4D 动态通气CT 应变分析定量评估慢性阻塞性肺疾病肺形变的研究

胡瑜琬 普红波 梁田 徐妍妍 李浩宇 谢晟

慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive pul monary disease，COPD，简称慢阻肺）以持续气流受限为特征，具有高患病率、高致残率及高病死率的一类疾病［1，2］。CT 影像学能够显示肺内病变的分布、模式，并进行定量评估［3-7］，在慢阻肺诊断以及随诊过程中起到重要作用。目前研究中所涉及多为单个时间点的静态CT（最大吸气相、最大呼气相），并基于组织的CT 密度值（气肿定量分析、气道面积测量等）进行定量测算。对于呼吸过程中相对位置变化以及肺叶彼此间可能的相互干扰等肺部结构特性、局部顺应性改变的诠释不足［3-7］。

4D 动态通气CT 是一种新兴的影像检查技术，即在呼吸状态进行连续扫描获取整个呼吸周期中肺部影像信息［8-10］。应变（strain）分析是源于几何学形变理论，可以定量表示人体内组织或器官的形变程度，在心功能领域运用较为广泛［11，12］。考虑到心脏与肺组织存在类似的周期性生理运动，能够检测出心肌运动异常的分析手段或可应用于肺部［8-10］。本次研究欲对慢阻肺患者进行4D动态通气CT 扫描并进行Strain 分析，探讨其可行性，在获取常规解剖形态学改变基础上，识别肺异常形变并进行定量标记。

1 资料与方法

1.1 临床资料

2020 年8 月—2022 年5 月收集临床可疑慢阻肺患者91 例。入组标准：1)年满18 周岁并自愿签署知情同意（伦理审批编号：2020-53-K31）；2)吸烟（含既往吸烟者）或长期（一年以上）接触二手烟并伴有临床症状（如咳嗽、痰多、呼吸困难等）；3)肺内无明确的感染、间质性肺炎、间质性肺纤维化、肺不张、胸腔积液等影响肺体积测定的病变；4)胸部扫描范围内无手术史；5)具有肺功能检查结果（检查日期与CT 检查时间间隔小于2 周）。排除标准：1)扫描图像质量不满足Strain 分析；2)肺功能检查结果项目不全；3)患者退出研究。

入组病例中91 例中吸烟者（含既往吸烟者）51 例（56.04%），二手烟患者（不吸烟者）40 例（43.96%）。患者平均年龄为（60.14±10.38）岁，年龄范围30～85 岁。入组患者基本临床信息见表1。

表1 入组患者基本信息（n=91）

1.2 CT 图像扫描及数据分析

1.2.1 CT 扫描计划设定

所有入组患者的CT 检查均在320 排螺旋CT（Aquilion ONE，Canon）完成。整套扫描计划包括常规低剂量胸部CT 检查和4D 动态通气CT 检查两部分。检查前向患者说明整个检查流程，并对患者进行呼吸训练。

常规低剂量胸部CT 检查：采用螺旋扫描模式，扫描范围为胸廓入口至双侧肋膈角下缘。扫描参数：管电压：120 kVp；管电流：自动管电流调制；管球旋转速度：0.35 s/r；重建Kernel：FC17；迭代重组算法：自适应统计迭代重建技术（adaptive iterative dose reduction 3D，AIDR3D）；层厚：0.5 mm；层间距：0.5 mm。

4D 动态通气CT 检查：采用宽体探测器容积扫描模式，扫描分为上下两部分覆盖整个胸部，即上、下扫描范围均为16 cm，中间有1 cm 重叠部分（图1）。数据以一个呼吸周期为采集时间，后期将上、下两部分数据拼接校准后进行全肺分析。扫描参数：管电压80 kV；管电流60 mA；管球旋转速度0.35 s/r；重建Kernel 为FC15；扫描时长8.4 s；迭代重建算法为AIDR3D；数据重建间隔：0.2 秒/时相（总共41 个时相）；层厚1.0 mm；层间距1.0 mm。

图1 扫描计划示意图。图2 肺体积-时间变化曲线对应不同时相Strain 相关参数伪彩图（以PSmax 为例）。a)肺体积-时间变化曲线；b)不同时相PSmax 伪彩图（参见封面彩图）。

扫描结束后记录患者的CT 剂量指数及剂量长度乘积，胸部转换系数K 采用0.014 mSv·mGy-1·cm-1计算有效剂量（effective dose，ED）［13］。

