Characteristics and Evolution of Computed Tomography Images in Coronavirus Disease 2019 Pneumonia
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摘要: 目的：分析不同时期新型冠状病毒感染的CT影像特点及演变规律。方法：回顾性分析2022年12月至2023年1月期间113例河北省人民医院确诊COVID-19患者不同时期的CT征象，观察其变化趋势。32例患者行1次CT检查，41例行CT检查2次，20例行CT检查3次，15例行CT检查4次，5例行CT检查5次。本组113例患者共行CT检查259次。其中早期（新冠感染 7 d以内）32例患者CT检查32次，进展期（新冠感染8～30 d）74例患者CT检查87次，转归期（新冠感染12～57 d）89例患者CT检查140次。分析患者每次CT特点。结果：早期CT表现为磨玻璃密度影26次，实变+磨玻璃密度影 6次。进展期磨玻璃密度影32次，实变+磨玻璃密度影 55次。转归期48次磨玻璃密度影，90次实变+磨玻璃密度影。112例患者为多叶多发病灶，其中1例在转归期为单叶多发病灶。早期胸膜下分布13次，支气管血管束周围+胸膜下分布 19次。进展期胸膜下分布24次，支气管血管束周围+胸膜下分布 63次。转归期胸膜下分布48次，2次完全吸收好转，支气管血管束周围+胸膜下分布 90次。早期磨玻璃密度影内小叶间隔增粗32次，病灶内血管增粗32次。进展期病灶内小叶间隔增粗85次，病灶内血管增粗87次。转归期小叶间隔增粗5次，病灶内血管增粗1次，48次伴条索影。早期1次支气管气充气征，进展期6次胸腔积液，6次支气管充气征，3次肺气肿，转归期2次支气管充气征，1次胸腔积液。结论：不同时期新冠肺炎患者的CT影像特点有所差别，了解其演变规律对指导临床治疗至关重要。Abstract: Objective: To analyze the computed tomography (CT) imaging features and evolution of different stages of coronavirus disease 2019 (COVID-19). Methods: A retrospective analysis was conducted on the CT images of 113 patients diagnosed with COVID-19 at Hebei Provincial People's Hospital between December 2022 and January 2023 to observe the trends of imaging changes. Results: All 113 patients were clinically diagnosed with COVID-19. Among these, 32, 41, 20, 15, and five patients underwent CT examination once, twice, three times, four times, and five times, respectively. A total of 259 CT examinations were performed in this group of 113 patients. Among them, 32 were early-stage (within 7 days of COVID-19 infection) examinations, 87 were progression-stage CT examinations, and 140 were recovery-stage CT examinations. Analysis of the imaging features of each CT examination of the patients was performed to identify the imaging features and evolution rules of COVID-19. Among the 32 examinations performed in 32patients with early-stage disease (within 7 days of COVID-19 infection), 26 cases showed ground-glass density shadows and six cases additionally showed solid nodules. In the progression stage (8 ~ 30 days after COVID-19 infection), among the 87 CT examinations in 74 patients, 62, 11, and one patient underwent examinations one, two, and three times, respectively. The 87 examinations revealed there 32 cases with ground-glass density shadows and 55 cases with additional solid nodules. In the recovery stage (12 ~ 57 days after COVID-19 infection), 89 patients underwent 140 CT examinations. Among these, 48, 32, eight, and one patient underwent CT examinations once, twice, three times, and four times, respectively. Among the 140 CT examinations, 48 cases showed ground-glass density shadows, while 90 cases additionally showed solid nodules. Moreover, 112 patients had multiple lesions in multiple lobes, with only one case having multiple lesions in a single lobe. Regarding the distributions, in the early stage, 13 cases had subpleural distributions and 19 cases had peribronchovascular and subpleural distributions. In the progression stage, 24 cases had subpleural distribution, and 63 cases had peribronchovascular and subpleural distributions. In the recovery stage, 48 cases had subpleural distribution, two cases showed complete absorption and improvement, and 90 cases had peribronchovascular and subpleural distribution, with 48 cases accompanied by reticular shadows. Regarding thickening of the interlobular septa and vessels within the lesions, in the early stage, 32 cases showed thickening of the interlobular septa and vessels within the lesions. In the progression stage, 85 cases showed thickening of the interlobular septa and 87 cases showed thickening of vessels within the lesions. In the recovery stage, five cases showed thickening of the interlobular septa, one case showed thickening of vessels within the lesions, and 48 cases were accompanied by linear shadows. Finally, in the early stage, one case showed bronchial gas inflation. In the progression stage, six cases showed pleural effusion, six cases showed bronchial inflation, and three cases showed pulmonary emphysema. In the recovery stage, two cases showed bronchial inflation and one case showed pleural effusion. Conclusion: The characteristics of CT images differed in patients with new coronary pneumonia at different times. Understanding this evolution is important to guide clinical treatment.
