基于CT圖像對兒童與青少年支氣管MLD的臨床研究

問雷濤，沈聰，銀楠，付小江，姚果林，王思，曹盼，張志飛

1.西安交通大學(xué)附屬西安高新醫(yī)院影像科，陜西 西安 710075；

2.西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院影像科，陜西 西安 710061；

3.西安市胸科醫(yī)院,陜西 西安 710100；

4.陜西省結(jié)核病防治院(陜西省第五人民醫(yī)院)影像中心，陜西 西安 710100

目前國內(nèi)對支氣管的研究主要集中在成人，多集中在疾病狀態(tài)下支氣管定量參數(shù)與肺功能的相關(guān)性研究及對慢性阻塞性肺疾病(COPD)、哮喘等疾病病情的評估，國內(nèi)尚沒有對各個(gè)年齡段正常健康兒童與青少年各級支氣管分布狀況在CT 上的定量研究，各種支氣管疾病都需基于正常支氣管比較，了解支氣管異常、正常健康支氣管結(jié)構(gòu)的分布情況顯然是首先要解決的問題。因此本研究回顧性收集胸部容積CT掃描未見異常的0~18 歲正常兒童與青少年胸部CT 圖像，經(jīng)納入、排除標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格篩選后得到較大樣本量(795 例兒童與青少年)，并應(yīng)用“數(shù)字肺平臺”支氣管自動測量工具對支氣管進(jìn)行自動檢測及測量，得到正常0~18歲兒童與青少年兩肺各級支氣管的定量指標(biāo)支氣管管腔平均內(nèi)直徑(mean lumen diameter，MLD)，為氣道疾病的研究做基礎(chǔ)。兒童與青少年生長發(fā)育較快，各個(gè)年齡段兒童與青少年由于身體發(fā)育不同，支氣管各項(xiàng)數(shù)據(jù)指標(biāo)不同，本文就此探討、分析兒童與青少年支氣管的定量指標(biāo)MLD 與年齡相關(guān)性，比較其在不同性別組間的差異性。

1 資料與方法

1.1 一般資料 嚴(yán)格按照納入與排除標(biāo)準(zhǔn)，回顧性收集西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院影像科胸部CT檢查正常0~18 歲健康兒童與青少年795 例，其中男童482例(61%)，女童313例(39%)。納入標(biāo)準(zhǔn)：(1)經(jīng)胸部CT 檢查正常，臨床無其他發(fā)育性疾病的兒童與青少年；(2)年齡0~18 歲；(3)營養(yǎng)發(fā)育良好。排除標(biāo)準(zhǔn)：(1)胸部CT 掃描兩肺未包全；(2)呼吸配合欠佳，圖像質(zhì)量差，無法進(jìn)行肺葉分隔及圖像后處理的。以1 歲為界，按年齡分組，共分為19 組，0~1 歲(不包括1 歲)為0歲組，1~2 歲(不包括2歲)為1歲組，2~3歲(不包括3 歲)為2 歲組，以此類推，18~19 歲(不包括19 歲)為18 歲組，見表1。本研究已通過倫理委員會審核[2013倫審科字第(114)號~1]，CT 檢查已常規(guī)告知家屬檢查利弊，并取得家屬同意。

表1 不同性別兒童與青少年年齡分組及人數(shù)統(tǒng)計(jì)(例)Table 1 Statistics of age groups and numbers of children and adolescents of different genders(n)

1.2 研究方法

1.2.1 檢查方法及掃描參數(shù) 采用Siemens Somatom Definition Flash 雙源CT 獲取胸部MSCT 容積數(shù)據(jù)，重建層厚1 mm。較小兒童在平靜呼吸下從肺尖至肺底行仰臥位胸部MSCT 全容積掃描，部分幼兒采取鎮(zhèn)靜措施；較大兒童檢查前訓(xùn)練被檢查者呼吸，仰臥位，在深吸氣末從胸廓入口~肋膈角下1 cm 進(jìn)行胸部MSCT 全容積掃描。掃描管電壓為80~100 kV，管電流為30~100 mA(根據(jù)年齡、體型不同自行調(diào)節(jié))。

