应用呼吸双相CT定量评估COPD患者肺气肿及空气潴留状况

2022-10-27 06:33格崤杨学东罗萍方继良史珊
中国医疗设备 2022年10期
关键词:肺气肿双相小气

格崤,杨学东,罗萍,方继良,史珊

中国中医科学院广安门医院 放射科,北京 100053

引言

慢性阻塞性肺疾病(Chronic Obstructive Pulmonary Disease,COPD)是一种患病人数多,死亡率高的疾病。这种疾病的特点是存在由小气道疾病引起的气流受限,或者由肺气肿结构性破坏引起的肺顺应性增加,或两者同时存在[1]。早期诊断并进行疾病干预治疗,不仅可以减轻患者临床症状,还可以改善患者健康状态,提高患者生活的质量。

目前患者的临床症状及肺功能(Pulmonary Function Test,PFT)检查是COPD患者诊断及严重程度评估的主要依据,但肺功能检测易受诸多因素影响,导致肺功能检测敏感度较低,且患者耐受性较差,因此单一依靠肺功能检测诊断COPD存在一定偏差,近年来CT检查逐渐成为评估COPD的新方法,CT在反映肺部解剖结构的同时,还可通过定量指标反映肺功能的情况,可较常规肺功能检查更加准确地评估患者的疾病程度。许多研究评估了CT在定量分析COPD的结构异常方面的应用,并报道了使用CT对肺气肿的范围和严重程度进行量化[2-5],然而利用CT对小气道疾病的定量分析不如对肺气肿的定量分析完善,因为最近的CT技术还无法直接对小气道进行形态学评估。研究表明,呼吸双相CT扫描中计算的肺部密度参数可以间接评估阻塞性肺部疾病的气道阻塞情况[6-7]。这些定量方法都是基于对空气潴留的检测,空气潴留反映了多余的气体滞留在全部或部分肺中,与相应的吸气相比较,呼气相CT扫描像上肺实质区的密度减少可作为空气潴留的检测方法。

目前存在的问题是,需要确定易于测量、稳定且可重复的CT扫描方法及参数,并与公认指标(如肺功能指标)的相关性好,以往研究中,对于正常人及疾病严重程度不同的COPD患者,尤其是早期及轻症患者,分别适合采用何种扫描方法及采纳何项CT定量参数评价探讨较少,本研究旨在对正常志愿者和分级不同的COPD患者进行呼吸双相CT扫描,测量定量指标,并与常规肺功能作相关性分析,以期找到最佳的评价方法。

1 材料与方法

1.1 临床资料

1.1.1 正常对照组

前瞻性收集2021年1月至2022年1月中国中医科学院广安门医院门诊招募的健康志愿者。入选标准包括:① 无吸烟史及尘肺病史;② 无咳嗽、咳痰等明显呼吸道症状;③ 肺功能检查结果正常。排除具有胸部手术史、肺弥漫性或占位性病变以及先天性心肺疾病、支气管或胸廓畸形的患者。依据入选及排除标准,有32名健康志愿者纳入研究,其中男性17例、女性15例,年龄35~74岁,平均年龄59岁。

1.1.2 病例组

前瞻性收集2021年1月至2022年1月在中国中医科学院广安门医院门诊及住院治疗的有完整临床资料的COPD患者。纳入标准包括:所有患者均符合美国国立心肺血液研究所与WHO共同发表的《慢性阻塞性肺疾病全球倡议》(Global Initiative for Chronic Obstructive Lung Disease,GOLD)中COPD诊断标准[1],且临床病史和肺功能检查结果共同诊断为COPD。排除标准:① 严重的肺部疾病,如肺癌等患者;② 存在明显影响肺功能的情况,如胸部手术史、胸廓畸形或者大量胸腔积液等;③ 职业病,如严重的尘肺等。依据入选标准,有35例COPD患者纳入研究,其中男性22例、女性13例,年龄41~79岁,平均年龄63岁。根据GOLD提出的COPD分级诊断标准(表1)[1],35例COPD患者可分为:轻度6例,中度15例,重度12例,极重度2例。

