支气管扩张程度的CT定量评估：与人工方法的对照研究

蒲豆豆，马军超，于勇，段海峰，杨创勃，党珊，于楠

支气管扩张症是呼吸系统疾病常见慢性疾病之一[1]。气道壁结构破坏导致支气管持续异常扩张，临床表现为咳嗽、咳痰和咯血等症状[2]。流行病学调查结果显示，我国成人支气管扩张症的患病率和住院率明显上升，可能远高于发达国家[3-4]。我国现有支气管扩张症患者约 1000万～2000万人，且具有独特的疾病病原学和预后转归特点[5-7]。患者的病因、症状、一般情况和影像学特点等多种因素可能影响患者的预后和转归[8-9]。

对支气管扩张的诊断必须基于影像学上明确可见有支气管扩张表现，目前对支扩的影像诊断主要依靠于诊断医师观察支气管直径是否逐渐变细以及测量和计算支气管直径(B)与伴行肺动脉直径(A)的比值(B/A)[10-11]。对征象的观察容易受到主观因素的影响，B/A 的结果受到支气管和肺血管直径的双重影响[12]。因此，针对支气管的定量评价可能是解决以上问题的方法。

近年来，计算机辅助诊断技术的不断发展为气道疾病的定量分析提供了可能[13]。本研究基于计算机辅助诊断软件的支气管自动分割和测量功能提取支气管扩张指数等定量数据，并探讨定量指标对支气管扩张的诊断效能，为支气管扩张的影像诊断提供参考信息，旨在更好地协助临床对患者病情和预后进行评估。

材料与方法

1.研究对象

连续搜集 2019年1月-2019年12月在陕西中医药大学附属医院就诊并进行胸部CT检查者的病例资料。纳入标准：①胸部CT检查发现支气管扩张；②年龄18～70岁；③入组前无影响日常活动和夜间休息的咳嗽、咳痰、喘息和气短症状，能够配合胸部CT检查；④入组前一个月内未服用抗生素，未口服或吸入激素类药物。排除标准：①严重肺气肿或纤维化所致的牵拉性支气管扩张；②无肺叶切除术后、活动性或陈旧性结核病灶、肺内大片实变、肺部广泛间质改变、胸腔积液及广泛胸膜粘连等影响支气管分割的因素；③严重的心肺功能障碍或肝肾功能异常；④CT图像上有明显呼吸运动伪影或肺叶显示不完整，计算机辅助诊断系统自动分割的支气管分级小于5级，或同一部位支气管连续10级及以上分支出现中断、缠绕现象。

最终纳入110例支扩症患者，男64例，女46例，年龄19～70岁，平均(45±12)岁。基于支扩组患者的年龄和性别进行匹配，选取110例无吸烟史的健康体检者作为对照组。

本研究获得陕西中医药大学附属医院伦理委员会批准(SZFYIEC-PJ-2018-第[46]号)。

2.临床资料

影像检查前详细采集患者的病史及临床表现等资料，包括吸烟史及既往疾病史以及近1个月来的症状，包括有无咳嗽、咳痰、咯血、发热和气短等。记录患者的身高、体重和年龄。

3.CT检查方法

使用GE Discovery CT 750 HD宝石能谱CT机。检查前训练每例受试者的呼吸运动，于深吸气末屏气期行MSCT平扫，扫描范围自肺尖至肺底平面，扫描参数：自动管电流调制技术，管电流10～500 mA，扫描层厚1.25 mm，层距1.25 mm，螺距1.375，矩阵512×512，标准重建算法。重建层厚0.625 mm、层距0.625 mm。

4.支气管扩张的诊断和定量分析

支气管扩张的诊断由两位具有3年以上工作经验的放射科医师独立进行，对所发现的扩张支气管进行记录。支气管扩张的诊断标准：①支气管内径大于邻近肺动脉直径；②支气管远端未逐渐变细；③肺外带胸膜下0～2 cm处仍可见支气管。符合其中一个标准即认定存在支气管扩张，记录每级扩张支气管最明显的位置。若出现支气管多级连续扩张，则记录扩张全程中扩张最明显的位置。如果诊断结果有歧义，由第三位高年资胸部影像诊断医师来确定诊断。

采用两个量化指标对扩张支气管进行评价，半定量指标支气管与血管直径的比值(B/A) 和定量指标扩张指数(dilation index，DI)。

B/A ：由两位放射科医师在扩张支气管的管腔最大处分别测量其管腔内径(B)和与之伴行的血管直径(A)，取两位医师测量结果的平均值，计算 B与A的比值。

DI：采用Digital-Lung(神州德信-FACT，中国)分析平台对所有被试者的CT图像进行分析。计算机自动连续测量支气管全程管腔内径，计算每支支气管各级分支的平均直径。计算评估部位管腔内径与上一级支气管管腔内径平均值的差值，即为DI。当某级支气管内径大于或等于其上一级支气管内径的平均值即DI≥0时，视为存在支气管扩张，软件对扩张支气管进行标记；反之，当某级支气管内径小于其上一级支气管内径平均值即DI<0时，视为正常支气管，不对其DI值进行计算。研究流程见图1。

