慢性阻塞性肺疾病患者HRCT定量指標與肺功能的相關性研究

張鳳　方著　袁藝　周蕓慧　張國晉　蒲紅　劉歡

摘要：目的 利用高分辨率CT（HRCT）定量指標分析慢性阻塞性肺疾病（COPD）患者的肺氣腫及氣道重塑改變，并探討上述指標與肺功能的相關性。方法 收集COPD患者（COPD組）109例及正常組33例，COPD組患者根據COPD全球倡議指南，分為GOLDⅠ級組（29例）、GOLDⅡ級組（38例）、GOLDⅢ+Ⅳ級組（42例）。患者均行HRCT和肺功能檢查；利用后處理軟件自動測量各肺葉HRCT肺氣腫定量指標：肺氣腫指數（EI）、各肺葉平均肺密度（MLD）；氣道定量指標：支氣管壁面積（WA）、支氣管腔面積（LA）、管壁面積占支氣管斷面總面積的百分比（WA%）。比較上述參數在正常組和COPD不同嚴重程度亞組之間的差異。應用Spearman法分析上述CT定量指標與肺功能指標的相關性。結果 與正常組比較，GOLDⅠ級組雙肺上葉EI升高，GOLDⅡ級組各肺葉EI均升高，雙肺上葉MLD及左肺下葉MLD降低，GOLDⅢ+Ⅳ級組各肺葉EI均升高，MLD降低（P＜0.05）。與正常組比較，GOLDⅠ級組5級支氣管WA，4～6級支氣管WA%升高，5、6級支氣管LA降低；與GOLDⅠ級組比較，GOLDⅡ級組僅6級支氣管WA、WA%升高，LA降低；與GOLDⅡ級組比較，GOLDⅢ+Ⅳ級組僅5級支氣管WA%降低（P＜0.05）。各肺葉EI與第1秒用力呼氣容積實測值與預測值百分比（FEV1%）呈負相關，MLD與FEV1%呈正相關（P＜0.01），5、6級支氣管WA%與FEV1%呈負相關（P＜0.05）。結論 HRCT肺氣腫定量指標、氣道定量指標與肺功能具有一定相關性，且隨著COPD分級不同而變化，可對COPD評估提供參考價值。

關鍵詞：肺疾病，慢性阻塞性；肺氣腫；體層攝影術，X線計算機；肺功能；肺密度

中圖分類號：R445.3 文獻標志碼：A DOI：10.11958/20221162

The correlation research of quantitative index of HRCT and lung function in patients with chronic obstructive pulmonary disease

ZHANG Feng FANG Zhu YUAN Yi ZHOU Yunhui ZHANG Guojin PU Hong LIU Huan

1 North Sichuan Medical College， Chengdu 610072， China; 2 Department of Radiology， Sichuan Academy of Medical Sciences Sichuan Provincial People's Hospital， Affiliated Hospital of University of Electronic Science and

Technology of China; 3 GE Healthcare

Corresponding Author E-mail： ph196797@163.com

Abstract： Objective To analyze quantitative indexes of emphysema and airway remodeling in patients with chronic obstructive pulmonary disease （COPD） by using high resolution CT （HRCT）， and to explore the correlation between the above indexes and pulmonary function. Methods A total of 109 COPD patients （the COPD group） and 33 normal controls （the control group） were collected. According to the COPD Global Initiative guidelines， COPD patients were divided into the GOLD class Ⅰ group （n=29）， the GOLD classⅡ group （n=38） and the GOLD class Ⅲ+Ⅳgroup （n=42）. All patients underwent HRCT examination and pulmonary function examination. The post-processing software was used to automatically measure HRCT quantitative emphysema indexes of each lung lobe， including emphysema index （EI）， mean lung density （MLD） of each lobe and airway quantitative indexes [bronchial wall area （WA）， bronchial lumen area （LA） and the percentage of the wall area in the total bronchial section area （WA%）]. The above parameters were compared between the normal group and the? different severity COPD subgroups. Spearman method was used to analyze the correlation between the above CT quantitative indexes and pulmonary function. Results Compared with the normal group， EI in upper lobe of both lungs was increased in the GOLD class Ⅰ group， EI in all lobes was increased in the GOLD class Ⅱ group， MLD values in upper lobe of both lungs and lower lobe of left lung were decreased， EI in all lobes was increased in the GOLD class Ⅲ+Ⅳ group，? and MLD was decreased （P＜0.05）. Compared with the normal group， the WA of grade 5 bronchus and WA% of grade 4-6 bronchus were increased in the GOLD class Ⅰ group， and LA of grade 5 and 6 bronchus decreased. Compared with the GOLD class Ⅰ group， only WA and WA% of grade 6 bronchi were increased in the GOLD class Ⅱ group， and LA was decreased. Compared with the GOLD class Ⅱ group， WA% of grade 5 bronchial was decreased in the GOLD class Ⅲ+Ⅳ group （P＜0.05）. The measured and predicted percentages of forced expiratory volume in the first second （FEV1%） were negatively correlated with the EI of each lung lobe， and the MLD was positively correlated with FEV1% （P＜0.01）. The WA% of 5-6 bronchi was negatively correlated with FEV1% （P＜0.05）. Conclusion HRCT emphysema quantitative indexes and airway quantitative indexes have certain correlation with pulmonary function. It varies with different COPD grades， which can provide reference value for COPD evaluation.

