引用本文： 周陈梅, 郭述良. 气道形态学参数的测量现状. 中国呼吸与危重监护杂志, 2023, 22(5): 376-380. doi: 10.7507/1671-6205.202204051 复制
“气道形态学参数”是指对气道形态学进行定量描述的参数，如管腔内径、管腔面积、管壁厚度、管壁面积、气道横截面积、支气管长度和分枝夹角等[1]。临床应用中，也采用“气道尺寸”代指“气道形态学参数”。气道形态学参数的获取有助于气道相关疾病的诊治、随访及科研应用，如气管导管的型号选择[2]、气道狭窄病灶的定量评估[3]、气道相关疾病的疗效评价[4]及发生发展的机制研究[5]等。
目前，有多种方法可用来获取气道形态学参数。在早期，主要依据解剖学、胸部X线平片以及超声获取气道径线的相关知识。随着CT扫描技术的快速发展，基于胸部CT图像的后处理技术成为获取气道形态学参数的主流方式。与此同时，基于支气管树分割技术的气道尺寸自动测量和支气管镜的镜下测量逐渐走向临床。此外，光学相干断层扫描（optical coherence tomography，OCT）和核磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）在气道形态学参数测量方面的研究也获得进展。本文将对获取气道形态学参数的方法进行阐述，希望为各方法的临床应用提供参考依据。
1 基于解剖学、胸部X线平片和超声的气道尺寸测量
1.1 基于解剖学的气道尺寸测量
通过尸体样本或组织学标本获取气道形态学参数的方法主要为采用直尺、游标卡尺或者电子卡尺直接对经过处理的标本进行手动测量，且大多用来获取中央气道的尺寸[6]。但是，由于组织离体后会出现肌肉松弛、呼吸动态消失和压力状态改变等现象，致使基于尸体标本获取的数据不能反映活体的气道形态学参数；且在对尸体标本进行处理时，存在牵拉、撕扯等会对气道形态产生影响的操作，从而导致测量数据存在误差。不过不可否认的是，尸体样本是认识气道解剖结构以及毗邻组织结构的良好工具[7]，且在早期阶段为医护人员了解气道尺寸做出了巨大贡献。此外，在动物实验中，可以通过获取动物气道的形态学参数来探索气道相关疾病发生发展的机制[8]。
1.2 基于胸部X线平片的气道尺寸测量
由于胸部X线平片存在图像分辨率低、组织重叠以及图像的二维性质等缺点，其主要用于中央气道的径线测量以及隆突角度的测量。通常在正位片上测量气管横径，在侧位片上测量气管前后径，而主支气管的走行方向为斜向外、向下，只能从正位片上获取主支气管的上下径（宽度）[9]。隆突角度包含支气管间角和隆突下角，支气管间角是指通过沿主支气管中心线测量所获得的角度，而隆突下角指沿主支气管下沿测量所获得的角度[10]。
随着CT扫描技术的快速发展，基于胸部X线平片的测量已逐渐被淘汰，但在紧急时刻，X线平片依旧是获取气道径线的良好工具，且由于其价廉易得，在气道相关疾病的动物实验中有相当重要的作用[11]。
1.3 基于超声的气道尺寸测量
超声检查不会对受试者产生辐射损伤，因此超声在胎儿和儿童的气道尺寸测量中获得青睐[2, 12]。床旁超声具有价廉易得、无创性、可及性等优点，在气道管理中展现出其独有的优势[13]。此外，超声支气管镜检查可以实现胸内气道的观测[14]，但是该技术的操作难度较大，不利于临床医生掌握，且存在图像分辨率低、定位不易和可重复性差等缺陷，因此该方法的临床应用受到限制。
2 基于CT图像的气道尺寸测量
2.1 基于胸部CT图像的气道尺寸手动测量
胸部CT图像具有分辨率高、组织对比度高等优点，较胸部平片更有利于气道形态学参数值的获取。多层螺旋CT能够获得容积数据，其强大的后处理技术使CT图像的应用范围更广。其中，由于多平面重建（multipleplanar reconstruction，MPR）技术可以行冠状位、矢状位和斜位等任何方位的多平面图像重建，有利于对支气管的正交截面以及纵切面进行定位，所以MPR在气道尺寸测量方面应用广泛。虚拟内窥技术（virtual bronchoscopy，VB）和容积显像（volume rendering，VR）在气道形态学参数获取领域也有一定应用。