莲藕、香辣调味料、盐、鸡精、白砂糖：市售；食用香精、乙基麦芽酚、鸡肉鲜香膏：青岛鲁味香食品添加剂有限公司；香辣香精：上海朗枫香料有限公司；柠檬酸：广东省阳东县化工工业公司；硬化剂(乳酸钙)：天津市科顿生物科技有限公司。

1.2.2 CT 数据分析-气肿指数和全肺体积

采用佳能后处理工作站内置分析软件（Lung Density Analysis，Canon）对常规低剂量胸部CT数据进行分析，设定低密度阈值为-950 HU，软件自动识别肺内低密度区并给出气肿指数（low density index，LD index）以及全肺体积（total lung volume，TLV）定量结果。

1.2.3 CT 数据分析（Strain 相关参数提取及分析）

首先对获取CT 数据采用运动相干性算法进行预处理，将上、下两部分肺容积数据拼接校准，生成完整的全肺数据包。然后将全肺数据包载入流体力学分析软件MicroVec（Micro Vec V3.6.2）进行Strain 相关参数［最大主应变值（maximum principal strain，PSmax）、平均主应变值（mean principal strain，PSmean）、最大位移速度（maximum displacement speed，Speedmax）］提取。

将4D 动态CT 数据间隔0.2 s 进行重组（41个时相），采用后处理工作站内置分析软件分析各个时相肺体积，勾画肺体积-时间曲线图（图2），在该曲线图上选取肺体积最大者为吸气末时相（第一呼气时相），肺体积最小者为呼气末时相。在肺体积时间变化曲线上，呼气过程定义为第一呼气时相至呼气末时相。本次研究中分别对呼气全程及呼气过程前2 秒（即第一至第十时相）Strain相关参数值进行分析。

1.2.4 肺功能检查

根据临床症状及肺功能检查结果，将吸入支气管舒张药后第一秒用力呼气量占所有呼气量比值（forced expiratory volume in one second/forced vital capacity，FEV1/FVC，即一秒率）小于70%者定义为慢阻肺。纳入分析的肺功能测量指标包括：FEV1/FVC、呼气流速峰值（peak expiratory flow，PEF）、用力呼出75%肺活量的呼气流速（75% of maximal mid-expiratory flow，MMEF75）、用力呼出50%肺活量的呼气流速（50%of maximal mid-expiratory flow，MMEF50）、25%肺活量的呼气流速（25%of maximal mid-expiratory flow，MMEF25）和用力呼出25%～75%肺活量时的平均呼气流速（25%～75% of maximal mid-expiratory flow，MMEF75/25）。

1.2.5 统计学分析

2 结果

共入组患者91 例，30 例为非慢阻肺，61 例为慢阻肺。所有患者均行肺功能及CT 相关检查，两种检查的平均间隔时间为（7.7±4.6）d。

2.1 CT 定量参数与肺功能检查结果相关性

基于常规低剂量胸部CT 获得LD index 平均值为（8.30±13.90）%，与肺功能检查各参数间（除PEF）存在一定负相关，相关系数ρ 为-0.504～-0.349（P＜0.05）（表2）。

表2 CT 定量参数与肺功能检查结果间相关性

动态通气CT 获取全肺Strain 相关参数值与肺功能检查各参数间存在不同程度的正相关，但与呼气全程的参数相比，呼气前2 秒的参数值与肺功能检查相关系数更大，即相关性更强（表2）。

2.2 动态通气CT 扫描上、下两部分肺组织间Strain相关参数比较

动态通气CT 扫描计划设定中，全肺分为上、下两部分进行容积扫描。分别计算上、下两部分肺组织的呼气全程、呼气过程前2 秒Strain 相关参数值，具体计算方法同全肺Strain 相关参数。上半部肺组织呼气全程、呼气前2 秒Strain 相关参数值均小于下半部分肺组织，并存在明显统计学差异（表3）。

表3 动态通气CT 上、下两部分肺组织strain 相关参数比较

2.3 CT 检查辐射剂量

单次低剂量胸部CT 扫描平均CT 剂量指数为3.35 mGy，剂量长度乘积为144.64 mGy·cm，ED为2.02 mSv；单次动态通气CT 扫描平均CT 剂量指数为16.3 mGy，剂量长度乘积为260.4 mGy·cm，ED 为3.65 mSv。

3 讨论

本次研究中Strain 值计算采用流体力学分析软件，按照像素对气道及肺组织进行划分，将每个像素点视为一个运动矢量，计算宏观矢量总体位移改变进行定量分析，观察肺部力学改变及区域性形变。所获取全肺Strain 相关参数值［呼气全程参数（PSmax-all、PSmean-all、Speedmax-all）、呼气前2 秒参数（PSmax2s、PSmean2s、Speedmax2s）］与肺功能检查结果进行相关性分析，结果显示两组数据间存在程度不一的正相关（相关系数ρ 最大为0.684），提示采用流体力学分析软件获取Strain 相关参数值有助于定量评估通气过程中肺部异常运动形变，并在一定程度上反映肺通气功能障碍。

