計(jì)算機(jī)輔助下支氣管自動(dòng)測(cè)量與手動(dòng)測(cè)量的對(duì)照研究

沈 聰，鄒常詠，辛?xí)悦?2，銀 楠，王 君，郭佑民，劉 敏，丁 暉

(1. 西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院影像科，陜西西安 710061；2. 西安市第三醫(yī)院，陜西西安 710082；3. 北京中日醫(yī)院影像科，北京 100029)

支氣管參數(shù)作為重要的生物學(xué)標(biāo)記在呼吸系統(tǒng)疾病的評(píng)價(jià)中應(yīng)用廣泛，支氣管管壁及內(nèi)腔等的測(cè)量在監(jiān)測(cè)氣道形態(tài)學(xué)改變方面發(fā)揮重要作用，如哮喘[1-2]、支氣管擴(kuò)張[3]、慢性阻塞性肺疾病[4-8]、老年肺支氣管形態(tài)的研究[9]。支氣管參數(shù)包括氣道圓形率[2]、氣道壁厚[2]、氣道內(nèi)徑、氣道橫截面積[5]、氣道總支數(shù)[4]等。CT是重要的胸部疾病檢查手段，在支氣管評(píng)價(jià)方面具有精準(zhǔn)、無創(chuàng)的優(yōu)勢(shì)。既往支氣管病變?cè)u(píng)價(jià)多采用人工測(cè)量的方法，即在CT橫斷面上將選定的支氣管放大數(shù)倍，手動(dòng)勾畫支氣管的邊緣得到相應(yīng)參數(shù)，該方法屬于二維測(cè)量，不能保證所測(cè)氣道完全垂直于氣道縱軸，還有不同閱片者間可重復(fù)性差[7]、耗時(shí)耗力且得到參數(shù)較少的問題。隨著計(jì)算機(jī)圖像后處理功能及圖像分割技術(shù)的不斷發(fā)展，目前出現(xiàn)了支氣管自動(dòng)分割技術(shù)[10]，即自動(dòng)分割支氣管骨架并得到氣道定量參數(shù)。本文主要比較自動(dòng)測(cè)量與手動(dòng)測(cè)量支氣管參數(shù)的一致性及各自的優(yōu)劣性。

1 資料與方法

1.1一般資料回顧性收集2015年6月至2015年8月于西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院影像科進(jìn)行健康體檢肺癌篩查的人群。納入標(biāo)準(zhǔn)：①無呼吸系統(tǒng)各類疾病癥狀；②無肺部基礎(chǔ)病變；③無胸部手術(shù)史；④居住及工作環(huán)境無粉塵接觸史。排除標(biāo)準(zhǔn)：①呼吸配合欠佳，圖像質(zhì)量差；②支氣管自動(dòng)分割結(jié)果不滿意。本研究已獲醫(yī)院倫理委員會(huì)認(rèn)證[批件號(hào)：2013倫審科字第(114號(hào))-1]，并獲得中國(guó)臨床實(shí)驗(yàn)注冊(cè)中心批準(zhǔn) (ChiCTR-OCH-14004904)。

1.2儀器與掃描掃描前向檢查者說明檢查方法及注意事項(xiàng)取得檢查者的配合、訓(xùn)練受試者呼吸。應(yīng)用Philips Gemini TF 64 PET/CT掃描儀。受試者采取仰臥位，深吸氣末進(jìn)行掃描，掃描范圍包括整個(gè)肺野(上起胸廓入口處，下至腎上腺水平)。管電壓：120 kV，管電流200 mA，旋轉(zhuǎn)時(shí)間0.5 s/r，探測(cè)器準(zhǔn)直0.6 mm，F(xiàn)OV：350×350，層厚0.625 mm，層間隔0.625 mm，按照標(biāo)準(zhǔn)肺算法進(jìn)行重建。

1.3支氣管測(cè)量參數(shù)分析

1.3.1 自動(dòng)分割 采集圖像的原始數(shù)據(jù)以Dicom格式導(dǎo)入“數(shù)字肺”支氣管定量軟件，該軟件已通過驗(yàn)證[11]。支氣管分割采用骨架提取算法自動(dòng)提取支氣管骨架[12]，提取的支氣管主干以支氣管樹形式表現(xiàn)(圖1A)。對(duì)支氣管樹進(jìn)行分代，該軟件對(duì)支氣管分代與傳統(tǒng)支氣管分級(jí)略有不同，定義氣管為0代，左右主支氣管為1代，在各個(gè)肺葉默認(rèn)路徑上，每個(gè)二分叉結(jié)構(gòu)后面都增加1代，同一代用相同的顏色標(biāo)注(圖1B)。利用曲面重建的方法將支氣管拉直(圖1C)，分割支氣管內(nèi)緣(綠線)與外緣(紅線)，計(jì)算機(jī)自動(dòng)計(jì)算每級(jí)支氣管的管腔內(nèi)外徑。

