双气相定量CT在肺部疾病中的研究进展

章玲惠 樊树峰

胸部CT是目前肺部疾病的常用检查方法，能够清晰显示肺组织的解剖结构与形态。常规胸部CT检查在吸气相时进行，随着学者们对呼气相CT进行深入研究后，发现其对肺部小气道等病变的诊断和评估有独特的优势，而将呼气相CT与吸气相CT结合分析可提供更全面的信息，反映不同呼吸状态下的肺组织结构与通气等情况，从而在一定程度上反映肺功能的变化。随着计算机技术的发展，定量CT技术出现并逐渐应用广泛。定量CT是用软件对后处理的图像进行自动测量，而将定量CT技术与双气相CT相结合，对感兴趣区组织或某参数进行定量测量，可以分析呼、吸不同状态下的差异，反映肺生理功能或病变的变化，有助于对疾病作出更准确的诊断。

1 在慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive pulmonary disease,COPD）中的应用

COPD是一种常见的全球性慢性疾病，该病严重危害患者身体健康，并可对患者家庭以及社会造成一定程度的经济负担。COPD的主要特征表现为进行性发展的不完全可逆性气流受限，病变主要累及气道、肺实质和肺血管，目前临床上常用肺功能检查（pulmonary function test,PFT）来判断患者气流受限的程度，但PFT难以区分引起气流受限的病理生理因素，且双肺具有强大代偿能力，轻度的肺组织结构改变PFT可无异常。COPD的早期预防、诊断、治疗，一直是大众关心的重点，国内外众多学者十分关注CT检查在COPD中的应用研究。

1.1 肺气肿的评估 肺气肿是COPD的常见表现，主要特征为终末细支气管远端气腔扩大并伴有肺泡壁破坏及细支气管破坏。肺气肿的评估早期常采用视觉评估法，该方法简单易行，结果与肺功能有一定的相关性，但容易受到影像科医生主观因素影响，诊断的特异度与灵敏度较低。随着计算机技术的发展与成熟，现评估肺气肿常采用客观定量法，主要包括肺容积测定法、肺密度测定法、像素指数法和直方图法。

1.1.1 肺容积测定法 采用计算机相关处理软件将肺组织与其它成分区分开来，定量测量肺容积相关参数，如深呼气末容积（Vex）、深吸气末容积（Vin）等。在研究肺容积与PFT的关系中，隋昕等[1]对78例COPD患者进行双气相扫描，研究结果显示Vex与Vin相比，Vex与PFT的相关性更强，Vex/in与PFT具有良好的相关性，可作为CT肺功能参数的补充。王雷等[2]对正常人与COPD患者双气相肺容积参数变化进行研究，发现左肺上叶肺容积差异有统计学意义，右肺中叶变化最小，说明肺气肿以左肺上叶为主。而在对急性加重期与缓解期的COPD患者肺容积研究发现，急性加重期患者各肺叶容积均大于缓解期，肺叶容积测定可以预测急性加重期患者肺功能情况[3]。COPD患者肺泡壁、支气管等结构损害，肺弹性收缩力降低，肺内气体过度膨胀，肺容积增大，影响患者肺功能，因此肺容积的测定可在一定情况下反映肺气肿的范围及严重程度，并可用于PFT参数的补充。

1.1.2 肺密度测定法 采用计算机处理软件来测定全肺平均密度（mean lung density,MLD）或特定肺叶、特定层面的肺密度值来反应肺气肿的情况。正常人深吸气肺CT平均密度值约为-850 Hu，目前常将肺密度值低于-950 Hu的区域定为肺气肿区域。由于正常人深吸气时可能过度屏气，从而导致肺过度膨胀而造成结果假阳性的可能，因此有研究显示吸气相扫描结合呼气相扫描更有助于反应肺气肿的情况[4]。夏亭亭等[5]在比较健康志愿者和COPD患者CT肺密度值中发现，COPD患者呼气相MLD值、呼吸气相MLD比值均大于健康志愿者，提示呼气相MLD测量可作为COPD早期诊断的辅助。黄晓旗等[6]进一步对MLD与PFT的关系进行研究，结果表明全肺的MLD值相比较于各肺叶水平的肺密度值与肺功能的相关性更好，且在双气相CT扫描中，平均肺密度差（MLDex-in）和平均肺密度比（MLDex/in）对肺气肿的定量分析比传统单相MLD有更高的准确度和灵敏度。肺密度是对肺组织、肺血流、肺通气等整体反映，肺密度定量测定能初步反映肺气肿情况，而结合呼气相扫描对于患者肺功能情况有更好的反映。

