慢性阻塞性肺疾病CT与MRI影像学现状及研究进展

刘士远 夏艺 管宇 范丽

慢性阻塞性肺疾病CT与MRI影像学现状及研究进展

刘士远 夏艺 管宇 范丽

刘士远 教授

慢性阻塞性肺疾病（COPD）是一组以不可逆的气道阻塞为特征的气道慢性炎症病变，是全球死亡及致残的主要原因之一，在老年患者中尤为显著。早期诊断早期干预是改善预后降低死亡率的关键。目前，肺功能检查（PFT）仍是COPD的诊断及临床分级的金标准。然而，肺功能检查不能反映局部肺功能变化，早期COPD患者其结果多为正常，而此时有些患者小气道功能（直径＜2 mm的气道）已发生异常。其次，PFT为一个动态的检查，需要患者配合，受患者年龄及健康因素的限制，误差较大。所以COPD的早期诊断受到制约，晚期COPD病人的生活质量极差，病死率高。随着计算机及其软件不断发展，影像学可以较敏感地早期发现病变，其中现代影像学技术在COPD的早期诊断及预后评估方面起到非常重要的作用。本文主要针对CT与MRI形态及功能成像在COPD中的应用和研究进展进行阐述。

1 胸部CT检查

1.1 COPD的高分辨CT（HRCT）表现 HRCT能够先于PET发现肺解剖结构的异常，帮助确定COPD的病变是以肺气肿为主还是气道病变为主［1］。COPD患者的HRCT形态学表现呈多样性。

1.1.1 中央气道病变：表现为：（1）支气管壁增厚及管腔狭窄；（2）剑鞘样气管，一般选用主动脉弓上1 cm层面来测量气管冠状径与矢状径的比值，即气管指数。若气管指数＜0.67；同时气管的横断直径＜正常的60%，称之为剑鞘样气管［2］；（3）气管软化，呼气时气道直径减小＞50%定义为气道软化。

1.1.2 外周气道病变：表现为细支气管壁增厚与管腔狭窄。一些病理学研究表明COPD患者的气道梗阻一般发生在直径＜2 mm的小气道里［3］，一般呼气相HRCT易发现早期小气道病变，在HRCT上可观察到“树芽征”。树芽征反映的是扩张的小叶中心型细支气管管腔内充满黏液或脓液；通常伴随着细支气管炎症［4］，并伴有细支气管扩张、细支气管壁增厚及细支气管周围炎。气道壁增厚是继发于慢性炎症的过程。

1.1.3 实质病变：一般表现为肺气肿改变及肺间质纤维化，已经证实了CT比肺功能检查对于探测早期肺气肿更加敏感。有相当数量的COPD患者没有肺气肿的临床症状，而且其PET也并没有达到诊断COPD的标准，但是却具有肺气肿的CT特征［5］，即在HRCT上表现为密度减低及没有完整壁的区域；区域性的空气滞留反映的是过多气体的存留，间接地反映出外周气道的阻塞，这种现象在呼气相中更容易观察到［6］，所以肺气肿呼气相HRCT的重要征象是空气潴留征，表现为局灶性的低密度［7］。空气潴留在HRCT上可以呈“马赛克灌注”。在COPD早期阶段，即1和2级时已经开始出现肺间质纤维化，可将小叶间隔增厚和肺内异常线影视为COPD合并肺间质纤维化的早期表现［8］；小叶间隔增厚，是因为间质增生和淋巴管扩张以及成纤维细胞和胶原纤维增生所致；肺内异常线影则为肺泡隔纤维增生。

1.1.4 肺血管病变：在COPD患者中肺血管的改变包括血管稀疏及血管扭曲。COPD另一个常见并发症是肺动脉高压，HRCT和螺旋CT肺动脉造影可以帮助诊断。有一部分COPD患者合并有肺栓塞。

