慢性阻塞性肺疾病的影像学检查方法及进展

马喜娟 郝敬明

慢性阻塞性肺疾病的影像学检查方法及进展

马喜娟 郝敬明

郝敬明 教授

慢性阻塞性肺疾病（COPD）是一种进行性发展的以不完全可逆的气流受限为特征的慢性呼吸系统疾病［1］，其临床诊断主要依靠吸烟等高危因素史、临床表现及肺功能检查（PFT）等综合分析确定。PFT测量第1秒用力呼气容积（FEV1）、用力肺活量（FVC）及FEV1／FVC，以及一氧化碳弥散量（DLCO）、肺总量（TLC）、残气量（RV）等指标，反映肺的整体功能，当肺组织破坏＞30%时才会出现异常［2］，对COPD早期诊断价值有限。COPD影像学检查，尤其CT、MR肺功能成像，在早期和定量诊断、形态学的功能评价具有明显优势，并且使术前预测和预后评估成为可能。本文就COPD影像学检查方法及进展进行论述。

1 X线检查

X线胸片对COPD诊断特异性不高，但作为确定肺部并发症及与其他肺疾病进行鉴别的检查方法，应常规使用，且目前仍被广泛应用于肺气肿为主型COPD的诊断。

慢性支气管炎早期X线无异常表现，随病情反复发作，可见两肺纹理增粗、紊乱，呈网状或条索状、斑点状阴影，或出现双轨影和袖套征，以双下肺野较明显。

X线对肺气肿的评价主要通过分析肺野透过度及肺纹理的改变，但对轻度肺气肿或气道病变为主者的诊断有困难。Maki等［3］提出了肺气肿X线胸片分级标准。

2 CT检查

多层螺旋CT（MSCT）能够显示中央气道、周围气道、肺实质及肺血管的病变，在PFT出现异常之前发现肺解剖结构的异常，而且能对COPD病例进行形态表现分型，同时定量反映肺功能状况。

2.1 COPD的分型 赖以分型的主要CT表现为有无肺气肿或支气管壁增厚（BWT），及相应的定量诊断。根据目测的有无以低衰减区（LAA）为代表的肺气肿及其范围把COPD分为2种类型［4］，即肺气肿为主型（LAA＞50%肺野）和气道病变为主型（LAA＜25%肺野）。以目测的有无肺气肿或BWT为主把COPD分为3种类型［5］：A型，无肺气肿，有或无BWT；E型，有明显肺气肿，无BWT；M型，肺气肿和BWT共存。后一种分型应用较多。2.2 COPD的CT定量评价 包括目测半定量和数字客观定量。目测半定量简单易行，但具有主观性限制。客观定量分析允许评定全部和局部的肺气肿改变，评定肺气肿范围更准确可靠，也更有利于监视肺气肿性肺破坏的进展。

2.2.1 气道病变的主观半定量评价：小气道（直径＜3 mm的支气管）是发生气流限制的最重要部位，小气道在高分辨CT（HRCT）的分辨率＜0.2mm时不能显示，但组织学上软骨性气道的大小与小气道的炎症程度相关，研究认为测量大气道管壁厚度或管腔狭窄程度可估计小气道病变程度［6］，并且但可通过评价空气潴留间接反映小气道受累。

有关BWT的诊断有多种大致类似的标准：0级为无增厚，1级为管壁厚度＜相邻肺动脉直径50%，2级为管壁厚度≥相邻肺动脉直径50%［5］；或0级为管壁厚度＜相邻肺动脉直径30%，1级为管壁厚度≥相邻肺动脉直径30%（30%管壁厚度），但≤相邻肺动脉直径50%［7］；或管壁厚度＜邻近肺动脉直径的1／2为1级，管壁厚度等于邻近肺动脉直径的50%～100%为2级，管壁厚度＞邻近肺动脉直径的100%为3级［8］。肉眼视觉可对空气潴留进行主观半定量评分［9］：0分为无空气潴留，1分为＜20%横断面肺实质有空气潴留，2分为20%～39%横断面肺实质有空气潴留，3分为40%～59%横断面肺实质有空气潴留，4分为60%～79%横断面肺实质有空气潴留，5分为≥80%横断面肺实质有空气潴留。2.2.2 气道病变的CT数字定量评价：CT可以测量评估气道腔、气道壁的径线，可计算气道直径、气道面积及各种比例。气道壁的CT测量最初是用手工测量支气管管壁的厚度和支气管直径，只能测量与CT横断面垂直的支气管，易发生误差，三维技术的应用使得可测量任何方向的气道。近年提出了多种半自动化的评估含气气道大小的方法，最简单的方法是用一个像素阈值将管壁切割出来［10］，应用最广泛的方法是“半最大时的全宽”（full width at halfmaximum，half-max）技术，随后又出现多种测量法如最大可能法、分数引导侵蚀法（score-guided erosion）等［11］。

