动态胸部数字化X线摄影对慢性阻塞性肺疾病患者膈肌运动功能的评估

于刚刚 王维 陈疆红 崔茹欣 钟朝辉 徐波 王浩彦

1首都医科大学附属北京友谊医院呼吸科 100050;2首都医科大学附属北京友谊医院放射科 100050

COPD是一种以持续气流受限为特征的疾病。在我国40岁以上人群COPD患病率高达13.6%[1]。COPD患者常有不同程度的膈肌功能障碍,长时间可引起膈肌疲劳。膈肌疲劳是COPD患者呼吸困难进行性加重的重要原因之一,也是导致呼吸衰竭的主要病理机制之一[2]。目前,临床上用于评价膈肌运动及膈肌疲劳的方法常需要通过体内置入导管和电极的方法进行评价,患者不易接受,重复操作率较低[3]。最近有研究显示,采用动态胸部数字化X线摄影(digital radiography,DR)能够精确测定受试者膈肌运动幅度、运动速率等参数[4]。本研究拟利用动态胸部DR技术测量COPD患者在平静及尽力呼吸时两侧横膈肌运动幅度、最大运动速率、右侧膈肌角度等指标的变化来反映COPD患者膈肌功能情况,并对不同严重程度的COPD患者上述指标进行分析,以探讨动态胸部DR技术对COPD膈肌运动功能的评价价值。

1 资料与方法

1.1 病例选择 前瞻性研究。选取2018年6月至2019年6月来首都医科大学附属北京友谊医院呼吸科就诊行肺功能检查的COPD患者。根据慢性阻塞性肺疾病全球倡议(Global Initiative for Chronic Obstructive Lung Disease,GOLD)指南,按照第1秒用力呼气容积占预计值百分比(forced expiratory volume in the first second in percent predicted values,FEV1%pred)≥50%及<50%将COPD患者分为轻-中度组及重度-极重度组。动态胸片检测与肺功能检查时间≤1周。纳入标准:(1)年龄范围为40～80岁;(2)具有吸烟史(目前吸烟或已戒烟),吸烟指数>10包·年;(3)所有受试者均知情同意并签署知情同意书。排除标准:(1)支气管哮喘患者;(2)合并其他弥漫性肺疾病;(3)合并急性肺部感染或有明确肺部占位;(4)有明显胸膜或胸壁病变;(5)既往有肺部手术病史。

测量及记录所有患者身高、体质量,计算体质量指数(body mass index,BMI)(体质量/身高2),成功入组95例COPD患者,男78例(82.1%),女17例(17.9%),年龄(66±7)岁,年龄范围为55～80岁。本研究通过首都医科大学附属北京友谊医院伦理委员会批准(2018-P2-086-01)。

1.2 检测设备及方法 采用日本柯尼卡美能达公司AeroDR C80动态X线平板探测设备(Konica Minolta Inc.,Tokyo,Japan)采集胸部动态图像。受试者为立位后前位拍摄,拍摄条件为:管电压100 k V;管电流50 m A,矩阵1 024×768,辐射剂量约0.34 mSv。采用德国JAEGER公司MS-IOS肺功能仪进行肺功能测定,记录受试者肺功能检查结果,包括FEV1、FEV1%pred、FVC、FEV1/FVC、肺活量(vital capacity,VC)、深吸气量(inspiratory capacity,IC)、残气量(residual volume,RV)、肺总量(total lung capacity,TLC)及RV/TLC。

1.3 图像分析 膈肌幅度及速率的测量:利用设备工作站软件对动态影像进行分析。自动识别双侧肺尖及横膈的上缘,由2名具有经验的胸部影像医师对软件自动标记位置给予调整、确定(图1)。软件可根据标识位置随着呼吸的运动轨迹,绘制出横膈运动速率随时间的变化曲线及横膈至双肺尖垂直距离随时间的变化曲线(图2),根据曲线显示数值记录每个完整呼吸周期横膈运动数据,最终以曝光时间内所含全部完整呼吸周期的平均值作为受试者数据。右侧膈肌角度的测量:尽力呼气末及尽力吸气末右侧膈肌顶点和右肋膈角顶点连线与水平线所成角度(图3),记录所有周期内所测角度,取平均值作为受试者数据。

