基于呼、吸雙相CT 在慢性阻塞性肺疾病患者氣道病變的定量分析

趙凡惠，王 雷，朱彥瑾，李建龍，郭佑民，黃曉旗

（延安大學(xué)附屬醫(yī)院影像科，陜西 延安 716000）

慢性阻塞性肺疾?。–hronic obstructive pulmonary disease，COPD）是一種氣流受限不完全可逆，以小氣道慢性炎癥和肺實質(zhì)破壞為主的慢性疾病，2020 年將成為世界上第三大死亡原因[1]，因其高患病率、高死亡率受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[2-3]。目前COPD 的診斷金標準為肺功能測定（Pulmonary function test，PFT），但無法檢出早期病變，只有當破壞達30%以上才會出現(xiàn)臨床癥狀和PFT 異常[4]。高分辨率CT 對肺氣腫病變具有較高的診斷價值，然而對小氣道病變的診斷價值仍有待提高，且少有呼、吸雙相支氣管參數(shù)的對比研究。本研究通過對COPD 患者行呼、吸雙相CT 掃描，利用三維支氣管分割技術(shù)對支氣管進行自動檢測，發(fā)現(xiàn)右肺下葉可測得的代數(shù)最遠，遠端支氣管管徑最細，因此選取右肺下葉支氣管各參數(shù)進行定量分析，以探討這種新檢測方法的可行性及優(yōu)勢，并進一步應(yīng)用于COPD患者小氣道病變的形態(tài)分析及定量檢測。

1 資料與方法

1.1 一般資料

收集我院2017 年11 月—2018 年11 月47 例COPD 患者的呼、吸雙相CT 數(shù)據(jù)。納入標準：①符合文獻[5]中COPD 的診斷標準：吸入支氣管擴張劑后1 s 末用力呼氣容積實測值（Forced expiratory volume in one second，F(xiàn)EV1）占用力肺活量的百分比（Attenuation volume index forced vital capacity residual volume，F(xiàn)EV1/FVC）＜0.70；②胸部呼、吸雙相CT 圖像清晰完整，肺組織顯示清楚。排除標準：①胸廓畸形，肺內(nèi)手術(shù)史（肺葉或肺段切除術(shù)后）；②患者配合差，圖像偽影明顯；③肺部大范圍病變；④其它較嚴重的心臟、肝臟、腎臟等方面的疾病。

1.2 呼、吸雙相CT 掃描、圖像后處理及定量測量

1.2.1 呼、吸雙相CT 掃描

應(yīng)用上海聯(lián)影科技有限公司生產(chǎn)的uCT-760 128 層螺旋CT 機進行掃描。掃描前對患者進行反復(fù)呼吸訓(xùn)練，所有患者分別在深吸氣末與用力呼氣末屏住呼吸的同時進行全肺掃描。掃描體位：患者仰臥位，頭先進，雙手上舉并抱頭。掃描范圍：胸廓入口水平及后肋膈角（包全肺組織）。掃描參數(shù)：管電壓120 kV，uDose 智能動態(tài)管電流，準直40 mm，螺距1∶0.875，0.5 s/r，掃描層厚5 mm。重建算法為骨算法，層厚1 mm，F(xiàn)OV 35 mm，矩陣1 024×1 024。

1.2.2 圖像后處理及定量測量

將原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入“Dexin-FACT”三維支氣管自動分析軟件，對兩肺各級支氣管進行定量分析及測量。采用隱式曲面函數(shù)確定個別葉裂；采用骨架提取算法進行支氣管的三維分割，自動提取各級支氣管骨架，提取的支氣管以支氣管樹的形式表現(xiàn)；采用CT 定量分析軟件的虛擬支氣管內(nèi)窺鏡對各級支氣管的定量參數(shù)進行測量，分別測量平均壁厚度（Mean wall thickness，MWT）、平均內(nèi)直徑（Mean lumen diameter，MLD）、平均壁面積（Mean wall area，MWA）和管壁面積占支氣管斷面總面積的百分比的平均值（Mean wall ratio，WA%）。