CT测量气道还有一定限度，如不能直接测量小气道，测量大气道哪种算法最好尚无定论，测量多少支气管及哪些支气管更为可靠，以及CT成像参数、辐射剂量的控制、病人体位、吸／呼气相的选择、吸气量等亦未达成共识。

2.2.3 肺气肿的主观视觉评估：目前国际上通用的一种基于HRCT视觉评分方法对肺气肿按严重度分4级［12］：0级：无肺气肿；1级：直径＜5 mm的低密度区，有或无肺纹理减少；2级：直径＜5 mm和＞5 mm的低密度区共存，常有肺纹理减少和扭曲；3级：弥漫性较大范围的低密度区，伴有肺纹理减少和扭曲。按范围也分为4级：1级：病变累及的范围＜25%；2级：累及25%～50%；3级：累及50%～75%；4级：累及75%～100%。各层肺气肿的程度和累及范围的乘积相加后再除以扫描层数即是肺气肿的分数：0分：无肺气肿；0.1～8分：轻度肺气肿；8.1～16分：中度肺气肿；16.1～24分：重度肺气肿。HRCT视觉评分仅利用选择的几个局部层面对肺气肿进行评估，有一定片面性，还受观察者主观因素影响。

2.2.4 肺气肿的CT定量评估：目前低剂量CT技术的开发及迭代算法的应用，为CT全肺呼、吸双相扫描创造了条件，并用CT肺功能评价软件进行定量分析，得出CT肺功能指标如肺容积、平均肺密度、动态肺密度、像素指数等，有利于监测肺气肿性肺破坏的进展，还可以预测手术后肺功能［13］、监测单侧肺移植后的肺功能［14］。CT肺功能成像受到各种因素影响，包括病人的年龄、体型、吸气深度、CT扫描参数、重建算法及所选择的阈值等［15］，在分析时要客观考虑各方面因素。目前，CT肺功能检查时选择吸气相、呼气相尚存在争议［2，16］，较多认为吸气CT反映轻、中度肺气肿肺功能较好，呼气CT反映重度肺气肿肺功能较好。

肺容积的测定多采用MSCT分别在呼、吸两相对全肺进行连续扫描，运用肺容积测定软件计算CT肺功能指标，包括：深吸气末肺容积（Vin）、深呼气末肺容积（Vex），并计算容积差（Vin-Vex）、容积比（Vin／Vex）。有研究显示CT肺功能指标与PFT的TLC、RV、肺活量（VC）、RV／TLC具有良好的相关性［17］。

肺密度反映的是肺组织、肺内血液、气体、细胞外液等各种组分的综合密度，提供定量数值。测量平均肺密度的方法包括局部感兴趣区法和自动肺密度评估软件法。影响肺密度的因素很多，有扫描层厚、体位、呼吸幅度、年龄等，其中呼吸幅度为最主要影响因素，平均每10%肺活量的吸气差异就有约16 HU。有认为选择50%肺活量呼吸状态下进行肺密度测定比较合理。结合肺容积测定，计算低CT值区域容积占全肺容积的百分比有助于定量评估肺气肿。

动态肺密度测定最先应用电子束CT完成，在一个呼吸周期内将整个呼吸过程肺密度的动态变化记录下来，由于设备难以普及，目前应用较少。

像素指数指某一阈值下的像素范围所占面积与全肺面积的比值。将全肺的像素分布情况制成像素直方图，能总体了解各像素在不同的CT值范围内所占的比例和通气功能状况。一般多采用将肺组织分为4个区间：A：－1024～－910 HU，代表呼气受阻部分的肺实质；B：－900～－801 HU，代表正常通气的肺实质部分；C：－800～－701 HU，代表吸气减少的肺实质部分。D：＜－700 HU。正常人呈类正态分布［18］，深吸气相波峰位于－850～－950 HU，深呼气相波峰位于－700～－800 HU，深吸气时平均肺密度稍低，波峰稍向左移。当区间A的像素明显增加或有曲线左移时，则意味着阻塞性通气功能障碍；若区间D的像素明显增加，伴有其他区间像素减少或曲线右移时，意味着限制性通气功能障碍；当A和D区均有像素增加，而B区像素明显减少，则提示混合性通气功能障碍。结合CT肺形态特点、像素指数及像素分布曲线可评估患者的通气功能。