1.2 COPD的HRCT定量分析

1.2.1 HRCT对肺气肿的定量评估：HRCT对于COPD的定量评估方法主要包括：肺密度测定、肺容积测定及像素指数测定。

肺密度定量分析：利用CT数字成像的特点将像素图经专门软件进行自动评估，计算出平均肺密度（MLD）。CT的MLD值反映的是通气状况、血流量、血管外液量及肺组织的综合密度，且受到呼吸、膈肌运动、重力因素的影响。COPD患者与正常人的平均肺密度差异具有统计学意义，且与肺功能具有一致性［9］，目前COPD的HRCT肺密度定量研究中尚没有明确的肺密度测量指标，一般认为薄层平扫CT预测肺气肿最恰当的临界值为－850 HU，大于此数值认为是正常的［10］，吸烟会对肺密度存在一定影响，有吸烟史的COPD患者在戒烟后肺密度会相应降低［11］。对肺密度进行测量时应使用CT平扫技术，而不能应用造影剂，否则会导致肺密度增加，影响肺气肿的评价［12］。

肺容积定量分析：用HRCT分别在呼、吸气相对全肺进行连续扫描，然后用自动化软件测定肺容积的各项指标，肺容积指标包括最大吸气末容积（Vin）、最大呼气末容积（Vex）和容积比（Vex／in）。HRCT测定肺容积值小于PFT测定的值，这与患者HRCT检查时为仰卧位，而在PFT检查时是坐位有关，仰卧位时肺容积可减少500 ml，且HRCT测定肺容积时还剔除了大气管内约100ml的容积。

像素指数（PI）、体素指数（VI）：PI是指某一阈值内像素的体积占单位体积的百分比。典型的肺组织CT值范围应是－900～－600 HU。一般以－910 HU为阈值，将肺组织划分为4个区间A：－1024～－901 HU；B：－900～－801 HU；C：－800～－701 HU；D：≥－700 HU。A区间代表呼气受阻部分的肺实质；B区间代表正常通气的肺实质部分；C区间、D区间代表吸气减少的肺实质部分。Müller等［13］首先采用密度蒙片的方法将＜－910 HU的像素增亮，从而将肺气肿较为直接地显示出来，计算肺气肿区域和正常肺组织区域比例，得出肺气肿的定量诊断，其结果与肺气肿的病理级别是密切相关的。对于薄层扫描最常用的阈值为－950 HU。VI是指单位体积内某一阈值以下的体素个数所占百分数。关于判定空气潴留或肺气肿的VI阈值不尽相同，吸气相－950 HU、－900 HU、－930 HU，呼气相－910 HU不等。

1.2.2 HRCT对于气道壁的定量评估：HRCT的应用为COPD气道重塑评价提供了无创和定量的方法。Nakano等［14］首次对COPD患者进行支气管壁厚度的定量测量，表明右肺上叶尖段支气管壁厚度与FEV1%预计值之间有明显相关性。在HRCT尚未能对小气道进行精确测量的前提下，利用CT测量大气道壁面积占气道总截面积的百分比（WAP）及气道壁厚度与气道管腔外径之比值（TDR）来预测小气道的改变也是有一定临床价值的［15］。此外气道软化与COPD密切相关，将近一半的COPD患者存在气道软化［16］。

COPD患者由于气道反复慢性炎症，存在一定比例的支气管扩张［17］。支气管扩张会对气道的定量测量产生影响，所以WAP、TDR虽是反映气流受限和气道功能较敏感的指标，但不能准确地对其进行分级，仅能在一定程度上反映肺功能受损的程度。

1.3 CT功能成像评估COPD 肺的CT功能成像主要有通气成像及灌注成像。

为了能够用CT进行通气成像，必须使用气体对比剂。目前报道的肺通气对比剂为非放射性的氙气和碘对比剂。在吸入及呼出气体对比剂的过程中，通过CT值改变测量区域通气情况。目前CT在肺部通气方面的研究主要在动物实验方面［18］。CT在肺通气方面临床应用仍在探索阶段，已有CT通气成像技术初步应用于正常志愿者的报道。

