羅 洋，齊 林，徐禮勝，3

(1. 東北大學(xué) 醫(yī)學(xué)與生物信息工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110169；2. 鞍山師范學(xué)院 高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 鞍山 114056；3. 東北大學(xué) 教育部醫(yī)學(xué)影像計(jì)算重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 遼寧 沈陽(yáng) 110169)

2016年，全世界1 790萬(wàn)人死于心血管疾病，占全球死亡人數(shù)的31%[1].早期診斷和治療是降低冠心病發(fā)病率和死亡率的關(guān)鍵.計(jì)算機(jī)斷層冠狀動(dòng)脈造影(computed tomography coronary angiography, CTCA)已越來(lái)越多地用于冠心病的無(wú)創(chuàng)診斷.冠狀動(dòng)脈分割是CTCA圖像定量分析的重要前提條件.然而，人工分割繁瑣費(fèi)時(shí)，診斷精度完全依賴(lài)于醫(yī)生的先驗(yàn)知識(shí)、圖像上下文信息和醫(yī)生的主觀判斷，觀察者內(nèi)部和觀察者之間的變異性相對(duì)較高.因此，需要一種冠狀動(dòng)脈自動(dòng)分割方法來(lái)加速和簡(jiǎn)化診斷、治療和手術(shù)的過(guò)程.最近十幾年產(chǎn)生了很多冠狀動(dòng)脈分割的方法，其中包括閾值方法[2]、區(qū)域生長(zhǎng)方法[3]、Hessian矩陣方法[4]、匹配濾波方法[5]、圖割方法[6]、動(dòng)態(tài)輪廓方法[7]、水平集方法[8-9]、機(jī)器學(xué)習(xí)方法[10]和其他方法[11-14]等.然而這些方法對(duì)于冠狀動(dòng)脈開(kāi)口層和開(kāi)口點(diǎn)的定位主要采取人工標(biāo)注的方式，這種方法需要花費(fèi)放射科醫(yī)生大量時(shí)間和精力.最近十幾年提出的自動(dòng)檢測(cè)冠脈開(kāi)口的方法包括[15-18]：Hennemuth等[15]首先對(duì)主動(dòng)脈進(jìn)行明確的分割，然后把開(kāi)口作為主動(dòng)脈的管狀結(jié)構(gòu)附著物，檢測(cè)率較低；Wang等[16]采用基于Hough變換的二維圓檢測(cè)算法對(duì)升主動(dòng)脈進(jìn)行檢測(cè)和跟蹤，并選取主動(dòng)脈根部?jī)蓚?cè)最大的連通成分作為左、右冠狀動(dòng)脈，檢測(cè)率低；Zheng等[17]針對(duì)非搭橋冠脈定義一個(gè)邊界盒(立方體)，冠狀動(dòng)脈口位于立方體兩個(gè)對(duì)面的中心.針對(duì)搭橋冠脈利用先驗(yàn)知識(shí)訓(xùn)練一個(gè)分類(lèi)器來(lái)識(shí)別冠脈開(kāi)口；Gong等[18]首先提取升主動(dòng)脈，然后利用管狀物增強(qiáng)和形態(tài)學(xué)操作求最大響應(yīng)值來(lái)提取冠脈開(kāi)口.本文提出一種CTA圖像冠狀動(dòng)脈開(kāi)口層與開(kāi)口點(diǎn)的全自動(dòng)定位方法.這是一種準(zhǔn)確的方法，不需要任何標(biāo)注、訓(xùn)練.

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)

本文的數(shù)據(jù)集采用從北部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院隨機(jī)選取的CTCA圖像.數(shù)據(jù)集由57個(gè)對(duì)象組成，其中包含30個(gè)正常人和27個(gè)病人，每個(gè)病例的圖像數(shù)量為290到428不等.CTCA圖像的大小為512×512(像素).每個(gè)病例的左右冠狀動(dòng)脈開(kāi)口的位置和開(kāi)口點(diǎn)由北部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院的放射科醫(yī)生手工標(biāo)注.

