基于CALIPER软件的胸部CT定量分析：COVID-19肺炎中不同口径血管相关结构与呼吸支持强度及气体交换受损的关联

《Methods and Protocols》：Quantitative Analysis Using CALIPER Software of the Vascular Component on Chest CT Scans in COVID-19 Pneumonia

　　

背景：COVID-19相关肺炎具有广泛的严重程度谱。内皮损伤是该病的突出组成部分，但不同大小血管对该状态的相对贡献尚未得到充分研究。定量CT是评估肺血管受累的潜在工具。目的：使用计算机辅助肺病理评估与评级软件（Computer-Aided Lung Informatics for Pathology Evaluation and Rating, CALIPER）研究不同严重程度COVID-19相关肺炎中不同大小血管的相对贡献。方法：研究人员开展单中心回顾性研究，纳入2020年3月至4月比萨大学医院收治的COVID-19相关肺炎患者。排除严重运动伪影、CALIPER分割不充分或病因确认不确定的患者。所有CT扫描均使用CALIPER分析，该软件自动分割肺实质和血管相关结构（vascular-related structures, VRSs）。VRS体积按血管横截面积分层（<5 mm²、5–10 mm²、11–15 mm²、16–20 mm²和>20 mm²）。结果：研究人员分析258例患者。观察到横截面积至20 mm²的VRS百分比增加与需要较低强度护理和较好气体交换相关。>20 mm²的VRS百分比呈相反趋势。结论：这些数据为COVID-19患者气体交换受损中不同大小血管受累提供了新信息。CALIPER是研究肺血管结构的有前景应用。

