基于CT定量测量方法对非吸烟者气道定量参数的影响因素分析

于楠，银楠，沈聪，杨创勃，马光明，谭辉

1.陕西中医药大学附属医院 医学影像科，陕西 咸阳 712000；2.西安交通大学医学院第一附属医院 影像科，陕西 西安 710061

引言

近年来，大量流行病学研究发现，肺部疾病（如哮喘、慢性阻塞性肺疾病、囊性纤维化、支气管肺癌等）在女性人群中的患病率、发病率、死亡率逐年上升。例如，尽管男性慢性阻塞性肺疾病发病率高于女性，但是近20年来女性慢性阻塞性肺疾病发病率显著上升。且女性慢性阻塞性肺疾病患者在同样肺功能情况下，较男性患者气道狭窄症状更显著。在重度慢性阻塞性肺疾病患者中，女性较男性死亡率增加50%。此外，肺囊性纤维化的女性患者较男性患者生存期更短[1-5]。虽然性别之间吸烟习惯的差异以及控烟的作用能够解释呼吸系统疾病流行病学的性别差异。然而，这一现象仍然缺乏有效证据。在一些大型流行病学调查中发现，患有呼吸系统疾病的女性患者，肺功能随着月经周期的波动而波动；而在正常女性中，这种波动不存在[6]。这一现象提示，女性与男性的生理性差别可能在呼吸系统疾病的进展中存在一定影响。

因此，通过对支气管结构的观察和测量对了解疾病的进展和预后有重要意义。新型的CT定量分析技术为衡量肺部解剖结构提供可能性[7-8]。使用三维分割及定量分析不仅能够对肺实质结构进行分割和定量测量，对支气管各个参数，如管腔内直径、外直径、横截面积、分支角度能够进行量化及动态观察[9-10]。因此，我们使用CT定量分析技术，描述支气管正常结构的性别差异，旨在为揭示气道疾病的性别差异提供依据。

1 资料与方法

1.1 研究资料

连续收集2018年6月至12月在我院接受全容积CT胸部扫描的受试者。成人纳入标准：① 年龄介于18～80岁，能够自主活动；② 从不吸烟者；③ 检查时无呼吸系统症状；④ 行全容积CT胸部扫描；⑤ 既往无胸部手术、外伤、结核、肿瘤、间质性肺疾病、肺气肿病史者。为了观察气道形态在不同年龄组的变化趋势，纳入幼儿CT图像进行分析，纳入标准：① 年龄介于3～14岁；② 既往无慢性呼吸系统疾病病史及心脏病病史；③ 胸部CT平扫未见明显异常征象；④ 无外伤手术史；⑤ 行全容积CT胸部扫描。排除标准：① 有粉尘职业接触史者；② 图像出现伪影影响后期肺组织定量分割者；③ 图像经过CT定量分析，支气管分割效果不佳者（出现超过10处支气管分割断裂，或者分割支气管级数小于6级）；④ 扫描后CT发现肺部病变者，包括肺叶切除术、活动性或陈旧性结核病灶；⑤ 肺内大片实变、肺不张、结节、肺气肿、肺部广泛间质改变、胸腔积液、广泛胸膜粘连。所有受试者严格按照纳入、排除标准入组，在研究时间连续录入。两名影像科高年资主治医师对完成扫描的受试者图像进行纳入排除标准的审核，以及CT定量分割结果的再判断。如有分歧，两位医师共同商议决定最后结果。记录所有受试者年龄、性别、身高、体重、吸烟史、家族史、既往史描述。

1.2 扫描方案

应 用Philips 64排 CT机（Philips Gemini TF 64 PET/CT）。受试者检查前做短暂呼吸训练，仰卧位于检查床上，在深吸气闭气后扫描。扫描范围上起胸廓入口处，下至双侧肾上腺水平。扫描范围包括整个肺野。全容积CT扫描方法，无对比剂注射，120 kV，200 mA。对采集的原始数据采用0.625 mm层厚、0.625 mm间隔按照标准算法重建。

1.3 CT定量分割方法

CT定量分析软件（FACT digital Lung）用于图像的分析。将图像dicom原始数据导入服务器进行自动批处理，处理内容包括肺叶分割、肺密度、支气管、肺血管、肺结节。气道测量包括气管、右主支气管以及右肺下叶后基底段支气管及其分支，见图1。测量指标包括支气管内直径、支气管壁厚，管腔横截面积、管壁面积，管壁面积百分比[Wall Area Percentage，WA%，WA%=管壁面积/(管壁面积+管腔面积)]。测量范围为0～5级支气管，每一级支气管的测量值为该级支气管从起始到终点每个像素点测量值的平均值，所有过程自动完成。

图1 支气管树提取与自动测量示意图

1.4 统计学分析

采用SPSS 19.0统计学分析软件进行统计学分析。计量资料采用均数及标准差表示。计数资料采用百分比表示。满足正态分布的计量资料的组间均数比较使用方差分析；组间两两比较采用Independentttest，计数资料间的比较采用Chi-Square test和Fisher exact test。应用多元回归方法，将各变量纳入多元线性回归模型，筛选有意义变量，确定影响CT定量指标的因素。检验水准取双侧α=0.05，当α＜0.05时认为具有统计学差异。

2 结果

2.1 一般资料

成人收集受试对象94例，男49例，女45例；男性的中位年龄为64岁，女性为68岁。幼儿受试者纳入45例，其中男24例，女21例；平均年龄（4.60±1.14）岁。测量支气管1028支，分割最远端为8级。受试者基本信息如表1所示。

