引用本文： 周陳梅, 郭述良. 氣道形態學參數的測量現狀. 中國呼吸與危重監護雜志, 2023, 22(5): 376-380. doi: 10.7507/1671-6205.202204051 復制
“氣道形態學參數”是指對氣道形態學進行定量描述的參數，如管腔內徑、管腔面積、管壁厚度、管壁面積、氣道橫截面積、支氣管長度和分枝夾角等[1]。臨床應用中，也采用“氣道尺寸”代指“氣道形態學參數”。氣道形態學參數的獲取有助于氣道相關疾病的診治、隨訪及科研應用，如氣管導管的型號選擇[2]、氣道狹窄病灶的定量評估[3]、氣道相關疾病的療效評價[4]及發生發展的機制研究[5]等。
目前，有多種方法可用來獲取氣道形態學參數。在早期，主要依據解剖學、胸部X線平片以及超聲獲取氣道徑線的相關知識。隨著CT掃描技術的快速發展，基于胸部CT圖像的后處理技術成為獲取氣道形態學參數的主流方式。與此同時，基于支氣管樹分割技術的氣道尺寸自動測量和支氣管鏡的鏡下測量逐漸走向臨床。此外，光學相干斷層掃描（optical coherence tomography，OCT）和核磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）在氣道形態學參數測量方面的研究也獲得進展。本文將對獲取氣道形態學參數的方法進行闡述，希望為各方法的臨床應用提供參考依據。
1 基于解剖學、胸部X線平片和超聲的氣道尺寸測量
1.1 基于解剖學的氣道尺寸測量
通過尸體樣本或組織學標本獲取氣道形態學參數的方法主要為采用直尺、游標卡尺或者電子卡尺直接對經過處理的標本進行手動測量，且大多用來獲取中央氣道的尺寸[6]。但是，由于組織離體后會出現肌肉松弛、呼吸動態消失和壓力狀態改變等現象，致使基于尸體標本獲取的數據不能反映活體的氣道形態學參數；且在對尸體標本進行處理時，存在牽拉、撕扯等會對氣道形態產生影響的操作，從而導致測量數據存在誤差。不過不可否認的是，尸體樣本是認識氣道解剖結構以及毗鄰組織結構的良好工具[7]，且在早期階段為醫護人員了解氣道尺寸做出了巨大貢獻。此外，在動物實驗中，可以通過獲取動物氣道的形態學參數來探索氣道相關疾病發生發展的機制[8]。
1.2 基于胸部X線平片的氣道尺寸測量
由于胸部X線平片存在圖像分辨率低、組織重疊以及圖像的二維性質等缺點，其主要用于中央氣道的徑線測量以及隆突角度的測量。通常在正位片上測量氣管橫徑，在側位片上測量氣管前后徑，而主支氣管的走行方向為斜向外、向下，只能從正位片上獲取主支氣管的上下徑（寬度）[9]。隆突角度包含支氣管間角和隆突下角，支氣管間角是指通過沿主支氣管中心線測量所獲得的角度，而隆突下角指沿主支氣管下沿測量所獲得的角度[10]。
隨著CT掃描技術的快速發展，基于胸部X線平片的測量已逐漸被淘汰，但在緊急時刻，X線平片依舊是獲取氣道徑線的良好工具，且由于其價廉易得，在氣道相關疾病的動物實驗中有相當重要的作用[11]。
1.3 基于超聲的氣道尺寸測量
超聲檢查不會對受試者產生輻射損傷，因此超聲在胎兒和兒童的氣道尺寸測量中獲得青睞[2, 12]。床旁超聲具有價廉易得、無創性、可及性等優點，在氣道管理中展現出其獨有的優勢[13]。此外，超聲支氣管鏡檢查可以實現胸內氣道的觀測[14]，但是該技術的操作難度較大，不利于臨床醫生掌握，且存在圖像分辨率低、定位不易和可重復性差等缺陷，因此該方法的臨床應用受到限制。
2 基于CT圖像的氣道尺寸測量
2.1 基于胸部CT圖像的氣道尺寸手動測量
胸部CT圖像具有分辨率高、組織對比度高等優點，較胸部平片更有利于氣道形態學參數值的獲取。多層螺旋CT能夠獲得容積數據，其強大的后處理技術使CT圖像的應用范圍更廣。其中，由于多平面重建（multipleplanar reconstruction，MPR）技術可以行冠狀位、矢狀位和斜位等任何方位的多平面圖像重建，有利于對支氣管的正交截面以及縱切面進行定位，所以MPR在氣道尺寸測量方面應用廣泛。虛擬內窺技術（virtual bronchoscopy，VB）和容積顯像（volume rendering，VR）在氣道形態學參數獲取領域也有一定應用。
