慢性阻塞性肺疾病CT定量评估研究进展

黄 耀，隋 昕，徐晓莉，郑福玲，王 磊，杜华阳，宋 伟

(中国医学科学院 北京协和医学院 北京协和医院放射科，北京 100730)

慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease，COPD)以持续性呼吸系统症状和气流受限为特点[1]，是一种可以预防和治疗的疾病。COPD是全球第3大致死性疾病[2]，诊断标准为吸入支气管扩张剂后，第一秒用力呼气量/用力肺活量(forced expiratory volume in first second，FEV1/forced vital capacity，FVC)<70%，且患者有危险因素暴露史(如吸烟史)，和(或)伴有呼吸困难、慢性咳嗽、咳痰等症状[3]。肺功能检查是诊断COPD的重要方法，可测定肺体积、肺残气量以及肺一氧化碳弥散量等反映COPD患者病理学变化的指标，是一种简单易行、重复性好的非侵入性检查方法[1,4]。但是肺功能检查只能评估患者肺部整体情况，无法观察肺气肿、气道重塑、小气道管径减小以及数目减少等肺部细微结构的变化[5]。近年来定量CT逐渐成为评估COPD的新方法，不但可以识别肺气肿和气道重塑等肺部结构的改变，还可以定量分析肺实质和气道的病变，从而为COPD分型、治疗以及预后提供一定的帮助。现对定量CT在COPD中的应用做一综述。

1 肺气肿的CT定量评估

肺气肿是COPD重要的病理学改变，与COPD患者病情恶化和死亡率升高有一定的相关性[5]。CT可清晰显示肺气肿区域，并可识别不同类型的肺气肿(小叶中心型、全小叶型以及间隔旁型肺气肿)。目前CT对肺气肿的定量测量多采用密度遮盖法，即设定一个CT阈值，当肺气肿区密度低于该阈值时，可定量显示肺气肿区占全肺体积的百分比，即低衰减区百分比(low attenuation areas percent，LAA%)。吸气相LAA%的CT阈值通常设定为-950 Hu(LAA%-950)[6]。LAA%-950与COPD的严重程度呈正相关，并与FEV1%、FEV1/FVC、肺一氧化碳弥散量、残气容积、残气容积/肺总量、动脉血氧分压等存在一定的相关性[6-7]。张迪等[8]在测量LAA%-950的基础上，通过绘制肺组织密度曲线，测量深吸气末和深呼气末全肺CT值像素直方图上第15百分位点对应的CT值，以反映肺气肿的情况。结果证实，仅深吸气末全肺CT值像素直方图上第15百分位点对应的CT值与肺弥散功能存在良好的相关性，其对吸烟者肺功能改变更为敏感，也可作为CT的定量测量指标评估肺气肿。

吸烟和生物量暴露是COPD的风险因子，Shaikh等[9]通过测量全肺和不同肺叶的LAA%-950，探究LAA%-950与吸烟指数、生物量暴露的联系，结果证实，右肺LAA%-950与生物量暴露相关性最高，无特定的肺叶与吸烟指数存在相关性。研究亦证实，右肺下叶LAA%-950与体质指数存在一定的联系[9]。Müller等[10]采用特定的COPD测量软件探究双肺叶裂完整性是否对肺气肿测量有影响，结果发现，手动和自动分割叶裂对肺气肿的测量有影响，尤其是对右肺中叶肺气肿的测量。此外该研究还表明，叶裂完整性不会影响肺气肿的分布[10]。

2 气道CT直接定量评估

气道病变是导致COPD不可逆性气流受限的重要因素，其中直径<2 mm的小气道管壁增厚、管腔狭窄是COPD重要的病理学改变[4]。目前有研究通过重建支气管树，对气道行CT直接定量测量，探究气道CT直接定量测量结果与临床肺功能指标如FEV1%、FEV1/FVC等的相关性。常用的气道测量参数包括管壁厚度、管腔直径、管壁面积百分比、管腔面积百分比等，测量常选用的支气管为3～6级支气管[11-13]。右肺上叶尖端支气管及其分支受心脏搏动的影响较小，且走行与轴位垂直，故是气道测量的首选[12]。阎超群等[11]对右肺上叶尖端第5级支气管进行CT定量测量发现，管壁厚度、管壁面积百分比、管腔面积百分比与FEV1%、FEV1/FVC具有一定的相关性；杨飞等[12]的研究结果也证实，右肺上叶尖端亚段的支气管管壁面积百分比、气道外径比与FEV1%存在相关性。除右肺上叶尖段支气管外，右肺中叶内段、右肺下叶后基底段、左肺上叶尖端、左肺上叶上舌段、左肺下叶后基底段支气管及其分支也可作为测量的位点[13]。

