孫興國，Songshou Mao， Matthew J. Budoff, William W. Stringer，程顯聲

（1.中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院 國家心血管病中心阜外醫(yī)院 心血管疾病國家重點(diǎn)實驗室， 國家心血管疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心， 北京100037；2.美國加州大學(xué)洛杉磯分校Harbor-UCLA醫(yī)學(xué)中心，洛杉磯生物醫(yī)學(xué)研究院，圣約翰心血管研究中心，美國 加州90502）

建立正常人肺血管容量的無創(chuàng)精確測量方法的初步報告*

孫興國1,2，Songshou Mao2， Matthew J. Budoff2, William W. Stringer2，程顯聲1

（1.中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院 國家心血管病中心阜外醫(yī)院 心血管疾病國家重點(diǎn)實驗室， 國家心血管疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心， 北京100037；2.美國加州大學(xué)洛杉磯分校Harbor-UCLA醫(yī)學(xué)中心，洛杉磯生物醫(yī)學(xué)研究院，圣約翰心血管研究中心，美國 加州90502）

目的：由于傳統(tǒng)呼吸調(diào)控環(huán)路忽略了對血液循環(huán)的決定性作用，肺（靜脈）血管容量相關(guān)研究甚少，亟需建立肺血管容量測量方法。 方法： 選擇正常志愿者完成CT全肺掃描，圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過計算機(jī)軟件分析處理，從肺尖到肺底以40～50層進(jìn)行肺野手工切劃，相鄰層間由計算機(jī)自動模擬連接，在去除干擾后進(jìn)行全肺血管（≥0.6 mm）高精度三維立體成像技術(shù)處理，進(jìn)而計算全肺和肺血管容積。結(jié)果：12例正常志愿者從肺尖到肺底CT掃描圖片層數(shù)為530±98（431～841）張。全肺和肺血管的總?cè)莘e是3705±857（2398～5383）ml ，肺血管血液總的容積是125±32（94～201）ml。按肺靜脈系統(tǒng)血管容量約為全肺血管血液容量一半計算，應(yīng)該是63±16（47～100）ml。結(jié)論：肺CT掃描數(shù)據(jù)分析三維立體成像建立肺血管容量無創(chuàng)測量方法精確可行。

肺臟CT掃描；肺血管總?cè)萘浚环窝軜?；肺靜脈血管容量

傳統(tǒng)的呼吸調(diào)控中，總是借助人為地提高或降低血液中的氧分壓和二氧化碳分壓等血?dú)庑盘杹矸治銎鋵粑挠绊?。但動脈血液中的氧和二氧化碳是非恒定值，是隨著呼吸周期而周期性波動的波浪式信號[1]，這才是呼吸切換調(diào)控的主信號。在整體整合生理學(xué)醫(yī)學(xué)新理論體系對呼吸調(diào)控機(jī)制的解釋中，血液循環(huán)及其時間延遲的決定性作用，需要測定肺毛細(xì)血管后方肺靜脈血管血液的容量。但由于傳統(tǒng)呼吸調(diào)控環(huán)路對血液循環(huán)部分的忽略以及對肺循環(huán)的忽視，肺（靜脈）血管容量相關(guān)研究甚少，亟需建立肺血管容量研究精確、無創(chuàng)的分析方法。

2011年，我們首先從整體整合生理學(xué)調(diào)控角度提出了呼吸-循環(huán)一體化調(diào)控新理念[2,3]，進(jìn)而逐漸構(gòu)建整體整合生理學(xué)醫(yī)學(xué)新理論體系的基本構(gòu)架[4-9]，我們對整體整合生理學(xué)醫(yī)學(xué)體系下的呼吸調(diào)控的核心——吸呼時相切換提出假設(shè)，呼吸時相切換必須經(jīng)血液循環(huán)來實現(xiàn)，其具體假設(shè)機(jī)制是⑴肺吸氣結(jié)果經(jīng)循環(huán)終止吸氣期：吸氣期在肺部完成氣體交換的血液必須經(jīng)肺靜脈、左心房，經(jīng)左心室內(nèi)的混合血液在收縮期被射入動脈系統(tǒng)，如果此時動脈血液攜帶信號（氧氣分壓上升、二氧化碳分壓下降和氫離子濃度降低）足夠強(qiáng)，則可觸發(fā)快反應(yīng)外周化學(xué)感受器上傳信號，經(jīng)中樞神經(jīng)整合而終止吸氣動作，否則還需下一次心搏攜帶更強(qiáng)的信號才能終止本次吸氣；隨之進(jìn)入呼氣過程。⑵肺呼氣結(jié)果經(jīng)循環(huán)終止呼氣期：同上述肺吸氣終止吸氣期[7,10,11]。同時，動脈血液經(jīng)過腦動脈、腦脊液等延遲（～30 s）到達(dá)延髓背側(cè)部位的慢反應(yīng)中樞化學(xué)感受器起到穩(wěn)定呼吸的作用[7,10-11]。由于血液氧分壓、二氧化碳分壓和氫離子濃度波浪式信號必須經(jīng)過肺靜脈、左心房后，被左心室射血進(jìn)入動脈系統(tǒng)，才能傳至下游體循環(huán)主、頸動脈體部位的快反應(yīng)外周化學(xué)感受器，故左心功能決定信號的肺-動脈傳輸時間，決定呼吸的節(jié)律和頻率[1,8,12-15]。肺靜脈血管容量、左心房容量和每搏輸出量之間的關(guān)系反映血液波浪式信號的肺-動脈血液傳輸時間，所以亟需肺血管容量無創(chuàng)、精確測定的技術(shù)與方法。