采用MPR技術對待測氣道的正交截面進行定位，將圖像放大一定倍數后采用光標對管腔直徑、管腔面積或者管壁厚度進行勾畫獲得相應測量值[15]。基于MPR的長度測量，則需要對待測氣道的長軸剖面進行定位后獲取。理論上講，氣道兩端之間的曲線長度為真實長度，但部分研究將兩端之間的直線距離視為長度[15]。此外，由于部分支氣管的走行方向存在弧度，單一層面并不能完整顯示整個支氣管，因此這類支氣管的長度測量會存在偏差。基于MPR的角度測量，需要將待測夾角所涉及的兩個支氣管的中心線顯示在同一平面上，兩條中心線的夾角即為支氣管間角[15]，但在實際操作過程中，很難將兩個支氣管的中心線顯示在同一平面上，因此測量結果存在異質性。
VB和VR是CT數據的三維重建圖像。VB能夠顯示氣道內表面，具有類似支氣管鏡檢查的成像效果，可有效輔助肺部手術的術前規劃，且可對狹窄病灶遠端的氣道進行評估，因此其在診斷和評估氣道狹窄方面有一定優越性[16]。VR能夠顯示氣道外表面，可用于氣道狹窄長度的測量[16]。VB與VR對病灶的定位有較大優勢，但MPR才能實現更準確的測量。因此，VB/VR與MPR的聯用在氣道狹窄患者的診治中更有意義。
CT數據是獲取活體氣道形態學參數的良好工具，但是也存在多種因素導致手動測量所獲得的氣道形態學參數存在偏差。首先，部分容積效應的存在會使管壁厚度被高估而管腔面積被低估[1]。圖像層厚、支氣管走行角度、管腔內黏液及其他異常密度影等都是影響部分容積效應的因素。而部分容積效應會影響肉眼對氣道管腔與氣道內壁之間的界限以及氣道外壁與周圍組織之間界限的判斷，致使手動測量存在一定的誤差。其次，窗口設置對手動測量的結果有重大影響。早在1984年，Webb等[17]基于體模研究提出測量被空氣包繞的管道時應當將窗位設置在–450 HU。1996年，Bankier等[18]基于離體肺臟研究提出在CT圖像上測量管壁厚度時應當設置為窗位–250～–700 HU，窗寬>1000 HU。此后，大多數研究按照此規則進行窗口設置。Seo等[19]進一步將窗位–450 HU，窗寬1000 HU定義為氣管窗。近年來，國內學者提出采用特殊窗口（窗位–100 HU，窗寬500 HU）進行氣道測量[20]。我們認為特殊窗口對于角度的測量存在一定優勢，但是對于直徑、面積或壁厚的測量可能會存在偏差。最后，面對龐大的CT數據，手動測量顯得繁瑣枯燥、費時費力，觀察者內部一致性與觀察者間一致性難以得到保證，致使所獲數據的可重復性和均質性有所下降。
綜上，CT數據確實是獲取氣道形態學參數的良好媒介，手工測量也可快速無創地獲取氣道尺寸，因此基于CT數據的手工測量依舊是臨床上獲取氣道形態學參數的主要途徑。而在數據龐大的科研應用中，手動測量的弊端則更加凸顯，因此目前已逐漸被自動測量所取代。
2.2 基于胸部CT圖像的氣道尺寸自動測量
基于胸部CT圖像的氣道尺寸自動測量屬于定量CT（Quantitative Computed Tomography，QCT）技術的一部分，QCT指基于CT圖像獲取可對疾病或臟器解剖結構進行描述的定量參數，包括上文所述氣道尺寸以及其他相關指標，如壁面積百分比、氣道總數（total airway count ，TAC）、內周長為10 mm的“理論氣道”的壁面積平方根（Pi10）、CT值低于–950 HU的低衰減面積（LAA950，評估肺氣腫）和CT值小于–856 HU的低衰減面積（LAA856，評估氣體潴留）等[21]。目前，主要通過支氣管樹分割技術來實現氣道尺寸的自動測量。支氣管樹分割技術是指采用各種計算機算法將胸部CT圖像中的支氣管樹分割提取出來，基于所提取的支氣管樹來實現氣道尺寸的自動化定量分析。肺部支氣管樹分割技術始于20世紀90年代末，目前可應用多種方法對肺部支氣管樹進行分割，不同的支氣管樹分割技術各有優劣，已有學者對支氣管樹分割技術的發展現狀及各技術的優缺點做了詳細綜述[22]。近年來，人工智能在影像學的多個領域中得到快速發展，基于機器學習的肺部支氣管樹分割方法也成為該領域的研究熱點，在保證假陽性率較低的基礎上進一步提升了支氣管樹的分割效果。而基于支氣管樹分割技術的氣道尺寸定量分析也在氣道相關疾病的應用中大展拳腳，如慢性阻塞性肺疾病發生發展的相關研究[21]、哮喘患者氣道重塑的機制研究[5]、肺氣腫肺減容術后的臨床療效與氣道形態改變[23]等。