1.1.3 像素指数法 像素指数法是指事先设定一个阈值，用计算机后处理软件计算出低于这一阈值的低衰减区（low attenuation area,LAA）的像素，并与全肺总像素相比，得出的值即为像素指数（pixel index,PI）。目前对于肺气肿的评估，常选择的阈值有-910 Hu和-950 Hu。黄晓旗等[7]对104例COPD患者进行呼气相CT扫描，探讨阈值分别为-856 Hu、-910 Hu、-950 Hu时的PI值与肺功能的相关性，结果显示，阈值为-910 Hu及-950 Hu的PI值与肺功能明显相关，且阈值为-910 Hu时PI值与肺功能的相关性更佳，与Nishio等[8]的研究结果一致。多种研究表明，无论阈值为-910 Hu或-950 Hu，呼、吸双相上所测得的PI值均与肺功能参数用力肺活量（the forced vital capacity,FVC）、第1秒用力呼气容积（the forced expiratory volume in 1 sec,FEV1）、第 1秒率（FEV1/FVC）等呈负相关。可见像素指数法可定量反映肺气肿分布和严重程度，对肺气肿和肺功能的评估有着重要的价值。

1.1.4 直方图法 又称百分频率法，是将全肺像素衰减值的频率分布用直方图的形式进行呈现，以某百分位下的像素衰减值为分割点评估肺气肿的程度，在一定程度上可以排除肺容积的影响，目前常用的参数为全肺像素衰减值直方图上第15百分位对应的衰减值（Perc15）。百分位数的选择可以根据一定情况而有所不同，隋昕等[9]对Perc1、Perc15与PFT参数的相关性进行研究，结果发现两者差距较小。对于百分位数的选择通常介于1%～18%。

1.2 气道的评估 小气道病变是COPD的主要病变之一，长期的慢性炎症刺激可引起支气管壁受损，对于小气道病变的直接评估目前尚有一定难度，因此常采用间接方法来评估。有研究发现，CT图像上的相对大气道管壁面积和组织学的小气道管壁面积有良好的相关性[10]，可通过测量大气道支气管相关参数如支气管横截面直径（diameter,D）、支气管壁横截面积（wall area,WA）、管壁厚度（wall thickness,WT）等来间接评估小气道病变。然而由于不同研究选择的支气管解剖位置不同，难以比较不同研究之间的测量结果，且同一研究中患者之间各级别气道大小分布也不同，因此引入了一种测量方法来标准化气道壁厚度，即Pi10。标准化的方法是通过绘制气道壁面积平方根与测量气道的内周长并进行回归分析，计算内周长为10 mm的气道壁面积平方根。另外还可以通过定量测量空气潴留来间接评估。

既往对支气管的测量常采用手工测量，现常用计算机后处理软件自动测量，方便而快捷。于寰等[11]在吸气相CT上对不同严重程度的COPD患者与正常志愿者小气道参数差异的研究中发现，WT、气道壁面积占气道总截面积百分比（WA%）和支气管管壁厚度与外径比值（thickness to diameter ratio,TDR）在COPD患者中均明显大于正常志愿者，且随着病情严重程度的加重，WT和WA%逐渐增大。张雨洁等[12]进一步探讨肺气肿严重程度对呼气相CT上气道径线和肺功能的影响，结果表明肺气肿的严重程度会对气道径线等产生影响。而高小燕等[13]发现呼吸气相WT的差值和呼气相WT相比，与肺功能的相关性更强，提示WT的动态变化对气流受限的评估价值更大。

