科普 | 新冠肺炎诊断中的“白肺”，究竟是指什么？

水瓶灬淺淺忆

White Lung 白肺
最近新型冠状病毒肺炎疫情牵动人心，有一个词常常出现在患者病情描述中，“白肺”。但是，什么是白，什么是黑，你真的清楚吗？
精华浓缩版
CT及胸片中黑色代表着这个部位对于X射线的衰减能力弱，一般情况下也就意味着密度低。因而健康的肺充盈着呼吸的空气时，除了血管外的绝大部分在图像中应该是黑色的。当肺部出现异常的白色区域时，意味着该部位的密度升高，可能是炎症引起。由于胸片无法显示细微结构，因此当胸片呈一大片白色形成“白肺”时，患者的症状可能已经相当严重。
我仅从一个物理师的角度，同大家讨论一下CT或胸片中的白与黑。
1、 图像是如何产生的
下图为CT扫描的示意图，其中X射线球管产生X射线，而对侧的探测器获取穿过人体后的X射线信号。




图 1 第三代CT（左）及第四代CT（右）示意图。
(图片来源于https://oncologymedicalphysics.com/ct-special-topics/，侵删)
当X射线穿过人体时会受到一些“阻力”，从而衰减。X射线衰减的程度与其到达探测器路径上的介质有关。一般而言，CT所用能量的X射线衰减程度与人体内物质的密度正相关。因此，通过探测X射线的衰减程度，我们可以逆推出人体内不同位置的密度。
X射线在体内的衰减其实也就是沉积了能量在人体内，也就是我们常说的“辐射”。
正如之前所言，探测器获取的是从X射线球管到探测器这一路上的衰减程度，因此当我们拍胸片时，图像映的是X射线从身体后侧到前侧（这样能减少心脏所受的辐射）总的衰减程度。而CT则因为X射线会围绕身体一周穿过人体，因而在经过一系列信号处理后，能够获取到每一个位置的衰减程度，从而可以更清楚的分辨不同的组织及识别病灶。这也是CT的辐射量比常规胸片高的原因。
2、图像是如何显示的
在CT中，我们通常会用CT值（也称之为Hounsfield Unit，HU）描述某个部位对于X射线的衰减能力。一般而言，CT值越高代表对于X射线的衰减能力越强，对应物质的密度也越高。
而在将CT值矩阵转化为我们所看到的图像的过程中，灰度是最常用的显示办法。具体到实际显示过程中，需要给定一个最大CT值和最小CT值（临床上一般用窗宽和窗位）。对于大于最大CT值的部分，用白色显示；对于小于最小CT值的部分，用黑色显示。而CT值介于二者之间的，则由不同程度的灰色显示


图 2 灰度条。
（ 图片来源于http://2il.org/how-to-make-a-realistic-3d-sketch-painting-illusion/grayscale-value-chart/，侵删)
因此，在CT图像中，白色意味着这个部位的CT值更高也就是对于X射线的阻挡本领更强，一般情况下，也就是密度更高。黑色则相反。这也是为什么一般人体外部分是黑色，因为空气的密度是很低的。
在实际应用中，对于人体不同器官、组织，会使用不同的窗宽和窗位以提高对比度从而更好地分辨不同的组织和发现病灶。
胸片的显示与CT类似，但其反映的是背部到前胸一条线上整体的对于X射线的衰减效果，因此无法显示细微结构。
3、 肺部成像
了解了成像的原理之后，读者应该已经有一个直观的印象，图像中越白的区域对应的密度越高，越黑则越低。具体到肺而言，健康的肺充盈着呼吸的空气，绝大部分位置的密度应该是比较低的。当然，肺里面还有血管和血液，因而肺部成像不可能是全黑的。




图 3 正常人的胸部X片及CT。
（图片来源于https://radiopaedia.org/cases/normal-chest-x-ray，https://radiopaedia.org/images/157288，侵删）
当肺部CT中某些部位出现异常的白色时，最直观也最准确的判断是这个部位的密度升高了。
这时候就需要影像科医生结合患者整体的图像和其具体情况做出判断，密度的升高是因为炎症还是其他的原因，并出具相应的报告。但即便确认是炎症引起，从图像上可能也无法定位到究竟是什么引起的肺部感染。
《新型冠状病毒感染的肺炎诊疗方案(试行第五版)》将湖北地区具有肺炎影像学特征的疑似病例新划分为临床诊断病例。这样做是为了避免核酸检测阳性率低而造成的漏检；但另一方面，无法仅凭影像学特征将其归为确诊病例，这是因为其他的病毒性或细菌性肺炎医学影像与新型冠状病毒感染的肺炎类似。


图 4 同一例新型冠状病毒肺炎确诊病例的胸部X片及CT
（ 图片来源于 郑颖彦，马昕，王慧英，王东东，耿道颖，尹波．新型冠状病毒肺炎的 CT 征象[J/OL]．上海医学.，侵删)
百度百科里对于“白肺”的定义如下：白肺一般是指的重症肺炎其在X光检查下的表现，肺部显影呈一大片的白色状而得名。形成白肺一般都预示着肺部有被炎症所侵润。
如在原理部分所说，X光胸片无法如CT一样显示细微结构，因此在CT上有影像学表现时胸片可能并不明显（如图4）。但当胸片也呈现一大片白色状时，则意味着其症状可能已经相当严重。


图 5 新型冠状病毒肺炎重症患者CT。
（图片来源于 宋斌， 影像学在抗击新冠肺炎战“疫”中的价值，侵删）
作者：Deqi Chen, Haonan Xiao, Chenyang Liu
参考文献：

• 郑颖彦，马昕，王慧英，王东东，耿道颖，尹波．新型冠状病毒肺炎的 CT 征象[J/OL]．上海医学
  

2. 宋斌， 影像学在抗击新冠肺炎战“疫”中的价值
3. https://oncologymedicalphysics.com/ct-special-topics/
4. http://2il.org/how-to-make-a-realistic-3d-sketch-painting-illusion/grayscale-value-chart/
5. https://radiopaedia.org/cases/normal-chest-x-ray，
6. https://radiopaedia.org/images/157288

昆山杜克大学医学物理项目介绍

医学物理是一个新兴的交叉学科，研究如何将物理知识运用到人类疾病的诊断和治疗当中，它结合了物理，数学，计算机，大数据，生物和医学等多方面知识。昆山杜克医学物理项目主要有 Diagnostic Imaging（诊断成像），Radiation Therapy（放射治疗），Nuclear Medicine（核医学）三个方向。
昆山杜克大学医学物理硕士项目（Master of Science in Medical Physics, MScMP）与美国杜克大学医学物理硕士项目（Duke Medical Physics)合办。2年硕士项目，中美双国教学，获得美国杜克大学的理学硕士学位证书，7个月在美国杜克大学本部完成理学硕士学位thesis research project。适合物理学，核物理，生物医学工程等物理学相关专业学生。
我们的往届学生的毕业生去向：往届毕业生读博去向有顶尖高校，如美国杜克大学，美国MD Anderson癌症中心（全美排名top 1 的癌症医院），美国明尼苏达大学，美国亚利桑那大学，香港中文大学等。工作去向遍及亚洲各大顶级医院，如医学科学院肿瘤医院、北大肿瘤医院、新加坡国立大学附属医院等。

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不要虐待自己

白色意味着密度高，类似于信号被某种物质“阻挡”