目前市場上也存在多種氣道尺寸（半）自動測量軟件或平臺，如COPD Analysis Software（Philips Medical Systems，埃因霍溫，荷蘭）、Apollo V.2.0 software package（VIDA Diagnostics，愛荷華州，美國）、Mimics（Materialise，比利時）、SYNAPSE VINCENT/3D（Fuji Film，東京，日本）、3D Slicer（Surgical Planning Laboratory，哈佛大學，波士頓，馬塞諸塞州，美國）、Syngo.via and Syngo.Pulmo3D（Siemens Healthcare，埃爾朗根，巴伐利亞州，德國）、The Thoracic Volume Computer-Assisted Reading（VCAR）software（GE Healthcare，芝加哥，伊利諾伊州，美國）、FACT-Digital lung TM software（DeXin，西安，中國）等。軟件的工作流程大致相同，首先完成支氣管樹分割，然后選擇待測部位及測量參數，軟件將自動顯示測量結果，部分軟件支持對測量部位的邊界進行手動微調以實現更加準確的測量。
氣道尺寸的自動測量可以實現基于氣道正交截面的面積/直徑/厚度測量，沿氣道中心線進行長度測量和角度測量，從而減小測量誤差。但因為不同軟件采用不同的計算機算法，有不同的優劣性，因此不同軟件的測量結果的可信度并不一致。Ma等[24]對比了手動測量與自動測量的結果，發現20%樣本的自動測量結果并不一定可靠。因此，臨床醫生需要判斷軟件的測量準確度與精確度。一般來說，需要對軟件的支氣管樹分割精度與氣道尺寸測量準確性進行檢驗，可以采用公開數據集或影像學專家手動分割數據集對支氣管樹分割精度進行檢驗[25]，采用體模、離體肺臟或健康成人的CT數據對軟件的測量準確性進行檢驗[26]。
3 基于支氣管鏡檢查的氣道尺寸測量
支氣管鏡檢查能夠肉眼下觀察病灶情況，辨別氣道病灶的性質。同時，通過支氣管鏡可以對氣道內的痰液、異物及壞死組織等進行清理，以更好地展現氣道的真實徑線。因此，若能通過支氣管鏡檢查實現鏡下實時測量，將有助于臨床醫生對病灶的認識。但是支氣管鏡的特制鏡頭屬于凸透鏡，其光學特性將導致通過該鏡頭所視對象的尺寸產生畸變[1]。因此，在支氣管鏡下直接測量氣道尺寸會產生偏差，需要采取措施克服鏡頭產生的畸變。
基于支氣管鏡檢查的（支）氣管長度測量。最簡單的方法如下所述，先將支氣管鏡前端伸至氣管隆突處，然后在特定部位處（如鼻尖處）的支氣管鏡身上做一標記，將支氣管鏡撤出至聲帶時，在鼻尖處的支氣管鏡身上再做一標記，測量兩處標記間的長度，則是氣管長度（聲帶至隆突的距離）[27]。此辦法簡單易操作，但是存在誤差，如支氣管鏡在氣道內的彎曲折疊會使測量結果偏大。Sharma等[28]則采用帶有刻度的兩端有轉角的鋼絲完成距離測量。
基于支氣管鏡檢查的直徑或面積測量。由于圖像畸變的存在，大多數研究采用在支氣管鏡鏡頭前端放置用于矯正的標準參照物來獲取直徑[28]，或采用數學方法對測量結果進行矯正[29]。Francom等[30]采用ImageJ軟件對已獲取的氣道圖像進行矯正與分析。
Nobuyama等[31]將一款支氣管鏡立體成像系統用于定量分析氣道狹窄病灶，該支氣管鏡使用兩個鏡頭來校正魚眼鏡頭所致的畸變，利用三角測量原理測量氣道，該團隊認為其可以實現圖像的實時矯正，且能準確獲取氣道形態學參數。但是，直徑更大的支氣管鏡鏡頭使其所能到達的位置受限。Banach等[32]新提出一種基于支氣管鏡圖像自動獲取狹窄指數的方法：首先將支氣管鏡圖像轉換為深度圖，然后對深度圖進行閾值化以估計狹窄指數。