該軟件對支氣管代的定義為：兩分叉支氣管中間的一段為一代，主支氣管為0 代，兩肺上葉支氣管為2 代，右肺中葉支氣管為3 代，左肺下葉支氣管為3 代，依次類推，測量默認路徑為該葉支氣管最遠一代的支氣管，每代支氣管測量范圍包括該代支氣管的起始部到下一代分叉處，結(jié)果為該代支氣管所有點的平均值。三維支氣管自動分析效果圖見圖1。

1.2.3 肺功能檢查

圖1 COPD 患者，男，54 歲，“Dexin-FACT”三維支氣管自動分析效果圖。圖1a：呼氣相；圖1b：吸氣相。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 檢查后1 周內(nèi)且癥狀穩(wěn)定的條件下進行PFT 檢查。采用美國Sensor medics Vmax 299 肺功能儀?；颊呷∽?，分別測量吸入沙丁胺醇（400 μg）前、后的PFT。大氣道功能觀察指標選用FEV1占預(yù)計值的百分比（FEV1%）、FEV1/FVC；小氣道功能觀察指標選用力呼氣25%肺活量時流量實測值占預(yù)計值的百分比（Mid-expiratory flow curve of 25% vital capacity，MEF25%）。

1.3 統(tǒng)計學(xué)方法

應(yīng)用SPSS 22.0 統(tǒng)計分析軟件，計量資料用均數(shù)±標準差（）表示。支氣管MWT、MLD、MWA、WA%呼、吸雙相差異用配對t 檢驗；MWT、MLD、MWA、WA%與PFT 的相關(guān)性采用Preason 相關(guān)性分析法。均以P＜0.05 為差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 患者基本情況及各級支氣管顯示情況

本研究共47 例COPD 患者，男31 例，女16 例，年齡41～79 歲（中位年齡63 歲）。右肺下葉呼氣相最遠測量到9 代支氣管，所測支氣管最小MWT、MLD 和MWA 分別為0.54 mm、1.11 mm 和3.00 mm2，最大WA%為0.85；吸氣相最遠測量到12 代支氣管，所測支氣管最小MWT、MLD 和MWA 分別為0.80 mm、1.06 mm 和4.89 mm2，最大WA%為0.85。

2.2 呼、吸雙相氣道各參數(shù)差異

右肺下葉1～9 代支氣管雙相MWT、MLD 和MWA 差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05），呼氣相MWT大于吸氣相，吸氣相MLD、MWA 大于呼氣相；0～3代支氣管呼、吸雙相WA%差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05），吸氣相WA%大于呼氣相，4～9 代WA%差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）（表1，2）。

2.3 呼、吸雙相氣道各參數(shù)與PFT 的相關(guān)性

右肺下葉9 代支氣管雙相MWT、MLD、MWA、WA%與FEV1%、FEV1/FVC、MEF25%均有相關(guān)性（P＜0.05）；8 代支氣管呼氣相MWT 與FEV1%，雙相MWT 與MEF25%，雙相MLD 與MEF25%，雙相WA與FEV1%、MEF25%，呼氣相WA 與FEV1/FVC，雙相WA%與FEV1%、FEV1/FVC、MEF25%均有相關(guān)性（P＜0.05）；7 代支氣管雙相WA%與FEV1%、FEV1/FVC、MEF25%均有相關(guān)性（P＜0.05）。各支氣管定量參數(shù)與各PFT 均呈負相關(guān)，相關(guān)性隨代數(shù)的增加逐漸升高，呼氣相與PFT 的相關(guān)性較吸氣相更高，其中9代支氣管呼氣相WA%與MEF25%相關(guān)性最高（|r|=0.697，P＜0.05）。余各代支氣管定量參數(shù)與PFT 均無相關(guān)性（P＞0.05）。

