多模態(tài)定量CT對(duì)慢性阻塞性肺疾病的研究進(jìn)展

白慧忠，楊曉光（通訊作者）

（內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院影像科 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010050）

慢性阻塞性肺疾病（COPD）的高患病率使其成為全世界發(fā)病率和病死率高的主要原因之一[1]。慢阻肺在全球死亡率中排名第三[2]。目前，COPD的主要困難之一是診斷不足，所以早期發(fā)現(xiàn)、診斷并實(shí)施干預(yù)是減輕疾病負(fù)擔(dān)的關(guān)鍵。我們可以利用對(duì)COPD患者相關(guān)臨床信息不斷發(fā)展的理解，以及當(dāng)前新興影像工具的發(fā)展來(lái)對(duì)COPD進(jìn)行識(shí)別和量化，影像學(xué)檢查是當(dāng)前判斷這些特征的關(guān)鍵因素，越來(lái)越多的先進(jìn)方法為我們對(duì)COPD的研究提供了更多的可能性。在眾多的影像學(xué)檢查技術(shù)中選擇一個(gè)直接、穩(wěn)定、方便的方法尤為重要。比如，放射性核素灌注顯像已被廣泛用于評(píng)價(jià)肺灌注狀態(tài)，但它有很大的局限性，包括空間和時(shí)間分辨率低和暴露于大劑量輻射中[3]。單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層掃描（SPECT）提供了更好的空間分辨率，但需要更多的掃描時(shí)間[4]。磁共振成像可能是評(píng)估灌注的一個(gè)很好的選擇[5-6]，但其不能對(duì)肺組織的形態(tài)學(xué)變化進(jìn)行直觀評(píng)估。雙源雙能量CT肺灌注掃描（DE PBV CT）的研究和發(fā)展在一定程度上是出于對(duì)常見(jiàn)慢性肺部疾病的追求，可以定量評(píng)估肺灌注缺損區(qū)組織的血流分布狀況，還可獲取肺組織結(jié)構(gòu)信息[7]，對(duì)出現(xiàn)血流動(dòng)力學(xué)改變但尚未出現(xiàn)組織結(jié)構(gòu)改變的疾病檢測(cè)具有重要價(jià)值[8]。此外，DE PBV CT的應(yīng)用提高了空間和對(duì)比度分辨率，同時(shí)降低輻射劑量，可以提供可視化解剖圖像和灌注情況，成為一種評(píng)估COPD的“一站式”工具。

1 DE PBV CT成像原理

近年來(lái)，利用雙X射線(xiàn)管和快速kVp切換（寶石光譜成像）的多探測(cè)器CT已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。其基本物理原理是光電效應(yīng)強(qiáng)烈依賴(lài)于CT能量，因此在不同能量水平下，不同材料的X射線(xiàn)衰減程度不同。因此，雙源MDCT系統(tǒng)[9]由安裝在旋轉(zhuǎn)機(jī)架上的兩個(gè)球管（X1和X2）和對(duì)應(yīng)的兩套采集系統(tǒng)組成（A和B），A探測(cè)器的FOV為50 cm，B探測(cè)器的FOV為26 cm，兩者之間的夾角為90°，所在縱軸覆蓋相同的區(qū)域。X1和X2管都可以根據(jù)管電壓、管電流以及操作者的掃描要求進(jìn)行獨(dú)立工作，當(dāng)兩者都以相同的能量操作時(shí)，即所謂的雙源掃描，其優(yōu)點(diǎn)是時(shí)間分辨率高。當(dāng)X1和X2管在不同的管電壓下操作時(shí)，即所謂的雙能成像，其優(yōu)點(diǎn)是可區(qū)別物質(zhì)[10]。

