相位分辨功能肺MRI检测COPD单剂量与持续支气管扩张剂反应

引言

慢性阻塞性肺疾病（COPD）是全球发病和死亡的主要原因之一[1]，其特征为持续性气流受限、气体陷闭和进行性肺过度充气[2]。肺过度充气增加胸腔内压，对呼吸肌施加额外机械负荷，并通过限制静脉回流和损害心脏充盈产生血流动力学后果[3, 4]。长效毒蕈碱拮抗剂（LAMA）和长效β₂受体激动剂（LABA）是已确立的治疗策略[5–7]，噻托溴铵/奥达特罗（T/O）双支气管舒张已在COPD患者中证明可改善肺功能、症状和运动能力[8, 9]。除肺力学外，药物性肺减容已被证明可改善双心室充盈和每搏输出量，从而建立了气道阻塞与心血管功能之间的联系[10, 11]。

磁共振成像（MRI）越来越多地用于表征COPD中的心肺相互作用[12]。心脏电影MRI可准确量化心腔容积、质量和射血分数（EF），并已用于证明支气管舒张剂诱导的左心室舒张末期容积指数（LV-EDVi）和每搏输出量指数（SVi）增加[13]。在肺部方面，MRI技术历史上依赖于超极化3He或129Xe气体进行通气成像[14–20]，以及依赖对比增强方法进行灌注成像[21–24]。尽管信息量很大，但这些方法受限于成本、需要额外硬件、可用性有限，并且就钆基灌注而言， repeated use存在顾虑[25]。

近期进展使得质子MRI方法能够在自由呼吸期间评估区域肺功能，而无需外源性对比剂。傅里叶分解及相关技术利用呼吸和心脏搏动期间的周期性信号波动来生成通气和灌注的替代指标[26–32]。这些方法已针对更成熟的技术进行了验证，从而为COPD中通气-灌注（V/Q）匹配的功能成像提供了一种无辐射且可重复的替代方案[33–39]。此外，使用源自相位分辨功能肺（PREFUL）MRI的区域流量-容积环相关指标（FVL-CM）进行动态通气评估，在肺移植术后患者[40, 41]和支气管舒张后的COPD患者[42]中，与常规通气指标相比均显示出更高的敏感性。因此，PREFUL MRI提供了标准肺功能测定无法捕获的气道力学区域信息。

尽管自由呼吸质子MRI已针对已确立的肺功能检查和基于气体的MRI进行了验证[33, 35, 43–45]，但关于其在干预性COPD研究中应用的证据仍然有限[42]。此前的干预性工作大多以肺功能测定、体描箱法和弥散功能作为结局指标，并在部分研究中辅以心脏MRI[6, 8–10]。功能性质子MRI可能为双支气管舒张如何改变区域肺功能和VQ匹配提供额外见解，从而有助于理解心肺相互作用。证明此类关联可进一步确立自由呼吸质子MRI作为治疗研究中有价值的生物标志物。

本随机、安慰剂对照、研究者盲法交叉试验（附开放标签扩展）的主要结果近期已有报道[46]。在该分析中，单剂量（SD）T/O显著降低残气量并改善肺量计检查结果，而需要持续多剂量（MD）治疗才能实现左心室舒张末期容积指数（LV-EDVi）的显著增加。这些发现突出表明，支气管舒张产生快速肺部效应，而心血管改善需要持续治疗。

本文呈现的亚组分析直接建立在这些发现之上，通过研究同一队列中的PREFUL MRI数据，包括区域通气（RVent）异质性、FVL-CM、归一化灌注（QN）和V/Q。我们假设，T/O双支气管舒张将改善过度充气COPD患者的PREFUL衍生区域通气、灌注和通气-灌注匹配，并且这些影像生物标志物将与反映肺过度充气减轻和心肺交互改善的既定生理学指标及心脏MRI参数相关。通过评估这些功能性质子MRI指标并将其与传统心肺结局及超极化129Xe MRI进行比较，本研究旨在进一步深入理解双支气管舒张在SD和MD治疗后如何改变过度充气COPD患者的区域肺生理学。

方法

研究设计

本研究为一项经当地伦理委员会批准的前瞻性单中心临床试验的回顾性亚组分析。所有参与者均获得书面知情同意。该试验已在ClinicalTrials.gov注册（NCT04231214）。

