- 中華影像醫學·呼吸系統卷（第3版）
- 劉士遠 郭佑民主編
- 4876字
- 2021-12-17 23:35:51
第三節 呼吸系統疾病定量測量技術與應用
【概述】
在過去的20年里，關于定量影像學（quantitative imaging）在呼吸系統疾病中的應用引起廣泛關注。定量影像學通過從影像圖像中提出可量化指標，并用生物信息學的手段從這些可量化指標中獲得疾病的診斷、分級、預測、評價，以及細胞生物及分子生物學信息。在此過程中包含了數據閱讀、圖像分割、特征提取、統計分析、數據展示等諸多環節。然而，從圖像中提取所有的定量指標仍然是比較困難的。
近年來，定量影像學在呼吸系統疾病中的應用不斷深入和廣泛，通過對胸部容積數據進行三維分割和定量顯示，能夠獲得肺實質、肺間質、肺血管和支氣管等多種定量參數（圖1-3-1），而這些參數對于描述疾病的診斷、分型、進展、預測和轉歸，為呼吸系統疾病的評價系統提供新的評價技術手段。目前應用領域包括：孤立性肺結節、慢性阻塞性肺疾病、哮喘、肺栓塞、間質性肺疾病、肺腺瘤樣畸形、支氣管異物等的定量評價。
圖1-3-1 肺部組織結構的立體影像學
計算機自動提取的肺組織結構：全肺的前面觀（A）；肺葉的前面觀（B）；肺段的前面觀（C）；肺血管的前面觀（D）；肺葉間裂的前面觀（E）；肺動脈的前面觀（F）
【臨床應用】
1.慢性阻塞性肺疾病
慢性阻塞性肺疾病臨床存在異質性，而這樣的異質性僅依靠肺功能檢查很難體現。然而，使用定量CT技術能夠顯示支氣管及肺實質的結構差異，例如肺氣腫定量測量、支氣管測量、血管測量等。目前，CT定量技術并沒有常規用于臨床流程中，然而可用于慢性阻塞性肺疾病、哮喘等疾病的壓型分型及治療方案的制訂。
（1）肺密度測量：
通過對慢性阻塞性肺疾病患者吸氣相和呼氣相肺密度的測量，能夠反映肺實質的病變，例如肺氣腫定量測量。吸氣相掃描時，以CT值低于-950HU為界值定義低密度減低區，此區域即為肺氣腫的區域。利用這種密度閾值的檢測方法，能夠對慢性阻塞性肺疾病患者進行肺氣腫的定量測量。魏霞等使用這種密度閾值法對慢性阻塞性肺疾病患者肺氣腫范圍進行定量測量（圖1-3-2），結果發現，FEV1<1L和肺氣腫定量>20%是慢性阻塞性肺疾病患者發生二氧化碳潴留的危險因素。
圖1-3-2 COPD（Ⅱ級）
患者男性，60歲，胸部CT冠狀位（A）可見兩肺多發類圓形透光區，以-950HU為判斷肺氣腫的閾值，自動分割得到各個肺葉的肺氣腫分布圖（B），以不同顏色標注，并定量計算并給出表格（C），顯示全肺、右肺、左肺及各個肺葉的肺氣腫體積、肺氣腫百分比、平均氣腫密度、第15%的肺密度值（PD15）及異質性
然而，使用密度閾值的方法難以分清氣體潴留和肺氣腫。目前，吸呼氣掃描容積的非剛性配準克服了這種限制（圖1-3-3），因為它允許每個體素的雙相表征，對空氣潴留有更精確的量化（圖1-3-4）。
這種定量測量的方法命名為PRM（parametric response mapping），利用肺密度的聚類分布圖來區分正常肺組織、氣體潴留區域和肺氣腫。金晨望等通過PRM方法發現，無癥狀青年人群中存在不同程度空氣潴留。PRM法不僅所測定空氣潴留、肺氣腫參數值與肺功能的相關性均高于常規閾值法。且可將GOLD分級一致的慢性阻塞性肺疾病患者，進一步分為小氣道病變為主、肺氣腫為主和混合三種亞型（圖1-3-4），為慢性阻塞性肺疾病診斷提供影像學表型，為臨床診療提供輔助決策。
