基于CT定量评估肺气肿肺叶分布特点与肺功能的相关性

王 雷，沈 聪, 邹常咏，黄晓旗，赵凡惠，郭佑民，刘 敏，王 剑

(1. 延安大学附属医院影像科，陕西延安 716000；2. 西安交通大学第一附属医院影像科，陕西西安 710061；3. 北京中日医院影像科，北京 100029)

慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease, COPD)，简称慢阻肺，以气流受限不完全可逆为主要特点，常呈进行性加重[1]。国内外多项研究表明，到2020年COPD可能成为全球死亡原因的第3位，并成为全球疾病经济负担的第5位[2-3]。目前肺功能检查是COPD诊断的最佳标准[4]。但此检查限制因素较多，如近期内严重的心肌梗死、心功能不稳定及未控制的高血压等患者[5]。近年来，通过CT及其后处理技术对COPD患者肺功能进行定量分析具有极大的优势，通过此方法对肺容积、肺密度或像素指数等因素间接分析肺组织的病理及生理改变信息，可对COPD进行早期定量诊断、病情及预后进行评估[6]。本研究通过分析正常人与COPD患者各肺叶低密度区容积百分比(LAA%)及其肺功能相关参数，探讨COPD各肺叶肺气肿空间分布特点，评估其肺功能受损及严重程度。

1 资料与方法

1.1一般资料收集COPD患者61例及正常对照91例，依据《2018年GOLD慢性阻塞性肺疾病诊断、治疗及预防全球策略解读》将COPD患者分为4级[7]：GOLD 1级19例；GOLD 2级21例；GOLD 3级15例；GOLD 4级6例。本研究为已在医院内进行伦理委员会的认证[批件号：2013伦审科字第(114号)-1]，并获得中国临床实验注册中心批准 (ChiCTR-OCH-14004904)。

正常对照组纳入标准：延安大学附属医院体检正常的健康人群，无任何肺部疾病、临床表现且胸部CT表现正常。慢性阻塞性肺疾病纳入标准：①无其他导致肺容积改变的疾病，如胸廓畸形；②吸入支气管扩张剂FEV1/FVC<0.70；③CT胸部双气象图像清晰完整，肺组织显示清楚。排除标准：患者配合差，图像显示不清；④影响肺容积的病变，如肺内手术史(肺叶或肺段切除术后)、胸口畸形等；⑤肺内肿瘤或肿瘤样病变；⑥影响CT图像观察的疾病，如肺大部分感染、严重的肺不张及肺实变等；⑦其他较严重的疾病，如心脏、肝脏、肾脏等方面的疾病。

1.2CT吸气相扫描、图像后处理及定量测量CT扫描前向被试说明检查方法及目的,对患者进行深吸气及屏气训练。采用64层及以上螺旋CT进行扫描。管电压为120 kV，管电流为200 mA，机架旋转一周的时间为0.5 s，螺距为0.5，矩阵为512×512。入选患者取仰卧位，双手抱头，头先进。先在深吸气末从肺尖至肺底行全肺扫描。重建层厚为1 mm，重建间隔为0.625 mm，重建算法为骨算法。

所得图像导入“数字肺”测试平台进行肺叶分割，分割步骤如下：①通过自适应边界行进法提取全肺组织；②使用计算几何法来检测和分割叶间裂(图1、图2)，少数叶间裂的分割采用隐式函数法。目前多采用吸气末-950 Hu(薄层)和-910(厚层)两种阈值[8]，WANG等[9]研究发现-950为阈值相对较好。故本研究定量测量以-950 Hu为阈值，小于-950 Hu的范围是肺气肿区域,以此测量双肺、左肺、右肺及各肺叶低密度衰减区占整个肺体积的百分比(LAA%)。

1.3肺功能测量采用德国耶格公司体积描记仪Master lab (Jaeger, Germany)，患者症状稳定且配合较好时，取坐位测定肺功能，测量参数包括第1秒用力呼气容积(FEV1)的实测值与预计值的比值(FEV1%)、FEV1与用力肺活量( FVC)的比值(FEV1/FVC)、一氧化碳的弥散量(DLCO)、残气量与肺总量的比值(RV/TLC)等。

