劉一萱，楊成明，吳晨飛，陳金華，張偉國(guó)，曾春雨，王凌西

(1.第三軍醫(yī)大學(xué)大坪醫(yī)院野戰(zhàn)外科研究所心血管內(nèi)科，重慶 400042；2.重慶郵電大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，重慶 400065；3.第三軍醫(yī)大學(xué)大坪醫(yī)院野戰(zhàn)外科研究所影像診斷科，重慶 400042；4.重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400045)

·技術(shù)與方法·

基于冠狀動(dòng)脈CTA圖像對(duì)冠狀動(dòng)脈空間扭曲程度的量化測(cè)量

劉一萱1，楊成明1，吳晨飛2，陳金華3，張偉國(guó)3，曾春雨1，王凌西4

(1.第三軍醫(yī)大學(xué)大坪醫(yī)院野戰(zhàn)外科研究所心血管內(nèi)科，重慶 400042；2.重慶郵電大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，重慶 400065；3.第三軍醫(yī)大學(xué)大坪醫(yī)院野戰(zhàn)外科研究所影像診斷科，重慶 400042；4.重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400045)

目的 提出對(duì)冠狀動(dòng)脈的扭曲程度進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量評(píng)價(jià)的新方法,為明確冠狀動(dòng)脈扭曲的所造成的影響提供有利條件。方法連續(xù)錄入72例臨床擬診冠心病且均接受256排冠狀動(dòng)脈電子計(jì)算機(jī)斷層掃描血管造影(CTA)檢查患者的圖像，經(jīng)后處理后，提取心外膜下3支主要冠狀動(dòng)脈血管中軸，獲取其在3維空間中的坐標(biāo)，并對(duì)扭曲系數(shù)進(jìn)行量化測(cè)量。結(jié)果心外膜下3支主要冠狀動(dòng)脈的三維空間扭曲系數(shù)分別為：左前降支6.66±7.54，左回旋支13.43±12.85，右冠狀動(dòng)脈17.61±7.67。通過對(duì)冠狀動(dòng)脈扭曲的建模檢驗(yàn)證明該方法對(duì)扭曲評(píng)價(jià)的效果良好。結(jié)論此方法能對(duì)冠狀動(dòng)脈在三維空間的扭曲程度進(jìn)行準(zhǔn)確的定量化分析，且結(jié)果不受造影投射面、人為測(cè)量誤差及血管長(zhǎng)度的影響。

冠狀血管；體層攝影術(shù)，螺旋計(jì)算機(jī)；冠狀動(dòng)脈扭曲；CT冠狀動(dòng)脈成像；扭曲系數(shù)

冠狀動(dòng)脈扭曲是一種常見的冠狀動(dòng)脈重構(gòu)現(xiàn)象，目前發(fā)生機(jī)制尚不明確，可致血流動(dòng)力學(xué)改變進(jìn)而改變血管內(nèi)正常剪切力模式[1]，并引發(fā)心肌可逆性灌注缺損[2-5]。對(duì)于冠狀動(dòng)脈扭曲與冠狀動(dòng)脈粥樣硬化的關(guān)系因不同研究對(duì)扭曲的評(píng)價(jià)方法不同而仍存在爭(zhēng)議[1,6-9]。目前臨床研究對(duì)冠狀動(dòng)脈扭曲的判定標(biāo)準(zhǔn)均采用基于冠狀動(dòng)脈造影圖像，對(duì)圖像中扭曲角度進(jìn)行直接測(cè)量，這種直接測(cè)量三維空間扭曲在造影平面上的二維投影中血管扭曲角度的方法與實(shí)際情況偏差較大。目前尚無對(duì)冠狀動(dòng)脈在三維空間的扭曲程度進(jìn)行量化測(cè)量的方法，本研究提出利用冠狀動(dòng)脈電子計(jì)算機(jī)斷層掃描血管造影(CTA)技術(shù)對(duì)冠狀動(dòng)脈在三維空間中的扭曲進(jìn)行測(cè)量的新方法。