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Keywords:
- CT /
- novel coronavirus pneumonia /
- image characteristics /
- changing trends
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脑血管疾病中具有高发病率、高致残率和高死亡率，是我国居民的第1位死亡原因[1-2]。随着宽体探测器CT的发展，通过一次对比剂注射，一次扫描即可完成颅脑CT平扫、CTA和CT灌注（CT perfusion，CTP）的一站式CT扫描成为急性脑血管病诊治的重要影像检查方法。然而CTP需进行多期扫描，扫描野内有晶状体等辐射敏感器官，多期扫描带来的辐射剂量问题不容忽视。如何在不增加或降低辐射剂量的前提下，提高一站式CT扫描的图像质量，受到越来越多的关注[3-5]。
我们通过对比研究不同曝光条件下一站式颅脑CT扫描的图像质量和辐射剂量，探讨可变曝光条件在一站式颅脑CT扫描中的应用价值。
1. 资料与方法
1.1 一般资料
前瞻性收集我院2024年3至2024年5月间因脑血管疾病需行一站式颅脑CT扫描的患者100例。采用区组长度为2，区组内顺序固定的区组随机分组法将100例患者随机分为A组和B组，每组50例。A组为固定曝光条件组，B组为可变曝光条件组。
纳入标准：临床怀疑脑血管疾病需行一站式CT扫描的患者。排除标准：①躁动无法配合检查的患者；②双侧颈内动脉或大脑中动脉均存在明显狭窄的患者；③有碘对比剂使用禁忌证的患者。
所有患者检查前均签署增强检查知情同意书。本研究经过南京大学医学院附属鼓楼医院医学伦理委员会批准（伦理号为2023-341-01）。
1.2 仪器设备方法
使用联影公司UIH 960 CT，欧力奇公司CT高压注射器。患者去除头部金属异物，仰卧位，固定头部，双上肢自然置于身体两侧。根据头颅Z轴方向的长度，准直宽度使用280×0.5 mm或320×0.5 mm，单圈轴扫完成全颅成像。
扫描参数。A组所有期相均使用相同的曝光条件，管电压100 kV，管电流量100 mAs，旋转时间0.5 s/r。从对比剂注射后5 s开始第1期扫描，至65 s结束，共进行18期扫描。第1期（平扫期）起始时间5.0 s，至5.5 s结束；第2~3期（动脉早期）起始时间12.0 s，结束时间15.5 s，间隔时间3.0 s；第4~7期（CTA峰值期）起始时间18.0 s，结束时间24.5 s，间隔时间2.0 s；第8~12期（动脉晚期）起始时间26.5 s，结束时间37.0 s，间隔时间2.5 s；第13~18期（平衡期）起始时间39.5 s，结束时间65.0 s，间隔时间5.0 s（图1（a））。
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图 1 两种扫描协议示意图注：（a）A组扫描使用固定曝光条件，管电流量100 mAs；（b）B组根据不同扫描期相使用可变曝光条件，平扫期（第1期）管电流量240 mAs，CTA期（第4~7期）管电流量150 mAs，其余期相管电流量75 mAs。Figure 1. Schematic diagram of the two scanning protocolsB组管电压和旋转时间与A组相同，并根据各期相影像数据的诊断目的不同，使用不同的管电流量进行扫描，平扫期（第1期）管电流量240 mAs，CTA峰值期（第4~7期）150 mAs，其余期相均为75 mAs（图1（b））。两组其余扫描参数均一致。
图像重建参数。滤过算法为H-Soft-B，迭代重建等级5级，窗宽80，窗位40。厚层图像层厚、层间隔均为5 mm，薄层图像层厚、层间隔均为1 mm，矩阵512×512。对比剂为碘佛醇（320 mgI/mL），注射速率5.0 mL/s，总量50 mL，结束后以3.0 mL/s速率跟注生理盐水30 mL。
1.3 图像处理和评价