本研究方法基于高清超速CT全肺野掃描（大約0.6 mm）分層成像技術(shù)，CT數(shù)據(jù)經(jīng)過專用圖像分析軟件處理，理論上可以實現(xiàn)無創(chuàng)傷精確測定全肺肺動、靜脈血管血液總的容量。選擇正常志愿者全肺CT掃描的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，探索建立全肺血管血液容量無創(chuàng)、精確測定的技術(shù)與方法。

1 對象與方法

1.1 研究對象

選擇洛杉磯南灣地區(qū)正常志愿者12例（男6例，女6例），年齡58±11（34～83）歲，身高171±8（152～183）cm，體質(zhì)量73±10（52～93）kg。

1.2 測試儀器

美國GE64層多檢測器螺旋CT掃描儀（掃描參數(shù)：探測準(zhǔn)直器40×0.626 mm，管電壓120 kVp，管電流220～670 mAs，螺距0.18～0.24，機(jī)架旋轉(zhuǎn)時間每周0.35 s，矩陣512×512，像素尺寸0.39 mm2，平均有效放射劑量10.8±1.1 (9.0～13.5) mSv[16,17]。 CT掃描的衰減系數(shù)范圍（-1024～3072 HU）[13,14]。

1.3 胸部CT全肺掃描檢查

采用美國GE64層多檢測器螺旋CT掃描儀對洛杉磯南灣地區(qū)正常志愿者12例（男6例，女6例）進(jìn)行全肺掃描肺血管三維成像，精確測定肺血管容量。檢查前訓(xùn)練患者深吸氣屏氣。掃描取仰臥位，頭先進(jìn)，不注射對比劑，從肺尖至肺底行全肺掃描。重建層厚0.6 mm，CT三維重構(gòu)體積重建算法選擇kernel B30。

1.4 胸部CT全肺掃描檢查的圖像分析處理

將CT掃描圖像傳至GE AW VolumeShare 5后處理工作站，應(yīng)用GE AW VolumeShare 5分析軟件MultiSync LCD1990SXI系統(tǒng)，3D protocols的Reformat選項，點(diǎn)選Segmentation和Rendering功能后，在Axial胸廓肺臟范圍以40～50層，手動勾畫左、右兩肺，分割縱膈和心臟及大血管；點(diǎn)選Thresholds分別設(shè)定測量下限閾值為-1024，-500 HU～ -200 HU，在Histogram的Volume Histogram分析法測量全肺各項CT指標(biāo)以曲線下面積圖示詳見圖1的A1、A2、A3和A4（圖1見彩圖頁VIII）；同時在Volume Rendering的3D采用三維成像顯示與圖A1相對應(yīng)的肺臟形態(tài)或者不同狀態(tài)的肺血管樹詳見圖1的B1、B2、B3和B4（圖1見彩圖頁VIII）。

如圖1所示，以-1024HU以上計算全肺和肺血管的總?cè)莘e是4114.49 ml，主要由兩個明顯波組成，其中圍繞-900HU左右分布?xì)鈶B(tài)的肺泡波（p波），兩波之間是低平的連接區(qū)。肺臟密度平均值－800 HU加兩個標(biāo)準(zhǔn)差（191.6），大約-500 HU左右。然后依次分別以-500、-400、-300和-200 HU為密度閾值計算容量。結(jié)果到-300 HU（3例-200 HU）左右時，b波左側(cè)下降曲線不帶有明顯上升組分，此時三維立體成像肺血管樹末梢血管軸徑大約0.6 mm，表示b波曲線下面積基本上代表大于0.6 mm肺血管和血液的容積。

1.5 統(tǒng)計學(xué)分析

實驗數(shù)據(jù)用SPSS 18.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析處理，所得結(jié)果以均值±標(biāo)準(zhǔn)差（）和范圍（低值-高值）形式表示。

2 結(jié)果

正常志愿者一般信息、CT掃描及肺容量和肺血管容量詳見表1。

全肺和肺血管的總?cè)莘e是3705±857（2398～5383）ml ，肺血管容量為126±32（94～201）ml,因為同級的肺動靜脈血管管腔腔徑相差不大，所以將同一個志愿者測得之肺血管血液容量除以2，相當(dāng)于肺靜脈血管血液容量，所得肺靜脈血管血液容量為63±16（47～100）ml。

Tab. 1 Normal subjects’ informaon, lung CT images, lung volume and pulmonary vascular blood volume

Tab. 1 Normal subjects’ informaon, lung CT images, lung volume and pulmonary vascular blood volume

