基于CT定量測(cè)量方法對(duì)非吸煙者氣道定量參數(shù)的影響因素分析

于楠，銀楠，沈聰，楊創(chuàng)勃，馬光明，譚輝

1.陜西中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院 醫(yī)學(xué)影像科，陜西 咸陽(yáng) 712000；2.西安交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院 影像科，陜西 西安 710061

引言

近年來(lái)，大量流行病學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，肺部疾病（如哮喘、慢性阻塞性肺疾病、囊性纖維化、支氣管肺癌等）在女性人群中的患病率、發(fā)病率、死亡率逐年上升。例如，盡管男性慢性阻塞性肺疾病發(fā)病率高于女性，但是近20年來(lái)女性慢性阻塞性肺疾病發(fā)病率顯著上升。且女性慢性阻塞性肺疾病患者在同樣肺功能情況下，較男性患者氣道狹窄癥狀更顯著。在重度慢性阻塞性肺疾病患者中，女性較男性死亡率增加50%。此外，肺囊性纖維化的女性患者較男性患者生存期更短[1-5]。雖然性別之間吸煙習(xí)慣的差異以及控?zé)煹淖饔媚軌蚪忉尯粑到y(tǒng)疾病流行病學(xué)的性別差異。然而，這一現(xiàn)象仍然缺乏有效證據(jù)。在一些大型流行病學(xué)調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，患有呼吸系統(tǒng)疾病的女性患者，肺功能隨著月經(jīng)周期的波動(dòng)而波動(dòng)；而在正常女性中，這種波動(dòng)不存在[6]。這一現(xiàn)象提示，女性與男性的生理性差別可能在呼吸系統(tǒng)疾病的進(jìn)展中存在一定影響。

因此，通過(guò)對(duì)支氣管結(jié)構(gòu)的觀察和測(cè)量對(duì)了解疾病的進(jìn)展和預(yù)后有重要意義。新型的CT定量分析技術(shù)為衡量肺部解剖結(jié)構(gòu)提供可能性[7-8]。使用三維分割及定量分析不僅能夠?qū)Ψ螌?shí)質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分割和定量測(cè)量，對(duì)支氣管各個(gè)參數(shù)，如管腔內(nèi)直徑、外直徑、橫截面積、分支角度能夠進(jìn)行量化及動(dòng)態(tài)觀察[9-10]。因此，我們使用CT定量分析技術(shù)，描述支氣管正常結(jié)構(gòu)的性別差異，旨在為揭示氣道疾病的性別差異提供依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究資料

連續(xù)收集2018年6月至12月在我院接受全容積CT胸部掃描的受試者。成人納入標(biāo)準(zhǔn)：① 年齡介于18～80歲，能夠自主活動(dòng)；② 從不吸煙者；③ 檢查時(shí)無(wú)呼吸系統(tǒng)癥狀；④ 行全容積CT胸部掃描；⑤ 既往無(wú)胸部手術(shù)、外傷、結(jié)核、腫瘤、間質(zhì)性肺疾病、肺氣腫病史者。為了觀察氣道形態(tài)在不同年齡組的變化趨勢(shì)，納入幼兒CT圖像進(jìn)行分析，納入標(biāo)準(zhǔn)：① 年齡介于3～14歲；② 既往無(wú)慢性呼吸系統(tǒng)疾病病史及心臟病病史；③ 胸部CT平掃未見(jiàn)明顯異常征象；④ 無(wú)外傷手術(shù)史；⑤ 行全容積CT胸部掃描。排除標(biāo)準(zhǔn)：① 有粉塵職業(yè)接觸史者；② 圖像出現(xiàn)偽影影響后期肺組織定量分割者；③ 圖像經(jīng)過(guò)CT定量分析，支氣管分割效果不佳者（出現(xiàn)超過(guò)10處支氣管分割斷裂，或者分割支氣管級(jí)數(shù)小于6級(jí)）；④ 掃描后CT發(fā)現(xiàn)肺部病變者，包括肺葉切除術(shù)、活動(dòng)性或陳舊性結(jié)核病灶；⑤ 肺內(nèi)大片實(shí)變、肺不張、結(jié)節(jié)、肺氣腫、肺部廣泛間質(zhì)改變、胸腔積液、廣泛胸膜粘連。所有受試者嚴(yán)格按照納入、排除標(biāo)準(zhǔn)入組，在研究時(shí)間連續(xù)錄入。兩名影像科高年資主治醫(yī)師對(duì)完成掃描的受試者圖像進(jìn)行納入排除標(biāo)準(zhǔn)的審核，以及CT定量分割結(jié)果的再判斷。如有分歧，兩位醫(yī)師共同商議決定最后結(jié)果。記錄所有受試者年齡、性別、身高、體重、吸煙史、家族史、既往史描述。

