CT的肺功能性成像及其

CT的肺功能性成像及其第一页，共121页。在美国，约有一千五百余万人患有呼气性气流阻塞疾病，每年因本病导致死亡者超过八万四千人，是死亡原因中的第四位。阻塞性肺病包括肺气肿、慢性支气管炎、哮喘、呼吸性细支气管炎和支气管扩张等一组疾病。最新的文献强调了早期诊断气流阻塞和气道反应性潜在的异常在临床处理这些疾病上的重要性。第二页，共121页。支气管扩张

哮喘合并空气贮留第三页，共121页。全细支气管炎第四页，共121页。第五页，共121页。呼气气流阻塞的病因是多样的，它可不同程度地累及大的可见的气道和小气道(细支气管)。这些病因包括：由于支气管扭曲、支气管壁增厚、水肿或粘液分泌过多引起的支气管管径固定的不可逆性改变；发生于肺气肿中的由于肺组织破坏所致气道正常弹性力的丧失以及由于气道反应性异常而致气道直径的可逆性改变。

第六页，共121页。气道反应性是指气道在受到刺激时可逆性地改变自身直径的反应能力。气道反应性增高被认为是哮喘的标记，也能引起其它气道疾病，包括慢性支气管炎和吸烟所致的慢性阻塞性肺病等，使其发病率和死亡率显著增加。

第七页，共121页。哮喘合并空气贮留第八页，共121页。气道反应性可通过测定应用支气管收缩剂后气流的改变来直接评定，或者在气流阻塞患者中应用支气管扩张剂后测量可恢复的气流阻塞来间接评估。呼气流率峰值和1s最大用力呼气量(FEVl)是呼气气流阻塞中最常用的测量方法，但它们主要反映大气道的功能。在用力呼气曲线中部的呼气流率(FEF25—75)和3s最大用力呼气(FEV3)是小气道功能测量的方法，在气流阻塞者中，其结果也常属异常，但这些测量可变性很大，作用有限。

第九页，共121页。第十页，共121页。使用肺功能检查来测量可逆或不可逆的气流阻塞也由于其结果和症状间的不—致而受到限制。实际上所有的肺功能检查和测量都是综合性的，既不能表达支气管反应性和气流阻塞中可能存在的分布不均匀性，也不能对受累气道的分布和级别作出定位。此外，常规的肺功能检查不能区别由于呼气气流阻塞导致的各种生理紊乱。第十一页，共121页。必须找到一种用于慢性气流阻塞时的、可区分静态或动态气道改变的办法，从而评价气道局部的变化。HRCT是一种评价肺实质细节的成熟的技术，它能够获得小到200至300μm，相当于第7至9级细支气管的特征性的肺解剖细节。第十二页，共121页。

HRCT既清晰显示细支气管解剖细节，又可区分静态或动态气道改变第十三页，共121页。利用电子束或螺旋CT快速成像的功能，在呼吸周期中作一系列高质量的容积扫描已成为可能。根据支气管和肺在不同呼吸时相中的衰减值和形态上的改变可以评价气道，特别是小气道的功能改变，帮助作出定性和定位的诊断。

第十四页，共121页。第十五页，共121页。螺旋扫描能在一次屏气中获得大范围兴趣区的容积资料，在不同呼吸时相或不同生理状态下所获得的系列图像提供了气道结构和功能之间关系的重要信息。容积数据经过先进的算法处理后可得到重叠多平面或三维的重建，从而使支气管结构特征得以更精确地显示。当参考了病人的呼吸时相和生理状态后，由HRCT获得的定量信息可增进对造成气流阻塞多种因素的认识。第十六页，共121页。第十七页，共121页。第十八页，共121页。