采用MPR技术对待测气道的正交截面进行定位，将图像放大一定倍数后采用光标对管腔直径、管腔面积或者管壁厚度进行勾画获得相应测量值[15]。基于MPR的长度测量，则需要对待测气道的长轴剖面进行定位后获取。理论上讲，气道两端之间的曲线长度为真实长度，但部分研究将两端之间的直线距离视为长度[15]。此外，由于部分支气管的走行方向存在弧度，单一层面并不能完整显示整个支气管，因此这类支气管的长度测量会存在偏差。基于MPR的角度测量，需要将待测夹角所涉及的两个支气管的中心线显示在同一平面上，两条中心线的夹角即为支气管间角[15]，但在实际操作过程中，很难将两个支气管的中心线显示在同一平面上，因此测量结果存在异质性。
VB和VR是CT数据的三维重建图像。VB能够显示气道内表面，具有类似支气管镜检查的成像效果，可有效辅助肺部手术的术前规划，且可对狭窄病灶远端的气道进行评估，因此其在诊断和评估气道狭窄方面有一定优越性[16]。VR能够显示气道外表面，可用于气道狭窄长度的测量[16]。VB与VR对病灶的定位有较大优势，但MPR才能实现更准确的测量。因此，VB/VR与MPR的联用在气道狭窄患者的诊治中更有意义。
CT数据是获取活体气道形态学参数的良好工具，但是也存在多种因素导致手动测量所获得的气道形态学参数存在偏差。首先，部分容积效应的存在会使管壁厚度被高估而管腔面积被低估[1]。图像层厚、支气管走行角度、管腔内黏液及其他异常密度影等都是影响部分容积效应的因素。而部分容积效应会影响肉眼对气道管腔与气道内壁之间的界限以及气道外壁与周围组织之间界限的判断，致使手动测量存在一定的误差。其次，窗口设置对手动测量的结果有重大影响。早在1984年，Webb等[17]基于体模研究提出测量被空气包绕的管道时应当将窗位设置在–450 HU。1996年，Bankier等[18]基于离体肺脏研究提出在CT图像上测量管壁厚度时应当设置为窗位–250～–700 HU，窗宽>1000 HU。此后，大多数研究按照此规则进行窗口设置。Seo等[19]进一步将窗位–450 HU，窗宽1000 HU定义为气管窗。近年来，国内学者提出采用特殊窗口（窗位–100 HU，窗宽500 HU）进行气道测量[20]。我们认为特殊窗口对于角度的测量存在一定优势，但是对于直径、面积或壁厚的测量可能会存在偏差。最后，面对庞大的CT数据，手动测量显得繁琐枯燥、费时费力，观察者内部一致性与观察者间一致性难以得到保证，致使所获数据的可重复性和均质性有所下降。
综上，CT数据确实是获取气道形态学参数的良好媒介，手工测量也可快速无创地获取气道尺寸，因此基于CT数据的手工测量依旧是临床上获取气道形态学参数的主要途径。而在数据庞大的科研应用中，手动测量的弊端则更加凸显，因此目前已逐渐被自动测量所取代。
2.2 基于胸部CT图像的气道尺寸自动测量
基于胸部CT图像的气道尺寸自动测量属于定量CT（Quantitative Computed Tomography，QCT）技术的一部分，QCT指基于CT图像获取可对疾病或脏器解剖结构进行描述的定量参数，包括上文所述气道尺寸以及其他相关指标，如壁面积百分比、气道总数（total airway count ，TAC）、内周长为10 mm的“理论气道”的壁面积平方根（Pi10）、CT值低于–950 HU的低衰减面积（LAA950，评估肺气肿）和CT值小于–856 HU的低衰减面积（LAA856，评估气体潴留）等[21]。目前，主要通过支气管树分割技术来实现气道尺寸的自动测量。支气管树分割技术是指采用各种计算机算法将胸部CT图像中的支气管树分割提取出来，基于所提取的支气管树来实现气道尺寸的自动化定量分析。肺部支气管树分割技术始于20世纪90年代末，目前可应用多种方法对肺部支气管树进行分割，不同的支气管树分割技术各有优劣，已有学者对支气管树分割技术的发展现状及各技术的优缺点做了详细综述[22]。近年来，人工智能在影像学的多个领域中得到快速发展，基于机器学习的肺部支气管树分割方法也成为该领域的研究热点，在保证假阳性率较低的基础上进一步提升了支气管树的分割效果。而基于支气管树分割技术的气道尺寸定量分析也在气道相关疾病的应用中大展拳脚，如慢性阻塞性肺疾病发生发展的相关研究[21]、哮喘患者气道重塑的机制研究[5]、肺气肿肺减容术后的临床疗效与气道形态改变[23]等。