表1 受试者基本信息

2.2 气道CT定量参数的影响因素分析

采用多元线性回归，分析气道CT定量参数（气道的内直径、管壁壁厚、管腔横截面积和WA%）的影响因素，包括与身高、体重、性别、年龄，见表2。结果发现性别和年龄对气道的内直径、管壁壁厚、管腔横截面积和WA%都有影响。男性受试者壁厚管壁内直径、管壁面积较女性大，而WA%女性较男性更大。而年龄增长，壁厚增加，内直径减小，管壁厚度减小，而WA%增加。

表2 气道形态的影响因素

2.3 气道定量参数的性别差异

进一步分析各年龄组男性和女性各支气管的差异，结果发现：各级支气管男性较女性的支气管内直径更大、管壁厚与壁面积更大（P＜0.05），但 WA% 更小（P＜0.05），以气管参数为例，成人中各个年龄组这种差异均存在。然而在幼儿组，支气管各个参数在男性和女性之间不存在差别（P＞0.05），具体见图2和表3。

表3 气道形态的性别差异

图2 气管参数随年龄变化的趋势

年轻女性组（20～35岁）气管各参数与其他年龄组（36～50岁，51～65岁，65～80岁）比较均有差异（P＜0.05）。表现为管腔内直径较大，而WA%较小。而其他年龄组（36～50岁，51～65岁，65～80岁）之间比较，气道指标均无明显差异（P＞0.05）。男性各年龄组之间气管各参数具有差别，但无统计学意义（P＞0.05)，见图3～4。

图3 不同年龄女性支气管树形态比较

图4 不同年龄男性支气管树形态比较

3 讨论

本研究利用计算机辅助技术自动分割及检测支气管各参数。结果发现，该算法可以将支气管树自动分割并清晰显示，并在数秒内获得支气管各个参数，为气道疾病的量化分析提供简便客观的方法。本组数据研究发现：① 性别和年龄较其他生理因素比较是影响气道参数的重要指标；② 男性女性在气道参数上存在差异，具体表现为男性较女性气道内直径更大，而WA%更小；③ 气道形态在不同性别之间的差异在幼儿组尚未发现。

这一方法对支气管分割的可行性是研究的关键。与以往方法相比，此方法有以下特点：① 利用几何算法三维展示气道结构，有利于气道参数的计算，气道各点的自动测量更为客观、便捷；② 算法本身利用微积分的原理，避免了气道分割时追踪气道的方法，所以不容易产生气道分割的不连续；③ 加入了纠错的功能，对非气道结构进行修正，保证气道分割的准确性；④ 由于活体和离体情况下气道结构的差异，对气道分割的准确性判断缺乏金标准。所以我们在以往的研究中利用95份胸部CT扫描图像与以往数据库所得气道参数进行比较，效果满意[11-14]。

在研究中我们发现与身高、体重比较，性别和年龄因素是影响气道参数的一个相关性稍高的指标。男性和女性在各级支气管的各个参数都有差异。具体表现为男性气道内直径更大，壁更厚。当使用WA%指标后发现，女性WA%更大。管壁的平均厚度和管壁的面积往往容易受到管腔大小的影响，即管腔较粗者包裹管腔的管壁就相应面积较大，管壁平均厚度就较厚。而WA%是经过管腔标准化的一个指标，即只考虑在单位长度管腔内壁的厚度是多少。WA%是一个相对值。因此，以往文献经常使用WA%来描述小气道病变患者气道重建的情况。有研究在慢性阻塞性肺疾病患者中观察WA%的性别差异，同样发现女性较男性WA%值更大[15]。

在本研究中，为了描述气道形态受年龄性别的变化趋势，我们除了使用不同年龄组成人外，还收集了45例幼儿。45例幼儿均为疑似呼吸系统疾病，然而未发现胸部CT异常者。通过对本组资料的支气管参数的测量，我们发现：男性和女性气道参数的差别开始于20岁，在20～35岁年龄阶段差异最大。当我们进一步比较不同年龄女性的气道参数发现，年轻女性组较其他年龄组各向指标差异更明显。在男性受试者中，我们也发现了年轻男性和年长男性在气道结构的差异，然而尚未获得有统计学意义的差别。对此，我们考虑气道结构的改变并不是一个单因素决定的过程。无论是男性或者女性，随着年龄的增长，随着气道暴露于外环境时间的延长，气道都可能受到外界影响，诸如大气污染、被动吸烟等。因此，我们很难把气道形态的变化完全归因于性别因素。然而，基于男性与女性，以及女性各年龄之间气道形态的差别，我们能够推测气道形态的维持可能与女性激素水平有关。除此之外，以往文献报道，雌二醇的受体在肺组织表达显著。雌激素不论在雄性还是雌性鼠模型中都能明显诱导荧光产生，这就说明雌激素都能够作用于肺组织。雌激素受体在肺组织都有表达，且与肺组织的正常形态维持有关。阻断ERβ活性能够影响正常肺组织的功能。因此，雌激素在支气管结构、功能维持和疾病进展中的可能有一定作用[16-19]。

综上所述，基于计算机分割定量测量技术，测量一组正常非吸烟人群气道结果的形态及影响因素，结果发现性别因素是影响气道形态的重要因素，尤其是在女性不同年龄阶段气道形态的差异，推测雌激素是维持气道正常形态的重要因素。