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서희 권
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1 대한내과학회지 : 제 77 권제 4 호 2009 특집 (Special Review) - Updates of COPD 만성폐쇄성폐질환에서흉부 CT 의임상적이용 아주대학교의과대학영상의학교실 박경주 Clinical use of chest CT in chronic obstructive pulmonary diseases Kyung Joo Park, M.D., Ph.D. Department of Radiology, Ajou University School of Medicine, Suwon, Korea Chronic obstructive pulmonary disease (COPD) is commonly a combination of pulmonary emphysema and chronic bronchitis. Emphysema is a pathologically defined disease that can be accurately diagnosed using CT. Furthermore, CT is useful for determination of the subtypes, extent and distribution of emphysema. Objective quantification of emphysema is feasible using CT densitometry of lung parenchyma, that can be used for selection of adequate candidates and monitoring clinical results of various therapeutic measures for severe emphysema. Imaging parameters in CT densitometry should be kept constant in follow up examination for an effective comparison of the results. Chronic bronchitis is diagnosed by symptomatic criteria with nonspecific CT findings. Airway dimensions can be objectively measured using CT, enabling further understanding of pathophysiology of COPD. (Korean J Med 77: , 2009) Key Words: Pulmonary disease, Chronic obstructive; Pulmonary emphysema; Bronchitis, Chronic; Tomography, X ray computed; Image processing; Computer Assisted 만성폐쇄성폐질환 (Chronic obstructive pulmonary disease; COPD) 은기침과가래, 호흡곤란등의임상증상이있는환자에서폐기능검사소견이기류폐쇄 (airflow obstruction) 를보일때진단된다 1). COPD 는이와같이폐의기능적인이상으로정의되는질환이나, 병리적으로는주로폐기종 (emphysema) 과만성기관지염 (chronic bronchitis) 으로이루어지며, 이두소견이 COPD의증상발현에기여하는정도는매우다양하다. CT는흉부 X 선촬영과더불어해부학적인변화를보여주는영상검사이다. 따라서이글에서는 COPD의 CT 영상진단에대해알아보기위해서병리적요소인폐기종과만성기관지염의두가지로나누어접근하고자한다. 폐기종폐기종은 종말세기관지이하말초부위의공기공간이분명한섬유화가없이폐포벽파괴를동반하여비정상적으로영구적인확장 을보이는병리소견으로정의되는폐질환이다 2). 폐기종은폐용적의증가, 환기감소, 일산화탄소확산능의감소등을가져온다. 그러나폐기능검사는폐공기증의진단에민감도가높지않은것으로알려져있다. 폐기능검사의측정치는조직병리에서폐기종의해부학적범위와상관관계가높지않으며, 전체폐실질의약 30% 까지폐기종이차지하고있어도폐기능검사에서폐쇄성소견을보이지않고, 정상범위로나타날수있다고한다 3). 폐기종의주된흉부 X-선소견은폐의과도팽창 (hyperinflation) 과폐조직파괴이다. 가로막의위치가낮고모양이

The Korean Journal of Medicine: Vol. 77, No. 4, 2009 B A Figure 1. In patients with emphysema, areas of abnormally low attenuation are shown without visible walls on CT scans.

In patients with panlobular emphysema (B), CT shows confluent areas of homogenous lower attenuation that involve lower lung zones more severely.

C 납작하게 되며, 갈비가로막각(costophrenic angle)이 둔탁해지 폐기능 검사보다 병리 소견과의 연관성이 더 높게 나타난 고, 흉골뒤공간이 넓고, 심장 음영이 좁고 길게 나타나는 변 8) 다. 또한 증상이 없거나 임상적으로 폐기종으로 진단되지 화가 과도팽창의 소견이다.