图1 双侧横膈最高点(蓝、绿线)及双肺尖(红、紫线) A:尽力呼气末胸部X线图像;B:尽力吸气末胸部X线图像

图2 双侧横膈上下运动速率及幅度随时间变化曲线(蓝色曲线代表左侧横膈,红色曲线代表右侧横膈) A:时间-运动速率曲线;B:时间-运动幅度曲线

图3 尽力吸气末及尽力呼气末右侧膈肌顶点、右肋膈角顶点连线与水平线所成角度 A:尽力吸气末;B:尽力呼气末

1.4 统计学分析 应用IBM SPSS 20.0软件进行统计学分析。符合正态分布计量资料以表示,2组间的比较采用两独立样本t检验。非正态分布数据以M(QR)表示,2组间的比较采用Mann-WhitneyU检验。计数资料采用Pearsonχ2检验。采用Pearson或Spearman对肺功能及动态胸片参数进行相关性分析。P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 入组时基线资料 根据COPD患者肺功能FEV1%pred分级分为轻-中度组(GOLDⅠ～Ⅱ级)52例及重-极重度组(GOLDⅢ～Ⅳ级)43例2组。2组间性别、年龄、身高、体质量及BMI比较,差异均无统计学意义(P值均>0.05)。肺功能检查显示2组间VC、VC%pred、FVC、FVC%pred、FEV1、FEV1%pred、FEV1/FVC、RV及RV/TLC%pred比较,差异均有统计学意义(P值均<0.05),轻-中度组均明显好于重-极重度组,见表1。

表1 2组COPD患者基本资料及肺功能结果比较

2.2 动态胸片结果 2组间平静呼吸时左右侧横膈肌的运动幅度及膈肌最大运动速率差异均无统计学意义(P值均>0.05)。2组尽力呼吸时,COPD轻-中度组两侧横隔运动幅度均大于重-极重度组,轻-中度组两侧横隔最大运动速率均大于重-极重度组,差异均有统计学意义(P值均<0.05)。2组在尽力吸气末及尽力呼气末右侧膈肌顶点、右肋膈角顶点连线与水平线所成角度比较,轻-中度组较重-极重度组有减小趋势,但2组之间差异均无统计学意义(P值均>0.05),见表2。

表2 2组COPD患者膈肌运动幅度、最大运动速率及膈肌角度等参数的比较

2.3 膈肌参数与肺功能的相关性 尽力呼吸时左侧横隔肌运动幅度与肺功能参数VC%pred、FEV1%pred、FEV1/FVC、IC呈正相关,与RV及RV/TLC呈负相关,与FEV1/FVC(r=0.403,P<0.001)及RV/TLC(r=-0.430,P=0.003)相关性最强。尽力呼吸时右侧横隔肌运动幅度与VC%pred、FEV1%pred、FEV1/FVC、IC呈正相关,与FEV1%pred(r=0.354,P<0.01)、FEV1/FVC(r=0.354,P<0.01)相关性最强。尽力吸气时左、右侧横膈肌最大运动速率与肺功能VC%pred、FEV1%pred、FEV1/FVC、IC呈正相关,与IC(r左侧=0.326,P=0.001;r右侧=0.336,P=0.001)相关性最强。尽力呼气时左侧膈肌最大运动速率与FEV1%pred、FEV1/FVC、IC呈正相关,与RV及RV/TLC呈负相关,与FEV1/FVC(r=0.432,P<0.001)及RV/TLC(r=-0.481,P=0.001)相关性最强。尽力呼气时右侧膈肌最大运动速率与FEV1%pred、FEV1/FVC、IC呈正相关,与FEV1/FVC(r=0.310,P=0.002)相关性最强。见表3。