肺部CT灌注成像是指对比剂首次通过肺循环时快速扫描获得肺组织血流灌注状态，同时得到时间密度曲线（time-density curve，TDC）及各灌注参数值，灌注参数包括血流量（blood flow，BF）、血容量（blood volume，BV）、对比剂的平均通过时间（mean transit time，MTT）、对比剂峰值时间（time to peak，TTP）、表面通透性（permeability surface，PS）等，以此来评价组织器官的灌注状态。

肺气肿以肺内进展性不均质的灌注表现为特征，国外已有用CT灌注成像定量评价COPD的报道［19］，定量分析一般应用时间-密度曲线（TDC）和CT的灌注参数进行评价。COPD患者TDC较正常人平直，表现为缓慢上升的过程，没有明显峰值［20］，这是因为肺毛细血管网的破坏，使对比剂扩散成为一个缓慢过程。CT灌注参数主要包括BF、BV、PS和MTT。BF反映血流量即组织器官内血流的速率；BV反映血容量即有功能的毛细血管量；BV、BF与血管的管径、数量、血管通畅程度有关。动物实验研究发现，肺血管阻力增加可引起BF、BV值的明显减小［21］。PS反映毛细血管的通透性。COPD患者由于毛细血管网破坏，通透性降低，对比剂不易经毛细血管基底膜进入组织间隙，导致COPD患者PS值明显低于正常人，但数值交叉较多，对COPD的诊断无明显价值，这可能与毛细血管网破坏程度有关［22］。MTT指血液流经血管的平均时间。COPD患者由于毛细血管破坏、重建及侧支循环形成，造成对比剂通过时间延长，导致COPD患者MTT时间高于志愿者。

2 胸部MRI检查

2.1 MRI形态成像 与CT相比，MRI由于受肺质子密度低、血流信号丢失等因素的影响对肺部形态学的评价不甚理想，在COPD患者中尤为明显。Ley-Zaporozhan等［23］学者对22名肺气肿患者进行1.5 TMRI的T1-GRE（VIBE）、T2-HASTE等不同序列的扫描及与MSCT的对照研究，结果表明HASTE序列可显示炎性支气管壁增厚，增强VIBE序列适用于纵隔及肺结节的评估诊断，但MRI仅能显示一半病例的肺气肿分型及严重程度。所以质子MRI在临床上可能不适用于肺气肿的诊断、分型及支气管壁增厚的显示。

2.2 MRI功能成像

2.2.1 MRI灌注成像：MRI在肺功能成像方面有很大优势，可提供灌注、通气和呼吸动力学等方面的功能信息。而MRI灌注成像与放射性核素闪烁灌注成像相比，具有无放射性辐射、较高的空间和时间分辨力，且在检测灌注异常方面有较高的诊断准确度（90%～95%）［24］。

MRI灌注成像的主要方法为首过对比剂技术和动脉自旋标记技术（arterial spin labeling，ASL）。首过对比剂技术是采用快速成像序列，静脉团注对比剂后将组织毛细血管水平的血液灌注情况显示出来。随着MR技术的进步，可进行多平面的3D容积灌注成像，能获得局部肺灌注缺损区域准确的解剖学定位，从而可以在叶和段水平评估COPD。Ley-Zaporozhan等［25］对45例重度COPD患者（GOLDⅢ和Ⅳ）在肺叶水平上对肺实质破坏与肺灌注缺损的相互关系进行评估。该研究将每侧肺分为3叶，分别在CT和MRI上采用4分法分级。分析的270个肺叶中有213个叶（79%）的肺实质破坏与灌注缺损相匹配；44个叶在CT上具有相对较高的评分，13个叶在MRI上具有相对较高的评分；CT与MRI相比，CT关于严重程度的评分较高。重度肺气肿患者CT上的气肿区和MRI上的灌注缺损高度一致。

