應用呼吸雙相CT定量評估COPD患者肺氣腫及空氣潴留狀況

格崤，楊學東，羅萍，方繼良，史珊

中國中醫科學院廣安門醫院 放射科，北京 100053

引言

慢性阻塞性肺疾病（Chronic Obstructive Pulmonary Disease，COPD）是一種患病人數多，死亡率高的疾病。這種疾病的特點是存在由小氣道疾病引起的氣流受限，或者由肺氣腫結構性破壞引起的肺順應性增加，或兩者同時存在[1]。早期診斷并進行疾病干預治療，不僅可以減輕患者臨床癥狀，還可以改善患者健康狀態，提高患者生活的質量。

目前患者的臨床癥狀及肺功能（Pulmonary Function Test，PFT）檢查是COPD患者診斷及嚴重程度評估的主要依據，但肺功能檢測易受諸多因素影響，導致肺功能檢測敏感度較低，且患者耐受性較差，因此單一依靠肺功能檢測診斷COPD存在一定偏差，近年來CT檢查逐漸成為評估COPD的新方法，CT在反映肺部解剖結構的同時，還可通過定量指標反映肺功能的情況，可較常規肺功能檢查更加準確地評估患者的疾病程度。許多研究評估了CT在定量分析COPD的結構異常方面的應用，并報道了使用CT對肺氣腫的范圍和嚴重程度進行量化[2-5]，然而利用CT對小氣道疾病的定量分析不如對肺氣腫的定量分析完善，因為最近的CT技術還無法直接對小氣道進行形態學評估。研究表明，呼吸雙相CT掃描中計算的肺部密度參數可以間接評估阻塞性肺部疾病的氣道阻塞情況[6-7]。這些定量方法都是基于對空氣潴留的檢測，空氣潴留反映了多余的氣體滯留在全部或部分肺中，與相應的吸氣相比較，呼氣相CT掃描像上肺實質區的密度減少可作為空氣潴留的檢測方法。

目前存在的問題是，需要確定易于測量、穩定且可重復的CT掃描方法及參數，并與公認指標（如肺功能指標）的相關性好，以往研究中，對于正常人及疾病嚴重程度不同的COPD患者，尤其是早期及輕癥患者，分別適合采用何種掃描方法及采納何項CT定量參數評價探討較少，本研究旨在對正常志愿者和分級不同的COPD患者進行呼吸雙相CT掃描，測量定量指標，并與常規肺功能作相關性分析，以期找到最佳的評價方法。

1 材料與方法

1.1 臨床資料

1.1.1 正常對照組

前瞻性收集2021年1月至2022年1月中國中醫科學院廣安門醫院門診招募的健康志愿者。入選標準包括：① 無吸煙史及塵肺病史；② 無咳嗽、咳痰等明顯呼吸道癥狀；③ 肺功能檢查結果正常。排除具有胸部手術史、肺彌漫性或占位性病變以及先天性心肺疾病、支氣管或胸廓畸形的患者。依據入選及排除標準，有32名健康志愿者納入研究，其中男性17例、女性15例，年齡35～74歲，平均年齡59歲。

1.1.2 病例組

前瞻性收集2021年1月至2022年1月在中國中醫科學院廣安門醫院門診及住院治療的有完整臨床資料的COPD患者。納入標準包括：所有患者均符合美國國立心肺血液研究所與WHO共同發表的《慢性阻塞性肺疾病全球倡議》（Global Initiative for Chronic Obstructive Lung Disease，GOLD）中COPD診斷標準[1]，且臨床病史和肺功能檢查結果共同診斷為COPD。排除標準：① 嚴重的肺部疾病，如肺癌等患者；② 存在明顯影響肺功能的情況，如胸部手術史、胸廓畸形或者大量胸腔積液等；③ 職業病，如嚴重的塵肺等。依據入選標準，有35例COPD患者納入研究，其中男性22例、女性13例，年齡41～79歲，平均年齡63歲。根據GOLD提出的COPD分級診斷標準（表1）[1]，35例COPD患者可分為：輕度6例，中度15例，重度12例，極重度2例。

表1 GOLD提出的COPD分級診斷標準[1]