2 The Korean Journal of Medicine: Vol. 77, No. 4, 2009 B A Figure 1. In patients with emphysema, areas of abnormally low attenuation are shown without visible walls on CT scans. Centrilobular emphysema (A) is characterized by multiple small focal areas of low attenuation with centrilobular location (arrows), containing central dot representing centrilobular core. In patients with panlobular emphysema (B), CT shows confluent areas of homogenous lower attenuation that involve lower lung zones more severely. Note decrease in diameter and number of pulmonary vessels in severely involved areas. Paraseptal emphysema (C) involves periphery of secondary lobule, most severely in a subpleural location (arrows). C 납작하게 되며, 갈비가로막각(costophrenic angle)이 둔탁해지 폐기능 검사보다 병리 소견과의 연관성이 더 높게 나타난 고, 흉골뒤공간이 넓고, 심장 음영이 좁고 길게 나타나는 변 8) 다. 또한 증상이 없거나 임상적으로 폐기종으로 진단되지 화가 과도팽창의 소견이다. 큰공기집(bullae)이 보이거나 폐 않은 환자의 상당수에서도 CT에서는 확실한 폐기종을 보이 혈관의 수가 감소하고 가늘어지는 소견은 폐조직파괴를 나 9) 는 경우가 많다. 타낸다4 6). 이와 같은 이상소견이 흉부 X-선 사진에서 확연 CT는 폐기종의 종류를 평가하는 데도 유용하다. 중심소 하게 나타나는 경우도 있으나 경미하거나 중등도의 폐기종 엽형(centrilobular type)은 수 mm에서 1 cm 크기에 이르는 은 흉부 X-선에서 진단되기가 무척 어려우며 그 정확도도 원형모양의 저음영(low density) 영역이 소엽(lobule) 중심에 낮다. 또한 흉부 X-선 소견은 폐기능 검사와도 잘 호응이 되 다발성으로 나타난다. 이 저음영의 중심에는 흔히 세동맥 3 6) (arteriole)이 미세한 점으로 나타나 특징적인 모양을 이룬다 지 않는 경우가 많다. (그림 1A). 범소엽형(panlobular type)은 소엽 전체를 침범하 1. 폐기종의 CT 진단 는 저음영으로 나타나고 폐 전체에 분포하거나 하엽에 심한 CT는 폐기종의 진단에 가장 민감도가 높은 영상 검사이 분포를 보인다(그림 1B). 소엽간막주변형(paraseptal type)은 2 다. 폐기종을 가진 부위는 정상폐실질에 비해 낮은 음영(low 차 소엽(secondary lobule)의 주변부 또는 흉막하부위(sub- density)으로 나타나고 폐혈관의 굵기와 수가 감소하며 폐용 pleural area)를 침범하고 상엽에 분포한다(그림 1C). 6,7) 적의 증가를 보인다. 흔히 고해상 CT라고 하는 1.5 mm 이 CT는 기관지천식이나 폐쇄세기관지염(obliterative bron- 하의 얇은 절편을 사용해서 검사를 하면 낮은 음영이 더 뚜 chiolitis) 등 다른 원인의 폐쇄성폐질환과 폐기종을 구별하는 렷하게 나타나고 더 정확한 진단이 가능하다(그림 1). CT는 데도 유용하다10). 최근에는 얇은 절편 CT를 사용하여 폐의 폐기능 검사에 비해 폐기종의 진단에 더 정확하다. CT를 사 자동적인 구조분석(textural analysis)을 통해 여러 가지의 다 용해서 폐기종이 있는 지와 어느 정도 심한 지를 평가하면 11) 양한 폐쇄성폐질환의 감별이 가능하다는 보고도 있다

- Kyung Joo Park. Clinical use of chest CT in chronic obstructive pulmonary diseases - Figure 2. A diagram is generated for CT quantification of emphysema.