目前市场上也存在多种气道尺寸（半）自动测量软件或平台，如COPD Analysis Software（Philips Medical Systems，埃因霍温，荷兰）、Apollo V.2.0 software package（VIDA Diagnostics，爱荷华州，美国）、Mimics（Materialise，比利时）、SYNAPSE VINCENT/3D（Fuji Film，东京，日本）、3D Slicer（Surgical Planning Laboratory，哈佛大学，波士顿，马塞诸塞州，美国）、Syngo.via and Syngo.Pulmo3D（Siemens Healthcare，埃尔朗根，巴伐利亚州，德国）、The Thoracic Volume Computer-Assisted Reading（VCAR）software（GE Healthcare，芝加哥，伊利诺伊州，美国）、FACT-Digital lung TM software（DeXin，西安，中国）等。软件的工作流程大致相同，首先完成支气管树分割，然后选择待测部位及测量参数，软件将自动显示测量结果，部分软件支持对测量部位的边界进行手动微调以实现更加准确的测量。
气道尺寸的自动测量可以实现基于气道正交截面的面积/直径/厚度测量，沿气道中心线进行长度测量和角度测量，从而减小测量误差。但因为不同软件采用不同的计算机算法，有不同的优劣性，因此不同软件的测量结果的可信度并不一致。Ma等[24]对比了手动测量与自动测量的结果，发现20%样本的自动测量结果并不一定可靠。因此，临床医生需要判断软件的测量准确度与精确度。一般来说，需要对软件的支气管树分割精度与气道尺寸测量准确性进行检验，可以采用公开数据集或影像学专家手动分割数据集对支气管树分割精度进行检验[25]，采用体模、离体肺脏或健康成人的CT数据对软件的测量准确性进行检验[26]。
3 基于支气管镜检查的气道尺寸测量
支气管镜检查能够肉眼下观察病灶情况，辨别气道病灶的性质。同时，通过支气管镜可以对气道内的痰液、异物及坏死组织等进行清理，以更好地展现气道的真实径线。因此，若能通过支气管镜检查实现镜下实时测量，将有助于临床医生对病灶的认识。但是支气管镜的特制镜头属于凸透镜，其光学特性将导致通过该镜头所视对象的尺寸产生畸变[1]。因此，在支气管镜下直接测量气道尺寸会产生偏差，需要采取措施克服镜头产生的畸变。
基于支气管镜检查的（支）气管长度测量。最简单的方法如下所述，先将支气管镜前端伸至气管隆突处，然后在特定部位处（如鼻尖处）的支气管镜身上做一标记，将支气管镜撤出至声带时，在鼻尖处的支气管镜身上再做一标记，测量两处标记间的长度，则是气管长度（声带至隆突的距离）[27]。此办法简单易操作，但是存在误差，如支气管镜在气道内的弯曲折叠会使测量结果偏大。Sharma等[28]则采用带有刻度的两端有转角的钢丝完成距离测量。
基于支气管镜检查的直径或面积测量。由于图像畸变的存在，大多数研究采用在支气管镜镜头前端放置用于矫正的标准参照物来获取直径[28]，或采用数学方法对测量结果进行矫正[29]。Francom等[30]采用ImageJ软件对已获取的气道图像进行矫正与分析。
Nobuyama等[31]将一款支气管镜立体成像系统用于定量分析气道狭窄病灶，该支气管镜使用两个镜头来校正鱼眼镜头所致的畸变，利用三角测量原理测量气道，该团队认为其可以实现图像的实时矫正，且能准确获取气道形态学参数。但是，直径更大的支气管镜镜头使其所能到达的位置受限。Banach等[32]新提出一种基于支气管镜图像自动获取狭窄指数的方法：首先将支气管镜图像转换为深度图，然后对深度图进行阈值化以估计狭窄指数。