1.2.2 兩肺及其支氣管的圖像后處理及提取 將所研究兒童與青少年胸部MSCT 容積數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)字肺氣管支氣管測量工具，利用數(shù)字肺氣管支氣管測量工具進(jìn)行后處理，其中全肺、右肺、左肺用三維邊界自適應(yīng)算法；兩肺葉間裂分割用幾何算法及隱式曲面函數(shù)算法，再進(jìn)行肺部組織可視化。用骨架提取算法提取兩肺各級支氣管的骨架，形成立體三維支氣管樹樣結(jié)構(gòu)。

1.2.3 兩肺支氣管代的定義 該軟件把各級支氣管按代進(jìn)行定義：兩相鄰分叉支氣管中間的一段為一代，認(rèn)為氣管為0代。左主支氣管、右主支氣管為1代，雙肺上葉葉支氣管、右肺中間段支氣管、左肺下葉葉支氣管為2代，右肺中葉及下葉支氣管為3代，依次類推。

1.2.4 支氣管數(shù)據(jù)測量方法 數(shù)字肺氣管支氣管測量工具虛擬支氣管內(nèi)窺鏡對兩肺各代支氣管的MLD進(jìn)行自動測量(圖1A~1D)，測量默認(rèn)路徑為該葉支氣管分代最遠(yuǎn)一支支氣管，避免了人為選擇誤差，結(jié)果客觀，每代支氣管測量范圍包括該代支氣管的起始部到下一代起始處，結(jié)果為該代支氣管所有點(diǎn)的平均值。

圖1 支氣管MLD測量示意圖Figure 1 Schematic diagram of bronchial MLD measurement

1.2.5 兩肺各葉支氣管MLD 統(tǒng)計(jì)量的選擇 根據(jù)測量的精確性及研究所需，選取右肺上葉0~3代、右肺中葉0~4代、右肺下葉0~6代、左肺上葉0~4代、左肺下葉0~6代支氣管MLD進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 采用SPSS22.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。支氣管MLD與年齡的相關(guān)性用Spearman相關(guān)性分析；定義微弱相關(guān)r<0.3；低度相關(guān)0.3≥r<0.5；中度相關(guān)0.5≥r<0.8；高度相關(guān)r>0.8。同年齡段不同性別組間兩兩比較，若樣本數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布，選擇獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)比較，若樣本數(shù)據(jù)不符合正態(tài)分布，選擇Mann-WhitneyU檢驗(yàn)比較。以P<0.05 表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 不同性別兩肺各代支氣管MLD與年齡的相關(guān)性 0~18 歲兒童與青少年，兩肺各代支氣管MLD與年齡呈低度~高度正相關(guān)(男性|r|：0.437~0.956，P<0.05，女性|r|：0.400~0.951，P<0.05)，整體上隨著支氣管代數(shù)的增加，支氣管MLD 與年齡相關(guān)性呈降低的趨勢，整體上男性支氣管MLD 與年齡的相關(guān)性大于女性，見表2。

表2 兩肺各代支氣管MLD與年齡的相關(guān)性Table 2 Correlation between bronchial MLD of each generation of two lungs and age

2.2 不同年齡段不同性別兒童與青少年兩肺各代支氣管MLD 比較 按年齡及代依次分層分析0~18 歲兒童與青少年兩肺各代支氣管MLD。結(jié)果顯示，0~13歲各年齡段組，兩肺各代支氣管MLD男女間比較差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)；14~18歲各年齡段組，氣管(0代)、兩肺葉及葉以上支氣管MLD男女間比較，男性支氣管MLD 大于女性，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05；14~18歲各年齡段組，僅極少部分兩肺葉以下支氣管MLD男女間比較，男性支氣管MLD大于女性，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，見表3~表11。

表3 0~18歲不同性別組右肺上葉0~1代支氣管MLD比較(±s，mm)Table 3 Comparison of bronchial MLD in 0-1 generations of upper lobe of right lung between different gender groups in the age group of 0-18(±s,mm)

表3 0~18歲不同性別組右肺上葉0~1代支氣管MLD比較(±s，mm)Table 3 Comparison of bronchial MLD in 0-1 generations of upper lobe of right lung between different gender groups in the age group of 0-18(±s,mm)

注：與女性比較，aP<0.05。Note:Compared with females,aP<0.05.