2.3 COPD的CT检查展望 CT肺功能成像技术将形态学和肺的功能性改变结合起来，对于局部肺通气功能测定、肺气肿流行病学的研究、肺部术前肺功能评估及治疗方案的选择、预测部分肺切除后的肺功能及手术风险的评估具有现实优势和潜在价值［19］。目前CT肺功能检查多推荐呼吸双相检查，尤其推荐低剂量双相检查，目前国内外尚未制定低剂量CT检查相关的规范和标准。随着CT技术的不断改进，CT肺功能成像技术将有十分广阔的应用前景。

3 MRI肺功能成像

3.1 MR动态呼吸成像 MR快速序列行呼吸双相全肺扫描，用自动化评估软件测算肺容积，评价肺功能，并可结合任意切面动态扫描，对呼吸运动、胸廓、膈肌运动及心脏大血管的容积变化进行研究，用MR电影，结合时间-距离曲线，进行分析和测量胸腔上下、前后径变化。

呼吸运动的研究主要针对于膈肌和胸壁运动。对健康志愿者的研究证明动态呼吸MR成像能够直接非侵入性地显示膈肌的呼吸运动［20］，对于呼吸运动的生理机制能够进行量化评价，膈肌的动度与PFT的结果有良好的相关性，时间距离曲线有助于对膈肌在呼吸生理机制中作用的理解。肺气肿患者膈肌的运动和异常的肺通气过度之间同样有密切关系，胸廓平均上下径与RV、冠状位最大膈肌运动幅度与FVC%及FEV1%、矢状位最大胸壁运动幅度与FEV1%均呈正相关。时间-距离曲线显示，正常曲线呈规则、同步的横隔、胸壁运动，曲线呈锯齿状或山峰状，通气功能障碍者，曲线平坦，呈不规则、不同步的横隔、胸壁运动，甚至出现反向运动［21］。

3.2 超极化气体吸入后MR肺通气-灌注成像及弥散成像 放射性核素检查常规用于肺通气-灌注功能评价，但由于检查需放射性物质，应用受到极大限制。近年来，利用吸入超极化气体（3He或129Xe）进行MR肺通气和灌注成像反映局部肺功能，取得良好成像效果。

惰性气体超极化MRI与1HMRI相比不同［22］：（1）惰性气体MR的信号是用独立于MR成像装置的光泵得到的；（2）超极化气体用于图像采集时气体磁性不可逆减少，信号强度下降，需不断吸入新鲜极化气体以维持每幅图相似的信号强度。超极化MRI序列的选择主要取决于所需要的空间分辨率，高场强时，T2和T2*成像主要选择FLASH序列以及快速扰相梯度回波序列，也可使用回波平面成像序列、快速自旋回波序列、快速采集弛豫增强序列。最近研究表明，稳态进动快速成像和稳态自由进动序列尤其适应于低场强时的T2和T2*加权成像［23］。发展低费用、低场强扫描MRI和特异T2和T2*加权成像序列将成为超极化MR成像研究领域的热点之一［24］。

超极化3He MR弥散成像（DWI）已开始用于临床研究包括COPD在内的多种呼吸系统疾病［25］。超极化3He和129Xe作为气体造影剂，吸入后气体原子在肺内迅速扩散，测量肺内3He或129Xe原子的表面弥散系数（ADC），是整体评价肺显微结构的形态学测量新方法。ADC值大小反映含气组织的容积大小，肺气肿时由于肺泡扩张，气体在肺实质内受到的限制较少，弥散范围较广，ADC值增加，而且定量ADC测定与肺活量测定有强相关性。

3.3 氧（分子氧吸入）增强MR肺通气-灌注成像 能获得具有良好空间分辨力和时间分辨力的肺通气-灌注图像，直观反映肺局部肺通气-灌注功能及肺功能受损的范围和分布，其采用快速采集自旋回波序列，扫描时间短、图像信噪比高。Ohno等［26］在临床MR评价肺功能试验中取得了良好的氧增强磁共振肺通气图像，发现吸入100%纯氧后肺信号强度的增高与一氧化碳弥散能力两者间存在相关性。