綜上，基于支氣管鏡檢查的氣道測量有其固有的優點，如實時測量、病灶可見性等。但是，支氣管鏡的特殊鏡頭使測量結果容易出現誤差，若對圖像畸變進行矯正，則對支氣管鏡的放置部位有要求，或者需要配置特殊的支氣管鏡，此外，支氣管鏡本就屬于有創性操作。因此，基于支氣管鏡檢查的氣道測量在臨床上的應用受到限制。
4 其他氣道尺寸測量方式
OCT是一種較新的成像技術，具有分辨率高、可重復檢查且相對無創等優點，早期主要應用于眼科和脈管系統等。近年來，OCT技術成為氣道成像與定量測量的新興熱點技術，OCT主要用于獲取氣道的管壁厚度和管腔面積。李時悅團隊[33]對其在氣道疾病的應用研究進展做了綜述，詳細闡述了OCT在慢性阻塞性肺疾病、支氣管哮喘、支氣管肺癌和氣道狹窄等疾病中的應用現狀，并采用OCT對支氣管擴張、細支氣管炎等的氣道形態學進行了探索[34-35]。此外，OCT也被應用于動物實驗中以實現對氣道管壁損傷的評估[36]。
OCT可以對氣道組織結構進行清晰顯像，既沒有CT所帶來的輻射損傷，也沒有支氣管鏡鏡頭導致的圖像畸變，且能夠實現氣道尺寸的實時測量。但是OCT也存在不足，其探測深度有限，難以對氣道壁以外的病變或肺實質的病變進行清晰顯像，且氣道內分泌物、呼吸運動等可影響成像效果，圖像的自動化處理及分析也需進一步優化和改良，如基于卷積神經網絡的圖像識別與定量分析[37]。因此，基于OCT的氣道尺寸測量仍然需要進一步的探索及發展。
常規MRI成像難以實現肺和氣道的良好成像，因此較少用于氣道測量，不過MRI具有無創傷、無輻射的優點，因此，已有學者探索將其用于評估青少年的狹窄氣道[38]。MRI新技術的發展也使肺部MRI解剖成像、功能成像和定量技術逐漸應用于臨床。其中，MRI超短回波時間（ultrashort echo time，UTE）成像序列可采集更多短T2組織的信號，彌補了常規MRI在短T2組織成像中的缺陷，并可定量分析組織成分[39]。Benlala等[40]采用MRI-UTE測量哮喘患者的氣道管壁厚度/面積，并將所獲數據與CT測量結果進行對比，證明MRI-UTE是一種準確可靠的測量方法，可以用于定量評估哮喘患者支氣管管壁，且有足夠的空間分辨率來區分重度和非重度哮喘。由此可見，雖然該技術還有待發展，但有望成為獲取氣道形態學參數的良好工具。
5 結語
目前可通過多種方法獲取氣道尺寸，各方法也各有千秋。其中，解剖學是獲取解剖結構的金標準，但并非是獲取活體氣道形態學參數的良好方法，因此基本不應用于臨床，可應用于科研，如氣道相關疾病的動物實驗。胸部X線平片簡單易得，各級醫院都配有該設備，非常適合緊急情況及偏遠地區的應用，但基于胸片只能對氣管和主支氣管進行簡單測量，因此目前臨床應用也較少。超聲具有簡便快捷、無輻射危害且可在床旁操作等優點，可應用于兒童、床旁及動物實驗中的氣道形態學參數測量，且多用于直徑的測量。CT技術的快速發展使CT圖像成為獲取氣道形態學參數的良好媒介，其中基于CT圖像的多種后處理技術應用廣泛，可獲取直徑、長度、厚度及角度等多種參數，是目前臨床上獲取氣道形態學參數的主要工具，但手工測量確實存在耗時耗力、數據不均質、測量誤差等缺點。因此，基于CT圖像的氣道形態學參數自動測量技術正在快速發展，目前已有很多成形軟件，可使氣道尺寸的測量更加均質化、簡便化、多樣化，但大多處于科研應用階段，臨床普及可能不僅需要技術的突破，也需要醫院及科室的支持。支氣管鏡檢查是多種疾病診治的必要手段，鏡下實時測量可提供諸多便利，但該檢查為有創操作，且鏡頭畸變易使測量結果存在誤差，因此目前臨床上較少采用氣管鏡測量氣道尺寸，不過，對于有經驗的介入醫師，該檢查可大致提供內徑大小。基于OCT的氣道尺寸測量近年來獲得快速發展，主要用于管壁厚度的測量，其優勢在于分辨率高，甚至可分辨氣管壁的結構層次，因此非常有利于氣道重塑及其他管壁結構改變的研究，目前也多應用于相關研究，有良好的應用前景。基于MRI的氣道測量目前處于早期發展階段，或許在將來會成為重要工具，但仍然需要發展、檢驗及普及。綜上，目前有多種氣道形態學參數獲取方法可供選擇，對于臨床醫生或科研人員來講，應當根據具體的分析對象、分析內容和精度要求等選擇合適的工具。
