双气相CT 新容积参数评估COPD 患者肺通气功能的价值

谢东，叶涛，王联芙，洪奇，李建斌，李强

慢性阻塞性肺疾病（COPD）是具有多种临床和病理生理学特征的异质性疾病，由暴露于吸入颗粒物以及遗传等因素共同导致[1]。2019 年，全球有1620万COPD 新发病例，导致330 万人死亡，每年产生高额公共卫生开支，带来沉重的经济负担[2]。CT 容积定量评估是对COPD 患者肺功能相关研究的重要组成部分之一，在COPD 的诊断、治疗及预后中的应用前景十分显著[3]。双气相胸部CT 扫描是指同时在患者的最大吸气末及最大呼气末进行扫描的一种影像扫描技术，对比常规CT 胸部扫描，其与肺功能的相关性更高，可更准确直观地反映受检者的肺功能[4]。既往研究发现COPD 患者吸气末和呼气末的两肺容积差和两肺容积收缩比均随着疾病加重下降，与肺功能检查结果相关[5]。据此，本研究提出了一种新的双气相CT 容积定量参数，对比其他容积参数，探究其与COPD 患者肺功能的相关性和诊断COPD 的效能。

1 资料与方法

1.1 一般资料 收集2021 年1 月至2022 年12 月在宁波大学附属人民医院就诊的135 例确诊或疑似COPD患者（有慢性支气管炎症状，即连续2 年以上，每年持续3 个月以上的咳嗽、咳痰或气喘），均同期进行双气相胸部CT 扫描和临床肺功能检查。根据排除标准最终纳入77 例，其中男52 例，女25 例；平均年龄（69.3±10.7）岁；平均身高（160.6±8.4）cm；平均体质量（58.6±13.8）kg；其中20 例（25.97%）有相应临床症状，但经肺功能检查无明显呼气受限；57 例有相应临床症状且存在不同程度的呼气受限；根据GOLD分级，其中I级11 例（14.29%），II 级13 例（16.88%），III 级24 例（31.17%），IV 级9 例（11.69%）。排除标准：（1）有影响肺容积的病变，如胸廓畸形、肺叶或肺段切除术后、严重的肺不张、大量胸腔积液等；（2）肺内肿瘤或肿瘤样病变直径＞5 cm；（3）其他显著影响图像的肺部疾病，如肺结核、肺大面积感染、严重的支气管扩张等。本研究经宁波大学附属人民医院医学伦理委员会审批通过。

1.2 CT 扫描方法 采用UCT-550 40 排螺旋CT（上海联影）对患者进行双气相胸部扫描。扫描参数设置为：管电压120 KV，管电流采用uDose自适应动态管电流，平均约100 mAs，螺距1.075，转速0.7 s/r，层厚5.0 mm，层间距5.0 mm，FOV 350 mm×350 mm，矩阵512×512。扫描前由技师先对其进行呼吸训练，完成训练后受检者于检查床上取仰卧位，双手抱头。在深吸气末时令受检者屏气并扫描，随后平静呼吸1 min，并于深呼气末时令受检者屏气并扫描，两次扫描范围均需包含肺尖至肺底。检查结束后由经验丰富的放射科技师检查图像，确保两肺图像完整且无明显伪影，并对图像进行薄层骨算法KARL 3D迭代重建，采用自适应滤波函数，重建层厚1.0 mm，重建层间距1.0 mm。

1.3 图像后处理 将双气相扫描图像原始数据通过DICOM传输到上海联影的医学影像处理软件uWSCT（版本R005.5.0.1135761），软件可自动处理图像进行肺分割，识别叶间裂并区分各肺叶，见图1，在吸气相和呼气相CT 中分别计算全肺以及各肺叶的容积，并可根据所给出CT 值阈值，计算相应的全肺及各肺叶低衰减区域容积及高衰减区域容积，见图2。

图1 CAD 自动化肺分割和肺叶识别

图2 CAD识别肺气肿区域及气管腔，78 岁COPD患者，男性，GOLD III级，两肺呼气相CT重建冠状位图像，红色部分为CAD 以—950HU为阈值所描出的肺气肿区域（约占全肺容积3.1%），蓝色为气管腔区域

1.4 肺功能检查 由主治及以上呼吸科医师对受检者进行肺功能检查，受检者采取端坐姿势，采用Jaeger肺功能仪（德国耶格）测量患者的肺功能指标，包括第1 秒用力呼气容积占预计值百分比（FEV1%pred）、第1 秒用力呼气容积占用力肺活量百分比（FEVl/FVC）。

1.5 指标计算 计算各双气相容积参数，吸气相肺容积为VIns，呼气相肺容积为VExp，全区收缩比=1—VIns/VExp；LAA%—950HU为小于—950 HU的低衰减区域占肺容积的百分比，是常用的衡量肺气肿的指标，相应获得肺气肿区域容积（Vemp），定义此外的区域为非气肿区域容积（VNemp），非气肿区收缩比=1—VNemp—Ins/VNemp—Exp；以—856 HU为阈值，定义吸气相时大于此阈值的为高衰减区域，定义肺容积去除肺气肿区域和高衰减区域的肺组织容积为功能区（VFun），功能区收缩比=1 — VFun—Ins/VFun—Exp。计算平均肺密度（MLD），吸气相MLD 为MLDIns，呼气相MLD 为MLDIns，全肺密度比=MLDExp/MLDIns。