1 資料與方法

1.1 一般資料 回顧性選擇2014年7月1日至2014年7月30日擬診為冠心病的住院患者72例，其中男31例(43%)，女41例(57%),年齡39～89歲，平均(66.6±11.6)歲。納入標(biāo)準(zhǔn)：(1)根據(jù)癥狀、體征及實(shí)驗(yàn)室檢查等擬診為冠心?。?2)入院1周內(nèi)接受冠狀動(dòng)脈256排CTA(Philips Brilliance 256層iCT)檢查；(3)患者基本信息資料及相關(guān)檢查資料完整。排除標(biāo)準(zhǔn)：(1)嚴(yán)重的心、肝、腎功能不全；(2)造影劑過敏；(3)心率難以控制或禁止服用美托洛爾；(4)既往接受冠狀動(dòng)脈旁路移植手術(shù)、冠狀動(dòng)脈支架植入術(shù)；(5) 存在先天性冠狀動(dòng)脈解剖變異、心肌橋或多發(fā)性大動(dòng)脈炎。所有患者原始圖像以AW volume share 4.0軟件進(jìn)行處理。所有參與研究的患者均簽署知情同意書。

1.2 方法

1.2.1 冠狀動(dòng)脈CTA 患者取仰臥位，掃描前按照標(biāo)準(zhǔn)位置放置心電導(dǎo)聯(lián)線，檢測(cè)心率，控制心率小于80次/分鐘。肘前靜脈穿刺，雙通高壓注射造影劑(碘普羅胺370 mg/mL)50 mL，流速4～5 mL/s，之后以相同速度再次注入0.9%氯化鈉溶液70～80 mL。使用回顧性心電門掃描模式，掃描范圍：從氣管分叉部到肝臟上緣(覆蓋全心)。掃描全程中囑患者閉氣，設(shè)定降主動(dòng)脈閾值觸發(fā)掃描，掃描有效層厚0.90 mm，重建間隔0.45 mm，電壓120 kV，管電流800 mA。

1.2.2 圖像處理方法

1.2.2.1 圖像后處理及血管中軸線采集 采集時(shí)相為R-R間期的75%及45%。掃描后圖像利用利用 AW volume share 4.0工作站進(jìn)行處理。由第三軍醫(yī)大學(xué)大坪醫(yī)院野戰(zhàn)外科研究所2位資深的放射科醫(yī)師完成三維重建后進(jìn)行閱讀評(píng)估，所有圖像使用軟件測(cè)量：最大密度投影(MIP)、曲面重建(CPR)、多平面重組(MPR)、容積再現(xiàn)(VR)。利用軟件自動(dòng)識(shí)別血管中心點(diǎn)并進(jìn)行CPR功能，使用冠狀動(dòng)脈自動(dòng)判定主動(dòng)脈中點(diǎn)(aorta center)為起點(diǎn)，并對(duì)心外膜下冠狀動(dòng)脈的3支主要血管：左冠狀動(dòng)脈前降支(LAD)、左回旋支(LCX)、右冠狀動(dòng)脈(RCA)進(jìn)行自動(dòng)分析，自動(dòng)分析軟件將根據(jù)血管內(nèi)徑中點(diǎn)粗略標(biāo)示血管走形及中軸線。采集血管中軸在頂部(S,40L 180LAO 90CRA)、前方(P,0L 0LAO 0CRA)、右側(cè)(R,0L 90RAO 0CRA)3個(gè)相互垂直的觀察面的二維圖像，此處也可采用底部、后方、左側(cè)3個(gè)面的投影圖像，見圖1。

A：前視圖；B：頂視圖；C：右視圖。

圖1 LAD血管中軸線圖像

1.2.2.2 血管中軸線的提取及空間坐標(biāo)分析 獲取血管在3個(gè)觀察面的投影圖像及血管中軸的粗略圖像后。為獲取圖中目標(biāo)像素點(diǎn)坐標(biāo)首先將RGB色彩模式圖轉(zhuǎn)換為HSV色彩模式。在HSV色彩模式下確定目標(biāo)線段的像素及顏色范圍后將色彩模式HSV轉(zhuǎn)回RGB模式并修補(bǔ)單點(diǎn)之間的空隙，平滑曲線，由于提取后的中軸仍非單像素線狀，故進(jìn)一步確定邊界并求取中線，實(shí)現(xiàn)對(duì)血管中線位置的精細(xì)化分析[10]。由于頂部、前方、右側(cè)3個(gè)觀察面相互垂直，通過分析血管中軸在3個(gè)相互垂直的二維圖像中的坐標(biāo)值(以像點(diǎn)表示)即可獲得目標(biāo)血管中軸的空間坐標(biāo)，見圖2。