利益沖突：本文不涉及任何利益沖突。
“氣道形態學參數”是指對氣道形態學進行定量描述的參數，如管腔內徑、管腔面積、管壁厚度、管壁面積、氣道橫截面積、支氣管長度和分枝夾角等[1]。臨床應用中，也采用“氣道尺寸”代指“氣道形態學參數”。氣道形態學參數的獲取有助于氣道相關疾病的診治、隨訪及科研應用，如氣管導管的型號選擇[2]、氣道狹窄病灶的定量評估[3]、氣道相關疾病的療效評價[4]及發生發展的機制研究[5]等。
目前，有多種方法可用來獲取氣道形態學參數。在早期，主要依據解剖學、胸部X線平片以及超聲獲取氣道徑線的相關知識。隨著CT掃描技術的快速發展，基于胸部CT圖像的后處理技術成為獲取氣道形態學參數的主流方式。與此同時，基于支氣管樹分割技術的氣道尺寸自動測量和支氣管鏡的鏡下測量逐漸走向臨床。此外，光學相干斷層掃描（optical coherence tomography，OCT）和核磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）在氣道形態學參數測量方面的研究也獲得進展。本文將對獲取氣道形態學參數的方法進行闡述，希望為各方法的臨床應用提供參考依據。
1 基于解剖學、胸部X線平片和超聲的氣道尺寸測量
1.1 基于解剖學的氣道尺寸測量
通過尸體樣本或組織學標本獲取氣道形態學參數的方法主要為采用直尺、游標卡尺或者電子卡尺直接對經過處理的標本進行手動測量，且大多用來獲取中央氣道的尺寸[6]。但是，由于組織離體后會出現肌肉松弛、呼吸動態消失和壓力狀態改變等現象，致使基于尸體標本獲取的數據不能反映活體的氣道形態學參數；且在對尸體標本進行處理時，存在牽拉、撕扯等會對氣道形態產生影響的操作，從而導致測量數據存在誤差。不過不可否認的是，尸體樣本是認識氣道解剖結構以及毗鄰組織結構的良好工具[7]，且在早期階段為醫護人員了解氣道尺寸做出了巨大貢獻。此外，在動物實驗中，可以通過獲取動物氣道的形態學參數來探索氣道相關疾病發生發展的機制[8]。
1.2 基于胸部X線平片的氣道尺寸測量
由于胸部X線平片存在圖像分辨率低、組織重疊以及圖像的二維性質等缺點，其主要用于中央氣道的徑線測量以及隆突角度的測量。通常在正位片上測量氣管橫徑，在側位片上測量氣管前后徑，而主支氣管的走行方向為斜向外、向下，只能從正位片上獲取主支氣管的上下徑（寬度）[9]。隆突角度包含支氣管間角和隆突下角，支氣管間角是指通過沿主支氣管中心線測量所獲得的角度，而隆突下角指沿主支氣管下沿測量所獲得的角度[10]。
隨著CT掃描技術的快速發展，基于胸部X線平片的測量已逐漸被淘汰，但在緊急時刻，X線平片依舊是獲取氣道徑線的良好工具，且由于其價廉易得，在氣道相關疾病的動物實驗中有相當重要的作用[11]。
1.3 基于超聲的氣道尺寸測量
超聲檢查不會對受試者產生輻射損傷，因此超聲在胎兒和兒童的氣道尺寸測量中獲得青睞[2, 12]。床旁超聲具有價廉易得、無創性、可及性等優點，在氣道管理中展現出其獨有的優勢[13]。此外，超聲支氣管鏡檢查可以實現胸內氣道的觀測[14]，但是該技術的操作難度較大，不利于臨床醫生掌握，且存在圖像分辨率低、定位不易和可重復性差等缺陷，因此該方法的臨床應用受到限制。
2 基于CT圖像的氣道尺寸測量
2.1 基于胸部CT圖像的氣道尺寸手動測量
胸部CT圖像具有分辨率高、組織對比度高等優點，較胸部平片更有利于氣道形態學參數值的獲取。多層螺旋CT能夠獲得容積數據，其強大的后處理技術使CT圖像的應用范圍更廣。其中，由于多平面重建（multipleplanar reconstruction，MPR）技術可以行冠狀位、矢狀位和斜位等任何方位的多平面圖像重建，有利于對支氣管的正交截面以及縱切面進行定位，所以MPR在氣道尺寸測量方面應用廣泛。虛擬內窺技術（virtual bronchoscopy，VB）和容積顯像（volume rendering，VR）在氣道形態學參數獲取領域也有一定應用。
