基于定量灰度分析的婴儿猪模型吸入相关性肺病理生理改变检测方法的开发与验证

《Dysphagia》：Development and Validation of Quantitative Greyscale Analyses for the Detection of Aspiration-related Lung Pathophysiology in an Infant Pig Model

　　

摘要：现有的用于检测物质穿透及吸入气道(penetration and aspiration)的量表不能可靠预测如肺炎等肺部结局。研究人员在此介绍一种追踪短期及长期吸入对肺野影像学表现影响的方法之开发与验证——以婴儿猪模型为对象。六头吸入频次与严重程度各异的仔猪在两周内(相当于人类1～9月龄)摄食含钡牛奶，并以高速 videofluoroscopy(125 fps)记录全气道。取肺背腹位(dorsoventral)视图，采集最小灰度值(minimum greyscale)与平均灰度值(mean greyscale)，关联两种现象：(1)单次喂养期间液体渗入肺内致肺野变暗；(2)反复吸入及数日炎症发展致肺内液体蓄积。测量在4名评分者内及评分者间均具可靠性(组内及组间组内相关系数 intraclass correlation coefficient, ICC ≥ 0.67)。研究人员测得液体渗入致肺野灰度值降低(paired t-test, p ≤ 0.016)，以及5日内液体蓄积致灰度值降低(p ≤ 0.001)。最后，将6头猪的肺灰度值与吞咽安全评分——婴儿哺乳动物穿透-吸入量表(Infant Mammalian Penetration Aspiration Scale, IMPAS)比较，肺灰度恶化与高频率吸入呈弱负相关(Pearson's correlation coefficient ?0.16～?0.21)，提示其他因素亦参与吸入后不良健康结局的发生。该技术可供未来婴儿猪模型纵向研究，以阐明气道保护与肺健康之间的联系。

论文解读：《Development and Validation of Quantitative Greyscale Analyses for the Detection of Aspiration-related Lung Pathophysiology in an Infant Pig Model》（发表于 Dysphagia）

一、研究背景与立题依据

现有临床评估工具如穿透-吸入量表(Penetration-Aspiration Scale, PAS)及婴儿哺乳动物穿透-吸入量表(Infant Mammalian Penetration-Aspiration Scale, IMPAS)仅关注喉部及以上平面的液体流向，视野局限于头颈部，无法反映吸入物进入下呼吸道后对肺实质的影响，且不能可靠预测吸入性肺炎等肺部结局。虽然定量影像分析已应用于胸片/CT评估肺间质病变、肿瘤及纤维化，但尚无经 validated 的 videofluoroscopic swallow study(VFSS) 肺野灰度分析方法。婴儿猪模型可在发育等效于人1～9月龄期间多次采集影像，适合纵向追踪吸入对肺的急、慢性影响。本研究旨在开发并验证基于 VFSS 背腹位(dorsoventral)视图的肺组织灰度(greyscale)定量分析法，分别检测单次喂养中液体短时渗入(liquid infiltration)及多日反复吸入致液体蓄积(liquid accumulation)，桥接吞咽安全评分与肺部病理生理改变。

二、主要关键技术方法

研究选用同窝6头 Yorkshire/Landrace 仔猪（1头双侧喉返神经切断 recurrent laryngeal nerve lesion，3头上位喉神经切断 superior laryngeal nerve lesion，2头假手术 sham），建立不同吸入程度模型。动物摄食含钡硫酸钡(barium sulfate)牛奶(终浓度0.47 g/mL)，以双平面 C-arm 透视(125 fps，76 kV，6.5 mA)同步采集侧位头颈及背腹位肺野。使用 ImageJ(NIH ImageJ)进行灰度分析：①液体渗入测量——依心脏头尾长定2/3处作垂直食管线测肺宽，置直径90%肺宽的圆于肺门区(hilar region)，记录圆内 mean greyscale 与 minimum greyscale；取进食初(前15%)、中(中间15%)、末(后15%)各5帧（同一呼吸周期、非呼气末峰值）。②液体蓄积测量——肺周边放置8个直径30像素小圆（避开心、膈肌、呼吸描记仪 plethysmograph），比较间隔5天(Day 10 vs Day 15)同批帧。③肝脏灰度对照——单一直径20像素圆测肝灰度作内部参照排除机器波动与体位移动干扰。④可靠性——4名经验不一评分者盲法三批次测量，计算双向混合效应 ICC(intraclass correlation coefficient)绝对一致性。⑤验证——配对 t-test 及重复测量 ANOVA 检验灰度变化；Pearson 相关分析肺灰度与 IMPAS 评分（40口吞咽/天×2天，记 IMPAS 7即液体过声襞及 IMPAS 1–2即安全吞咽）频率的关系。