表3 尽力呼吸时双侧横膈移动幅度及速率和肺功能参数的相关性

3 讨论

COPD存在动态肺过度充气是导致患者呼吸困难的主要原因之一。长期肺过度充气会导致膈肌形态学及功能学发生改变,进而引起膈肌疲劳,并表现为膈肌低平,膈肌的运动能力受限,进一步加重呼吸困难[5]。有研究提示,对COPD患者进行体外膈肌起搏刺激能改善COPD患者肺功能及活动耐力[6]。因此,对膈肌功能的评价将会对COPD疾病的严重程度、临床预后及康复训练效果的评估有重要价值。

超声检查是临床最常用来评价膈肌形态和功能的手段,其操作简单且无电离辐射,可以用于重症患者床旁检测,B型超声可以测定膈肌的厚度,M型超声可以测量膈肌运动方向和移动幅度[7-8]。但超声检测视野小,且受操作医师经验的影响。普通X线胸片是评价膈肌形态改变的初筛手段[9]。胸部CT检查可以明确引起膈肌形态、位置异常的多种病因,并且能够观察肺内肺气肿情况,由于辐射剂量相对高,不做为常规评价膈肌功能的手段[10-11]。Hellebrandová等[12]采用磁共振检查评价膈肌的运动,发现可以准确、客观的评价膈肌功能。而Safavi等[13]采用直立位磁共振成像技术,能够测量COPD患者直立位时膈肌的运动,但磁共振技术相对复杂,成本较高,对操作的要求也较高。

本研究采用动态DR成像系统可以提供相对客观、精确、定量的数据,并且可提供清晰的动态成像,这为COPD患者临床评估提供了新的视角。既往应用动态胸片技术对正常受试者的膈肌运动进行成像,通过分析软件可以相对客观、准确地测出膈肌在呼吸过程中的运动参数,从而对膈肌功能进行分析。

本研究进一步对不同程度分级的COPD患者膈肌参数进行分析。结果发现轻-中度组及重-极重度组COPD患者之间在平静呼吸时,左右侧膈肌的运动幅度及最大运动速率差异均无统计学意义,而在尽力呼吸过程中,重-极重度组较轻-中度组膈肌运动幅度明显减低,最大运动速率明显减慢。结果提示,COPD患者随着疾病的严重程度加重,患者的膈肌运动功能下降,在平静呼吸时变化尚不太明显,而在尽力呼吸时患者膈肌的储备能力明显下降,膈肌运动功能明显受损,结果与其他研究相似[15]。本研究还对尽力吸气末及尽力呼气末右侧膈肌顶点、右肋膈角顶点连线与水平线所成角度进行了测量,发现重-极重度组较轻-中度组角度有减小趋势,但2组之间差异无统计学意义,与其他结果略有不同[16],可能与入组患者严重程度及病例数有关。

此外,进一步对COPD患者尽力呼吸横膈肌移动幅度及最大运动速率与肺功能进行相关性分析,结果显示膈肌的运动幅度与FEV1/FVC呈正相关,与RV/TLC呈负相关,其余肺功能参数相关性较弱。提示COPD患者肺功能阻塞程度越大,RV/TLC越大,患者尽力呼吸膈肌运动幅度越小,速率越慢,膈肌功能受损越明显,本研究结果与其他检测手段结果相似[8]。

本研究为单中心研究,有待进一步增加样本量去验证结论及推广。另外,动态胸部DR及图像分析软件为新研发的设备,缺乏对患者侧位数据分析,需后续进一步完善。总之,动态胸部DR技术能够相对客观、准确及方便地对COPD患者膈肌运动功能进行分析评价,是COPD患者疾病程度的有效补充,并可对COPD患者康复训练提供很好的评价指标。

利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突