2 圖像采集、重建

第一代DSCT系統(tǒng)，通常使用80/140 kVp的組合，隨著2代、3代雙源CT應(yīng)用于臨床，通常把100/140 kVp作為首選[11]，可以采集到兩個(gè)CT數(shù)據(jù)集：分別是100 kVp和140 kVp的獨(dú)立數(shù)據(jù)集，以及重建出約120 kVp混合數(shù)據(jù)能量的第三個(gè)數(shù)據(jù)集。100 kVp和140 kVp數(shù)據(jù)集與傳統(tǒng)的單能量數(shù)據(jù)集相當(dāng)。然而，與單能量CT圖像相比，這些圖像將具有更高的圖像噪聲，特別是在140 kVp時(shí)[12]。因此，需要得到第三個(gè)“加權(quán)平均圖像”數(shù)據(jù)集（按照慣例，將加權(quán)因子設(shè)置為一個(gè)常數(shù)值0.4，是指由低能量數(shù)據(jù)集所貢獻(xiàn)的中心26 cm FOV圖像密度的比例）。最后，這個(gè)數(shù)據(jù)集不僅提高低kVp圖像的碘的顯示性，而且降低高kVp圖像噪聲，并且在視覺(jué)上與單能量圖像相當(dāng)。DECT在一個(gè)對(duì)比增強(qiáng)的單相期間不同的千伏曝光下同時(shí)獲得兩組不同能量的數(shù)據(jù)，通過(guò)不同X射線(xiàn)能量的成像和衰減差異的分析來(lái)表征和量化組織中的碘，從而計(jì)算出反映肺灌注的碘圖。需要指出，雙源CT 雙能量肺灌注成像提供的這些碘圖不代表真實(shí)的灌注圖，它只是灌注的替代測(cè)量，文中使用的“灌注”一詞指的是組織碘圖，而不是“真正的組織灌注”。

3 DE PBV CT在COPD中的應(yīng)用、進(jìn)展

3.1 COPD的早期發(fā)現(xiàn)

慢性阻塞性肺疾病（COPD）的特征是持續(xù)的氣流限制，并伴有肺血管變化，這些變化可能會(huì)導(dǎo)致肺通氣和灌注的改變。雙能CT可以利用物質(zhì)衰減理論同時(shí)提供高分辨率的解剖信息和灌注信息。國(guó)外研究人員報(bào)告了DECT在評(píng)估包括COPD在內(nèi)的各種肺疾病患者的肺部通氣或灌注方面的有效性。Hwang HJ[3]等研究表明在臨床癥狀輕微的COPD患者，以及吸煙但肺功能（PFT）正常者中也可以出現(xiàn)肺血管的改變。Ferrer E[13]等研究發(fā)現(xiàn)，動(dòng)物長(zhǎng)期處于吸煙環(huán)境中，常規(guī)單能量CT顯示動(dòng)物雙肺結(jié)構(gòu)未發(fā)生明顯變化，然而雙源CT雙能量肺灌注成像上卻可以顯示出肺血管的異常改變，因此對(duì)于COPD的病理基礎(chǔ)來(lái)源于肺間質(zhì)的改變要早于肺實(shí)質(zhì)。國(guó)內(nèi)王文尚[6]研究發(fā)現(xiàn)CT定量分析COPD患者肺血管狀態(tài)的改變，具有直觀、可量化的特點(diǎn)，并且其改變程度受吸煙和肺氣腫的影響。雙源CT雙能量肺灌注能獲取COPD患者全肺或各肺區(qū)的肺血管重構(gòu)定量參數(shù)指標(biāo),為臨床評(píng)估COPD患者肺血管重構(gòu)提供有意義的量化指標(biāo)。定量的CT成像在低輻射劑量下，可以根據(jù)生物標(biāo)記物，如肺密度和支氣管壁厚，可能允許早期檢測(cè)COPD。因此雙源CT雙能量肺灌注成像使早期診斷COPD成為可能，為臨床對(duì)這一慢性疾病的早期治療提供依據(jù)。