于2020年6月至2023年4月期间招募年龄≥40岁、病情稳定的中重度COPD患者。纳入标准为：吸入400 µg沙丁胺醇后支气管舒张剂后第一秒用力呼气容积（FEV₁）<预计值的80%，过度充气定义为残气量（RV）>预计值的135%，且FEV₁/FVC比值<0.7（FVC：用力肺活量）。符合条件的参与者为目前吸烟或既往吸烟者，吸烟史至少10包年。

参与者被随机分配至两种治疗序列之一。A组接受：（访视2）未用药基线扫描，（访视3）单剂量安慰剂（0.9%雾化生理盐水）后扫描，（访视4）单剂量噻托溴铵一水合物/奥达特罗盐酸盐（5 µg/5 µg；两揿，Spiolto® Respimat®，勃林格殷格翰，德国莱茵河畔英格尔海姆）后扫描，（访视5）每日一次家用吸入器使用2周后的最终扫描，以下定义为MD。访视2–4之间设有7天洗脱期。B组在访视3接受单剂量支气管舒张剂、访视4接受安慰剂，随后接受与A组相同的2周开放标签治疗，最终测量在访视5。研究方案示意图见图1。

评估

除主研究[46]中描述和呈现的评估外，包括肺功能检查（PFT）、心脏MRI、动态对比增强（DCE）灌注和超极化129Xe MRI测量，每次访视还包括自由呼吸PREFUL MRI。所有MRI采集均在1.5 T扫描仪（MAGNETOM Avanto，Siemens Healthineers）上进行。

PFT按照标准化方案进行[47–49]。母试验包括全面测试，涵盖肺量计检查、体描计法、弥散功能和脉冲振荡法[46]。对于本亚组分析，选择了反映气流受限和过度充气的参数，即FEV₁/FVC比值和RV。完整的PFT数据集在补充材料中提供以供参考。

心脏MRI使用电影稳态自由进动序列进行，以评估心室容积和功能。左、右心室（LV/RV）舒张末期和收缩末期容积（EDV、ESV）、每搏输出量（SV）和射血分数（EF）使用半自动轮廓软件（cvi42，Circle Cardiovascular Imaging）进行定量。容积参数经体表面积归一化以得出指数化值（如LV-EDVi、RV-ESVi）。

PREFUL MRI使用二维扰相梯度回波序列在三个冠状层面采集，中央层面位于气管分叉处。序列参数如下：视野（FOV）500 × 500 mm²，层厚15 mm，矩阵128 × 128插值至256 × 256，回波时间（TE）0.82 ms，重复时间（TR）3 ms，翻转角（FA）5°，并行成像加速因子2，每帧时间分辨率192 ms，层间距因子100%，带宽1500 Hz/像素。每层总采集时间为60 s。

DCE MRI在静脉注射钆基对比剂（0.04 mmol/kg体重钆特酸葡胺团注，注射速率5 ml/s）后进行，使用动态（1.0–1.2帧/秒）扰相梯度回波序列，在单次屏气期间采集30–36个重建冠状切面（切面厚度6 mm），覆盖全肺。定量灌注图由信号-时间曲线使用基于模型的反卷积生成[21]，得出体素级肺血流量（PBF）估计值。对于本亚组分析，纳入肺实质的平均PBF。

超极化129Xe MRI使用专用氙极化系统（9810，Polarean Inc.）和16通道收发胸部线圈（Rapid Biomedical）进行。参与者吸入三个1 L气袋，内含不同的Xe/N₂混合物用于校准和成像：35%氙/65%氮用于校准；

50%氙/50%氮用于化学位移饱和恢复和扩散加权成像；

60%氙/40%氮用于溶解相成像、动态波谱分析和通气成像。

成像在连续三次单次屏气期间进行，每次屏气之间间隔数分钟的自主呼吸。剂量袋从功能残气量开始吸入。参与者在第二个剂量袋之后进一步吸入室内空气以达到完全肺膨胀。

对于本亚组分析，推导了以下参数：来自通气成像——通气缺损百分比Xe-VDP；来自弥散加权成像——5000 μs时的表观弥散系数（ADC₅₀₀₀µs）；以及来自溶解相成像——红细胞（RBC）、膜（Mbr）和气相（GPs）的信号比值。

PREFUL分析

PREFUL MRI分析按照先前描述的方法进行[50]。自动化处理流程在MATLAB（R2021a，MathWorks）中实现，并在专用分析服务器上执行。软件版本在研究启动时即固定。

图像采集后执行以下步骤：

图像配准

使用Advanced Normalization Tools框架[51]进行非刚性运动校正。通过结构相似性分析实现呼吸相位排序，图像被分为10个呼吸状态。采用面向分组的配准策略[52]将所有呼吸组对齐至中间位置参考。