COPD气流受限主要发生在小气道，但由于高分辨CT的层厚限制，小气道的测量易出现偏差[13-14]。对于COPD小气道管壁是否增厚，不同的研究得出的结果也不尽相同[14]。为避免直接测量气道相关参数导致的误差，有学者对气道测量进行了标准化处理。Pi10是一个常用的标准化指标，是指肺内所有管腔周长为10 mm的支气管管壁面积的平方根，可反映COPD患者支气管管壁增厚的程度[13]。Ostridge等[14]的研究表明，Pi10在不同的COPD分级[慢性阻塞性肺疾病全球创议(global initiative for chronic obstructive lung disease,GOLD)3级和GOLD 4级]中不同，并与FVC具有较好的相关性。而张凯等[15]则将肺野内管腔面积为8 mm2的支气管的管壁面积的平方根(Ai8)作为标准化指标，结果表明，全肺和右肺下叶Ai8与气流受限指标FEV1%、FEV1/FVC也具有较强的相关性。

除上述CT定量评估方法外，近年来国外也出现了一些新的评估气道的方法，如利用强迫振荡技术对不同级别的支气管施加不同频率的阻力，然后测量支气管内气体的流通情况，其不仅能反映COPD患者支气管形态和功能的细微改变，还与三维CT支气管测量得到的3～6级支气管管壁厚度、管腔面积以及临床肺功能指标有相关性[16]。采用积分半边法，先利用设定好的阈值识别支气管管腔边界，然后再对支气管管壁CT值进行积分处理，同时借助韦伯曲线识别支气管外部边界，由此测量右肺上叶尖端4～6级支气管的管壁厚度、内径大小、管壁面积百分比，并与传统最大半宽法进行比较，结果显示，积分半边法测得的气道相关参数与FEV1%、FEV1/FVC的相关性较最大半宽法测得的相关性更好，并在GOLD分级中所起的作用更大[4]。还有研究利用3D技术测量吸气相和呼气相左右主支气管间角度的改变发现，在吸气相中，左右主支气管间角度的改变与肺容积具有较好的相关性，并在呼吸双相中与肺气肿指数具有较好的相关性，此外还能在一定程度上反映气流受限的程度[17]。

3 空气潴留的CT定量评估

由于CT层厚的限制，应用CT直接测量COPD患者的小气道病变有一定的困难，可通过测量小气道空气潴留情况间接了解小气道的病变情况[18]。可采用呼气吸气双相扫描定量评估空气潴留情况，目前文献上报道的空气潴留测量指标主要有：①呼气相肺密度低于-856 Hu肺气肿区占全肺面积百分比(LAA%-856)；②呼气末和吸气末肺密度比值(expiration/inspiration ratio of mean lung density，E/I-ratio MLD)；③呼吸相对肺容积改变(relative volume change，RVC)-856～-950，即吸气相肺密度介于-856～-950 Hu的肺体积与呼气相肺密度介于-856～-950 Hu的肺体积间的差值；④气体潴留体积分数(air trapping index，ATI)，即吸气相和呼气相密度不变的低衰减区，有文献报道合适的ATI阈值为60 Hu[18-20]。

CT测得的空气潴留相关指标不仅与肺功能指标有一定的相关性，也与COPD患者肺气肿的严重程度和一些临床指标有一定的相关性。在Nambu等[13]的研究中，E/I-ratio MLD与用力呼出气量为25%～75%肺活量时的平均流量(forced expiratory flow between 25% and 75% of the forced vital capacity，FEF25%～75%)的相关性高，RVC-856～-950则与BODE(the body-mass index,airflow obstruction,dyspnea and exercise capacity)指数的相关性高，且是BODE的独立预测因子。该研究还表明，对于轻度肺气肿，直接测量气道可更好地反映气流受限情况；对于中度以上的肺气肿，测量气体潴留情况较直接测量气道更能反映COPD患者的气流受限情况[13]。不同的空气潴留指标与临床肺功能指标的相关性也存在差异，与LAA%-856相比，ATI和E/I-ratio MLD与临床肺功能指标的相关性更好，甚至有文献报道ATI更优于E/I-ratio MLD[18,20]。也有学者将COPD分为不同的表型，在无或轻微肺气肿型COPD中，E/I-ratio MLD与FEV1%的相关性最好，而在明显肺气肿伴或不伴有支气管管壁增厚的COPD患者中，RVC-856～-950与FEV1相关性最好[21]。

