基于双气相定量CT分析肺空气体积在COPD中的诊断价值

Diagnostic value of lung air volume analysis based on biphasic quantitative CT in COPD

摘要

目的 探讨双气相定量CT分析慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive pulmonary disease， COPD）患者肺空气体积（Lav）改变与常规肺功能（pulmonary function， PFT）及其他定量CT指标［肺气肿指数（LAA％）、平均肺密度（mean lung density，MLD）］之间的关系。 方法 收集延安大学附属医院2018—2024年确诊COPD患者98例与吸烟非COPD者66例。将CT双气相数据导入“数字肺”分析平台，计算相关定量CT指标。 结果 不同组间除年龄、Lav_in差异无统计学意义（P>0.05）外，其余指标差异均有统计学意义（均P<0.05）。Lav_ex/in与肺功能（FVC、FEV1%、FEV1/FVC）、MLD_ex/in、LAA％_ex/in有相关性，差异均具有统计学意义（均P<0.001）。多元逐步回归分析，Lav_ex、LAA%_-910ex与MLD_ex回归方程R²值0.833（P<0.001）。 结论 Lav_ex/in作为一种新的影像标志物，与MLD_ex/in相关性极强，并与LAA％_ex/in及肺功能具有较好的相关性，有望成为诊断COPD的敏感补充指标。

Abstract

Objective To explore the relationship between the changes of pulmonary air volume （Lav） and routine pulmonary function （PFT） and other quantitative indexes of CT ［emphysema index （LAA%）， mean lung density （MLD）］ in patients with chronic obstructive pulmonary disease （COPD） by biphasic quantitative CT. Methods A total of 98 patients diagnosed with COPD and 66 smokers without COPD in Yan'an University Affiliated Hospital from 2018 to 2024 were collected. The CT dual-phase data were imported into the "Digital Lung" analysis platform to calculate the relevant quantitative CT indicators. Results Except for age and Lavin， there were significant differences in other indexes among different groups （all P>0.05）. Lav_ex/in was correlated with pulmonary function （FVC， FEV1%， FEV1/FVC）， MLD_ex/in and LAA%_ex/in， and the difference was statistically significant （all P<0.001）. Multiple stepwise regression analysis showed that the regression equation R^² of Lav_ex， LAA%_-910ex and MLD_ex was 0.833（P<0.001）. Conclusion As a new imaging marker， Lav_ex/in has a strong correlation with MLD_ex/in， and has a good correlation with LAA%_ex/in and lung function， so it is expected to become a sensitive supplementary index for the diagnosis of COPD.

Graphical abstract

关键词

慢性阻塞性肺疾病 / 肺空气体积 / 双气相 / 定量CT

Key words

Chronic obstructive pulmonary disease / Pulmonary air volume / Dual-phase / Quantitative CT

慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive pulmonary disease， COPD）是全球排名第3大死亡原因，其发病率及死亡率递增不减^［1-2］，常规肺功能检查（pulmonary function test，PFT）为COPD诊断的金标准，但对疾病诊断敏感性低，不能反映疾病的高度异质性，固定诊断比率值导致对年轻患者诊断相对不足，而老年患者诊断相对过度^［3-4］。关于COPD个性化诊疗及疾病进展、监测如何选择合适的生物标志物，仍为目前未能解决的问题^［5］。而定量CT研究得到了许多学者的青睐，作为一种影像学生物标志物，可以对疾病诊疗提供丰富的信息，尤其是呼气相CT可以更好地反映气流受限和空气滞留。目前定量CT多数研究指标有肺气肿参数LAA%_-950in，LAA%_-910ex、MLD、双气相配准PRM等，并与肺功能相关性较好^［6］。Chuang等^［7］基于CT肺空气体积与肺体积比值计算的相对空气直方图，并证实可以为诊断COPD可靠的影像标志物，并提出将应用于COPD严重程度、评估功能性小气道病变及动态通气功能的可能。目前很少有关于双气相CT肺空气体积（lung air volume， Lav ）与肺功能及定量CT参数相关关系的分析报道，对于其是否可以作为日后诊断COPD的补充指标尚需进一步研究。因此本研究基于双气相深入探讨定量CT指标肺空气体积与PFT及其他定量CT参数的关系。

1 资料与方法

1.1 一般资料

收集延安大学附属医院2018年6月至2024年6月确诊COPD患者98例。根据2023年慢性阻塞性肺疾病全球倡议（global initiative for chronic obstructive lung disease，GOLD）诊断标准^［1］纳入，将患者分为两组，GOLD 1/2级59例、2/3级39例。对照组纳入参加“健康体检”的吸烟者（肺功能检查FEV1/FVC≥0.7）66例，定义为吸烟非COPD组。所有受试者知情同意并签署了知情同意书。排除标准：胸廓发育异常、肺肿瘤、大量胸腔积液及大面积感染等影响数据测量的患者。