预处理

使用以时间均值为参考的图像引导滤波进行去噪。通气和灌注信号通过频率滤波分离（通气为低通滤波，灌注为高通滤波）。每层的前20幅图像被丢弃以确保稳态。

分割

使用预训练的卷积神经网络[53]在时间均值图像上分割肺边界。通过灌注加权图上的Otsu阈值法排除中心血管，得到肺实质感兴趣区（ROI）。分割结果由一名放射科医师（T.F.K.，分析时为具有7年肺部MRI经验的放射科住院医师）进行视觉审查并在必要时校正。

灌注分析

心脏相位排序基于通过灌注加权信号变化和正弦拟合迭代确定的富血管ROI[54]。相位排序后的图像被插值到具有15个心脏相位的等间距时间网格上。肺实质相位由自动直方图分析确定。QN通过将肺实质信号振幅参考气管层面的血管ROI获得。

脉搏波速度（PWV）

利用合成心动周期的动态信息，分析位于中央和外周肺血管的体素之间的空间距离和时间延迟，以确定肺动脉PWV，方法如先前所述[55]。PWV分析仅在中央层面进行。该参数为事后评估，因为研究启动时固定版本的PREFUL分析中未包含该参数，但近期已有研究表明其与COPD的过度充气和气流阻塞相关[55]。

通气分析

呼吸相位分配使用基于百分位异常值排除后的未配准信号波动和余弦模型。按相位排序的图像被插值到具有60个呼吸相位的等距时间网格上。RVent计算为呼气末与吸气末之间的相对信号变化[56]。FVL-CM通过对RVent随时间求导以近似气流，并将体素级流量-容积环与源自高通气区域的参考环进行互相关而得出。

缺损分类

应用经验阈值规则[57]定义缺损体素：RVent < 第90百分位的40%、FVL-CM < 90%、QN < 2%。低于阈值的体素被分类为通气或灌注缺损，联合图用于推导通气-灌注匹配（VQM）指标。定量参数包括分别从RVent或FVL-CM独立得出的孤立通气缺损百分比（VDP），以及通过将两种VDP相加组合得到的联合通气缺损百分比VDP(Combined)。其他参数包括灌注缺损百分比（QDP）以及缺损区和非缺损区的通气-灌注定量匹配（VQM）。对于VQM，使用VDP(Combined)和QDP指标。

异质性

除所有三个层面肺实质ROI的平均值外，还计算变异系数（CoV）以量化各参数在肺内的异质性。

统计分析

除另有说明外，所有统计分析均在MATLAB 2022b（MathWorks）中完成。

基线人口学和临床特征汇总为：连续变量以均值 ± 标准差（STD）表示，分类变量以绝对数（百分比）表示。

对于影像学和功能参数的分析，报告算术均值 ± STD，同时报告由线性混合效应模型得出的治疗条件间估计对比。该模型以治疗、治疗序列和周期为固定效应，受试者为随机效应，与主要试验发表文献一致。估计边际均值和双侧95%置信区间（CI）使用R（版本4.5.1，R Foundation for Statistical Computing）中的emmeans框架获得。

PREFUL MRI参数、常规心肺指标和超极化129Xe MRI之间的相关性，以及治疗引起的变化之间的相关性，采用Spearman秩相关评估。对于T/O SD与安慰剂SD之间的变化分析，将相应的安慰剂SD作为混杂变量纳入偏相关分析[58]。相关系数的CI通过Bootstrap重采样（1000次迭代）估计，并因样本量有限而优先用于推断，这可能导致与渐近p值不一致。

分析仅使用可用数据进行，未对缺失值进行替换或估计。

鉴于分析的探索性性质，未进行多重检验的统计校正。双侧α水平0.05被视为具有统计学显著性。

结果

研究人群

共有32例稳定的中重度COPD患者纳入分析（17例男性，15例女性；平均年龄±标准差：61.5±7.7岁）。基线人口学特征和PREFUL特征总结于表1。所有患者均完成了交叉阶段；在排除两名因COVID-19和普通感冒的参与者后，30例患者完成了为期2周的开放标签延伸期。

线性混合模型分析

图2显示了来自单个患者的代表性PREFUL参数图，特别值得注意的是单次剂量支气管舒张后FVL-CM的改善，以及在多次剂量治疗后进一步增强。在整个队列中，每次访视时PREFUL参数的平均值和标准差见表2。