Key words： pulmonary disease， chronic obstructive; pulmonary emphysema; tomography， X-ray computed; pulmonary function; lung density

慢性阻塞性肺疾病（COPD）是全球第4大致死疾病［1-2］，其特征為進行性發展的氣流受限從而導致肺功能障礙和相關癥狀。COPD早期起病隱匿，只有在肺實質破壞30%以上時才會出現臨床癥狀或肺功能檢查異常。肺氣腫和小氣道重塑是其主要病理表現，其中小氣道重塑是COPD發展過程中空氣潴留和氣道阻力增加的核心機制［3-5］。早期準確識別小氣道重塑，防止可逆性炎癥變為不可逆性肺氣腫是臨床診斷和治療的關鍵［6］。胸部高分辨率CT（HRCT）的肺氣腫定量參數能間接反映肺通氣功能；氣道定量參數可直接測量支氣管管壁及管腔厚度的變化，間接反映小氣道重塑。上述參數可定量評估肺實質損傷程度，與肺功能具有一定相關性，相較于肺功能檢查，其能在早期準確識別COPD病理改變，有利于臨床精準化診斷、治療及預后評價［7-9］。但目前有關不同程度COPD肺氣腫和小氣道重塑改變的定量及定位評估研究較少。本研究旨在探討HRCT肺氣腫定量參數和氣道定量參數在不同分級COPD中的應用價值。

1 對象與方法

1.1 研究對象 選取2021年3月—2022年2月四川省人民醫院收治的COPD患者為COPD組。納入標準：（1）COPD診斷標準依據COPD全球倡議（GOLD）2022診療建議，除外其他疾病，肺功能檢查吸入支氣管擴張劑后第1秒用力呼氣容積占用力肺活量的百分比（FEV1/FVC）＜70%。（2）肺功能檢查與HRCT掃描間隔時間≤2周。排除標準：（1）具有胸部手術史。（2）其他呼吸系統疾病史，如肺癌、哮喘、支氣管擴張、肺結核、嚴重的肺部感染、胸腔積液等。共納入109例，其中男89例，女20例，年齡36～84歲，平均（66.9±8.6）歲。根據GOLD嚴重程度分級，將患者分為不同亞組：第1秒用力呼氣容積實測值與預測值百分比（FEV1%）≥80%為輕度（GOLDⅠ級組，29例），50%≤FEV1%＜80%為中度（GOLDⅡ級組，38例），30%≤FEV1%＜50%為重度（GOLDⅢ級組，31例），FEV1%＜30%為極重度（GOLDⅣ級組，11例），因極重度組患者較少，將重度、極重度患者合并為GOLDⅢ+Ⅳ級組（42例）。選取同期肺功能檢查正常，無呼吸系統相關病史的其他患者為正常組（33例），其中男22例，女11例，年齡31～84歲，平均（63.8±8.7）歲。正常組與COPD組性別（χ2=3.333）、年齡（t=1.769）差異無統計學意義（均P＞0.05）。

1.2 CT掃描 采用德國西門子SOMATOM Force第3代雙源CT進行掃描，檢查前對患者進行呼吸訓練，取仰臥位，頭先進，囑患者深吸氣末屏氣，掃描范圍為肺尖至肺底。掃描參數：管電壓120 kV，管電流自動調節，分別經肺算法、軟組織算法重建，重建矩陣512×512，探測器準直96×0.6，重建層厚1.00 mm，層間距1.00 mm。

1.3 CT圖像后處理及參數測量 將獲得的圖像數據傳輸至后處理工作站（syngo.via VB20），使用后處理軟件Pulmo 3D進行參數測量，由2名分別具有4年和5年閱片經驗的放射科醫師進行獨立測量，并評估測量一致性，各參數影像測量見圖1。肺氣腫定量參數測量：在Pulmo 3D軟件的肺實質分析模塊中，設定圖像窗寬以300 HU為上限，-1 024 HU為下限，軟件自動識別肺裂并進行肺葉分割，當自動識別不準確時手動干預。軟件自動獲得各肺葉體素數量分布圖，由此計算各肺葉肺氣腫指數（EI）：CT值＜-950 HU區域占該肺葉容積的百分比；各肺葉平均肺密度（MLD）：該肺葉的平均像素密度。