肺灌注成像序列各家应用并不一致。Nakagawa等［27］在1.5T MR设备应用动态三维快速梯度回波成像（GRE）序列获得肺的磁共振灌注成像；Chen等［28］在1.5T MR设备应用动态二维快速小角度激励（FLASH）序列，在动物实验中获得良好的肺灌注图像；Hatabu等［29］采用短TE反转恢复快速FLASH序列进行健康人肺灌注成像，结果显示，使用5ml Gd-DTPA经外周静脉注入成像，肺实质灌注信号强度呈速升速降型，适合观察再循环和定量研究血流灌注。

COPD患者由于局部肺泡壁的退化和毛细血管床的减少，导致局部肺组织氧分子扩散到周围毛细血管的量和脱氧血红蛋白的量减少，从而使生理无效腔增大，局部肺在氧增强肺通气图像上表现为信号强度明显减低，肺血流灌注成像上由于局部肺组织血流量的减少表现为灌注缺损，局部肺组织信号强度明显减低［30］。

图像后处理是获得定量与定性信息，检测肺通气-灌注功能的重要步骤，通过吸氧前后MR通气图像的减影，获得肺通气图像，测量感兴趣区的信号强度，根据公式计算出T1加权时间，定量分析氧增强的效果［27］。通过比较健康志愿者与病人的平均相对增强率时间曲线，计算最大平均相对增强率和平均相对增强斜率，可以评估其与肺功能的相关性［28］。通过计算吸氧前后、肺灌注前后局部肺组织信号强度增强百分率，反映局部肺组织的增强情况，评价局部肺的通气-灌注功能［26，28］。

由于肺特殊的结构和心脏、呼吸运动伪影，导致低的信噪比和检查成功率下降，氧增强MR肺通气-灌注成像技术有待于进一步改进和发展，相信随着MR检查技术的发展和图像后处理技术的完善，它将会成为一种评价肺功能的重要工具。

［参考文献］

［1］ 中华医学会呼吸病学分会慢性阻塞性肺疾病学组.慢性阻塞性肺疾病诊治指南（2007年修订版）［J］.中华结核和呼吸杂志，2007，30（1）：8-17.

［2］ Akira M，Toyokawa K，Inoue Y，et al.Quantitative CT in chronic obstructive pulmonary disease：inspiratory and expiratory assessment［J］. AJR Am J Roentgenol，2009，192（1）：267-272.

［3］ Maki DD，Miller WT Jr，Aronchick JM，et al.Advanced emphysema： preoperative chest radiographic findings as predictor of outcome following lung volume reduction surgery［J］. Radiology，1999，212（1）：49-55.

［4］ Tatsumi K，Kasahara Y，Kurosu K，et al.Clinical phenotypes of COPD：results of a Japanese epidemiological survey［J］.Respirology，2004，9（3）：331-336.

［5］ Fujimoto K，Kitaguchi Y，Kubo K，et al.Clinical analysis of chronic obstructive pulmonary disease phenotypes classified using high-resolution computed tomography［J］.Respirology，2006，11（6）：731-740.

［6］ Orlandi I，Moroni C，Camiciottoli G，et al.Chronic obstructive pulmonary disease：thin-section CT measurement of airway wall thickness and lung attenuation［J］.Radiology，2005，234（2）：604-610.

［7］ Kitagichi Y，Fujimoto K，Kubo K，et al.Characteristics of COPD phenotypes classified according to the findings of HRCT［J］.Respir Med，2006，100（10）：1742-1752.

［8］ Copley SJ，Wells AU，Müller NL，et al.Thin-section CT in obstructive pulmonary disease discriminatory value［J］.Radiology，2002，223（3）：812-819.

［9］ Bankier AA，Schaeler-Prokop C，De Maetelaer V，et al.Air trapping：comparison of standard-dose and simulated low-dose thin-section CT techniques［J］.Radiology，2007，242（3）：898-906.

［10］Ley-Zaporozhan J，Kaucor HU.Imaging of airways：chronic obstructive pulmonary disease［J］.Radiol Clin North Am，2009，47（2）：331-342.

［11］Matsuoka S，Yamashiro T，Washko GR，et al.Quantitative CT assessment of chronic obstructive pulmonary disease［J］.Radiographics，2010，30（1）：35-66.