1.2 算法原理

本文介紹了在多條件區(qū)域增長(zhǎng)基礎(chǔ)上通過(guò)圓度的變化確定左冠脈開(kāi)口層，并在指定范圍內(nèi)確定左冠脈開(kāi)口點(diǎn)，然后計(jì)算升主動(dòng)脈中心和右冠脈開(kāi)口范圍，通過(guò)求出距離曲線，從而確定右冠脈開(kāi)口層和開(kāi)口點(diǎn)的方法.算法框圖見(jiàn)圖1，圖1a是求左冠脈開(kāi)口層和開(kāi)口點(diǎn)的算法框圖，圖1b是求右冠脈開(kāi)口層和開(kāi)口點(diǎn)的算法框圖，圖1a要先于圖1b實(shí)現(xiàn).

心臟冠狀動(dòng)脈樹(shù)有兩個(gè)分支:左冠狀動(dòng)脈(左冠脈)和右冠狀動(dòng)脈(右冠脈).其中每個(gè)分支只有一個(gè)根節(jié)點(diǎn)，位于整個(gè)冠狀動(dòng)脈偏上的位置、升主動(dòng)脈的開(kāi)口處.左冠脈(left coronary artery，LCA)的開(kāi)口處位于升主動(dòng)脈左后方，開(kāi)口呈橫位的橢圓形，位置略高于右冠脈開(kāi)口.右冠脈(right coronary artery，RCA)的開(kāi)口處位于右冠狀動(dòng)脈的外側(cè)中上部，位于升主動(dòng)脈根部的右前方[19]，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示.

通常在患者的CTCA圖像序列開(kāi)始，升主動(dòng)脈和降主動(dòng)脈與周?chē)鷧^(qū)域灰度對(duì)比明顯，且升主動(dòng)脈和降主動(dòng)脈都近似圓形，同時(shí)升主動(dòng)脈面積明顯大于降主動(dòng)脈面積，如圖3a所示.但有的患者CTCA圖像序列開(kāi)始顯示的是主動(dòng)脈弓，如圖3b所示.對(duì)于這種情況從它的總數(shù)的第10%張圖像開(kāi)始能看到正常的升、降主動(dòng)脈，如圖3c所示.

本文算法如下:

1) 每名患者從第10%張圖像開(kāi)始，利用霍夫變換檢測(cè)圓的方法找到升主動(dòng)脈.

2) 把當(dāng)前層的升主動(dòng)脈中心(圓心)作為下一層的種子點(diǎn)，在種子點(diǎn)為中心周?chē)?111區(qū)域內(nèi)求平均灰度Vs，對(duì)當(dāng)前升主動(dòng)脈面積Ac、左邊界Lc,上一層升主動(dòng)脈面積Ap、左邊界Lp，進(jìn)行區(qū)域增長(zhǎng)，執(zhí)行如下代碼:

fori=0∶10∶160

ifAc/Ap>1.2‖(Lc-Lp)<-5

%下層升主動(dòng)脈面積/上層升主動(dòng)脈面積小于等于1.2,下層升主動(dòng)脈左邊界相對(duì)于上層升主動(dòng)脈左邊界向左移動(dòng)不超過(guò)5個(gè)像素(2.07 mm)

Regiongrow(Vs-(160-i)，Vs+(160-i))

%縮小閾值范圍，重新區(qū)域增長(zhǎng)

else

break；%找到升主動(dòng)脈

end

end

3) 求升主動(dòng)脈的圓度roundness:

(1)

其中:π是圓周率;area代表面積;perimeter代表周長(zhǎng);roundness介于0和1之間，值越大越圓.

4) 如果圓度≥0.82，重復(fù)步驟2),3),4);如果圓度<0.82，則找到左冠脈開(kāi)口層.過(guò)中心點(diǎn)畫(huà)斜率為1的直線l1，過(guò)圓心點(diǎn)畫(huà)垂線l2，輪廓線上才可能出現(xiàn)左冠脈開(kāi)口，如圖4a所示.利用解剖結(jié)構(gòu)和形態(tài)學(xué)運(yùn)算，求出開(kāi)口處左冠脈，如圖4b所示.距離中心點(diǎn)最近的點(diǎn)(白色)即為左冠脈開(kāi)口點(diǎn)，如圖4c所示.