将图像传至联影CT图像处理工作站（uWS-CT R004）进行分析。
主观评价均由两名从事放射诊断工作5年以上的医师共同进行评价，两人评分不一致时，则由第3名高年资医师确定最终评分结果，评分≥3分为满足临床诊断要求，评分≤2分无法满足诊断要求。
1.3.1 颅脑平扫图像质量评价
CTP第1期扫描于对比剂注射后5 s时进行，此时对比剂尚未进入体循环到达颅脑。选择该期图像作为头颅平扫图像进行质量评价。
客观评价。选取基底节层面，ROI大小约为10~20 mm2，避开伪影及病变区域，分别测量健侧大脑半球灰质、白质以及颅外空气的CT值及其标准差（standard deviation，SD），SD值作为噪声值。以灰、白质噪声的平均值作为平扫图像噪声（SDp），并以颅外空气的噪声作为图像的背景噪声（SD1）[6]。
计算平扫图像的对比噪声比（contrast to noise ratio，CNR），CNRp=（灰质CT值 − 白质CT值）/背景SD1。
主观评价。由两名放射诊断医师共同对平扫图像进行评价，评价内容包括灰白质对比度、骨脑交界处硬化伪影干扰情况、梗死灶及出血灶的显示、主观噪声等。
上述评价指标按照5分法评定。评分标准[7]：5分，脑灰白质对比良好，结构显示清晰，图像噪声较小，无明显伪影；4分，脑灰白质对比良好，结构显示清晰，图像噪声适中，可有轻微伪影但不影响诊断；3分，脑灰白质对比尚可，结构显示较清晰，图像噪声适中，有少许伪影，基本满足诊断要求；2分，脑灰白质对比稍差，部分结构显示不清，图像噪声稍大，部分层面有少许伪影，诊断信心不足；1分，脑灰白质对比较差，部分结构显示不清，图像噪声明显，部分层面有严重伪影，无法满足诊断要求。
1.3.2 CTA图像处理和评价
将1 mm的薄层图像导入血管处理软件，选择大脑中动脉或大脑前动脉放置ROI，软件自动生成动脉血管的时间密度曲线（time density curve，TDC），选择CT值到达峰值前的一期图像进行CTA三维成像。
客观评价。测量颅内动脉的CT值及其噪声值（SDa），首选右侧颈内动脉进行测量和评估。若右颈内动脉有明显狭窄或闭塞，则选择左颈内动脉进行测量，若双侧颈内动脉均有明显病变，则选择椎动脉末端进行测量，ROI直径约为血管直径的1/2。测量同侧脑实质区CT值及其噪声值（SD2），ROI大小约为10~20 mm2。计算CTA图像的CNR，CNRa=（动脉CT值 − 脑实质CT值）/脑实质噪声SD2。
主观评价。由上述两名诊断医师共同对CTA图像进行主观评价，评价内容包括：动脉血管和周围结构的对比度、管壁锐利程度、侧支循环显示情况、主观噪声等，上述评价指标均按照5分法评定。评分标准[8]：5分，颈部及头部动脉血管内对比剂充盈良好，血管连续，轮廓光滑，血管壁边缘锐利，无伪影，图像噪较小；4分，颈部及头部动脉血管对比剂充盈良好，血管连续，轮廓清楚，管壁轻微模糊，或有轻微伪影，可用于诊断；3分，颈部及头部动脉血管充盈尚可，血管连续性尚可，管壁稍毛糙，或有轻度伪影，图像噪声稍大，基本满足诊断要求；2分，颈部及头部动脉血管充盈差或连续性欠佳，管壁毛糙，有较多伪影，图像噪声较大，诊断受限；1分，颈部及头部动脉血管不能识别，连续性中断，伪影重，图像噪声较大，无法诊断。
1.3.3 CTP图像处理和评价
两名诊断医生采用基于去卷积算法的脑灌注分析软件，对5 mm层厚的CTP图像进行数据分析。
客观评价。通过软件自动识别输入动脉和输出静脉，并由人工进行核对。参考CTA图像评价方法，选择合适的动脉作为输入动脉，避免选择有明显病变的血管，选择上矢状窦作为输出静脉，并绘制动、静脉的TDC曲线。在正常侧的脑灌注伪彩图上，选择基底节层面的颞叶白质及尾状核头区分别放置面积为约20 mm2的ROI，计算脑血流量（cerebral blood flow，CBF）脑血容量（cerebralblood volume，CBV）、平均通过时间（mean transit time，MTT）、达峰时间（time to peak，TTP）等灌注参数，以及残余组织达峰时间（time to maximum of the residual function，Tmax）＞6 s时的脑组织体积。
