基于HDCT定量技術(shù)的慢性阻塞性肺疾病早期診斷的研究

張少杰，齊琳，陸金娟，田全凱，李銘

復(fù)旦大學(xué)附屬華東醫(yī)院放射科，上海 200040

慢性阻塞性肺疾?。╟hronic obstructive pulmonary disease，COPD）是世界范圍內(nèi)發(fā)病率和死亡率的重要因素［1］。COPD 以持續(xù)存在的呼吸系統(tǒng)癥狀和氣流受限為特征，其患病率高、病死率高，是目前全球死亡病因的第3 大疾病，并成為全球第5 位主要致殘疾?。?］。臨床工作中通常將肺功能檢查（pulmonary function test，PFT）作為COPD 診斷的金標(biāo)準(zhǔn)，然而PFT 的實用性是有限的，PFT 只提供功能信息，不能發(fā)現(xiàn)COPD早期病理變化［1，3］。只有在肺組織破壞超過30%、小氣道阻塞超過75%左右時，PFT 檢查才會出現(xiàn)異常，過度依賴其作為單一診斷指標(biāo)而導(dǎo)致老年人誤診和年輕人漏診［4］。目前，COPD 早期影像學(xué)診斷是CT定量技術(shù)對COPD 相關(guān)疾病研究的熱點問題之一，CT 定量技術(shù)可以對支氣管、肺血管等結(jié)構(gòu)進行定量測量［5-6］。然而，既往相關(guān)研究多基于對COPD 患者支氣管、肺血管等結(jié)構(gòu)進行觀察，以預(yù)測患者阻塞性通氣功能障礙，而相關(guān)定量參數(shù)在對一秒率正常的肺功能下降（preserved ratio impaired spirometry，PRISm）患者的診斷價值以及對彌散功能障礙的影響尚未有準(zhǔn)確的定論。本研究通過胸部CT 定量分析COPD 患者及PRISm 患者支氣管、肺血管的部分定量參數(shù)，觀察其對PRISm 及COPDP 患者早期診斷的臨床應(yīng)用價值。

1 資料與方法

1.1 一般資料

回顧性分析2019年9月—2021年3月在復(fù)旦大學(xué)附屬華東醫(yī)院行雙氣相胸部CT 平掃病例73 例，所有病例均在行雙氣相胸部CT 平掃前后24 h 內(nèi)進行PFT 檢查。納入標(biāo)準(zhǔn)：（1）接受PFT 檢查，且根據(jù)根據(jù)2021 版COPD 全球防治策略（GOLD）及COPDGene研究對受試者氣流受限嚴(yán)重程度進行肺功能分級：GOLD 1 級（輕度），F(xiàn)EV1% pre≥80%；GOLD 2 級（中度），F(xiàn)EV1%pre≥50%，＜80%；GOLD 3 級（重度），F(xiàn)EV1%pre≥30%，＜50%；GOLD 4 級（極重度），F(xiàn)EV1%pre＜30%，PRISm，F(xiàn)EV1/FVC＞0.7 且FEV1＜80% pre；健康對照組，F(xiàn)EV1/FVC＞0.7 且FEV1＞80% pre［7-8］。由于部分組別患者病例數(shù)較少，故將GOLD1-4 級患者分別合并為GOLD1 ＋2、GOLD3 ＋4 組進行研究。（2）深吸氣相與深呼氣相胸部CT 平掃圖像完整、清晰能夠進行自動分割。（3）患者對本研究知情同意。排除標(biāo)準(zhǔn)：（1）CT 圖像或肺功能數(shù)據(jù)不全。（2）患者合并其他胸部疾病，如氣胸、胸腔積液、嚴(yán)重的肺纖維化及胸部術(shù)后患者。（3）心功能不全或肺動脈高壓患者。（4）年齡＜60 歲。

1.2 方法

1.2.1 圖像采集所有病例均在行PFT 檢查前后24 h 內(nèi)進行雙氣相平掃胸部CT 檢查。檢查前由放射科醫(yī)師對患者進行呼吸訓(xùn)練。CT 掃描相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下：管電壓、管電流參數(shù)分別為120 kV、200 mAs，旋轉(zhuǎn)時間0.5 s；螺距1.1；層厚0.625 mm；重建核b31f 和b70f。