（2）氣道測量：
氣道的定量測量包括對支氣管樹的提取和三維顯示（圖1-3-5）。對支氣管定量最認可的方法是依照支氣管級數來定量測量。5級以上支氣管的直接測量相對準確度高。直接測量包括管腔直徑和面積、壁厚和管壁面積、管壁的相對面積（管壁的面積與管腔面積之比）和氣道壁密度（圖1-3-6、圖1-3-7）。氣道測量指標還包括氣道內周長為10mm時管壁的厚度（hypothetical airway with internal perimeter of 10mm，Pi10），它是通過繪制每一個體氣道管壁面積平方根的內周長圖，利用回歸線得到任意個體周長為10mm時的管壁面積的平方根。在實際應用中，氣道的參數還是會受到患者吸氣呼氣狀態、肺容積、年齡、有無炎癥反應等多因素的影響，因此，氣道測量的臨床應用仍然還是需要大量研究來證明其可重復性和測量準確性。
圖1-3-3 呼吸期雙相配準模型在慢性阻塞性肺疾病分期中的不同表現
上排是根據下排CT圖像的CT值獲得的偽彩圖，其中A為慢性支氣管炎患者，B～E分別是Gold1～4級慢性阻塞性肺疾病患者，黃色區域代表空氣潴留，紅色區域代表肺氣腫，綠色區域代表正常肺組織。隨著疾病分期的增加空氣潴留范圍逐漸增加，而正常肺組織范圍逐漸減少
圖1-3-4 呼吸期雙相配準模型在GOLD2分期慢性阻塞性肺疾病患者中的表型差異
相同慢性阻塞性肺疾病分級患者，影像學表型分為：肺氣腫為著型（A，紅色區域居多）；混合型（B，紅色區域和黃色區域兼有）；空氣潴留為著型（C，黃色區域居多）
圖1-3-5 女性支氣管提取及測量
女性，72歲的支氣管骨架提取（A）；女性，26歲的支氣管骨架提取（B）。女性隨著年齡增長，支氣管呈現出管壁增厚，管腔狹窄的趨勢
李艷等通過對359例慢性阻塞性肺疾病患者CT數據進行定量分析，結果發現：女性慢性阻塞性肺疾病患者較男性患者支氣管管壁更厚，管腔更細，且FEV1%pred更低。這一結論從一定程度上揭示了慢性阻塞性肺疾病女性患者較男性患者肺功能更差，癥狀更重的原因。
（3）血管測量：
血管測量對于肺部定量測量是有困難的。對于肺血管容積的定量測量也有助于了解肺疾病形態和生理之間的關系。有研究者使用肺血管與支氣管之間的比較來描述肺血管的變化，發現吸煙者兩者之間比例縮小，可能與吸煙者肺血管體積縮小有關（圖1-3-8）。
于楠等通過對胸部CT平掃數據進行血管分割及三維定量，測量支氣管周圍單位面積內肺血管數量及橫截面積，觀察慢性阻塞性肺疾病患者肺小血管的變化（圖1-3-9、圖1-3-10）。結果發現，第五級肺血管的數量與肺氣腫定量呈負相關（ R=-0.738， p=0.000），而與一氧化碳彌漫量（carbon monoxide diffusing capacity，DLCO）呈正相關（ R=0.770， p=0.003）。這一研究顯示對慢性阻塞性肺疾病患者的肺血管觀察是可測量、可定量的（圖1-3-8）。
圖1-3-6 支氣管的測量
女性，68歲，CAD三維分割支氣管骨架圖（A），通過對支氣管參數的計算發現測量點的子代支氣管內直徑和大于其母代支氣管內徑的平均值（B），對所測量點支氣管參數即時顯示在旁邊的表格內（C）
圖1-3-7 支氣管擴張