综上，基于支气管镜检查的气道测量有其固有的优点，如实时测量、病灶可见性等。但是，支气管镜的特殊镜头使测量结果容易出现误差，若对图像畸变进行矫正，则对支气管镜的放置部位有要求，或者需要配置特殊的支气管镜，此外，支气管镜本就属于有创性操作。因此，基于支气管镜检查的气道测量在临床上的应用受到限制。
4 其他气道尺寸测量方式
OCT是一种较新的成像技术，具有分辨率高、可重复检查且相对无创等优点，早期主要应用于眼科和脉管系统等。近年来，OCT技术成为气道成像与定量测量的新兴热点技术，OCT主要用于获取气道的管壁厚度和管腔面积。李时悦团队[33]对其在气道疾病的应用研究进展做了综述，详细阐述了OCT在慢性阻塞性肺疾病、支气管哮喘、支气管肺癌和气道狭窄等疾病中的应用现状，并采用OCT对支气管扩张、细支气管炎等的气道形态学进行了探索[34-35]。此外，OCT也被应用于动物实验中以实现对气道管壁损伤的评估[36]。
OCT可以对气道组织结构进行清晰显像，既没有CT所带来的辐射损伤，也没有支气管镜镜头导致的图像畸变，且能够实现气道尺寸的实时测量。但是OCT也存在不足，其探测深度有限，难以对气道壁以外的病变或肺实质的病变进行清晰显像，且气道内分泌物、呼吸运动等可影响成像效果，图像的自动化处理及分析也需进一步优化和改良，如基于卷积神经网络的图像识别与定量分析[37]。因此，基于OCT的气道尺寸测量仍然需要进一步的探索及发展。
常规MRI成像难以实现肺和气道的良好成像，因此较少用于气道测量，不过MRI具有无创伤、无辐射的优点，因此，已有学者探索将其用于评估青少年的狭窄气道[38]。MRI新技术的发展也使肺部MRI解剖成像、功能成像和定量技术逐渐应用于临床。其中，MRI超短回波时间（ultrashort echo time，UTE）成像序列可采集更多短T2组织的信号，弥补了常规MRI在短T2组织成像中的缺陷，并可定量分析组织成分[39]。Benlala等[40]采用MRI-UTE测量哮喘患者的气道管壁厚度/面积，并将所获数据与CT测量结果进行对比，证明MRI-UTE是一种准确可靠的测量方法，可以用于定量评估哮喘患者支气管管壁，且有足够的空间分辨率来区分重度和非重度哮喘。由此可见，虽然该技术还有待发展，但有望成为获取气道形态学参数的良好工具。
5 结语
目前可通过多种方法获取气道尺寸，各方法也各有千秋。其中，解剖学是获取解剖结构的金标准，但并非是获取活体气道形态学参数的良好方法，因此基本不应用于临床，可应用于科研，如气道相关疾病的动物实验。胸部X线平片简单易得，各级医院都配有该设备，非常适合紧急情况及偏远地区的应用，但基于胸片只能对气管和主支气管进行简单测量，因此目前临床应用也较少。超声具有简便快捷、无辐射危害且可在床旁操作等优点，可应用于儿童、床旁及动物实验中的气道形态学参数测量，且多用于直径的测量。CT技术的快速发展使CT图像成为获取气道形态学参数的良好媒介，其中基于CT图像的多种后处理技术应用广泛，可获取直径、长度、厚度及角度等多种参数，是目前临床上获取气道形态学参数的主要工具，但手工测量确实存在耗时耗力、数据不均质、测量误差等缺点。因此，基于CT图像的气道形态学参数自动测量技术正在快速发展，目前已有很多成形软件，可使气道尺寸的测量更加均质化、简便化、多样化，但大多处于科研应用阶段，临床普及可能不仅需要技术的突破，也需要医院及科室的支持。支气管镜检查是多种疾病诊治的必要手段，镜下实时测量可提供诸多便利，但该检查为有创操作，且镜头畸变易使测量结果存在误差，因此目前临床上较少采用气管镜测量气道尺寸，不过，对于有经验的介入医师，该检查可大致提供内径大小。基于OCT的气道尺寸测量近年来获得快速发展，主要用于管壁厚度的测量，其优势在于分辨率高，甚至可分辨气管壁的结构层次，因此非常有利于气道重塑及其他管壁结构改变的研究，目前也多应用于相关研究，有良好的应用前景。基于MRI的气道测量目前处于早期发展阶段，或许在将来会成为重要工具，但仍然需要发展、检验及普及。综上，目前有多种气道形态学参数获取方法可供选择，对于临床医生或科研人员来讲，应当根据具体的分析对象、分析内容和精度要求等选择合适的工具。
