基于呼、吸双相CT 在慢性阻塞性肺疾病患者气道病变的定量分析

赵凡惠，王 雷，朱彦瑾，李建龙，郭佑民，黄晓旗

（延安大学附属医院影像科，陕西 延安 716000）

慢性阻塞性肺疾病（Chronic obstructive pulmonary disease，COPD）是一种气流受限不完全可逆，以小气道慢性炎症和肺实质破坏为主的慢性疾病，2020 年将成为世界上第三大死亡原因[1]，因其高患病率、高死亡率受到国内外学者的广泛关注[2-3]。目前COPD 的诊断金标准为肺功能测定（Pulmonary function test，PFT），但无法检出早期病变，只有当破坏达30%以上才会出现临床症状和PFT 异常[4]。高分辨率CT 对肺气肿病变具有较高的诊断价值，然而对小气道病变的诊断价值仍有待提高，且少有呼、吸双相支气管参数的对比研究。本研究通过对COPD 患者行呼、吸双相CT 扫描，利用三维支气管分割技术对支气管进行自动检测，发现右肺下叶可测得的代数最远，远端支气管管径最细，因此选取右肺下叶支气管各参数进行定量分析，以探讨这种新检测方法的可行性及优势，并进一步应用于COPD患者小气道病变的形态分析及定量检测。

1 资料与方法

1.1 一般资料

收集我院2017 年11 月—2018 年11 月47 例COPD 患者的呼、吸双相CT 数据。纳入标准：①符合文献[5]中COPD 的诊断标准：吸入支气管扩张剂后1 s 末用力呼气容积实测值（Forced expiratory volume in one second，FEV1）占用力肺活量的百分比（Attenuation volume index forced vital capacity residual volume，FEV1/FVC）＜0.70；②胸部呼、吸双相CT 图像清晰完整，肺组织显示清楚。排除标准：①胸廓畸形，肺内手术史（肺叶或肺段切除术后）；②患者配合差，图像伪影明显；③肺部大范围病变；④其它较严重的心脏、肝脏、肾脏等方面的疾病。

1.2 呼、吸双相CT 扫描、图像后处理及定量测量

1.2.1 呼、吸双相CT 扫描

应用上海联影科技有限公司生产的uCT-760 128 层螺旋CT 机进行扫描。扫描前对患者进行反复呼吸训练，所有患者分别在深吸气末与用力呼气末屏住呼吸的同时进行全肺扫描。扫描体位：患者仰卧位，头先进，双手上举并抱头。扫描范围：胸廓入口水平及后肋膈角（包全肺组织）。扫描参数：管电压120 kV，uDose 智能动态管电流，准直40 mm，螺距1∶0.875，0.5 s/r，扫描层厚5 mm。重建算法为骨算法，层厚1 mm，FOV 35 mm，矩阵1 024×1 024。

1.2.2 图像后处理及定量测量

将原始数据导入“Dexin-FACT”三维支气管自动分析软件，对两肺各级支气管进行定量分析及测量。采用隐式曲面函数确定个别叶裂；采用骨架提取算法进行支气管的三维分割，自动提取各级支气管骨架，提取的支气管以支气管树的形式表现；采用CT 定量分析软件的虚拟支气管内窥镜对各级支气管的定量参数进行测量，分别测量平均壁厚度（Mean wall thickness，MWT）、平均内直径（Mean lumen diameter，MLD）、平均壁面积（Mean wall area，MWA）和管壁面积占支气管断面总面积的百分比的平均值（Mean wall ratio，WA%）。

该软件对支气管代的定义为：两分叉支气管中间的一段为一代，主支气管为0 代，两肺上叶支气管为2 代，右肺中叶支气管为3 代，左肺下叶支气管为3 代，依次类推，测量默认路径为该叶支气管最远一代的支气管，每代支气管测量范围包括该代支气管的起始部到下一代分叉处，结果为该代支气管所有点的平均值。三维支气管自动分析效果图见图1。

1.2.3 肺功能检查

图1 COPD 患者，男，54 岁，“Dexin-FACT”三维支气管自动分析效果图。图1a：呼气相；图1b：吸气相。Figure 1.A 54-year-old man with COPD,automated 3D CT analysis for the bronchial tree by Dexin-FACT.Figure 1a:expiratory phase;Figure 1b:inspiratory phase.

患者需在CT 检查后1 周内且症状稳定的条件下进行PFT 检查。采用美国Sensor medics Vmax 299 肺功能仪。患者取坐位，分别测量吸入沙丁胺醇（400 μg）前、后的PFT。大气道功能观察指标选用FEV1占预计值的百分比（FEV1%）、FEV1/FVC；小气道功能观察指标选用力呼气25%肺活量时流量实测值占预计值的百分比（Mid-expiratory flow curve of 25% vital capacity，MEF25%）。

1.3 统计学方法

应用SPSS 22.0 统计分析软件，计量资料用均数±标准差（）表示。支气管MWT、MLD、MWA、WA%呼、吸双相差异用配对t 检验；MWT、MLD、MWA、WA%与PFT 的相关性采用Preason 相关性分析法。均以P＜0.05 为差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 患者基本情况及各级支气管显示情况

