能谱CT定量分析煤工尘肺纤维化中SiO2/H2O、SiO2/HYP及SiO2/HYL含量

谢武桃，金盛辉， 刘聪， 毕朝虎， 王威， 冉超， 惠俊兰， 王小玲

尘肺病是由于在职业活动中长期吸入生产性粉尘并在肺内潴留而引起的以肺组织弥漫性纤维化为主的全身性疾病。我国是全球尘肺病患者数量最多的国家，也是年报告新发病例最多的国家[1]。尘肺病中主要是矽肺和煤工尘肺。煤工尘肺是一种对工人身体健康危害极大，严重降低劳动能力、致残，并且极大增加患者疾病负担的职业病[2]。煤工尘肺是由于吸入可吸入的结晶二氧化硅 (SiO2)引起的，会引起持续的炎症和不可逆的纤维化。二氧化硅颗粒对肺部组织产生损伤，进而激活免疫系统。大量的炎症细胞聚集于肺部，并在二氧化硅刺激下产生各种趋化因子、细胞因子和生长因子,这些因子相互作用，可以刺激成纤维细胞的增殖与分化，促使其产生大量的胶原蛋白[3]。羟脯氨酸(Hydroxyproline,HYP)是一种非必需氨基酸,主要存在于动物的胶原蛋白中,加强结缔组织的弹性和韧性。通过对组织中羟脯氨酸含量的测定,可以了解机体胶原蛋白分解代谢情况。胶原蛋白的不断积累是纤维化进程的主要病理表现。因此,准确测定肺组织中羟脯氨酸的含量,可以直接有效地判断肺纤维化的发展程度[4-5]。羟赖氨酸(Hydroxylysine,HYL)是胶原降解的另一种产物，可了解体内胶原蛋白分解代谢情况，即可作为了解结缔组织分解情况的指标之一[6]。本研究通过GE128排Revolution能谱CT对已确诊的Ⅲ期煤工尘肺患者肺纤维化和无粉尘接触史健康人员正常肺组织内的SiO2/H2O、SiO2/HYP及SiO2/HYL含量进行定量分析，旨在为临床上判断煤工尘肺患者肺纤维化的进程以及干预肺纤维化的治疗提供科学客观的影像学依据。

材料与方法

1.病例资料

搜集我院2020年6月-2021年12月经职业病鉴定专家组确诊为Ⅲ期煤工尘肺的患者30例(尘肺组)；另选择健康体检人员30例作为对照组，无粉尘接触史，X线胸片未见明显异常。所有研究对象均为男性，均无其他肺部及支气管相关疾病，均行GE 128排Revolution能谱CT胸部扫描，检查前均已签署知情同意书。本研究经本院医学伦理委员会批准。

尘肺组病例纳入标准：①经职业病鉴定专家组确诊为Ⅲ期煤工尘肺，诊断标准参考《GBZ 70-2015职业性尘肺病的诊断》[7]，有明确的粉尘接触史，大阴影其长径不小于20 mm，短径大于10 mm；②所有病例均行能谱CT检查、0.625mm薄层重建及DATA数据重建。对照组病例纳入标准：①健康体检人员，无粉尘接触史，X线胸片未见明显异常；②所有病例均行能谱CT检查、0.625mm薄层重建及DATA数据重建。

2.检查方法

尘肺组30例及对照组30例患者均采用美国 GE128排256层Revolution Es型能谱CT行胸部扫描，扫描参数：GSI模式，螺旋扫描，管电压80～140 kV，电流GSI手动模式200～450 mA，层厚0.625 mm，螺距0.992：1，视野35 cm×35 cm～45 cm×45 cm，噪声指数9，转速0.5 s/r，矩阵512×512，探测器覆盖宽度80 mm。肺窗采用高分辨率算法，纵隔窗采用标准算法。扫描范围为双肺尖至肺底，肺容积为4000～6000 cc。扫描流程：核对尘肺患者身份证-患者准备-仰卧位-深吸气并屏气-曝光-停止扫描。

