基于HDCT定量技术的慢性阻塞性肺疾病早期诊断的研究

张少杰，齐琳，陆金娟，田全凯，李铭

复旦大学附属华东医院放射科，上海 200040

慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive pulmonary disease，COPD）是世界范围内发病率和死亡率的重要因素［1］。COPD 以持续存在的呼吸系统症状和气流受限为特征，其患病率高、病死率高，是目前全球死亡病因的第3 大疾病，并成为全球第5 位主要致残疾病［2］。临床工作中通常将肺功能检查（pulmonary function test，PFT）作为COPD 诊断的金标准，然而PFT 的实用性是有限的，PFT 只提供功能信息，不能发现COPD早期病理变化［1，3］。只有在肺组织破坏超过30%、小气道阻塞超过75%左右时，PFT 检查才会出现异常，过度依赖其作为单一诊断指标而导致老年人误诊和年轻人漏诊［4］。目前，COPD 早期影像学诊断是CT定量技术对COPD 相关疾病研究的热点问题之一，CT 定量技术可以对支气管、肺血管等结构进行定量测量［5-6］。然而，既往相关研究多基于对COPD 患者支气管、肺血管等结构进行观察，以预测患者阻塞性通气功能障碍，而相关定量参数在对一秒率正常的肺功能下降（preserved ratio impaired spirometry，PRISm）患者的诊断价值以及对弥散功能障碍的影响尚未有准确的定论。本研究通过胸部CT 定量分析COPD 患者及PRISm 患者支气管、肺血管的部分定量参数，观察其对PRISm 及COPDP 患者早期诊断的临床应用价值。

1 资料与方法

1.1 一般资料

回顾性分析2019年9月—2021年3月在复旦大学附属华东医院行双气相胸部CT 平扫病例73 例，所有病例均在行双气相胸部CT 平扫前后24 h 内进行PFT 检查。纳入标准：（1）接受PFT 检查，且根据根据2021 版COPD 全球防治策略（GOLD）及COPDGene研究对受试者气流受限严重程度进行肺功能分级：GOLD 1 级（轻度），FEV1% pre≥80%；GOLD 2 级（中度），FEV1%pre≥50%，＜80%；GOLD 3 级（重度），FEV1%pre≥30%，＜50%；GOLD 4 级（极重度），FEV1%pre＜30%，PRISm，FEV1/FVC＞0.7 且FEV1＜80% pre；健康对照组，FEV1/FVC＞0.7 且FEV1＞80% pre［7-8］。由于部分组别患者病例数较少，故将GOLD1-4 级患者分别合并为GOLD1 ＋2、GOLD3 ＋4 组进行研究。（2）深吸气相与深呼气相胸部CT 平扫图像完整、清晰能够进行自动分割。（3）患者对本研究知情同意。排除标准：（1）CT 图像或肺功能数据不全。（2）患者合并其他胸部疾病，如气胸、胸腔积液、严重的肺纤维化及胸部术后患者。（3）心功能不全或肺动脉高压患者。（4）年龄＜60 岁。

1.2 方法

1.2.1 图像采集所有病例均在行PFT 检查前后24 h 内进行双气相平扫胸部CT 检查。检查前由放射科医师对患者进行呼吸训练。CT 扫描相关参数设置如下：管电压、管电流参数分别为120 kV、200 mAs，旋转时间0.5 s；螺距1.1；层厚0.625 mm；重建核b31f 和b70f。

1.2.2 图像处理后处理图像分析是由5年以上工作经验的放射科医师进行处理，所有双气相HDCT 图像以DICOM 格式保存并导入COPD 分析软件（SUHAI IMAGE CDR＿V1.0）。采用其自动分割测量模块，分别测量双气相定量参数。定量分析内容如下：深吸气相距胸膜6 mm 血管数量，并计算其双气相差值（图1a）。左右全肺、各肺叶的肺容积（Volume）、呼气相支气管容积（图1b 和图1c），并参考房峰和暴锐等［9-10］的相关研究计算各项参数与相应肺容积的比值，得到计算后的参数：全肺（WL）容积比、右肺（RL）容积比、左肺（LL）容积比、右肺上叶（RUL）容积比、右肺中叶（RML）容积比、左肺上叶叶（LUL）容积比、左肺下叶（LLL）容积比，具体计算公式如下：容积比＝段及段以下支气管容积/对应肺组织容积。通过人工标记方式选定各段支气管，测量其容积，得到各肺叶段以下支气管容积（图1c），并可计算其与相应肺组织容积的比值，得到计算后的参数如下：WL 段以下支气管/肺容积、RL 段以下支气管/肺容积、LL 段以下支气管/肺容积、RUL 段以下支气管/肺容积、RML 段以下支气管/肺容积、RUL 段以下支气管/肺容积、RLL段以下支气管/肺容积。