三、研究结果

可靠性(Reliability of Greyscale Measurements)

四名评分者按规程操作，组内 ICC 高于组间。液体渗入测量中 minimum greyscale 组间 ICC 略优于 mean greyscale；液体蓄积测量中 mean greyscale 组间 ICC 更优。整体 inter-rater ICC：minimum greyscale 为0.73～0.82，mean greyscale 为0.67～0.91，达中等至极好一致性，表明该 ROI(region of interest) 放置与灰度读取方案可重复。

有效性——液体渗入(Validity of Liquid Infiltration Measurements)

选取有可视钡液渗入肺的病变猪(Pig 4)与无吸入假手术猪(Pig 5)对比。Pig 4 进食过程中 lung minimum 与 mean greyscale 随喂养进程显著下降(repeated measures ANOVA, p<0.001；配对 t-test 末 vs 初/中 p≤0.016)，反映液体入肺使局部变暗；Pig 5 各阶段灰度无显著变化(p>0.07)。两猪同期 liver greyscale 均无显著变化(Pig 4 p>0.14，Pig 5 p>0.20)，排除设备与体位因素。

有效性——液体蓄积(Validity of Liquid Accumulation Measurements)

选取肺外观始终清晰之假手术猪(Pig 1)与有多日积液表现的病变猪(Pig 2)对比。Pig 1 Day 10 与 Day 15 肺灰度无显著差异；Pig 2 五日间隔 mean 与 minimum greyscale 均显著降低(p≤0.005)，提示肺泡气腔被液体/炎性渗出替代（ground-glass opacities / consolidation 样改变）。两猪 liver greyscale 仍无显著变化(Pig 1 p>0.1，Pig 2 p>0.32)。

灰度与吞咽安全的相关性(Greyscale Correlation with Swallow Safety)

实验末期，六猪肺 minimum greyscale 与 IMPAS 7（不安全吞咽，液体过声襞）频率呈弱负相关(r=?0.16)，mean greyscale 与 IMPAS 7 频率 r=?0.21；而肺灰度与 IMPAS 1–2（安全吞咽）频率呈中度正相关(r_minimum=0.51，r_mean=0.56)，提示单纯 IMPAS 评分不足以完全反映肺部实际受累，咽期渗漏(vallecular leakage)致小食团经喉入肺亦可产生低 IMPAS 分却伴明显肺灰度降低。

四、讨论与结论总结

本研究证实 VFSS 背腹位肺野灰度分析可可靠检测吸入相关的短时液体渗入与数日液体蓄积改变，评分者内/间具良好 ICC。肺灰度与 IMPAS 7 频率仅弱负相关，与 IMPAS 1–2 频率呈中度正相关，表明吞咽安全量表之外还有其他因素（如清除能力、渗漏量、钡刺激炎症反应等）影响肺结局。肝脏灰度未随喂养或天数改变，可作为内部标准化参照。方法受设备参数、钡浓度及 ROI 放置影响，需培训；绝对值因机型而异，宜关注趋势与相对变化。婴儿猪模型允许自然进食下同步采集吞咽动力学与肺影像，是连接上气道保护缺陷与下呼吸道病理的合适临床前模型。

结论：肺灰度定量评估在评分者内及评分者间均可靠，可检测到不同时间尺度上吸入引起的肺影像学变化。该方法可供未来婴儿猪模型纵向研究阐明吸入后肺病理发展机制，期望最终建立气道保护与肺表现关系的定量模型，协助临床预测吞咽困难(dysphagia)相关并发症。