多模态定量CT对慢性阻塞性肺疾病的研究进展

白慧忠，杨晓光（通讯作者）

（内蒙古医科大学附属医院影像科 内蒙古 呼和浩特 010050）

慢性阻塞性肺疾病（COPD）的高患病率使其成为全世界发病率和病死率高的主要原因之一[1]。慢阻肺在全球死亡率中排名第三[2]。目前，COPD的主要困难之一是诊断不足，所以早期发现、诊断并实施干预是减轻疾病负担的关键。我们可以利用对COPD患者相关临床信息不断发展的理解，以及当前新兴影像工具的发展来对COPD进行识别和量化，影像学检查是当前判断这些特征的关键因素，越来越多的先进方法为我们对COPD的研究提供了更多的可能性。在众多的影像学检查技术中选择一个直接、稳定、方便的方法尤为重要。比如，放射性核素灌注显像已被广泛用于评价肺灌注状态，但它有很大的局限性，包括空间和时间分辨率低和暴露于大剂量辐射中[3]。单光子发射计算机断层扫描（SPECT）提供了更好的空间分辨率，但需要更多的扫描时间[4]。磁共振成像可能是评估灌注的一个很好的选择[5-6]，但其不能对肺组织的形态学变化进行直观评估。双源双能量CT肺灌注扫描（DE PBV CT）的研究和发展在一定程度上是出于对常见慢性肺部疾病的追求，可以定量评估肺灌注缺损区组织的血流分布状况，还可获取肺组织结构信息[7]，对出现血流动力学改变但尚未出现组织结构改变的疾病检测具有重要价值[8]。此外，DE PBV CT的应用提高了空间和对比度分辨率，同时降低辐射剂量，可以提供可视化解剖图像和灌注情况，成为一种评估COPD的“一站式”工具。

1 DE PBV CT成像原理

近年来，利用双X射线管和快速kVp切换（宝石光谱成像）的多探测器CT已经得到了广泛应用。其基本物理原理是光电效应强烈依赖于CT能量，因此在不同能量水平下，不同材料的X射线衰减程度不同。因此，双源MDCT系统[9]由安装在旋转机架上的两个球管（X1和X2）和对应的两套采集系统组成（A和B），A探测器的FOV为50 cm，B探测器的FOV为26 cm，两者之间的夹角为90°，所在纵轴覆盖相同的区域。X1和X2管都可以根据管电压、管电流以及操作者的扫描要求进行独立工作，当两者都以相同的能量操作时，即所谓的双源扫描，其优点是时间分辨率高。当X1和X2管在不同的管电压下操作时，即所谓的双能成像，其优点是可区别物质[10]。

2 图像采集、重建

第一代DSCT系统，通常使用80/140 kVp的组合，随着2代、3代双源CT应用于临床，通常把100/140 kVp作为首选[11]，可以采集到两个CT数据集：分别是100 kVp和140 kVp的独立数据集，以及重建出约120 kVp混合数据能量的第三个数据集。100 kVp和140 kVp数据集与传统的单能量数据集相当。然而，与单能量CT图像相比，这些图像将具有更高的图像噪声，特别是在140 kVp时[12]。因此，需要得到第三个“加权平均图像”数据集（按照惯例，将加权因子设置为一个常数值0.4，是指由低能量数据集所贡献的中心26 cm FOV图像密度的比例）。最后，这个数据集不仅提高低kVp图像的碘的显示性，而且降低高kVp图像噪声，并且在视觉上与单能量图像相当。DECT在一个对比增强的单相期间不同的千伏曝光下同时获得两组不同能量的数据，通过不同X射线能量的成像和衰减差异的分析来表征和量化组织中的碘，从而计算出反映肺灌注的碘图。需要指出，双源CT 双能量肺灌注成像提供的这些碘图不代表真实的灌注图，它只是灌注的替代测量，文中使用的“灌注”一词指的是组织碘图，而不是“真正的组织灌注”。

3 DE PBV CT在COPD中的应用、进展

3.1 COPD的早期发现

慢性阻塞性肺疾病（COPD）的特征是持续的气流限制，并伴有肺血管变化，这些变化可能会导致肺通气和灌注的改变。双能CT可以利用物质衰减理论同时提供高分辨率的解剖信息和灌注信息。国外研究人员报告了DECT在评估包括COPD在内的各种肺疾病患者的肺部通气或灌注方面的有效性。Hwang HJ[3]等研究表明在临床症状轻微的COPD患者，以及吸烟但肺功能（PFT）正常者中也可以出现肺血管的改变。Ferrer E[13]等研究发现，动物长期处于吸烟环境中，常规单能量CT显示动物双肺结构未发生明显变化，然而双源CT双能量肺灌注成像上却可以显示出肺血管的异常改变，因此对于COPD的病理基础来源于肺间质的改变要早于肺实质。国内王文尚[6]研究发现CT定量分析COPD患者肺血管状态的改变，具有直观、可量化的特点，并且其改变程度受吸烟和肺气肿的影响。双源CT双能量肺灌注能获取COPD患者全肺或各肺区的肺血管重构定量参数指标,为临床评估COPD患者肺血管重构提供有意义的量化指标。定量的CT成像在低辐射剂量下，可以根据生物标记物，如肺密度和支气管壁厚，可能允许早期检测COPD。因此双源CT双能量肺灌注成像使早期诊断COPD成为可能，为临床对这一慢性疾病的早期治疗提供依据。