3.能谱CT测量SiO2/H2O、SiO2/HYP及SiO2/HYL含量的原理及方法

在能谱CT原理中，X射线通过物质的衰减能够客观反映X射线的能量，X射线经过物质后产生的光电效应和康普顿效应共同决定了物质对X线的衰减曲线。U(E)=afpe(E)+bfe(E)，其中fpe(E)和fe(E)分别为质量吸收函数中光电效应和康普顿散射的贡献；a和b为常量。经过数学转化可以得到 μ(E)=c1μ1(E)+c2μ2(E)，其中μ1(E)和μ2(E)分别为两个物质的质量吸收函数，c1和c2为常数。因此任何物质的X线吸收系数可以由2个基物质的X线吸收系数来决定[8]。能谱CT成像突破常规CT单参数成像的局限，不仅可观察常规混合能量图像，而且能获得40～140 keV不同水平单能量图像、不同基物质图像(碘/水、碘/钙等)[9]。通过SiO2/H2O、SiO2/HYP及SiO2/HYL进行配对，能够获得对应于SiO2/H2O、SiO2/HYP及SiO2/HYL密度的两组物质密度投影，通过对这两组的数据重建，就能求解出SiO2/H2O、SiO2/HYP及SiO2/HYL的密度在空间的分布，从而计算出所感兴趣基物质对密度质和质量吸收函数，以及他们之间的相互关系。通过能谱CT成像的重建/后处理引擎及观察与分析系统(GSI Viewer:GSI浏览器)的多参数成像，能够对SiO2/H2O、SiO2/HYP及SiO2/HYL作为基物质对进行对比分析。

4.图像数据处理

所有扫描的DATA数据通过ADW4.7 GSI viewer后处理器进行能谱分析：选取尘肺纤维化斑块-观察窗改成GSI基物质配对(SiO2/H2O、SiO2/HYP、SiO2/HYL)-选择histogram显示-获取数据。尘肺组数据测量：选取Ⅲ期尘肺中双中上肺野最大纤维化斑块，以冠状面最大层面为中心(前后层厚平均距离)分别进行数据测量，病灶大小为2.1 cm×4.2 cm～8.6 cm×4.7 cm，ROI大小占纤维化斑块病灶的2/3以上，大小为308.1～2371.9 mm2，求平均值。对照组数据测量：以Ⅲ期尘肺斑块平均大小以及平均ROI大小作为参照，随机选取双中上肺野ROI大小进行数据测量。两组每个病例分别测量选定的病灶大小、ROI、SiO2/H2O、SiO2/HYP、SiO2/HYL数据，总共300组数据。提取全肺的容积、SiO2/H2O、SiO2/HYP及SiO2/HYL含量数据，总共240组数据。

所有数据均自动保存在Excel文件夹，由两位放射科副主任以上医师对两组基物质SiO2/H2O、SiO2/HYP及SiO2/HYL数据采用盲法独自分析；若两者意见不一致，则两位医师共同讨论，直到意见完全达到一致为止。

5.统计学分析

结 果

1.两组患者的基线资料

30例尘肺组患者年龄42～60岁，平均(54.22±4.32)岁，接触粉尘工龄为6～25年，平均(15.26±6.67)年，工种为掘井工12人，采煤工18人，其中有吸烟史者22例(吸烟率为73.3%)。对照组为健康体检人员，年龄40～60岁，平均(52.57±4.99)岁，其中有吸烟史者19例(吸烟率为63.3%)。两组人群的年龄和吸烟率比较差异均无统计学意义(P>0.05)。

2.两组样本方差齐性检验

对尘肺组及对照组的年龄、全肺容积(V)进行方差齐性检验，结果显示两组样本中方差齐性的显著性Sig值均大于0.05(显著水平)，提示两组样本中的年龄、全肺容积(V)的方差是齐性的，故P值采用独立样本t检验中假设方差相等Sig(双侧)检验结果。对尘肺组及对照组ROI范围大小、ROI范围内和全肺容积内的胶原蛋白中SiO2/H2O、SiO2/HYP、SiO2/HYL基物质进行方差齐性检验，结果显示两组样本中方差齐性的显著性Sig值均小于0.05(显著水平)，故P值采用独立样本t检验中假设方差不相等Sig(双侧)检验结果。

3.尘肺组及对照组基物质SiO2/H2O、SiO2/HYP、SiO2/HYL在ROI中的测量结果

尘肺组ROI中的SiO2/H2O基物质含量为(78.95±20.94) mg/cm3，对照组为(17.20±6.73) mg/cm3，两组均值差值为(61.74±4.01) mg/cm3，差异有统计学意义(P=0.000)。尘肺组SiO2/HYP基物质含量为(161.84±17.51) mg/cm3，对照组为(30.13±8.95) mg/cm3，两组均值差值为(131.71±3.59) mg/cm3，差异有统计学意义(P=0.000)。尘肺组SiO2/HYL基物质含量为(173.06±17.23) mg/cm3，对照组为(29.99±9.78) mg/cm3，两组均值差为(143.07±3.61) mg/cm3，差异有统计学意义(P=0.000,表1、图1、2)。