表1 GOLD提出的COPD分级诊断标准[1]

在进行本研究时充分尊重了研究对象的知情同意权,交代了研究目的、意义及潜在益处和风险,本研究获医院伦理委员会批准,并与所有研究对象签署了知情同意书。

1.2 CT扫描方案

CT扫描使用GE公司的Revolution CT机,由专人操作。受试者采用仰卧位,双手高举置于头的两侧。患者取仰卧位,双手抱头,扫描前进行呼吸训练,扫描前反复进行用力呼吸训练,并在扫描同时给予受试者用力呼吸指令:深吸气;吸足气后用力快速呼气;呼气要呼干净。扫描范围自肺尖至肺底。采用低剂量扫描方法,扫描参数:管电压120 kV,管电流50 mA;螺距1.0,扫描准直1 mm,视野300 mm,层厚1.25 mm,间隔1.25 mm,采用标准算法重建。

1.3 CT定量分析

所有CT图像使用GE AW4.7后处理工作站Thoracic-VCAR软件进行定量分析。该软件自动去除肺组织外其他结构包括气管和大支气管,必要时可手动编辑。测量肺气肿指数(Emphysema Index,EI),EI定义为吸气相CT值低于-950 HU体素占全肺百分比(图1);空气潴留指数(Air Trapping,AT),AT定义为呼气相CT值低于-856 HU体素占全肺百分比(图1);吸气相平均肺密度(Inspiration Mean Lung Density,MLDin);呼气相平均肺密度(Expiation Mean Lung Density,MLDex);呼气相平均肺密度与吸气相平均肺密度比值(E/IMLD);吸气相肺体积(Inspiration Lung Volume,LVin);呼气相肺体积(Inspiration Lung Volume,LVex),呼气相肺体积与吸气相肺体积比值(E/ILV)。

图1 应用Thoracic-VCAR后处理软件进行呼吸双相CT图像定量分析举例

1.4 肺功能检查

本研究肺功能测量均与CT扫描检查时间间隔<30 d。测定指标包括:用力肺活量(Furced Vital Capacity,FVC);1 s用力呼气容积(Forced Expiratory Volume in One Second,FEV1);1 s用力呼气容积占用力肺活量的比值(FEV/FVC);最大呼气中期流速(Mid Expiratory Phase of Forced Expiratory Flow,FEF25%~75%);残气容积(Residual Volume,RV);肺总量(Total Lung Capacity,TLC);残气容积与肺总量的比值(RV/TLC),所有受试者肺功能测定均给出预计值及实测值以及实测值与预计值的比值(%)。

1.5 统计学分析

采用SPSS 21.0统计学软件包,利用t检验、χ2检验及单因素方差分析比较对照组与病例组各定量参数之间的差异,双侧显著性水平P<0.05代表具有统计学意义,P<0.01代表具有极显著统计学差异。Pearson线性相关分析检验CT各定量参数与肺功能数据之间的相关性。在进行各项检验前,先进行了数据正态性检验,计数资料用例(%)表示,采用χ2检验,计量资料用±s表示,采用t检验或方差分析。

2 结果

2.1 病例组与对照组一般资料与肺功能结果比较

病例组与对照组年龄、性别、身高、体重比较,差异无统计学意义(P>0.05),除TLC%以外,病例组与对照组肺功能结果比较,差异有统计学意义(P<0.05),见表2。

表2 对照组与病例组一般资料与肺功能结果比较[n(%),(±s)]

表2 对照组与病例组一般资料与肺功能结果比较[n(%),(±s)]

注:FVC:用力肺活量(Furced Vital Capacity);FEV1:1 s 用力呼气容积(Forced Expiratory Volume in One Second);FEV1/ FVC:1 s 用力呼气容积占用力肺活量的比值;TLC:肺总量(Total Lung Capacity);RV:残气容积(Residual Volume);RV/TLC:残气容积与肺总量的比值;FEF25%~75%:最大呼气中期流速(Mid Expiratory Phase of Forced Expiratory Flow),表中肺功能测定均为实测值与预计值的比值 (%)。