一、检查技术

由于在一次呼吸过程中肺实质结构的三维位置变化可达到3cm甚至更多。此外，心脏搏动也可以使肺容积产生很大差异，特别是左肺下叶。这种心肺运动之间的密切关系和这些器官的复杂结构使正确评价气道的结构与功能变得更为困难。因此，可重复的屏气方法对肺功能性成像和对传统的肺功能检查一样都是很重要的。第十九页，共121页。理想的功能性成像是用肺量计来控制扫描机．以一定的流量或容积触发图像的采集。训练病人和使用流量—容积环以进行视觉反馈很重要，特别在测定空气贮留的视觉指标或气道管径改变时可保证呼吸状态的一致。第二十页，共121页。成像过程的最新进展已能把中央的气管、支气管树作三维切割。结合容积数据资料，先进的成像技术可确定大气道的结构参数，如支气管短缩和分支角度而这在以前是不可能在活体中明确的第二十一页，共121页。Wood等曾运用集成性半自动方法从系列的横断面HRCT图像中取得容积数据资料，以进行气管支气管树的三维提取和分析。这种方法用衰减阈值和体素大小将支气管树进行切割，可以在不同生理状态下(如吸气和呼气末时)得到的多组图像上很容易地评价气道形态和大小的动态变化。第二十二页，共121页。第二十三页，共121页。二、小气道的功能性成像肉眼不可见的小气道的功能可以通过肺衰减(Lungattenuation)及其在不同生理状态下的变化来判断。肺是由空气、软组织和血液各种独立成份组成的复合体，肺衰减可因其中任何一种成份的改变而受到影响。在解释肺衰减时，肺容积、肺血管容积、病人体位和呼吸状态的改变都要考虑在内。第二十四页，共121页。第二十五页，共121页。仰卧位时，从非下垂部到下垂部的肺衰减呈递增样，常与下垂部的灌注增加及通气减少有关，这种梯度在肺容量小的时候更明显。在呼气末正常肺表现为衰减增加，这与肺组织体素内的含气量减少有关。第二十六页，共121页。正常肺呼气末表现为衰减增加，从非下垂部到下垂部的肺衰减呈递增。第二十七页，共121页。正常肺呼气末表现为衰减增加第二十八页，共121页。第二十九页，共121页。正常肺非下垂部及下垂部密度曲线第三十页，共121页。在气流阻塞时，由于呼气性气道狭窄和气流阻力增加共同引起呼气性空气阻塞。空气贮留在CT上表现为有异常的衰减降低和较正常肺组织容积减小较少第三十一页，共121页。空气贮留第三十二页，共121页。第三十三页，共121页。由于细支气管病变的不均匀性，可导致透亮肺和正常肺交织，形成马赛克灌注(Mosaicperfusion，也称为马赛克血量减少)。可与其它产生肺小叶密度改变如慢性肺栓塞及表现为斑片状毛玻璃密度的肺实质病相混淆。但是当空气贮留时，马赛克灌注在呼气末图像上更明显，而后者在呼气末时其透亮区的密度将适度增加(并有容积缩小)。第三十四页，共121页。马赛克灌注第三十五页，共121页。Mosaicperfusion第三十六页，共121页。空气贮留的定量测定提供了有关肺实质和气道状态的重要信息。在一个图像上的HU值分布可表示为肺衰减曲线的频率分布。Rienmuller认为，曲线下＜-900HU的区域与胸内气体容积和特殊的阻力有关；参考其呼吸时相后，它是测定肺破坏及气流阻塞范围的最敏感的方法。第三十七页，共121页。第三十八页，共121页。频率分布曲线愈向左移动(即低衰减部分较大)，表示因肺气肿或呼气气流阻塞所致之肺破坏范围愈广泛。-900至-700HU之间的区域与肺活量(VC)、CO的弥散力(DLCO)及运动时动脉氧含量强烈相关。曲线向右移动（即高衰减部分较大），则反映血流增多或在间质、细胞及肺实质内的液体含量增加。第三十九页，共121页。频率分布曲线第四十页，共121页。频率分布曲线向左移动第四十一页，共121页。电子束CT(EBT)可以在50-100ms曝光后取得图像，因此可在呼吸运动时获得实时的系列图像而不会因活动而影响图像质量。虽然其技术参数随各种特殊的应用、所需的分辨率程度以及解剖区域不同而异，但在肺量计触发或同时监视下，电子束CT可在500msmm的图像。EBT也可采用心电门控以研究无搏动伪影的两下肺。第四十二页，共121页。在大多数的肺功能性成像应用中，通过上、中、下肺获得的系列图像提供了满意的肺样本。综合分析肺量计和图像资料，某一兴趣区内肺衰减的改变可作为时间、气流或肺容积的函数来测定。第四十三页，共121页。在正常人中，电子束CT研究显示，呼气时衰减的增加与肺容积的改变成比例。虽然在不同病人和不同肺区中有较大差异，但在用力呼气时平均衰减值减少200HU。第四十四页，共121页。偶尔，正常时可见累及一个次级肺小叶的局部低衰减区，特别在舌叶和下叶背段中。最大的衰减变化发生于肺的下垂部，该处肺衰减平均减少220HU，而在非下垂部平均为180HU。第四十五页，共121页。第四十六页，共121页。肺衰减减少250HU肺衰减减少仅65HU第四十七页，共121页。与此相反，空气贮留区域的肺衰减变化很小，用力呼气后平均减少100HU或更少，或随呼气呈矛盾性减少。由低的肺衰减区的分布可推测气流阻塞的部位以及累及的气道。第四十八页，共121页。第四十九页，共121页。如果空气贮留累及一侧或一叶肺，其阻塞的部位常分别为主支气管或叶支气管，这可能与支气管腔内闭塞、外压或伴有呼气性气道萎陷的管壁异常软弱有关。段或小叶的血量减少反映了横断面影像难以分辨的细支气管病变，如哮喘和缩窄性细支气管炎。第五十页，共121页。右上、中叶支气管狭窄所致上、中叶广泛空气贮留第五十一页，共121页。哮喘所致空气贮留第五十二页，共121页。全细支气管炎所致广泛、弥漫性空气贮留第五十三页，共121页。第五十四页，共121页。第五十五页，共121页。三、临床应用

