计算机辅助下支气管自动测量与手动测量的对照研究

沈 聪，邹常咏，辛晓敏,2，银 楠，王 君，郭佑民，刘 敏，丁 晖

(1. 西安交通大学第一附属医院影像科，陕西西安 710061；2. 西安市第三医院，陕西西安 710082；3. 北京中日医院影像科，北京 100029)

支气管参数作为重要的生物学标记在呼吸系统疾病的评价中应用广泛，支气管管壁及内腔等的测量在监测气道形态学改变方面发挥重要作用，如哮喘[1-2]、支气管扩张[3]、慢性阻塞性肺疾病[4-8]、老年肺支气管形态的研究[9]。支气管参数包括气道圆形率[2]、气道壁厚[2]、气道内径、气道横截面积[5]、气道总支数[4]等。CT是重要的胸部疾病检查手段，在支气管评价方面具有精准、无创的优势。既往支气管病变评价多采用人工测量的方法，即在CT横断面上将选定的支气管放大数倍，手动勾画支气管的边缘得到相应参数，该方法属于二维测量，不能保证所测气道完全垂直于气道纵轴，还有不同阅片者间可重复性差[7]、耗时耗力且得到参数较少的问题。随着计算机图像后处理功能及图像分割技术的不断发展，目前出现了支气管自动分割技术[10]，即自动分割支气管骨架并得到气道定量参数。本文主要比较自动测量与手动测量支气管参数的一致性及各自的优劣性。

1 资料与方法

1.1一般资料回顾性收集2015年6月至2015年8月于西安交通大学第一附属医院影像科进行健康体检肺癌筛查的人群。纳入标准：①无呼吸系统各类疾病症状；②无肺部基础病变；③无胸部手术史；④居住及工作环境无粉尘接触史。排除标准：①呼吸配合欠佳，图像质量差；②支气管自动分割结果不满意。本研究已获医院伦理委员会认证[批件号：2013伦审科字第(114号)-1]，并获得中国临床实验注册中心批准 (ChiCTR-OCH-14004904)。

1.2仪器与扫描扫描前向检查者说明检查方法及注意事项取得检查者的配合、训练受试者呼吸。应用Philips Gemini TF 64 PET/CT扫描仪。受试者采取仰卧位，深吸气末进行扫描，扫描范围包括整个肺野(上起胸廓入口处，下至肾上腺水平)。管电压：120 kV，管电流200 mA，旋转时间0.5 s/r，探测器准直0.6 mm，FOV：350×350，层厚0.625 mm，层间隔0.625 mm，按照标准肺算法进行重建。

1.3支气管测量参数分析

1.3.1 自动分割 采集图像的原始数据以Dicom格式导入“数字肺”支气管定量软件，该软件已通过验证[11]。支气管分割采用骨架提取算法自动提取支气管骨架[12]，提取的支气管主干以支气管树形式表现(图1A)。对支气管树进行分代，该软件对支气管分代与传统支气管分级略有不同，定义气管为0代，左右主支气管为1代，在各个肺叶默认路径上，每个二分叉结构后面都增加1代，同一代用相同的颜色标注(图1B)。利用曲面重建的方法将支气管拉直(图1C)，分割支气管内缘(绿线)与外缘(红线)，计算机自动计算每级支气管的管腔内外径。

图1支气管的自动测量方法

Fig.1 Automatic measurement of the bronchus

A：支气管分割结果；B：支气管分代结果；C：支气管曲面重建图像，将支气管行曲面重建后，自动识别支气管内腔边缘(绿线)和外腔边缘(红线)。

1.3.2 半自动测量 借助于“数字肺”支气管分割软件，由2名放射科医生分别在默认路径的每级支气管上选取起始段、中间段、末段共3个位置，读取这3个位置上软件自动给出的平均内径、平均外径(图2红框)。3个位置的平均值为该级支气管管腔内径、管腔外径的测量结果，2名医生所读取的平均值为该级支气管管腔内径、管腔外径的最终测量结果。

图2支气管的半自动测量方法

Fig.2 Semi-automatic measurement of the bronchus

在选定支气管的中间层面读取的内外直径(红色框内)。

1.3.3 手动测量 由2名放射科医生分别应用电子标尺测量左右两肺各叶各级支气管起始段、中间段、末段共3个位置的内径与外径(图3)，取3个位置的平均值作为该级支气管内径、外径。取2位放射科医师测量的平均值作为手动测量的最终结果。

图3手动测量支气管

Fig.3 Manual measurement of the bronchus

A：手动测量支气管内径；B：手动测量支气管外径。原图片是清晰的，由于手动测量第4代或者以下支气管时，需要将CT图像放大数倍，直至可以测到其准确值。

1.4统计学分析计量资料符合正态分布采用均值±标准差表示，不符合正态分布或者计数资料用百分数表示。采用SPSS 22.0 Bland-Altman中的person相关系数和组内相关系数评价手动、半自动及自动测量方法间支气管平均内径、平均外径测量值的一致性。P<0.05为差异有统计学意义。