图1 a b c 分别展示对距胸膜6 mm 血管数量、部分肺叶支气管容积的测量

1.2.3 肺功能检查所有病例均在行双气相胸部CT 平扫24 h 内，稳定状态下进行PFT 检查，测量支气管扩张剂治疗前后的肺活量、静态肺容积和一氧化碳单次呼吸扩散能力。

1.3 统计学分析

采用IBM SPSS23.0 进行统计分析。计量资料采用均数±标准差（±s）表示，以spearman（偏态分布）或pearson（正态分布）相关系数分别评估WL 容积比、RL容积比、LL 容积比、RUL 容积比、RML 容积比、LUL容积比、LLL 容积比、WL 段以下支气管/肺容积、RL段以下支气管/肺容积、LL 段以下支气管/肺容积、RUL 段以下支气管/肺容积、RML 段以下支气管/肺容积、RLL 段以下支气管/肺容积、LUL 段以下支气管/肺容积、LLL 段以下支气管/肺容积，将上述变量带入二项Logistic 回归方程，将所有病例分为正常对照组和患病组得到预测概率值，将其作为CT 定量参数的联合预测指标绘制ROC 曲线并计算曲线下面积（图5和表4）。以P＜0.05 为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 PFT 结果与人口学特征

纳入本次研究的73 例病例，男性47 例，女性26 例，年龄60～88 岁，平均（68.7 ±6.5）岁。其中COPD1-2患者20 例，COPD3-4 患者11 例，PRISm 患者16 例，健康对照组26 例。体质量指数（BMI）为（25.4 ±2.0）kg/m2，FEV1%pre、FEV1/FVC 以及一氧化碳弥散量与肺泡通气量比值（DLco/VA）结果分别为：（81.0 ±34.0）、（75.0 ±17）和（86.5 ±2.0）。见表1。

表1 人口学特征与PFT 检查结果

2.2 CT 定量参数与PFT 结果相关性

FEV1%pre 分别与WL 容积比、RL 容积比、RUL容积比、RML 容积比、LUL 容积比、WL 段以下支气管/肺容积、RL 段以下支气管/肺容积、RUL 段以下支气管/肺容积、RML 段以下支气管/肺容积等参数成正相关。见表2。

FEV1/FVC 分别与WL 容积比、RL 容积比、LL 容积比、RUL 容积比、RML 容积比、LUL 容积比、LLL 容积比、WL 段以下支气管/肺容积、RL 段以下支气管/肺容积、RUL 段以下支气管/肺容积、RML 段以下支气管/肺容积、RLL 段以下支气管/肺容积等参数成正相关。见表2。

表2 PFT 检查结果阻塞性通气障碍指标与呼气相CT 定量参数的相关性

DLco 分别与距胸膜6 mm 血管数量（WL）、距胸膜6 mm 血管数量（RL）、距胸膜6 mm 血管数量（LL）、距胸膜6 mm 血管数量（RML）、距胸膜6 mm血管数量（RLL）成正相关。见表3。

基于表2和表3中的数据可以看出RL 段以下支气管容积/肺容积与PFT 检查结果中的阻塞性通气功能指标存在相关性（图2），且相关性最高，其在正常对照组、PRISm 组、GOLD1 ＋2 组、GOLD3 ＋4 组存在差异（图3）。

