慢性阻塞性肺疾病影像診斷研究進展

朱丹 劉靖 席芊

慢性阻塞性肺疾?。╟hronic obstruction lung disease,COPD）是一種常見的可以預(yù)防和治療的疾病，其特點是持續(xù)的呼吸道癥狀和氣流受限，與大量接觸有毒顆粒或氣體，氣道和肺對有害刺激的慢性炎性反應(yīng)有關(guān)[1]。COPD 的診斷通常依據(jù)肺功能檢查（pulmonary function test,PFT）時存在持續(xù)性氣流受限而確診，但在診斷明確的病人中只有不足40%的人做過PFT，而且PFT 不能區(qū)分COPD 不同病理生理因素，包括肺氣腫、氣道炎癥和小氣道破壞等[2]。近年來通過胸部定量CT 對肺實質(zhì)破壞、肺氣腫直接征象、支氣管壁增厚和空氣潴留等的量化分析為COPD 的定位、定量、預(yù)后和分型提供了依據(jù)，進而為臨床治療提供更多的方案。

1 定量CT 應(yīng)用于評估COPD 異質(zhì)性

定量CT 應(yīng)用于COPD 的診斷是以CT 為基礎(chǔ)，通過定量測量實現(xiàn)肺氣腫的量化，作為一種無創(chuàng)性定量評估肺功能的手段，已成為評價COPD 病情嚴(yán)重程度的一種新方法[3]。目前肺功能測定是COPD診斷和嚴(yán)重程度分期的金標(biāo)準(zhǔn)，測定的指標(biāo)主要包括第1 秒用力呼氣容積（forced expiratory volume in one second, FEV1）、肺活量（forced vital capacity,FVC），以及這兩者的比值（FEV1/FVC）等。定量CT越來越多地被用于COPD 的診斷、量化和分型。定量CT 通過測定氣道壁厚度（wall thickness,WT）、低衰減區(qū)面積百分比（low attenuation area%,LAA%）、氣道壁面積占?xì)獾揽偯娣e百分比（WA%）、內(nèi)周長為10 mm 處氣道面積的平方根（Pi10）等量化COPD 病人的支氣管壁厚度、氣管內(nèi)黏液、肺密度變化、支氣管擴張等。WT、Pi10、LAA%以及WA%可以預(yù)測氣流阻塞的發(fā)展，其測量值的增大與FEV1、FVC 及FEV1/FVC 的減小存在明顯的相關(guān)性[4-5]。定量CT 與肺功能測定相結(jié)合有利于全面揭示COPD 的特征。隨著多平面重組技術(shù)的出現(xiàn)，對矢狀面肺高度（從肺尖到膈頂?shù)母叨龋?、前后徑最寬處的距離、膈頂?shù)母叨?、胸橫膈前角（橫膈前緣與前胸壁的夾角）等的測量可以發(fā)現(xiàn)橫斷面上難以識別的肺膨脹特征，在一定程度上提高了CT 作為COPD 診斷工具的準(zhǔn)確性[6]。

