动态胸片定量评价慢性阻塞性肺疾病患者用力呼吸下横膈运动的研究

钟朝辉，陈疆红，吴柯薇，于刚刚，王维，张婷婷

首都医科大学附属北京友谊医院 a. 放射科；b. 呼吸科，北京 100050

引言

膈肌是维持人体呼吸最主要的呼吸肌，参与约80%的通气需要。而慢性阻塞性肺疾病会导致膈肌结构及功能的改变，膈肌功能障碍会进一步引起患者呼吸衰竭、甚至死亡。因此，准确评价横膈的形态及运动有助于全面了解慢性阻塞性肺疾病（Chronic Obstructive Pulmonary Disease，COPD）患者的病情。

本研究采用了一种新型的X线平板探测设备，可以获得患者立位下随呼吸运动的动态胸片，将既往X线胸片的静态显示转变成了动态图像，更有价值的是本设备通过对图像的后处理得到有关横膈上下运动幅度、时间、速率等定量参数，利于精准评价患者膈肌的运动状态。国外已有数篇有关此设备的相关文章[1-4]，均得到了有意义的结果，在Hida等[3]的研究中显示COPD患者用力呼吸横膈上下运动幅度小于健康者，但此结论仅局限于单中心、小样本COPD患者的研究，本文为国内首次应用此设备，扩大了样本量，目的为进一步验证此设备对于COPD患者的诊断价值。

1 资料与方法

1.1 临床资料

研究通过了首都医科大学附属北京友谊医院伦理委员会批准，所有受试者均签署了知情同意书。自2018年6月至2019年6月连续性纳入受试者。COPD患者入组标准：① 年龄40～75岁之间；② 根据2017版慢性阻塞性肺疾病全球创议（Dlobal Initiative for Chronic Obstructive Lung Disease，GOLD）指南诊断COPD I～IV期（轻度至重度）患者；③ 具有吸烟史（目前吸烟或已戒烟）＞10包年；④ 本人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。共纳入96例COPD患者，男79例（82.29%），女17例（17.71%），平均年龄（67±7）岁。此外，选择健康受试者作为对照组，入组标准：① 年龄40～75岁之间；② 既往体健，无确诊心肺疾患；③ 肺功能检查正常（FEV1/FVC＞70%）；④ 无吸烟史；⑤ 本人同意并签署知情同意书。共入组50例，男8例（16.00%），女42例（84.00%），平均年龄（53±5）岁。测量并记录受试者的身高、体重并计算体质量指数（体重/身高2）。

1.2 检查设备及数据分析

本研究采用的X线机为日本柯尼卡公司（Konica Minolta Inc，Tokyo，Japan）的动态X线设备。拍摄前，示范受试者用力快速吸气至最大吸气量，接着用力快速呼气至最大呼气量。受试者为立位后前位拍摄，拍摄条件为：管电压100 kV；管电流50 mA。像素为388×388 μm，矩阵1024×768。以15帧/s获取数据，为了减少辐射剂量，本设备X线为脉冲发射，曝光时间约15 s，X线辐射剂量约0.34 mSv。

将图像传至自带的工作站，利用其研发的软件(Kinetic Analysis Tool)对拍摄的动态胸片进行分析。此软件可以自动识别双侧肺尖及横膈的边缘并进行标记（图1）。由具有15年胸部影像诊断经验的医生选取呼气末图像，并对软件自动标记的双侧横膈最高点及双肺尖位置予以调整、确定，之后软件可以自动追踪这些位置随着呼吸的运动轨迹，绘制出量化的横膈至双肺尖垂直距离随时间的变化曲线及相应的横膈运动速率随时间的变化曲线（图2），曲线上任意一点的数值均可被显示。我们根据曲线上显示的数值得到双侧横膈的上下垂直运动幅度、速率及时间。

图1 自动分析软件识别双侧横膈最高点及双肺尖示意图

图2 自动分析软件绘制的双侧横膈上下运动幅度及速率随时间变化曲线示意图

1.3 统计学分析

应用IBM SPSS 20.0软件进行统计学分析。对于计量数据首先做正态性检验，正态性计量资料采用均值±标准差（±s）表示，偏态分布数据均数以中位数（四分位距）表示。进行COPD及健康对照组两组数据比较时，对于正态性数据行两个独立样本t检验，对于非正态性数据行非参数检查（Mann-Whitney U），计数资料采用χ2检验。行肺功能与横膈移动幅度的相关性分析，正态性资料应用Pearson相关性检验，非正态性资料应用Spearman相关性检验，r=0.10～0.39为相关性弱；r=0.40～0.69为相关性中等；r=0.70～1.00为相关性强。P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

96例COPD患者及50例健康受试者的临床基本资料如表1所示。两组间年龄、性别及身高有统计学差异，但是体重及BMI无明显差异。肺功能检查显示在反映肺容量的深吸气量（Inspiratory Capacity，IC）两组间有统计学差异。反映肺通气的用力肺活量（Forced Vital Capacity，FVC）、第一秒最大呼气量（Maximum Expiratory Volume in the First Second，FEV1）、第一秒最大呼气量/用力肺活量（FEV1/FVC）两组间比较均有统计学差异。

