慢性阻塞性肺疾病影像诊断研究进展

2020-03-03朱丹刘靖席芊

国际医学放射学杂志 2020年6期

朱丹刘靖席芊

慢性阻塞性肺疾病（chronic obstruction lung disease,COPD）是一种常见的可以预防和治疗的疾病，其特点是持续的呼吸道症状和气流受限，与大量接触有毒颗粒或气体，气道和肺对有害刺激的慢性炎性反应有关[1]。COPD 的诊断通常依据肺功能检查（pulmonary function test,PFT）时存在持续性气流受限而确诊，但在诊断明确的病人中只有不足40%的人做过PFT，而且PFT 不能区分COPD 不同病理生理因素，包括肺气肿、气道炎症和小气道破坏等[2]。近年来通过胸部定量CT 对肺实质破坏、肺气肿直接征象、支气管壁增厚和空气潴留等的量化分析为COPD 的定位、定量、预后和分型提供了依据，进而为临床治疗提供更多的方案。

1 定量CT 应用于评估COPD 异质性

定量CT 应用于COPD 的诊断是以CT 为基础，通过定量测量实现肺气肿的量化，作为一种无创性定量评估肺功能的手段，已成为评价COPD 病情严重程度的一种新方法[3]。目前肺功能测定是COPD诊断和严重程度分期的金标准，测定的指标主要包括第1 秒用力呼气容积（forced expiratory volume in one second, FEV1）、肺活量（forced vital capacity,FVC），以及这两者的比值（FEV1/FVC）等。定量CT越来越多地被用于COPD 的诊断、量化和分型。定量CT 通过测定气道壁厚度（wall thickness,WT）、低衰减区面积百分比（low attenuation area%,LAA%）、气道壁面积占气道总面积百分比（WA%）、内周长为10 mm 处气道面积的平方根（Pi10）等量化COPD 病人的支气管壁厚度、气管内黏液、肺密度变化、支气管扩张等。WT、Pi10、LAA%以及WA%可以预测气流阻塞的发展，其测量值的增大与FEV1、FVC 及FEV1/FVC 的减小存在明显的相关性[4-5]。定量CT 与肺功能测定相结合有利于全面揭示COPD 的特征。随着多平面重组技术的出现，对矢状面肺高度（从肺尖到膈顶的高度）、前后径最宽处的距离、膈顶的高度、胸横膈前角（横膈前缘与前胸壁的夹角）等的测量可以发现横断面上难以识别的肺膨胀特征，在一定程度上提高了CT 作为COPD 诊断工具的准确性[6]。

COPD 是一种高度异质性疾病，主要为小气道疾病（small airway disease,SAD），通常以炎症、纤维化和黏液阻塞为特征，这些气道直径＜2 mm，在常规CT 上通常无法显示，肺功能检查也只能从整体上体现肺功能的异常；而定量CT 可以间接和直接评估SAD，一般以-856 HU 为阈值，呼气相上低衰减区域的CT 值≤-856 HU 提示存在SAD，这种间接评估SAD 程度的方法简单直观[7]。CT 的参数响应图（parameter response mapping,PRM）是一种影像匹配的应用，通过逐个体素匹配吸气和呼气影像，以检查吸气和呼气影像之间的密度差异。根据代表肺气肿（吸气时CT 值为-950 HU）和空气潴留（呼气时CT 值为-856 HU）的常用固定CT 密度阈值对个体体素进行分类，PRM 分为2 个亚型：既有肺气肿又有空气潴留、单纯的空气潴留；此种分型有助于区分肺气肿或SAD 导致的空气潴留。从早期基于密度阈值的空气潴留指标可以看出，PRM 测量与肺功能密切相关[8]。Bhatt 等[9]在一项研究中也证实了这一点，表明其与肺功能尤其是FEV1的下降有关。PRM可以量化受SAD 影响的肺实质，个体体素表现为黄色的区域代表SAD，可以很好地与绿色的正常区域和红色的肺气肿区域分开。但是，由于在连续扫描中可能存在非病理变化，因此PRM 可能存在变异性。为了降低变异性影响，提高诊断准确性，近年Fernandez-Baldera 等[10]通过对纵向CT 扫描可变性建模，识别在体素水平PRM 的移位，使高达15%的变异性降至1%。Hoff 等[11]采用拓扑技术将3D PRM生成具有局部拓扑特征的3D 影像，计算功能性SAD 表面积，应用于随访时可以提早发现COPD 病人存在的潜在性问题。因此，PRM 作为肺功能下降和COPD 严重程度的诊断和预后指标，可以提供肺气肿和SAD 分布的空间信息，并随着其变异性的减低，提高了诊断敏感性。对于COPD 分型，目前多应用CT 影像特征或定量CT 来评估，而当肺气肿的程度不足以表现为肺密度显著减低，或即使出现密度下降，也被与吸烟相关的肺部炎症伴随的肺密度增高所掩盖时，定量CT 上仅可见肺气肿但不能定量，并且由于肺密度受多种因素影响，具体量化数值也很难确定。现在一般使用-910 HU 和-950 HU 来分别量化轻度和重度肺气肿，并通过组织病理学验证了这2 个阈值[12]。CT 影像特征基于诊断医师的个体性差异，只能提供有关肺气肿分布的信息，不能定量评估肺气肿严重程度。Park 等[13]提出可以将CT影像特征与定量CT 评估相结合，将COPD 细分为无肺气肿或气道异常、间隔旁肺气肿、支气管气道疾病、小气道疾病、轻度小叶中央型肺气肿、中度至重度小叶中央型肺气肿（上叶为主）、中度至重度小叶中央型肺气肿（下叶为主）、中度至重度小叶中央型肺气肿（弥漫型）、不协调的视觉肺气肿、不协调的定量肺气肿10 种亚型，这种分型反映了COPD不同的病理过程，证明了其高度异质性，为COPD的重新分类提供了一种有效方法。此外，这些亚型与组织学数据之间的结合评估，可能有助于进一步研究COPD 不同亚型的发生机制。