3 - Kyung Joo Park. Clinical use of chest CT in chronic obstructive pulmonary diseases - Figure 2. A diagram is generated for CT quantification of emphysema. Two images in upper row are separately segmented right and left lungs. Highlighted pixels representing low attenuation areas (arrows) are shown in left lower image. Results of histogram analysis are shown in right lower image. 2. CT를이용한폐기종의정량화최근심한폐기종환자의치료에새로운방법, 즉폐이식이나폐절제술, α1 antitrypsin 결핍에동반된폐기종의증강치료법 (augmentation therapy) 등이적용되고있다. 이러한치료방법은환자의선택이나치료효과의판단등을위해폐기종의정량화를필요로한다. 위에언급했듯이 CT는폐기종의진단에가장정확한검사이므로폐기종의정량화에도효과적일것으로기대할수있을것이다. 초기에는 CT영상에서나타나는저음영영역의범위를판독자가점수화하는시각적방법 (visual scoring method) 이이용되었다. Goddard 등 12) 은각절편영상에서폐기종영역이폐에서차지하는비율에따라 25% 미만을 1, 25~50% 를 2, 50~75% 를 3, 75% 이상을 4로점수화한다음각절편영상에서양측폐의점수를합산한값이최대로가능한수치에서차지하는비율을폐기종지수로하였다. 이렇게하여얻은결과는폐기능검사나병리소견과높은상관관계를보여폐기종정량화에정확한방법으로보고되었으나 8,12,13), 이러한시각적방법은판독자에따른변화가불가피하기때문에좀 더객관적인방법을필요로하게되었다. 컴퓨터를이용한정량화는 CT 영상을이루는각화소 (pixel) 의하운스필드값 (Hounsefield Unit, HU) 을측정함으로써이루어진다. 폐기종을가진폐는 CT영상에서저음영영역으로나타나고일정한 HU보다낮은값을가질것이라는것이다. Hayhurst 등 14) 이최초로이러한방법을시도하여폐기종을가진환자는 900 HU에서 1,000 HU 범위의화소수가정상인보다더많다고보고하였다. Müller 등은일정한범위의 HU에해당되는화소를색깔을다르게하여나타내주는 Density Mask 프로그램을사용하여폐기종을정량화하였고, 이렇게하여얻은값이병리소견에서얻은값과높은상관관계가있으며 15), 이방법이폐기능검사의결과와도상관관계가높음을보여주었다 16). 현재는컴퓨터를이용하여자동화된다양한방법들이폐기종의정량화에사용되고있다 17 22). 이러한컴퓨터프로그램은최근의 CT 장비에서는함께제공되는워크스테이션에내장되어있는경우가많아추가비용없이쉽게이용할수가있다. CT 정량화는대개세가지단계로이루어지는데, 1)