利益冲突：本文不涉及任何利益冲突。
“气道形态学参数”是指对气道形态学进行定量描述的参数，如管腔内径、管腔面积、管壁厚度、管壁面积、气道横截面积、支气管长度和分枝夹角等[1]。临床应用中，也采用“气道尺寸”代指“气道形态学参数”。气道形态学参数的获取有助于气道相关疾病的诊治、随访及科研应用，如气管导管的型号选择[2]、气道狭窄病灶的定量评估[3]、气道相关疾病的疗效评价[4]及发生发展的机制研究[5]等。
目前，有多种方法可用来获取气道形态学参数。在早期，主要依据解剖学、胸部X线平片以及超声获取气道径线的相关知识。随着CT扫描技术的快速发展，基于胸部CT图像的后处理技术成为获取气道形态学参数的主流方式。与此同时，基于支气管树分割技术的气道尺寸自动测量和支气管镜的镜下测量逐渐走向临床。此外，光学相干断层扫描（optical coherence tomography，OCT）和核磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）在气道形态学参数测量方面的研究也获得进展。本文将对获取气道形态学参数的方法进行阐述，希望为各方法的临床应用提供参考依据。
1 基于解剖学、胸部X线平片和超声的气道尺寸测量
1.1 基于解剖学的气道尺寸测量
通过尸体样本或组织学标本获取气道形态学参数的方法主要为采用直尺、游标卡尺或者电子卡尺直接对经过处理的标本进行手动测量，且大多用来获取中央气道的尺寸[6]。但是，由于组织离体后会出现肌肉松弛、呼吸动态消失和压力状态改变等现象，致使基于尸体标本获取的数据不能反映活体的气道形态学参数；且在对尸体标本进行处理时，存在牵拉、撕扯等会对气道形态产生影响的操作，从而导致测量数据存在误差。不过不可否认的是，尸体样本是认识气道解剖结构以及毗邻组织结构的良好工具[7]，且在早期阶段为医护人员了解气道尺寸做出了巨大贡献。此外，在动物实验中，可以通过获取动物气道的形态学参数来探索气道相关疾病发生发展的机制[8]。
1.2 基于胸部X线平片的气道尺寸测量
由于胸部X线平片存在图像分辨率低、组织重叠以及图像的二维性质等缺点，其主要用于中央气道的径线测量以及隆突角度的测量。通常在正位片上测量气管横径，在侧位片上测量气管前后径，而主支气管的走行方向为斜向外、向下，只能从正位片上获取主支气管的上下径（宽度）[9]。隆突角度包含支气管间角和隆突下角，支气管间角是指通过沿主支气管中心线测量所获得的角度，而隆突下角指沿主支气管下沿测量所获得的角度[10]。
随着CT扫描技术的快速发展，基于胸部X线平片的测量已逐渐被淘汰，但在紧急时刻，X线平片依旧是获取气道径线的良好工具，且由于其价廉易得，在气道相关疾病的动物实验中有相当重要的作用[11]。
1.3 基于超声的气道尺寸测量
超声检查不会对受试者产生辐射损伤，因此超声在胎儿和儿童的气道尺寸测量中获得青睐[2, 12]。床旁超声具有价廉易得、无创性、可及性等优点，在气道管理中展现出其独有的优势[13]。此外，超声支气管镜检查可以实现胸内气道的观测[14]，但是该技术的操作难度较大，不利于临床医生掌握，且存在图像分辨率低、定位不易和可重复性差等缺陷，因此该方法的临床应用受到限制。
2 基于CT图像的气道尺寸测量
2.1 基于胸部CT图像的气道尺寸手动测量
胸部CT图像具有分辨率高、组织对比度高等优点，较胸部平片更有利于气道形态学参数值的获取。多层螺旋CT能够获得容积数据，其强大的后处理技术使CT图像的应用范围更广。其中，由于多平面重建（multipleplanar reconstruction，MPR）技术可以行冠状位、矢状位和斜位等任何方位的多平面图像重建，有利于对支气管的正交截面以及纵切面进行定位，所以MPR在气道尺寸测量方面应用广泛。虚拟内窥技术（virtual bronchoscopy，VB）和容积显像（volume rendering，VR）在气道形态学参数获取领域也有一定应用。
