使用超极化129Xe MRI量化限制性和气道疾病中重力依赖与非重力依赖的通气分布

《Frontiers in Physiology》：Quantifying gravity-dependent and gravity-independent ventilation distribution by hyperpolarized 129Xe MRI in restrictive and airway diseases

　　

理由：超极化¹²⁹Xe MRI可用于量化通气异质性。射频偏置场校正方法已被证明能够在健康个体中保留生理性通气梯度。在本研究中，研究人员检验了以下假设：特发性肺纤维化（idiopathic pulmonary fibrosis, IPF）和肥胖哮喘患者的重力依赖及非重力依赖通气分布梯度会恶化。

方法：研究人员使用传统的N4ITK方法和射频（radiofrequency, RF）偏置场校正方法，分析了数据库中三维超极化¹²⁹Xe MRI（HPXeMRI）通气图像。研究人员将肺区域等分为尖段/中段/基底段（非重力依赖）和前段/中段/后段（重力依赖）三个隔室。研究人员对每个隔室内的通气信号取平均，并计算基底段与尖段之间（ΔV?/V?_B-A）以及后段与前段之间（ΔV?/V?_P-A）的通气差异。

结果：研究共纳入10名较年轻健康受试者（年龄：23±3岁）、10名较年长健康受试者（年龄：62±7岁）、30名IPF患者（年龄：74±6岁）和10名肥胖哮喘患者（年龄：40±10岁）。较年轻和较年长健康受试者均在基底段（ΔV?/V?_B-A分别为0.20±0.17和0.11±0.15）和后段（ΔV?/V?_P-A分别为0.08±0.06和0.13±0.16）表现出更大的通气量。25名IPF患者具有正的ΔV?/V?_B-A（0.17±0.08）和ΔV?/V?_P-A（0.11±0.07）。5名患者具有负的ΔV?/V?_P-A（-0.17±0.09，p<0.0001），其中3名同时具有负的ΔV?/V?_B-A（-0.04±0.01，p=0.049）。6名肥胖哮喘患者具有正的ΔV?/V?_P-A（0.13±0.08）。4名患者具有负的ΔV?/V?_P-A（-0.11±0.15，p=0.017），其中2名同时具有负的ΔV?/V?_B-A（-0.17和-0.09）。

结论：通过RF去极化偏置场校正方法，研究人员在健康受试者中显示了生理性通气梯度，并在IPF和肥胖哮喘患者的亚组中检测到异常（反向）通气梯度，尽管这些患者的通气缺损百分比（ventilation defect percentage, VDP）较低且肺功能检查仅轻度异常或无异常。异常通气梯度可能反映疾病的异质性，这种异质性可能与不同的治疗反应和预后相关。这需要在未来包含更大样本的不同设计研究中加以探索。

**研究背景与意义**

肺通气在健康个体中亦非均匀，受重力与非重力因素共同影响。重力在胸腔内产生静水压梯度，使自发呼吸个体的依赖肺区获得更多通气；非重力因素包括气道不对称分支、肺重量、胸廓形状及膈肌位置等。衰老与肺部疾病会改变这些因素，加重通气不均。目前评估通气不均的临床与科研工具各有局限：多惰性气体清除技术（multiple inert gas elimination technique, MIGET）可高分辨率量化通气分布，但不能提供地形学信息，且需动脉及混合静脉置管；定量CT可提供高分辨率结构信息，但通气只能由肺密度推断且存在辐射；肺通气/灌注核素扫描分辨率低且同样有辐射。超极化¹²⁹Xe MRI是一种无创、无电离辐射的高分辨率通气成像技术。传统图像后处理采用N4ITK方法校正射频（radiofrequency, RF）激发非均匀引入的偏置场，但该方法基于图像强度梯度，在去除偏置场的同时也会去除真实的生理性通气梯度。为克服这一缺陷，研究团队先前开发了基于RF去极化映射的偏置场校正方法，可在健康个体中保留预期的生理性通气梯度。本研究将该方法与自建图像分析流程结合，量化健康人、特发性肺纤维化（idiopathic pulmonary fibrosis, IPF）及肥胖哮喘患者在仰卧位下重力依赖与非重力依赖方向的通气分布，以检验“患者通气分布较健康对照更不均”的假设。研究结果显示，健康人均显示生理性通气梯度，而IPF和肥胖哮喘亚组出现异常反梯度，且通气缺损百分比（ventilation defect percentage, VDP）低、肺功能仅轻度或无异常。该发现提示通气梯度可能成为评估疾病异质性的额外影像学标志，与治疗反应和预后相关。论文发表于《Frontiers in Physiology》。

