建立正常人肺血管容量的无创精确测量方法的初步报告*

孙兴国，Songshou Mao， Matthew J. Budoff, William W. Stringer，程显声

（1.中国医学科学院 北京协和医学院 国家心血管病中心阜外医院 心血管疾病国家重点实验室， 国家心血管疾病临床医学研究中心， 北京100037；2.美国加州大学洛杉矶分校Harbor-UCLA医学中心，洛杉矶生物医学研究院，圣约翰心血管研究中心，美国 加州90502）

建立正常人肺血管容量的无创精确测量方法的初步报告*

孙兴国1,2，Songshou Mao2， Matthew J. Budoff2, William W. Stringer2，程显声1

（1.中国医学科学院 北京协和医学院 国家心血管病中心阜外医院 心血管疾病国家重点实验室， 国家心血管疾病临床医学研究中心， 北京100037；2.美国加州大学洛杉矶分校Harbor-UCLA医学中心，洛杉矶生物医学研究院，圣约翰心血管研究中心，美国 加州90502）

目的：由于传统呼吸调控环路忽略了对血液循环的决定性作用，肺（静脉）血管容量相关研究甚少，亟需建立肺血管容量测量方法。 方法： 选择正常志愿者完成CT全肺扫描，图像数据经过计算机软件分析处理，从肺尖到肺底以40～50层进行肺野手工切划，相邻层间由计算机自动模拟连接，在去除干扰后进行全肺血管（≥0.6 mm）高精度三维立体成像技术处理，进而计算全肺和肺血管容积。结果：12例正常志愿者从肺尖到肺底CT扫描图片层数为530±98（431～841）张。全肺和肺血管的总容积是3705±857（2398～5383）ml ，肺血管血液总的容积是125±32（94～201）ml。按肺静脉系统血管容量约为全肺血管血液容量一半计算，应该是63±16（47～100）ml。结论：肺CT扫描数据分析三维立体成像建立肺血管容量无创测量方法精确可行。

肺脏CT扫描；肺血管总容量；肺血管树；肺静脉血管容量

传统的呼吸调控中，总是借助人为地提高或降低血液中的氧分压和二氧化碳分压等血气信号来分析其对呼吸的影响。但动脉血液中的氧和二氧化碳是非恒定值，是随着呼吸周期而周期性波动的波浪式信号[1]，这才是呼吸切换调控的主信号。在整体整合生理学医学新理论体系对呼吸调控机制的解释中，血液循环及其时间延迟的决定性作用，需要测定肺毛细血管后方肺静脉血管血液的容量。但由于传统呼吸调控环路对血液循环部分的忽略以及对肺循环的忽视，肺（静脉）血管容量相关研究甚少，亟需建立肺血管容量研究精确、无创的分析方法。

2011年，我们首先从整体整合生理学调控角度提出了呼吸-循环一体化调控新理念[2,3]，进而逐渐构建整体整合生理学医学新理论体系的基本构架[4-9]，我们对整体整合生理学医学体系下的呼吸调控的核心——吸呼时相切换提出假设，呼吸时相切换必须经血液循环来实现，其具体假设机制是⑴肺吸气结果经循环终止吸气期：吸气期在肺部完成气体交换的血液必须经肺静脉、左心房，经左心室内的混合血液在收缩期被射入动脉系统，如果此时动脉血液携带信号（氧气分压上升、二氧化碳分压下降和氢离子浓度降低）足够强，则可触发快反应外周化学感受器上传信号，经中枢神经整合而终止吸气动作，否则还需下一次心搏携带更强的信号才能终止本次吸气；随之进入呼气过程。⑵肺呼气结果经循环终止呼气期：同上述肺吸气终止吸气期[7,10,11]。同时，动脉血液经过脑动脉、脑脊液等延迟（～30 s）到达延髓背侧部位的慢反应中枢化学感受器起到稳定呼吸的作用[7,10-11]。由于血液氧分压、二氧化碳分压和氢离子浓度波浪式信号必须经过肺静脉、左心房后，被左心室射血进入动脉系统，才能传至下游体循环主、颈动脉体部位的快反应外周化学感受器，故左心功能决定信号的肺-动脉传输时间，决定呼吸的节律和频率[1,8,12-15]。肺静脉血管容量、左心房容量和每搏输出量之间的关系反映血液波浪式信号的肺-动脉血液传输时间，所以亟需肺血管容量无创、精确测定的技术与方法。