采用MPR技术对待测气道的正交截面进行定位，将图像放大一定倍数后采用光标对管腔直径、管腔面积或者管壁厚度进行勾画获得相应测量值[15]。基于MPR的长度测量，则需要对待测气道的长轴剖面进行定位后获取。理论上讲，气道两端之间的曲线长度为真实长度，但部分研究将两端之间的直线距离视为长度[15]。此外，由于部分支气管的走行方向存在弧度，单一层面并不能完整显示整个支气管，因此这类支气管的长度测量会存在偏差。基于MPR的角度测量，需要将待测夹角所涉及的两个支气管的中心线显示在同一平面上，两条中心线的夹角即为支气管间角[15]，但在实际操作过程中，很难将两个支气管的中心线显示在同一平面上，因此测量结果存在异质性。
VB和VR是CT数据的三维重建图像。VB能够显示气道内表面，具有类似支气管镜检查的成像效果，可有效辅助肺部手术的术前规划，且可对狭窄病灶远端的气道进行评估，因此其在诊断和评估气道狭窄方面有一定优越性[16]。VR能够显示气道外表面，可用于气道狭窄长度的测量[16]。VB与VR对病灶的定位有较大优势，但MPR才能实现更准确的测量。因此，VB/VR与MPR的联用在气道狭窄患者的诊治中更有意义。
CT数据是获取活体气道形态学参数的良好工具，但是也存在多种因素导致手动测量所获得的气道形态学参数存在偏差。首先，部分容积效应的存在会使管壁厚度被高估而管腔面积被低估[1]。图像层厚、支气管走行角度、管腔内黏液及其他异常密度影等都是影响部分容积效应的因素。而部分容积效应会影响肉眼对气道管腔与气道内壁之间的界限以及气道外壁与周围组织之间界限的判断，致使手动测量存在一定的误差。其次，窗口设置对手动测量的结果有重大影响。早在1984年，Webb等[17]基于体模研究提出测量被空气包绕的管道时应当将窗位设置在–450 HU。1996年，Bankier等[18]基于离体肺脏研究提出在CT图像上测量管壁厚度时应当设置为窗位–250～–700 HU，窗宽>1000 HU。此后，大多数研究按照此规则进行窗口设置。Seo等[19]进一步将窗位–450 HU，窗宽1000 HU定义为气管窗。近年来，国内学者提出采用特殊窗口（窗位–100 HU，窗宽500 HU）进行气道测量[20]。我们认为特殊窗口对于角度的测量存在一定优势，但是对于直径、面积或壁厚的测量可能会存在偏差。最后，面对庞大的CT数据，手动测量显得繁琐枯燥、费时费力，观察者内部一致性与观察者间一致性难以得到保证，致使所获数据的可重复性和均质性有所下降。
综上，CT数据确实是获取气道形态学参数的良好媒介，手工测量也可快速无创地获取气道尺寸，因此基于CT数据的手工测量依旧是临床上获取气道形态学参数的主要途径。而在数据庞大的科研应用中，手动测量的弊端则更加凸显，因此目前已逐渐被自动测量所取代。
2.2 基于胸部CT图像的气道尺寸自动测量
基于胸部CT图像的气道尺寸自动测量属于定量CT（Quantitative Computed Tomography，QCT）技术的一部分，QCT指基于CT图像获取可对疾病或脏器解剖结构进行描述的定量参数，包括上文所述气道尺寸以及其他相关指标，如壁面积百分比、气道总数（total airway count ，TAC）、内周长为10 mm的“理论气道”的壁面积平方根（Pi10）、CT值低于–950 HU的低衰减面积（LAA950，评估肺气肿）和CT值小于–856 HU的低衰减面积（LAA856，评估气体潴留）等[21]。目前，主要通过支气管树分割技术来实现气道尺寸的自动测量。支气管树分割技术是指采用各种计算机算法将胸部CT图像中的支气管树分割提取出来，基于所提取的支气管树来实现气道尺寸的自动化定量分析。肺部支气管树分割技术始于20世纪90年代末，目前可应用多种方法对肺部支气管树进行分割，不同的支气管树分割技术各有优劣，已有学者对支气管树分割技术的发展现状及各技术的优缺点做了详细综述[22]。近年来，人工智能在影像学的多个领域中得到快速发展，基于机器学习的肺部支气管树分割方法也成为该领域的研究热点，在保证假阳性率较低的基础上进一步提升了支气管树的分割效果。而基于支气管树分割技术的气道尺寸定量分析也在气道相关疾病的应用中大展拳脚，如慢性阻塞性肺疾病发生发展的相关研究[21]、哮喘患者气道重塑的机制研究[5]、肺气肿肺减容术后的临床疗效与气道形态改变[23]等。