1.2 掃描方案

應(yīng) 用Philips 64排 CT機(jī)（Philips Gemini TF 64 PET/CT）。受試者檢查前做短暫呼吸訓(xùn)練，仰臥位于檢查床上，在深吸氣閉氣后掃描。掃描范圍上起胸廓入口處，下至雙側(cè)腎上腺水平。掃描范圍包括整個(gè)肺野。全容積CT掃描方法，無(wú)對(duì)比劑注射，120 kV，200 mA。對(duì)采集的原始數(shù)據(jù)采用0.625 mm層厚、0.625 mm間隔按照標(biāo)準(zhǔn)算法重建。

1.3 CT定量分割方法

CT定量分析軟件（FACT digital Lung）用于圖像的分析。將圖像dicom原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入服務(wù)器進(jìn)行自動(dòng)批處理，處理內(nèi)容包括肺葉分割、肺密度、支氣管、肺血管、肺結(jié)節(jié)。氣道測(cè)量包括氣管、右主支氣管以及右肺下葉后基底段支氣管及其分支，見(jiàn)圖1。測(cè)量指標(biāo)包括支氣管內(nèi)直徑、支氣管壁厚，管腔橫截面積、管壁面積，管壁面積百分比[Wall Area Percentage，WA%，WA%=管壁面積/(管壁面積+管腔面積)]。測(cè)量范圍為0～5級(jí)支氣管，每一級(jí)支氣管的測(cè)量值為該級(jí)支氣管從起始到終點(diǎn)每個(gè)像素點(diǎn)測(cè)量值的平均值，所有過(guò)程自動(dòng)完成。

圖1 支氣管樹(shù)提取與自動(dòng)測(cè)量示意圖

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)學(xué)分析軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。計(jì)量資料采用均數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)差表示。計(jì)數(shù)資料采用百分比表示。滿(mǎn)足正態(tài)分布的計(jì)量資料的組間均數(shù)比較使用方差分析；組間兩兩比較采用Independentttest，計(jì)數(shù)資料間的比較采用Chi-Square test和Fisher exact test。應(yīng)用多元回歸方法，將各變量納入多元線(xiàn)性回歸模型，篩選有意義變量，確定影響CT定量指標(biāo)的因素。檢驗(yàn)水準(zhǔn)取雙側(cè)α=0.05，當(dāng)α＜0.05時(shí)認(rèn)為具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

2 結(jié)果

2.1 一般資料

成人收集受試對(duì)象94例，男49例，女45例；男性的中位年齡為64歲，女性為68歲。幼兒受試者納入45例，其中男24例，女21例；平均年齡（4.60±1.14）歲。測(cè)量支氣管1028支，分割最遠(yuǎn)端為8級(jí)。受試者基本信息如表1所示。

表1 受試者基本信息

2.2 氣道CT定量參數(shù)的影響因素分析

采用多元線(xiàn)性回歸，分析氣道CT定量參數(shù)（氣道的內(nèi)直徑、管壁壁厚、管腔橫截面積和WA%）的影響因素，包括與身高、體重、性別、年齡，見(jiàn)表2。結(jié)果發(fā)現(xiàn)性別和年齡對(duì)氣道的內(nèi)直徑、管壁壁厚、管腔橫截面積和WA%都有影響。男性受試者壁厚管壁內(nèi)直徑、管壁面積較女性大，而WA%女性較男性更大。而年齡增長(zhǎng)，壁厚增加，內(nèi)直徑減小，管壁厚度減小，而WA%增加。

表2 氣道形態(tài)的影響因素

2.3 氣道定量參數(shù)的性別差異

進(jìn)一步分析各年齡組男性和女性各支氣管的差異，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：各級(jí)支氣管男性較女性的支氣管內(nèi)直徑更大、管壁厚與壁面積更大（P＜0.05），但 WA% 更?。≒＜0.05），以氣管參數(shù)為例，成人中各個(gè)年齡組這種差異均存在。然而在幼兒組，支氣管各個(gè)參數(shù)在男性和女性之間不存在差別（P＞0.05），具體見(jiàn)圖2和表3。

表3 氣道形態(tài)的性別差異

圖2 氣管參數(shù)隨年齡變化的趨勢(shì)

年輕女性組（20～35歲）氣管各參數(shù)與其他年齡組（36～50歲，51～65歲，65～80歲）比較均有差異（P＜0.05）。表現(xiàn)為管腔內(nèi)直徑較大，而WA%較小。而其他年齡組（36～50歲，51～65歲，65～80歲）之間比較，氣道指標(biāo)均無(wú)明顯差異（P＞0.05）。男性各年齡組之間氣管各參數(shù)具有差別，但無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05)，見(jiàn)圖3～4。

圖3 不同年齡女性支氣管樹(shù)形態(tài)比較

圖4 不同年齡男性支氣管樹(shù)形態(tài)比較

3 討論

本研究利用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)自動(dòng)分割及檢測(cè)支氣管各參數(shù)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該算法可以將支氣管樹(shù)自動(dòng)分割并清晰顯示，并在數(shù)秒內(nèi)獲得支氣管各個(gè)參數(shù)，為氣道疾病的量化分析提供簡(jiǎn)便客觀的方法。本組數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)：① 性別和年齡較其他生理因素比較是影響氣道參數(shù)的重要指標(biāo)；② 男性女性在氣道參數(shù)上存在差異，具體表現(xiàn)為男性較女性氣道內(nèi)直徑更大，而WA%更??；③ 氣道形態(tài)在不同性別之間的差異在幼兒組尚未發(fā)現(xiàn)。