COPD 是一種高度異質(zhì)性疾病，主要為小氣道疾病（small airway disease,SAD），通常以炎癥、纖維化和黏液阻塞為特征，這些氣道直徑＜2 mm，在常規(guī)CT 上通常無法顯示，肺功能檢查也只能從整體上體現(xiàn)肺功能的異常；而定量CT 可以間接和直接評估SAD，一般以-856 HU 為閾值，呼氣相上低衰減區(qū)域的CT 值≤-856 HU 提示存在SAD，這種間接評估SAD 程度的方法簡單直觀[7]。CT 的參數(shù)響應(yīng)圖（parameter response mapping,PRM）是一種影像匹配的應(yīng)用，通過逐個體素匹配吸氣和呼氣影像，以檢查吸氣和呼氣影像之間的密度差異。根據(jù)代表肺氣腫（吸氣時CT 值為-950 HU）和空氣潴留（呼氣時CT 值為-856 HU）的常用固定CT 密度閾值對個體體素進行分類，PRM 分為2 個亞型：既有肺氣腫又有空氣潴留、單純的空氣潴留；此種分型有助于區(qū)分肺氣腫或SAD 導(dǎo)致的空氣潴留。從早期基于密度閾值的空氣潴留指標(biāo)可以看出，PRM 測量與肺功能密切相關(guān)[8]。Bhatt 等[9]在一項研究中也證實了這一點，表明其與肺功能尤其是FEV1的下降有關(guān)。PRM可以量化受SAD 影響的肺實質(zhì)，個體體素表現(xiàn)為黃色的區(qū)域代表SAD，可以很好地與綠色的正常區(qū)域和紅色的肺氣腫區(qū)域分開。但是，由于在連續(xù)掃描中可能存在非病理變化，因此PRM 可能存在變異性。為了降低變異性影響，提高診斷準(zhǔn)確性，近年Fernandez-Baldera 等[10]通過對縱向CT 掃描可變性建模，識別在體素水平PRM 的移位，使高達15%的變異性降至1%。Hoff 等[11]采用拓?fù)浼夹g(shù)將3D PRM生成具有局部拓?fù)涮卣鞯?D 影像，計算功能性SAD 表面積，應(yīng)用于隨訪時可以提早發(fā)現(xiàn)COPD 病人存在的潛在性問題。因此，PRM 作為肺功能下降和COPD 嚴(yán)重程度的診斷和預(yù)后指標(biāo)，可以提供肺氣腫和SAD 分布的空間信息，并隨著其變異性的減低，提高了診斷敏感性。對于COPD 分型，目前多應(yīng)用CT 影像特征或定量CT 來評估，而當(dāng)肺氣腫的程度不足以表現(xiàn)為肺密度顯著減低，或即使出現(xiàn)密度下降，也被與吸煙相關(guān)的肺部炎癥伴隨的肺密度增高所掩蓋時，定量CT 上僅可見肺氣腫但不能定量，并且由于肺密度受多種因素影響，具體量化數(shù)值也很難確定?，F(xiàn)在一般使用-910 HU 和-950 HU 來分別量化輕度和重度肺氣腫，并通過組織病理學(xué)驗證了這2 個閾值[12]。CT 影像特征基于診斷醫(yī)師的個體性差異，只能提供有關(guān)肺氣腫分布的信息，不能定量評估肺氣腫嚴(yán)重程度。Park 等[13]提出可以將CT影像特征與定量CT 評估相結(jié)合，將COPD 細(xì)分為無肺氣腫或氣道異常、間隔旁肺氣腫、支氣管氣道疾病、小氣道疾病、輕度小葉中央型肺氣腫、中度至重度小葉中央型肺氣腫（上葉為主）、中度至重度小葉中央型肺氣腫（下葉為主）、中度至重度小葉中央型肺氣腫（彌漫型）、不協(xié)調(diào)的視覺肺氣腫、不協(xié)調(diào)的定量肺氣腫10 種亞型，這種分型反映了COPD不同的病理過程，證明了其高度異質(zhì)性，為COPD的重新分類提供了一種有效方法。此外，這些亞型與組織學(xué)數(shù)據(jù)之間的結(jié)合評估，可能有助于進一步研究COPD 不同亞型的發(fā)生機制。

2 COPD 4D 動態(tài)通氣CT 測量

COPD 病人因肺組織失去正常網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致肺氣腫，肺順應(yīng)性亦下降，導(dǎo)致在呼吸周期中肺運動不均勻傳遞。此外，肺氣腫和氣道病變的異質(zhì)性分布也加劇了通氣時肺運動的異質(zhì)性。近年來，基于靜態(tài)成像的基礎(chǔ)，動態(tài)通氣CT 脫穎而出，其可以連續(xù)采集數(shù)據(jù)，通過劃定一個具有固定體積的球形興趣區(qū)，并在整個動態(tài)CT 掃描中跟蹤興趣區(qū)的中心點，連續(xù)測量肺密度變化。通過測定5 個肺葉（右上、右中、右下、左上、左下）的平均肺密度（mean lung density，MLD），然后繪制6 對肺葉（右上-右下、右上-右中、右中-右下、左上-左下、右上-左上、右下-左下）的MLD 時間-密度曲線，分析得出在嚴(yán)重的COPD 病人中，左右肺和肺葉間呼吸運動的同步性是有限的甚至是喪失的，進一步證實了左右肺以及不同肺葉之間肺運動的異步性[14-15]。應(yīng)變測量是心臟成像中常見的評價心臟運動的方法，將應(yīng)變測量應(yīng)用于4D 動態(tài)CT 觀察肺運動較少見。整個肺部存在2 種不同類型的變形，一種是吸入/呼出引起正常的肺變形，通常出現(xiàn)于呼吸運動幅度大的肺區(qū)，如毗鄰膈肌的肺底部及仰臥位時的肺背側(cè)；另一種則是由于COPD 導(dǎo)致的不均勻通氣引起的異常區(qū)域變形[16]。引起肺不均勻通氣是因為肺組織的力學(xué)性質(zhì)，主要由膠原纖維和彈性纖維決定。正常情況下持續(xù)呼吸下的壓力均勻地傳遞到整個肺。COPD病人除了失去肺彈性后坐力外，肺氣腫的不均勻分布和胸廓結(jié)構(gòu)的異常（如狹窄/塌陷的氣道和扁平的橫膈膜）可引起呼吸時肺部物理應(yīng)力的異步傳遞，最終導(dǎo)致不均勻的肺運動。這種異步傳遞可以通過采集連續(xù)正常呼吸狀態(tài)下動態(tài)通氣CT 影像，進一步后處理得到的紅色高應(yīng)變區(qū)顯示[14-16]。應(yīng)變測量應(yīng)用于4D 動態(tài)通氣CT 對于各種肺及氣道疾病引起的肺運動異常具有一定的臨床意義。