Pulmonary venous volume(ml) V.VF5816879480332110151 S.SF651656651240219648 C.EF511525249640319447 D.SF3416879480239812964 C.JF5217073500280610653 G.BF6616573512363711256 S.SM541706352031039648 P.JM65175755445286201100 P.MM5717879841321612562 D.LM8318070504538312462 B.NM5218393544360415678 G.MM541787943136531658358±11171±873±10530±983705±857125±3263±16 Range （Min-Max）34-83152-18352-93431-8412398-538394-20147-100 SubjectGender (M/F) Age (yr.) Height (cm) Weight (kg) # images (n) Lung volume（ml）Pulmonary vascular blood volume（ml）

3 討論

3.1 技術(shù)方法學(xué)建立

本研究通過回顧分析傳統(tǒng)全肺野CT掃描檢查，經(jīng)肺臟CT圖像分析處理建立肺臟、肺血管容量和肺血管樹三維成像技術(shù)。

3.2 本技術(shù)方法無創(chuàng)、精確、可行

全肺野CT掃描數(shù)據(jù)手工勾畫雙肺40～50層，經(jīng)三維圖像處理軟件處理后，可以清楚顯示排除p波（肺氣態(tài)容量）影響的b波（肺血管血液容量）線下面積，實現(xiàn)肺血管容量的無創(chuàng)、精確測定。同時，三維成像功能還可以把精確測定的肺血管樹清楚地顯示出來（表1，圖1，圖1見彩圖頁VIII）。說明此技術(shù)方法可操作性強(qiáng)。

3.3 方法的局限性

雖說三維立體成像技術(shù)能夠顯示出肺及肺血管形態(tài)，經(jīng)專用圖像分析軟件處理數(shù)據(jù)能測定全肺肺動、靜脈血管血液總的容量，但這和每個個體實際的肺容量和肺血管容量肯定還是有一些差別的。

另外，本實驗的正常志愿者雖然都沒有臨床診斷的心、肺、代謝等重要系統(tǒng)疾病，但是志愿者年齡偏大，并不一定都是健康人，可能會對試驗結(jié)果有一定的影響，我們下一步還將繼續(xù)招募健康志愿者，進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

結(jié)論： 盡管全肺野CT掃描檢查再經(jīng)圖像數(shù)據(jù)軟件分析測量肺血管容量技術(shù)與方法還有其局限性，但是卻能夠?qū)崿F(xiàn)無創(chuàng)傷、精確、客觀、定量地計算，因此可以為呼吸調(diào)控中血液循環(huán)運(yùn)輸血液信號的時間進(jìn)行計算分析，以證實血液循環(huán)在呼吸調(diào)控中決定性的核心作用。同時，由于不需要造影劑，可以在需要時進(jìn)行連續(xù)掃描，從而實現(xiàn)肺血管容量動態(tài)變化方面的研究觀察。

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Preliminary reports of noninvasive accurate method to measure pulmonary vascular capacity in normal volunteers

SUN Xing-guo1,2，MAO Song-shou2, BUDOFF MJ2, STRINGER WW2, CHENG Xian-sheng1

(1. State Key Laboratory of Cardiovascular Disease, Fuwai Hospital, National Research Center of Clinic Medicine for Cardiovascular Diseases, Chinese Academy of Medical Sciences and Peking Union Medical College, Beijing 100037, China; 2. Los Angeles Biomedical Research Institute at Harbor-UCLA Medical Center, University of California at Los Angeles, St. John’s Cardiovascular Research Center, California 90502, USA)

Objective: Because the traditional loop of breathing control and regulation ef f ect on blood circulation, there was rare study of pulmonary vein capacity.We need a noninvasive and accurate pulmonary vascular capacity measurement and analysis method. Methods: Twelve normal volunteers were performed a total lung CT scan, image data analysis processing by computer soware, the whole lungs from the apex to the base of lung with 40～50 layers by hand-cut, the connection between adjacent layers automatically by a computer simulation, the full pulmonary vascular (≥0.6 mm) were treated by high-accuracy three-dimensional imaging technology aer removing the interference, and then calculate the whole lung and pulmonary vascular. Results:e whole lung of the 12 normal volunteers from the apex to the base of lung CT scan image layers was 530±98(range, 431～841).e total capacity of lung and pulmonary vascular blood was 3705±857(range, 2398～5383)ml, and the total volume of the pulmonary vascular blood was 125±32(range, 94～201)ml.e pulmonary vein vascular blood volume was 63±16(range, 47～100)ml. Conclusion:e method of measuring the three-dimensional imaging of pulmonary vascular capacity by analyzing lung CT scan data is available and accurate.

lung CT scan；total capacity of the pulmonary vascular；pulmonary vascular tree；pulmonary vein blood volume

R331

A

1000-6834 (2015) 04-326-004

＊ 【基金項目】國家自然科學(xué)基金醫(yī)學(xué)科學(xué)部面上項目（81470204）；國家高新技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)課題(2012AA021009);中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院國家心血管病中心科研開發(fā)啟動基金（2012-YJR02)

2015- 06-05

2015-07-05

△【通訊作者】Tel： 010-88398300 ；E-mail： xgsun@labiomed.org