在進行本研究時充分尊重了研究對象的知情同意權，交代了研究目的、意義及潛在益處和風險，本研究獲醫院倫理委員會批準，并與所有研究對象簽署了知情同意書。

1.2 CT掃描方案

CT掃描使用GE公司的Revolution CT機，由專人操作。受試者采用仰臥位，雙手高舉置于頭的兩側。患者取仰臥位，雙手抱頭，掃描前進行呼吸訓練，掃描前反復進行用力呼吸訓練，并在掃描同時給予受試者用力呼吸指令：深吸氣；吸足氣后用力快速呼氣；呼氣要呼干凈。掃描范圍自肺尖至肺底。采用低劑量掃描方法，掃描參數：管電壓120 kV，管電流50 mA；螺距1.0，掃描準直1 mm，視野300 mm，層厚1.25 mm，間隔1.25 mm，采用標準算法重建。

1.3 CT定量分析

所有CT圖像使用GE AW4.7后處理工作站Thoracic-VCAR軟件進行定量分析。該軟件自動去除肺組織外其他結構包括氣管和大支氣管，必要時可手動編輯。測量肺氣腫指數（Emphysema Index，EI），EI定義為吸氣相CT值低于-950 HU體素占全肺百分比（圖1）；空氣潴留指數（Air Trapping，AT），AT定義為呼氣相CT值低于-856 HU體素占全肺百分比(圖1）；吸氣相平均肺密度（Inspiration Mean Lung Density，MLDin）；呼氣相平均肺密度（Expiation Mean Lung Density，MLDex）；呼氣相平均肺密度與吸氣相平均肺密度比值（E/IMLD）；吸氣相肺體積（Inspiration Lung Volume，LVin）；呼氣相肺體積（Inspiration Lung Volume，LVex），呼氣相肺體積與吸氣相肺體積比值（E/ILV）。

圖1 應用Thoracic-VCAR后處理軟件進行呼吸雙相CT圖像定量分析舉例

1.4 肺功能檢查

本研究肺功能測量均與CT掃描檢查時間間隔＜30 d。測定指標包括：用力肺活量（Furced Vital Capacity，FVC）；1 s用力呼氣容積（Forced Expiratory Volume in One Second，FEV1）；1 s用力呼氣容積占用力肺活量的比值（FEV/FVC）；最大呼氣中期流速（Mid Expiratory Phase of Forced Expiratory Flow，FEF25%～75%）；殘氣容積（Residual Volume，RV）；肺總量（Total Lung Capacity，TLC）；殘氣容積與肺總量的比值（RV/TLC），所有受試者肺功能測定均給出預計值及實測值以及實測值與預計值的比值(%)。

1.5 統計學分析

采用SPSS 21.0統計學軟件包，利用t檢驗、χ2檢驗及單因素方差分析比較對照組與病例組各定量參數之間的差異，雙側顯著性水平P＜0.05代表具有統計學意義，P＜0.01代表具有極顯著統計學差異。Pearson線性相關分析檢驗CT各定量參數與肺功能數據之間的相關性。在進行各項檢驗前，先進行了數據正態性檢驗，計數資料用例（%）表示，采用χ2檢驗，計量資料用±s表示，采用t檢驗或方差分析。

2 結果

2.1 病例組與對照組一般資料與肺功能結果比較

病例組與對照組年齡、性別、身高、體重比較，差異無統計學意義（P＞0.05），除TLC%以外，病例組與對照組肺功能結果比較，差異有統計學意義（P＜0.05），見表2。

表2 對照組與病例組一般資料與肺功能結果比較[n（%），（±s）]

表2 對照組與病例組一般資料與肺功能結果比較[n（%），（±s）]

注：FVC：用力肺活量（Furced Vital Capacity）；FEV1：1 s 用力呼氣容積（Forced Expiratory Volume in One Second）；FEV1/ FVC：1 s 用力呼氣容積占用力肺活量的比值；TLC：肺總量（Total Lung Capacity）；RV：殘氣容積（Residual Volume）；RV/TLC：殘氣容積與肺總量的比值；FEF25%～75%：最大呼氣中期流速（Mid Expiratory Phase of Forced Expiratory Flow），表中肺功能測定均為實測值與預計值的比值 (%)。