1.4统计学方法应用SPSS 20.0进行统计分析，被检者年龄、性别及体质量的多组间比较采用单因素方差分析。不同肺叶肺气肿严重程度之间的相关性采用Pearson相关分析方法。不同组间肺气肿程度的差异采用协方差分析,以性别、年龄作为协变量。P<0.05为差异有统计学意义。

2 结 果

2.1人口统计学采集正常对照与COPD患者CT胸部吸气相数据，按照纳入与排除标准，最终结果分析得出(表1)，所有被检查者年龄、性别及体质量等基本情况的差异无统计学意义(P>0.05)。

图1数字肺测试平台肺叶分割

Fig.1 Lung lobe segmentation on the digital lung test platform

图2数字肺测试平台肺部组织可视化结果

Fig.2 Lung tissue visualization results at the digital lung test platform

表1各组基本情况

Tab.1 Basic information of the research subjects

组别人数男/女年龄(岁)BMI(kg/m2)正常对照组9155/3645.20±7.4321.23±11.13GOLD11916/355.43±8.4021.20±10.33GOLD22117/457.52±6.2520.35±11.20GOLD31512/359.10±8.2420.34±10.52GOLD464/262.40±10.2521.62±6.72

2.2CT定量参数LAA%与肺功能参数的相关性研究各肺叶CT定量参数LAA%与肺功能相关参数的相关性发现，各个肺叶中除了右肺中叶和右肺下叶与DLCO%预计值、RV/TLC无相关性，其余各肺及肺叶与肺功能各参数均明显相关，双肺上叶LAA%主要与肺弥散功能(DLCO%预计值)相关性较高(左肺上叶|r|=0.382，P=0.001；右肺上叶|r|=0.360，P=0.004)，双肺下叶主要与肺气流受限相关性更高(表2)。

表2CT定量参数LAA%与肺功能参数的相关性

Tab.2 Correlation between CT quantitative parameter LAA% and pulmonary function parameters

CT参数均值±标准差FEV1(%)rPFEV/FVC(%)rPDLCO(%)rPRV/TLC(%)rP总肺LAA%40.09±8.80-0.442<0.001-0.471<0.001-0.3450.0010.2040.030右肺LAA%21.15±5.26-0.391<0.001-0.423<0.001-0.3020.0060.1500.024左肺LAA%19.15±5.07-0.414<0.001-0.445<0.001-0.3240.0030.1870.028右上肺LAA%10.63±5.14-0.342<0.001-0.361<0.001-0.3600.0040.2240.018右中肺LAA%3.84±1.92-0.270<0.001-0.297<0.001-0.0650.2100.0520.240右下肺LAA%8.59±5.54-0.361<0.001-0.375<0.001-0.1430.0900.0470.300左上肺LAA%12.23±5.23-0.353<0.001-0.330<0.001-0.3820.0010.2490.014左下肺LAA%8.66±5.45-0.321<0.001-0.302<0.001-0.2800.0200.1900.030

2.3正常对照组与COPD定量参数LAA%与肺功能参数比较结果显示，COPD患者肺功能相关参数均较正常对照组低，且随着COPD分级增高，相对应的肺功能参数(RV/TLC除外)均逐渐变低，差异有统计学意义(P<0.05)，而随着COPD分级增高，肺叶及各肺叶的LAA%在一定程度上逐渐增加(表3)。

表3正常人与COPD各组定量参数LAA%与肺功能参数的比较

Tab.3 Comparison of quantitative parameter LAA% and pulmonary function parameters between normal subjects and COPD groups