图1 尘肺组的ROI及SiO2/H2O、SiO2/HYP、SiO2/HYL含量测量图。a)ROI面积为925.7cm2；b)SiO2/H2O含量为71.80mg/cm3；c)SiO2/HYP含量为151.60mg/cm3；d)SiO2/HYL含量为165.40mg/cm3。 图2 对照组的ROI及SiO2/H2O、SiO2/HYP、SiO2/HYL含量测量图。a)ROI面积为 956.8cm2；b)SiO2/H2O含量为21.10mg/cm3；c)SiO2/HYP含量为32.30mg/cm3；d)SiO2/HYL含量为35.60mg/cm3。

表1 两组ROI中基物质SiO2/H2O、SiO2/HYP、SiO2/HYL含量的比较

4.尘肺组及对照组基物质SiO2/H2O、SiO2/HYP、SiO2/HYL在全肺容积中的测量结果

尘肺组全肺SiO2/H2O基物质含量为(12.23±1.56) mg/cm3，对照组为(4.94±0.76) mg/cm3，两组均值差值为(7.16±0.32) mg/cm3，差异有统计学意义(P=0.000)。尘肺组SiO2/HYP基物质含量为(107.16±12.58) mg/cm3，对照组为(89.39±4.85) mg/cm3，两组均值差值为(17.75±2.46) mg/cm3，差异有统计学意义(P=0.000)。尘肺组SiO2/HYL基物质含量为(116.75±10.63) mg/cm3，对照组为(97.87±6.24) mg/cm3，两组均值差值为(18.87±2.25) mg/cm3，差异有统计学意义(P=0.000，表2、图3、4)。

表2 两组SiO2/H2O、SiO2/HYP、SiO2/HYL基物质在全肺容积(V)含量的比较

图3 尘肺组的全肺体积及SiO2/H2O、SiO2/HYP、SiO2/HYL含量测量图。a)全肺体积为5634cc；b)SiO2/H2O含量为11.76mg/cm3；c)SiO2/HYP含量为92.23mg/cm3；d)SiO2/HYL含量为105.8mg/cm3。图4 对照组的全肺体积及SiO2/H2O、SiO2/HYP、SiO2/HYL含量测量图。a)全肺体积为5761cc；b)SiO2/H2O含量为4.07mg/cm3；c)SiO2/HYP含量为79.13mg/cm3；d)SiO2/HYL含量：96.60mg/cm3。

讨 论

在影像学技术上，目前高分辨率CT(highresolutionCT，HRCT)作为诊断肺纤维化最重要的手段，在评估病情及判断预后方面的作用显得尤为关键，近年来计算机辅助CT定量分析因其更为客观逐渐被广泛认可。肺纤维化HRCT的计算机辅助定量分析主要通过分析肺纤维化区域的CT图像参数如平均密度、透过度范围及纹理特点等对患者病情进行评估[10]。而在能谱CT定量分析尘肺病方面，近年来刘荣荣[11]研究通过对70～140 keV单能量图、有效原子序数及基物质对进行分析诊断，结果证明三种分析工具均能够鉴别矽肺结节与对照组结节，能够证明尘肺结节内含有SiO2成分，从而诊断矽肺。通过查阅国内外文献资料，目前尚未发现通过能谱CT对尘肺病肺纤维化成分胶原蛋白中的SiO2/HYP、SiO2/HYL含量进行定量分析的相关报道。

能谱CT利用快速单源瞬时kVp切换技术在亚毫秒内完成80～140 kVp高低能量间的切换，几乎是同时、同角度得到匹配的高、低能量数据。一方面在医用X线范围内，不同的X射线物质相互作用，主要有光电效应和康普顿效应。任何物质的吸收随X线能量变化而变化，都有对应的吸收曲线，其能量的变化具有特征性。如果以两个能级扫描，通过其特有的衰减曲线，成分组织就可以被确定及量化。另一方面在获得两种不同X射线能量下的衰减系数的两次测量后，任何成分都可以用两种基物质的组合来表达相同的衰减效应。使用传统CT单一的X射线光谱时，是很难区分的[12]，而能谱CT的数据是由两种不同光谱获得的，对成分组织较敏感，能够区分具有不同原子数的成分。能谱CT不仅具备常规CT的高空间分辨率和时间分辨率，还增加了能量分辨率及理化性质分辨率这两项参数，实现了多参数成像,如单能量成像、碘基物质成像及有效原子序数测定等，使组织CT值内部的差异得到充分展现，更有利于物质成分的定量分析与鉴别。近年来，武卫杰等[13]报道利用能谱CT虚拟扫描功能，通过多参数定量分析可提高肺部纯磨玻璃结节的诊断及鉴别诊断效能，并能降低辐射剂量。艾娜娜等[14]研究发现在能谱CT智能匹配技术下，大螺距能谱成像较常规螺距能谱成像的辐射剂量更低；联合10%～60%自适应统计迭代重建Ⅴ(Adaptive statistical iterative reconstruction Ⅴ,ASIR-V)后重建技术，可以降低大螺距能谱单能量图像的噪声，提高综合成像质量。