图1 研究流程图。

5.统计学分析

使用SPSS 26.0软件进行统计分析。符合正态分布的变量以均数±标准差表示，不符合正态分布的数据以中位数±四分位间距表示。计量资料的组间两两比较采用Mann-WhitneyU检验，定量指标的相关性分析采用Spearman相关分析。以P<0.05为差异具有统计学意义。

结 果

1.定量指标的组间比较

经过人工判读，在110例患者中共标记了204支扩张支气管，分布于第4～15级支气管。按照所标记的扩张支气管的位置，在对照组CT图像上对应标记204支非扩张支气管，测量B/A值。比较对照组和支气管扩张组支气管B/A值。两组之间支气管内径、肺动脉直径和B/A值的差异均有统计学意义(P<0.05)。支气管扩张组的B/A值更大，支气管内径增大，而伴行肺动脉直径缩小。支气管扩张组 DI 值为1.34±0.95，大于正常对照组支气管DI值(DI<0)。

表1 支气管定量指标在不同人群之间的比较

2.相关性分析

基于人工半定量方法测量的B/A值与计算机辅助测量的DI值的相关性良好(r=0.96，P<0.001)。

3.人工判读与定量指标评估结果的比较

人工判读与计算机自动测量DI对支气管扩张的判断结果的比较见表2，两种方法诊断支气管扩张的一致率为77.9%。在总的408处评估部位中， 189处为两种方法均为阳性结果(图2)；75 处为DI判断结果为阳性而人工判读结果为阴性(图3)；15 处为人工判读结果为阳性而DI判断结果为阴性(图4)。

图2 人工判读的扩张支气管。a)CT 图像显示左下肺支气管扩张(红框)，可见印戒征，测量B/A值为1.0，计算机辅助测量计算的DI值为1.10； b)支气管树三维显示图，以红色标注了所有计算机辅助测量计算的DI≥0 的支气管。 图3 计算机辅助测量标注的扩张支气管。a)计算机自动分割的支气管树图像，红色标记DI≥0 的支气管，左下肺可见扩张支气管(红箭)，其DI值为0.64； b)诊断医师在对CT图像进行分析时未识别扩张支气管(红框)而未标注，此处的B/A 值为 0.6。 图4 人工判读阳性、计算机辅助测量为阴性的支气管。a)CT曲面重组图像，显示扩张支气管; b)横轴面CT图像显示扩张支气管呈“印戒征”表现，测量B/A值为 1.0; c)计算机测量和计算此处支气管的DI为负值，故不显示; d)人工判读的阳性支气管，计算机自动识别为阴性(红箭)。

表2 人工判读与基于DI指数判断支气管扩张结果的对比 /处

以诊断医师对支气管扩张的判读结果作为金标准，分析B/A和DI对支气管扩张的诊断效能，结果见表3和图5。两个指标诊断支气管扩张效能的ROC曲线下面积分别为0.83和 0.90。

表3 定量参数对支气管扩张的诊断效能

讨 论

CT支气管分割定量测量技术是人工智能技术在计算机分割中的体现。对支气管结构进行分割，量化支气管管腔内径、外径、内周长和外周长等指标。通过对各级支气管内径进行比较，展示支气管内径的变化趋势[21]，是对“支气管逐渐变细”征象的定量化展示，为支气管扩张的诊断和病情评估提供了新的技术手段。该技术在慢性阻塞性肺疾病和哮喘等气道疾病的应用较广泛[14]，而在支气管扩张症评估方面的应用还较少。本研究通过对支气管扩张症患者的支气管进行分割和定量测量。发现半定量指标B/A和定量指标DI在不同组间的存在差异，两者指标相关性良好，且对于支气管扩张的诊断均具有较好的诊断效能。

支气管扩张的存在常常预示着病情进展和预后不佳。患者常伴有病原微生物长期在气道滞留，导致患者症状重、治疗时间长、肺功能损害和大咯血的发生以及预后不良[15-19]。 以往对支气管扩张的诊断依赖于放射科医师对征象的主观判断评价，还可参照支气管内径与伴行血管直径的比值(B/A)，正常B/A值约为0.65～0.70，B/A≥1认为其具有诊断价值。然而由于很多慢性呼吸系统疾病可导致肺血管的形态、大小等发生改变，如阻塞性肺疾病患者和长期吸烟者常伴有肺动脉变细[20]，体现在本研究中的15处人工判读结果为阳性而DI判断结果为阴性的支气管。因此，仅依靠B/A≥1作为判断有无支气管扩张可能会高估支气管管腔的扩张程度，导致假阳性结果。本研究中有75处DI判断为支气管扩张而人工判读为阴性，计算这一组支气管的B/A平均值为0.68，在正常B/A均值范围内(0.65～0.70)。分析这些支气管的CT图像发现46处支气管存在管壁增厚、支气管远端未逐渐变细的征象，而这些征象在第一次人工判读时一定程度上被忽略。

综上所述，计算机定量分析技术获得的扩张指数对支气管扩张具有定量诊断价值，可作为 B/A 以外的另一定量指标来反映支气管内径的改变。