目前市场上也存在多种气道尺寸（半）自动测量软件或平台，如COPD Analysis Software（Philips Medical Systems，埃因霍温，荷兰）、Apollo V.2.0 software package（VIDA Diagnostics，爱荷华州，美国）、Mimics（Materialise，比利时）、SYNAPSE VINCENT/3D（Fuji Film，东京，日本）、3D Slicer（Surgical Planning Laboratory，哈佛大学，波士顿，马塞诸塞州，美国）、Syngo.via and Syngo.Pulmo3D（Siemens Healthcare，埃尔朗根，巴伐利亚州，德国）、The Thoracic Volume Computer-Assisted Reading（VCAR）software（GE Healthcare，芝加哥，伊利诺伊州，美国）、FACT-Digital lung TM software（DeXin，西安，中国）等。软件的工作流程大致相同，首先完成支气管树分割，然后选择待测部位及测量参数，软件将自动显示测量结果，部分软件支持对测量部位的边界进行手动微调以实现更加准确的测量。
气道尺寸的自动测量可以实现基于气道正交截面的面积/直径/厚度测量，沿气道中心线进行长度测量和角度测量，从而减小测量误差。但因为不同软件采用不同的计算机算法，有不同的优劣性，因此不同软件的测量结果的可信度并不一致。Ma等[24]对比了手动测量与自动测量的结果，发现20%样本的自动测量结果并不一定可靠。因此，临床医生需要判断软件的测量准确度与精确度。一般来说，需要对软件的支气管树分割精度与气道尺寸测量准确性进行检验，可以采用公开数据集或影像学专家手动分割数据集对支气管树分割精度进行检验[25]，采用体模、离体肺脏或健康成人的CT数据对软件的测量准确性进行检验[26]。
3 基于支气管镜检查的气道尺寸测量
支气管镜检查能够肉眼下观察病灶情况，辨别气道病灶的性质。同时，通过支气管镜可以对气道内的痰液、异物及坏死组织等进行清理，以更好地展现气道的真实径线。因此，若能通过支气管镜检查实现镜下实时测量，将有助于临床医生对病灶的认识。但是支气管镜的特制镜头属于凸透镜，其光学特性将导致通过该镜头所视对象的尺寸产生畸变[1]。因此，在支气管镜下直接测量气道尺寸会产生偏差，需要采取措施克服镜头产生的畸变。
基于支气管镜检查的（支）气管长度测量。最简单的方法如下所述，先将支气管镜前端伸至气管隆突处，然后在特定部位处（如鼻尖处）的支气管镜身上做一标记，将支气管镜撤出至声带时，在鼻尖处的支气管镜身上再做一标记，测量两处标记间的长度，则是气管长度（声带至隆突的距离）[27]。此办法简单易操作，但是存在误差，如支气管镜在气道内的弯曲折叠会使测量结果偏大。Sharma等[28]则采用带有刻度的两端有转角的钢丝完成距离测量。
基于支气管镜检查的直径或面积测量。由于图像畸变的存在，大多数研究采用在支气管镜镜头前端放置用于矫正的标准参照物来获取直径[28]，或采用数学方法对测量结果进行矫正[29]。Francom等[30]采用ImageJ软件对已获取的气道图像进行矫正与分析。
Nobuyama等[31]将一款支气管镜立体成像系统用于定量分析气道狭窄病灶，该支气管镜使用两个镜头来校正鱼眼镜头所致的畸变，利用三角测量原理测量气道，该团队认为其可以实现图像的实时矫正，且能准确获取气道形态学参数。但是，直径更大的支气管镜镜头使其所能到达的位置受限。Banach等[32]新提出一种基于支气管镜图像自动获取狭窄指数的方法：首先将支气管镜图像转换为深度图，然后对深度图进行阈值化以估计狭窄指数。