项目 对照组(n=32)病例组(n=35) t/χ2值 P值男性患者 17(53.16) 22(62.86) 1.513 0.219年龄/岁 58.9±13.8 63.2±11.5 1.301 0.199身高/cm 163.9±7.8 162.6±8.6 0.632 0.530体重/kg 63.8±12.1 69.7±10.2 1.994 0.051 FVC% 96.0±14.4 75.8±20.9 2.067 0.045 FEV1% 95.8±13.7 50.5±19.2 -9.995 <0.001 FEV1/FVC 81.2±5.5 53.1±12.3 -11.126 <0.001 TLC% 98.5±13.4 112.0±18.8 -1.131 0.265 RV% 93.3±22.1 163.4±49.2 4.059 <0.001 RV/TLC 38.3±7.0 55.1±9.7 3.523 0.010 FEF25%~75% 57.3±22.9 27.2±18.6 -13.642 <0.001

2.2 病例组与对照组双气相CT定量指标比较

在呼吸双相CT扫描中,将研究对象分为3组,即对照组、GOLD 1~2级组(FEV1%≥预计值的50%)、GOLD 3~4级组(FEV1%<预计值的50%),采用单因素方差分析进行3组CT定量指标比较,并进一步进行3组均数间两两比较。3组CT定量指标:LVin、MLDin、EI、AT、E/ILV、E/IMLD差异均具有统计学意义(P<0.05)。对照组、GOLD 1~2级组两两比较 LVin、MLDin无显著性差异(P<0.05),GOLD 1~2 级组 LVex、EI、AT、E/ILV、E/IMLD大于对照组,MLDex小于对照组。GOLD 1~2级组、GOLD 3~4级组两两比较:LVin、MLDin、EI、E/ILV、E/IMLD两组间差异较 LVex、MLDex、AT差异更为显著(表3)。

表3 对照组、GOLD 1~2级组、GOLD 3~4级组双气相CT定量指标比较

2.3 COPD患者双气相CT定量测量指标与肺功能指标相关性分析

COPD患者双气相CT定量测量指标与肺功能指标密切相关,吸气相EI与FEV1%、FEV1/FVC%呈明显负相关,与FVC%、TLV%、RV%也呈一定正相关性;呼吸双相CT定量测量指标中LVex、MLDex、AT、E/ILV、E/IMLD,与肺功能指标中反映小气道病变指标RV、RV%/TLC及FEF25%~75%呈一定正、负相关性,其中AT、E/ILV、E/IMLD与小气道指标相关系数最高(表4)。

表4 COPD患者双气相CT定量测量指标与肺功能指标相关性分析(r值)

3 讨论

本研究表明,通过呼吸双相CT扫描不但能够获得高分辨率的肺部影像,可清晰而准确地反映肺部病变情况,而且定量检测结果还能通过工作站的处理后获得,具有同时兼顾了病变的形态和功能的优势,可将肺气肿严重程度、空气潴留情况准确反映出来,大大提高了肺组织早期病变的检出率,弥补了肺功能检查的不足,对于COPD患者的诊断具有很大帮助。