有研究[17-18]報道，配對的吸氣及呼氣掃描、增強及超極化氦/氙MRI 可顯示COPD 病人肺內(nèi)血流和氣體的不均質(zhì)性分布。由于肺內(nèi)血流和氣體的不均質(zhì)分布會導(dǎo)致肺內(nèi)容積的變化，MLD 與肺容積之間具有強正相關(guān)性，因此MLD 的變化可以替代動態(tài)通氣時肺容積的變化[19]。Nagatani 等[20]通過4D 動態(tài)通氣CT 連續(xù)定量測量吸煙和COPD 病人側(cè)位主支氣管面積及MLD 發(fā)現(xiàn)，在嚴(yán)重的氣流受限病人中呼氣早期主支氣管管腔塌陷，近端氣道與肺之間的同步性降低，同時同步性降低與氣流受限的嚴(yán)重程度相關(guān)，進一步證實主支氣管面積和MLD 可用于預(yù)測COPD 病人氣流受限的嚴(yán)重程度[14]。應(yīng)用4D 動態(tài)通氣CT 測量可以量化肺氣腫，為COPD 早期診斷提供了另一種依據(jù)，同時也可以預(yù)測COPD 的嚴(yán)重程度。

3 COPD 支氣管定量分析

由于COPD 持續(xù)性氣流受限導(dǎo)致肺內(nèi)空氣滯留，肺容量發(fā)生一定的變化，而隨著肺容量的變化，氣管支氣管的角度也會發(fā)生變化。Onoe 等[21]研究發(fā)現(xiàn)氣管與左主支氣管、左主支氣管與右主支氣管的角度在呼氣時與肺容積顯著相關(guān)，左主支氣管與右主支氣管、氣管與左主支氣管角度變窄提示氣流受限更嚴(yán)重、肺氣腫范圍更大。COPD 病人由于慢性炎癥刺激和氣道重塑會導(dǎo)致氣道壁增厚，氣道壁增厚在吸氣性胸部CT 中很容易量化。既往研究[22-23]表明肺氣腫、支氣管擴張劑反應(yīng)及總肺活量對氣道壁增厚有影響。Charbonnier 等[24]在線性回歸和混合模型分析中調(diào)整了這些影響氣道壁增厚的因素，對有或無吸煙的COPD 病人定量測量Pi10 并隨訪5 年，發(fā)現(xiàn)吸煙受試者的Pi10 顯著增加，戒煙受試者的Pi10顯著下降。Pi10 隨吸煙狀態(tài)的變化表明其可以量化吸煙相關(guān)性氣道炎癥的可逆性，同時也是COPD 存在與否和嚴(yán)重程度的獨立預(yù)測因子。既往COPD 的PFT 只能從總體上評估病人的肺功能，可能受病人本身配合欠佳等客觀因素影響，支氣管定量測量評估COPD 可以很好地避免這些缺點，測定的指標(biāo)主要包括三級和四級支氣管的管腔面積（LA3rd、LA4th）、支氣管壁厚度（WT3rd、WT4th）、WA%以及Pi10 等。Hackx等[25-26]研究發(fā)現(xiàn)COPD 病人WT3rd、WT4th和Pi10 與正常對照組存在顯著差異，并且對不同時間段（早上8 點和下午4 點）支氣管測量及肺功能測定的結(jié)果進行了比較，結(jié)果表明LA3rd、LA4th變異性大于肺功能測定變異性。總之，支氣管定量分析為臨床診斷COPD 提供了另一種思路。