综上，基于支气管镜检查的气道测量有其固有的优点，如实时测量、病灶可见性等。但是，支气管镜的特殊镜头使测量结果容易出现误差，若对图像畸变进行矫正，则对支气管镜的放置部位有要求，或者需要配置特殊的支气管镜，此外，支气管镜本就属于有创性操作。因此，基于支气管镜检查的气道测量在临床上的应用受到限制。
4 其他气道尺寸测量方式
OCT是一种较新的成像技术，具有分辨率高、可重复检查且相对无创等优点，早期主要应用于眼科和脉管系统等。近年来，OCT技术成为气道成像与定量测量的新兴热点技术，OCT主要用于获取气道的管壁厚度和管腔面积。李时悦团队[33]对其在气道疾病的应用研究进展做了综述，详细阐述了OCT在慢性阻塞性肺疾病、支气管哮喘、支气管肺癌和气道狭窄等疾病中的应用现状，并采用OCT对支气管扩张、细支气管炎等的气道形态学进行了探索[34-35]。此外，OCT也被应用于动物实验中以实现对气道管壁损伤的评估[36]。
OCT可以对气道组织结构进行清晰显像，既没有CT所带来的辐射损伤，也没有支气管镜镜头导致的图像畸变，且能够实现气道尺寸的实时测量。但是OCT也存在不足，其探测深度有限，难以对气道壁以外的病变或肺实质的病变进行清晰显像，且气道内分泌物、呼吸运动等可影响成像效果，图像的自动化处理及分析也需进一步优化和改良，如基于卷积神经网络的图像识别与定量分析[37]。因此，基于OCT的气道尺寸测量仍然需要进一步的探索及发展。
常规MRI成像难以实现肺和气道的良好成像，因此较少用于气道测量，不过MRI具有无创伤、无辐射的优点，因此，已有学者探索将其用于评估青少年的狭窄气道[38]。MRI新技术的发展也使肺部MRI解剖成像、功能成像和定量技术逐渐应用于临床。其中，MRI超短回波时间（ultrashort echo time，UTE）成像序列可采集更多短T2组织的信号，弥补了常规MRI在短T2组织成像中的缺陷，并可定量分析组织成分[39]。Benlala等[40]采用MRI-UTE测量哮喘患者的气道管壁厚度/面积，并将所获数据与CT测量结果进行对比，证明MRI-UTE是一种准确可靠的测量方法，可以用于定量评估哮喘患者支气管管壁，且有足够的空间分辨率来区分重度和非重度哮喘。由此可见，虽然该技术还有待发展，但有望成为获取气道形态学参数的良好工具。
5 结语
目前可通过多种方法获取气道尺寸，各方法也各有千秋。其中，解剖学是获取解剖结构的金标准，但并非是获取活体气道形态学参数的良好方法，因此基本不应用于临床，可应用于科研，如气道相关疾病的动物实验。胸部X线平片简单易得，各级医院都配有该设备，非常适合紧急情况及偏远地区的应用，但基于胸片只能对气管和主支气管进行简单测量，因此目前临床应用也较少。超声具有简便快捷、无辐射危害且可在床旁操作等优点，可应用于儿童、床旁及动物实验中的气道形态学参数测量，且多用于直径的测量。CT技术的快速发展使CT图像成为获取气道形态学参数的良好媒介，其中基于CT图像的多种后处理技术应用广泛，可获取直径、长度、厚度及角度等多种参数，是目前临床上获取气道形态学参数的主要工具，但手工测量确实存在耗时耗力、数据不均质、测量误差等缺点。因此，基于CT图像的气道形态学参数自动测量技术正在快速发展，目前已有很多成形软件，可使气道尺寸的测量更加均质化、简便化、多样化，但大多处于科研应用阶段，临床普及可能不仅需要技术的突破，也需要医院及科室的支持。支气管镜检查是多种疾病诊治的必要手段，镜下实时测量可提供诸多便利，但该检查为有创操作，且镜头畸变易使测量结果存在误差，因此目前临床上较少采用气管镜测量气道尺寸，不过，对于有经验的介入医师，该检查可大致提供内径大小。基于OCT的气道尺寸测量近年来获得快速发展，主要用于管壁厚度的测量，其优势在于分辨率高，甚至可分辨气管壁的结构层次，因此非常有利于气道重塑及其他管壁结构改变的研究，目前也多应用于相关研究，有良好的应用前景。基于MRI的气道测量目前处于早期发展阶段，或许在将来会成为重要工具，但仍然需要发展、检验及普及。综上，目前有多种气道形态学参数获取方法可供选择，对于临床医生或科研人员来讲，应当根据具体的分析对象、分析内容和精度要求等选择合适的工具。
利益冲突：本文不涉及任何利益冲突。