3.2 COPD表型

COPD表型是指某一個(gè)體特定的性狀，主要受遺傳和環(huán)境因素的影響，通常疾病的嚴(yán)重程度和特征常常被定義為COPD表型。CT作為研究COPD表型的新型工具，其價(jià)值得到眾多研究者的青睞。雙源雙能量肺灌注CT或高分辨率CT（HRCT），能夠清晰地顯示肺組織的細(xì)微解剖結(jié)構(gòu)，在肺組織結(jié)構(gòu)的可視化方面有獨(dú)到作用。Fan等[10]研究表明，通過(guò)病理生理學(xué)和HRCT的聯(lián)合研究，利用CT掃描測(cè)量肺組織密度減低區(qū)域的面積和氣道壁厚度/管腔面積，可將COPD分為氣道表型（A型，有或沒(méi)有支氣管壁增厚）、肺氣腫表型（E型，沒(méi)有支氣管壁增厚，有肺氣腫）、混合表型（M型，支氣管壁增厚與肺氣腫同時(shí)存在）。QCT可用于確定COPD的支氣管優(yōu)勢(shì)亞型和肺氣腫優(yōu)勢(shì)亞型。Park等[12]通過(guò)對(duì)CT圖像的分析，將視覺(jué)上定義的肺氣腫模式與定量成像特征和肺測(cè)量數(shù)據(jù)相結(jié)合，產(chǎn)生了10種不重疊的CT成像亞型。通過(guò)這些CT成像亞型比較各亞型之間的差異，發(fā)現(xiàn)各組的總體病死率差異顯著，其中上葉為主小葉中心性肺氣腫（CLE）的病死率最高?？傊瑥哪壳芭R床實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，同一患者在病程中FEV1存在很大的變異，相似FEV1的患者具有不同的臨床表現(xiàn)、病理變化、影像特征，不同的炎癥狀態(tài)，不同的COPD急性發(fā)作發(fā)生頻率，不同的功能狀態(tài)或生活質(zhì)量、疾病預(yù)后。所以，解決困境的有效方法是對(duì)COPD綜合征的重要組成部分進(jìn)行識(shí)別及分組，這種分組能反映疾病的預(yù)后，并指導(dǎo)患者的治療。

3.3 肺氣腫的評(píng)估

肺氣腫定義為細(xì)支氣管末端的管腔永久性異常擴(kuò)張，伴有肺泡壁破壞。其特征是使肺實(shí)質(zhì)發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的破壞，是導(dǎo)致COPD的主要原因。所以早期發(fā)現(xiàn)肺氣腫是診斷COPD的重要一步，然而胸部X線(xiàn)檢查在評(píng)估肺氣腫方面存在明顯的局限性，包括低特異性、低敏感性、觀察結(jié)果存在觀察者之間的差異，以及無(wú)法量化肺氣腫的嚴(yán)重程度。CT在檢測(cè)肺氣腫和評(píng)估其分布、程度方面明顯優(yōu)于胸部X線(xiàn)檢查，尤其肺氣腫更容易在高分辨率CT（HRCT）上被檢測(cè)到。HRCT上肺氣腫的特征是存在低衰減區(qū)域，而周?chē)姆螌?shí)質(zhì)則具有正常的衰減區(qū)域，有經(jīng)驗(yàn)的閱片醫(yī)師可以輕松判讀出肺氣腫結(jié)果，盡管其靈敏度及特異度較高，但缺乏客觀證據(jù)，對(duì)肺氣腫的嚴(yán)重程度難以做出準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究表明肺氣腫可以量化[13-14]，量化可以通過(guò)視覺(jué)評(píng)分，也可使用密度測(cè)量或半定量來(lái)量化。由于視覺(jué)評(píng)分顯示有很高的觀察者間變異性，現(xiàn)在主要是半定量和定量用于COPD肺氣腫評(píng)估。出現(xiàn)諸如閾值法、百分位法等分析手段，其中最常用的為閾值法，目前對(duì)于肺氣腫研究按照國(guó)際慣例由-950 HU（%LAA-950insp）以下作為低衰減面積，通過(guò)計(jì)算機(jī)計(jì)算低衰減區(qū)占全肺容積的百分比（LAA%）將肺氣腫分為3類(lèi)：①無(wú)肺氣腫（NE），%LAA-950insp＜6；②%LAA-950insp中度肺氣腫≥6和＜14；③%LAA-950insp≥14的嚴(yán)重肺氣腫（SE）。有研究表明新的肺氣腫定量技術(shù)是基于DECT的[15]。該方法可通過(guò)測(cè)量碘分布圖來(lái)評(píng)估肺灌注，可以為COPD患者提供額外的生理信息，超出常規(guī)使用HRCT的純形態(tài)學(xué)評(píng)估。Sugino K等運(yùn)用氙氣增強(qiáng)的DECT表明，氙氣增強(qiáng)后的肺灌注缺損區(qū)與阻塞性通氣損傷強(qiáng)相關(guān)。同樣，Hwang HJ等[3]對(duì)52例前瞻性入選的男性COPD患者進(jìn)行V（氙氣增強(qiáng)通氣）和Q（碘增強(qiáng)灌注）聯(lián)合顯像，結(jié)果發(fā)現(xiàn)肺實(shí)質(zhì)正常的節(jié)段表現(xiàn)為匹配的V/Q型，而支氣管壁增厚的節(jié)段則表現(xiàn)為相反的V/Q型。在定量分析中，平均V、Q和V/Q值與PFT參數(shù)顯著正相關(guān)，而使用傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)斷層掃描圖像評(píng)估疾病模式可能無(wú)法正確評(píng)估COPD肺氣腫患者的局部V和Q。Pansini等[16]利用DE PBV CT對(duì)47例吸煙者和10例非吸煙者進(jìn)行了灌注掃描，發(fā)現(xiàn)評(píng)估局部肺灌注異常區(qū)域是可行的，肺氣腫病人灌注缺損區(qū)與肺實(shí)質(zhì)破壞區(qū)域一致性較好?？傊?，肺氣腫的CT客觀定量評(píng)估較主觀視覺(jué)評(píng)估具有更高的可靠性，對(duì)于早期肺部病變更敏感，能夠在短時(shí)間內(nèi)對(duì)全部及局部肺部改變做出有效評(píng)估，有利于肺氣腫患者的精確診斷、開(kāi)展個(gè)性化治療及預(yù)后評(píng)價(jià)。