关于空气潴留的测定，MLDex/in和呼气相LAA%-856 Hu（低于-856 Hu的低衰减区像素与全肺总像素的比值）是较常见的两种评估空气潴留的指标。夏亭亭等[14]用MLDex/in评估空气潴留，发现MLDex/in与肺功能相关指标有明显相关性，并将MLDex/in称为空气潴留指数。这两个指标在一定程度上能评估空气潴留，但仍有其不足之处，对于肺气肿和空气潴留的区分有一定困难。Galbn等[15]提出了PRMTM法，即将吸气图像上每个体素与呼气图像上相对应的体素相匹配，以计算各体素在吸气和呼气图像之间的密度差异。其将吸气相＞-950 Hu且呼气相＜-856 Hu的体素定为空气潴留区；吸气相＜-950 Hu且呼气相＜-856 Hu的体素定为肺气肿区，实现了肺气肿和空气潴留的区分。但是，在连续扫描中PRMTM可能存在变异性，为了降低变异性影响，Fernndez-Baldera 等[16]对 CT纵向扫描可变性建模，识别体素的PRM移位，将变异性降至了1%，Hoff等[17]则采用拓扑技术将3D PRM生成具有局部拓扑特征的3D影像，更好地提供了空气潴留的空间分布信息。同时金晨望等[18]研究证明，基于体素的双气相配对所测量的空气潴留结果与PFT的相关性要明显高于其他测定方法，通过呼气相与吸气相联合扫描，能够更好的评估空气潴留情况，可见双气相定量CT对于小气道的测量评估有着重要的意义。

1.3 肺血管的评估 肺血管的破坏也是COPD的常见病变之一，早期肺血管的功能和结构的改变是普遍的，常表现为管壁增厚和内皮功能障碍，晚期常表现为肺动脉高压，临床上放射科医师多通过测量中央肺动脉大小简单评估患者的血管病变情况，对早期肺血管的病变研究较少。Matsuura等[19]对不同程度肺气肿的COPD患者及肺功能正常的吸烟者肺小血管横截面积（cross-sectional area,CSA）和低衰减区占肺总面积的百分比（LAA%）进行研究，以了解肺血管受累是否与肺破坏或阻塞性损害相关。结果显示，CSA＜5 mm2的血管百分比（CSA＜5%）与LAA%呈负相关，且与FEV1/FVC和FEV1%预测值呈负相关，COPD患者的CSA＜5%低于非COPD吸烟者，CSA＜5%从吸气期到呼气期的百分比变化在COPD患者中高于非COPD吸烟者。提示随着肺气肿程度的加重，肺野小血管的总数减少，CSA＜5%可作为检测COPD初始改变相关肺小血管变化的指标。曹宪宪等[20]对COPD患者行双气相CT扫描，定量测量患者肺内血管体积（intrapulmonary vascular volume,IPVV），结果显示呼、吸气相下IPVV与FEV1/FVC呈负相关，且呼气相的相关性更高。双气相定量CT能直观的显示COPD患者肺血管的情况，对疾病严重程度等有较好的反映。

1.4 COPD表型的评估 COPD表型是指在COPD患者中表现出差异的一种疾病特征，且与临床治疗及预后有很大的相关性。这提示了对不同表型的COPD患者临床上有必要采取对应的个性化治疗方案，提高疾病的治疗有效性。目前对于COPD的影像学表型研究较为热门，师美娟等[21]对COPD患者进行双气相CT扫描，通过聚类分析法研究患者CT图像，基于体素分析[15]及结合GOLD分级，将COPD患者表型分为肺气肿为主型、小气道病变为主型和混合型。史维雅等[22]则将患者分为无肺气肿/轻微肺气肿型、明显肺气肿合并支气管管壁增厚型和明显肺气肿不合并支气管管壁增厚型进行研究，结果显示不同表型患者间的CT定量参数有明显不同。Park等[23]对COPD患者CT图像进行视觉和定量评估，将患者分为轻度肺气肿、弥漫性小叶中央型肺气肿、上叶为主小叶中央型肺气肿等10种不同的COPD影像学亚型，结果发现各组间总体病死率的差异有统计学意义，其中病死率以上叶为主小叶中央型肺气肿型最高。因此对COPD患者进行定量分析确定其影像学表型，为临床个体化治疗提供依据有很大意义。