本研究方法基于高清超速CT全肺野扫描（大约0.6 mm）分层成像技术，CT数据经过专用图像分析软件处理，理论上可以实现无创伤精确测定全肺肺动、静脉血管血液总的容量。选择正常志愿者全肺CT扫描的数据进行分析处理，探索建立全肺血管血液容量无创、精确测定的技术与方法。

1 对象与方法

1.1 研究对象

选择洛杉矶南湾地区正常志愿者12例（男6例，女6例），年龄58±11（34～83）岁，身高171±8（152～183）cm，体质量73±10（52～93）kg。

1.2 测试仪器

美国GE64层多检测器螺旋CT扫描仪（扫描参数：探测准直器40×0.626 mm，管电压120 kVp，管电流220～670 mAs，螺距0.18～0.24，机架旋转时间每周0.35 s，矩阵512×512，像素尺寸0.39 mm2，平均有效放射剂量10.8±1.1 (9.0～13.5) mSv[16,17]。 CT扫描的衰减系数范围（-1024～3072 HU）[13,14]。

1.3 胸部CT全肺扫描检查

采用美国GE64层多检测器螺旋CT扫描仪对洛杉矶南湾地区正常志愿者12例（男6例，女6例）进行全肺扫描肺血管三维成像，精确测定肺血管容量。检查前训练患者深吸气屏气。扫描取仰卧位，头先进，不注射对比剂，从肺尖至肺底行全肺扫描。重建层厚0.6 mm，CT三维重构体积重建算法选择kernel B30。

1.4 胸部CT全肺扫描检查的图像分析处理

将CT扫描图像传至GE AW VolumeShare 5后处理工作站，应用GE AW VolumeShare 5分析软件MultiSync LCD1990SXI系统，3D protocols的Reformat选项，点选Segmentation和Rendering功能后，在Axial胸廓肺脏范围以40～50层，手动勾画左、右两肺，分割纵膈和心脏及大血管；点选Thresholds分别设定测量下限阈值为-1024，-500 HU～ -200 HU，在Histogram的Volume Histogram分析法测量全肺各项CT指标以曲线下面积图示详见图1的A1、A2、A3和A4（图1见彩图页VIII）；同时在Volume Rendering的3D采用三维成像显示与图A1相对应的肺脏形态或者不同状态的肺血管树详见图1的B1、B2、B3和B4（图1见彩图页VIII）。

如图1所示，以-1024HU以上计算全肺和肺血管的总容积是4114.49 ml，主要由两个明显波组成，其中围绕-900HU左右分布气态的肺泡波（p波），两波之间是低平的连接区。肺脏密度平均值－800 HU加两个标准差（191.6），大约-500 HU左右。然后依次分别以-500、-400、-300和-200 HU为密度阈值计算容量。结果到-300 HU（3例-200 HU）左右时，b波左侧下降曲线不带有明显上升组分，此时三维立体成像肺血管树末梢血管轴径大约0.6 mm，表示b波曲线下面积基本上代表大于0.6 mm肺血管和血液的容积。

1.5 统计学分析

实验数据用SPSS 18.0软件进行统计学分析处理，所得结果以均值±标准差（）和范围（低值-高值）形式表示。

2 结果

正常志愿者一般信息、CT扫描及肺容量和肺血管容量详见表1。

全肺和肺血管的总容积是3705±857（2398～5383）ml ，肺血管容量为126±32（94～201）ml,因为同级的肺动静脉血管管腔腔径相差不大，所以将同一个志愿者测得之肺血管血液容量除以2，相当于肺静脉血管血液容量，所得肺静脉血管血液容量为63±16（47～100）ml。

Tab. 1 Normal subjects’ informaon, lung CT images, lung volume and pulmonary vascular blood volume

Tab. 1 Normal subjects’ informaon, lung CT images, lung volume and pulmonary vascular blood volume