4 肺血管CT定量评估

COPD中的广泛性肺气肿可使肺内小血管受压、破坏，当伴有缺氧时也可导致肺内广泛性血管收缩[22]，因此CT定量评估肺内血管情况对评估COPD也有一定的价值。有研究通过测量支气管伴行肺动脉的直径发现，肺动脉直径与FEV1%和FEV1/FVC有一定的相关性[11]。肺内小血管面积百分比(cross-sectional area percentage，%CSA)是一种新兴的评估COPD的指标，其中肺内血管面积<5 mm的小血管面积总和占全肺面积的百分比(%CSA<5 mm)和肺血管面积为5～10 mm的小血管面积总和占全肺面积的百分比(%CSA 5～10 mm)是较为常用的指标[22-23]。常采用以下3个层面测量面积<5 mm和面积为5～10 mm的血管面积的总和：主动脉弓上缘1 cm层面，气管隆嵴下缘1 cm层面，右下肺静脉1 cm层面[24]。研究表明，%CSA<5 mm在健康人和不同程度的COPD患者中存在差异，且随着COPD患者病情的加重，%CSA<5 mm的值变小[22]。此外，由于面积小于5 mm的血管为肌性血管，弹性小，故对于病情的评估优于管壁面积为5～10 mm的弹性血管，其与FEV1%、FEV1/FVC呈显著正相关，与残气量、残气量/肺总量比值呈显著负相关[22]。此外，Takayanagi等[23]的分析表明，吸烟的COPD患者戒烟后，尽管肺气肿依旧逐渐加重，但%CSA<5 mm却无明显增加的趋势。因此推断吸烟导致的COPD血管重塑具有一定的可逆性。

COPD严重时也可引起肺动脉高压，COPD伴肺动脉高压时，%CSA<5 mm与平均肺动脉压呈正相关，可结合管壁面积及动脉氧分压等决定是否对COPD患者行右心导管插管术，%CSA<5 mm也可较好地预测COPD预后[24]。

5 低剂量CT定量评估

近年来由于常规CT肺功能扫描辐射剂量大，尤其是行呼吸双相扫描时，为降低辐射剂量，低剂量CT肺功能扫描的应用逐渐增多，主要用于肺癌筛查。目前多采用固定管电压、降低管电流的方式降低辐射剂量，管电压一般设定在120 kV，管电流为30～60 mA[25-28]。有研究对COPD患者行常规剂量和低剂量CT扫描后发现，不同剂量组患者的主观图像质量评分、诊断的特异性及敏感性比较差异无统计学意义[25-26]。

低剂量CT扫描可测量肺内小气道相关参数，其与临床肺功能指标亦存在一定的相关性。周洁等[27]研究证实，右肺上叶尖端和双肺下叶后基底段的管壁面积或管壁容积与FEV1、FEV1/FVC、FEF25%等肺功能指标存在较好的相关性。低剂量CT检查中，肺内小气道相关参数不仅在不同分级的COPD间存在差异，在哮喘和正常人间也存在差异[28]。研究发现，不同分级的COPD，不同级别的支气管气道参数与不同肺功能指标也存在相关性，在Ⅱ级COPD中，左肺上叶下舌段管壁面积与残气量/肺总量比值的相关性最好；在Ⅲ级COPD中，右肺下叶前基底段管壁面积与FVC的相关性最好[29]。此外，低剂量CT在COPD患者的复查中也可进一步降低辐射累积。陈一鸣等[30]的研究显示，对COPD患者复查时CT管电流最低可降至50 mA。

6 其他CT定量评估技术

除上述COPD的CT定量评估方法外，其他一些CT相关技术与测量方法也被应用于对COPD的研究。如Yamashiro等[31]利用特定软件，对自由呼吸运动中各肺叶固定点肺密度每隔0.5 s测量1次，从而得到一条连续性曲线，并计算5个肺叶间配对的肺密度连续曲线。在COPD患者中，肺气肿、气道病变以及肺结构的改变均可影响各肺叶呼气运动的同步性，故可以以此探究气流受限下各肺叶在呼吸运动中同步性的改变，从而推知COPD的病理学改变，并且这些连续性曲线和肺功能指标以及肺气肿指数也存在一定的相关性。以往对COPD 的研究多通过轴位CT探究肺气肿和气道的变化情况，但COPD肺部改变不仅有肺气肿和气道潴留等，还伴有肺部前后径增大、膈肌下移等，而这些改变在传统轴位CT上难以发现。Hightower等[32]通过测量矢状位肺高度、前后径、左右膈肌高度以及胸骨膈肌角度等指标，证明其较传统轴位测量在发现和评估COPD上更具优势，且与临床肺功能指标的联系更密切，故可帮助临床医师早期发现COPD的改变，及时开展相关治疗。

7 小 结

肺气肿和气道病变是COPD主要的病理学改变，CT可定性定量评估肺气肿。对气道病变的诊断上，CT不仅可直接测量气道相关参数，还可通过测量空气潴留情况间接反映气道病变。此外，CT还可通过定量评估血管，在一定程度上反映COPD的严重性。近年来对低剂量CT的研究也使COPD患者低剂量CT复查肺功能成为可能。CT定量评估肺功能仍存在一些难点，如直接评估小气道病变存在。随着CT扫描方案、重建技术以及测量方法的改进，人们对COPD的CT定量检测研究的不断深入，未来CT定量评估在COPD诊断、治疗和随访中将会发挥更大作用。