采用MPR技術對待測氣道的正交截面進行定位，將圖像放大一定倍數后采用光標對管腔直徑、管腔面積或者管壁厚度進行勾畫獲得相應測量值[15]。基于MPR的長度測量，則需要對待測氣道的長軸剖面進行定位后獲取。理論上講，氣道兩端之間的曲線長度為真實長度，但部分研究將兩端之間的直線距離視為長度[15]。此外，由于部分支氣管的走行方向存在弧度，單一層面并不能完整顯示整個支氣管，因此這類支氣管的長度測量會存在偏差。基于MPR的角度測量，需要將待測夾角所涉及的兩個支氣管的中心線顯示在同一平面上，兩條中心線的夾角即為支氣管間角[15]，但在實際操作過程中，很難將兩個支氣管的中心線顯示在同一平面上，因此測量結果存在異質性。
VB和VR是CT數據的三維重建圖像。VB能夠顯示氣道內表面，具有類似支氣管鏡檢查的成像效果，可有效輔助肺部手術的術前規劃，且可對狹窄病灶遠端的氣道進行評估，因此其在診斷和評估氣道狹窄方面有一定優越性[16]。VR能夠顯示氣道外表面，可用于氣道狹窄長度的測量[16]。VB與VR對病灶的定位有較大優勢，但MPR才能實現更準確的測量。因此，VB/VR與MPR的聯用在氣道狹窄患者的診治中更有意義。
CT數據是獲取活體氣道形態學參數的良好工具，但是也存在多種因素導致手動測量所獲得的氣道形態學參數存在偏差。首先，部分容積效應的存在會使管壁厚度被高估而管腔面積被低估[1]。圖像層厚、支氣管走行角度、管腔內黏液及其他異常密度影等都是影響部分容積效應的因素。而部分容積效應會影響肉眼對氣道管腔與氣道內壁之間的界限以及氣道外壁與周圍組織之間界限的判斷，致使手動測量存在一定的誤差。其次，窗口設置對手動測量的結果有重大影響。早在1984年，Webb等[17]基于體模研究提出測量被空氣包繞的管道時應當將窗位設置在–450 HU。1996年，Bankier等[18]基于離體肺臟研究提出在CT圖像上測量管壁厚度時應當設置為窗位–250～–700 HU，窗寬>1000 HU。此后，大多數研究按照此規則進行窗口設置。Seo等[19]進一步將窗位–450 HU，窗寬1000 HU定義為氣管窗。近年來，國內學者提出采用特殊窗口（窗位–100 HU，窗寬500 HU）進行氣道測量[20]。我們認為特殊窗口對于角度的測量存在一定優勢，但是對于直徑、面積或壁厚的測量可能會存在偏差。最后，面對龐大的CT數據，手動測量顯得繁瑣枯燥、費時費力，觀察者內部一致性與觀察者間一致性難以得到保證，致使所獲數據的可重復性和均質性有所下降。
綜上，CT數據確實是獲取氣道形態學參數的良好媒介，手工測量也可快速無創地獲取氣道尺寸，因此基于CT數據的手工測量依舊是臨床上獲取氣道形態學參數的主要途徑。而在數據龐大的科研應用中，手動測量的弊端則更加凸顯，因此目前已逐漸被自動測量所取代。
2.2 基于胸部CT圖像的氣道尺寸自動測量
基于胸部CT圖像的氣道尺寸自動測量屬于定量CT（Quantitative Computed Tomography，QCT）技術的一部分，QCT指基于CT圖像獲取可對疾病或臟器解剖結構進行描述的定量參數，包括上文所述氣道尺寸以及其他相關指標，如壁面積百分比、氣道總數（total airway count ，TAC）、內周長為10 mm的“理論氣道”的壁面積平方根（Pi10）、CT值低于–950 HU的低衰減面積（LAA950，評估肺氣腫）和CT值小于–856 HU的低衰減面積（LAA856，評估氣體潴留）等[21]。目前，主要通過支氣管樹分割技術來實現氣道尺寸的自動測量。支氣管樹分割技術是指采用各種計算機算法將胸部CT圖像中的支氣管樹分割提取出來，基于所提取的支氣管樹來實現氣道尺寸的自動化定量分析。肺部支氣管樹分割技術始于20世紀90年代末，目前可應用多種方法對肺部支氣管樹進行分割，不同的支氣管樹分割技術各有優劣，已有學者對支氣管樹分割技術的發展現狀及各技術的優缺點做了詳細綜述[22]。近年來，人工智能在影像學的多個領域中得到快速發展，基于機器學習的肺部支氣管樹分割方法也成為該領域的研究熱點，在保證假陽性率較低的基礎上進一步提升了支氣管樹的分割效果。而基于支氣管樹分割技術的氣道尺寸定量分析也在氣道相關疾病的應用中大展拳腳，如慢性阻塞性肺疾病發生發展的相關研究[21]、哮喘患者氣道重塑的機制研究[5]、肺氣腫肺減容術后的臨床療效與氣道形態改變[23]等。