1.2.2 圖像處理后處理圖像分析是由5年以上工作經(jīng)驗的放射科醫(yī)師進行處理，所有雙氣相HDCT 圖像以DICOM 格式保存并導(dǎo)入COPD 分析軟件（SUHAI IMAGE CDR＿V1.0）。采用其自動分割測量模塊，分別測量雙氣相定量參數(shù)。定量分析內(nèi)容如下：深吸氣相距胸膜6 mm 血管數(shù)量，并計算其雙氣相差值（圖1a）。左右全肺、各肺葉的肺容積（Volume）、呼氣相支氣管容積（圖1b 和圖1c），并參考房峰和暴銳等［9-10］的相關(guān)研究計算各項參數(shù)與相應(yīng)肺容積的比值，得到計算后的參數(shù)：全肺（WL）容積比、右肺（RL）容積比、左肺（LL）容積比、右肺上葉（RUL）容積比、右肺中葉（RML）容積比、左肺上葉葉（LUL）容積比、左肺下葉（LLL）容積比，具體計算公式如下：容積比＝段及段以下支氣管容積/對應(yīng)肺組織容積。通過人工標(biāo)記方式選定各段支氣管，測量其容積，得到各肺葉段以下支氣管容積（圖1c），并可計算其與相應(yīng)肺組織容積的比值，得到計算后的參數(shù)如下：WL 段以下支氣管/肺容積、RL 段以下支氣管/肺容積、LL 段以下支氣管/肺容積、RUL 段以下支氣管/肺容積、RML 段以下支氣管/肺容積、RUL 段以下支氣管/肺容積、RLL段以下支氣管/肺容積。

圖1 a b c 分別展示對距胸膜6 mm 血管數(shù)量、部分肺葉支氣管容積的測量

1.2.3 肺功能檢查所有病例均在行雙氣相胸部CT 平掃24 h 內(nèi)，穩(wěn)定狀態(tài)下進行PFT 檢查，測量支氣管擴張劑治療前后的肺活量、靜態(tài)肺容積和一氧化碳單次呼吸擴散能力。

1.3 統(tǒng)計學(xué)分析

采用IBM SPSS23.0 進行統(tǒng)計分析。計量資料采用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（±s）表示，以spearman（偏態(tài)分布）或pearson（正態(tài)分布）相關(guān)系數(shù)分別評估WL 容積比、RL容積比、LL 容積比、RUL 容積比、RML 容積比、LUL容積比、LLL 容積比、WL 段以下支氣管/肺容積、RL段以下支氣管/肺容積、LL 段以下支氣管/肺容積、RUL 段以下支氣管/肺容積、RML 段以下支氣管/肺容積、RLL 段以下支氣管/肺容積、LUL 段以下支氣管/肺容積、LLL 段以下支氣管/肺容積，將上述變量帶入二項Logistic 回歸方程，將所有病例分為正常對照組和患病組得到預(yù)測概率值，將其作為CT 定量參數(shù)的聯(lián)合預(yù)測指標(biāo)繪制ROC 曲線并計算曲線下面積（圖5和表4）。以P＜0.05 為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 PFT 結(jié)果與人口學(xué)特征

納入本次研究的73 例病例，男性47 例，女性26 例，年齡60～88 歲，平均（68.7 ±6.5）歲。其中COPD1-2患者20 例，COPD3-4 患者11 例，PRISm 患者16 例，健康對照組26 例。體質(zhì)量指數(shù)（BMI）為（25.4 ±2.0）kg/m2，F(xiàn)EV1%pre、FEV1/FVC 以及一氧化碳彌散量與肺泡通氣量比值（DLco/VA）結(jié)果分別為：（81.0 ±34.0）、（75.0 ±17）和（86.5 ±2.0）。見表1。

表1 人口學(xué)特征與PFT 檢查結(jié)果

2.2 CT 定量參數(shù)與PFT 結(jié)果相關(guān)性

FEV1%pre 分別與WL 容積比、RL 容積比、RUL容積比、RML 容積比、LUL 容積比、WL 段以下支氣管/肺容積、RL 段以下支氣管/肺容積、RUL 段以下支氣管/肺容積、RML 段以下支氣管/肺容積等參數(shù)成正相關(guān)。見表2。

FEV1/FVC 分別與WL 容積比、RL 容積比、LL 容積比、RUL 容積比、RML 容積比、LUL 容積比、LLL 容積比、WL 段以下支氣管/肺容積、RL 段以下支氣管/肺容積、RUL 段以下支氣管/肺容積、RML 段以下支氣管/肺容積、RLL 段以下支氣管/肺容積等參數(shù)成正相關(guān)。見表2。