单次剂量噻托溴铵/奥达特罗 versus 安慰剂

线性混合效应模型显示，T/O单次剂量与安慰剂在RVent、FVL-CM和QN方面存在显著差异。T/O治疗后FVL-CM显著增加4.1个百分点（pp；95% CI：1.0至7.3 pp，p = 0.01），而联合通气和灌注缺陷百分比显著降低（VDP(联合)：−5.6 pp，95% CI：−10至−1.3 pp，p = 0.01；QDP：−5.7 pp，95% CI：−9.5至−1.9 pp，p = 0.004）。同样，VDP(FVL-CM)也显著降低（−5.4 pp，95% CI：−9.7至−1.2 pp，p = 0.01），而单独VDP(RVent)无显著改变（−2.0 pp，95% CI：−4.8至0.8 pp，p = 0.16）。PWV从基线到安慰剂访视显示显著增加，但在单次剂量T/O后回落至基线值附近（p = 0.07）。

多次剂量噻托溴铵/奥达特罗

多次给药后，除QN外（p = 0.08），所有PREFUL参数相对于安慰剂均观察到显著差异。与单次剂量条件相比，PWV降低−0.57 m/s（95% CI：−0.90至−0.25 m/s，p < 0.001）。对于其余PREFUL参数，多次剂量与单次剂量T/O之间的估计对比值无统计学显著性，尽管涉及FVL-CM的指标的置信区间向更大改善方向偏移。

选定PREFUL终点的结果见图3，所有终点的估计对比值和置信区间总结于表2。

相关性分析

在基线时（表3），所有PREFUL参数均与FEV1/FVC和RV相关。例如，VDP(联合)与FEV1/FVC：ρ = −0.71，95% CI：−0.88至−0.40；VQM(缺损)与RV：ρ = 0.82，95% CI：0.63至0.92。QN及其衍生参数与PBF相关，例如QN与PBF：ρ = 0.39，95% CI：0.02至0.66。QN还与LV-EDVi相关：ρ = 0.40，95% CI：0.04至0.68。除RVent和PWV外，所有参数均与Xe-VDP和Mbr/GP比值相关，例如VQM(非缺损)与Mbr/GP：ρ = 0.68，95% CI：0.38至0.83。ADC₅₀₀₀µs与QDP呈强相关：ρ = 0.60，95% CI：0.29至0.77。

SD治疗引起的变化与安慰剂的比较（表4）一致涉及ΔFVL-CM及其衍生测量指标作为关键相关因素。例如，ΔVDP(FVL-CM)与ΔRV的降低相关（ρ = 0.41，95% CI：0.02至0.64），ΔFVL-CM与ΔMbr/GP的改善相关（ρ = 0.48，95% CI：0.19至0.69）以及与ΔRBC/GP比值的改善相关（ρ = 0.55，95% CI：0.24至0.77）。与基线时类似，ΔQDP与ΔADC₅₀₀₀µs呈正相关：ρ = 0.50，95% CI：0.17至0.77。

未发现与SD治疗引起的DCE或心脏MRI参数变化存在显著相关性。示例相关性图见图4。

讨论

本亚组分析通过纳入PREFUL MRI，扩展了T/O在过度充气COPD患者中进行的随机、安慰剂对照交叉试验的发现[46]。与主试验一致，PREFUL参数显示V/Q即刻改善，并伴随持续用药后肺血管的进一步改善。因此，本研究提供了新的证据，表明PREFUL衍生参数能够捕捉双支气管扩张剂的急性和持续性治疗效果。

线性混合模型分析显示，单剂量T/O后RVent、FVL-CM和QN持续改善。这些变化伴随着缺损百分比（VDP、QDP）的降低和通气-灌注匹配（VQM）的改善。尽管与安慰剂相比，持续治疗两周后FVL-CM及其衍生的VDP指标在数值上显示出更大改善，但当直接与单剂量结果比较时，这些差异未达到统计学显著性，表明单剂量后肺功能的即时改善占主导地位。

相反，从基线到单剂量安慰剂访视期间观察到肺动脉脉搏波速度（PWV）升高，而T/O单剂量和多剂量时的PWV均与基线无差异。在主试验结果中，左心室舒张末期容积指数（LV-EDVi）也观察到类似的“安慰剂下恶化”模式。鉴于盐水吸入后区域肺通气参数未恶化，纯粹的安慰剂效应似乎不太可能。最合理的解释是基线访视前药物洗脱不充分，这可能导致了基线与安慰剂之间八天时间间隔内的表观恶化。然而，其他参数中未出现此效应仍无法解释。