項目 對照組（n=32）病例組（n=35） t/χ2值 P值男性患者 17（53.16） 22（62.86） 1.513 0.219年齡/歲 58.9±13.8 63.2±11.5 1.301 0.199身高/cm 163.9±7.8 162.6±8.6 0.632 0.530體重/kg 63.8±12.1 69.7±10.2 1.994 0.051 FVC% 96.0±14.4 75.8±20.9 2.067 0.045 FEV1% 95.8±13.7 50.5±19.2 -9.995 ＜0.001 FEV1/FVC 81.2±5.5 53.1±12.3 -11.126 ＜0.001 TLC% 98.5±13.4 112.0±18.8 -1.131 0.265 RV% 93.3±22.1 163.4±49.2 4.059 ＜0.001 RV/TLC 38.3±7.0 55.1±9.7 3.523 0.010 FEF25%～75% 57.3±22.9 27.2±18.6 -13.642 ＜0.001

2.2 病例組與對照組雙氣相CT定量指標比較

在呼吸雙相CT掃描中，將研究對象分為3組，即對照組、GOLD 1～2級組（FEV1%≥預計值的50%）、GOLD 3～4級組（FEV1%＜預計值的50%），采用單因素方差分析進行3組CT定量指標比較，并進一步進行3組均數間兩兩比較。3組CT定量指標：LVin、MLDin、EI、AT、E/ILV、E/IMLD差異均具有統計學意義（P＜0.05）。對照組、GOLD 1～2級組兩兩比較 LVin、MLDin無顯著性差異（P＜0.05），GOLD 1～2 級組 LVex、EI、AT、E/ILV、E/IMLD大于對照組，MLDex小于對照組。GOLD 1～2級組、GOLD 3～4級組兩兩比較：LVin、MLDin、EI、E/ILV、E/IMLD兩組間差異較 LVex、MLDex、AT差異更為顯著（表3）。

表3 對照組、GOLD 1～2級組、GOLD 3～4級組雙氣相CT定量指標比較

2.3 COPD患者雙氣相CT定量測量指標與肺功能指標相關性分析

COPD患者雙氣相CT定量測量指標與肺功能指標密切相關，吸氣相EI與FEV1%、FEV1/FVC%呈明顯負相關，與FVC%、TLV%、RV%也呈一定正相關性；呼吸雙相CT定量測量指標中LVex、MLDex、AT、E/ILV、E/IMLD，與肺功能指標中反映小氣道病變指標RV、RV%/TLC及FEF25%～75%呈一定正、負相關性，其中AT、E/ILV、E/IMLD與小氣道指標相關系數最高（表4）。

表4 COPD患者雙氣相CT定量測量指標與肺功能指標相關性分析（r值）

3 討論

本研究表明，通過呼吸雙相CT掃描不但能夠獲得高分辨率的肺部影像，可清晰而準確地反映肺部病變情況，而且定量檢測結果還能通過工作站的處理后獲得，具有同時兼顧了病變的形態和功能的優勢，可將肺氣腫嚴重程度、空氣潴留情況準確反映出來，大大提高了肺組織早期病變的檢出率，彌補了肺功能檢查的不足，對于COPD患者的診斷具有很大幫助。