［12］Makita H，Nasuhara Y，Nagai K，etal.Characterisation of phenotypes based on severity of emphysema in chronic obstructive pulmonary disease［J］.Thorax，2007，2（11）：932-937.

［13］Sverzellati N，Chetta A，Calabro E，et al.Reliability of quantitative computed tomography to predict postoperative lung function in patients with chronic obstructive pulmonary disease having a lobectomy［J］.JComput Assist Tomogr，2005，29（6）：819-824.

［14］Zaporozhan J，Ley S，Gast KK，et al.Functional analysis in single-lung transplant recipients：a comparative study of high-resolution CT，3He-MRI，and pulmonary function tests［J］.Chest，2004，125（1）：173-181.

［15］Gierada DS，Bierhals AJ，Choong CK，et al.Effects of CT section thickness and reconstruction kernel on emphysema quantification relationship to the magnitude of the CT emphysema index［J］.Acad Radiol，2010，17（2）：146-156.

［16］Zaporozhan J，Ley S，Eberhardt R，et al.Paired inspiratory／expiratory volumetric thin-slice CT scan for emphysema analysis：comparison of different quantitative evaluations and pulmonary function test［J］.Chest，2005，128（5）：3212-3220.

［17］Coxson HO，Rogers RM.Quantitative computed tomography of chronic obstructive pulmonary disease［J］. Acad Radiol，2005，12（11）：1457-1463.

［18］陈淮，曾庆思，关玉宝，等.多层螺旋CT定量成像技术肺部参数应用［J］.中国医学影像技术，2010，26（2）：351-354.

［19］Carretta A，Ciriaco P，MelloniG，et al.Correlation of computed tomography densitometry and pathological grading of emphysema with the variation of respiratory function after lobectomy for lung cancer［J］.Interact Cardiovasc Thorac Surg，2010，10（6）：914-917.

［20］李洪伦，郭佑民，徐贵平，等.健康成年人膈肌呼吸运动的动态MRI初步研究［J］.实用放射学杂志，2006，22（11）：1324-1327.

［21］Suga K，Tsukuda T，Awaya H，et al.Interaction of regional respiratory mechanics and pulmonary ventilatory impairment in pulmonary emphysema：assessment with dynamic MRI and Xenon-133 Single-Photon emission CT［J］.Chest，2000，117（6）：1646-1655.

［22］吴晓明，张志琴，郭佑民.肺通气MRI研究进展［J］.中国医学影像技术，2004，20（2）：311-313.

［23］Wild JM，Teh K，Woodhouse N，et al.Steady-state free precession with hyperpolarized 3He：experiments and theory［J］.JMagn Reson，2006，183（1）：13-24.

［24］Mair RW，HrovatMI，Patz S，etal. 3He lung imaging in an open access，very-low-field human magnetic resonance imaging system［J］.Magn Reson Med，2005，53（4）：745-749.

［25］Swift AJ，Wild JM，Fichele S，etal. Emphysematous changes and normal variation in smokers and COPD patients using diffusion 3He MRI［J］. Eur J Radiol，2005，54（3）：352-358.

［26］Ohno Y，Hatahu H，Takenaka D，et al.Oxygen-enhanced MR ventilation imaging of the lung：preliminary clinical experience in 25 subjects［J］.AJR Am JRoentgenol，2001，177（1）：185-194.

［27］Nakagawa T，Sakunma H，Murashima S，et al.Pulmonary ventilationperfusion MR imaging in clinical patients［J］.J Magn Reson Imaing，2001，14（4）：419-424.

［28］Chen Q，Levin DL，Kim D，et al. Pulmonary disorders：ventilation-perfusion MR imaging with animalmodels［J］.Radiology，1999，213（3）：871-879.

［29］Hatabu H，Gaa J，Kim D，et al. Pulmonary perfusion：qualitative assessment with dynamic contrast-enhanced MRIusing ultra-short TE and inversion recovery turbo FLASH［J］. Magn Reson Med，1996，36（4）：503-508.

［30］McAdams HP，Hatabu H，Donnelly LF，et al.Novel techniques for MR imaging of pulmonary airspaces［J］. Magn Reson Imaing Clin N Am，2000，8（1）：205-219.

［中图分类号］R 563；R 814.4

［文献标识码］A

doi：10.3969／j.issn.1003-9198.2012.04.003

收稿日期：（2012-05-20）

作者单位：221009江苏省徐州市，徐州市中心医院影像科