近年来，相关文献报道通过酶联免疫吸附测定发现硅肺大鼠染尘14 d后肺组织HYP升高，第56天达到高峰。因此，测量大鼠矽肺组织中羟脯氨酸的含量可间接反映矽肺纤维化程度[15]。同时，肺组织中胶原蛋白分解减少，HYL含量也会相应升高[6]。因此,准确测定肺组织中羟脯氨酸、羟赖氨酸的含量,可以有效判断肺纤维化的发展程度。白宇超等[16]研究了26例接尘工龄为8～24年[平均( 13.80±4.81)年]的稀土尘肺患者，结果发现在排除年龄、吸烟情况及组别影响因素后，HYP的表达量与接尘工龄呈正相关(P<0.05)，表明接尘年限越长，血清HYP的表达量越大，肺内胶原沉积量也增多，肺部纤维化也越严重。

本研究应用能谱CT对Ⅲ期煤工尘肺患者(尘肺组)及对照组的肺组织进行了ROI及全肺胶原蛋白中的SiO2/H2O、SiO2/HYP、SiO2/HYL含量测量,得到以下研究结果:①尘肺组ROI的SiO2/H2O基物质含量为(78.95±20.94) mg/cm3，对照组为(17.20±6.73) mg/cm3，两组均值差为(61.74±4.01) mg/cm3，差异有统计学意义(P=0.000)；尘肺组SiO2/HYP基物质含量为(161.84±17.51) mg/cm3，对照组为(30.13±8.95) mg/cm3，两组均值差为(131.71±3.59) mg/cm3，差异有统计学意义(P=0.000)；尘肺组SiO2/HYL基物质含量为(173.06±17.23) mg/cm3，对照组为(29.99±9.78) mg/cm3，两组均值差为(143.07±3.61) mg/cm3，差异有统计学意义(P=0.000)。②尘肺组提取的全肺组织内SiO2/H2O基物质含量为(12.23±1.56) mg/cm3，对照组为(4.94±0.76) mg/cm3，两组均值差为(7.16±0.32) mg/cm3，差异有统计学意义(P=0.000)；尘肺组SiO2/HYP基物质含量为(107.16±12.58) mg/cm3，对照组为(89.39±4.85) mg/cm3，两组均值差为(17.75±2.46) mg/cm3，差异有统计学意义(P=0.000)；尘肺组SiO2/HYL基物质含量为(116.75±10.63) mg/cm3，对照组为(97.87±6.24) mg/cm3，两组均值差为(18.87±2.25) mg/cm3，差异有统计学意义(P=0.000)。

煤工尘肺纤维化的发病机制是煤矿粉尘与机体慢性炎症反应持续相互作用的结果。炎症因子在肺纤维化的发生发展中起着关键作用，可通过靶细胞表面的相应受体启动炎症反应。在炎症反应基础上，血小板源性生长因子、转化生长因子-β、肿瘤坏死因子α等多种纤维化相关因子共同调控肺成纤维细胞的分裂、增殖及胶原蛋白的合成与降解，导致肺纤维化[17]。胶原蛋白是肺纤维化细胞外基质的主要成分，胶原蛋白的分解减少和合成增加是导致肺纤维化胶原蛋白异常沉积的重要原因[18-19]。HYP作为胶原的主要成分，能直观反映胶原蛋白在体内的含量。本研究通过比较煤工尘肺患者与对照组肺组织中SiO2/H2O、SiO2/HYP、SiO2/HYL含量，发现煤矿粉尘所致肺纤维化的程度与肺组织中HYP、HYL含量具有密切相关性。这与白宇超等[16]得出稀土尘肺组患者血清中HYP明显高于对照组的结论具有一致性。

综上所述，肺组织成纤维细胞胶原蛋白中SiO2/HYP、SiO2/HYL的含量可作为煤工尘肺所致肺纤维化的重要生物标志物。通过能谱CT对煤工尘肺患者肺纤维化中的SiO2/H2O、SiO2/HYP、SiO2/HYL含量进行定量分析，可为临床上判断煤工尘肺患者肺纤维化的进程及干预肺纤维化的治疗提供科学客观的影像学依据。