女性，66歲，基于數字肺分析平臺，在軸位（A）及冠狀位（B）重建圖上，支氣管被標注為紅色，提取三維分割支氣管骨架（C），經過自動檢測，自動標注支氣管擴張部分（使用紅色標注，D），顯示右肺上葉尖段、右肺中葉內側段、右肺下葉內基底段、左肺上葉尖后段及左肺舌葉多發支氣管擴張，測量點的支氣管測量結果（E）顯示該點擴張的位置、程度等參數，測量點放大圖（F）顯示支氣管壁增厚
圖1-3-8 非吸煙男性與吸煙男性肺內血管體積比較
A～C為非吸煙者，D～F為吸煙者的血管三維圖片，吸煙者肺內血管體積較非吸煙者血管體積大，以雙下肺為著
圖1-3-9 慢性阻塞性肺疾病患者測量血管的方法
通過對選定層面（A）圖像的二值化處理，提取肺血管（黑點，B），最終保留具有橫截面，并量化滿足該橫截面內面積≥5mm 2的血管（C）
圖1-3-10 慢性阻塞性肺疾病患者測量血管的方法
首先提取肺血管骨架與支氣管骨架（A），選定左肺上葉尖后段支氣管第9代，測量支氣管周圍單位橫截面積內血管數量（B），通過定量測量得到視區血管總數量為9支，視區血管總面積為25.24mm 2（C），并對支氣管進行曲面重建，顯示支氣管內腔橫截面積為0.79mm 2
2.肺栓塞
肺栓塞是高致死率疾病，而有效及時的治療能夠降低死亡率。然而其診斷往往因為臨床癥狀不典型而忽視。CT肺動脈造影（computed tomography pulmonary angiography，CTPA）是肺栓塞的診斷方式。但圖像數量多，栓子形態不典型時，閱讀者可能由于閱讀的疲勞發生漏診。因此使用肺栓塞的自動檢測是具有一定價值的。CT定量技術除了能夠對栓子進行檢測外，還能夠對栓子的立體結構進行描述和測量（圖1-3-11，圖1-3-12）。
沈聰等利用CAD技術檢測栓子的栓子總體積（V）、栓子附壁長度總和（L）、栓子最大栓塞程度總和（D）、栓子總數（N）。基于以上參數，使用神經網絡模型神經網絡模型（neural net model，NNM）與多元線性回歸（multiple linear regression，MLR）模型評價急性肺栓塞嚴重程度。
然而，對于那些位于亞段或亞段以下的栓子，CTPA容易漏診。能譜CT基物質圖能夠通過增強掃描時肺組織內碘含量的不同來反映血流動力學的改變。栓塞發生時，栓塞區無血流或血流減少，碘基值下降。而肺栓塞時由于肺血流動力學異常引起的肺密度改變也可以作為間接反映灌注缺損區的方法。
圖1-3-11 肺栓塞的自動檢測模型
CTPA冠狀位（A）顯示肺動脈內充盈缺損，CAD自動檢測并標記栓子（B），3D圖像（C）能夠清楚地顯示肺動脈及栓子，所有栓子的定量測量結果即時顯示在旁邊的表格內（D）
圖1-3-12 肺栓塞檢測模型及栓子檢測指標示意圖
急性肺栓塞患者基于CAD自動檢測肺動脈栓子（A、B），并同時計算栓子的體積、最大附壁長度及最大阻塞橫截面積（C）
3.間質性肺疾病
ILD的CT表現中征象多樣，觀察者主觀性強，而定量影像學的使用恰恰能夠彌補這樣的缺陷。使得不同觀察者或同一觀察者的不同時期觀察結果更加具有統一標準。甚至定量影像技術能夠發現一些肉眼不能觀測到的變化和征象。然而對ILD的檢測難度在于病變多樣，征象復雜，不能像肺氣腫那樣依靠肺密度閾值進行簡單的區分疾病區域和正常區域。