图2 RL 段以下支气管容积/肺容积分别与FEV1%pre FEV1/FVC 相关性的散点图

表3 PFT 检查结果弥散功能障碍与吸气相CT 定量参数的相关性

图3 各组病例之间RL 段以下支气管/肺容积的箱式图

从表3结果可以看出LLL 胸膜下6 mm 血管数与患者DLco 相关性最强且在正常对照组、PRISm、GOLD1 ＋2、GOLD3 ＋4 组存在差异（图4）。

图4 各组病例之间LLL 胸膜下血管数的箱式图

根据CT 联合指标绘制的ROC 曲线并计算得出曲线下面积，其曲线下面积超过单一PFT 检查结果（图5和表4）。

表4 曲线下面积

图5 CT 联合指标ROC 曲线

3 讨论

研究发现超过70%的COPD 患者属于早期患者，即处于GOLD 1-2 期，这部分患者症状常较轻微或没有明显的呼吸系统临床症状，在Rotterdam 研究观察到49.4% 的受试者在4.5年内发生了由PRISm 到COPD 的转变。因而绝大部分早期患者未主动求医就诊，错过了最佳的治疗时期［11-12］。临床工作中通常将肺功能检测作为COPD 诊断的金标准，然而其不能发现COPD 早期病理变化，也无法显示不同病理改变的空间分布，更无法对其进行量化［3］。COPD 的特征是呼气气流阻塞，COPD 与不可逆的肺结构改变有关，包括实质破坏（肺气肿）、大气道重塑以及肺内小气道口径和数量的减少［13］。其中小气道病变早于肺实质破坏，Mariaelena 等［14-15］的研究显示，当总的气体潴留率小于肺容积的30%时，几乎完全来自小气道病变。对于相对较大的肺来说，不成比例的小气道树可能是气流阻塞和气体潴留的主要决定因素，虽然由于分辨率的限制，CT 不能显示小气道，但是中央气道尺寸的测量是有用的，因为这也反映了小气道疾病的组织学特征，导致小气道过度阻塞的相同病理生理过程也发生在较大的气道［16-17］。有研究指出，COPD 患者CO扩散能力下降，DLCO 的降低与疾病严重程度和预后不良相关［18］。在有和没有气流受限的吸烟者中，很大一部分肺气肿进展不能通过1 秒内用力呼气量的变化来解释，这表明CT 检测到的疾病可以在肺功能测试检测到任何可测量的变化之前进展［3］。CT 定量分析以－950 HU 为阈值量化肺气肿的分布为基础，从对小气道形态学测量到双气相体素匹配建立参数反映图，随后更与人工智能结合，已在COPD 诊断过程中体现了巨大价值，然而以前的研究要么集中在肺气肿的量化，要么集中在使用基于CT 的指数评估气道壁［1，19］。本研究主要集中在对于早期COPD 患者（PRISm）和轻中度COPD 患者（GOD1 ＋2）的气道容积CT 定量参数与PFT 检查结果的相关性、各组间病例定量参数差异性以及患者弥散功能DLco 与胸膜下血管CT 定量参数相关性的分析上。

本研究结果表明气道容积与肺容积的比值与患者的阻塞性通气功能存在相关性，胸膜下小血管数量与患者弥散功能存在相关性，且均在各组病例间存在差异。通过胸部CT 及其定量技术可以评估患者小气道病变导致管腔狭窄情况以及因缺氧和毛细血管床压力改变导致的肺部小血管重构情况。

在所有参数中呼气相RL 段以下支气管容积/肺容积与PFT 检查结果中的阻塞性功能障碍指标FEV1%pre、FEV1/FVC 相关性最强。本研究认为这可能是由于以下3 个原因：（1）尽管COPD 存在各种表性，但其中最常见的CLE 多发生于肺上叶，Fleischner 协会的研究表明原发病变是由单个腺泡内呼吸性细支气管的扩张和破坏造成的［13］。本研究的病例中早期和轻中度COPD 患者较多，这部分患者可能处于上叶肺组织已经出现小气道病变但却未发展成肺气肿阶段。（2）右肺上叶不仅位置相对固定活动度小，且远离心脏受到心脏搏动影响较小，能够得到较为真实不收干扰的测量数据。（3）由于患者肺组织内部机械特性的变化，用力呼气时的气道塌陷加重，导致FEV1降低，FEV1/FVC 比值降低，从而在肺活量测定中出现阻塞性通气缺陷［18］。Kurosawa 和李一鸣等［20-21］在研究中发现下游气道在呼气相极度狭窄甚至闭合而在吸气相开放尚可。因此对于早期和轻中度COPD 患者，气道容积改变可能更多体现在呼气相。

本研究对比段及以下支气管容积后发现排除掉段支气管容积后的定量参数与PFT 结果相关性更强，这与以前的研究结果也是一致的，更加表明小气道的过度阻塞发生在大气道病变之前［22］。本研究将病例分为健康对照组与患病组，利用相关容积比值的参数带入二项Logistic 回归方程以此绘制CT 定量参数多指标的ROC 曲线，结果发现其曲线下面积明显大于PFT 单一项指标。

早期COPD 患者的肺功能受损程度较轻，肺通气的功能指标FEV1虽然目前应用最广泛，但对早期的肺功能变化不敏感，测不出早期COPD 肺通气的变化［23］。COPD 早期病变比较局限，加之周围肺组织的代偿，对整体肺泡通气量与全肺血流量影响较小。其次，对于配合欠佳或病重患者不能耐受等因素，均可能影响肺功能检查的准确性［24］。本研究结果表明肺血管的CT 定量参数与DLco 存在相关性。在相关结果的箱式图中发现定量指标并不是随着严重程度增高而逐步下降，PRISm 患者的相关指标在所有组别中最低。本研究认为这可能是与PRISm 患者存在一定程度限制性疾病有关［12］。

本研究存在一定的局限性：单中心研究病例数较少尤其是GOLD1 患者较少，因此为保持均衡，本研究将受试者中GOLD1、2 期患者合并为一组，此项不足仍有待日后进一步完善。

综上，本研究表明，CT 定量参数能够为COPD 患者早期诊断及反应其弥散功能提供有效帮助。近年来，我国政府陆续出台慢阻肺防控政策县级医院要实现国家大病不出县的目标，规范治疗呼吸系统常见病，然而目前基层医医疗机构没有配备标准肺功能仪，基层医务人员慢阻肺防治知识不足，未经过PFT检查专业培训［25］。对比胸部CT，PFT 检查耗时耗力，且部分患者无法配合检查，本研究结果能够在一定程度上弥补此类不足。