以上为肺灌注成像用于COPD患者局部肺灌注的视觉的半定量评估，此外，3D MR灌注技术可对局部肺血流量进行量化分析。Ohno等［26］用3D MRI灌注定量评估肺动脉高压病人与健康志愿者，发现COPD患者的肺血流量（pulmonary blood flow，PBF）和肺血容量（pulmonary blood volume，PBV）均减少，平均通过时间（mean transit time，MMT）显著降低。近年，Jang等［27］运用MRI灌注定量评估了14例COPD患者，并与肺功能指标及HRCT容积参数进行相关性分析，发现PBF（r＝0.49，P＝0.044）、PBV（r＝0.69，P＝0.006）及MMT（r＝0.76，P＝0.002）均与FEV1／FVC呈正性相关，MTT（r＝0.76，P＝0.002）与FEV1正相关；PBV与V-950呈负相关性（r＝－0.61，P＝0.020）。因此，对局部肺实质进行定量分析，可深入地理解COPD的病理生理学。

动脉自旋标记技术（ASL）是利用磁化标记的血液作为内源性的对比剂，在肺灌注成像中用来检测信号的变化，其优点是无需使用外源性对比剂，而仍保持较高的对比噪声比。Fan等［28］将ASL应用于肺实质的灌注成像，在对正常志愿者的研究中证明了ASL肺灌注成像方法的可行性和可重复性，同时研究了影响肺灌注成像的几种影响因素，如呼吸、体位及不同的扫描参数等。上述研究均证实ASL用于COPD的肺实质灌注成像是可行的，且具有无需对比剂和无辐射优点，前景是可观的。

2.2.2 MRI通气成像：MRI肺通气成像由于没有辐射，空间分辨率较高，正越来越受重视。MRI肺通气成像的方法主要有超极化惰性气体（3He、129Xe）成像；氧增强质子成像等。

近10年内，使用3He和129Xe超极化惰性气体的MRI肺通气成像已广泛用于动物及部分临床实验。许多研究者已经成功使用3He MRI对COPD患者在容积、形态及通气缺损分布的基础上进行严重度分级和疾病特点描述［29］。van Beek等［30］用超极化3He MRI在COPD早期诊断中的应用开展了前瞻性多中心研究，超极化3He MRI的弥散加权成像表明COPD患者表观弥散系数（apparent diffusion coefficient，ADC）平均值和标准差均比正常个体高，即超极化3He MRI方法可以正确区分COPD患者和健康人。与3He相比，129Xe具有较高的可利用性和较低的成本。2011年，Kaushik等［31］学者研究健康志愿者与COPD患者的超极化129Xe MRI弥散加权成像，结果表明129Xe MR弥散成像在临床上是可行的，在区分健康志愿者和肺气肿方面具有足够的敏感性。但吸入超极化129Xe的副作用较大且129Xe的极化率低，目前临床应用不多。

激光超极化惰性气体的高成本是非质子MR成像的主要缺点，阻碍了其更广阔的临床应用。氧增强MR成像技术成本低，无需重调MR系统，在常规氢质子频率即可完成成像，使其具有更好的应用前景。Hatabu等［32］在动物实验（猪）及志愿者的研究表明，吸氧后肺实质的T1值变短、信号强度增加，可以动态的观察吸氧后图像信号的变化过程；1／T1值与动脉血氧浓度之间存在线性相关性，可以同时分析通气与血液灌注情况。肺气肿患者与健康志愿者相比，吸入氧气后有不均匀的信号强度的增加［33］。Ohno等［34］对COPD患者进行量化氧增强MRI通气成像，研究表明其所显示的局部通气改变可反映局部的肺功能，其中最大平均相对增强率（mean relative enhancement ratio，MRER）与一氧化碳弥散量有极好的相关性，相对增强的平均斜率与FEV1有很强的相关性，最大平均相对增强值和CT量化参数有很好的相关性。此外，Ohno等［35］又用氧增强MRI研究吸烟相关COPD患者，结果表明氧增强MRI与吸烟相关COPD患者的肺功能及CT量化参数具有相关性，并可用于COPD的临床分级。

综上所述，COPD在其疾病发展过程中累及肺的不同部位，且此病变具有不同的严重程度，若想全面了解COPD需要形态学及功能学的结合。随着计算机软件技术的不断完善和信噪比的不断提高，在未来可以评价局部肺功能，并对COPD的早期诊断及早期治疗发挥重要的作用。

［参考文献］

［1］ Lynch DA.Imaging of small airways disease and chronic obstructive pulmonary disease［J］.Clin Chest Med，2008，29（1）：165-179.