5) 右冠脈開(kāi)口接近升主動(dòng)脈根部，而在根部升主動(dòng)脈可能與其他組織有連接，連接后形狀無(wú)規(guī)則，如圖5a和圖5b所示.但是本文發(fā)現(xiàn)右冠脈開(kāi)口會(huì)出現(xiàn)在升主動(dòng)脈的左上方，如圖5b所示.冠狀動(dòng)脈圖像序列中，升主動(dòng)脈橫截面隨序列遞增向下向右緩慢移動(dòng)，本文提出計(jì)算當(dāng)前層升主動(dòng)脈中心點(diǎn)坐標(biāo)的公式：

(2)

其中:(Xl,Yl,Zl)表示左冠脈開(kāi)口層的升主動(dòng)脈中心點(diǎn)坐標(biāo);(Xc,Yc,Zc)代表當(dāng)前層升主動(dòng)脈的中心點(diǎn)坐標(biāo).

6) 過(guò)初始中心點(diǎn)(黑色“+”號(hào))斜率為1和-1的兩條直線l1和l2之間的區(qū)域，如圖6a中l(wèi)2與l1間加粗曲線輪廓所示.重新計(jì)算中心點(diǎn)(白色“+”號(hào))，新的中心點(diǎn)在輪廓兩個(gè)端點(diǎn)連線(白色)的垂直平分線(白色)上，到兩個(gè)端點(diǎn)的距離等于首層升主動(dòng)脈的半徑，如圖6a所示.求從新中心點(diǎn)到黑色輪廓上每一點(diǎn)的距離曲線，如圖6b所示.如果某個(gè)波峰左右各10個(gè)值之內(nèi)最小值都要比波峰值小3以上，表明波峰比較明顯，則右冠脈開(kāi)口層出現(xiàn)了.通過(guò)形態(tài)學(xué)運(yùn)算，如圖6c所示，距離新中心點(diǎn)最近的點(diǎn)(白色)即為右冠脈開(kāi)口點(diǎn)，如圖6d所示.

2 結(jié) 果

對(duì)57個(gè)病例做了定位測(cè)試.垂直于橫截面的方向從上向下，左右冠脈的開(kāi)口層通常包括2層以上.本文認(rèn)為定位到剛發(fā)現(xiàn)開(kāi)口的前兩層都是準(zhǔn)確的.如表1所示，在左冠脈開(kāi)口層定位的結(jié)果中，有56個(gè)病例的定位準(zhǔn)確，準(zhǔn)確率達(dá)到98.25%.而對(duì)右冠脈開(kāi)口層的定位中，有55個(gè)病例的定位準(zhǔn)確，準(zhǔn)確率達(dá)到96.49%.

表1 定位左右冠脈開(kāi)口的準(zhǔn)確率

Hennemuth等[15]在61個(gè)數(shù)據(jù)集上測(cè)試的冠脈開(kāi)口的檢測(cè)率只有57%.Wang等[16]提出的方法，在16個(gè)數(shù)據(jù)集上的檢測(cè)率僅為80%左右.Zheng等[17]提出方法的幾種檢測(cè)率都低于96%.Gong等[18]的平均檢測(cè)率為96.88%.與這幾種方法相比，本文方法的平均檢測(cè)率為97.37%，高于其他幾種方法.

如表2所示，在左右冠脈開(kāi)口點(diǎn)的定位中，左冠脈開(kāi)口點(diǎn)的位置(定位準(zhǔn)確的56個(gè)病例)與左冠脈金標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)口點(diǎn)的位置平均距離是(1.22±0.37) mm，右冠脈開(kāi)口點(diǎn)的位置(定位準(zhǔn)確的55個(gè)病例)與金標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)口點(diǎn)的位置平均距離是(1.76±0.49) mm.