主观评价。由上述两名诊断医师共同对CTP图像进行主观评价。根据Li等[9]相关图像质量标准，将灌注伪彩图像进行评分：5分，灌注图像质量好，明显区分灰白质，无缺损区，完全可以诊断；4分，灌注图像质量较好，可以区分灰白质，无缺损区，可以诊断；3分，灌注图像质量一般，仍能区分灰白质，有较少缺损区，可以诊断；2分，灌注图像质量较差，灰白质难以区分，缺损区较多，基本可以诊断；1分，灌注图像质量差，缺损区很多，无法诊断。
1.4 辐射剂量
记录A组和B组患者的扫描长度、容积CT计量指数（volume CT dose index，CTDIvol）和剂量长度乘积（dose length product，DLP）。
1.5 统计学分析
采用SPSS统计软件进行统计学分析。采用Shapiro-Wilk检验计量资料的正态性，以均值±标准差
$( \bar x\pm s ) $ 表示符合正态分布的数据，两组间比较采用独立样本t检验。对两组图像的灰质CT值、白质CT值、图像噪声、背景噪声和CNR采用独立样本t检验；图像质量主观评分以中位数（上、下四分位数）M(Q1，Q3)表示。采用Kappa分析比较两名医师主观评分的一致性，Kappa值＜0.4为一致性较差，0.4≤Kappa值＜0.75为一致性中等，Kappa值≥0.75为一致性好。采用Wilcoxon符号秩检验比较主观评分结果。P＜0.05认为差异具有统计学意义。
2. 结果
2.1 两组患者一般资料及辐射剂量比较
A组和B组患者的性别、年龄、身高、体质量、扫描长度均无统计学差异。
B组患者较A组患者的CTDIvol增加了0.5%，DLP增加了0.9%，差异具有统计学意义（表1）。
表 1 两组患者一般资料及辐射剂量比较Table 1. General information and radiation dose comparison of the two patient groups项目 组别 统计检验 A组 B组 统计值 P 例数 50 50 − − 性别 男 28 27 0.400a 0.841 女 22 23 评价年龄/岁 62.8±13.5 60.3±12.1 0.997 0.321 身高/m 1.66±0.07 1.65±0.06 0.899 0.371 体质量/kg 68.5±9.1 69.8±8.9 0.773 0.441 扫描长度/cm 140.40±2.83 140.80±3.96 − 0.581 0.562 CTDIvol /mGy 152.20±0.15 153.09±0.412 −14.232 ＜0.001 DLP/（mGy·cm） 2136.74 ±39.822156.52 ±57.05−2.010 0.047 注：CTDI为CT剂量指数；DLP为剂量长度乘积，a为$\chi^2 $值，其他为t值。 2.2 平扫图像质量分析
A组和B组平扫图像脑灰质、白质的CT值均无统计学差异。B组图像噪声和背景噪声较A组分别下降了59.6%和46.7%，CNRp比A组提高100.5%，图像质量评分大于A组（图2（a）和图3（a）），差异均具有统计学意义（表2）。
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图 2 A组平扫和CTA图像注：（a）（b）为A组1例患者，各期管电流量均使用100 mAs进行扫描，平扫图像灰白质对比尚可，噪声稍大，右侧尾状核头低密度区显示欠清晰，诊断信心不足（白箭）。CTA图像上分支血管边缘欠光整，显示欠清晰（白箭）。Figure 2. Non-contrast and CTA images of one patient in group A![]()