氣道定量參數測量：利用Pulmo3D軟件進行多平面重組技術重建支氣管樹，使支氣管走行垂直于測量方向，軟件自動對選中的支氣管沿中心線進行曲面重建，測量者在曲面重建圖上選擇測量的位置。為全面了解氣道情況，每個肺葉選取1支氣管為研究對象，共選取6支氣管，分別為右肺上葉尖段、右肺中葉外側段、右肺下葉外基底段、左肺上葉尖后段、左肺上葉上舌段及左肺下葉后基底段。以段支氣管為4級支氣管，選擇距離兩端支氣管開口約同等距離處為測量點，分別測量4～6級支氣管支氣管壁面積（WA）、支氣管腔面積（LA）、管壁面積占支氣管斷面總面積的百分比［WA%，WA/（WA+LA）］。

1.4 肺功能測定 采用德國耶格公司MasterSereen PET型肺功能儀，受檢者取坐位，在定量吸入支氣管擴張劑后測量FEV1%和FEV1/FVC。

1.5 統計學方法 采用SPSS 26.0軟件進行數據分析。符合正態分布的計量資料采用x±s表示，2組間比較采用獨立樣本t檢驗，多組間比較采用單因素方差分析，組間多重比較采用LSD-t檢驗。非正態分布的計量資料采用M（P₂₅，P₇₅）表示，多組間比較采用Kruskal-Wallis H檢驗，組間多重比較采用Nemenyi檢驗。計數資料以例表示，組間比較采用χ²檢驗。觀察者間一致性檢驗采用組內相關系數（ICC）分析：ICC=0表示不可信，ICC＜0.4表示信度較差，ICC為0.40～0.75表示信度一般，ICC＞0.75表示信度良好，ICC=1表示完全可信。相關性分析采用Spearman法。P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 2名醫生對肺氣腫、氣道定量指標獨立測量結果的一致性分析 肺氣腫定量指標一致性良好：左肺上葉、左肺下葉、右肺上葉、右肺中葉、右肺下葉EI的ICC值分別為0.874、0.872、0.869、0.870和0.868，MLD的ICC值分別0.897、0.897、0.883、0.864和0.871（P＜0.01）。氣道定量指標一致性一般：4～6級支氣管WA ICC值分別為0.739、0.721、0.715，LA ICC值分別為0.743、0.727、0.726（P＜0.01）。

2.2 肺氣腫定量參數分析 與正常組比較，GOLDⅠ級組雙肺上葉EI升高；GOLDⅡ級組各肺葉EI均升高，雙肺上葉MLD及左肺下葉MLD降低；GOLDⅢ+Ⅳ級組各肺葉EI均升高，MLD降低（P＜0.05），見表1。

2.3 氣道定量參數分析 與正常組比較，GOLDⅠ級組5級支氣管WA和4～6級支氣管WA%升高，5、6級支氣管LA降低；與GOLDⅠ級組比較，GOLDⅡ級組僅6級支氣管WA、WA%升高，LA降低；與GOLDⅡ級組比較，GOLDⅢ+Ⅳ級組僅5級支氣管WA%降低（P＜0.05），見表2。