2 COPD 4D 动态通气CT 测量

COPD 病人因肺组织失去正常网状结构而导致肺气肿，肺顺应性亦下降，导致在呼吸周期中肺运动不均匀传递。此外，肺气肿和气道病变的异质性分布也加剧了通气时肺运动的异质性。近年来，基于静态成像的基础，动态通气CT 脱颖而出，其可以连续采集数据，通过划定一个具有固定体积的球形兴趣区，并在整个动态CT 扫描中跟踪兴趣区的中心点，连续测量肺密度变化。通过测定5 个肺叶（右上、右中、右下、左上、左下）的平均肺密度（mean lung density，MLD），然后绘制6 对肺叶（右上-右下、右上-右中、右中-右下、左上-左下、右上-左上、右下-左下）的MLD 时间-密度曲线，分析得出在严重的COPD 病人中，左右肺和肺叶间呼吸运动的同步性是有限的甚至是丧失的，进一步证实了左右肺以及不同肺叶之间肺运动的异步性[14-15]。应变测量是心脏成像中常见的评价心脏运动的方法，将应变测量应用于4D 动态CT 观察肺运动较少见。整个肺部存在2 种不同类型的变形，一种是吸入/呼出引起正常的肺变形，通常出现于呼吸运动幅度大的肺区，如毗邻膈肌的肺底部及仰卧位时的肺背侧；另一种则是由于COPD 导致的不均匀通气引起的异常区域变形[16]。引起肺不均匀通气是因为肺组织的力学性质，主要由胶原纤维和弹性纤维决定。正常情况下持续呼吸下的压力均匀地传递到整个肺。COPD病人除了失去肺弹性后坐力外，肺气肿的不均匀分布和胸廓结构的异常（如狭窄/塌陷的气道和扁平的横膈膜）可引起呼吸时肺部物理应力的异步传递，最终导致不均匀的肺运动。这种异步传递可以通过采集连续正常呼吸状态下动态通气CT 影像，进一步后处理得到的红色高应变区显示[14-16]。应变测量应用于4D 动态通气CT 对于各种肺及气道疾病引起的肺运动异常具有一定的临床意义。

有研究[17-18]报道，配对的吸气及呼气扫描、增强及超极化氦/氙MRI 可显示COPD 病人肺内血流和气体的不均质性分布。由于肺内血流和气体的不均质分布会导致肺内容积的变化，MLD 与肺容积之间具有强正相关性，因此MLD 的变化可以替代动态通气时肺容积的变化[19]。Nagatani 等[20]通过4D 动态通气CT 连续定量测量吸烟和COPD 病人侧位主支气管面积及MLD 发现，在严重的气流受限病人中呼气早期主支气管管腔塌陷，近端气道与肺之间的同步性降低，同时同步性降低与气流受限的严重程度相关，进一步证实主支气管面积和MLD 可用于预测COPD 病人气流受限的严重程度[14]。应用4D 动态通气CT 测量可以量化肺气肿，为COPD 早期诊断提供了另一种依据，同时也可以预测COPD 的严重程度。