本研究共47 例COPD 患者，男31 例，女16 例，年龄41～79 岁（中位年龄63 岁）。右肺下叶呼气相最远测量到9 代支气管，所测支气管最小MWT、MLD 和MWA 分别为0.54 mm、1.11 mm 和3.00 mm2，最大WA%为0.85；吸气相最远测量到12 代支气管，所测支气管最小MWT、MLD 和MWA 分别为0.80 mm、1.06 mm 和4.89 mm2，最大WA%为0.85。

2.2 呼、吸双相气道各参数差异

右肺下叶1～9 代支气管双相MWT、MLD 和MWA 差异均有统计学意义（P＜0.05），呼气相MWT大于吸气相，吸气相MLD、MWA 大于呼气相；0～3代支气管呼、吸双相WA%差异均有统计学意义（P＜0.05），吸气相WA%大于呼气相，4～9 代WA%差异无统计学意义（P＞0.05）（表1，2）。

2.3 呼、吸双相气道各参数与PFT 的相关性

右肺下叶9 代支气管双相MWT、MLD、MWA、WA%与FEV1%、FEV1/FVC、MEF25%均有相关性（P＜0.05）；8 代支气管呼气相MWT 与FEV1%，双相MWT 与MEF25%，双相MLD 与MEF25%，双相WA与FEV1%、MEF25%，呼气相WA 与FEV1/FVC，双相WA%与FEV1%、FEV1/FVC、MEF25%均有相关性（P＜0.05）；7 代支气管双相WA%与FEV1%、FEV1/FVC、MEF25%均有相关性（P＜0.05）。各支气管定量参数与各PFT 均呈负相关，相关性随代数的增加逐渐升高，呼气相与PFT 的相关性较吸气相更高，其中9代支气管呼气相WA%与MEF25%相关性最高（|r|=0.697，P＜0.05）。余各代支气管定量参数与PFT 均无相关性（P＞0.05）。

3 讨论

小气道是指内径2 mm 以下的气道，数量及分支多，总截面积大，且对气流阻力影响较小，故病变早期不会导致通气功能的改变，COPD 患者的小气道慢性炎症引起气道壁损伤和修复过程反复发生，导致小气道重塑、气流受限，最终影响患者的PFT[6]。国内外已有定量CT 用于评估COPD 患者小气道病变的研究[7-10]，Fernandes 等[9]指出吸气相CT用于评估肺气肿病变，呼气相CT 用于评估空气潴留，可反映小气道病变。呼气时小气道的狭窄包括由于管壁增厚和管腔塌陷造成的狭窄，较吸气时狭窄更为明显[11]，因此双相CT 可更全面地反应COPD 患者小气道的病变情况。本研究应用联影128 排螺旋CT 机，成像速度快、呼吸运动伪影少，其KARL 迭代重建技术联合低剂量胸部CT 扫描，在保证图像质量的同时，合理控制两次扫描的辐射剂量。既往研究采用的支气管面积及径线的定量测量法[7-8]，需手动勾画径线，主观差异较大，“Dexin-FACT”三维支气管分割及分析软件可自动识别异常支气管，并进行量化分析，其值客观、准确，不受人为因素干扰。对于气道测量部位的选择，既往多数研究者[7]选择垂直起源的右肺上叶尖段支气管，但有研究表明下叶支气管数量最大，与PFT 的相关性更高[8]，本研究首先统计了各肺叶最远可测得的支气管代数，发现右肺下叶代数最远，远端支气管管径最细，因此选取右肺下叶支气管进行分析，以评估COPD 的气道病变。

表1 双相支气管壁厚度及内直径

表2 双相支气管壁面积及WA%

表3 呼、吸双相6～9 代支气管各参数与PFT 的相关性（r 值（P 值））

本研究发现，1～9 代支气管呼、吸双相MWT、MLD 和MWA 均有差异，与暴锐等[8]的研究结果一致。4～9 代支气管双相WA%无差异，与PFT 的相关性较高，且为4 项定量参数中唯一一项在7 代支气管即与PFT 有相关性的指标，因此WA%是反映COPD 患者气道重塑情况最敏感的CT 指标[7，12]。1～7代支气管定量参数与PFT 无相关性，8 代支气管部分参数与PFT 有相关性，9 代支气管各参数均与PFT 有相关性，因此，代数越高、管径越细的支气管对气流受限的影响越大。各定量参数与小气道功能参数MEF25%的相关性较其余2 项大气道功能参数更高，表明气流受限与小气道病变密切相关，可能是因为COPD 患者细支气管管腔细小，小气道炎性病变所致的气流阻塞较段支气管更加明显，长期、反复的慢性炎症导致小气道重塑、支气管壁增厚，管腔狭窄，WA%增加，小气道的狭窄和闭塞即导致COPD患者气流受限、PFT 下降。

本研究还存在以下不足：①老年人呼吸控制能力差，影响气道结构的显示；②软件无法识别所有支气管，会对结果造成一定影响；③未考虑先天性解剖差异对气道分析的影响[13]。

综上所述，随着影像技术及人工智能的发展，三维支气管分割及分析软件、虚拟内窥镜技术在支气管的定量测量中有明显优势，基于呼、吸双相CT 扫描对COPD 患者小气道疾病的诊断具有重要意义，从而指导患者进行个体化治疗。