4 COPD 通氣與灌注顯像

CT 肺通氣與灌注顯像單獨應(yīng)用于COPD 研究較少。單光子發(fā)射體層成像（SPECT）聯(lián)合CT（SPECT/CT）是一種融合成像技術(shù)，實現(xiàn)了功能成像與形態(tài)學(xué)成像的結(jié)合，提高了診斷的敏感性和特異性，因而在臨床中普遍應(yīng)用[27]。COPD 急性加重（acute exacerbations of COPD,AECOPD）嚴(yán)重影響病人的生活質(zhì)量，其原因與呼吸道感染密切相關(guān)。有研究[28]發(fā)現(xiàn)放射性核素檢測到的唾液吸入引發(fā)的吸入性肺炎也是AECOPD 的常見原因，SPECT/CT 可以準(zhǔn)確地判定唾液吸入的位置，其價值在于可以鑒別其他原因引起的肺炎，進而對反復(fù)發(fā)生AECOPD的病人預(yù)防性防誤吸，提高病人的生活質(zhì)量。通氣/灌注（ventilation-perfusion,V/Q）SPECT 不僅可以診斷肺栓塞，也可以顯示COPD 病人的通氣和灌注狀態(tài)，其與CT 結(jié)合還有助于鑒別可疑的肺惡性腫瘤，因為COPD 病人更易患肺惡性腫瘤[27]。超極化氙-129（hyperpolarized xenon-129,HPX）MRI 是一種新的成像方法，可以對組織和血液的通氣和氣體吸收進行三維區(qū)域成像，通過單一屏氣識別肺部生理的多種變化，同時與灌注MRI、CT 互為補充，更加全面顯示肺部生理變化[29]。Doganay 等[30]比較了HPX MRI、V/Q SPECT/CT 和CT 對COPD 病人肺通氣顯像情況，發(fā)現(xiàn)HPX MRI 肺葉相對通氣百分率與SPECT 通氣和灌注百分率有很強的相關(guān)性，全肺HPX 百分比通氣量與肺功能測定相關(guān)，并且優(yōu)于全肺CT 百分比肺氣腫評分。因此，HPX MRI 與V/Q SPECT/CT 互為補充應(yīng)用于臨床，可以更全面清楚地了解COPD 病人肺部生理變化，進而更有利于指導(dǎo)治療、改善預(yù)后。

5 COPD 相關(guān)血管分析

COPD 各種常見并發(fā)癥中，肺動脈高壓發(fā)病率最高，嚴(yán)重的肺動脈高壓如不進行臨床干預(yù)可能會危及生命，因此早期診斷對于病人預(yù)后相當(dāng)重要。既往研究[31]發(fā)現(xiàn)肺動脈高壓與主肺動脈（main pulmonary artery,MPA）軸向CT 測量的直徑存在相關(guān)性。Rho 等[32]應(yīng)用CT 定量測量大血管直徑，以此判定COPD 病情是否加重。通過橫斷面及多平面重組影像證實中段及肺動脈分叉處MPA 與升主動脈直徑比值的升高與COPD 病情惡化有顯著的相關(guān)性，該研究采用多平面（冠狀面及斜冠狀面）測量，同時肺動脈測量采用中段的MPA 及肺動脈分叉2個點，使研究結(jié)果更具有代表性。肺動脈高壓除了表現(xiàn)為MPA 直徑的增寬，同時也會對右肺動脈直徑、左肺動脈直徑產(chǎn)生影響，其直徑與COPD 合并肺動脈高壓的分級存在強相關(guān)性[33]。血管重塑是肺動脈高壓的特征性表現(xiàn)，常累及肺小血管，肺動脈高壓病人會出現(xiàn)肺小血管擴張，導(dǎo)致肺血管內(nèi)徑與伴行支氣管內(nèi)徑的比值增加，CT 可以通過測量肺小血管的橫截面積間接反映COPD 相關(guān)肺動脈高壓的嚴(yán)重性[34]。以上測量基于胸部CT 就能實現(xiàn)，簡單易行。因此，COPD 相關(guān)血管分析有望應(yīng)用于臨床，通過早期發(fā)現(xiàn)、預(yù)防及早治療COPD 合并肺動脈高壓，進而為臨床醫(yī)師進一步判斷疾病病情提供依據(jù)并有利于改善病人預(yù)后。

6 小結(jié)

綜上所述，COPD 復(fù)雜的生理機制及異質(zhì)性表型需要結(jié)合形態(tài)學(xué)及功能學(xué)綜合評估。隨著影像技術(shù)的發(fā)展，對COPD 病人肺部生理功能提供了更多的信息，也對COPD 早期診斷及并發(fā)癥預(yù)防提供了新的思考。影像與臨床的結(jié)合可以更全面詮釋COPD 的病理機制，通過早期預(yù)防提高病人的生存率。