蹇文淵 楊振 段俊國 路雪婧

視網(wǎng)膜血管彎曲已被證明是心血管疾病和糖尿病的預(yù)測因子[1-3]。視網(wǎng)膜血管彎曲的變化可能是疾病嚴(yán)重程度或改善的標(biāo)志。在許多視網(wǎng)膜病變中彎曲度是視網(wǎng)膜血管網(wǎng)中第一個出現(xiàn)變化的參數(shù),例如糖尿病和高血壓[4]。因此視網(wǎng)膜微血管的彎曲測量對預(yù)測糖尿病或心血管等疾病具有重要意義。

1 彎曲度定義

在醫(yī)學(xué)文獻(xiàn)中,彎曲度不是定量定義的,國際上目前還沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。雖然已有多種參數(shù)和公式用于視網(wǎng)膜彎曲度的測量,目前還沒有關(guān)于圖像采集、測量位置、測量方法和計算的統(tǒng)一。對于專家所說的彎曲程度,目前還沒有達(dá)成一致意見,因此也沒有辦法來決定哪一種方法最適合專家的臨床評價。目前研究較多采用的視網(wǎng)膜血管彎曲度定義為沿著血管路徑的曲率平方的積分,將總路徑長度歸一化[5-6]。測量所有穿過指定區(qū)域的可見血管,這些方法沒有單位。較小的曲折值表示較直的血管。關(guān)于疾病嚴(yán)重程度或疾病隨時間變化的信息可以通過測量血管網(wǎng)絡(luò)的曲折性來推斷。因此,以一致、可重復(fù)的方式測量迂曲度是有益的。臨床眼科醫(yī)生通常使用定性量表(例如輕度,中度,重度和極度)進(jìn)行血管迂曲度測量,但結(jié)果因人而異。

2 彎曲度測量方法

為了定量測量彎曲度,該血管被建模為光滑連接曲線。基于此模型,可分為四大類。(見表1)

2.1 基于弧長除以弦長的方法

血管彎曲的最簡單、最常用的測量方法是它的弧長與弦長之比。Lotmar[7]等人是第一個引入這類方法的,之后他們的方法得到了廣泛的利用[8-10]。即使該方法被廣泛使用,但它也包含了假設(shè),即非彎曲的血管是一條直線,曲率半徑比弦大得多,該方法對于具有曲率方向變化的血管和光滑曲率的血管也是不夠的。Bullit[11]等和Grisan[12]等建議對方法進(jìn)行修改。Grisan[12]等人認(rèn)為Hart[6]提出的方法在區(qū)分結(jié)構(gòu)的彎曲度時是不準(zhǔn)確的,因?yàn)橐暰W(wǎng)膜是半球形狀,呈光滑的半圓形或拋物線形的長血管,都被認(rèn)為是彎曲的,所以在測量計算彎曲度時應(yīng)該被考慮。他們提出了一種基于血管連續(xù)彎曲標(biāo)志的彎曲度測量方法,將血管分割成具有相同凸性的段,并將所有段的弦長加權(quán)和,結(jié)果顯示,與Hart[6]等人提出的方法相比,實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與醫(yī)學(xué)判斷的相關(guān)性更高。

表1 彎曲度測量方法常用公式

2.2 基于曲率的方法

基于曲率的測量方法是一種測量曲線在某一坐標(biāo)下的彎曲程度的方法,是沿血管骨架的曲率估計的積分函數(shù),通常是絕對或平方曲率的加權(quán)和。Hart[6]等人利用曲率提出了兩種彎曲度測量方法,即曲率積分和曲率平方的積分。他們發(fā)現(xiàn)曲線段的總平方曲率比總曲率更好,且最接近眼科醫(yī)生的彎曲的概念。Masoud[13]等人研究方法是基于曲率的算法,發(fā)現(xiàn)彎曲度與曲率有非線性關(guān)系。Sukkaew[14]等人提出了一種將血管分類為彎曲和非彎曲的方法,該方法基于血管段的中心曲率。通過形態(tài)學(xué)獲得血管中心。使用自適應(yīng)線性插值方案對血管進(jìn)行遞歸分割。 然后基于所得到的血管段的曲率計算彎曲度。Patasius[15]等人提出基于平方曲率導(dǎo)數(shù)的積分的測量方法。Nwaobi[16]和Sasongko[17]等人研究認(rèn)為基于曲率的彎曲度測量更可靠,但與弧長與弦長之比的方法相比,其計算量更大。

