷敏 劉愛東

腦卒中是我國居民死亡的首要病因,而動脈粥樣硬化易損斑塊的破裂則是導致腦卒中的主要原因之一,因此,盡早識別斑塊的易損性至關重要[1,2]。超聲是頸動脈斑塊的主要檢查方法,其中常規(guī)超聲(conventional ultrasound, CUS)、超聲造影(contrast-enhanced ultrasound, CEUS)及剪切波彈性(shear wave elasticity, SWE)技術等可以從斑塊負荷、斑塊硬度和成分、斑塊內(nèi)新生血管等多角度全面評估斑塊的易損性[3]。本研究旨在通過構建基于多模態(tài)超聲的缺血性腦卒中決策樹診斷模型,并對其診斷效能進行評價,為臨床對頸動脈易損斑塊的早期識別提供新的診斷思路。

對象與方法

1.研究對象:回顧性選取2020年1月～2022年2月于華北理工大學附屬醫(yī)院住院的頸動脈斑塊患者113例,其中男性80例,女性33例,患者年齡43～78歲,平均年齡為61.62±8.60歲,分為癥狀組(n=60)與非癥狀組(n=53)。納入標準:①癥狀組患者為近6個月內(nèi)有斑塊同側缺血性腦卒中癥狀(一側面部或肢體無力或麻木,語言障礙等),并經(jīng)CT或MRI檢查證實為單側前循環(huán)供血區(qū)缺血性梗死灶發(fā)作者[4,5];②CUS檢查斑塊厚度≥2.5mm者;③斑塊平行于頸動脈長軸生長且能配合完成CEUS檢查及SWE檢查者[6～8]。排除標準:①因斑塊內(nèi)鈣化、患者配合差等原因,超聲圖像顯示效果不佳者;②對雞蛋、牛奶等過敏無法行CEUS者;③患者本人或家屬拒絕參加此研究者。

2.臨床資料的收集:記錄患者的年齡、性別、體重指數(shù)(body mass index, BMI)、是否吸煙及飲酒,是否患有高血壓、糖尿病、高脂血癥、冠心病,是否有腦血管疾病家族史。

3.超聲數(shù)據(jù)的收集:應用日本佳能Aplio i800超聲儀,探頭i18LX5,頻率(5～18)MHz。造影劑使用意大利Bracco公司生產(chǎn)的聲諾維(Sono Vue)。

CUS檢查:受檢者取平臥位,探頭自頸總動脈起始處向上橫切及縱切連續(xù)掃查頸動脈全程,選擇最厚的可疑責任斑塊用于觀察和分析,于斑塊清晰顯示時凍結圖像,在斑塊長軸切面分為近心段、中部、遠心段(圖1)。記錄斑塊位置(以斑塊大部分所處位置為斑塊定位,包括頸總動脈、頸總動脈分叉、頸內(nèi)動脈)、長度、厚度、回聲(均質(zhì)低回聲、均質(zhì)等回聲、不均質(zhì)回聲)、鈣化(有、無)、極低回聲區(qū)(有、無)、潰瘍(有、無)等。易損斑塊的CUS特征為潰瘍型斑塊、斑塊內(nèi)部具有低回聲或低至無回聲特征[9]。

圖1 斑塊長軸切面分段示意圖

CEUS檢查:經(jīng)肘靜脈團注1.6ml聲諾維,繼以5.0ml 0.9%氯化鈉溶液快速沖注,實時觀察并連續(xù)存儲圖像,陸續(xù)補充造影劑0.8ml保證濃度。對目標斑塊進行緩慢勻速的橫、縱切面掃查,分別記錄斑塊近心段、中部、遠心段的增強特點。增強級別判讀標準:①0級:斑塊內(nèi)無增強;②1級:斑塊內(nèi)見點狀增強;③2級:斑塊見多個點狀或1～2條線樣增強;④3級:斑塊內(nèi)見大面積線狀增強,貫穿或大部分貫穿斑塊[10]。易損斑塊的CEUS特征為動態(tài)移動的高回聲光點從外膜到斑塊內(nèi),提示斑塊內(nèi)存在新生血管[9]。

SWE檢查:于短軸斑塊最厚處切換至長軸并啟動剪切波模式,囑患者屏氣,保持圖像清晰且探頭不施壓,待圖像穩(wěn)定后凍結圖像,在斑塊長軸方向分段測量楊氏模量值(近心段、中部、遠心段)。同一切面測量3次,取平均值。斑塊楊氏模量值越小,質(zhì)地越軟,易損性越高[7]。

所有操作均由一名高年資醫(yī)生獨立完成,同時臨床資料的收集由另一名醫(yī)生獨立完成。本研究通過華北理工大學附屬醫(yī)院醫(yī)學倫理學委員會批準(倫理學審批號:2020155)。

結 果

1.基線資料比較:兩組患者在年齡、體重指數(shù)(body mass index,BMI)、性別,是否吸煙、飲酒,糖尿病、高血壓、高脂血癥、冠心病及家族史方面比較,差異均無統(tǒng)計學意義(P均>0.05),詳見表1。

表1 兩組患者的基線資料比較

2.超聲參數(shù)比較:(1)CUS參數(shù)比較:兩組患者在斑塊回聲、是否有極低回聲區(qū)、是否有鈣化方面差異均有統(tǒng)計學意義(P均<0.05);在斑塊的長度、厚度、位置、是否有潰瘍方面比較,差異均無統(tǒng)計學意義(P均>0.05),詳見表2。(2)CEUS參數(shù)比較:兩組患者在斑塊中部及遠心段增強級別方面比較,差異均有統(tǒng)計學意義(P均<0.05);在近心段增強級別方面比較,差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05),詳見表3。(3)SWE參數(shù)比較:兩組患者在斑塊近心段、中部、遠心段楊氏模量值方面比較,差異均有統(tǒng)計學意義(P均<0.05),詳見表4。

