超低剂量胸部CT定量参数评估肺功能的价值

刘瑛 黄金 周连军 陈学志 李清林 丛培欣

慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease,COPD)是最常见的慢性气道疾病,也是健康中国2030行动计划中重点防治的疾病。2018年“中国成人肺部健康研究”调查显示,估算我国COPD患者近1亿[1]。世界卫生组织预测到2060年死于COPD及其相关疾病每年超过540万人[2-3]。肺功能检查是检测COPD的“金标准”,但是,肺功能检查对呼吸要求非常高,且当肺部损害面积达到30%以上时,肺功能才会出现异常[4],近年来利用胸部CT自动定量技术可定量反应肺气肿部位及范围[5-6],随着低剂量肺癌筛查的普及,低剂量CT评估COPD的报道越来越多[7-8],但对于超低剂量CT评估COPD肺损害报道较少,本研究采用超低剂量胸部CT,分析CT各定量参数与肺功能的相关性,探讨超低剂量CT定量评估COPD肺通气功能障碍严重程度的价值。

资料与方法

一、一般资料

收集2021年6月至2022年5月于我院就诊的肺功能异常患者99例,男60例,女39例,年龄29～86岁,平均年龄(59.32±10.94)岁。同期正常患者39例,男19例,女20例,年龄28～72岁,平均年龄(51.54±10.12)岁。排除胸廓畸形、不能配合屏气、患有肺部疾病如肺占位、结核及其它感染性病变、胸部术后、中等量以上胸水等。本研究经医院伦理委员会批准(NYLLWYH-2021-006),所有患者均签署知情同意书。

二、CT检查方法

使用Siemens Somatom Force西门子双源CT,患者仰卧位,双手上举,检查前进行吸气及屏气训练,采取最大吸气末屏气扫描,行超低剂量CT(ULDCT)检查,探测器准直器192mm×0.6mm,转速0.25s,采用CARE Dose4D自动管电流调节,扫描管电压采用Sn100kV,参考管电流96mAs,Pitch2.0。以高级模型迭代重建(advanced modeled iterative reconstruction,ADMIRE)3级进行重建。层厚0.75mm,间距0.7mm,采用肺窗算法,Kernel:BI57,矩阵512×512。

扫描完图像自动传入后处理工作站(版本VB20),进入肺定量分析软件(syngo Pulmo 3D)自动提取肺组织,获取肺密度直方图,计算全肺容积(total lung volume,TLV)、平均肺密度(mean lung density,MLD)、标准差(SD)、FWHM、低密度衰减值(LAV-950%)、高密度衰减值(HAV-200%)(图1,2)。

图1 syngo Via 后处理Pulmo 3D软件进行肺分割,蓝色为肺气肿区域

图2 为CT定量参数全肺及各肺叶分析列表

三、肺功能检查

检测指标包括用力肺活量(Forced vital capacity,FVC)占预计值百分比,第一秒用力呼气容积(Forced expiratory volume in one secend,FEV1)占预计值百分比,FEV1与FVC比值即1秒率(FEV1/FVC),最高呼气流量(Peak expiratory flow,PEF)占预计值百分比、肺一氧化碳弥散量(Carbon monoxide diffusion capacity,DLCO)占预计值百分比。按ATS /ERS(2005版/2019版)通气功能下降分为五级[9]:1级:轻度,FEV1%pred≥70%;2级:中度,60%≤FEV1%pred<70%;3级:中重度,50%≤FEV1%pred<60%;4级:重度,35%≤FEV1%pred<50%;5级:极重度,FEV1%pred<35%。

四、统计学分析

结 果

一、按照肺功能气流受限程度分级

轻度阻塞性通气功能障碍48例(48.48%),中度阻塞性通气功能障碍14例(14.14%),中重度阻塞性通气功能障碍6例(6.06%),重度阻塞性通气功能障碍14例(14.14%),极重度阻塞性通气功能障碍17例(17.17%)。正常组39例,将肺功能按照FEV1%pred≥50%分为轻度损伤组及FEV1%pred<50%分为重度损伤组。