CT参数正常对照组(n=40)GOLD1(n=19)GOLD2(n=21)GOLD3(n=15)GOLD4(n=6)总肺LAA%0.24±0.400.46±0.140.56±0.500.72±0.720.89±0.20右肺LAA%0.09±0.520.34±0.120.37±0.240.40±0.430.45±0.10左肺LAA%0.05±0.160.30±0.28∗0.33±0.230.37±0.210.40±0.15右上肺LAA%0.01±0.160.12±0.200.15±0.160.17±0.320.18±0.23右中肺LAA%0.01±0.120.05±0.10∗0.06±0.320.08±0.120.09±0.14右下肺LAA%0.02±0.100.15±0.400.17±0.110.18±0.200.20±1.10左上肺LAA%0.01±0.280.20±0.10∗0.22±0.310.23±0.320.25±0.34左下肺LAA%0.01±0.210.17±0.240.18±0.800.20±0.210.23±0.54FEV1(%预计值)105.43±24.7695.32±12.3083.25±23.060.04±11.2045.34±21.20FEV/FVC(%)80.53±10.2572.34±15.4065.32±16.7043.20±18.4335.67±14.23DLCO(%预计值)91.23±12.5486.45±26.4384.21±9.2367.56±13.2020.78±19.27RV/TLC(%)43.12±9.54∗45.71±19.20∗57.13±26.34∗62.91±15.89∗69.10±21.90∗

与正常对照组相比，*P>0.05。

3 讨 论

慢阻肺是主要以不完全可逆的气流受限为特点的疾病，常呈进行性加重，随着疾病的进展，气流受限逐渐增重。虽然目前肺功能检查是诊断最佳标准，但由于其存在较多限制，实施存在较多困难，准确性亦难以评估。近年来，随着影像技术的迅猛发展及成熟，CT定量扫描与后处理软件结合进行肺容积定量分析的方法已逐渐成为定量评估肺功能的方法，且其具有较广泛、非侵袭性的优点[10]。

肺气肿的空间分布特点反映了不同肺叶气流受限的严重程度，国内外研究者对于不同肺叶肺气肿对肺功能的影响进行了相关性研究。本文通过CT定量参数LAA%与肺功能参数的相关性研究得出双肺上叶LAA%主要与肺弥散功能(DLCO%预计值)相关性较高(左肺上叶|r|=0.382，P=0.001；右肺上叶|r|=0.360，P=0.004)，双肺下叶主要与肺气流受限相关性更高，可能原因是由于重力作用，引起双肺下叶气道在呼气时关闭较早，进而引起气流受限；同时导致呼出的气体大多数为双肺下叶的气体，因此，弥散功能主要由双肺上叶引起。

通过对正常对照组与COPD各组定量参数LAA%与肺功能参数比较发现，COPD的GOLD1患者中除右肺上叶LAA%无统计学意义，其余各肺叶LAA%均有统计学意义，同时COPD患者中GOLD1与正常健康组比较主要差异在右肺上叶，另外，对照组及COPD患者GOLD1分级中，双肺上叶较双肺下叶的LAA%比重高，且随着GOLD分级增加，各肺叶的LAA%逐渐以双肺下叶较高为主。因此，提示说明COPD最先发生在右肺上叶，同时，随着肺功能严重程度加重，COPD亦逐渐向双肺下叶发展。相关研究者通过分析发现慢阻肺首先从两肺上叶开始，逐渐向两肺下叶发展[11]，与本研究结果一致。其主要原因可能与右主支气管解剖有关(粗、短及走形陡直)；同时随着COPD分级增高，对应的肺功能参数(除了RV/TLC外)均逐渐变低，差异具有统计学意义(P<0.05)，说明随着COPD分级增高，肺功能逐渐加重；肺叶及各肺叶的LAA%在一定程度上逐渐增加，提示肺气肿病变在一定程度上可以反映肺功能的变化。因此，通过CT定量分析LAA%的变化在一定程度上可以预估肺功能的严重程度，进而为近年来开展的肺减容手术提供一定的临床价值。顾亚律等[12]对16例肺减容手术患者分别进行术前与术后CT定量测量，结果发现，此方法可直观、定量地评价病变范围、程度及位置等信息，并可更好的预测术后肺功能。

综上所述，CT定量测量低密度区容积百分比(LAA%)在一定程度上可以分析肺气肿具体在不同肺叶的严重程度，进而为临床更好的提供病变主要位置及其引起的原因。另一方面，其可为肺减容术的术前评估起到一定的临床价值。通过CT定量测量低密度区容积百分比(LAA%)也可以直观反映肺功能严重程度。