表2 定位左右冠脈開(kāi)口點(diǎn)的平均距離

3 討 論

在數(shù)據(jù)集中，本文統(tǒng)計(jì)了左冠脈開(kāi)口層號(hào)占總層數(shù)的比例關(guān)系，如圖7所示.左冠脈開(kāi)口層號(hào)占總層數(shù)百分比最小都在15%以上.選擇每個(gè)病例開(kāi)口層號(hào)為總層數(shù)的10%，這樣既保證沒(méi)錯(cuò)過(guò)左冠脈開(kāi)口層，又減少了需要處理圖像層數(shù)，同時(shí)保證開(kāi)口層顯示的是近似圓形的升主動(dòng)脈和降主動(dòng)脈.進(jìn)行區(qū)域增長(zhǎng)時(shí)，選取以中心點(diǎn)(種子點(diǎn))為中心的11×11區(qū)域求平均灰度，這樣既保證不會(huì)超出升主動(dòng)脈區(qū)域，又保證區(qū)域增長(zhǎng)灰度區(qū)間的合理性.

根據(jù)對(duì)57個(gè)病例圖像的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，在左冠脈開(kāi)口出現(xiàn)前，每張圖像的升主動(dòng)脈都近似圓形，圓度都大于等于0.82，如圖8a所示.左冠脈開(kāi)口層的升主動(dòng)脈圓度都小于0.82，如圖8b所示.

左冠脈開(kāi)口出現(xiàn)前，相鄰圖像升主動(dòng)脈左邊界變化很小，當(dāng)前圖像升主動(dòng)脈左邊界相比上一張圖像升主動(dòng)脈左邊界向左移動(dòng)小于5個(gè)像素(2.07 mm)，設(shè)置這么一個(gè)限制是防止區(qū)域增長(zhǎng)時(shí)把升主動(dòng)脈左側(cè)不相干的組織增長(zhǎng)進(jìn)來(lái).根據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)集的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，左冠脈開(kāi)口層前所有相鄰圖像升主動(dòng)脈面積之比(下層面積比上層面積)的均值非常接近1，如圖9a所示.左冠脈開(kāi)口層與前一層圖像升主動(dòng)脈面積之比的均值比1稍大，最小值也大于1，如圖9b所示.圖9說(shuō)明了升主動(dòng)脈在左冠脈開(kāi)口層(含開(kāi)口層)前面積、形狀都變化很小，比較穩(wěn)定.比值最大接近1.14，如果在區(qū)域增長(zhǎng)時(shí)閾值不合適，通常會(huì)把周?chē)承┙M織增長(zhǎng)進(jìn)去，面積會(huì)有一定增加，那么當(dāng)前圖像與上層圖像的升主動(dòng)脈面積之比通常會(huì)明顯大于1.14，所以在判斷區(qū)域增長(zhǎng)的閾值是否恰當(dāng)時(shí)，把是否大于1.2作為一個(gè)條件是合理的.由于升主動(dòng)脈每層的面積變化很小，所以在求右冠脈開(kāi)口層和開(kāi)口點(diǎn)的過(guò)程中，重新計(jì)算中心點(diǎn)(白色“+“號(hào))時(shí)，為了新的中心點(diǎn)盡可能在升主動(dòng)脈的中心，保證重新計(jì)算的中心點(diǎn)與加粗輪廓兩個(gè)端點(diǎn)的距離等于首張圖像中升主動(dòng)脈的半徑，如圖6a所示.

4 結(jié) 論

1) 定位左右冠脈開(kāi)口層的準(zhǔn)確率分別是98.25%和96.49%，平均定位時(shí)間是41.25 s.定位左右冠脈開(kāi)口點(diǎn)的平均距離誤差分別是(1.22±0.37) mm和(1.76±0.49) mm.就準(zhǔn)確率來(lái)說(shuō)，本文方法較高，優(yōu)于其他方法.

2) 對(duì)本文提出的方法所涉及到的參數(shù)做了討論分析，說(shuō)明了該方法的可行性.

3) 本文提出的方法對(duì)于左右冠脈開(kāi)口位置異常的情況無(wú)法做出準(zhǔn)確定位，如果定位左冠脈開(kāi)口位置錯(cuò)誤，則可能影響到定位右冠脈開(kāi)口位置和開(kāi)口點(diǎn)的準(zhǔn)確率，本文方法還需要進(jìn)一步改進(jìn).