二、定量CT参数与肺功能参数的相关性分析

肺功能异常患者CT双肺定量参数及各肺叶LAV-950%与肺功能参数的Pearson相关性分析(见表1),双肺LAV-950%、双肺TLV与肺功能指标呈负相关(P<0.05),双肺MLD、双肺FWHM与肺功能指标除DLCO%pred之外均呈正相关(P<0.05),双肺HAV-200%及SD与肺功能指标无明显相关性(P>0.05),其中与双肺各叶LAV-950%相关性最明显,以LL LAV-950%与FEV1/FVC、FEV1%pred相关性最强(r=-0.597,P<0.001;r=-0.516,P<0.001)。双肺LAV-950%为(29.78±4.95)%,右肺上叶(Right upper Lobe,UR)为(31.28±5.29) %,右肺中叶(Right middle lobe,MR)为(31.44±4.31) %,右肺下叶(Right lower lobe,LR)为(27.02±5.80) %,左肺上叶(Left upper lobe,UL)为(31.58±4.76) %,左肺下叶(Left lower lobe,LL)为(28.09±6.39) %,UL、UR、MR的肺气肿程度最重,LL和LR相对较轻,差异有统计学意义(P<0.05),对双肺各叶LAV-950%进一步两两比较显示,UL与MR间、UR与MR及UL间及LL与LR间比较差异无统计学意义(P均>0.05)(见表1)。

表1 肺功能异常患者CT双肺定量参数及各肺叶LAV-950%与肺功能参数的相关性[r值(P值)]

三、不同分级中各肺叶LAV-950%和肺功能参数的比较

各组之间LAV-950%进行比较,差异有统计学意义(F=8.512、6.356、10.585、7.657、4.726、7.121,均P<0.01),进一步两两比较显示全肺LAV-950%中,极重度组及中重度组与正常组、轻度组、中度组,重度组与正常组及轻度组组间差异有统计学意义(P<0.05);UL LAV-950%与UR LAV-950%中,极重度组与正常组、轻度组、中度组,重度组及中重度组与正常组组间差异有统计学意义(P<0.05);LL LAV-950%、LR LAV-950%中,极重度组、重度组、中重度组与正常组、轻度组、中度组组间差异有统计学意义(P<0.05);MR LAV-950%中,极重度组与正常组、轻度组、中度组,重度组与正常组,中重度组与正常组、轻度组组间差异有统计学意义(P<0.05)。不同分级中,肺功能参数显示各组间FEV1%pred、FEV1/FVC、PEF%pred、MMEF 75%/25%、MVV%pred差异有统计学意义(P<0.05),进一步两两比较差异有统计学意义(P<0.05),随着分级增高,肺功能参数逐渐降低(见表2)。

表2 不同分级中各肺叶LAV-950%和肺功能参数的比较

四、正常组、轻度肺损伤组和重度肺损伤组各肺叶LAV-950%、双肺TLV和肺功能参数的比较

各组间双肺及各肺叶LAV-950%、双肺TLV进行比较,差异有统计学意义(F=16.141、12.795、19.507、14.854、8.728、12.053、8.786,均P<0.01),进一步两两比较显示双肺LAV-950%中,正常组与轻度肺损伤组差异无统计学意义外(P>0.05),UL、LL、UR、MR、LR LAV-950%中轻度肺损伤组与正常组,重度肺损伤组与正常组及轻度肺损伤组差异有统计学意义(P均<0.05),双肺TLV在重度与正常、轻度组间差异有统计学意义(P<0.05)。肺功能参数中FEV1%pred、FEV1/FVC、PEF%pred、MMEF75%/25%、MVV%pred重度肺损伤组均低于轻度肺损伤组,差异有统计学意义(P<0.05)(见表3)。

表3 正常组、轻度和重度肺损伤组各肺叶LAV-950%和肺功能参数的比较

五、定量CT参数预测肺功能的价值

预测FEV1%pred<50%、MVV%pred<50%时定量CT参数全肺及各肺叶LAV-950%的ROC曲线,其中左肺下叶LAA-950%曲线下面积最大(0.821、0.750)(图3),当左肺下叶LAV-950%>28.55%时,预测FEV1%pred<50%的敏感度为87.1%,特异度为65.4%,预测MVV%pred<50%的敏感度为76.9%,特异度为65.9%。

图3 A:LAV-950%(全肺、UL、LL、UR、MR、LR)预测FEV1%pred曲线下面积分别为0.780、0.732、0.821、0.755、0.684、0.762;B:预测MVV%pred曲线下面积分别为0.735、0.707、0.750、0.728、0.6828、0.698