1.2 CT扫描

采用东芝320排螺旋CT，扫描前对患者进行呼吸训练（深吸气末与深呼气末屏气），扫描时患者呈仰卧位，双手上举，进行全肺扫描。扫描参数：管电压120 KV，自动管电流，准直40 mm，螺距1.087 5，转速0.5 s/r，扫描层厚5 mm，FOV 350 mm，矩阵512×512，标准算法重建。

1.3 肺功能检查

患者需在CT检查后1周内进行PFT检查。分别测量FVC、FEV1%、FEV1占用力肺活量的百分比（FEV1/FVC）。FEV1%作为GOLD分级的依据，分别为：1级：FEV1%≥0.80；2级：0.50≤FEV1%<0.80；3级：0.30≤FEV1%<0.50；4级：FEV1%<0.30。

1.4 数据分析

将双相扫描数据导入定量CT分析平台，高年资主治医师按照排除纳入标准处理进行。测定计算吸气相（inspiration，in）、呼气相（expiration，ex）肺空气体积（Lav_in、Lav_ex）、深吸气末阈值低于-950HU低衰减区占全肺体积的百分率（LAA%_-950in）、深呼气末阈值低于-910HU低衰减区占全肺体积的百分率（LAA%_-910ex）和吸气相、呼气相平均肺密度（MLD_in、MLD_ex），并计算出Lav、LAA％和MLD的比值和差值（Lav_ex/in、ΔLav、LAA％_ex/in、ΔLAA％、MLD_ex/in、ΔMLD）。

1.5 统计学方法

采用SPSS20.0进行统计学分析。单因素方差分析或Kruskal-Wallis H检验比较不同组间定量CT参数及肺功能指标的差异。Pearson相关分析或Spearman秩相关分析肺空气体积与肺功能、其他定量CT参数的相关性。以多元逐步回归分析确定Lav、LAA%_-950in、LAA%_-910ex与MLD的关系。P<0.05为差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 一般资料比较

3组间年龄差异无统计学意义（P>0.05）。3组间BMI差异具有统计学意义（P<0.001）。COPD组BMI低于吸烟非COPD组。3组FVC、FEV1%、FEV1/FVC差异均有统计学意义（均P<0.001），GOLD3/4级 FEV1%显著低于GOLD1/2级和吸烟非COPD组，COPD患者FEV1/FVC低于吸烟非COPD组（表1）。

2.2 定量CT参数比较

3组间除Lav_in差异无统计学意义（P>0.05），余定量CT参数组间差异均有统计学意义（均P<0.001）。其中呼气相定量CT参数较吸气相差异显著。双气相各定量CT参数比值及差值组间差异均具有统计学意义（均P<0.001，表2）。

2.3 吸气、呼气相定量CT参数与PFT参数之间相关性分析

Lav_in与FEV1/FVC呈负相关（P<0.05），Lav_in与FVC、FEV1%相关性无统计学意义。Lav_ex、Lav_ex/in与FVC、FEV1%、FEV1/FVC呈负相关（均P<0.01），ΔLav与FVC、FEV1%、FEV1/FVC呈正相关（均P<0.001）。LAA_-950in与FEV1%、FEV1/FVC呈负相关（均P<0.01）。LAA_-910ex、LAA%_ex/in、ΔLAA%与FVC、FEV1%、FEV1/FVC呈负相关（均P<0.001）。MLD_in与FEV1%、FEV1/FVC呈正相关（均P<0.05），与FVC相关性无统计学意义（P>0.05），MLD_ex与FVC、FEV1%、FEV1/FVC呈正相关（均P<0.01），MLD_ex/in、ΔMLD与FVC、FEV1%、FEV1/FVC呈负相关（均P<0.01）（表3、图1）。

2.4 吸气、呼气相定量CT参数Lav与其他参数之间的相关性分析

Lav_in、Lav_ex与MLD_in、MLD_ex呈负相关（P<0.001），Lav_ex与MLD_ex/in、ΔMLD、LAA_-950in、LAA_-910ex、LAA%_ex/in、ΔLAA%呈正相关（P<0.001），Lav_in与MLD_ex/in、ΔMLD、LAA_-950in、LAA_-910ex、LAA%_ex/in、ΔLAA%相关性不具有统计学意义。Lav_ex/in与MLD_ex呈负相关（P<0.001），与MLD_ex/in、ΔMLD、LAV_-950in、LAV_-910ex、LAA%_ex/in、ΔLAA呈正相关（P<0.001），与MLD_in相关性不具有统计学意义。ΔLav与MLD_in、MLD_ex/in、ΔMLD、LAA_-950in、LAA_-910ex、LAA%_ex/in、ΔLAA%呈负相关（P<0.05），与MLD_ex呈正相关（P<0.001）（表4、图1）。