图 3 B组平扫和CTA图像注：（a）（b）为B组1例患者，平扫期使用240 mAs进行扫描，图像细腻，灰白质对比良好。CTA期使用150 mAs进行扫描，血管边缘光整，分支血管显示清晰。Figure 3. Non-contrast and CTA images of one patient in group B表 2 两组患者平扫图像质量比较Table 2. Comparison of plain scan image quality between the two patient groups项目 组别 统计检验 A组 B组 统计值 P 灰质CT值 36.41±1.51 36.15±1.26 0.896 0.370 白质CT值 27.14±1.69 26.85±1.54 0.831 0.408 图像噪声SDp 4.75±0.78 1.92±0.22 8.537 0.000 背景噪声SD1 3.19±0.55 1.70±0.28 16.826 0.000 CNRp 10.33±2.11 20.72±3.53 −8.473 0.000 评分 3（3，3） 5（4，5） −8.681a 0.000 注：a为Z值，其余统计值均为t值。 两名医师的图像质量主观评分具有较高的一致性，Kappa值分别为0.77和0.81。
2.3 CTA图像质量分析
A组和B组CTA图像颅内动脉、脑实质的CT值均无统计学差异。B组动脉噪声和图像噪声较A组分别下降了23.2%和29.6%，CNRp比A组提高48.3%，图像质量评分大于A组（图2（b）和图3（b）），差异均具有统计学意义（表3）。
表 3 两组患者CTA图像质量比较Table 3. Comparison of CTA image quality between the two patient groups项目 组别 统计检验 A组 B组 统计值 P 颅内动脉CT值 391.64±64.57 409.61±72.56 1.113 0.269 动脉噪声SDa 7.00±0.73 5.37±0.65 −6.963 0.000 脑实质CT值 36.53±1.61 36.32±1.66 −0.546 0.586 图像噪声SD2 9.13±1.44 6.42±0.46 −7.414 0.000 CNRa 39.53±8.23 58.63±12.93 8.021 0.000 评分 4（3，4） 5（5，5） 5.745a 0.000 注：a为Z值，其余统计值均为t值。 两名医师的图像质量主观评分具有较高的一致性，Kappa值分别为0.88和0.83。
2.4 CTP图像质量分析
A组和B组CTP图像尾状核头及颞叶白质的CBV、CBF、MTT、TTP及Tmax＞6 s的脑组织体积均无统计学差异（表4）。
表 4 两组患者CTP结果和图像质量比较Table 4. Comparison of CTP results and image quality between the two patient groups项目 组别 统计检验 A组 B组 统计值 P 尾状核头 CBV 3.54±0.96 3.63±1.16 − 0.010 0.992 CBF 99.22±40.91 107.25±53.37 0.283 0.777 MTT 3.94±1.53 3.79±1.58 − 0.430 0.668 TTP 19.13±2.79 18.31±2.41 −1.391 0.168 颞叶白质 CBV 1.98±0.72 2.00±0.79 − 0.152 0.880 CBF 45.03±18.42 42.76±23.26 −1.131 0.258 MTT 5.55±2.30 5.59±2.07 0.470 0.639 TTP 20.58±2.81 20.39±2.55 − 0.316 0.753 评分 4（4，5） 4（4，5） −1.076a 0.282 Tmax＞6 s的脑组织体积/mL 74.19±126.79 34.56±78.94 1.876 0.064 注：a为Z值，其余统计值均为t值。 两名医师的图像质量主观评分具有较高的一致性，Kappa值分别为0.87和0.80。
3. 讨论