讨 论

慢性阻塞性肺疾病是一种严重危害人类健康的常见病,严重影响患者的生命质量,是导致死亡的重要病因,并给患者及其家庭以及社会带来沉重的经济负担。目前肺功能检查作为慢阻肺的最佳诊断标准,但是受到很多限制,而且当肺部损害面积达到30%以上时,肺功能才会出现异常[4],给早期诊断带来困难。肺气肿是COPD最重要的表现形式,在CT图像上表现为密度减低区,既往的常规剂量检查显示CT值界低于-950HU时的密度减低区与病理结果具有更好的相关性[10],因此,在CT值低于-950HU的区域所占肺容积的百分比应用于量化肺气肿[11]。随着低剂量肺结节筛查的普及,在此基础上定量评估肺气肿,在不增加患者辐射剂量及经济负担的同时,增加诊断价值[12]。本研究在检查中使用能谱纯化技术的Sn100kV管电压,明显降低辐射剂量,使用自动管电流调节技术,保持图像噪声的平稳,保证图像信噪比[13],同时使用较大螺距(2.0)减少扫描时间,提高扫描速度,对于呼吸状态不稳,耐受性不佳的肺功能检查受限的病人[14]在相对静止的状态完成检查。

既往的研究中采用常规剂量呼吸双相[15-16]及低剂量[7-8]来评估COPD,本研究中双肺LAV-950%、双肺TLV与肺功能参数FVC%pred、FEV1%pred、FEV1/FVC、PEF%pred、DLCO%pred呈负相关,其中以双肺LAV%与肺功能各参数相关性较高。双肺MLD、双肺FWHM与FVC%pred、FEV1%pred、FEV1/FVC%、PEF%pred呈正相关,与DLCO%pred无相关性;双肺HAV-200%及标准差与肺功能参数间无明显相关性。在正常、轻度、重度肺损伤组别中,随着肺损伤程度的加重,双肺及各肺叶LAV-950%、双肺TLV上升趋势明显,提示双肺及各肺叶LAV-950%可以很好的反应肺损伤程度,随着肺气肿范围的增大,患者肺功能程度越差,这与兰长青等[17]研究相似。进一步按肺叶分析显示,肺气肿区域以双肺上叶及右肺中叶为著,双肺下叶相对较轻,这是因为双肺下叶代偿能力较高,当肺损伤时,双肺上叶代偿能力较低易发生气体潴留[18]所致。鉴于此,胸部CT可以根据肺叶的LAV-950%进行空间分布准确定位,明确责任肺气肿集中及严重区域,为临床进行肺减容术明确术前靶区,提供客观依据[19-20]。

本研究中双肺上叶LAV-950%与肺功能弥漫功能参数DLCO%pred相关性较好,右肺下叶LAV-950%与DLCO%pred相关性较差,这与文献报道[21]相似。本研究双肺下叶LAV-950%与肺功能气流受限指标FEV1%pred、FEV1/FVC%、PEF%pred、MVV%pred相关性较好,这与兰长青等[17]研究不尽相同,但肺功能气流受限指标均与左肺下叶相关性最高,可能的原因为本研究及王雷报道[21]重度肺损伤例数少于轻度肺损伤例数,而兰长青等[17]研究轻度肺损伤与重度肺损伤例数相近有关。但总体研究肺功能气流受限指标以左肺下叶LAV-950%明显,可能的原因为左肺下叶解剖结构如左肺支气管细长、分支较少有关[22],由此可以预测通气功能下降的严重程度,本研究显示当左肺下叶LAV-950%大于28.55%时,预测FEV1%pred<50%的敏感性为87.1%,预测MVV%pred<50%的敏感性为76.9%。

本研究局限性,首先,肺功能未按COPD全球倡议(Global initiative for chronic obstructive pulmonary disease,GOLD)进行分级,按ATS /ERS(2005版/2019版)通气功能下降分级更能接近临床。其次,本研究重度肺损伤患者明显少于轻度肺损伤患者,有待于进一步补充病例研究。再次,本研究CT定量测量未加入气道指标以及肺血管因素,有待于后期研究的深入。

综上所述,超低剂量胸部CT定量指标LAV-950%与肺功能有良好的相关性,可以定量量化肺损伤,在低剂量肺癌筛查的基础上,在不增加患者辐射剂量及经济负担的前提下,评估肺功能,增加筛查价值。同时,可以定量各个肺叶不同肺气肿区域及严重程度,明确责任肺叶,并能预测肺通气功能障碍的严重程度,为临床精准治疗提供依据。