對于COPD患者肺氣腫的評估，定量CT常采用閾值法，方法是計算CT值低于設定閾值占全肺容積的百分比，根據以往眾多研究報道，吸氣相-950 HU（EI）是適當的參考閾值，這個閾值能夠客觀反映肺組織病理變化情況[8-9]。同時小氣道在慢性阻塞性肺病患者的氣流阻塞中也具有重要的作用[10-11]，雖然肺氣腫病變是不可逆的，但對COPD患者來說，治療和預防空氣潴留是可行的。近年來臨床對于專門解決COPD患者氣流阻塞的治療藥物給予了極大的關注，定量CT分析已被用于評估藥物對小氣道高反應性和空氣潴留的相對療效。由于CT層厚的限制，應用CT直接測量COPD患者的小氣道病變存在一定的困難，但可通過測量空氣潴留情況間接了解小氣道的病變情況[12-13]，比較常用的CT定量評價小氣道疾病的指標是AT和MLD。AT已被提議作為COPD患者氣體潴留的指標，有學者認為圖像中CT值＜-856 HU 的區域為氣體潴留區[14]；研究表明，MLD是預測肺功能損害的一個很好的指標，特別是在呼氣掃描中[12]。然而，這種單一的閾值方法的局限性在于它沒有考慮肺氣腫區域的影響，因為它將空氣潴留和肺氣腫結合在一起進行測量。而MLD的E/I比值能更好地反映氣道阻塞和空氣潴留，Lee等[15]應用呼吸雙氣相CT掃描中MLD的比率評估空氣潴留，結果表明MLD的E/I比率與COPD的臨床參數相關，如BODE指數。Yamashiro等[16]研究表明，肺容積比（E/ILV）顯示了肺的塌陷性，與MLD的E/I比有明顯的相關性。

本研究中對照組、GOLD 1～2級組兩兩比較；LVin、MLDin不具有顯著性差異，LVex、MLDex、EI、AT、E/ILV、E/IMLD有顯著差異，可見呼氣相CT定量指標比吸氣相指標對于區分輕中度病例與正常人更具有優勢，能夠識別輕度COPD患者，或者識別吸煙者早期肺功能的損害，有助于給予患者早期的治療和預防。當按照肺功能指標將COPD患者分為GOLD1～2級組與GOLD 3～4級組后（因病例組患者較少，因此無法按照GOLD提出的COPD診斷標準分為 4 組），GOLD 1～2 級組與 GOLD3～4 級組 LVin、MLDin、EI、E/ILV、E/IMLD較LVex、MLDex、AT差異顯著，這可能與患者呼氣性呼吸困難有關，在35例患者中，觀察到有4例重度患者未能完成用力呼氣動作，因此對于病情較重的患者，吸氣相CT定量指標比呼氣相指標更有優勢，患者易于配合，可重復性好。

本研究表明，COPD患者雙氣相CT定量測量指標與肺功能指標密切相關，吸氣相EI與FEV1%、FEV1/FVC%均呈負相關，與其他肺功能指標也有一定相關性，是敏感而且可客觀的反映COPD患者肺氣腫病理變化的指標。呼吸雙相CT定量測量指標中LVex、MLDex、AT、E/ILV、E/IMLD，與肺功能指標中反映小氣道病變指標RV、RV/TLC%及FEF25%～75%相關，可見呼吸雙相CT定量指標能夠很好反映患者小氣道病變，并且呼氣相指標相關性更好，但是最近有很多研究進一步探索其他方法，比如有學者使用參數響應圖譜方法，在吸氣和呼氣CT上匹配每個肺部區域，逐個像素的比較CT密度，并可以評價局部肺功能變化[17-19]。

本研究的局限性：① 病例的數量相對較少，尚需要擴大樣本量，深入研究，建立CT肺功能參考值，這樣才可以進一步在臨床推廣應用；② 本研究呼吸雙相CT掃描輻射劑量較大，由于X線衰減是由組織的密度，X線束的能量（kV）和受輻射組織的原子數量及電子密度所決定，所以降低毫安數并不影響組織密度的測量。盡管應用低劑量掃描會導致圖像噪聲增大并且肺內某些圖像細節丟失，但圖像總體質量無明顯降低，有很高的診斷價值，尤其是呼氣末的圖像，本研究采用的低劑量掃描，可以在保證圖像質量前提下可進一步減低掃描輻射劑量。

4 結論

綜上所述，呼吸雙相CT的密度和體積變化與COPD患者肺氣腫程度及小氣道功能障礙密切相關。其中呼氣相CT定量指標比吸氣相指標可以更好的反映小氣道功能，能夠識別輕度COPD患者或者吸煙者早期肺功能的損害，而對于病情較重的患者，吸氣相CT定量指標比呼氣相指標可重復性好，患者易于配合。近年來，CT篩查進一步普及，掃描方案、重建技術不斷明顯改進，并且AI在診斷中逐步的廣泛應用，未來CT定量評估在COPD診斷、治療和隨訪中將會發揮更大作用。