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表11 0~18歲不同性別組左肺下葉4~6代支氣管MLD比較(±s，mm)Table 11 Comparison of MLD of 4-6 generations of bronchus in left lower lobe of lung between different gender groups in the age group of 0-18(±s,mm)

表11 0~18歲不同性別組左肺下葉4~6代支氣管MLD比較(±s，mm)Table 11 Comparison of MLD of 4-6 generations of bronchus in left lower lobe of lung between different gender groups in the age group of 0-18(±s,mm)

注：與女性比較，aP<0.05；-表示無數(shù)值(所觀察圖像，年齡小，較遠(yuǎn)代支氣管細(xì)小，測量軟件精確度不夠)。Note: Compared with females,aP<0.05;-Indicates innumerable values (observed images, young age, small bronchus in distant generation, insufficient accuracy of measurement software).

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表4 0~18歲不同性別組右肺上葉2~3代支氣管MLD比較(±s，mm)Table 4 Comparison of bronchial MLD in 2-3 generations of upper lobe of right lung between different gender groups in the age group of 0-18(±s,mm)

表4 0~18歲不同性別組右肺上葉2~3代支氣管MLD比較(±s，mm)Table 4 Comparison of bronchial MLD in 2-3 generations of upper lobe of right lung between different gender groups in the age group of 0-18(±s,mm)

注：與女性比較，aP<0.05。Note:Compared with females,aP<0.05.

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表5 0~18歲不同性別組右肺中葉2~4代支氣管MLD比較(±s，mm)Table 5 Comparison of MLD of 2-4 generations bronchus in the middle lobe of right lung between different gender groups in the age group of 0-18(±s,mm)

表5 0~18歲不同性別組右肺中葉2~4代支氣管MLD比較(±s，mm)Table 5 Comparison of MLD of 2-4 generations bronchus in the middle lobe of right lung between different gender groups in the age group of 0-18(±s,mm)

注：與女性比較，aP<0.05；-表示無數(shù)值(所觀察圖像，年齡小，較遠(yuǎn)代支氣管細(xì)小，測量軟件精確度不夠)。Note: Compared with females,aP<0.05;-Indicates innumerable values (observed images, young age, small bronchus in distant generation, insufficient accuracy of measurement software).

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表6 0~18歲不同性別組右肺下葉3~4代支氣管MLD比較(±s，mm)Table 6 Comparison of MLD of 3-4 generations of bronchus in right lower lobe of lung between different gender groups in the age group of 0-18(±s,mm)

表6 0~18歲不同性別組右肺下葉3~4代支氣管MLD比較(±s，mm)Table 6 Comparison of MLD of 3-4 generations of bronchus in right lower lobe of lung between different gender groups in the age group of 0-18(±s,mm)

注：與女性比較，aP<0.05；-表示無數(shù)值(所觀察圖像，年齡小，較遠(yuǎn)代支氣管細(xì)小，測量軟件精確度不夠)。Note: Compared with women,aP<0.05;-Indicates innumerable values (observed images, young age, small bronchus in distant generation, insufficient accuracy of measurement software).