2.5 吸气、呼气相定量CT参数多元逐步回归分析结果

吸气相时，以Lav_in、LAA％_-950in为自变量，以MLD_in为应变量，进行多元逐步回归分析，回归方程R^² =０.729，其中Lav_in的标准相关系数为-0.381（P<0.01），LAA％_-950in的标准相关系数为-0.594（P<0.01）；在呼气相时，Lav_ex、LAV_-910ex为自变量，MLD_ex为应变量，进行多元逐步回归分析，回归方程R^² =0.833，其中Lav_ex的标准相关系数为-0.252（P<0.01），LAV_-910ex的标准系数为-0.697（P<0.01）；两项回归方程方差检验差异具有统计学意义（P<0.01）。

3 讨论

COPD的发病机制复杂多样，以持续性气流受限为主要特征。目前提倡多种诊断指标来弥补PFT带来的诊断缺陷^［1］，关于定量CT指标对COPD的诊断价值一直是研究热点，定量CT测量可以对COPD疾病复杂的病理生理学改变进行部分可视化和量化，并与PFT相关联，可以为疾病的发生、发展进行很好的个性化预测，从而为临床早期干预并延缓疾病恶性进展提供一定辅助依据^［8-9］。Pompe等^［10］研究发现呼气相CT对空气潴留诊断的重要性，对于肺气肿及空气潴留的检测较肺功能敏感。

COPD作为一种慢性进行性疾病，BMI并被证实为COPD严重程度的独立危险因子^［11］，因此本研究中COPD组BMI小于健康对照组，并随着COPD级别的增加，BMI减小。作者还发现吸烟指数随着疾病程度的增加而增加，以GOLD3/4级吸烟指数较为明显，这是因为吸烟为COPD发生发展重要且可调控的危险因素之一，吸烟对肺的损伤为有害气体导致气道和肺组织慢性炎症，进而小气道阻力增加和肺实质破坏（肺气肿），使得肺组织弹性减少，空气潴留增加并恶性膨胀。

由于COPD患者空气潴留、肺气肿过度充气致使从吸气相到呼气相肺组织密度增加明显，且与肺功能恶化相关^［12］。肺功能FEV₁被证实可以反映COPD的气流受限，可以预测疾病的严重程度，现主要用于COPD临床诊断和分级。本次研究中肺功能组间差异均有统计学意义，以FEV1%差异较为显著（统计值为116.728）。多项研究^{［2， 9， 13］}证实MLD_ex/in可以很好地反映COPD的气流受限，并与FEV1%下降密切相关。Mets等^［14］研究显示MLD_ex/in评估空气潴留优于其他定量CT参数，并推荐为CT筛查空气潴留改变的指标。本研究也证实了呼气相MLD、MLD比值和差值在COPD不同亚组间存在差异，较吸气相MLD差异显著，并与PFT密切相关。

LAA%_-950in可以作为评价肺气肿的有效指标被广泛采用^［15］，可以对吸烟者早期肺损伤及COPD严重程度进行敏感评估^［16］。黄晓旗等^［17］基于CT呼气相不同阈值对COPD严重程度进行评估，并发现LAA％_-910ex为呼气相评价肺气肿最佳阈值，与PFT密切相关。本研究中LAA%_-950in、LAA％_-910ex与FEV1%、FEV1/FVC呈负相关，且以LAA%_-910ex相关性较强，间接体现了呼气相CT对于疾病评价的敏感性。

基于上述定量CT指标的研究成果，此次研究中纳入双气相定量CT指标空气体积，分析吸烟非COPD者、COPD1/2级、COPD2/3级人群，结果为肺空气体积依次递增，且呼气相肺空气体积在组间差异较吸气相显著，并与PFT密切相关。目前对于双气相定量CT指标肺空气体积与相对成熟的CT指标MLD间的关系尚缺乏充分的研究，作者发现呼气相肺空气体积与其他定量CT指标（MLD_ex、MLD_ex/in、ΔMLD、LAA%_ex/in、ΔLAA%）相关性强，通过多元逐步回归方法来证实肺空气体积与MLD间的关系，具有一定的创新性。且在肺空气体积与MLD较好相关性基础上，进一步证实其与MLD之间存在回归关系，且呼气相肺空气体积在呼气相更为敏感，对COPD的早期诊断及晚期评估有一定意义。

但本研究存在一定局限性，如COPD病例数相对不足，而将COPD分为两组，后期加大病例数，对COPD1-4级分别进行分析；此次研究定量CT指标主要针对全肺，后期应该具体对各肺叶进行分析，以做到对疾病更好的定位。本研究中主要纳入吸烟男性，未进行性别分组，对于性别分组需要进一步研究。

综上分析，Lav_ex/in与MLD_ex/in相关性极强，作为一种新的影像标志物，并与LAA％_ex/in及肺功能具有较好的相关性，有望成为诊断COPD的敏感补充指标，为临床精准诊疗提供一定参考依据。

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基金资助

国家自然科学基金(82460345)