3 COPD 支气管定量分析

由于COPD 持续性气流受限导致肺内空气滞留，肺容量发生一定的变化，而随着肺容量的变化，气管支气管的角度也会发生变化。Onoe 等[21]研究发现气管与左主支气管、左主支气管与右主支气管的角度在呼气时与肺容积显著相关，左主支气管与右主支气管、气管与左主支气管角度变窄提示气流受限更严重、肺气肿范围更大。COPD 病人由于慢性炎症刺激和气道重塑会导致气道壁增厚，气道壁增厚在吸气性胸部CT 中很容易量化。既往研究[22-23]表明肺气肿、支气管扩张剂反应及总肺活量对气道壁增厚有影响。Charbonnier 等[24]在线性回归和混合模型分析中调整了这些影响气道壁增厚的因素，对有或无吸烟的COPD 病人定量测量Pi10 并随访5 年，发现吸烟受试者的Pi10 显著增加，戒烟受试者的Pi10显著下降。Pi10 随吸烟状态的变化表明其可以量化吸烟相关性气道炎症的可逆性，同时也是COPD 存在与否和严重程度的独立预测因子。既往COPD 的PFT 只能从总体上评估病人的肺功能，可能受病人本身配合欠佳等客观因素影响，支气管定量测量评估COPD 可以很好地避免这些缺点，测定的指标主要包括三级和四级支气管的管腔面积（LA3rd、LA4th）、支气管壁厚度（WT3rd、WT4th）、WA%以及Pi10 等。Hackx等[25-26]研究发现COPD 病人WT3rd、WT4th和Pi10 与正常对照组存在显著差异，并且对不同时间段（早上8 点和下午4 点）支气管测量及肺功能测定的结果进行了比较，结果表明LA3rd、LA4th变异性大于肺功能测定变异性。总之，支气管定量分析为临床诊断COPD 提供了另一种思路。

4 COPD 通气与灌注显像

CT 肺通气与灌注显像单独应用于COPD 研究较少。单光子发射体层成像（SPECT）联合CT（SPECT/CT）是一种融合成像技术，实现了功能成像与形态学成像的结合，提高了诊断的敏感性和特异性，因而在临床中普遍应用[27]。COPD 急性加重（acute exacerbations of COPD,AECOPD）严重影响病人的生活质量，其原因与呼吸道感染密切相关。有研究[28]发现放射性核素检测到的唾液吸入引发的吸入性肺炎也是AECOPD 的常见原因，SPECT/CT 可以准确地判定唾液吸入的位置，其价值在于可以鉴别其他原因引起的肺炎，进而对反复发生AECOPD的病人预防性防误吸，提高病人的生活质量。通气/灌注（ventilation-perfusion,V/Q）SPECT 不仅可以诊断肺栓塞，也可以显示COPD 病人的通气和灌注状态，其与CT 结合还有助于鉴别可疑的肺恶性肿瘤，因为COPD 病人更易患肺恶性肿瘤[27]。超极化氙-129（hyperpolarized xenon-129,HPX）MRI 是一种新的成像方法，可以对组织和血液的通气和气体吸收进行三维区域成像，通过单一屏气识别肺部生理的多种变化，同时与灌注MRI、CT 互为补充，更加全面显示肺部生理变化[29]。Doganay 等[30]比较了HPX MRI、V/Q SPECT/CT 和CT 对COPD 病人肺通气显像情况，发现HPX MRI 肺叶相对通气百分率与SPECT 通气和灌注百分率有很强的相关性，全肺HPX 百分比通气量与肺功能测定相关，并且优于全肺CT 百分比肺气肿评分。因此，HPX MRI 与V/Q SPECT/CT 互为补充应用于临床，可以更全面清楚地了解COPD 病人肺部生理变化，进而更有利于指导治疗、改善预后。

5 COPD 相关血管分析

COPD 各种常见并发症中，肺动脉高压发病率最高，严重的肺动脉高压如不进行临床干预可能会危及生命，因此早期诊断对于病人预后相当重要。既往研究[31]发现肺动脉高压与主肺动脉（main pulmonary artery,MPA）轴向CT 测量的直径存在相关性。Rho 等[32]应用CT 定量测量大血管直径，以此判定COPD 病情是否加重。通过横断面及多平面重组影像证实中段及肺动脉分叉处MPA 与升主动脉直径比值的升高与COPD 病情恶化有显著的相关性，该研究采用多平面（冠状面及斜冠状面）测量，同时肺动脉测量采用中段的MPA 及肺动脉分叉2个点，使研究结果更具有代表性。肺动脉高压除了表现为MPA 直径的增宽，同时也会对右肺动脉直径、左肺动脉直径产生影响，其直径与COPD 合并肺动脉高压的分级存在强相关性[33]。血管重塑是肺动脉高压的特征性表现，常累及肺小血管，肺动脉高压病人会出现肺小血管扩张，导致肺血管内径与伴行支气管内径的比值增加，CT 可以通过测量肺小血管的横截面积间接反映COPD 相关肺动脉高压的严重性[34]。以上测量基于胸部CT 就能实现，简单易行。因此，COPD 相关血管分析有望应用于临床，通过早期发现、预防及早治疗COPD 合并肺动脉高压，进而为临床医师进一步判断疾病病情提供依据并有利于改善病人预后。