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表7 0~18歲不同性別組右肺下葉5~6代支氣管MLD比較(±s，mm)Table 7 Comparison of MLD of 5-6 generations of bronchus in right lower lobe of lung between different gender groups in the age group of 0-18(±s,mm)

表7 0~18歲不同性別組右肺下葉5~6代支氣管MLD比較(±s，mm)Table 7 Comparison of MLD of 5-6 generations of bronchus in right lower lobe of lung between different gender groups in the age group of 0-18(±s,mm)

注：與女性比較，aP<0.05；-表示無數(shù)值(所觀察圖像，年齡小，較遠(yuǎn)代支氣管細(xì)小，測量軟件精確度不夠)。Note: Compared with women,aP<0.05;-Indicates innumerable values (observed images, young age, small bronchus in distant generation, insufficient accuracy of measurement software).

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表8 0~18歲不同性別組左肺上葉0~2代支氣管MLD比較(±s，mm)Table 8 Comparison of bronchial MLD in 0-2 generations of upper lobe of left lung between different gender groups in the age group of 0-18(±s,mm)

表8 0~18歲不同性別組左肺上葉0~2代支氣管MLD比較(±s，mm)Table 8 Comparison of bronchial MLD in 0-2 generations of upper lobe of left lung between different gender groups in the age group of 0-18(±s,mm)

注：與女性比較，aP<0.05；-表示無數(shù)值(所觀察圖像，年齡小，較遠(yuǎn)代支氣管細(xì)小，測量軟件精確度不夠)。Note: Compared with females,aP<0.05;-Indicates innumerable values (observed images, young age, small bronchus in distant generation, insufficient accuracy of measurement software).

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表9 0~18歲不同性別組左肺上葉3~4代支氣管MLD比較(±s，mm)Table 9 Comparison of bronchial MLD in 3-4 generations of upper lobe of left lung between different gender groups in the age group of 0-18(±s,mm)

表9 0~18歲不同性別組左肺上葉3~4代支氣管MLD比較(±s，mm)Table 9 Comparison of bronchial MLD in 3-4 generations of upper lobe of left lung between different gender groups in the age group of 0-18(±s,mm)

注：與女性比較，aP<0.05；-表示無數(shù)值(所觀察圖像，年齡小，較遠(yuǎn)代支氣管細(xì)小，測量軟件精確度不夠)。Note: Compared with females,aP<0.05;-Indicates innumerable values (observed images, young age, small bronchus in distant generation, insufficient accuracy of measurement software).

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表10 0~18歲不同性別組左肺下葉2~3代支氣管MLD比較(±s，mm)Table 10 Comparison of MLD of 2-3 generations of bronchus in left lower lobe of lung between different gender groups in the age group of 0-18(±s,mm)

表10 0~18歲不同性別組左肺下葉2~3代支氣管MLD比較(±s，mm)Table 10 Comparison of MLD of 2-3 generations of bronchus in left lower lobe of lung between different gender groups in the age group of 0-18(±s,mm)

注：與女性比較，aP<0.05；-表示無數(shù)值(所觀察圖像，年齡小，較遠(yuǎn)代支氣管細(xì)小，測量軟件精確度不夠)。Note: Compared with females,aP<0.05;-Indicates innumerable values (observed images, young age, small bronchus in distant generation, insufficient accuracy of measurement software).

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3 討論

肺的形成開始于胚胎的第4 周，在妊娠第4 周時(shí)，胚胎的中前腸腹側(cè)正中發(fā)生一縱形淺溝，被稱為喉氣管溝。喉氣管溝逐漸變深，并從尾側(cè)逐步愈合，形成一長形盲囊，稱為喉氣管憩室。喉氣管憩室的末端逐漸增大并向兩側(cè)分支，形成肺芽。肺芽分為兩個(gè)原始支氣管芽，即左右肺的前體。原始支氣管在第5周時(shí)分開，形成葉支氣管，第6周末形成段支氣管(右側(cè)10個(gè)，左側(cè)8~9 個(gè))。在妊娠6~16 周這10 周的時(shí)間里，所有傳導(dǎo)氣道通過重復(fù)支氣管芽的分支而形成，隨后這些氣道僅在大小方面發(fā)生變化[1]，出生后，在兒童青少年階段氣道大小持續(xù)發(fā)生變化，直至成人。