3 討論

小氣道是指內(nèi)徑2 mm 以下的氣道，數(shù)量及分支多，總截面積大，且對氣流阻力影響較小，故病變早期不會導(dǎo)致通氣功能的改變，COPD 患者的小氣道慢性炎癥引起氣道壁損傷和修復(fù)過程反復(fù)發(fā)生，導(dǎo)致小氣道重塑、氣流受限，最終影響患者的PFT[6]。國內(nèi)外已有定量CT 用于評估COPD 患者小氣道病變的研究[7-10]，F(xiàn)ernandes 等[9]指出吸氣相CT用于評估肺氣腫病變，呼氣相CT 用于評估空氣潴留，可反映小氣道病變。呼氣時小氣道的狹窄包括由于管壁增厚和管腔塌陷造成的狹窄，較吸氣時狹窄更為明顯[11]，因此雙相CT 可更全面地反應(yīng)COPD 患者小氣道的病變情況。本研究應(yīng)用聯(lián)影128 排螺旋CT 機，成像速度快、呼吸運動偽影少，其KARL 迭代重建技術(shù)聯(lián)合低劑量胸部CT 掃描，在保證圖像質(zhì)量的同時，合理控制兩次掃描的輻射劑量。既往研究采用的支氣管面積及徑線的定量測量法[7-8]，需手動勾畫徑線，主觀差異較大，“Dexin-FACT”三維支氣管分割及分析軟件可自動識別異常支氣管，并進行量化分析，其值客觀、準確，不受人為因素干擾。對于氣道測量部位的選擇，既往多數(shù)研究者[7]選擇垂直起源的右肺上葉尖段支氣管，但有研究表明下葉支氣管數(shù)量最大，與PFT 的相關(guān)性更高[8]，本研究首先統(tǒng)計了各肺葉最遠可測得的支氣管代數(shù)，發(fā)現(xiàn)右肺下葉代數(shù)最遠，遠端支氣管管徑最細，因此選取右肺下葉支氣管進行分析，以評估COPD 的氣道病變。

表1 雙相支氣管壁厚度及內(nèi)直徑

表2 雙相支氣管壁面積及WA%

表3 呼、吸雙相6～9 代支氣管各參數(shù)與PFT 的相關(guān)性（r 值（P 值））

本研究發(fā)現(xiàn)，1～9 代支氣管呼、吸雙相MWT、MLD 和MWA 均有差異，與暴銳等[8]的研究結(jié)果一致。4～9 代支氣管雙相WA%無差異，與PFT 的相關(guān)性較高，且為4 項定量參數(shù)中唯一一項在7 代支氣管即與PFT 有相關(guān)性的指標，因此WA%是反映COPD 患者氣道重塑情況最敏感的CT 指標[7，12]。1～7代支氣管定量參數(shù)與PFT 無相關(guān)性，8 代支氣管部分參數(shù)與PFT 有相關(guān)性，9 代支氣管各參數(shù)均與PFT 有相關(guān)性，因此，代數(shù)越高、管徑越細的支氣管對氣流受限的影響越大。各定量參數(shù)與小氣道功能參數(shù)MEF25%的相關(guān)性較其余2 項大氣道功能參數(shù)更高，表明氣流受限與小氣道病變密切相關(guān)，可能是因為COPD 患者細支氣管管腔細小，小氣道炎性病變所致的氣流阻塞較段支氣管更加明顯，長期、反復(fù)的慢性炎癥導(dǎo)致小氣道重塑、支氣管壁增厚，管腔狹窄，WA%增加，小氣道的狹窄和閉塞即導(dǎo)致COPD患者氣流受限、PFT 下降。

本研究還存在以下不足：①老年人呼吸控制能力差，影響氣道結(jié)構(gòu)的顯示；②軟件無法識別所有支氣管，會對結(jié)果造成一定影響；③未考慮先天性解剖差異對氣道分析的影響[13]。

綜上所述，隨著影像技術(shù)及人工智能的發(fā)展，三維支氣管分割及分析軟件、虛擬內(nèi)窺鏡技術(shù)在支氣管的定量測量中有明顯優(yōu)勢，基于呼、吸雙相CT 掃描對COPD 患者小氣道疾病的診斷具有重要意義，從而指導(dǎo)患者進行個體化治療。