动态电子束CT对一侧肺移植患者提供了唯一的评定不同侧肺功能和气管畅通状况的方法。肺移植患者的术后流量环仍是不正常的，因为它代表了原有肺和移植肺的复合功能。当用力呼气时可用肺量计门控的电子束CT明确显示支气管吻合口的通畅状况。同时，原有肺和移植肺的时间衰减曲线也可分别研究。第五十六页，共121页。健康的移植肺表现为在最初的4s内与容积—时间曲线平行的正常的衰减增加。支气管吻合口堵塞或属于排斥反应的闭塞性细支气管炎可导致肺衰减的异常。呼吸过程中伴随的衰减变化可先于其它可见的形态上的排斥改变，这可用来区别在这些病人中的细支气管病变和其它不同原因所致的肺功能降低。第五十七页，共121页。功能性电子束CT也非常适于评价生理状态下的气管和大气道形态上的动态改变。用自动跟踪程序可确定吸气和呼气末的气道横截面积。在气管软化时，气管横切面上的形态和大小在平静呼吸时多为正常，但在吸气末时气管明显变形，其横截面积也相应减少，其范围在80％至100％之间。第五十八页，共121页。许多研究者用CT研究哮喘和慢性阻塞性肺疾病患者。Lamers等用肺量计门控CT比较了慢性支气管炎和肺气肿患者于10％和90％VC时所测得的肺衰减并和正常人作了对比。肺气肿患者表现为肺衰减在两种屏气水平上均较正常人显著降低，而慢性支气管炎患者则仅在10％VC时有异常的肺衰减减少(ρ＜0.001）。第五十九页，共121页。肺气肿所致空气贮留第六十页，共121页。第六十一页，共121页。两种屏气状态下肺衰减的平均值改变在正常人中要比各种慢性阻塞性肺病患者明显为大。在10％VC的肺衰减和第1秒最大呼气量与一氧化碳弥散能力之间及90％VC的肺衰减与一氧化碳弥散能力之间都有显著相关。

