title: Diagnostic Performance of Point Shear-Wave Elastography in Peripheral Pulmonary Consolidations of Various Etiologies: A Retrospective Analysis of n=87 Patients
Creators: name: Alhyari, Amjad
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2021
Subjects: Ultrasound
peripheral pulmonary consolidations
lung cancer
Ultraschalldiagnostik
Lungenkrebs
acoustic radiation force impulse
Pleuraerguss
pulmonary metastases
ARFI
Medical sciences Medicine
Medizin
Ultraschall
pleural effus
Atelektasen
Lungenultraschall
Lungenkarzinom
atelectasis
pulmonale Metastasen
periphere pulmonale Konsolidierungen
Elastographie

description: Background: Ultrasound elastography has emerged as a non-invasive tool to “palpate” the previously unpalpable deeply buried organs and has established itself as a reliable, radiation-free and a cost-effective diagnostic equipment for quantifying the degree of stiffness of various normal and pathological tissues in the body. Given the aerated nature of pulmonary parenchyma; studies on lung elastography are scarce. Very few studies examined the use of ARFI in peripheral pulmonary consolidations (PPCs) and almost all of them excluded consolidations accompanied by pleural effusion (PE). The purpose of this study was to evaluate the diagnostic performance of ultrasound (US) point shear wave elastography (pSWE) using Acoustic Radiation Force Impulse (ARFI) technology in different benign and malignant PPCs. Methods: 107 consecutive patients with PPCs who underwent sonographic examinations between April to December 2020 at the university hospital of Marburg, Germany were recruited in the study. A verbal consent was obtained from each patient to perform an ARFI study of the PPC. 20 patients (n=20) were excluded due to the following reasons: 10 patients (n=10) due to measurement’s failure, 5 patients (n=5) due to incompliance (breath holding) with invalid measurements, 5 PPCs (n=5) due to uncertain diagnosis. Finally, 87 patients (n=87) were included in the final analysis. The ARFI studies were retrospectively analyzed and correlated to the final diagnosis. All patients received a conventional lung US examination in addition to an ARFI study (11 valid measurements in meters per second (m/s) were obtained for each PPC). Atelectatic consolidations accompanied by pleural effusions (PE) were also included. The diagnosis was confirmed by means of cyto-histological examination (performed in 73/87 (83.9%) of the patients) or by means of computer tomography (CT) and or chest-X-ray in correlation to the clinical picture (a CT scan was available in 84/87 (96.6%) of the cases). A receiver operating characteristic (ROC) analysis was implemented to examine the mean ARFI velocities (MAV) for potential cut-off values between benign and malignant PPCs. The study was approved by the local ethics committee of the Philipps-university in Marburg. Results: The 87 patients (49 males and 38 females) had a mean age of 65±14 years (range 28-88 years). The mean body mass index (BMI) was 24.1±3.5 Kg/m2. History of smoking and chronic pulmonary disease (CPD) was present in 61% (53/87) and 36% (31/56), respectively. 55% (48/87) of the PPCs were accompanied by PE. There was 58 benign PPCs (bPPCs) and 29 malignant PPCs (mPPCs). Large consolidation’s size was suggestive of malignancy (p=0.01), the mean size of mPPCs was 6.26 ±3.12 cm and of bPPCs 4.02 ±1.98 cm. A cutoff size of 4.75 cm has a sensitivity and specificity of 65.5% and 82.5%, respectively in diagnosing mPPCs (AUC=0.729, 95% CI= 0.577-0.881). Consolidations accompanied by PE had lower MAV values and were more likely to be benign (P&lt;0.001). Smoking history, presence of a CPD, age, gender and BMI were not associated with increased risk of malignancy in the study (p&gt; 0.05). bPPCs demonstrated significantly lower MAV values as mPPCs (1.82±0.97 vs. 3.05±0.73 m/s) (p&lt;0.001). Selecting 2.21 m/s as a cut-off value yielded a sensitivity and specificity of 89.7% and 75.9%, respectively in diagnosing mPPCs (AUC=0.852, 95% CI =0.773-0.931). No significant differences were found between atelectases due to benign underlying causes (AT-b, n=21) and those due to malignant underlying causes (AT-m, n=17) (p=0.33) nor between pneumonias (n=9) and all atelectases (n=38) (P=0.66). Lung infarctions and certain other chronic inflammatory/granulomatous benign consolidations (n=11) showed high MAV values comparable to those of mPPCs (p=0.42). One interesting finding was the higher stiffness of primary lung tumors (n=19, MAV= 3.33 ±0.71 m/s) vs. metastases (n=10, MAV=2.52 ±0.39 m/s) (p= 0.002). Setting 2.82 m/s as a cut-off value would have a sensitivity and specificity of 79.0% and 90.0 %, respectively in differentiating primary lung tumors from metastases (AUC=0. 847, 95% CI= 0.701-0.993). Conclusion: ARFI elastography could be a good non-invasive tool in the diagnostic armamentarium of peripheral pulmonary consolidations helping in the differentiation between benign and malignant consolidations as well as between malignant consolidations of pulmonary and non-pulmonary origins (metastases). However, some degree of overlap between different disease entities does exist and the diagnosis should be made in correlation with the clinical context, larger prospective studies are needed to validate these results.