4 - 대한내과학회지 : 제 77 권제 4 호통권제 590 호 Figure 3. A histogram of pixel values of the lungs (thin arrow) is generated for calculation of parameters of emphysema quantification. Total and each lung volumes, emphysema volume, ratio, mean lung density are displayed. Emphysema volume is calculated using a low density threshold, 950 HU in this particular case (thick arrow in histogram). 200 HU부터 500 HU까지의역치값 (threshold) 을사용하여흉벽이나종격등으로부터폐를분할하고 2) 폐를구성하는모든화소의 HU 값의분포에따른히스토그램을얻고 3) 폐기종을정량화하는파라미터를계산하는순서이다 ( 그림 2). 가장흔하게사용되는파라미터는폐기종의 상대적면적 (relative area) 으로서전체폐면적에서일정역치이하의저음영영역의면적이차지하는비율을나타내는수치이다 ( 그림 3). 폐기종을나타내는저음영영역을정상폐와구분하는역치는 900 HU에서 980 HU까지다양하게사용된다. 과거에 10 mm 두께의 CT영상을이용했을때저음영역치는흔히 900 또는 910 HU가사용되었다. 1 mm 두께의얇은절편영상에서는 950 HU를사용하는것이병리소견과가장연관성이높다고하였으나 22,23), 최근의다절편 CT를사용했을때는 960 또는 970, 980 HU가정확하다고하며 24,25), 950과 960 HU가폐기능검사결과와호응도가높다고한다 26). 백분위점 (percentile point) 도정량화에사용되는파라미터인데특별히지정된백분위 (%) 의범위에포함되는폐의화소가그보다낮은 HU를보이고나머지화소는그보다높은 HU를가지는경계의 HU 값을나타내는것으로 15% 또는 1% 백분위점이많이사용된다. 폐실질의음영도측정 (densitometry) 에는 CT 촬영기술상의여러요인이결과에영향을줄수있다. CT 장비의종류, kvp, ma, 절편두께, 영상재구성연산법 (reconstruction algorithm), 정맥조영제사용여부등이폐실질의음영에영향을준다. 따라서 CT를이용하여폐기종의정량화를시도할때는이러한모든기술적인요인들을일정하게유지하여야한다. CT 장비는제조사나모델에따라 HU가다양하게변화할수있으므로물이나공기팬톰을사용하여주기적으로정도관리가이루어져야일관된값을얻을수있다 27,28). CT를시행할때는환자의방사선피폭량을되도록낮추는것이좋을것이다. 그러나방사선량이적으면영상의잡음 (noise) 이증가되어폐실질의음영도에영향을주게된다. 일반적으로흉부 CT 촬영은 100 ma 이상을사용한다. 그러나 20~40 ma까지의저선량 CT로도폐기종의정량화가가능하다고알려져있고 25), 이런경우에주의할점은이러한촬영기법을일정하게유지해야만비교가가능하다는것이다. 저선량의 CT에서얻은결과를일반적인방법을사용한경우와비교할수는없다. 절편두께는얇을수록폐실질의음영이감소된다. 또한서로다른재구성연산법을사용하면폐공기증의범위가 15% 까지차이가날수있다고한다 29). 정맥조영증강을시행하면폐음영의증가가있고따라서저음영영역이감소된다. 그러나폐기종이있는폐영역은정상부위보다조영증강의정도가더낮다고알려져있다 19). 환자의환기용적도폐음영에영향을준다. 흡기때보다호기때에폐음영은증가되고정상폐와폐기종영역의대조가심해진다 20). 따라서 CT 촬영을할때폐활량을측정하면서일정한환기용적을유지하는방법이사용되기도하나절차가번거롭기때문에폐활량측정없이최대흡기때에촬영하는방법을일반적으로사용한다. Gierada 등 22) 은최대흡기때에촬영된 CT로폐기종을정량화하면결과가일관되게나오고, 폐활량측정을하면서 CT를시행하더라도큰이점이없었다고보고하였다. 호기때촬영의역할에대해서는아직도논란이있다. Gevenois 등 23) 은병리소견과비교했을때흡기때의 CT가호기때의 CT보다폐기종의정량화에더정확한결과를보였다고하였고, 호기때의저음영영역은폐포벽의파괴보다는공기포획 (air trapping) 을반영할것이라고보았다. 그러나호기때의영상을이용한정량화가폐기능검사와연관성이더높다는보고도있다 30,31). 폐기종의 CT 정량화는폐용적감쇄술 (lung volume reduction surgery, LVRS) 에서대상환자의선택이나평가, 임상적

- 박경주. 만성폐쇄성폐질환에서흉부 CT 의임상적이용 - 지않은환자는대부분정상흉부 X-선소견을보인다. 간혹기관지벽비후와소위 dirty chest 라고하는폐실질의음영증가소견이있을수있으나비특이적이고미세한변화인경우가많다. 1. 만성기관지염의 CT 진단 Figure 4.