第六十二页，共121页。他们提出，在肺气肿中的肺衰减减低代表了肺破坏；而在慢性支气管炎中则反映了呼气时空气贮留。此外，他们认为在气流阻塞患者中，在同一解剖层面上从10％和90％VC取得的图像足以诊断慢性气道阻塞。第六十三页，共121页。

在对无症状的哮喘患者和不吸烟的正常人的前瞻性研究中，Newman等比较了在肺基底部的CT和HRCT图像上的肺衰减，发现呼气时的平均象素指数(＜-900HU象素的百分比）在哮喘患者中明显为高。平均象素指数与肺功能参数如1s最大呼气量(FEVl)，残气量(RV)和功能性残气量(FRC)显著相关，反映了空气贮留和气道阻塞。第六十四页，共121页。哮喘所致空气贮留第六十五页，共121页。哮喘所致空气贮留第六十六页，共121页。最近Goldin等研究了一小组轻度哮喘病人和正常人，先用肺量计和螺旋HRCT作基线扫描，再用乙酰甲基胆素激发支气管后重复扫描，在FRC系列上用半自动支气管分割法测量可见的支气管的横截面积。在正常人和哮喘患者之间，在基线和用乙酰甲基胆素后支气管面积改变的百分率上有显著差异，但这种显著差异仅见于最小的可见气道中。

第六十七页，共121页。他们也比较了兴趣区在FRC和RV时基线及用乙酰甲基胆素后的肺衰减频率分布曲线，由局部标志如血管分支的类型来保证不同的图像系列中解剖关系的正确。在基线和用乙酰甲基胆素后的正常人和哮喘患者，他们的肺衰减曲线均有显著差异。在基线上正常人和轻度哮喘患者之呼气气流的测量结果是相似的，但是在功能性残气量和残气量状态下的肺衰减参数改变百分率上，哮喘患者比正常人小。第六十八页，共121页。轻度哮喘患者局限性空气贮留第六十九页，共121页。在用乙酰甲基胆素后，正常人在1s最大呼气量减少＜10％时肺衰减的相应改变很轻微，而哮喘患者FEVl减少20％-36％时，其肺衰减减少明显，这一点表现为与基线相比较的肺衰减频率分布的明显左移。在另一小组给予雾化β-2兴奋剂后，结果1s最大呼气量恢复到基线值，但病人仍有胸部发紧及呼吸困难等症状，而且肺衰减参数也没有完全恢复到基线值。如果这些观察在未来的对人类的研究中能得到支持，那么，生理性影像提供的功能性信息将有助于解决症状和传统肺功能检查中的矛盾。第七十页，共121页。第七十一页，共121页。

四、展望

在高空间分辨力下快速采集容积性影像资料，加上先进的图像处理技术提供了无与伦比的机会以探究局部肺结构和功能之间的关系。今天，传统的肺功能检查仍被用作参考标准以比较功能性成像指标。但是，肺功能检查只提供肺功能的总体指标，而生理性横断面成像能够了解局部气道的异常。第七十二页，共121页。支气管扩张的普通CT、HRCT及其空气贮留第七十三页，共121页。螺旋和电子束CT技术结合先进图像分析工具提供了更好地显示支气管解剖和呼吸生理这一复合体特征的可能。功能性成像实践的进一步发展包括：建立独立于传统肺功能检查之外的功能性成像参数之正常值，减少曝光时间以保证图像质量以及提高快速分析和显示的处理能力。第七十四页，共121页。空气贮留在两种不同呼吸时像上的CT表现及测量第七十五页，共121页。新的对比剂，例如能注射的、且能在生物体内降解的微球体(micropheres),或综合了放射性核素、磁共振、X线资料的技术有望能对灌注、通气及结构的参数作实时的采集。生理性成像将从研究工具领域持续发展为评价各种呼吸道疾病的实用技术。