表2 兩組患者的CUS參數(shù)比較

表3 兩組患者的CEUS參數(shù)比較[n(%)]

表4 兩組患者的SWE參數(shù)比較

3.缺血性腦卒中決策樹診斷模型的構建及診斷效能評價:(1)決策樹診斷模型構建:以超聲參數(shù)為自變量,以是否為缺血性腦卒中為因變量,構建基于CUS、CEUS、SWE及多模態(tài)超聲的缺血性腦卒中模型,其根節(jié)點分別為斑塊內(nèi)是否有極低回聲區(qū)、斑塊中部增強級別、斑塊中部楊氏模量值、斑塊中部楊氏模量值;10折交叉驗證法顯示其誤判率分別為34.5%、44.2%、26.5%和12.2%,詳見圖2～圖5。

圖2 基于常規(guī)超聲決策樹模型

圖3 基于超聲造影決策樹模型

圖4 基于剪切波彈性決策樹模型

圖5 基于多模態(tài)超聲決策樹模型

(2)決策樹模型診斷效能評價:對決策樹模型的診斷效能進行評價,結果顯示,基于多模態(tài)超聲所建立模型的綜合診斷效能最好,詳見表5。

表5 基于單一及多模態(tài)超聲所建決策樹模型的診斷效能評價

結 果

決策樹是一種簡單且應用廣泛的預測方法,該方法不僅解決了傳統(tǒng)回歸模型中不能處理非線性和高度相關數(shù)據(jù)的難題,還同時考慮了缺失值,避免了部分傳統(tǒng)參數(shù)檢驗的局限性,可以有效提高模型的預測能力,為臨床疾病的診斷及鑒別診斷提供依據(jù)[11,12]。目前關于應用決策樹模型對頸動脈斑塊易損性進行識別的研究較少,本研究擬通過建立基于單一及多模態(tài)超聲技術的缺血性腦卒中決策樹預測模型,為臨床診斷及管理提供依據(jù)。

本研究中癥狀組斑塊的CUS特征主要表現(xiàn)為不均質(zhì)回聲、斑塊內(nèi)含有極低回聲區(qū)及鈣化,與王秀玲等[13]和Hutcheson等[14]的研究一致,主要病理基礎為易損斑塊內(nèi)富含脂質(zhì)成分并存在壞死核心,存在于纖維帽部分的鈣化引起纖維帽的破裂風險增加,誘發(fā)斑塊出血。國內(nèi)外研究表明,應用CEUS識別頸動脈斑塊中的新生血管數(shù)量并進行分級,可以精準識別易損斑塊[8,15]。本研究中癥狀組與非癥狀組斑塊超聲造影級別比較,差異有統(tǒng)計學意義,主要原因為隨著頸動脈內(nèi)中膜的增厚直至斑塊的形成,其耗氧量逐漸增加,生理性新生血管無法維持斑塊內(nèi)的氧供,誘發(fā)病理性新生血管大量生成,并因此加劇了斑塊內(nèi)炎性細胞因子的循環(huán)、脂質(zhì)核心的擴張及蛋白酶活化,導致斑塊內(nèi)出血及破裂風險增加。SWE通過檢測其在組織中的傳播速度,并得到楊氏模量值反映組織的硬度,組織硬度越大,其傳播速度就越快。本研究中癥狀組斑塊楊氏模量值明顯小于非癥狀組,表明易損斑塊組硬度較低,分析其原因為易損斑塊內(nèi)新生血管、炎性細胞及脂質(zhì)成分較多,組織成分相對疏松[16]。

決策樹的原理為基于某種規(guī)則建立用于分類的一種樹結構,其中根節(jié)點作為樹的一級分支,起著至關重要的作用[17]?；诖?本研究中斑塊內(nèi)是否有極低回聲區(qū)、斑塊中部增強級別、斑塊中部楊氏模量值、斑塊中部楊氏模量值在易損斑塊的鑒別診斷中發(fā)揮著重要作用,其中斑塊中部超聲特征的頻次最高,可以作為優(yōu)先觀察指標,分析其原因為:斑塊內(nèi)新生血管主要是在低氧刺激下由外膜的滋養(yǎng)血管芽生而來,隨著時間的延長逐漸向血管內(nèi)膜下生長,并隨著斑塊厚度的增加而增多,且本研究所選取斑塊最厚處均大部分位于斑塊中部,因此斑塊中部的超聲特征可以客觀地反映斑塊整體的穩(wěn)定性[18]。這與王練妹[19]的研究結果“斑塊內(nèi)應力隨高度而增大,斑塊脫落概率也相應增大”相符。同時本研究進一步證實了SWE可以有效評估頸動脈斑塊易損性,與既往報道一致[20]。另外,本研究還對決策樹模型的診斷效能進行評價,結果顯示,基于多模態(tài)超聲所建模型的綜合診斷效能最好,表明基于多模態(tài)超聲所建模型通過多種超聲技術間的優(yōu)勢互補,對于易損斑塊的鑒別診斷更勝一籌[21]。

本研究存在以下局限性:①樣本量較小,今后將擴大樣本量進行研究;②缺少斑塊病理對照,在今后的工作中將進一步完善。

綜上所述,本研究通過構建基于多模態(tài)超聲的缺血性腦卒中的決策樹診斷模型,可以有效提高易損斑塊的檢出率,并為臨床管理提供理論依據(jù)。