5 - 박경주. 만성폐쇄성폐질환에서흉부 CT 의임상적이용 - 지않은환자는대부분정상흉부 X-선소견을보인다. 간혹기관지벽비후와소위 dirty chest 라고하는폐실질의음영증가소견이있을수있으나비특이적이고미세한변화인경우가많다. 1. 만성기관지염의 CT 진단 Figure 4. Thin section CT image in a COPD patient shows bronchial wall thickening (arrows) and low attenuation areas in lungs. 결과를판정하는데도이용될수있다. Gierada 등 32) 은양측폐의 LVRS 를시행한 46명의환자에서 CT 정량화의다양한파라미터가임상적결과와연관성이높았고, 폐기종의분포와심한정도가 LVRS 의결과를예측하는데도움을준다고하였다. 폐의상부나하부에심한분포를가지는폐기종환자의경우에미만성분포를가지는경우보다 LVRS 에의한성과가더좋은것으로알려져있다 33). CT 정량화는 α1 antitrypsin 결핍에동반된폐기종의증강치료법 (augmentation therapy) 의효과를평가하는데도이용되었는데, Dirksen 등 34) 은히스토그램분석을통해 15% 백분위점을얻어이방법이폐기종의진행을찾아내는데폐기능검사보다두배가민감하다고하였다. 폐종양으로폐절제가시행되는환자에서수술후폐기능을예측하는데도 CT 정량화가이용될수있다. 수술전폐기종의정량화로계산된 FEV 1 을수술후의결과와비교했을때높은정확도를보였고, 관류스캔이나관류 MRI의결과와도호응도가높다고보고되었다 35,36). 만성기관지염 만성기관지염은만성적이고과도한기침가래를가지는임상증상에의해진단되는질환으로병리소견에서는기관지벽비후, 평활근증식, 염증, 점액선비대, 염증과섬유화에의한소기도폐쇄등을보인다 37). 그러나방사선영상에서뚜렷한이상소견을보이는경우는드물며폐기종이동반되 만성기관지염은 CT에서도비특이적소견을보인다. 병리소견과같이기관지벽의비후가나타나고세기관지의이상을보여주는 tree in bud 양상의중심소엽음영을보일수있다 ( 그림 4). 폐기종이주된소견으로나타나거나호기시촬영에서공기포획이보일수도있다. 그러나이러한소견은모두비특이적이며만성기관지염이 CT로진단되기는어렵다. CT 또한흉부 X-선과같이만성기침가래가있는환자에서다른원인의질환을감별하는데더큰역할이있다고할수있을것이다 5). 2. 기도크기의 CT 측정앞에서기술한바와같이폐기종은폐기능검사의결과와잘호응되지않으며, COPD 환자에서의기류제한 (airflow limitation) 에소기도 (small airway) 질환이더의미있는영향을준다고알려져있다. 따라서 CT를사용하여기도벽비후 (airway wall thickening) 를측정하려는연구들이있었고, 초기에는 CT 영상에서판독자가직접수기적으로측정하는방법이사용되었다. Remy Jardin 등 38) 은이러한방법으로정상폐기능검사소견을가진건강한흡연자의 33% 에서 CT상기관지벽비후를발견할수있었다고한다. 그러나이러한수기적인방법은판독자간에변이도가크고오차가많은단점이있다. 컴퓨터프로그램을이용하여 CT 영상에서더객관적으로기도벽의두께를측정하는방법이연구되어많은성과가보고되었다 39 43). 가장흔히사용되는것은 full width at halfmaximum 방법이다 39). 이것은네단계의작업이필요한데먼저 500 HU 정도의역치를사용하여기도의내강 (lumen) 을구분하고단경과장경을측정하여내강의중심점을정한다. 다음으로는이중심점에서 360도를돌려가며다수의부챗살모양의선을설정한다음이선상의 X 선감쇄값을측정하고선이기도벽을횡단하는부위에서 full width at halfmaximum 법을사용하여기도벽두께를측정한다. 이방법은기도벽의두께가크게, 기도내강은작게측정되는경향이있는것으로보고되었고, 이외에도다른다양한기도측정방법들이사용되고있다 40,41)