值得注意的是，持续T/O给药相对于单剂量T/O降低了PWV，与肺去气化维持后随时间依赖性血管适应相一致。综合来看，这些发现表明PREFUL衍生的PWV对检测T/O治疗后肺动脉脉搏波速度降低具有足够的敏感性，可能反映了通气改善导致氧合改善，进而使肺毛细血管血流改善所引起的肺血管阻力降低[59]。

在基线时，PREFUL V/Q参数与已确立的气流受限和肺过度充气标志物强相关，证实了其作为功能性替代指标的有效性。更重要的是，当比较安慰剂与T/O单剂量之间的治疗诱导变化时，FVL-CM参数与RV的相关性持续存在，支持PREFUL的动态区域潮气量流量-容积环参数对单剂量T/O支气管扩张效应的敏感性。

与心脏MRI的基线关联较少见，但一致涉及PREFUL衍生的灌注测量，这与肺灌注受损限制心室充盈和射血的观念相一致[60]。

与既往验证研究[36, 54, 57, 61]一致，基线PREFUL衍生灌注（QN）与DCE灌注（PBF）相关。尽管两种技术显示出相似的治疗反应模式，即单剂量T/O相比安慰剂有显著改善，但个体水平的QN变化与PBF不相关，提示虽然组水平趋势一致，但个体变异和方法学差异限制了直接可比性。

DCE灌注以相对较高的空间分辨率提供绝对的、体积性首过对比剂动力学，而PREFUL灌注反映的是归一化至参考区域的周期性信号振荡，且在本研究中仅限于三个冠状面切片。这些空间分辨率、肺覆盖范围和归一化方面的差异可能解释了个体水平相关性的缺乏，进一步优化PREFUL灌注定量[62]以实现体积覆盖可能改善与DCE的一致性。

正如先前研究[37, 45]所预期的，PREFUL-MRI参数与129Xe VDP相关。值得注意的是，PREFUL参数还与弥散指标和肺腔室比率相关，这些指标探测的是质子MRI无法直接获取的微结构和气体转移特性。这些相关性可能源于共同的病理生理基础：微结构损伤或气体转移受损的区域同时也表现为PREFUL可检测的通气/血流（V/Q）异常。因此，尽管PREFUL并不直接评估肺泡微结构，其区域功能参数可能间接反映微结构疾病负荷。氙气转移指标与肺功能检查（PFT）指标之间类似的间接关联已有报道[63]，支持了这一解释。

此外，观察到的SD治疗引起的PREFUL参数变化与Xe-VDP、弥散及腔室指标之间的相关性，凸显了无对比剂质子MRI在近似提供通气、微结构和气体交换相关信息方面的潜力，从而拓展了其在COPD干预性研究中的转化价值。

我们的发现与先前涉及PREFUL的支气管扩张剂研究一致。在重症哮喘中，Friedlander等人近期表明，PREFUL衍生的VDP(RVent)较健康对照显著升高，且在支气管扩张剂治疗后可降低，并与肺量计、振荡肺功能及129Xe MRI相关[64]。他们的研究强调PREFUL VDP是哮喘中一个具有反应性且生理学相关的结局指标。在COPD中，Voskrebenzev等人回顾性分析了CLAIM试验，确定FVL-CM是对14天茚达特罗-格隆溴铵治疗反应最强的PREFUL参数。与本研究发现类似，他们报道了治疗引起的LV-EDV和VQM变化之间的相关性，支持V/Q改善与心脏适应之间的联系。

综上所述，这些结果拓展了对双支气管扩张治疗的理解。PREFUL不仅检测到V/Q的急性改善，还特别追踪了血管适应的较长期变化。PREFUL衍生参数在基线和SD治疗变化时与常规肺功能检查和129Xe MRI的相关性，凸显了其作为COPD研究无创生物标志物的转化价值。

局限性包括单中心设计、样本量相对较小，以及多重相关分析的探索性性质且未进行多重性校正。所报道相关性中有小部分显示置信区间跨零或方向性不符合预期，提示可能存在偶然发现。尽管如此，大多数相关性在生理学上是合理的，且与既往文献一致。在采集方面，PREFUL仅限于三个冠状面层面，可能低估区域异质性。未来研究应验证全肺采集，并在更大规模的干预性队列中评估PREFUL。

总之，自由呼吸PREFUL MRI检测到COPD患者单次给予双支气管扩张剂后区域通气、灌注和V/Q匹配的改善，并捕捉到肺动脉脉搏波速度的正常化，可能反映了治疗2周后肺血管阻力的降低。

补充信息

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