表2 PFT 檢查結(jié)果阻塞性通氣障礙指標(biāo)與呼氣相CT 定量參數(shù)的相關(guān)性

DLco 分別與距胸膜6 mm 血管數(shù)量（WL）、距胸膜6 mm 血管數(shù)量（RL）、距胸膜6 mm 血管數(shù)量（LL）、距胸膜6 mm 血管數(shù)量（RML）、距胸膜6 mm血管數(shù)量（RLL）成正相關(guān)。見表3。

基于表2和表3中的數(shù)據(jù)可以看出RL 段以下支氣管容積/肺容積與PFT 檢查結(jié)果中的阻塞性通氣功能指標(biāo)存在相關(guān)性（圖2），且相關(guān)性最高，其在正常對照組、PRISm 組、GOLD1 ＋2 組、GOLD3 ＋4 組存在差異（圖3）。

圖2 RL 段以下支氣管容積/肺容積分別與FEV1%pre FEV1/FVC 相關(guān)性的散點圖

表3 PFT 檢查結(jié)果彌散功能障礙與吸氣相CT 定量參數(shù)的相關(guān)性

圖3 各組病例之間RL 段以下支氣管/肺容積的箱式圖

從表3結(jié)果可以看出LLL 胸膜下6 mm 血管數(shù)與患者DLco 相關(guān)性最強且在正常對照組、PRISm、GOLD1 ＋2、GOLD3 ＋4 組存在差異（圖4）。

圖4 各組病例之間LLL 胸膜下血管數(shù)的箱式圖

根據(jù)CT 聯(lián)合指標(biāo)繪制的ROC 曲線并計算得出曲線下面積，其曲線下面積超過單一PFT 檢查結(jié)果（圖5和表4）。

表4 曲線下面積

圖5 CT 聯(lián)合指標(biāo)ROC 曲線

3 討論

研究發(fā)現(xiàn)超過70%的COPD 患者屬于早期患者，即處于GOLD 1-2 期，這部分患者癥狀常較輕微或沒有明顯的呼吸系統(tǒng)臨床癥狀，在Rotterdam 研究觀察到49.4% 的受試者在4.5年內(nèi)發(fā)生了由PRISm 到COPD 的轉(zhuǎn)變。因而絕大部分早期患者未主動求醫(yī)就診，錯過了最佳的治療時期［11-12］。臨床工作中通常將肺功能檢測作為COPD 診斷的金標(biāo)準(zhǔn)，然而其不能發(fā)現(xiàn)COPD 早期病理變化，也無法顯示不同病理改變的空間分布，更無法對其進行量化［3］。COPD 的特征是呼氣氣流阻塞，COPD 與不可逆的肺結(jié)構(gòu)改變有關(guān)，包括實質(zhì)破壞（肺氣腫）、大氣道重塑以及肺內(nèi)小氣道口徑和數(shù)量的減少［13］。其中小氣道病變早于肺實質(zhì)破壞，Mariaelena 等［14-15］的研究顯示，當(dāng)總的氣體潴留率小于肺容積的30%時，幾乎完全來自小氣道病變。對于相對較大的肺來說，不成比例的小氣道樹可能是氣流阻塞和氣體潴留的主要決定因素，雖然由于分辨率的限制，CT 不能顯示小氣道，但是中央氣道尺寸的測量是有用的，因為這也反映了小氣道疾病的組織學(xué)特征，導(dǎo)致小氣道過度阻塞的相同病理生理過程也發(fā)生在較大的氣道［16-17］。有研究指出，COPD 患者CO擴散能力下降，DLCO 的降低與疾病嚴(yán)重程度和預(yù)后不良相關(guān)［18］。在有和沒有氣流受限的吸煙者中，很大一部分肺氣腫進展不能通過1 秒內(nèi)用力呼氣量的變化來解釋，這表明CT 檢測到的疾病可以在肺功能測試檢測到任何可測量的變化之前進展［3］。CT 定量分析以－950 HU 為閾值量化肺氣腫的分布為基礎(chǔ)，從對小氣道形態(tài)學(xué)測量到雙氣相體素匹配建立參數(shù)反映圖，隨后更與人工智能結(jié)合，已在COPD 診斷過程中體現(xiàn)了巨大價值，然而以前的研究要么集中在肺氣腫的量化，要么集中在使用基于CT 的指數(shù)評估氣道壁［1，19］。本研究主要集中在對于早期COPD 患者（PRISm）和輕中度COPD 患者（GOD1 ＋2）的氣道容積CT 定量參數(shù)與PFT 檢查結(jié)果的相關(guān)性、各組間病例定量參數(shù)差異性以及患者彌散功能DLco 與胸膜下血管CT 定量參數(shù)相關(guān)性的分析上。