description: Ziel der Arbeit: Die Ultraschall-Elastographie ist ein nicht invasives Instrument, welches das „Palpieren“ tief gelegener Organe und Strukturen ermöglicht und sich als reliable, strahlungsfreie und kosteneffektive diagnostische Methode für die Quantifikation des Grads der Steifigkeit verschiedener normaler und pathologischer Gewebe im Körper etablierte. Aufgrund der luftgefüllten Natur des pulmonalen Parenchyms wurde die Elastographie nur spärlich im Bereich der Lunge studiert. Sehr wenige Studien implementierten die Elastographie zwecks Charakterisierung verschiedener peripheren pulmonalen Konsolidierungen (PPKs) und fast alle schlossen PPKs mit begleitendem Pleuraerguss (PE) aus. In dieser Arbeit wird der diagnostische Stellenwert der Ultraschall (US)-Punkt-Scherwellen-Elastographie (pSWE) mittels Acoustic Radiation Force Impulse (ARFI) Technik zur Dignitätseinschätzung verschiedener benigner und maligner PPKs evaluiert. Methoden: Zwischen April und Dezember 2020 erhielten 107 nacheinander folgende Patienten mit PPKs eine sonographische Untersuchung des Thorax an der Universitätsklinik Marburg. Ein mündliches Einverständnis wurde von jedem Patienten vor der Durchführung der ARFI-Studie erhalten. 20 Patienten (n=20) wurden ausgeschlossen: 10 Patienten (n=10) bei technischem Versagen der ARFI-Messung, 5 Patienten (n=5) wegen invalider Messungen bei fehlender Mitarbeit (Luftanhalten während der Messung), 5 Patienten (n=5) wegen unsicherer Diagnose. Schließlich wurden 87 Patienten (n=87) eingeschlossen. Die Daten wurden anschließend retrospektiv analysiert und mit der finalen Diagnose korreliert. Alle Patienten erhielten eine konventionelle sonographische Untersuchung sowie eine ARFI-Untersuchung (dabei wurden 11 valide Messungen pro PPK durchgeführt). Pleuraerguss (PE) assoziierte Lungenkonsolidierungen wurden eingeschlossen. Die Diagnosesicherung erfolgte mittels zyto-histopathologischer Evaluation (in 73/87 (83,9%) der Fälle vorhanden) und/oder mithilfe einer Computertomographie (CT) oder Röntgenaufnahme des Thorax in Korrelation mit der Klinik (eine CT war in 84/87 (96,6%) der Fälle vorhanden). Um die mittelwertigen ARFI Geschwindigkeiten (MAG) zwischen Gruppen zu vergleichen und Cut-off-Werte zu ermitteln wurde eine Receiver-Operating-Characteristics-Analyse (ROC curve analysis) implementiert. Die Studie wurde von der Ethikkommission der Philipps-Universität in Marburg genehmigt. Ergebnisse: Von den 87 Studienpatienten waren 49 männlich und 38 weiblich, das durchschnittliche Alter betrug 65±14 Jahre. Der durchschnittliche Body-Mass-Index (BMI) war 24,1±3,5 Kg/m2. Aktiver oder früherer Tabak-Konsum und chronische pulmonale Erkrankung (CPE) waren in jeweils 61% (53/87) und 36% (31/56) der Patienten vorhanden. 55% (48/87) der PPKs waren mit einem PE assoziiert. Es gab 58 benigne PPKs (bPPKs) und 29 maligne PPKs (mPPKs). Größe der Konsolidierung war mit Malignität assoziiert (p=0,01). Die mittlere Größe betrug bei mPPKs 6,26 ±3,12 cm und bei bPPKs 4,02 ±1,98 cm. Als ein Cut-Off-Wert zeigte eine Konsolidierungsgröße von 4,75 cm eine Sensitivität von 65,5% und eine Spezifität von 82,5% für die Diagnose von mPPKs (AUC=0,729, 95% CI= 0,577-0,881). Konsolidierungen mit einem begleitenden PE zeigten niedrigere MAG-Werte und waren häufiger benigne (p&lt;0,001). ARFI-Werte waren unabhängig von Tabak-Konsum, CPE, Alter, Geschlecht, und BMI in dieser Studie (p&gt; 0,05). bPPKs zeigten statistisch signifikant niedrigere MAG-Werte im Vergleich zu den mPPKs (1,82±0,97 vs. 3,05±0,73 m/s) (p&lt;0,001). Bei einem Cut-Off-Wert vom 2,21 m/s können mPPKs von bPPKs mit einer Sensitivität von 89,7% und einer Spezifität von 75,9% differenziert werden (AUC=0,852, 95% CI =0,773-0,931). Es ließen sich in dieser Studie keine significanten Unterschiede zwischen Atelektasen in Rahmen einer malignen Erkrankung (AT-m, n=17) und Atelektasen in Rahmen einer benignem Erkrankung zeigen (AT-b, n=21) (p=0,33) zeigen, auch keine signifikanten Unterschiede zwischen Pneumonien (n=9) und Atelektasen (n=38) (p= 0,66). Lungeninfarkte und chronisch inflammatorische/granulomatöse benigne Konsolidierungen (n=11) demonstrierten hohe MAG-Werte (vergleichbar mit diesen von mPPKs) (p=0,42). Eine interessente Feststellung war die signifikant höhere Steifigkeit in primären Lungentumoren (n=19, MAG= 3,33±0,71 m/s) im Vergleich zu metastatischen Lungenkonsolidierungen (n=10, MAG= 2,52 ±0,39 m/s) (p= 0,002). Ein Cut-Off-Wert von 2,82 m/s demonstrierte eine gute Spezifität von 90,0% mit einer moderaten Sensitivität von 79,0% für die Unterscheidung zwischen primären Lungentumoren und Metastasen (AUC=0,847, 95% CI= 0,701-0,993). Schlossfolgerung: ARFI-Elastographie ist ein gutes nicht-invasives Instrument, welches in der Differenzierung von benignen und malignen Läsionen sowie in der Differenzierung von primären pulmonalen Tumoren und Metastasen hilfreich sein kann. Grundsätzlich muss die Diagnose mit der Klinik korreliert werden. Zwecks Validierung der Resultate dieser Studie sind größere prospektive Studien notwendig.