表1 COPD患者及健康受试者临床基本资料及肺功能检查结果

两组受试者用力呼吸下双侧横膈运动数据如表2所示。用力呼吸下COPD患者横膈上下运动幅度小于健康者，差异有统计学意义（P＜0.05）；同时COPD患者吸气、呼气横膈移动时间均少于健康者（P＜0.05），而横膈移动速率两组间无明显差异。COPD患者及健康者左侧横膈移动幅度均显著大于右侧（PCOPD=0.035，P健康者=0.048）。COPD患者吸气相、呼气相左侧横膈移动速率均显著大于右侧横膈（P吸气相=0.005，P呼气相=0.006），而在健康者无明显差异（P吸气相=0.083，P呼气相=0.109）。

表2 COPD患者及健康受试者用力呼吸下横膈运动参数的比较

最后，分析了COPD患者肺功能参数与用力呼吸下双侧横膈上下运动幅度总和的相关性，见表3。其中，FEV1/FVC是所有肺功能中与横膈运动幅度相关性最高的参数，相关性中等。

表3 呼吸功能参数和用力呼吸下双侧横膈移动幅度的相关性

3 讨论

膈肌是维持人体呼吸的主要骨骼肌，膈肌主动收缩向下移位，胸腔内产生负压，促进气体进入胸腔，当膈肌舒张时借助肺的弹性回缩而呼出气体，这是大家熟知的呼吸的生理过程。但是，COPD引起的病理变化会导致膈肌形态及功能的一系列变化。本研究患者入组标准遵循的是GOLD 2017的标准，即患者存在持续呼吸道症状和气流受限，使用支气管扩张剂后肺功能检查为FEV1/FVC＜0.7，此肺功能指标提示患者存在持续性气流受限，最新的GOLD 2020仍维持之前的诊断标准[5]。

基于COPD患者呼吸道气流受限、肺内气体潴留，导致呼吸肌的负荷明显增加，文献报道这种负荷较正常增加了5～10倍之多[6]。此外，肺组织过度膨胀会导致膈肌低平，从而降低了其产生张力的能力，影响呼吸运动，而且COPD产生的炎症因子会严重影响包括膈肌在内的全身骨骼肌，加之患者全身组织供氧不足、电解质紊乱等各种因素都会对膈肌产生进一步损伤[7-10]。既往评价膈肌形态或功能的相关影像研究较多[11-13]。普通X线胸片是评价膈肌形态改变的初筛手段[14]。进一步的CT检查可以明确引起膈肌形态、位置异常的多种病因[15]，比如膈下病变引起的膈肌抬高或者恶性病变侵犯膈神经所致的一侧膈麻痹等。进而动态磁共振检查可以进一步评价膈肌的功能，但技术相对复杂，对操作的要求较高[16]。超声检查则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，可以用来测量膈肌运动方向和移动幅度[17-18]。本研究应用的动态X线摄影设备对比以上多种检查方式有自己独特的优势，提供给我们客观、定量的数据，为精准诊断提供了很大帮助。本研究在既往对COPD患者平静呼吸研究的基础上进一步对用力呼吸进行了研究，因为用力呼吸相对平静呼吸更能反映膈肌运动状态和肺功能情况。研究结果显示，COPD患者用力呼吸横膈上下运动幅度小于健康者，此结论与Hida等[3]的研究结果一致，反映了以上提到的COPD病理改变对横膈的影响；但是COPD患者吸气相、呼气相双侧横膈移动速率与健康者比较均无显著差异，而其文章中COPD患者吸气相左侧横膈移动速率小于健康者，这可能和入组病例的数目及个体差异所致，其文章仅入组了31例患者，还需更大样本、多中心研究进一步验证。此外，本研究中COPD患者用力吸气相及呼气相双侧横膈移动时间均低于健康者，这在Hida等[3]的文章中未提及。本研究还进一步比较了COPD患者和健康者在用力呼吸下双侧横膈的运动差异，两组受试者左侧横膈的移动幅度均明显大于右侧横膈且COPD左侧横膈移动速率峰值大于右侧横膈，原因可能是肝脏对右侧横膈主动收缩下移的限制。

COPD患者用力呼吸膈肌移动幅度与肺功能中FEV1/FVC相关性中等（r=0.440），与其余肺功能参数相关性弱。而在Hida等[3]应用动态胸片的文章中，COPD患者用力呼吸横膈的移动度与VC%相关性中等（左膈r=0.41，右膈r=0.40），与FEV1的相关性弱（左膈r=0.39，右膈r=0.36）。不难理解，膈肌的移动度只是影响肺功能的一个因素，加之受试者呼吸方法及设备的差异等因素都会对结果产生影响。

本研究有以下几点局限性：① 本研究是单中心研究，有待进一步增加样本量去验证结论；② 本研究纳入的健康对照组年龄及性别与试验组不匹配，是因为COPD患者年龄偏大且以男性为主，较难纳入与之匹配的健康对照组，根据既往研究显示性别及年龄对于横膈移动度无显著影响[4]；③ 动态胸片为新研发的设备，获得的动态胸片图像只有正位数据而缺乏侧位的信息，有待进一步完善，为临床提供更多客观数据。

综上，利用动态胸片可以获得横膈移动的客观、准确的定量数据，是评估COPD患者病情的有价值的检查方法。