這一方法對(duì)支氣管分割的可行性是研究的關(guān)鍵。與以往方法相比，此方法有以下特點(diǎn)：① 利用幾何算法三維展示氣道結(jié)構(gòu)，有利于氣道參數(shù)的計(jì)算，氣道各點(diǎn)的自動(dòng)測(cè)量更為客觀、便捷；② 算法本身利用微積分的原理，避免了氣道分割時(shí)追蹤氣道的方法，所以不容易產(chǎn)生氣道分割的不連續(xù)；③ 加入了糾錯(cuò)的功能，對(duì)非氣道結(jié)構(gòu)進(jìn)行修正，保證氣道分割的準(zhǔn)確性；④ 由于活體和離體情況下氣道結(jié)構(gòu)的差異，對(duì)氣道分割的準(zhǔn)確性判斷缺乏金標(biāo)準(zhǔn)。所以我們?cè)谝酝难芯恐欣?5份胸部CT掃描圖像與以往數(shù)據(jù)庫(kù)所得氣道參數(shù)進(jìn)行比較，效果滿(mǎn)意[11-14]。

在研究中我們發(fā)現(xiàn)與身高、體重比較，性別和年齡因素是影響氣道參數(shù)的一個(gè)相關(guān)性稍高的指標(biāo)。男性和女性在各級(jí)支氣管的各個(gè)參數(shù)都有差異。具體表現(xiàn)為男性氣道內(nèi)直徑更大，壁更厚。當(dāng)使用WA%指標(biāo)后發(fā)現(xiàn)，女性WA%更大。管壁的平均厚度和管壁的面積往往容易受到管腔大小的影響，即管腔較粗者包裹管腔的管壁就相應(yīng)面積較大，管壁平均厚度就較厚。而WA%是經(jīng)過(guò)管腔標(biāo)準(zhǔn)化的一個(gè)指標(biāo)，即只考慮在單位長(zhǎng)度管腔內(nèi)壁的厚度是多少。WA%是一個(gè)相對(duì)值。因此，以往文獻(xiàn)經(jīng)常使用WA%來(lái)描述小氣道病變患者氣道重建的情況。有研究在慢性阻塞性肺疾病患者中觀察WA%的性別差異，同樣發(fā)現(xiàn)女性較男性WA%值更大[15]。

在本研究中，為了描述氣道形態(tài)受年齡性別的變化趨勢(shì)，我們除了使用不同年齡組成人外，還收集了45例幼兒。45例幼兒均為疑似呼吸系統(tǒng)疾病，然而未發(fā)現(xiàn)胸部CT異常者。通過(guò)對(duì)本組資料的支氣管參數(shù)的測(cè)量，我們發(fā)現(xiàn)：男性和女性氣道參數(shù)的差別開(kāi)始于20歲，在20～35歲年齡階段差異最大。當(dāng)我們進(jìn)一步比較不同年齡女性的氣道參數(shù)發(fā)現(xiàn)，年輕女性組較其他年齡組各向指標(biāo)差異更明顯。在男性受試者中，我們也發(fā)現(xiàn)了年輕男性和年長(zhǎng)男性在氣道結(jié)構(gòu)的差異，然而尚未獲得有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的差別。對(duì)此，我們考慮氣道結(jié)構(gòu)的改變并不是一個(gè)單因素決定的過(guò)程。無(wú)論是男性或者女性，隨著年齡的增長(zhǎng)，隨著氣道暴露于外環(huán)境時(shí)間的延長(zhǎng)，氣道都可能受到外界影響，諸如大氣污染、被動(dòng)吸煙等。因此，我們很難把氣道形態(tài)的變化完全歸因于性別因素。然而，基于男性與女性，以及女性各年齡之間氣道形態(tài)的差別，我們能夠推測(cè)氣道形態(tài)的維持可能與女性激素水平有關(guān)。除此之外，以往文獻(xiàn)報(bào)道，雌二醇的受體在肺組織表達(dá)顯著。雌激素不論在雄性還是雌性鼠模型中都能明顯誘導(dǎo)熒光產(chǎn)生，這就說(shuō)明雌激素都能夠作用于肺組織。雌激素受體在肺組織都有表達(dá)，且與肺組織的正常形態(tài)維持有關(guān)。阻斷ERβ活性能夠影響正常肺組織的功能。因此，雌激素在支氣管結(jié)構(gòu)、功能維持和疾病進(jìn)展中的可能有一定作用[16-19]。

綜上所述，基于計(jì)算機(jī)分割定量測(cè)量技術(shù)，測(cè)量一組正常非吸煙人群氣道結(jié)果的形態(tài)及影響因素，結(jié)果發(fā)現(xiàn)性別因素是影響氣道形態(tài)的重要因素，尤其是在女性不同年齡階段氣道形態(tài)的差異，推測(cè)雌激素是維持氣道正常形態(tài)的重要因素。