圖2 精細(xì)化后的LAD血管中軸曲線在三維空間中的坐標(biāo)曲線示意圖

公式1

公式2

最后，對(duì)于相互垂直的平面Z′O′X′及平面Z′O′Y′平面的扭曲度進(jìn)行綜合計(jì)算(公式3)，得出曲線在三維空間的曲度。

公式3

1.2.4 模擬與檢驗(yàn) 由于既往尚無對(duì)冠狀動(dòng)脈扭曲在三維空間程度的測(cè)量方法，對(duì)冠狀動(dòng)脈扭曲的測(cè)量尚無金標(biāo)準(zhǔn)，臨床研究一般采取對(duì)冠狀動(dòng)脈造影二維圖像的成角進(jìn)行直接測(cè)量的方法。為驗(yàn)證本文中新方法對(duì)冠狀動(dòng)脈扭曲程度測(cè)量的準(zhǔn)確性，本研究采取實(shí)驗(yàn)LAD冠狀動(dòng)脈的建模方法對(duì)本文中扭曲計(jì)算方法的進(jìn)行檢驗(yàn)，對(duì)LAD分別建立不同扭曲程度的血管模型，建模方法參考Xie等[1]對(duì)扭曲冠狀動(dòng)脈的建模方法：建立三維管狀模型，扭曲模型首先于二維平面上建立，每個(gè)模型均有4個(gè)角度為φ/2,φ,φ 及 φ/2的扭曲(扭曲角度指血管中軸偏離原有方向的角度)。扭曲角度φ分別設(shè)定為30°、60°、90°、120°及135°，之后該模型將被轉(zhuǎn)化為半球形的三維模型。此后對(duì)該模型3個(gè)相互垂直平面(頂部、前面、右側(cè))的二維投影依照本文方法對(duì)其扭曲系數(shù)進(jìn)行測(cè)量，見圖3。

A：三維模型圖像；B：模型角度參數(shù)。

圖3 對(duì)冠狀動(dòng)脈扭曲進(jìn)行建模的模擬圖像

2 結(jié) 果

2.1 對(duì)72名患者心外膜下3支主要冠狀動(dòng)脈扭曲系數(shù)測(cè)量結(jié)果如下表1所示。RCA的X軸方向扭曲系數(shù)和三維空間扭曲系數(shù)明顯高于LAD及LCX。這一現(xiàn)象可能與RCA的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)相關(guān)。

表1 冠狀動(dòng)脈扭曲系數(shù)

2.2 通過本方法對(duì)LAD血管建模進(jìn)行扭曲程度評(píng)價(jià)，結(jié)果顯示在φ為30°、60°、90°、120°、135°時(shí)，扭曲系數(shù)TC3D分別為：0.185 1、0.331 4、0.503 0、0.665 0、0.750 9。對(duì)模型扭曲角度與扭曲系數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果用散點(diǎn)圖表示。模型扭曲角度與扭曲系數(shù)呈線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)R2=0.999(圖4)。模擬檢驗(yàn)結(jié)果顯示扭曲系數(shù)對(duì)模型的扭曲程度能做出較好的判定。

圖4 冠狀動(dòng)脈模型中扭曲角度φ與扭曲系數(shù)的相關(guān)性散點(diǎn)圖

3 討 論

冠狀動(dòng)脈扭曲是一種較為常見的冠狀動(dòng)脈重塑現(xiàn)象，冠狀動(dòng)脈扭曲可發(fā)生于冠狀動(dòng)脈單支、雙支或3支[12]。冠狀動(dòng)脈扭曲可造成扭曲血管血流動(dòng)力的改變，且通過計(jì)算機(jī)對(duì)扭曲血管血流動(dòng)力學(xué)的模擬認(rèn)為扭曲程度越大，造成內(nèi)皮損傷及引發(fā)動(dòng)脈硬化的風(fēng)險(xiǎn)越大[1]。同時(shí)，血管扭曲造成血流動(dòng)力損失、下游血管充盈缺損，這一改變也與扭曲程度正相關(guān)。因此，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)冠狀動(dòng)脈扭曲程度對(duì)冠狀動(dòng)脈扭曲造成的影響研究具有重要意義[2-6]。

然而，既往冠狀動(dòng)脈扭曲的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)都基于冠狀動(dòng)脈造影的圖像。Zegers等[6]的扭曲評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為心室舒張期有2支或2支以上冠狀動(dòng)脈主干存在3個(gè)或3個(gè)以上大于或等于120°的彎曲。Turgut等[13]認(rèn)為1支或1支以上冠狀動(dòng)脈主支血管有3處或超過3處沿主血管方向大于或等于45°的彎曲即為冠狀動(dòng)脈扭曲，這一標(biāo)準(zhǔn)被采納較多。另有文獻(xiàn)以冠狀動(dòng)脈3支主干存在2個(gè)及2個(gè)以上大于或等于75°的彎曲，或至少1個(gè)彎曲大于或等于90°為判定扭曲的標(biāo)準(zhǔn)[14]。