3.2 COPD表型

COPD表型是指某一个体特定的性状，主要受遗传和环境因素的影响，通常疾病的严重程度和特征常常被定义为COPD表型。CT作为研究COPD表型的新型工具，其价值得到众多研究者的青睐。双源双能量肺灌注CT或高分辨率CT（HRCT），能够清晰地显示肺组织的细微解剖结构，在肺组织结构的可视化方面有独到作用。Fan等[10]研究表明，通过病理生理学和HRCT的联合研究，利用CT扫描测量肺组织密度减低区域的面积和气道壁厚度/管腔面积，可将COPD分为气道表型（A型，有或没有支气管壁增厚）、肺气肿表型（E型，没有支气管壁增厚，有肺气肿）、混合表型（M型，支气管壁增厚与肺气肿同时存在）。QCT可用于确定COPD的支气管优势亚型和肺气肿优势亚型。Park等[12]通过对CT图像的分析，将视觉上定义的肺气肿模式与定量成像特征和肺测量数据相结合，产生了10种不重叠的CT成像亚型。通过这些CT成像亚型比较各亚型之间的差异，发现各组的总体病死率差异显著，其中上叶为主小叶中心性肺气肿（CLE）的病死率最高。总之，从目前临床实践中发现，同一患者在病程中FEV1存在很大的变异，相似FEV1的患者具有不同的临床表现、病理变化、影像特征，不同的炎症状态，不同的COPD急性发作发生频率，不同的功能状态或生活质量、疾病预后。所以，解决困境的有效方法是对COPD综合征的重要组成部分进行识别及分组，这种分组能反映疾病的预后，并指导患者的治疗。

3.3 肺气肿的评估

肺气肿定义为细支气管末端的管腔永久性异常扩张，伴有肺泡壁破坏。其特征是使肺实质发生不可逆转的破坏，是导致COPD的主要原因。所以早期发现肺气肿是诊断COPD的重要一步，然而胸部X线检查在评估肺气肿方面存在明显的局限性，包括低特异性、低敏感性、观察结果存在观察者之间的差异，以及无法量化肺气肿的严重程度。CT在检测肺气肿和评估其分布、程度方面明显优于胸部X线检查，尤其肺气肿更容易在高分辨率CT（HRCT）上被检测到。HRCT上肺气肿的特征是存在低衰减区域，而周围的肺实质则具有正常的衰减区域，有经验的阅片医师可以轻松判读出肺气肿结果，尽管其灵敏度及特异度较高，但缺乏客观证据，对肺气肿的严重程度难以做出准确评价。越来越多的国内外相关研究表明肺气肿可以量化[13-14]，量化可以通过视觉评分，也可使用密度测量或半定量来量化。由于视觉评分显示有很高的观察者间变异性，现在主要是半定量和定量用于COPD肺气肿评估。出现诸如阈值法、百分位法等分析手段，其中最常用的为阈值法，目前对于肺气肿研究按照国际惯例由-950 HU（%LAA-950insp）以下作为低衰减面积，通过计算机计算低衰减区占全肺容积的百分比（LAA%）将肺气肿分为3类：①无肺气肿（NE），%LAA-950insp＜6；②%LAA-950insp中度肺气肿≥6和＜14；③%LAA-950insp≥14的严重肺气肿（SE）。有研究表明新的肺气肿定量技术是基于DECT的[15]。该方法可通过测量碘分布图来评估肺灌注，可以为COPD患者提供额外的生理信息，超出常规使用HRCT的纯形态学评估。Sugino K等运用氙气增强的DECT表明，氙气增强后的肺灌注缺损区与阻塞性通气损伤强相关。同样，Hwang HJ等[3]对52例前瞻性入选的男性COPD患者进行V（氙气增强通气）和Q（碘增强灌注）联合显像，结果发现肺实质正常的节段表现为匹配的V/Q型，而支气管壁增厚的节段则表现为相反的V/Q型。在定量分析中，平均V、Q和V/Q值与PFT参数显著正相关，而使用传统的计算机断层扫描图像评估疾病模式可能无法正确评估COPD肺气肿患者的局部V和Q。Pansini等[16]利用DE PBV CT对47例吸烟者和10例非吸烟者进行了灌注扫描，发现评估局部肺灌注异常区域是可行的，肺气肿病人灌注缺损区与肺实质破坏区域一致性较好。总之，肺气肿的CT客观定量评估较主观视觉评估具有更高的可靠性，对于早期肺部病变更敏感，能够在短时间内对全部及局部肺部改变做出有效评估，有利于肺气肿患者的精确诊断、开展个性化治疗及预后评价。

4 小结与展望

双能CT肺灌注扫描技术结合相应的后处理软件可以在COPD的定性、定量诊断中发挥非凡价值。主要体现在以下三点。

①精确度更高，目前在临床上常规采用肺功能检查对肺组织进行评估，但肺功能只能反映肺组织的整体功能，DECT能够清楚地显示肺灌注缺损区域的范围和位置，更直观地了解病变的范围、程度。②作用范围广，双能CT肺灌注扫描为临床提供COPD病变早期诊断的具体定量参数，也可以为评估肺储备功能及外科肺减容手术（LVRS）提供直接依据，避免临床盲目地切除肺组织。③对患者配合要求低，而且重复性好，仅需要完成一次增强CT检查，就可以用于数据分析，尤其对于一些长期卧床、肺组织代偿能力低下，不能耐受肺功能检查或者配合不充分等患者。DE PBV CT成像可显示COPD病人的肺气肿、PHT与灌注缺损具有明显的相关性，但这对于COPD的全面评估还不够完善，尚需要进一步探讨双能量CT肺灌注成像对于支气管壁增厚型COPD与COPD早期变化及治疗后的评估，这也将是今后研究的方向[17]。总之双能CT肺灌注扫描与先进的后处理技术相结合，具有无创、便捷、客观、可操作及重复性强的优点，可以作为COPD早期诊断、肺减容术前筛选和术后疗效评价的客观依据。