1.6 统计方法 采用SPSS 25.0统计软件进行分析，计量资料以均数±标准差表示，计数资料以率表示，各容积定量参数与肺功能指标采用Spearman 相关分析；采用ROC曲线评估各指标对COPD的诊断价值。P ＜0.05 表示差异有统计学意义。

2 结果

2.1 各容积定量参数与肺功能的相关性分 除右肺中叶外，全肺及各肺叶的全区收缩比、非气肿区收缩比、功能区收缩比等容积定量参数与FEV1%pred、FEV1/FVC 呈正相关（P ＜0.05），见表1 ～3。

表1 全肺及各肺叶全区收缩比与肺功能指标的相关性

表3 全肺及各肺叶功能区收缩比与肺功能指标的相关性

2.2 各定量参数的诊断效能比较 以FEV1/FVC＜70%为诊断标准，通过绘制ROC 曲线评估各容积和密度参数在诊断COPD 中的效能，见图3。全肺收缩比、LAA%—950HU、全肺密度比在诊断COPD中的效能近似，功能区两肺收缩比及非气肿区两肺收缩比用于诊断COPD 中的效能更高，见表4。

表4 各肺容积/密度参数用于COPD 诊断的ROC 曲线结果

图3 各量化参数诊断COPD 的ROC 曲线

3 讨论

COPD是一种常见的呼吸道慢性疾病，有无法治愈、反复加重及持续进展等特点，对疾病诊断和治疗的延后将导致患者的肺功能随着疾病进程快速降低，严重影响患者的生命健康和生存质量[6]。当临床肺功能检查发现异常时，患者的肺功能下降可能已超过了30%，研究表明胸部CT 相对肺功能检查可以更早发现COPD 患者的肺部异常。CT 是评价COPD 患者结构及病理生理改变的首选检查方法，在COPD病程中的作用亟需更多的研究和重视[7]。多年来研究者总结了许多用以衡量COPD 患者肺功能的CT 定量参数，较为常见的有各种容积和密度参数，如肺气肿定量参数LAA%—950HU、MLD，气道定量参数如支气管壁厚度、壁面积百分比等，也可获得以往只在临床肺功能检查中获取的参数，如功能残气量、残气量及总肺活量等[8-9]。与常规CT 相比，双气相CT 的容积和密度量化参数对诊断COPD 的效能更高[10]。

MLD 是较容易获得的密度定量参数，可以用于衡量肺纤维化，也可用于估计肺气肿的程度。通过MLD 计算得到肺密度比，计算两肺在吸气相和呼气相过程中的肺密度改变，可间接衡量肺组织的舒张及收缩能力[11]。低衰减区域百分比是常用的肺气肿定量参数，Modani等[12]通过与病理标本的宏观及微观计量学对比，估算量化肺气肿的HU 阈值为—970 HU 或—960HU，考虑到不同CT 的参数区别以及容积效应等细微影响，目前最常用LAA%—950HU。本研究中，通过计算MLD得到的全肺密度比在诊断COPD的效能稍低于LAA%—950HU及其他容积参数。

两肺收缩比是通过两肺在吸气相/呼气相的容积改变，直接衡量两肺的舒张和收缩能力，反映两肺的顺应性[13]。对COPD 患者而言，其肺气肿病变将直接减少了正常肺组织容积，也通过张力等因素间接减少了周围的正常肺组织的通气能力，而慢性支气管病变则进一步降低了正常肺组织的顺应性和通气能力[14]。本研究通过去除肺气肿区域和高衰减区域，尝试将肺气肿和小气道病变这两个COPD 的基础病理改变纳入同一个容积参数中，发现非气肿区收缩比与肺功能指标的相关性高于全区收缩比，用于诊断COPD 的效能更高，而功能区收缩比和肺功能的相关性、诊断COPD 的效能同样超过了全区收缩比，但与非气肿区收缩比的差异并不显著；猜测是因为COPD患者肺部的高衰减区域对于肺功能的影响相对较小，可产生直接且显著影响的慢性小气道病变需要用更好的方式来量化。两下肺的收缩比，包括全区收缩比、非气肿区收缩还是功能区收缩比，其与肺功能指标的相关性均高于上肺，或许是与肺气肿的分布对肺功能的影响有关，导致下肺的收缩比下降对肺功能指标影响更显著[15]。

肺气肿是产生静态肺过度充气的重要原因，诸如肺弹性下降、气流阻力上升等因素导致动态肺过度充气，静态肺过度充气和动态肺过度充气综合导致了肺过度充气，继而导致COPD 患者呼吸困难及降低患者运动耐量[16]。本研究中所提出的肺功能区收缩比一定程度上反映了COPD患者两肺内保留功能的肺组织的顺应性，或可进一步对其与患者的肺静态和动态过度充气的相关性展开研究。

综上所述，通过双气相CT 获得的非气肿区收缩比和功能区收缩比两个容积参数与COPD患者的肺功能相关，有望对COPD 的诊断发挥一定作用。

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