［2］ Gupta PP，Yadav R，Verma M，et al.High-resolution computed tomography features in patientswith chronic obstructive pulmonary disease［J］.Singapore Med J，2009，50（2）：193-200.

［3］ Hogg JC，Chu F，Utokaparch S，et al.The nature of small-airway obstruction in chronic obstructive pulmonary disease［J］.N Engl JMed，2004，350（26）：2645-2653.

［4］ Webb WR.Thin-section CT of the secondary pulmonary lobule：anatomy and the image—the 2004 Fleischner lecture［J］.Radiology，2006，239（2）：322-338.

［5］ Heussel CP，Herth FJ，Kappes J，et al.Fully automatic quantitative assessment of emphysema in computed tomography：comparison with pulmonary function testing and normal values［J］.Eur Radiol，2009，19（10）：2391-2402.

［6］ Berger P，Laurent F，Begueret H，et al.Structure and function of small airways in smokers：relationship between air trapping at CT and airway inflammation［J］.Radiology，2003，228（1）：85-94.

［7］ 闫剑锋，冯国活，陈必桂，等.高分辨率CT诊断早期慢性阻塞性肺疾病的临床研究［J］.实用医技杂志，2010，17（3）：208-209.

［8］ 顾荣兴，杨明，唐庆昆，等.慢性阻塞性肺疾病肺间质性纤维化的早期CT征象与肺功能分级的对比研究［J］.临床放射学杂志，2009，28（11）：1484-1487.

［9］ 郭蔚君，韩楚源，刘春堂，等.肺气肿患者多层螺旋CT肺密度测定与肺功能的相关性研究［J］.临床荟萃，2009，24（14）：1241-1242.

［10］Heussel CP，Herth FJ，Kappes J，et al.Fully automatic quantitative assessment of emphysema in computed tomography：comparison with pulmonary function testing and normal values［J］.Eur Radiol，2009，19（10）：2391-2402.

［11］Shaker SB，Stavngaard T，Laursen LC，et al.Rapid fall in lung density following smoking cessation in COPD［J］.COPD，2011，8（1）：2-7.

［12］Heussel CP，Kappes J，Hantusch R，et al.Contrast enhanced CT-scans are not comparable to non-enhanced scans in emphysema quantification［J］.Eur J Radiol，2010，74（3）：473-478.

［13］Müller NL，Staples CA，Miller RR，et al.“Density mask”.An objective method to quantitate emphysema using computed tomography［J］. Chest，1988，94（4）：782-787.

［14］Nakano Y，Muller NL，King GG，et al.Quantitative assessment of airway remodeling using high-resolution CT［J］.Chest，2002，122（6 Suppl）：271S-275S.

［15］Nakano Y，Wong JC，de Jong PA，et al.The prediction of small airway dimensions using computed tomography［J］.Am J Respir Crit Care Med，2005，171（2）：142-146.

［16］Sverzellati N，Rastelli A，Chetta A，et al.Airway malacia in chronic obstructive pulmonary disease：prevalence，morphology and relationship with emphysema，bronchiectasis and bronchial wall thickening［J］.Eur Radiol，2009，19（7）：1669-1678.

［17］Patel IS，Vlahos I，Wilkinson TM，et al.Brochiectasis，exacerbation indices，and inflammation in chronic obstructive pulmonary disease［J］.Am J Respir Crit Care Med，2004，170（4）：400-407.

［18］Zhang LJ，Wang JZ，Lu L，et al. Dual energy CT ventilation imaging after aerosol inhalation of iodinated contrastmedium in rabbits［J］.Eur JRadiol，2011，78（2）：266-271.

［19］van Beek EJ，Hoffman EA.Functional imaging：CT and MRI［J］. Clin Chest Med，2008，29（1）：195-216.

［20］邵燕惠，钱农，薛跃君，等.多层螺旋CT灌注成像对慢性阻塞性肺疾病的诊断价值［J］.中华放射学杂志，2008，42（3）：281-284.