对于COPD患者肺气肿的评估,定量CT常采用阈值法,方法是计算CT值低于设定阈值占全肺容积的百分比,根据以往众多研究报道,吸气相-950 HU(EI)是适当的参考阈值,这个阈值能够客观反映肺组织病理变化情况[8-9]。同时小气道在慢性阻塞性肺病患者的气流阻塞中也具有重要的作用[10-11],虽然肺气肿病变是不可逆的,但对COPD患者来说,治疗和预防空气潴留是可行的。近年来临床对于专门解决COPD患者气流阻塞的治疗药物给予了极大的关注,定量CT分析已被用于评估药物对小气道高反应性和空气潴留的相对疗效。由于CT层厚的限制,应用CT直接测量COPD患者的小气道病变存在一定的困难,但可通过测量空气潴留情况间接了解小气道的病变情况[12-13],比较常用的CT定量评价小气道疾病的指标是AT和MLD。AT已被提议作为COPD患者气体潴留的指标,有学者认为图像中CT值<-856 HU 的区域为气体潴留区[14];研究表明,MLD是预测肺功能损害的一个很好的指标,特别是在呼气扫描中[12]。然而,这种单一的阈值方法的局限性在于它没有考虑肺气肿区域的影响,因为它将空气潴留和肺气肿结合在一起进行测量。而MLD的E/I比值能更好地反映气道阻塞和空气潴留,Lee等[15]应用呼吸双气相CT扫描中MLD的比率评估空气潴留,结果表明MLD的E/I比率与COPD的临床参数相关,如BODE指数。Yamashiro等[16]研究表明,肺容积比(E/ILV)显示了肺的塌陷性,与MLD的E/I比有明显的相关性。

本研究中对照组、GOLD 1~2级组两两比较;LVin、MLDin不具有显著性差异,LVex、MLDex、EI、AT、E/ILV、E/IMLD有显著差异,可见呼气相CT定量指标比吸气相指标对于区分轻中度病例与正常人更具有优势,能够识别轻度COPD患者,或者识别吸烟者早期肺功能的损害,有助于给予患者早期的治疗和预防。当按照肺功能指标将COPD患者分为GOLD1~2级组与GOLD 3~4级组后(因病例组患者较少,因此无法按照GOLD提出的COPD诊断标准分为 4 组),GOLD 1~2 级组与 GOLD3~4 级组 LVin、MLDin、EI、E/ILV、E/IMLD较LVex、MLDex、AT差异显著,这可能与患者呼气性呼吸困难有关,在35例患者中,观察到有4例重度患者未能完成用力呼气动作,因此对于病情较重的患者,吸气相CT定量指标比呼气相指标更有优势,患者易于配合,可重复性好。

本研究表明,COPD患者双气相CT定量测量指标与肺功能指标密切相关,吸气相EI与FEV1%、FEV1/FVC%均呈负相关,与其他肺功能指标也有一定相关性,是敏感而且可客观的反映COPD患者肺气肿病理变化的指标。呼吸双相CT定量测量指标中LVex、MLDex、AT、E/ILV、E/IMLD,与肺功能指标中反映小气道病变指标RV、RV/TLC%及FEF25%~75%相关,可见呼吸双相CT定量指标能够很好反映患者小气道病变,并且呼气相指标相关性更好,但是最近有很多研究进一步探索其他方法,比如有学者使用参数响应图谱方法,在吸气和呼气CT上匹配每个肺部区域,逐个像素的比较CT密度,并可以评价局部肺功能变化[17-19]。

本研究的局限性:① 病例的数量相对较少,尚需要扩大样本量,深入研究,建立CT肺功能参考值,这样才可以进一步在临床推广应用;② 本研究呼吸双相CT扫描辐射剂量较大,由于X线衰减是由组织的密度,X线束的能量(kV)和受辐射组织的原子数量及电子密度所决定,所以降低毫安数并不影响组织密度的测量。尽管应用低剂量扫描会导致图像噪声增大并且肺内某些图像细节丢失,但图像总体质量无明显降低,有很高的诊断价值,尤其是呼气末的图像,本研究采用的低剂量扫描,可以在保证图像质量前提下可进一步减低扫描辐射剂量。

4 结论

综上所述,呼吸双相CT的密度和体积变化与COPD患者肺气肿程度及小气道功能障碍密切相关。其中呼气相CT定量指标比吸气相指标可以更好的反映小气道功能,能够识别轻度COPD患者或者吸烟者早期肺功能的损害,而对于病情较重的患者,吸气相CT定量指标比呼气相指标可重复性好,患者易于配合。近年来,CT筛查进一步普及,扫描方案、重建技术不断明显改进,并且AI在诊断中逐步的广泛应用,未来CT定量评估在COPD诊断、治疗和随访中将会发挥更大作用。

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