本研究結(jié)果顯示，0~18歲兒童與青少年兩肺段以上及所研究段以下各代(0~6代)支氣管MLD與年齡呈低度~高度正相關(guān)(男性|r|：0.437~0.956，P<0.05；女性|r|：0.400~0.951，P<0.05)，隨著支氣管代數(shù)的增加，支氣管MLD 與年齡的相關(guān)性呈降低的趨勢，與0~18 歲兒童與青少年正處于身體發(fā)育階段，支氣管管腔隨著身體發(fā)育的需要，不斷生長擴(kuò)大相一致；整體上男性兩肺各代(0~6代)支氣管MLD與年齡的相關(guān)性大于女性，提示在0~18 歲年齡段男性兒童與青少年支氣管MLD的生長發(fā)育要比女性快。

本研究0~13歲各年齡段組兩肺各代(0~6代)支氣管MLD 男女間比較差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。14~18歲各年齡段組氣管(0代)、左、右主支氣管(1代)、兩肺葉水平支氣管(2/3代)MLD男女間比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，男性支氣管MLD 大于女性，與吳博云等[2]研究的氣管(0代)，葉靖等[3]研究的氣管(0代)、左右主支氣管、右中間段支氣管內(nèi)徑及右肺上葉支氣管開口內(nèi)徑男性均大于女性(P<0.05)相一致，其揭示了隨著年齡的增長，自14歲起氣管(0代)、兩肺葉及葉以上支氣管MLD 男女間開始出現(xiàn)顯著性差異，一直持續(xù)到成人，該時(shí)間點(diǎn)男女間支氣管MLD 出現(xiàn)顯著性差異與人體青春期發(fā)育期時(shí)間段一致，可能與男女性別不同激素水平對氣管影響有關(guān)或與男女運(yùn)動量不同有關(guān)。

14~18 歲各年齡段組，極少部分兩肺葉以下水平支氣管MLD男女間出現(xiàn)顯著性差異，僅是個(gè)例，且在年齡及各代上呈分散無規(guī)律性，還不能據(jù)此推測出，隨著年齡的增長至成人，兩肺段及段下水平支氣管MLD男女間一定會出現(xiàn)顯著性差異，還需多收集數(shù)據(jù)研究是否存在規(guī)律性。

綜上，整體趨勢上0~18歲兒童與青少年兩肺各代支氣MLD隨年齡增長而增長，隨年齡增長，自14歲起兩肺葉及葉以上支氣管MLD男女間開始出現(xiàn)顯著性差異，男性大于女性。

計(jì)算機(jī)輔助測量支氣管結(jié)構(gòu)尚處于初步階段，目前研究多集中在疾病狀態(tài)下支氣管壁厚、管腔內(nèi)直徑、管壁面積、管腔面積及WA%等支氣管定量參數(shù)與肺功能的相關(guān)性研究及對COPD、哮喘等疾病病情的評估[4-9]。也有文獻(xiàn)報(bào)道支氣管內(nèi)直徑、壁厚、WA%的變化與藥物療效相關(guān)[10-11]，提示支氣管的定量測量可用于某些藥物對氣道疾病治療的敏感性的評估。但目前對于正常人群，尤其是兒童與青少年的支氣管結(jié)構(gòu)定量參數(shù)的研究較少，國內(nèi)外少有文獻(xiàn)報(bào)道，本文研究兒童與青少年兩肺各代支氣管MLD的分布狀態(tài)和特點(diǎn)，為各類氣道疾病的研究做基礎(chǔ)，是很有意義的。

本研究的局限性在于是回顧性研究，部分年齡段組兒童與青少年的樣本量仍需增加；數(shù)據(jù)中缺少身高、體質(zhì)量指標(biāo)，故而，本研究未研究支氣管MLD 與身高、體質(zhì)量的關(guān)系。