目前市場上也存在多種氣道尺寸（半）自動測量軟件或平臺，如COPD Analysis Software（Philips Medical Systems，埃因霍溫，荷蘭）、Apollo V.2.0 software package（VIDA Diagnostics，愛荷華州，美國）、Mimics（Materialise，比利時）、SYNAPSE VINCENT/3D（Fuji Film，東京，日本）、3D Slicer（Surgical Planning Laboratory，哈佛大學，波士頓，馬塞諸塞州，美國）、Syngo.via and Syngo.Pulmo3D（Siemens Healthcare，埃爾朗根，巴伐利亞州，德國）、The Thoracic Volume Computer-Assisted Reading（VCAR）software（GE Healthcare，芝加哥，伊利諾伊州，美國）、FACT-Digital lung TM software（DeXin，西安，中國）等。軟件的工作流程大致相同，首先完成支氣管樹分割，然后選擇待測部位及測量參數，軟件將自動顯示測量結果，部分軟件支持對測量部位的邊界進行手動微調以實現更加準確的測量。
氣道尺寸的自動測量可以實現基于氣道正交截面的面積/直徑/厚度測量，沿氣道中心線進行長度測量和角度測量，從而減小測量誤差。但因為不同軟件采用不同的計算機算法，有不同的優劣性，因此不同軟件的測量結果的可信度并不一致。Ma等[24]對比了手動測量與自動測量的結果，發現20%樣本的自動測量結果并不一定可靠。因此，臨床醫生需要判斷軟件的測量準確度與精確度。一般來說，需要對軟件的支氣管樹分割精度與氣道尺寸測量準確性進行檢驗，可以采用公開數據集或影像學專家手動分割數據集對支氣管樹分割精度進行檢驗[25]，采用體模、離體肺臟或健康成人的CT數據對軟件的測量準確性進行檢驗[26]。
3 基于支氣管鏡檢查的氣道尺寸測量
支氣管鏡檢查能夠肉眼下觀察病灶情況，辨別氣道病灶的性質。同時，通過支氣管鏡可以對氣道內的痰液、異物及壞死組織等進行清理，以更好地展現氣道的真實徑線。因此，若能通過支氣管鏡檢查實現鏡下實時測量，將有助于臨床醫生對病灶的認識。但是支氣管鏡的特制鏡頭屬于凸透鏡，其光學特性將導致通過該鏡頭所視對象的尺寸產生畸變[1]。因此，在支氣管鏡下直接測量氣道尺寸會產生偏差，需要采取措施克服鏡頭產生的畸變。
基于支氣管鏡檢查的（支）氣管長度測量。最簡單的方法如下所述，先將支氣管鏡前端伸至氣管隆突處，然后在特定部位處（如鼻尖處）的支氣管鏡身上做一標記，將支氣管鏡撤出至聲帶時，在鼻尖處的支氣管鏡身上再做一標記，測量兩處標記間的長度，則是氣管長度（聲帶至隆突的距離）[27]。此辦法簡單易操作，但是存在誤差，如支氣管鏡在氣道內的彎曲折疊會使測量結果偏大。Sharma等[28]則采用帶有刻度的兩端有轉角的鋼絲完成距離測量。
基于支氣管鏡檢查的直徑或面積測量。由于圖像畸變的存在，大多數研究采用在支氣管鏡鏡頭前端放置用于矯正的標準參照物來獲取直徑[28]，或采用數學方法對測量結果進行矯正[29]。Francom等[30]采用ImageJ軟件對已獲取的氣道圖像進行矯正與分析。
Nobuyama等[31]將一款支氣管鏡立體成像系統用于定量分析氣道狹窄病灶，該支氣管鏡使用兩個鏡頭來校正魚眼鏡頭所致的畸變，利用三角測量原理測量氣道，該團隊認為其可以實現圖像的實時矯正，且能準確獲取氣道形態學參數。但是，直徑更大的支氣管鏡鏡頭使其所能到達的位置受限。Banach等[32]新提出一種基于支氣管鏡圖像自動獲取狹窄指數的方法：首先將支氣管鏡圖像轉換為深度圖，然后對深度圖進行閾值化以估計狹窄指數。