無論何種原因導致的ILD發展到一定階段常伴有肺體積與肺密度的改變。例如，纖維化病灶導致肺體積的縮小，肺密度的升高。因此，可以通過肺體積和肺密度的改變一定程度上反映ILD的進展（圖1-3-13，圖1-3-14）。然而對于ILD的檢測仍然存在諸多問題，例如呼吸狀態對肺體積的影響，CT圖像質量對檢測結果的影響。且對于肺纖維化程度的描述不能用單一參數描述，這也限制了它的臨床實用性，而對于特發性纖維化的疾病嚴重程度評價也只是在臨床研究階段。
圖1-3-13 肺葉的分割及測量
男性，62歲，正常健康體檢者。基于數字肺平臺，在軸位（A）、冠狀位（B）及矢狀位（C）上分割肺裂（紅色線、綠色線）后，依照葉間裂結果分割肺葉（D），并測算各肺葉的定量參數（E）
圖1-3-14 不同程度ILD肺體積比較
A～C為男性，40歲，結締組織相關性間質性肺疾病，按照Ashcroft 8級及Jacob 4級評分法肺間質中等程度纖維化，肺泡結構無明顯破壞，為3分，輕度病變。定量測量顯示全肺容積3 840.19ml，全肺容積未明顯縮小，肺密度改變不顯著，全肺肺氣腫容積及占比明顯增大。D～F為男性，62歲，UIP。按照Ashcroft 8級及Jacob 4級評分法肺組織結構破壞，明顯纖維化，纖維團灶狀增生，為5分，中度病變。病變累及1／3～2／3肺泡間隔和細小支氣管周圍肺間質，雙肺下葉體積縮小約20%～40%，雙肺上葉容積代償性增大約20%～30%。G～I為男性，65歲，IPF。按照Ashcroft 8級及Jacob 4級評分法肺泡間隔嚴重破壞，伴蜂窩肺形成，為7分，重度病變。病變累及大于2／3的肺泡間隔和細小支氣管周圍肺間質，雙肺下葉體積縮小約30%～50%，全肺容積縮小約38%。全肺密度升高，雙肺下葉明顯，全肺肺氣腫容積及占比增大，雙肺上葉明顯
4.肺結節
目前，定量影像技術在肺結節診斷中應用廣泛。以往對肺結節的評價主要依靠對形態學的描述，而定量影像學技術能夠獲得肺結節更多的定量信息（圖1-3-15）。
圖1-3-15 肺結節自動識別及定量分析
女性，77歲，右肺下葉周圍型肺癌。胸部CT肺窗（A）可見左肺下葉一不規則結節影，周圍可見毛刺征及淺分葉；基于“數字肺”肺結節自動分割工具，可以顯示肺結節與周圍血管的關系（B）；分析結節內成分，結果顯示該結節體積為11ml，平均直徑2.81cm，最大直徑3.26cm，平均密度29.96HU，最大密度326HU（C），并可見顯示肺結節的密度直方圖，根據檢測的信息綜合判斷給出診斷建議（D）
雖然，定量影像學發展迅速，然而我們也越來越意識到其中仍存在很多亟待解決的問題。
（1）影像數據同質化問題：在前期研究中發現，影像數據掃描設備不同、掃描參數不同、重建方式不同、是否使用迭代算法都會影響定量測量結果。而如何使不同數據來源標準化是需要關注的技術問題。
（2）訓練樣本不盡相同，由于用于訓練的樣本依賴于醫生對其明確診斷，因此醫生的診斷水平很大程度上影響了用于訓練的樣本。
（3）影像定量指標獲得數據的臨床應用問題：定量影像學能夠獲得大量數據，而如何解釋和運用一個數據或者幾個數據解釋臨床問題，評估亞型、嚴重程度、疾病風險預測和治療方法指導都是需要探索和規范的問題。
（4）基于AI技術的數據挖掘過程與醫生診斷過程完全不同，這樣的“黑匣子”無助于醫生的培養。
（5）用于訓練樣本的大量數據來源的合法性、合規性也是我們需要探討的。
（郭佑民 于 楠）