无标记表面地形学评估用力呼气动作：在健康受试者中与肺量计的一致性及可靠性

要点

• 无标记表面地形学（Surface Topography，ST）在健康志愿者中可高可靠度估计1秒用力呼气容积（Forced Expiratory Volume in 1 second，FEV1）、用力肺活量（Forced Vital Capacity，FVC）及FEV1/FVC比值，其结果与标准肺量计检查高度一致。
• ST与肺量计结果呈高度相关（Pearson R > 0.93），提示其可作为一种无接触的肺功能评估方法。
• ST可克服肺量计检查对口器密封、感染控制限制及患者配合度的依赖，尤其有利于儿童及存在神经功能障碍的人群。
• 通用线性校正模型在不同个体间具有良好泛化性能，支持ST在无需按受试者单独校准的情况下广泛应用于临床。

背景

肺量计检查仍是肺功能定量评估的临床金标准，对哮喘、慢性阻塞性肺疾病（Chronic Obstructive Pulmonary Disease，COPD）等呼吸系统疾病的诊断和管理至关重要。其关键指标包括1秒用力呼气容积（Forced Expiratory Volume in 1 second，FEV1）、用力肺活量（Forced Vital Capacity，FVC）及其比值，这些指标有助于判断气流阻塞和限制性通气模式。

然而，肺量计检查需要患者具备稳定的用力配合，并与口器形成良好气密密封，这对年幼儿童、老年人，或存在颅面畸形及延髓功能障碍的患者而言均较为困难。此外，在呼吸道感染暴发期间，感染控制要求和质量保证流程也会降低该检查的可行性并影响数据质量。

基于深度感知相机和表面地形学（Surface Topography，ST）的无标记光学方法可实现无接触呼吸监测。尽管其在安静潮气呼吸中的应用已得到验证，但其用于评估用力呼气指标的准确性以及跨操作者的一致性仍缺乏充分研究。

主要内容

研究设计与研究对象

Groisser等（2026）开展了一项前瞻性研究，纳入20名健康成年志愿者，在标准化用力呼气动作过程中同步进行无标记ST和便携式肺量计检查。两名评估者对每位受试者进行了多次重复测试，以评估测量可靠性及评估者间变异。

表面地形学在肺功能评估中的方法学进展

ST通过光学深度数据对人体表面网格进行实时重建，从而逐帧计算身体体积的动态变化。用力呼气容积则依据用力呼气过程中胸腹部体积变化进行推算。

可靠性与一致性评估

ST和肺量计检查的组内及组间可靠性均较高（FEV1和FVC的组内相关系数[Intraclass Correlation Coefficient，ICC] > 0.96；FEV1/FVC的ICC > 0.89），且不同方法或不同评估者之间无显著差异，表明ST具有良好的重复性。

Pearson相关系数显示，ST与肺量计数值之间存在强线性关系（FEV1：R = 0.95；FVC：R = 0.94；FEV1/FVC：R = 0.93），反映出二者在肺功能定量方面具有较高一致性。

Bland-Altman分析显示，ST对绝对容积存在系统性负偏倚（FEV1为−0.52 L；FVC为−0.66 L），提示其相较于肺量计检查存在容积低估；而FEV1/FVC比值的偏倚可忽略不计，说明其派生临床指标具有良好一致性。

校正模型与泛化能力

将ST容积估计值映射至肺量计实测值的通用线性校正模型表现出较低的均方根误差（Root Mean Square Error，RMSE）（FEV1为0.24 L；FVC为0.34 L），并经留一法交叉验证验证，提示在无需按受试者单独调参的情况下，通用校准具有可行性。

临床意义与潜在应用

ST的无接触特性在感染控制、患者舒适度及使用便捷性方面较肺量计检查具有明显优势。其尤其适用于以下场景：

• 无法保持稳定口器密封的年幼儿童
• 存在延髓肌无力或颅面异常、从而影响传统肺量计检查的个体
• 传染病大流行期间需要重复评估、但气溶胶生成操作具有风险的情况
• 常规肺量计难以实施的远程筛查或床旁肺功能评估

专家点评

Groisser等的研究是肺功能检测领域一项重要的转化性进展，有助于解决肺量计检查所面临的多种实际障碍。无标记ST能够提供可重复、且具有临床意义的用力呼气指标，其统计学稳健性与标准肺量计检查相当。

尽管ST目前仍会低估绝对呼气容积，但这种一致性偏倚可通过校正加以修正，并保持临床解释性，尤其对于阻塞性肺疾病诊断中至关重要的FEV1/FVC比值更是如此。

其局限性仍在于尚需扩展至疾病人群及不同体型个体，因为胸壁力学改变可能影响容积估算。未来仍有必要在儿童及肺量计能力受损的患者群体中进一步验证。

若结合人工智能算法以增强容积重建，并推导流量模式或动态顺应性等更多肺功能指标，ST的诊断能力有望超越现有肺量计检查的局限。

目前各类指南尚未纳入无标记ST，反映出其证据仍处于起步阶段。然而，基于已证实的可靠性与一致性，该方法有望补充肺功能评估体系，尤其适用于脆弱人群及对感染高度敏感的环境。

结论

无标记表面地形学可作为一种可靠、无接触的传统肺量计替代方法，用于健康成人用力呼气肺功能指标的定量评估。其较高的重复性及与肺量计检查的良好一致性支持其临床可行性。

通用校正模型进一步增强了其泛化能力，使其有望在无需复杂个体校准的情况下推广应用。其在儿童、存在神经肌肉或颅面问题的患者，以及感染控制相关场景中克服肺量计局限性的潜力，凸显了其转化价值。

未来研究应重点验证ST在慢性呼吸系统疾病人群中的应用，优化容积估计算法，并整合实时反馈系统，以提升其在更广泛临床场景中的肺功能监测能力。

参考文献

• Groisser BN, Thakur A, Hillstrom HJ, et al. Surface Topographic Assessment of Forced Pulmonary Maneuvers: Reliability and Agreement with Spirometry in Healthy Participants. Chest. 2026 Aug 4;PMID: 42551514. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42551514/
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