第七十六页，共121页。第七十七页，共121页。五、支气管扩张的螺旋CT动态扫描螺旋CT动态扫描在支气管扩张的诊断中具有无创性、高度敏感性和特异性，不仅能够如实地描绘出支气管扩张及其空气贮留的范围和程度，而且可将空气贮留量化以初步评估病变肺的功能状况。因此，它在实际工作中已基本取代支气管造影而成为本病诊断中的首选方法。第七十八页，共121页。33例支气管扩张患者分别做深吸、呼气末全肺螺旋CT扫描以确定有无支气管扩张及计算支气管扩张积分。积分标准：全肺分为六叶，舌叶和中叶均被视为独立肺叶；根据各肺叶中支气管扩张所管辖的远端肺组织占该叶体积之百分比来进行积分。第七十九页，共121页。0分：无支气管扩张；1分：百分比≤25%；2分：百分比为25%-50%；3分：百分比>50%。每个病人积分为各层面相加后之平均数,每例之积分为其六个肺叶积分相加数，最高分18分，最低分0分第八十页，共121页。空气贮留的积分评估采用视觉评估和CT值测定相结合之方法。若深呼气时的CT值增加少于100HU认为有空气贮留。根据每个肺叶上全部空气贮留区域在该肺叶体积中所占的百分比，也采取3分制以表达空气贮留的程度。第八十一页，共121页。0分，无空气贮留区域；1分，百分比≤25%；2分，百分比为25%-50%；3分,百分比>50%。每个病人积分为其全部六个肺叶积分相加，最高18分。第八十二页，共121页。支气管扩张、空气贮留的

3分制表达第八十三页，共121页。28例病人在CT检查后一周内做了肺功能测定。包括：用力肺活量（FVC），一秒最大呼气量（FEV1），一秒最大呼气量与用力肺活量之比（FEV1/FVC），25%肺活量时最大用力呼气流率（FIF25），50%肺活量时最大呼气流率（FIF50），残气量（RV）。第八十四页，共121页。每项肺功能结果均为实际测定值与预计值的百分比。

我们分别统计了支气管扩张与空气贮留的发生率并计算了相关性，同时与肺功能结果作了对比分析。第八十五页，共121页。第八十六页，共121页。33例支气管扩张患者于深呼气末图象上有112个肺叶存在空气贮留，占全部肺叶数（198个）的56.6%；而在深吸气末时仅有26个患者的98个肺叶显示肺密度减低区。有98个肺叶存在支气管扩张（49.5%），在两种呼气时相上均得以清楚显示。各个肺叶上支气管扩张与空气贮留的发生率及其相关性见表-1。第八十七页，共121页。支气管扩张及其空气贮留第八十八页，共121页。

表1

各肺叶中支气管扩张与空气贮留的发生率及其相关性

部位支气管扩支气管扩空气贮留空气贮留二者相

张肺叶数张发生率肺叶数发生率关系数

（个）（%）（个）（%）Rn第八十九页，共121页。98个存在支气管扩张的肺叶于深呼气末时均显示有大小不等的空气贮留区（100%）。7例14个无支气管扩张的肺叶（12.5%）于深呼气末CT发现有局灶性的空气贮留。这种较小的空气贮留在深吸气末CT上未能表现出肺密度减低区或视觉评估无法判断它的存在。第九十页，共121页。支气管扩张所致空气贮留无支气管扩张的局灶性的空气贮留。第九十一页，共121页。91/98（92.8%）个肺叶的支气管扩张积分与空气贮留积分相一致；其中，1分者21个（21.4%），2分者40个（40.8%），3分者30个（30.6%）。二种积分在7个（7.2%）肺叶中不相符，但均为空气贮留积分大于支气管扩张积分。有14个肺叶存在空气贮留而无支气管扩张，其空气贮留积分仅为1分，于深呼气末时表现为局灶性的肺密度减低区。第九十二页，共121页。33例总的支气管扩张积分与总的空气贮留积分具有高度的相关性（r=0.94,P<0.001）（表-2）。