2 结 果

2.1不同测量方法间一致性分析结果共纳入健康者19例，男15例，女4例，平均年龄(52.3±14.9)岁；共纳入支气管97支，其中包括0级支气管 10支、1级支气管5支、2级支气管13支、3级支气管21支、4级支气管19支、5级支气管14支、6级支气管8支、7级支气管7支。

2.2不同测量方法重复测量一致性分析结果自动测量、半自动测量、手动测量各自重复测量的平均内径差以及平均外径差的绝大多数(95%以上)均位于各自的95%可信区间内(图4)。在内径与外径的测量中，均有自动测量与半自动测量相关性最高，其次是半自动测量与手动测量，最后是自动测量与手动测量(表1)。3种方法的测量重复一致性均较好，其中自动测量和半自动测量更好(表2)。

图4支气管3种测量方法的测量结果

Fig.4 Results of the three measurement methods

表13种支气管测量方法一致性的分析结果

Tab.1 Consistency analysis of the three bronchus measurement methods

组间比较支气管管腔内径r差值(mm)ICC支气管管腔外径r差值(mm)ICC自动测量vs.半自动测量0.9930.21±0.670.9950.9910.32±0.750.986自动测量vs.手动测量0.9790.41±0.760.9910.9800.39±0.800.984半自动测量vs.手动测量0.9920.19±0.600.9930.9850.71±1.080.986

表23种支气管测量方法的重复一致性分析结果

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

组间比较支气管管腔内径r差值(mm)ICC支气管管腔外径r差值(mm)ICC自动测量0.992―0.063±0.5330.9960.9900.029±0.6430.995半自动测量0.993―0.060±0.5490.9960.994―0.030±0.5260.997手动测量0.991―0.070±0.6230.9950.992―0.085±0.6610.996

3 讨 论

支气管是肺的重要组成部分，不仅是肺内空气进出的管道，同时还具有加温、加湿、过滤、清洁吸入气体的作用和引起防御反射等保护功能，支气管黏膜纤毛上皮起着防御有害物质的作用。人体的支气管系统可以看成由多个二分叉结构组成的庞大的树状结构，气管分支进入肺内，经逐级分支，数目越来越多，管径越来越小，管壁越来越薄。在不同的病理生理状态下，支气管会出现相应的改变，如慢性阻塞性肺疾病(COPD)患者支气管管腔狭窄[8]，这种改变在左肺上叶最明显[13]。这些改变在病情的评估中具有很重要的作用。通过比较手动测量、半自动测量与计算机辅助的自动测量的结果，本研究发现以上3种方法均可用于支气管的定量测量，且具有较好的一致性，但是计算机辅助的自动测量与半自动测量具有简便、快速的优势。

支气管的自动分割是基于密度的分割，气管腔内充填的空气和管腔外包绕的纵膈脂肪衬托出气管管壁。手动测量每一支支气管的内径、外径是一项庞大而又复杂的工作，耗时耗力；手动测量具有主观性，即使经过训练，不同测量者之间的一致性和重复测量的准确性仍然具有提高的空间；二维的手动测量由于受横断面的限制，需要筛选大致垂直于支气管纵轴的支气管进行测量(通常选择右肺上叶尖段支气管[14])，限制了测量的范围；手动测量得到的支气管参数有限，如某一支气管断面的内径、外径。相反地，计算机自动提取支气管骨架，得到支气管树结构，可以简单直观地观察到支气管树的总体结构，简便快速、省时省力；在自动分割支气管的内缘及外缘后，可以自动得到支气管定量测量的一些参数，不仅包括支气管的内径和外径，还把包括支气管任一截面的壁厚、壁面积、壁面积百分比、某一段支气管的体积、内腔体积、外腔体积、壁体积等参数。以上参数结果不会因为测量者的改变而改变，也不会因为测量时机的改变而改变；计算机根据密度分割提取支气管骨架之后，通过曲面重建技术，将支气管拉直，使得其测量平面总是垂直于支气管纵轴，支气管的追踪更加便捷；另外，基于支气管骨架提取结果，通过半定量的方法能直接显示各个测量位置的各指标值，同时也可以设计更多的特征参数来表示支气管的病理生理改变。基于支气管自动分割结果得到的半自动测量结果，由于有支气管截面的主观选择性，因此所测结果与全自动测量结果稍有差异。

总之，基于计算机辅助的自动测量的可以简便、快速反映气道病变情况，使得测量结果更加客观，因而适合用于COPD等弥漫性的支气管病变；而半自动测量的特点则是可代表某支支气管某个位置的特征，可用于局限性支气管病变，在临床工作中，两者互为补充，取长补短。