在一站式颅脑CT扫描中，CT平扫主要用于出血性脑血管病和缺血性脑血管病的鉴别、梗死灶的评估以及ASPECT评分等[10-12]。CTA主要用于判断病因，明确责任血管，评估侧支循环情况，能够更全面地显示血管形态。相较于DSA对血管产生刺激作用而引起多种检查相关不良反应，CTA更加安全可靠[13]。CTP主要是利用多种灌注参数的定量分析，评估脑组织微循环的灌注状态，从而精确评估脑缺血区的范围大小及其严重程度。临床工作中，CTA与CTP两者联合应用具有更准确的评估价值，能够弥补血流灌注随时间而变化的不足，为卒中等脑血管病患者治疗策略的选择，提供更充分的影像学支持[14-16]。
一站式颅脑CT成像不同成像阶段的检查目的不同，对图像质量要求亦不相同。相对于颅脑平扫和CTA而言，CTP对图像的噪声、SNR等客观指标要求相对较低。既往研究显示，可通过优化采集流程，减少扫描期相、降低管电流量及管电压等方法来降低CTP的辐射剂量[17]。在固定曝光条件的一站式扫描中，所有期相使用相同的曝光条件，为了控制整个扫描的辐射剂量在可接受的范围，往往使用较低的曝光条件[18]。通过降低管电流量尽管可以降低辐射剂量，但过低的管电流量会造成图像伪影的产生和噪声的增加[19]，从而导致平扫和CTA的图像质量较差，甚至影响诊断。
因此本研究使用的可变曝光条件的一站式扫描，每一个扫描阶段的管电流量都可以独立设置。对于图像质量要求较高的平扫和CTA期，使用较高的曝光条件，与固定曝光条件组相比，平扫和CTA期的图像质量都明显提高，提升医生的诊断信心。
本研究在对CTA图像进行分析时，我们并未选择动脉CT值到达峰值时的图像进行CTA图像评估，这是因为随着动脉CT值的不断升高，颅内静脉逐渐显影，当动脉CT值到达峰值时，静脉内已有大量对比剂，存在静脉污染现象，影响CTA成像效果。因此我们选择动脉CT值到达峰值前的一期图像进行CTA评估，以获得更高质量的CTA图像。而CTP图像主要用于计算血流灌注参数，对图像噪声的宽容度较高，可以使用较低的曝光条件，我们研究的结果显示，固定曝光条件及可变曝光条件两组CTP的灌注参数均无统计学差异，满足诊断要求。
本研究存在的局限性：①本研究B组对CTA期（第4~7期）采用较高的管电流量进行扫描，是否可以更加精准判断CTA期，减少使用高剂量扫描的期数，进一步降低辐射剂量，有待于进一步研究；②本研究共进行18期扫描，与他人关于降低颅脑CTP辐射剂量的研究相比，仍有进一步减少采集次数，降低辐射剂量的空间。
综上所述，相较于固定曝光条件，可变曝光条件的一站式颅脑CT，在没有明显增加辐射剂量的前提下，显著提高了平扫和CTA的图像质量，同时保证灌注图像质量和结果无差异，为临床准确评估病情，制定个体化治疗方案提供影像学依据。
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图 1 新冠肺炎不同时期CT表现
Figure 1. CT imaging features and evolution of different stages of COVID-19
表 1 不同时期CT表现
Table 1 CT findings in patients with new coronary pneumonia in different periods
CT表现 早期 进展期 转归期 磨玻璃 26（81％） 32（37％） 48（34％） 实变+磨玻璃 6（19％） 55（63％） 90（64％） 胸膜下分布 13（40％） 24（28％） 48（34％） 胸膜下+支气管血管周围分布 19（60％） 63（72％） 90（64％） 多叶 32（100％） 87（100％） 137（98％） 单叶 1（2％） 其内小叶间隔增粗 32（100％） 85（97％） 5（3％） 其内血管增粗 32（100％） 87（100％） 1（10％） 支气管充气征 1（3％） 6（7％） 2（1％） 条索 48（55％） 48（34％） 胸腔积液 6（7％） 1（1％） 肺气肿 3（3％） 
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