本研究結(jié)果表明氣道容積與肺容積的比值與患者的阻塞性通氣功能存在相關(guān)性，胸膜下小血管數(shù)量與患者彌散功能存在相關(guān)性，且均在各組病例間存在差異。通過胸部CT 及其定量技術(shù)可以評估患者小氣道病變導(dǎo)致管腔狹窄情況以及因缺氧和毛細血管床壓力改變導(dǎo)致的肺部小血管重構(gòu)情況。

在所有參數(shù)中呼氣相RL 段以下支氣管容積/肺容積與PFT 檢查結(jié)果中的阻塞性功能障礙指標(biāo)FEV1%pre、FEV1/FVC 相關(guān)性最強。本研究認為這可能是由于以下3 個原因：（1）盡管COPD 存在各種表性，但其中最常見的CLE 多發(fā)生于肺上葉，F(xiàn)leischner 協(xié)會的研究表明原發(fā)病變是由單個腺泡內(nèi)呼吸性細支氣管的擴張和破壞造成的［13］。本研究的病例中早期和輕中度COPD 患者較多，這部分患者可能處于上葉肺組織已經(jīng)出現(xiàn)小氣道病變但卻未發(fā)展成肺氣腫階段。（2）右肺上葉不僅位置相對固定活動度小，且遠離心臟受到心臟搏動影響較小，能夠得到較為真實不收干擾的測量數(shù)據(jù)。（3）由于患者肺組織內(nèi)部機械特性的變化，用力呼氣時的氣道塌陷加重，導(dǎo)致FEV1降低，F(xiàn)EV1/FVC 比值降低，從而在肺活量測定中出現(xiàn)阻塞性通氣缺陷［18］。Kurosawa 和李一鳴等［20-21］在研究中發(fā)現(xiàn)下游氣道在呼氣相極度狹窄甚至閉合而在吸氣相開放尚可。因此對于早期和輕中度COPD 患者，氣道容積改變可能更多體現(xiàn)在呼氣相。

本研究對比段及以下支氣管容積后發(fā)現(xiàn)排除掉段支氣管容積后的定量參數(shù)與PFT 結(jié)果相關(guān)性更強，這與以前的研究結(jié)果也是一致的，更加表明小氣道的過度阻塞發(fā)生在大氣道病變之前［22］。本研究將病例分為健康對照組與患病組，利用相關(guān)容積比值的參數(shù)帶入二項Logistic 回歸方程以此繪制CT 定量參數(shù)多指標(biāo)的ROC 曲線，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其曲線下面積明顯大于PFT 單一項指標(biāo)。

早期COPD 患者的肺功能受損程度較輕，肺通氣的功能指標(biāo)FEV1雖然目前應(yīng)用最廣泛，但對早期的肺功能變化不敏感，測不出早期COPD 肺通氣的變化［23］。COPD 早期病變比較局限，加之周圍肺組織的代償，對整體肺泡通氣量與全肺血流量影響較小。其次，對于配合欠佳或病重患者不能耐受等因素，均可能影響肺功能檢查的準(zhǔn)確性［24］。本研究結(jié)果表明肺血管的CT 定量參數(shù)與DLco 存在相關(guān)性。在相關(guān)結(jié)果的箱式圖中發(fā)現(xiàn)定量指標(biāo)并不是隨著嚴(yán)重程度增高而逐步下降，PRISm 患者的相關(guān)指標(biāo)在所有組別中最低。本研究認為這可能是與PRISm 患者存在一定程度限制性疾病有關(guān)［12］。

本研究存在一定的局限性：單中心研究病例數(shù)較少尤其是GOLD1 患者較少，因此為保持均衡，本研究將受試者中GOLD1、2 期患者合并為一組，此項不足仍有待日后進一步完善。

綜上，本研究表明，CT 定量參數(shù)能夠為COPD 患者早期診斷及反應(yīng)其彌散功能提供有效幫助。近年來，我國政府陸續(xù)出臺慢阻肺防控政策縣級醫(yī)院要實現(xiàn)國家大病不出縣的目標(biāo)，規(guī)范治療呼吸系統(tǒng)常見病，然而目前基層醫(yī)醫(yī)療機構(gòu)沒有配備標(biāo)準(zhǔn)肺功能儀，基層醫(yī)務(wù)人員慢阻肺防治知識不足，未經(jīng)過PFT檢查專業(yè)培訓(xùn)［25］。對比胸部CT，PFT 檢查耗時耗力，且部分患者無法配合檢查，本研究結(jié)果能夠在一定程度上彌補此類不足。