基于肺功能占比的CT肺炎指数计算方法应用在新型冠状病毒肺炎治疗中的研究*

陈 强 岑裕铭* 吴碧玉

新型冠状病毒肺炎(COVID-19)诊治过程中，CT在其相关肺部炎症的发现以及对比观察有极重要价值，同时国家卫生健康委员会《新型冠状病毒肺炎诊疗方案(试行第七版)》[1]中也提出了病变的影像学定量诊断要求，因此迫切需要一种基层医院可以运行的病变严重程度计算方法。本研究通过观察11例COVID-19患者胸部CT资料，基于肺功能解剖基础及CT成像原理，探索CT肺炎指数(computed tomography pneumonia index，CTPI)的计算方法，将获得的CTPI计算数据用于对COVID-19患者的临床诊断中。

1 资料与方法

1.1 一般资料

搜集2020年1月22日至2020年4月4日玉林市红十字会医院诊治的11例COVID-19患者的胸部CT影像资料，其中男性6例，女性5例；年龄28～71岁；平均年龄(44±14)岁。所有患者均经CT胸部平扫影像检查，且均经COVID-19核酸检测，符合阳性标准。本研究符合医院伦理委员会要求，所有患者均对本研究知情同意。

1.2 纳入与排除标准

(1)纳入标准：①COVID-19核酸检测阳性患者；②CT胸部扫描有新发炎性病变。

(2)排除标准：①非COVID-19患者；②CT胸部扫描无新发炎性病变。

1.3 仪器设备

采用HD750型CT扫描仪(美国GE公司)。

1.4 CT胸部扫描

(1)扫描方法：采用HD750型CT扫描仪对所有患者进行胸部检查，按《胸部CT扫描规范化专家共识》[2]扫描前训练呼吸动作。扫描时患者取仰卧位，头先进，扫描范围从胸廓入口至膈顶整个肺野，平静吸气后屏气扫描，采集数据并重建图像。

(2)扫描参数：机架旋转速度为0.6 s/r，螺距和速度为0.984∶1，扫描层厚、层距均为5 mm，重建层厚、层距均为1.25 mm，重建算法常规+骨算法，管电压为120 kV，自动管电流，视野(field of view，FOV)为32 cm×32 cm。由两位中级以上职称放射科医师做出影像诊断。

1.5 CTPI计算方法

1.5.1 CTPI定义

CTPI专指肺炎患者CT所见肺部渗出实变密度与肺功能占比的计算结果。

(1)正常肺组织基础CT值(T)。①T值取该肺段或对侧肺段正常区无肺纹理处CT值；②或中下叶交界无肺纹理区CT值，测量感兴趣区域(region of interest，ROI)取跨斜裂中、下叶各一半面积；③或基准CT值-850 HU。本研究取中下叶交界无肺纹理区CT值T0。

(2)单个肺段的肺炎指数计算。该肺段的肺功能占比a，该肺段包括所有不同密度的典型病变层面中、最大病变面积时的CT值A，该肺段或对侧肺段正常肺组织基础CT值Ta，或中下叶交界无肺纹理处CT值T0，在弥漫性全肺病变时，T0=-850 HU；单个肺段的肺炎指数计算为公式1：

(3)CTPI计算方法一。18个肺段(a～r)的肺炎指数总和，其计算为公式2：

(4)CTPI计算方法二。18个肺段(a～r)的肺炎指数总和，其计算为公式3：

1.5.2 计算原理与步骤

(1)根据物理公式。物质的质量=密度×体积，经过易于获得的肺病变体积、肺病变密度值，可计算出病变的量，该病变量同时体现了病变体积与密度的变化。CT设备发明原理基于CT值的计算为公式4：

式中μ和μω分别为受测物和水的衰减系数。

CT值反映物质对X射线吸收能力高低。当物质成分相对恒定时，可依据物质CT值与体积计算出物质总量，并用于同一个体不同时间对比。由于同一患者、同一病原体导致的肺炎病变属于性质成分大致相同的病变，因此可以应用该公式进行计算[3]。

(2)按经典的肺段肺功能占比计算累及肺段容积的比例。具体各肺段肺功能占比，以经典18个肺段功能占比作为肺组织受累体积计算方式：①左上肺叶，尖后段6.0%、前段6.0%、上舌段4.3%和下舌段4.3%；②左下肺叶，背段6.1%、前内基底段6.1%、外基底段6.1%和后基底段6.1%；③右上肺叶，尖段6.9%、后段6.9%和前段6.9%；④右中肺叶，外侧段4.5%和内侧段4.5%；⑤右下肺叶，背段4.9%、前基底段4.9%、内基底段4.9%、外基底段4.9%和后基底段4.9%。估测或后处理工作站计算单个肺段内病变所占正常肺段体积比例。

(3)测量各病变区CT值。减去基础正常肺组织CT值(T)，获得实际病变增加的CT值增量值。病变区CT值测量方法为测量该肺段典型密度区最大面积下CT值，测量时尽量避开较粗的肺纹理，避免血管、支气管被纳入测量范围内导致病变密度误差。如某(A)肺段病变CT值则为A，病变CT值增量即为A-T，该肺段肺炎指数则为肺段功能占比×病变CT值增量。

(4)全肺CTPI。其自动计算方式为公式5：

式中a～r为各(A～R)肺段病变肺功能占比。

采用Excel工作表设置各肺段肺功能占比、病灶密度CT值等数据表格，计算单元格装入计算公式，通过试验验算。由两位医师阅片并判断各肺段病变肺功能占比a～r、各肺段病变CT值A～R，将数据置入工作表中进行计算后获得全肺CTPI。