［21］Choi BW，Choe KO，Kim HJ，et al. Characterization of the pulmonary circulation according to hemodynamic changes by computed tomography［J］.Yonsei Med J，2003，44（6）：968-978.

［22］苗飞，哈若水，朱蓉蓉，等.首过灌注CT指数对COPD的诊断价值［J］.宁夏医学杂志，2010，32（3）：234-236.

［23］Ley-Zaporozhan J，Ley S，Eberhardt R，et al.Visualization of morphological changes in emphysema：comparison of different MRI sequeces to 3DHRCT［J］.Eur JRadiol，2010，73（1）：43-49.

［24］Fink C，Puderbach M，Bock M，et al.Regional lung perfusion：assessment with partially parallel three-dimensional MR imaging［J］.Radiology，2004，231（1）：175-184.

［25］Ley-Zaporozhan J，Ley S，Eberhardt R，et al.Assessment of the relationship between lung parenchymal destruction and impaired pulmonary perfusion on a lobar level in patients with emphysema［J］.Eur JRadiol，2007，63（1）：76-83.

［26］Ohno Y，Hatabu H，Murase K，et al.Quantitative assessment of regional pulmonary perfusion in the entire lung using three-dimensional ultrafast dynamic contrast-enhanced magnetic resonance imaging：preliminary experience in 40 subjects［J］. J Magn Reson Imaging，2004，20（3）：353-365.

［27］Jang YM，Oh YM，Seo JB，et al. Quantitatively assessed dynamic contrast enhanced magnetic resonance imaging in patients with chronic obstructive pulmonary disease：correlation of perfusion parameterswith pulmonary function test and quantitative computed tomography［J］.Invest Radiol，2008，43（6）：403-410.

［28］Fan L，Liu SY，Xiao XS，et al. Demonstration of pulmonary perfusion heterogeneity induced by gravity and lung inflation using arterial spin labeling［J］.Eur J Radiol，2010，73（2）：249-254.

［29］Mathew L，Kirby M，Etemad-Rezai R，et al.Hyperpolarized3He magnetic resonance imaging：preliminary evaluation of phenotyping potential in chronic obstructive pulmonary disease［J］.Eur J Radiol，2011，79（1）：140-146.

［30］van Beek EJ，Dahmen AM，Stavngaard T，et al.Hyperpolarised 3He MRIversus HRCT in COPD and normal volunteers：PHIL trial［J］.Eur Respir J，2009，34（6）：1311-1321.

［31］Kaushik SS，Cleveland ZI，Cofer GP，et al.Diffusion-weighted hyperpolarized 129Xe MRI in healthy volunteers and subjectswith chronic obstructive pulmonary disease［J］. Magn Reson Med，2011，65（4）：1154-1165.

［32］Hatabu H，Tadamura E，Chen Q，et al.Pulmonary ventilation：dynamic MRIwith inhalation ofmolecular oxygen［J］.Eur J Radiol，2001，37（3）：172-178.

［33］Muller CJ，Schwaiblmair M，Scheidler J，etal.Pulmonary diffusing capacity：assessment with oxygen-enhanced lung MR imaging preliminary findings［J］.Radiology，2002，222（2）：499-506.

［34］Ohno Y，Hatabu H，Takenaka D，et al.Dynamic oxygen-enhanced MRI reflects diffusing capacity of the lung［J］.Magn Reson Med，2002，47（6）：1139-1144.

［35］Ohno Y，Iwasawa T，Seo JB，et al. Oxygen-enhancedmagnetic resonance imaging versus computed tomography：multicenter study for clinical stage classification of smoking-related chronic obstructive pulmonary disease［J］.Am J Respir Crit Care Med，2008，177（10）：1095-1102.

［中图分类号］R 563；R 814.42

［文献标识码］A

doi：10.3969／j.issn.1003-9198.2012.04.004

收稿日期：（2012-05-20）

基金项目：上海市自然科学基金（10zr1438900）；国家自然科学基金青年基金（81000602）

作者单位：200003上海市，上海长征医院影像医学与核医学科