表2空气贮留积分与支气管扩张积分、肺功能指数的相关性呼气末的平均相关系数统计学意义空气贮留积分（Rn）（P）

第九十三页，共121页。第九十四页，共121页。空气贮留是指在呼气过程中全部或部分肺内保留有过多的空气。CT影象上的空气贮留常被认为是小气道病变的表现。由于扩张的支气管壁顺应性降低，致其远端的小气道通气性下降，形成阻塞性改变；因此，空气贮留虽然常见于小气道疾病如哮喘及闭塞性细支气管炎，但也可见于支气管扩张。第九十五页，共121页。空气贮留在两种不同呼吸时像上的CT表现及测量第九十六页，共121页。Hansell等曾对70例支气管扩张患者做了动态CT扫描，在有严重支气管扩张的311个肺叶中59%呼气时都有空气贮留；本组中98个有支气管扩张的肺叶中呼气时都存在空气贮留（100%）；各肺叶上空气贮留与支气管扩张的发生率基本一致，存在密切相关性。所以，此时的空气贮留被认为是支气管扩张所致。第九十七页，共121页。支气管扩张的普通CT、HRCT及其空气贮留第九十八页，共121页。长期慢性反复发作的小气道感染可累及邻近的支气管，致其管壁纤维化和顺应性降低，形成支气管扩张。Im等在48例动态呼气CT片上见到空气贮留者中85%（41例）都有支气管扩张；本组112个有空气贮留的肺叶中98个（87.5%）肺叶都有支气管扩张，各肺叶上空气贮留的发生率均较支气管扩张高；第九十九页，共121页。另有14个无支气管扩张的肺叶也见到空气贮留，占全部100个无支气管扩张肺叶数的14%。在Hansell等的406个无支气管扩张的肺叶中也见到17%有空气贮留。表明这些空气贮留可先于支气管扩张而存在，可能是细支气管的慢性粘液阻塞和/或其它各种原因引起的细支气管狭窄或闭塞所致。第一百页，共121页。支气管扩张所致空气贮留无支气管扩张的局灶性的空气贮留。第一百零一页，共121页。本组中98个病变肺叶于深呼气末影象上均可见到空气贮留。其中有91个（92.9%）肺叶的支气管扩张积分与空气贮留积分相等，其平均支气管扩张积分与平均空气贮留积分之间的相关系数为0.94，表明支气管扩张与空气贮留高度密切相关；第一百零二页，共121页。深呼气末时空气贮留的普通CT、HRCT影像比较第一百零三页，共121页。另14个有空气贮留而无支气管扩张的肺叶其空气贮留积分均仅为1分，表示它可先于支气管扩张而存在，也可以是小气道病变发展到一定程度的结果，二者相互影响，共同作用。这些患者中的小气道病变过去只能靠病理诊断，现在可以由动态CT对支气管扩张和其伴有的小气道病变的范围做出正确的判断。第一百零四页，共121页。深呼气后的CT上见到的空气贮留还能提供其它的各种检查都未被怀疑的小气道病变的线索。这些病变中包括一些固定性的气道闭锁或狭窄，如细支气管炎、闭塞性细支气管炎等；也可以是反应性的如在哮喘中的气流阻力增加等。第一百零五页，共121页。第一百零六页，共121页。小气道功能障碍主要表现为FIF25、FIF50降低和RV增高。本组中空气贮留积分与肺功能试验中的小气道功能（RV，FIF50及FIF25）具有高度相关性；Hansell等也认为空气贮留的范围与小气道功能密切相关，而与气体交换改变不存在相关性。表明支气管扩张病人的空气贮留是小气道阻塞的结果，空气贮留积分的多少可初步反映小气道功能的变化情况。