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如何探求左右双肺或每一个肺叶的功能性参数？
阅读：678 发布时间：2020/4/29
肺是行使呼吸、进行气体交换的重要器官，而肺功能是判断肺脏和呼吸系统健康与否的一个关键指标之一，可以用来评估肺气肿、慢阻肺(COPD)、哮喘、间质性肺炎等疾病模型，在临床和临床前的动物模型研究中都具有重要的意义。传统的肺功能测量主要依靠肺功能测定仪，可以很便利的得到潮气量、功能余气量、气流量、气道阻力/顺应性等经典参数，从而判断出观察对象肺的功能性是否健全。不过细心的小伙伴肯定发现了，传统的测量方法只能笼统的测出全肺的总体肺功能参数，如果想探求左右双肺甚至是每一个肺叶的功能性参数，肺功能测定仪就显得捉襟见肘了。
那么要如何满足这一“吹毛求疵”的要求呢？
小动物活体microCT堪当此任
大家都知道，肺部由于充盈着空气因此几乎不对X射线有任何吸收，因此在CT成像中与周围的组织和骨骼之间表现出非常明显的明暗对比。当肺部发生病变，如肺炎、肺纤维化、肺癌等，本来应该充盈空气的组织则会被免疫细胞、纤维化组织或者肿瘤细胞占据，从而导致影像的灰度上升。通过软件进行重构和阈值分割，很容易得到肺中空气的体积——也就是能够行使肺部功能的正常肺组织体积。通过此法即可方便的监测疾病的进程和治疗的效果。
进一步，通过在活体状态下对肺的呼吸进行动态的门控拍摄，我们可以得到比肺容积更有用的参数。珀金埃尔默的回顾性呼吸和心跳门控，可以实现在一次4min的成像过程中，无延迟的进行连续成像。成像过程同时伴随着呼吸节律的采集(如图一)，可以将每一帧原始图像对应上呼吸相应的时间戳，即可将呼吸的每一个过程都记录下来，进而得到每个时间点的肺容积。
图一 回顾性呼吸门控原理
利用软件进行阈值分割后，可以将左肺和右肺的参数分别进行统计。如下图是一只健康小鼠肺部断层和3D重建后的体渲染图，左侧显示了典型的两个呼吸时间点——吸气末期和呼气末期肺的状态。能够看到两个时间点之间，由于空气含量不同，肺的体积和平均密度均有显著的差异。通过这两个时间点，即可得到功能余气量(FRC)和潮气量(VT)。再通过每一个时间点的容积和相邻时间点之间的容积差ΔV，即可得到容积(V)-时间(t)、流量(ΔV)-时间(t)和流量-容积环图等功能性曲线。可以看到，健康小鼠的双肺功能健全，不论是肺容积和流量变化均显示出完美的一致性。
图二 健康小鼠肺容积与流量示意图 (左：呼气末期和吸气末期的冠状面断层与3D体渲染图；中：容积(V)-时间(t)、流量(ΔV)-时间(t)曲线；右：流量-容积环图；黑色实线：全肺参数；蓝色虚线：右肺数据；绿色虚线：左肺数据)
那么当肺部发生病变时，我们即可从上述这些功能性参数上看到明显的改变。下图则是经过弹性蛋白酶气管滴注后的疾病小鼠，通过该造模方式，可以诱导小鼠发生肺气肿。肺气肿小鼠的肺部弹性降低，肺回弹无力降低导致吸气时的空气滞留于肺泡内，导致肺泡过度膨胀甚至破裂。通过microCT监测，能够将双肺的功能性差异一览无余，我们能够通过容积和流量随时间的变化曲线看到左肺(绿色虚线)的气体交换能力明显受损，在断层图中也可见左肺一直充盈空气且几乎没有体积变化。比较双肺的流量-容积环能够看到，相对于健康肺来说，左肺的潮气量和顺应性降低，肺的呼吸功能只能依靠右肺勉强维持。
图三 肺气肿小鼠肺容积与流量示意图 (左：呼气末期和吸气末期的冠状面断层与3D体渲染图；中：容积(V)-时间(t)、流量(ΔV)-时间(t)曲线；右：流量-容积环图；黑色实线：全肺参数；蓝色虚线：右肺数据；绿色虚线：左肺数据)
通过上述的介绍，我们不难发现，基于microCT可以快速对全肺和局部的肺组织进行各项功能性参数的测量。借助机械呼吸机和胸内压的测量，还可以无创地得到肺的顺应性和气道阻力等衍生参数，从而全面的对肺功能进行完整评估，揭示肺部疾病病理变化的组织不均一性。珀金埃尔默的QuantumGX2快速活体microCT利用高帧数高灵敏度的CMOS平板探测器能够兼顾时间与信噪比，可在活体水平对模型进行连续时间点的长时间观测，是评估肺部病理生理变化经济且高效的工具。