以上方法由于對(duì)三維的冠狀動(dòng)脈采用二維投影觀察及直接人工測(cè)量角度方法，由于無法保證投影方向與血管走形的主要方向共面，平面與血管走形的主要方向夾角越大，對(duì)角度進(jìn)行直接觀察及測(cè)量的誤差越大。加之對(duì)扭曲程度劃分較為簡(jiǎn)單和粗略，故無法保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。既往的臨床研究多得出冠狀動(dòng)脈扭曲與冠狀動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)生呈負(fù)相關(guān)的結(jié)論。這也被認(rèn)為是既往對(duì)于冠狀動(dòng)脈扭曲的測(cè)量方法存在較大誤差造成的。以往研究指出，對(duì)于冠狀動(dòng)脈的扭曲評(píng)價(jià)與測(cè)量應(yīng)基于三維空間中的實(shí)際扭曲水平上，而既往基于冠狀動(dòng)脈造影圖像直接測(cè)量角度的方法將造成較大誤差[1]。既往尚無對(duì)冠狀動(dòng)脈扭曲的三維系統(tǒng)評(píng)價(jià)方法。本研究利用冠狀動(dòng)脈CTA后處理過程中能自動(dòng)分析血管中心點(diǎn)并分析繪制血管中軸線的功能，對(duì)冠狀動(dòng)脈CTA后處理后心外膜下冠狀動(dòng)脈主要三支血管LAD、LCX、RCA中軸線的三維圖像在前方、頂部、右側(cè)3個(gè)垂直平面的圖像進(jìn)行采集和優(yōu)化，并對(duì)血管中軸線在3個(gè)面的投影圖像進(jìn)行分析，得到血管中軸線的空間坐標(biāo)。對(duì)于扭曲系數(shù)的計(jì)算采用并改進(jìn)Dougherty等[11]基于動(dòng)脈造影中二維圖像中扭曲程度的計(jì)算方法，能較好地反應(yīng)血管扭曲程度。

本研究基于冠狀動(dòng)脈CTA圖像進(jìn)行扭曲的三維量化評(píng)價(jià)，提出了一種新的冠狀動(dòng)脈扭曲評(píng)價(jià)方法，其不再受血管的實(shí)際空間走形投影至平面的誤差和人為測(cè)量的主觀因素影響，由于進(jìn)行了均勻采樣其結(jié)論亦不受血管長(zhǎng)度的影響，通過模擬驗(yàn)證，可有效量化分析冠狀動(dòng)脈扭曲程度。此方法為冠狀動(dòng)脈扭曲造成的影響的進(jìn)一步研究提供了有利條件。

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Measurement of coronary tortuosity in three-dimension based on computed tomography coronary imaging

LiuYixuan1,YangChengming1,WuChenfei2,ChenJinhua3,ZhangWeiguo3,ZengChunyu1,WangLingxi4

(1.DepartmentofCardiology，DapingHospital，ResearchInstituteofSurgery,ThirdMilitaryMedicalUniversity,Chongqing400042,China；2.DepartmentofComputerScienceandTechnology,ChongqingUniversityofPostsandTelecommunications，Chongqing400065,China；3.DepartmentofRadiology，DapingHospital,ResearchInstituteofSurgery,ThirdMilitaryMedicalUniversity,Chongqing400042,China；4.CivilEngineeringCollege，ChongqingUniversity，Chongqing400045,China)

Objective To quantitate coronary tortuosity and provide favorable conditions for understanding the hemodynamic effects caused by coronary tortuosity.MethodsWe obtained all images from 72 patients who received coronary computed tomography scanning.After image post-processing,we extracted the medial axis of three main coronary vessel and analysed its coordinates on three dimensions.Then we calculated the tortuosity coefficient of coronary artery.ResultsTortuosity coefficient was 6.66±7.54 in anterior descending,13.43±12.85 in left circumflex,and 17.61±7.67 in right coronary artery.We had proved its validity by the changes in morphology with simulated shapes.ConclusionWe proposed a new method for quantitating coronary tortuosity,by computed tomography coronary imaging.The measurement Results would not be affected by projection plane,vessel length or other artificial factors.

coronary vessels;tomography,spiral computed;coronary tortuosity;coronary CTA;tortuosity index

10.3969/j.issn.1671-8348.2015.22.025

劉一萱(1989-),住院醫(yī)師,碩士,主要從事心血管疾病方面的研究?！?/p>

，E-mail:yangchmi@163.com。

R543.3

A

1671-8348(2015)22-3093-03

2015-02-11

2015-07-20)