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 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)影像計算重點(diǎn)實驗室, 遼寧 沈陽 110169)

2016年，全世界1 790萬人死于心血管疾病，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.計算機(jī)斷層冠狀動脈造影(computed tomography coronary angiography, CTCA)已越來越多地用于冠心病的無創(chuàng)診斷.冠狀動脈分割是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，診斷精度完全依賴于醫(yī)生的先驗知識、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較高.因此，需要一種冠狀動脈自動分割方法來加速和簡化診斷、治療和手術(shù)的過程.最近十幾年產(chǎn)生了很多冠狀動脈分割的方法，其中包括閾值方法[2]、區(qū)域生長方法[3]、Hessian矩陣方法[4]、匹配濾波方法[5]、圖割方法[6]、動態(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.然而這些方法對于冠狀動脈開口層和開口點(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)生大量時間和精力.最近十幾年提出的自動檢測冠脈開口的方法包括[15-18]：Hennemuth等[15]首先對主動脈進(jìn)行明確的分割，然后把開口作為主動脈的管狀結(jié)構(gòu)附著物，檢測率較低；Wang等[16]采用基于Hough變換的二維圓檢測算法對升主動脈進(jìn)行檢測和跟蹤，并選取主動脈根部兩側(cè)最大的連通成分作為左、右冠狀動脈，檢測率低；Zheng等[17]針對非搭橋冠脈定義一個邊界盒(立方體)，冠狀動脈口位于立方體兩個對面的中心.針對搭橋冠脈利用先驗知識訓(xùn)練一個分類器來識別冠脈開口；Gong等[18]首先提取升主動脈，然后利用管狀物增強(qiáng)和形態(tài)學(xué)操作求最大響應(yīng)值來提取冠脈開口.本文提出一種CTA圖像冠狀動脈開口層與開口點(diǎn)的全自動定位方法.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個對象組成，其中包含30個正常人和27個病人，每個病例的圖像數(shù)量為290到428不等.CTCA圖像的大小為512×512(像素).每個病例的左右冠狀動脈開口的位置和開口點(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)域增長基礎(chǔ)上通過圓度的變化確定左冠脈開口層，并在指定范圍內(nèi)確定左冠脈開口點(diǎn)，然后計算升主動脈中心和右冠脈開口范圍，通過求出距離曲線，從而確定右冠脈開口層和開口點(diǎn)的方法.算法框圖見圖1，圖1a是求左冠脈開口層和開口點(diǎn)的算法框圖，圖1b是求右冠脈開口層和開口點(diǎn)的算法框圖，圖1a要先于圖1b實現(xiàn).

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

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

本文算法如下:

1) 每名患者從第10%張圖像開始，利用霍夫變換檢測圓的方法找到升主動脈.

2) 把當(dāng)前層的升主動脈中心(圓心)作為下一層的種子點(diǎn)，在種子點(diǎn)為中心周圍1111區(qū)域內(nèi)求平均灰度Vs，對當(dāng)前升主動脈面積Ac、左邊界Lc,上一層升主動脈面積Ap、左邊界Lp，進(jìn)行區(qū)域增長，執(zhí)行如下代碼:

fori=0∶10∶160

ifAc/Ap>1.2‖(Lc-Lp)<-5

%下層升主動脈面積/上層升主動脈面積小于等于1.2,下層升主動脈左邊界相對于上層升主動脈左邊界向左移動不超過5個像素(2.07 mm)

Regiongrow(Vs-(160-i)，Vs+(160-i))

%縮小閾值范圍，重新區(qū)域增長

else

break；%找到升主動脈

end

end

3) 求升主動脈的圓度roundness:

(1)

其中:π是圓周率;area代表面積;perimeter代表周長;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，則找到左冠脈開口層.過中心點(diǎn)畫斜率為1的直線l1，過圓心點(diǎn)畫垂線l2，輪廓線上才可能出現(xiàn)左冠脈開口，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)即為左冠脈開口點(diǎn)，如圖4c所示.

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

(2)

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

6) 過初始中心點(diǎn)(黑色“+”號)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.重新計算中心點(diǎn)(白色“+”號)，新的中心點(diǎn)在輪廓兩個端點(diǎn)連線(白色)的垂直平分線(白色)上，到兩個端點(diǎn)的距離等于首層升主動脈的半徑，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.如果某個波峰左右各10個值之內(nèi)最小值都要比波峰值小3以上，表明波峰比較明顯，則右冠脈開口層出現(xiàn)了.通過形態(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)即為右冠脈開口點(diǎn)，如圖6d所示.

2 結(jié) 果

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

表1 定位左右冠脈開口的準(zhǔn)確率

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

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

表2 定位左右冠脈開口點(diǎn)的平均距離

3 討 論

在數(shù)據(jù)集中，本文統(tǒng)計了左冠脈開口層號占總層數(shù)的比例關(guān)系，如圖7所示.左冠脈開口層號占總層數(shù)百分比最小都在15%以上.選擇每個病例開口層號為總層數(shù)的10%，這樣既保證沒錯過左冠脈開口層，又減少了需要處理圖像層數(shù)，同時保證開口層顯示的是近似圓形的升主動脈和降主動脈.進(jìn)行區(qū)域增長時，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，這樣既保證不會超出升主動脈區(qū)域，又保證區(qū)域增長灰度區(qū)間的合理性.

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

左冠脈開口出現(xiàn)前，相鄰圖像升主動脈左邊界變化很小，當(dāng)前圖像升主動脈左邊界相比上一張圖像升主動脈左邊界向左移動小于5個像素(2.07 mm)，設(shè)置這么一個限制是防止區(qū)域增長時把升主動脈左側(cè)不相干的組織增長進(jìn)來.根據(jù)對數(shù)據(jù)集的統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，左冠脈開口層前所有相鄰圖像升主動脈面積之比(下層面積比上層面積)的均值非常接近1，如圖9a所示.左冠脈開口層與前一層圖像升主動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說明了升主動脈在左冠脈開口層(含開口層)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)域增長時閾值不合適，通常會把周圍某些組織增長進(jìn)去，面積會有一定增加，那么當(dāng)前圖像與上層圖像的升主動脈面積之比通常會明顯大于1.14，所以在判斷區(qū)域增長的閾值是否恰當(dāng)時，把是否大于1.2作為一個條件是合理的.由于升主動脈每層的面積變化很小，所以在求右冠脈開口層和開口點(diǎn)的過程中，重新計算中心點(diǎn)(白色“+“號)時，為了新的中心點(diǎn)盡可能在升主動脈的中心，保證重新計算的中心點(diǎn)與加粗輪廓兩個端點(diǎn)的距離等于首張圖像中升主動脈的半徑，如圖6a所示.

4 結(jié) 論

1) 定位左右冠脈開口層的準(zhǔn)確率分別是98.25%和96.49%，平均定位時間是41.25 s.定位左右冠脈開口點(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)確率來說，本文方法較高，優(yōu)于其他方法.

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

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