2 在肺结节中的应用

随着人们健康意识的提高以及低剂量CT在体检中的广泛应用，肺结节的检出率明显提高。对于检出的肺结节该采取何种处理方式，主要取决于结节的性质。在美国一项国家肺癌筛查试验调查中发现，阳性筛查结节中大部分（96.4%）被证实为良性[24]，因此对于结节的早期筛查和定性十分重要。根据结节密度可将结节分为实性结节、部分实性结节和磨玻璃结节3种类型，放射科医师常可根据结节的大小、密度、内部特征等来初步判断结节的良恶性。

一直以来，学者们对CT在肺结节应用上的研究很多，但结合呼气相的研究尚不深入。Fan等[25]对33例肺部有非实性结节的患者进行双气相CT扫描，发现非实性结节的体积和密度在呼气和吸气的CT影像上差异有统计学意义，结节吸气相的体积大于呼气相体积，结节体积变化比密度变化敏感，且体积变化与结节的大小无关，非实性结节密度的变化与位置有关，下叶结节更容易受到呼吸变化的影响。Moser等[26]研究表明呼气相肺实性结节体积大于吸气相。Furukawa等[27]则对呼吸气相CT预测的结节位置进行比较，发现呼气相CT扫描预测的三维肺结节的位置与实际结节位置更接近，有助于穿刺时结节的定位。而张华等[28]则对支气管内结节的良恶性鉴别进行双气相扫描研究，发现痰结节的形态和位置在呼气相上发生了改变，区别于肿瘤性结节，在早期痰结节与肿瘤性病变难区分时，行双气相CT扫描能帮助提高痰结节的诊断。双气相定量CT在结节的位置、形态、密度等方面的显示有其特别的意义，可提高结节良、恶性诊断准确性。

3 在肺空洞性病变中的应用

空洞是由肺组织坏死后通过支气管排出，气体吸入所形成，可形成空洞性病变的疾病有很多，常见的主要有结核和肿瘤。不同疾病所形成的空洞对应的治疗与预后大不相同，对于空洞良恶性的鉴别也十分重要，目前对于探究CT检查在空洞鉴别诊断价值的研究有很多。周仪竟等[29]对薄壁空洞肺结核与薄壁囊腔类肺癌患者的呼气相CT影像学表现进行分析，结果表明空洞壁厚度、壁内结节、边缘分叶征等征象有助于两者的鉴别。张华等[30]对42例空洞患者行双气相CT检查测量与空洞相连支气管的收缩率，结果显示良性空洞支气管收缩率大于恶性空洞端，差异有统计学意义，提示在判断空洞良恶性时可采用测定支气管收缩率来帮助提高鉴别的准确性。可见呼气相CT扫描对鉴别肺空洞性病变良恶性有一定帮助。

4 小结

双气相CT扫描患者需接受2次扫描，所受辐射增多，因此目前临床上尚未广泛使用。为了降低辐射，低剂量CT的概念被提出，在保持图像质量的情况下尽可能的降低CT辐射成了研究的热点，目前临床上常通过调整扫描参数如降低管电压和管电流来降低辐射。随着计算机后处理技术的快速发展，让定量CT测量更加的方便快捷，为双气相CT扫描创造了良好的基础和条件，使得双气相CT扫描在临床上应用成为可能。

定量CT测量技术的发展及应用，一定程度上弥补了放射科医生诊断主观差异的不足，对相关指标的测量以及分析能发现疾病的早期病变，对疾病相关情况进行量化评估。呼、吸双气相CT与定量技术的结合，能够更加全面的、动态的反应肺部病变的情况，有很好的研究价值。然而，由于呼气相和吸气相CT图像的形态和大小有时差距较大，从而可能会出现配准位置不准确等问题，影响后续的测量分析，因此如何精准的进行双气相图像配准仍需要研究与改善。目前关于双气相定量CT的研究主要集中在对COPD的研究上，而对肺结节、肺空洞等病变的研究较少，未来对于在其他疾病上的研究有较大的研究空间与价值。