Pulmonary venous volume(ml) V.VF5816879480332110151 S.SF651656651240219648 C.EF511525249640319447 D.SF3416879480239812964 C.JF5217073500280610653 G.BF6616573512363711256 S.SM541706352031039648 P.JM65175755445286201100 P.MM5717879841321612562 D.LM8318070504538312462 B.NM5218393544360415678 G.MM541787943136531658358±11171±873±10530±983705±857125±3263±16 Range （Min-Max）34-83152-18352-93431-8412398-538394-20147-100 SubjectGender (M/F) Age (yr.) Height (cm) Weight (kg) # images (n) Lung volume（ml）Pulmonary vascular blood volume（ml）

3 讨论

3.1 技术方法学建立

本研究通过回顾分析传统全肺野CT扫描检查，经肺脏CT图像分析处理建立肺脏、肺血管容量和肺血管树三维成像技术。

3.2 本技术方法无创、精确、可行

全肺野CT扫描数据手工勾画双肺40～50层，经三维图像处理软件处理后，可以清楚显示排除p波（肺气态容量）影响的b波（肺血管血液容量）线下面积，实现肺血管容量的无创、精确测定。同时，三维成像功能还可以把精确测定的肺血管树清楚地显示出来（表1，图1，图1见彩图页VIII）。说明此技术方法可操作性强。

3.3 方法的局限性

虽说三维立体成像技术能够显示出肺及肺血管形态，经专用图像分析软件处理数据能测定全肺肺动、静脉血管血液总的容量，但这和每个个体实际的肺容量和肺血管容量肯定还是有一些差别的。

另外，本实验的正常志愿者虽然都没有临床诊断的心、肺、代谢等重要系统疾病，但是志愿者年龄偏大，并不一定都是健康人，可能会对试验结果有一定的影响，我们下一步还将继续招募健康志愿者，进行进一步的研究。

结论： 尽管全肺野CT扫描检查再经图像数据软件分析测量肺血管容量技术与方法还有其局限性，但是却能够实现无创伤、精确、客观、定量地计算，因此可以为呼吸调控中血液循环运输血液信号的时间进行计算分析，以证实血液循环在呼吸调控中决定性的核心作用。同时，由于不需要造影剂，可以在需要时进行连续扫描，从而实现肺血管容量动态变化方面的研究观察。

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Preliminary reports of noninvasive accurate method to measure pulmonary vascular capacity in normal volunteers

SUN Xing-guo1,2，MAO Song-shou2, BUDOFF MJ2, STRINGER WW2, CHENG Xian-sheng1

(1. State Key Laboratory of Cardiovascular Disease, Fuwai Hospital, National Research Center of Clinic Medicine for Cardiovascular Diseases, Chinese Academy of Medical Sciences and Peking Union Medical College, Beijing 100037, China; 2. Los Angeles Biomedical Research Institute at Harbor-UCLA Medical Center, University of California at Los Angeles, St. John’s Cardiovascular Research Center, California 90502, USA)

Objective: Because the traditional loop of breathing control and regulation ef f ect on blood circulation, there was rare study of pulmonary vein capacity.We need a noninvasive and accurate pulmonary vascular capacity measurement and analysis method. Methods: Twelve normal volunteers were performed a total lung CT scan, image data analysis processing by computer soware, the whole lungs from the apex to the base of lung with 40～50 layers by hand-cut, the connection between adjacent layers automatically by a computer simulation, the full pulmonary vascular (≥0.6 mm) were treated by high-accuracy three-dimensional imaging technology aer removing the interference, and then calculate the whole lung and pulmonary vascular. Results:e whole lung of the 12 normal volunteers from the apex to the base of lung CT scan image layers was 530±98(range, 431～841).e total capacity of lung and pulmonary vascular blood was 3705±857(range, 2398～5383)ml, and the total volume of the pulmonary vascular blood was 125±32(range, 94～201)ml.e pulmonary vein vascular blood volume was 63±16(range, 47～100)ml. Conclusion:e method of measuring the three-dimensional imaging of pulmonary vascular capacity by analyzing lung CT scan data is available and accurate.

lung CT scan；total capacity of the pulmonary vascular；pulmonary vascular tree；pulmonary vein blood volume

R331

A

1000-6834 (2015) 04-326-004

＊ 【基金项目】国家自然科学基金医学科学部面上项目（81470204）；国家高新技术研究发展计划(863计划)课题(2012AA021009);中国医学科学院国家心血管病中心科研开发启动基金（2012-YJR02)

2015- 06-05

2015-07-05

△【通讯作者】Tel： 010-88398300 ；E-mail： xgsun@labiomed.org