2.4 COPD患者肺氣腫定量參數與肺功能相關性分析 各肺葉EI與FEV1%均呈負相關，MLD與FEV1%均呈正相關（P＜0.01），見表3。

2.5 COPD患者氣道定量參數與肺功能的相關性分析 4～6級支氣管WA、LA與FEV1%均無相關性，5、6級支氣管WA%與FEV1%呈負相關（P＜0.05），見表4。

3 討論

COPD是一種異質性疾病，不同患者的臨床表現、影像學特征、疾病進展和預后存在較大差別，臨床治療決策亦不相同［10］。目前常規使用肺功能檢查對COPD進行診斷，但其臨床價值有限，無法對肺氣腫和小氣道病變定量分析，且部分重癥患者往往配合較差。近年來，HRCT被廣泛用于評估COPD。研究顯示，HRCT可直觀、定量地評估肺氣腫的存在、模式和程度［11-13］，有助于臨床個性化治療。COPD患者定量CT檢查所顯示的支氣管壁厚度和肺氣腫程度是肺功能檢查時氣流受限程度和COPD惡化的獨立影響因素［14-16］。本研究對肺氣腫定量指標分析，與正常組比較，GOLDⅠ級組僅雙肺上葉EI升高；隨著COPD分級增加，GOLDⅢ+Ⅳ級組各肺葉EI均升高，MLD均降低。可見在COPD早期肺氣腫主要發生于雙肺上葉，隨著病情進展，肺氣腫在全肺均表現明顯。師美娟等［17］發現輕度COPD患者的肺氣腫分布在雙肺上葉較多，重度患者肺氣腫在雙肺下葉分布的比例明顯增加，與本研究結果類似。推測其原因為：（1）重力作用下胸腔負壓從肺尖到肺底逐漸減小，因此肺尖對氣體交換的動力最小，早期空氣潴留容易發生在雙肺上葉。（2）肺血流受重力影響，從肺尖到肺底，肺循環血管開放程度逐漸增加，當受吸煙或空氣污染等環境因素刺激時肺血管收縮、血管舒張因子釋放，由于流體靜力效應［18］，肺血管重塑首先發生于雙肺上葉，從而導致氣道阻力增加，最終導致肺氣腫發生。黃曉旗等［19］利用雙氣相定量CT測量吸煙合并COPD患者各肺葉肺氣腫區域百分比（Emph%），發現COPD組Ⅰ、Ⅱ級主要以右肺中葉Emph%損傷程度最重，雙肺上葉次之。而本研究中GOLDⅠ期右肺中葉EI無明顯升高，雖然右肺中葉支氣管窄長，早期易發生通氣不足及感染，但可能殘存少許正常肺組織，對右肺中葉平均肺密度有緩沖作用，肺氣腫進展緩慢。本研究中CT定量肺氣腫參數與肺功能指標FEV1%有較好的相關性，提示其可用于COPD患者肺氣腫程度的評估，臨床中可用于識別肺氣腫較重的區域，以選擇肺減容術時的靶組織。

在本研究中，在GOLDⅠ級組與GOLDⅡ級組間，6級支氣管WA、WA%隨著病情加重而逐漸增大，LA逐漸減小，與既往研究相似［20-22］。當長期慢性暴露于煙草煙霧或有毒顆粒環境時，機體會產生異常先天性和適應性免疫反應，表現為氣道黏液產生增加、黏液纖毛清除缺陷、上皮屏障破壞以及形成淋巴濾泡的炎性免疫細胞浸潤氣道壁［23］，導致氣道腔內的炎性黏液滲出物積聚，長期發展導致氣道壁增厚。Hogg等［24］研究表明，黏液阻塞氣道管腔、氣道壁內炎癥程度以及氣道壁增厚都與氣流限制有關。但本研究中GOLDⅢ+Ⅳ級組各氣道定量指標結果均較GOLDⅡ級組變化不明顯，分析原因可能為部分中重度患者處于急性期，炎性反應較重，滲出明顯增多，遠端小氣道尺寸急劇減小；而本研究的后處理軟件Pulmo 3D對支氣管遠端極細小分支的檢測效果一般，因6級支氣管尺寸較小，測量時可能未能達到前述測量方法所示的準確位置，故可能對結果產生一定影響。另外，本研究結果顯示5級支氣管WA%與FEV1%的相關性高于6級支氣管。Qin等［25］利用后處理軟件ISP 9.0連續測量第3、5、9級支氣管的氣道參數，將其與肺功能進行相關性分析，結果顯示氣道分級越小，相關性越高，以9-LA/AA、9-WA/AA與FEV1%相關性最高，與本研究結果有差異。本研究由于技術限制，部分中重度患者處于慢阻肺氣道炎癥急性期，黏液過度分泌，管腔面積急劇減小［26］，測量6級支氣管參數時可能測量點位置選擇不夠準確，對結果產生一定影響。因此，肺功能檢查需和影像學檢查互補，更準確提示COPD進展情況。

本研究的局限性：由于COPD患者有時可伴有肺纖維化改變，肺纖維化在HRCT上表現為高衰減區，與肺氣腫區相反，因此對于肺纖維化嚴重的患者，采用HRCT肺氣腫定量指標評估可能會對結果產生一定影響，后續可利用定量軟件識別肺纖維化區域進一步研究。

綜上所述，HRCT肺氣腫定量指標EI、MLD，氣道定量指標WA%與肺功能具有相關性，可反映COPD的病理變化，且各指標結果隨著病情嚴重程度不同而變化，對COPD診斷及評估提供參考價值，是肺功能檢查的重要補充。但單一影像學因素對COPD的評估準確性不夠，未來可納入多重指標進一步研究其在COPD嚴重程度分級中的診斷效能。

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（2022-07-25收稿 2022-10-14修回）

（本文編輯 李志蕓）