綜上，基于支氣管鏡檢查的氣道測量有其固有的優點，如實時測量、病灶可見性等。但是，支氣管鏡的特殊鏡頭使測量結果容易出現誤差，若對圖像畸變進行矯正，則對支氣管鏡的放置部位有要求，或者需要配置特殊的支氣管鏡，此外，支氣管鏡本就屬于有創性操作。因此，基于支氣管鏡檢查的氣道測量在臨床上的應用受到限制。
4 其他氣道尺寸測量方式
OCT是一種較新的成像技術，具有分辨率高、可重復檢查且相對無創等優點，早期主要應用于眼科和脈管系統等。近年來，OCT技術成為氣道成像與定量測量的新興熱點技術，OCT主要用于獲取氣道的管壁厚度和管腔面積。李時悅團隊[33]對其在氣道疾病的應用研究進展做了綜述，詳細闡述了OCT在慢性阻塞性肺疾病、支氣管哮喘、支氣管肺癌和氣道狹窄等疾病中的應用現狀，并采用OCT對支氣管擴張、細支氣管炎等的氣道形態學進行了探索[34-35]。此外，OCT也被應用于動物實驗中以實現對氣道管壁損傷的評估[36]。
OCT可以對氣道組織結構進行清晰顯像，既沒有CT所帶來的輻射損傷，也沒有支氣管鏡鏡頭導致的圖像畸變，且能夠實現氣道尺寸的實時測量。但是OCT也存在不足，其探測深度有限，難以對氣道壁以外的病變或肺實質的病變進行清晰顯像，且氣道內分泌物、呼吸運動等可影響成像效果，圖像的自動化處理及分析也需進一步優化和改良，如基于卷積神經網絡的圖像識別與定量分析[37]。因此，基于OCT的氣道尺寸測量仍然需要進一步的探索及發展。
常規MRI成像難以實現肺和氣道的良好成像，因此較少用于氣道測量，不過MRI具有無創傷、無輻射的優點，因此，已有學者探索將其用于評估青少年的狹窄氣道[38]。MRI新技術的發展也使肺部MRI解剖成像、功能成像和定量技術逐漸應用于臨床。其中，MRI超短回波時間（ultrashort echo time，UTE）成像序列可采集更多短T2組織的信號，彌補了常規MRI在短T2組織成像中的缺陷，并可定量分析組織成分[39]。Benlala等[40]采用MRI-UTE測量哮喘患者的氣道管壁厚度/面積，并將所獲數據與CT測量結果進行對比，證明MRI-UTE是一種準確可靠的測量方法，可以用于定量評估哮喘患者支氣管管壁，且有足夠的空間分辨率來區分重度和非重度哮喘。由此可見，雖然該技術還有待發展，但有望成為獲取氣道形態學參數的良好工具。
5 結語
目前可通過多種方法獲取氣道尺寸，各方法也各有千秋。其中，解剖學是獲取解剖結構的金標準，但并非是獲取活體氣道形態學參數的良好方法，因此基本不應用于臨床，可應用于科研，如氣道相關疾病的動物實驗。胸部X線平片簡單易得，各級醫院都配有該設備，非常適合緊急情況及偏遠地區的應用，但基于胸片只能對氣管和主支氣管進行簡單測量，因此目前臨床應用也較少。超聲具有簡便快捷、無輻射危害且可在床旁操作等優點，可應用于兒童、床旁及動物實驗中的氣道形態學參數測量，且多用于直徑的測量。CT技術的快速發展使CT圖像成為獲取氣道形態學參數的良好媒介，其中基于CT圖像的多種后處理技術應用廣泛，可獲取直徑、長度、厚度及角度等多種參數，是目前臨床上獲取氣道形態學參數的主要工具，但手工測量確實存在耗時耗力、數據不均質、測量誤差等缺點。因此，基于CT圖像的氣道形態學參數自動測量技術正在快速發展，目前已有很多成形軟件，可使氣道尺寸的測量更加均質化、簡便化、多樣化，但大多處于科研應用階段，臨床普及可能不僅需要技術的突破，也需要醫院及科室的支持。支氣管鏡檢查是多種疾病診治的必要手段，鏡下實時測量可提供諸多便利，但該檢查為有創操作，且鏡頭畸變易使測量結果存在誤差，因此目前臨床上較少采用氣管鏡測量氣道尺寸，不過，對于有經驗的介入醫師，該檢查可大致提供內徑大小。基于OCT的氣道尺寸測量近年來獲得快速發展，主要用于管壁厚度的測量，其優勢在于分辨率高，甚至可分辨氣管壁的結構層次，因此非常有利于氣道重塑及其他管壁結構改變的研究，目前也多應用于相關研究，有良好的應用前景。基于MRI的氣道測量目前處于早期發展階段，或許在將來會成為重要工具，但仍然需要發展、檢驗及普及。綜上，目前有多種氣道形態學參數獲取方法可供選擇，對于臨床醫生或科研人員來講，應當根據具體的分析對象、分析內容和精度要求等選擇合適的工具。
利益沖突：本文不涉及任何利益沖突。