4 小結(jié)與展望

雙能CT肺灌注掃描技術(shù)結(jié)合相應(yīng)的后處理軟件可以在COPD的定性、定量診斷中發(fā)揮非凡價(jià)值。主要體現(xiàn)在以下三點(diǎn)。

①精確度更高，目前在臨床上常規(guī)采用肺功能檢查對(duì)肺組織進(jìn)行評(píng)估，但肺功能只能反映肺組織的整體功能，DECT能夠清楚地顯示肺灌注缺損區(qū)域的范圍和位置，更直觀地了解病變的范圍、程度。②作用范圍廣，雙能CT肺灌注掃描為臨床提供COPD病變?cè)缙谠\斷的具體定量參數(shù)，也可以為評(píng)估肺儲(chǔ)備功能及外科肺減容手術(shù)（LVRS）提供直接依據(jù)，避免臨床盲目地切除肺組織。③對(duì)患者配合要求低，而且重復(fù)性好，僅需要完成一次增強(qiáng)CT檢查，就可以用于數(shù)據(jù)分析，尤其對(duì)于一些長(zhǎng)期臥床、肺組織代償能力低下，不能耐受肺功能檢查或者配合不充分等患者。DE PBV CT成像可顯示COPD病人的肺氣腫、PHT與灌注缺損具有明顯的相關(guān)性，但這對(duì)于COPD的全面評(píng)估還不夠完善，尚需要進(jìn)一步探討雙能量CT肺灌注成像對(duì)于支氣管壁增厚型COPD與COPD早期變化及治療后的評(píng)估，這也將是今后研究的方向[17]?？傊p能CT肺灌注掃描與先進(jìn)的后處理技術(shù)相結(jié)合，具有無(wú)創(chuàng)、便捷、客觀、可操作及重復(fù)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，可以作為COPD早期診斷、肺減容術(shù)前篩選和術(shù)后療效評(píng)價(jià)的客觀依據(jù)。