研究背景：COVID-19相关肺炎的临床表现高度异质，可从无症状感染至危重症，危重症可包括急性呼吸窘迫综合征（acute respiratory distress syndrome, ARDS），并常伴休克和多器官衰竭。病毒进入下呼吸道后，通过刺突蛋白与血管紧张素转换酶2受体结合，触发炎症反应，可能进展为细胞因子风暴并造成肺内外损伤。内皮损伤的机制尚不完全清楚，但免疫组织化学证实内皮细胞内存在刺突蛋白，荧光原位杂交证实存在病毒核糖核酸；尸检可见套叠性血管生成显著，其特征为跨越血管腔的套叠柱状微结构。内皮损伤参与血管重塑、微血栓形成和肺灌注受损，导致通气–灌注不匹配和低氧血症，甚至可在无呼吸困难时出现“沉默性低氧”，且肺灌注与肺泡氧合的不匹配似乎与整体肺损伤程度不成比例。胸部CT是评估COVID-19肺炎病程和严重程度的重要影像工具，但常规胸部CT难以清晰表征肺炎期间的血管变化，尽管可检测到血管扭曲包括血管扩张。定量CT有潜力克服这一局限。既往研究显示血管异常与更严重病程相关，且诊断时定量CT与后续随访肺功能量计变化显著相关。在间质性肺疾病（interstitial lung disease, ILD）领域，CALIPER显示血管相关结构（vascular-related structures, VRSs）与ILD累及肺实质总体积等疾病标志物强相关。Romei et al. 用CALIPER分析COVID-19患者胸部CT的VRSs，发现VRS百分比增加与呼吸支持需求和院内死亡风险所评估的疾病严重程度显著相关，提示CALIPER可成功研究肺血管成分且无需碘对比剂。然而，不同大小血管的相对参与仍不清楚。基于此，研究人员假设按血管横截面积分层分析可更好解析血管成分在重症呼吸衰竭机制中的作用，并比较VRS总体负荷及各横截面积类别比例与两个临床严重程度指标：住院期间最高呼吸支持水平和最低记录PaO₂/FiO₂。
关键技术方法：该研究为单中心回顾性研究，样本队列来源于2020年3月1日至4月30日意大利比萨大学医院急诊科连续收治的COVID-19肺炎患者，诊断依据非增强胸部CT和鼻咽拭子实时聚合酶链反应（real-time polymerase chain reaction, RT-PCR）。排除年龄<18岁、CT不可用或技术原因不适宜（多为严重运动伪影）及缺乏确定病因诊断者。最终258例纳入分析。CT于入院72 h内完成，CALIPER自动分割肺实质和VRSs，并按横截面积分为≤5 mm²、>5–≤10 mm²、>10–≤15 mm²、>15–≤20 mm²和>20 mm²，较大肺门血管自动排除；各类别血管体积以总血管体积百分比表示。临床结局包括院内死亡和最高呼吸支持水平（无支持、氧疗、无创通气（non-invasive ventilation, NIV）或有创通气（invasive ventilation, IV））；PaO₂/FiO₂最低值（PaO₂/FiO₂nadir）按ARDS全球定义阈值分类：≤99 mmHg、100–199 mmHg、200–299 mmHg和≥300 mmHg。连续变量以中位数[四分位距（interquartile range, IQR）]表示，采用Kruskal–Wallis检验及Dunn多重比较事后检验，报告多重校正p值。
研究结果：研究人群初筛313例，排除55例后258例纳入统计；研究期间观察到52例死亡（20%）。呼吸支持类别包括32例未接受补充氧、138例氧疗、81例NIV或IV，7例信息缺失。
3.1 VRSs与呼吸支持（VRSs and Respiratory Support）：通过按最高呼吸支持水平分层比较VRSs百分比，研究发现≤5 mm²的VRSs百分比较高与较轻疾病相关；在未需补氧、氧疗及NIV和/或IV患者间比较，≤5 mm²的VRSs百分比差异有统计学意义。类似地，横截面积6–10 mm²、11–15 mm²和16–20 mm²的VRSs百分比较高均一致与更少重症患者相关。相反，>20 mm²的VRSs百分比随临床严重程度增加而升高。因此，横截面积至20 mm²的VRSs百分比增加与需要较少呼吸支持或较低护理强度相关，而>20 mm²的VRSs百分比呈相反趋势。
3.2 VRSs与血气交换（VRSs and Blood Gas Exchange）：通过按PaO₂/FiO₂nadir分类比较VRSs百分比，研究发现至20 mm²的VRSs百分比较高与较轻疾病相关。≤5 mm²的VRSs百分比较高见于PaO₂/FiO₂nadir>299 mmHg患者，并与PaO₂/FiO₂nadir<100 mmHg及100–199 mmHg患者显著不同。6–10 mm²、11–15 mm²和16–20 mm²的VRSs百分比增加与较高PaO₂/FiO₂nadir相关，组间有多个统计学显著差异。相反，>20 mm²的VRSs百分比增加与较低PaO₂/FiO₂nadir相关。
讨论与结论：研究目的是利用定量CT分析软件更好表征COVID-19相关肺炎的血管损伤。按血管横截面积分层后，以最低PaO₂/FiO₂和最高呼吸支持强度表示的严重程度增加，与5–20 mm²各血管尺寸类别VRSs百分比降低相关；而>20 mm²较大血管相关VRSs百分比随疾病严重程度增加。由于类别特异性结果以总血管体积百分比表示，某一类别百分比较小可伴另一类别百分比较大，即使绝对血管体积无成比例变化；因此观察到的模式应解释为CT衍生VRSs相对分布变化，而非小血管消失或大血管数量增加的直接证据。呼吸支持与气体交换类别的平行趋势支持关联的一致性，但二者均反映临床严重程度，不能提供独立因果证据。肺高血压的特征是外周血管结构扭曲和/或狭窄，影像学描述为“pruning”；数据与COVID-19相关肺炎因已知血栓炎症现象造成直接血管损伤、导致较小血管尺寸减小的假说一致。肺血管阻力增加继而导致右心室功能障碍，并与内皮损伤共同导致肺淤血和液体外渗，这很可能解释本研究和既往未按大小区分VRSs的研究中观察到的>20 mm² VRS比例增加。Dierckx et al. 采用三维重建方法定量分析COVID-19患者CT，虽血管分割不同，但其结果显示需氧≥2 L/min患者中横截面积<5 mm²血管比例降低，与本研究数据一致。急性肺炎中VRSs的CT表现可能受灌注、血管口径和周围肺实质变化影响；本研究不能区分这些可能性，也不能识别所测结构是动脉、静脉还是邻近非血管组织，因此与Dierckx et al. 的一致性仅在共享影像模式层面具有信息价值，分割方法差异限制数值类别直接比较。研究局限包括回顾性设计、单中心、仅能显示关联而不能确立因果关系、CALIPER原非为肺血管开发可能纳入血管周围结构，以及测量时间限制：CT在入院72 h内完成，而呼吸支持按全程最高水平分类、气体交换按最低记录比值分类，变量不一定同时测量，故早期CT发现与后期或同期临床测量之间的关联不应视为前瞻性预测性能；研究也未检验VRS类别是否在其他临床或CT特征之外增加信息，需在独立队列中评估。研究结论翻译：尽管存在这些局限，研究数据仍为不同大小血管参与COVID-19患者气体交换受损提供了新信息，并进一步提供CALIPER用于血管结构研究的潜在应用证据；将VRSs分类为不同类别也可能成为其他医学领域（如肺高血压）研究肺血管成分的有用工具；需在感染不同病毒变异株或不同来源病毒性肺炎患者中获取更多数据，以进一步细化这些观察。