2 结果

2.1 COVID-19患者治疗前后CTPI比较

根据11例COVID-19患者治疗前、高峰时及治疗后的CT扫描图像，获得图像经过两位医师判读，并运用Excel工作表公式计算获得CTPI，其统计结果见表1。

11例患者均经历了患病初诊、高峰及好转阶段，初诊时CT胸部图像为不同程度的磨玻璃密度、混杂实变；高峰时表现为体积、密度不同程度增加，病情加重，甚至使用呼吸机；吸收好转后病灶逐渐消散，或转为索条再逐渐消失；至出院14 d后逐渐完全消失。提示部分病变在发展的后期可能为小叶或亚段的肺不张，随着肺通气改善，不张的肺组织逐渐膨胀复张过程。

2.2 典型病例分析

(1)病例一：患者男性，61 岁，临床诊断为COVID-19普通型。患者初诊时病变呈磨玻璃密度影，肺炎指数15.1。5 d后到达高峰呈部分实变，但体积未明显变化，密度测量也未能提示病变进展倍数关系，用肺炎指数表达则为29.6，提示病变量已进展1倍。出院日肺炎指数降为8.4、出院14 d肺炎指数降为5.4，提示治疗有效并持续好转。典型病例患者各项指标见表2，CT图像见图1。

表1 11例COVID-19患者治疗前后CTPI比较

表2 病例一患者治疗前后CT显示病灶各测量结果比较

(2)病例二：患者男性，71岁，初诊时病变呈多发磨玻璃密度影，CTPI为41.8；2 d后到达高峰呈大部分实变，体积、密度同时增高，CTPI为326.6，提示病变量已进展约8倍，此时患者症状显著进展，有呼吸困难等症状，临床诊断为COVID-19重型。患者使用无创呼吸机，经过1个月治疗，出院日CTPI降为95.9，出院14 d时CTPI降为54.1，提示治疗有效并持续好转，CTPI良好反映病变转归。典型病例患者各项指标见表3，CT图像见图2。

图1 病例一患者CT图像

图2 病例二患者CT图像

表3 病例二患者治疗前后CT显示病灶各测量结果比较

3 讨论

本研究中CTPI与临床肺炎严重度指数(pneumonia severity index，PSI)为两个不同的概念。CTPI为基于CT检查获得的图像数据，并与肺段体积、肺功能占比及病变CT值相关，仅限肺部病变的计算测量；而PSI分级与年龄、性别、肿瘤肝病等合并症、神志状态等查体项目和抽血检验项目相关。

CT是一种以数字化运算、计算物质对X射线吸收衰减系数为原理的影像检查方式，CT值也仅提示病变对X射线的吸收程度、密度变化，未能确切体现病变体积、密度以及所在肺段功能受影响程度的总量变化[4]。COVID-19发展过程经历了从淡薄磨玻璃密度到实变的过程，临床对病变进展、吸收程度提出了更高的量化分析要求，不仅要获得容积数据，也需要获得病变内部质地的变化，因此在影像报告中仅做病变三维尺寸测量已经不能满足临床需要[5]。通过CTPI的计算，可以获得一个可供临床参考的有效的与肺功能占比、容积和密度等密切相关的量化数值，提供了一种现实可行的简易诊断学数据。

由于患者体型不同，因此按肺段功能占比计算比按容积计算病变范围更适应判断病变严重程度。同时由于各肺段通气效果存在差异，即使同体积肺组织，有效肺功能占比也有所不同。不同的患者、不同呼吸屏气状态，基础肺组织的CT值会有不同密度差，这是影响CTPI计算的诸多因素之一[8]。因此，在公式设置中需要体现个体化差异，以及尽可能准确地获得实际病变对患者基础正常肺组织的CT值增量。在临床实践中如遇到全肺弥漫性病变，需要以一个正常肺的基准CT值作为T值进行计算病变CT值增量，此时可选用-850 HU作为正常肺基准CT值。

在现有智能化设备基础上进行病变研判，仍会出现不同基础肺密度下，识别病变的密度阈值、病变边界划分困难[6]。如在肥胖患者肺体积降低导致基础肺密度增高，肺气肿患者肺体积增高导致基础肺密度降低，以及一些结缔组织病导致肺密度混杂。因此依靠医师人为确定病变范围，同时结合设备测量肺炎病变区与基础肺区不同CT值的方法在目前相对更适合应用于非科研的基层医疗机构。

本研究尚存在不足之处：①由于病变区域划分是人工划分，必然存在医师个人技术水平所限，难以完全避免漏诊和误诊；②影像科医师需要极为熟悉各肺段解剖与正常变异，以便更准确判断所在肺段的病变肺功能占比；③测量病灶密度时容易受测量区域多种密度分布、多种正常脉管容积效应导致测量CT值误差；④CTPI仅限运用于肺不张无或轻微的患者；⑤CTPI严重程度分度，对指引呼吸机使用的作用有待更大样本的统计分析。肺泡性肺水肿、肺出血、血行播散型肺结核、人感染H7N9型禽流感以及多发肿瘤[7-11]等其他全肺弥漫性病变是否适用有待研究。本研究不适用于单发肺肿瘤以及肺不张明显患者，由于涉及较多肺段病变时明显影响工作效率，Excel工作表运用和公式设置需要一定的知识储备，故有待CT设备智能化更深入普及。

4 结论

基于肺段解剖肺功能占比、CT扫描获得的病灶密度CT值的CTPI能够反映无肺不张的肺炎病变严重程度、方便病变治疗前后对比。同时，作为一个计算耗时可以接受、准确性能满足需要以及易于理解和书面表达的数据，可以极大的方便临床工作，具有一定应用价值，后期应用需要CT智能设备厂商深入开发普及功能，使CTPI更方便运用。