肺组织的力学特性主要由自身的组织-胶原蛋白和弹性纤维所决定，胶原纤维呈波浪状、松散排列，只有肺组织完全膨胀才会变得紧实，而弹性蛋白纤维完全断裂前（即一定压力范围内）具有很强的可伸缩性，故生理状态下肺部呈非线性压力-应变改变特性［14］，表现为肺部充盈/塌陷的黏弹性行为。在病理状态下（如慢阻肺），正常肺组织“网状”结构（主要为弹性蛋白及胶原蛋白纤维成分）被破坏，肺组织正常弹性回缩力下降。气道炎症会造成管壁增厚、管腔狭窄，局部炎性细胞聚集及弹性蛋白酶分泌，会进一步加重气道及肺泡结构重塑，后者本身是一种无序的自身修复机制［15］。如此，肺部失去正常的黏弹性力学特性，局部体模量和剪切模量会出现不均匀性增加，继而出现通气过程中肺内物理压力传导的不一致性，最终导致肺部整体运动的不规律［15-17］。Strain分析能够对呼吸过程中肺实质结构应变程度进行定量提取，有助于进一步探寻肺部结构与功能改变的相关机制。

慢阻肺多种模式病变，如近端气道病变、小气道病变、肺气肿等均会造成肺内结构及形态改变，进而出现肺内运动的不一致，即形变异常［15-17］。在特定的患者中常会出现多种模式病变并存，不同的病变模式和分布情况对气流受限的影响程度很难单独量化，且不能直接线性转化为呼气气流受限情况，并在肺功能结果上体现出来［15，18］。此外，慢阻肺患者由于肺内正常结构破坏，肺组织正常弹性回缩力下降，对于膈肌在内的呼吸肌相对依赖性增加［16］，而CT 扫描过程患者采用平躺仰卧位，不利于呼吸肌调动配合，继而对呼吸过程中肺部体积变化会有一定影响。故研究中LD index、Strain 相关参数值与FEV1/FVC、PEF、MMEF等肺功能检查指标间并非线性相关，且相关系数不等。Bodduluri 等［6］是采用匹配吸气和呼气三维CT 图像，定量计算雅可比行列式和各向异性变形指数（测量随着呼吸运动、肺组织局部扩张和收缩改变），与肺功能结果进行相关性分析亦得出类似结论。

从几何数学理论上，PSmax和PSmean分别代表位移场中形变的最大值和平均值，而Speedmax代表同一位移场中最大位移速度［11，12］。比较上、下两部分肺组织（根据动态通气CT 扫描原始数据）Strain相关参数值，结果显示上半部分肺组织形变幅度及速度明显低于下半部分肺组织。研究入组的非慢阻肺患者中，CT 图像上能观察到部分患者存在双肺尖气肿的改变，同时气肿旁组织Strain 相关参数值有所下降，但肺功能结果相对正常。这一现象首先间接证实肺内结构破坏程度与肺功能的变化并非线性相关［5，6，18，19］，其次说明Strain 相关参数对于肺内结构改变的敏感性要高于常规肺功能检查指标。

目前完整胸部4D 动态通气CT 检查需采用上、下两部分容积扫描拼接完成，虽已调整扫描参数并采用自适应迭代重建算法降低辐射剂量，但检查的辐射剂量仍高于常规低剂量胸部CT，这也是本项检查的一个局限。

本次研究不足之处：1)入组样本量相对较小，考虑到国内非吸烟群体中二手烟暴露情况［20］，将长期被动吸烟患者也纳入研究中，这与其他慢阻肺相关研究所采用的纳入标准有所不同，因此研究结果亦需要进一步验证；2)不同的呼吸方式（胸式呼吸或腹式呼吸）对定量分析结果可能会有一定影响［21］，但慢阻肺患者随着病情进展，膈肌在内呼吸肌不同程度参与呼吸运动，呼吸方式无法完全清晰界定，故未做分类处理；3)虽然伪彩图像能够直观显示Strain 相关参数分布差异，但目前使用软件还无法对融合的全肺数据实现解剖性分割（如肺叶）及兴趣区的任意勾选。

总之，本研究结果显示基于动态通气CT 的Strain 分析能够对慢阻肺患者肺形变进行定量评估，并在一定程度上反映肺功能的变化。