圖1支氣管的自動(dòng)測(cè)量方法

Fig.1 Automatic measurement of the bronchus

A：支氣管分割結(jié)果；B：支氣管分代結(jié)果；C：支氣管曲面重建圖像，將支氣管行曲面重建后，自動(dòng)識(shí)別支氣管內(nèi)腔邊緣(綠線)和外腔邊緣(紅線)。

1.3.2 半自動(dòng)測(cè)量 借助于“數(shù)字肺”支氣管分割軟件，由2名放射科醫(yī)生分別在默認(rèn)路徑的每級(jí)支氣管上選取起始段、中間段、末段共3個(gè)位置，讀取這3個(gè)位置上軟件自動(dòng)給出的平均內(nèi)徑、平均外徑(圖2紅框)。3個(gè)位置的平均值為該級(jí)支氣管管腔內(nèi)徑、管腔外徑的測(cè)量結(jié)果，2名醫(yī)生所讀取的平均值為該級(jí)支氣管管腔內(nèi)徑、管腔外徑的最終測(cè)量結(jié)果。

圖2支氣管的半自動(dòng)測(cè)量方法

Fig.2 Semi-automatic measurement of the bronchus

在選定支氣管的中間層面讀取的內(nèi)外直徑(紅色框內(nèi))。

1.3.3 手動(dòng)測(cè)量 由2名放射科醫(yī)生分別應(yīng)用電子標(biāo)尺測(cè)量左右兩肺各葉各級(jí)支氣管起始段、中間段、末段共3個(gè)位置的內(nèi)徑與外徑(圖3)，取3個(gè)位置的平均值作為該級(jí)支氣管內(nèi)徑、外徑。取2位放射科醫(yī)師測(cè)量的平均值作為手動(dòng)測(cè)量的最終結(jié)果。

圖3手動(dòng)測(cè)量支氣管

Fig.3 Manual measurement of the bronchus

A：手動(dòng)測(cè)量支氣管內(nèi)徑；B：手動(dòng)測(cè)量支氣管外徑。原圖片是清晰的，由于手動(dòng)測(cè)量第4代或者以下支氣管時(shí)，需要將CT圖像放大數(shù)倍，直至可以測(cè)到其準(zhǔn)確值。

1.4統(tǒng)計(jì)學(xué)分析計(jì)量資料符合正態(tài)分布采用均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，不符合正態(tài)分布或者計(jì)數(shù)資料用百分?jǐn)?shù)表示。采用SPSS 22.0 Bland-Altman中的person相關(guān)系數(shù)和組內(nèi)相關(guān)系數(shù)評(píng)價(jià)手動(dòng)、半自動(dòng)及自動(dòng)測(cè)量方法間支氣管平均內(nèi)徑、平均外徑測(cè)量值的一致性。P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié) 果

2.1不同測(cè)量方法間一致性分析結(jié)果共納入健康者19例，男15例，女4例，平均年齡(52.3±14.9)歲；共納入支氣管97支，其中包括0級(jí)支氣管 10支、1級(jí)支氣管5支、2級(jí)支氣管13支、3級(jí)支氣管21支、4級(jí)支氣管19支、5級(jí)支氣管14支、6級(jí)支氣管8支、7級(jí)支氣管7支。

2.2不同測(cè)量方法重復(fù)測(cè)量一致性分析結(jié)果自動(dòng)測(cè)量、半自動(dòng)測(cè)量、手動(dòng)測(cè)量各自重復(fù)測(cè)量的平均內(nèi)徑差以及平均外徑差的絕大多數(shù)(95%以上)均位于各自的95%可信區(qū)間內(nèi)(圖4)。在內(nèi)徑與外徑的測(cè)量中，均有自動(dòng)測(cè)量與半自動(dòng)測(cè)量相關(guān)性最高，其次是半自動(dòng)測(cè)量與手動(dòng)測(cè)量，最后是自動(dòng)測(cè)量與手動(dòng)測(cè)量(表1)。3種方法的測(cè)量重復(fù)一致性均較好，其中自動(dòng)測(cè)量和半自動(dòng)測(cè)量更好(表2)。

圖4支氣管3種測(cè)量方法的測(cè)量結(jié)果

Fig.4 Results of the three measurement methods

表13種支氣管測(cè)量方法一致性的分析結(jié)果

Tab.1 Consistency analysis of the three bronchus measurement methods

組間比較支氣管管腔內(nèi)徑r差值(mm)ICC支氣管管腔外徑r差值(mm)ICC自動(dòng)測(cè)量vs.半自動(dòng)測(cè)量0.9930.21±0.670.9950.9910.32±0.750.986自動(dòng)測(cè)量vs.手動(dòng)測(cè)量0.9790.41±0.760.9910.9800.39±0.800.984半自動(dòng)測(cè)量vs.手動(dòng)測(cè)量0.9920.19±0.600.9930.9850.71±1.080.986