**关键技术方法**

研究人员从自己的数据库回顾性纳入10名年轻健康者（23±3岁）、10名年长健康者（62±7岁）、30名IPF患者（74±6岁）和10名肥胖哮喘患者（40±10岁）。所有受试者在仰卧位吸入超极化¹²⁹Xe至总肺容量（total lung capacity, TLC），于10秒屏气期间采集三维径向MRI通气图像。图像分别采用传统N4ITK和RF去极化映射两种方法进行偏置场校正。VDP基于N4ITK校正图像和年轻健康参考队列计算。为量化地形学通气梯度，将肺沿尖-基底方向（非重力依赖）和前-后方向（重力依赖）各均分为三个隔室，计算各隔室平均通气信号，并计算基底与尖段通气差异（ΔV?/V?_B-A）及后与前段差异（ΔV?/V?_P-A）。统计采用方差分析（analysis of variance, ANOVA）和Tukey多重比较。

**研究结果**

健康受试者：年轻和年长健康者在基底段（ΔV?/V?_B-A=0.20±0.17和0.11±0.15）和后段（ΔV?/V?_P-A=0.08±0.06和0.13±0.16）均显示更高的通气信号。年长组基底和前区通气略低，但ANOVA未达统计学显著性，认为两组通气梯度相似。个别健康者出现负梯度。

IPF患者：30例IPF中25例（83.3%）具有类似健康对照的正向尖-基底（apical-basal, AB）和前-后（anterior-posterior, AP）通气梯度（ΔV?/V?_B-A=0.17±0.08；ΔV?/V?_P-A=0.11±0.07）。5例（17%）具有负AP梯度（ΔV?/V?_P-A=-0.17±0.09，p<0.0001），其中3例同时具有负AB梯度（-0.04±0.01，p=0.049）。线性回归显示AB梯度和AP梯度分别与FVC占预计值%（FVC%pred）和DLCO占预计值%（DLCO%pred）相关（AB梯度与FVC%pred：R2=0.1100，p=0.073；AP梯度与FVC%pred：R2=0.2062，p=0.012；AB与DLCO%pred：R2=0.2248，p=0.0081；AP与DLCO%pred：R2=0.1401，p=0.0416）。这些异常梯度的存在与更严重的肺功能损伤相关。

肥胖哮喘患者：10例肥胖哮喘患者总体VDP为2.59±2.90%，与健康组无显著差异。分组分析显示6例具有正常的正AP梯度（ΔV?/V?_P-A=0.13±0.08），其FEV₁/FVC=0.80±0.06，FEV₁=92.5±12.3%pred；4例具有负AP梯度（ΔV?/V?_P-A=-0.11±0.15，p=0.017），其中2例同时负AB（-0.17和-0.09）。两组肺功能无统计学差异，提示通气梯度异常并非由常规肺功能参数所反映。

**讨论与结论**

讨论部分指出，健康人仰卧位基底和后区通气增加的发现与既往电阻抗断层成像、¹³³Xe及MIGET研究一致。本研究中年轻与年长健康者通气梯度无统计学差异，可能受小样本量和三隔室模型分辨率限制。IPF患者中多数保持正常梯度，与纤维化主要累及下肺和周边导致顺应性降低的病理特征相符；约17%出现反向梯度，其FVC和DLCO更差，提示这些患者可能具有更严重的通气重建。肥胖哮喘中40%出现反向梯度，与既往MIGET研究观察到的哮喘稳定期通气分布异常一致；肥胖增高胸膜压、压迫外周气道，可能减少基底和后区通气。研究局限性包括样本量小、患病率需大样本验证、临床意义（如病程、治疗反应）需进一步探索。

研究结论（翻译）：总之，使用超极化¹²⁹Xe MRI结合RF偏置场校正方法分析3D通气图像，研究人员在IPF和肥胖哮喘患者亚组中发现了加重的地形学通气异质性，尽管这些患者的VDP较低且肺功能检查仅轻度或无异常。该结果为假设生成性的。异常通气梯度可能反映疾病异质性，并可能与不同的治疗反应和预后相关。未来需采用不同设计并纳入更大人群的研究来验证这些发现。