6 - The Korean Journal of Medicine: Vol. 77, No. 4, Nakano 등 39) 은 114명의흡연자에서우상엽의꼭대기구역 (apical segment) 에서기관지벽의두께를측정하였다. 위에기술한방법을사용하여측정된기관지벽의두께는 FEV 1 의감소와높은연관성을보였으며, 기관지벽의두께는 COPD 환자중에서만성기관지염의증상을가진환자에서그런증상이없는환자보다더심하게두껍다고보고하였다. COPD에서의기도협착은 2 mm 미만의내측직경을가진막성기도 (membranous airway) 에서주로일어난다고알려져있다. 그러나이와같이작은기도를 CT에서측정하려면오차가크기때문에정확한측정이어렵다. Nakano 등은 CT를사용하여큰크기의기도에서측정된벽면적의비율이같은환자의조직소견에서측정된세기관지벽면적의비율과의미있는상관관계가있다고보고하였다 42). 따라서 CT로두께측정이가능한큰기도의벽비후나협착정도가소기도의염증정도를정량화할수있는지표로사용할수있음을보여주었다. MDCT 를사용하면흉부전체에서얇은절편의영상을얻을수있고상하방향에서도축 (axial) 방향과같은해상도를가지는등방성복셀 (isotropic voxel) 이얻어진다. Hasegawa 등 43) 은곡면다면영상 (curved multiplanar reformat) 을사용하여폐의부위나기도의방향에상관없이 2 mm 크기까지의기도의단면영상을얻어벽두께를측정할수있었고, 기도의크기가작을수록 FEV 1 과의상관관계가높았다고보고하였다. 최근의보고에서는 CT를사용하여폐기종과기도변화의범위를모두정량화하면폐실질의파괴가주요요인인 COPD 환자와기도질환이주요원인인환자를구분할수있다고한다 44). 또한이러한 CT 정량화수치를객담내의호중구수 (neutrophil count) 와비교했을때말단기도의변화가폐기종보다더높은상관관계를보였다고하여 45), COPD 환자에서 CT를사용하여기류제한의병리적인변화를측정할수있는방법을제시하고있다. 요약 COPD는흔히폐공기증과만성기관지염이혼합되어나타난다. 폐기종은병리적으로정의되는질환으로서 CT를사용하여정확한진단이가능하다. 또한폐기종의종류, 범위와분포등의특성을파악하는데도유용하다. CT를이용하여폐실질의음영도측정을시행하면객관적인폐기종의정량화가가능하며, 중증의폐기종에대한다양한치료방법을적용하기위한환자의선택이나치료결과를추적하기위한 정보를얻을수있다. 검사결과의의미있는비교를위해서는추적 CT를시행할때항상같은영상파라미터를사용해야한다. 만성기관지염은임상증상으로진단되며 CT 소견은비특이적이다. CT를사용하여기도벽비후를객관적으로측정할수있고, 이를통해 COPD 환자에서병태생리의더깊은이해가가능하리라고기대된다. 중심단어 : 만성폐쇄성폐질환 ; 폐기종 ; 만성기관지염 ; X 선컴퓨터단층촬영 ; 컴퓨터를이용한영상처리 REFERENCES 1) American Thoracic Society / European Respiratory Society Task Force. Standards for the diagnosis and management of patients with COPD [Internet]. Version 1.2. New York: American Thoracic Society; 2004 [updated 2005 September 8]. Available from: 2) National Heart, Lung, and Blood Institute. The definition of emphysema. Report of a National Heart, Lung, and Blood Institute. Division of Lung Diseases Workshop. Am Rev Respir Dis 132: , ) Pratt PC. Role of conventional chest radiography in diagnosis and exclusion of emphysema. Am J Med 82: , ) Kazerooni EA, Whyte RI, Flint A, Martinez FJ. Imaging of emphysema and lung volume reduction surgery. Radiographics 17: , ) Webb WR. Radiology of obstructive pulmonary disease. AJR Am J Roentgenol 169: , ) Thurlbeck WM, Müller NL. Emphysema: definition, imaging, quantification. AJR Am J Roentgenol 163: , ) Stern EJ, Frank MS. CT of the lung in patients with pulmonary emphysema: diagnosis, quantification, and correlation with pathologic and physiologic findings. AJR Am J Roentgenol 162: , ) Bergin CJ, Muller NL, Nichols DM, Lillington G, Hogg JC, Mullen B, Grymaloski MR, Osborne S, Paré PD. The diagnosis of emphysema: a computed tomographic pathologic correlation. Am Rev Respir Dis 133: , ) Sashidhar K, Gulati M, Gupta D, Monga S, Suri S. Emphysema in heavy smoker with normal chest radiography: detection and quantification by HRCT. Acta Radiol 43:60 65, ) Copley SJ, Wells AU, Muller NL, Rubens MB, Hollings NP, Cleverley JR, Milne DG, Hansell DM. Thin section CT in obstructive pulmonary disease: discretionary value. Radiology 223: , ) Chabat F, Yang GZ, Hansell DM. Obstructive lung diseases: texture classification for differentiation at CT. Radiology 228: ,

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Original Article pissn J Korean Soc Radiol 2012;67(5): CT Densitometry of the Lung in Healthy Nonsmokers with Normal Pulmonary Functi Original Article pissn 1738-2637 J Korean Soc Radiol 2012;67(5):341-348 CT Densitometry of the Lung in Healthy Nonsmokers with Normal Pulmonary Function 1 정상폐기능의비흡연자에서흉부전산화단층촬영덴시토메트리 1 Tack Sun Oh, MD