表23種支氣管測(cè)量方法的重復(fù)一致性分析結(jié)果

Tab.2 Repetition consistency analysis of the three bronchus measurement methods

組間比較支氣管管腔內(nèi)徑r差值(mm)ICC支氣管管腔外徑r差值(mm)ICC自動(dòng)測(cè)量0.992―0.063±0.5330.9960.9900.029±0.6430.995半自動(dòng)測(cè)量0.993―0.060±0.5490.9960.994―0.030±0.5260.997手動(dòng)測(cè)量0.991―0.070±0.6230.9950.992―0.085±0.6610.996

3 討 論

支氣管是肺的重要組成部分，不僅是肺內(nèi)空氣進(jìn)出的管道，同時(shí)還具有加溫、加濕、過濾、清潔吸入氣體的作用和引起防御反射等保護(hù)功能，支氣管黏膜纖毛上皮起著防御有害物質(zhì)的作用。人體的支氣管系統(tǒng)可以看成由多個(gè)二分叉結(jié)構(gòu)組成的龐大的樹狀結(jié)構(gòu)，氣管分支進(jìn)入肺內(nèi)，經(jīng)逐級(jí)分支，數(shù)目越來越多，管徑越來越小，管壁越來越薄。在不同的病理生理狀態(tài)下，支氣管會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的改變，如慢性阻塞性肺疾病(COPD)患者支氣管管腔狹窄[8]，這種改變?cè)谧蠓紊先~最明顯[13]。這些改變?cè)诓∏榈脑u(píng)估中具有很重要的作用。通過比較手動(dòng)測(cè)量、半自動(dòng)測(cè)量與計(jì)算機(jī)輔助的自動(dòng)測(cè)量的結(jié)果，本研究發(fā)現(xiàn)以上3種方法均可用于支氣管的定量測(cè)量，且具有較好的一致性，但是計(jì)算機(jī)輔助的自動(dòng)測(cè)量與半自動(dòng)測(cè)量具有簡(jiǎn)便、快速的優(yōu)勢(shì)。

支氣管的自動(dòng)分割是基于密度的分割，氣管腔內(nèi)充填的空氣和管腔外包繞的縱膈脂肪襯托出氣管管壁。手動(dòng)測(cè)量每一支支氣管的內(nèi)徑、外徑是一項(xiàng)龐大而又復(fù)雜的工作，耗時(shí)耗力；手動(dòng)測(cè)量具有主觀性，即使經(jīng)過訓(xùn)練，不同測(cè)量者之間的一致性和重復(fù)測(cè)量的準(zhǔn)確性仍然具有提高的空間；二維的手動(dòng)測(cè)量由于受橫斷面的限制，需要篩選大致垂直于支氣管縱軸的支氣管進(jìn)行測(cè)量(通常選擇右肺上葉尖段支氣管[14])，限制了測(cè)量的范圍；手動(dòng)測(cè)量得到的支氣管參數(shù)有限，如某一支氣管斷面的內(nèi)徑、外徑。相反地，計(jì)算機(jī)自動(dòng)提取支氣管骨架，得到支氣管樹結(jié)構(gòu)，可以簡(jiǎn)單直觀地觀察到支氣管樹的總體結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)便快速、省時(shí)省力；在自動(dòng)分割支氣管的內(nèi)緣及外緣后，可以自動(dòng)得到支氣管定量測(cè)量的一些參數(shù)，不僅包括支氣管的內(nèi)徑和外徑，還把包括支氣管任一截面的壁厚、壁面積、壁面積百分比、某一段支氣管的體積、內(nèi)腔體積、外腔體積、壁體積等參數(shù)。以上參數(shù)結(jié)果不會(huì)因?yàn)闇y(cè)量者的改變而改變，也不會(huì)因?yàn)闇y(cè)量時(shí)機(jī)的改變而改變；計(jì)算機(jī)根據(jù)密度分割提取支氣管骨架之后，通過曲面重建技術(shù)，將支氣管拉直，使得其測(cè)量平面總是垂直于支氣管縱軸，支氣管的追蹤更加便捷；另外，基于支氣管骨架提取結(jié)果，通過半定量的方法能直接顯示各個(gè)測(cè)量位置的各指標(biāo)值，同時(shí)也可以設(shè)計(jì)更多的特征參數(shù)來表示支氣管的病理生理改變?；谥夤茏詣?dòng)分割結(jié)果得到的半自動(dòng)測(cè)量結(jié)果，由于有支氣管截面的主觀選擇性，因此所測(cè)結(jié)果與全自動(dòng)測(cè)量結(jié)果稍有差異。

總之，基于計(jì)算機(jī)輔助的自動(dòng)測(cè)量的可以簡(jiǎn)便、快速反映氣道病變情況，使得測(cè)量結(jié)果更加客觀，因而適合用于COPD等彌漫性的支氣管病變；而半自動(dòng)測(cè)量的特點(diǎn)則是可代表某支支氣管某個(gè)位置的特征，可用于局限性支氣管病變，在臨床工作中，兩者互為補(bǔ)充，取長(zhǎng)補(bǔ)短。