2.3 基于角度變化的方法

這種方法計算血管的方向變化以測量彎曲度。Chandrinos[18]等人采用該血管(稱為局部方向變異)的樣本中心點(diǎn)之間的夾角的平均值來測量彎曲度。Goh[19]等人采用同樣的方法用于測量局部角度,而局部角度超過π/6的次數(shù)被認(rèn)為是彎曲度指數(shù)。Bullitt[12]等人注意到彎曲度測量方法弧長除以弦長比可能無法區(qū)分平滑的曲線血管和在方向上突變的血管。為了克服這一問題,他們提出了計算拐點(diǎn)數(shù)量(扭轉(zhuǎn))的方法,該方法可以計算出血管在血管改變方向時所產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)次數(shù),然后對曲線上每一個有效點(diǎn)的總角度進(jìn)行求和,并將結(jié)果用總曲線長度歸一化。

2.4 基于其他領(lǐng)域的方法

Smedby[20]等人介紹了一種將弧長除以弦長比乘以血管內(nèi)拐點(diǎn)數(shù)的測量值。這種測量方法是基于血管扭曲的長度,幅度和頻率。Dougherty和Varro[21]定義了一個彎曲系數(shù),作為兩個連續(xù)點(diǎn)的梯度與采樣間隔的差值之和。Eze[22]等人介紹了一種類似的測量方法,他們使用合成的2-D正弦波模擬進(jìn)行測試,顯示出比弧長除以弦長比更好的性能。Capowski[23]等人描述了基于空間頻率的血管迂曲度的量度。Zhou[24]等人也描述了一種區(qū)分血管造影中曲折和非曲張血管的方法,提出了一個基于血管內(nèi)側(cè)曲率的曲折度量.Kaupp[25]等人使用傅里葉分析和Ghadiri[26]等人利用霍夫變換圓檢測計算曲率。此外,Ghadiri[27]采用NSCT變換(非下采樣contourlet變換)進(jìn)行曲率計算。還有一些特殊的彎曲度測量算法,Wallace[28]使用立方樣條插值來測量彎曲度,這些方法也承受著沉重的計算負(fù)擔(dān)。

3 小結(jié)

視網(wǎng)膜血管的彎曲度是眼科醫(yī)師在檢查和經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上評估的一種診斷性參數(shù);在臨床實(shí)踐中沒有具體的定量模型。目前為自動圖像分析而提出的所有定量測量方法大多是基于血管骨架曲率的函數(shù)。然而曲率可能不是模型彎曲度的唯一度量,血管厚度或直徑也可能起作用。Alauddint[29]等人提出了一種基于血管段的寬度信息來測量和分析彎曲度。研究表明,較細(xì)血管與彎曲度相關(guān)性比較寬血管表現(xiàn)更鮮明。因此,彎曲度是血管段的相對特征,取決于它的寬度變化,可能會更適合預(yù)測早期糖尿病和心血管疾病。Trucco[30]等人設(shè)計了一種彎曲度測量方法,它取決于曲率和厚度,并選擇200個眼底血管進(jìn)行測試,與曲率相比,結(jié)果更符合臨床判斷。

雖然上述測定方法有很多,但很難確定哪一個是最合適的,在醫(yī)學(xué)眼底診斷中,彎曲的角色很難量化,而且大多數(shù)研究將自動結(jié)果與單一臨床醫(yī)生的答案進(jìn)行比較,但臨床判斷因人而異,因此臨床上視網(wǎng)膜彎曲度的測定仍然需要亟待解決。