基于冠状动脉CTA图像对冠状动脉空间扭曲程度的量化测量

刘一萱，杨成明，吴晨飞，陈金华，张伟国，曾春雨，王凌西

(1.第三军医大学大坪医院野战外科研究所心血管内科，重庆 400042；2.重庆邮电大学计算机科学与技术系，重庆 400065；3.第三军医大学大坪医院野战外科研究所影像诊断科，重庆 400042；4.重庆大学土木工程学院，重庆 400045)

·技术与方法·

基于冠状动脉CTA图像对冠状动脉空间扭曲程度的量化测量

刘一萱1，杨成明1，吴晨飞2，陈金华3，张伟国3，曾春雨1，王凌西4

(1.第三军医大学大坪医院野战外科研究所心血管内科，重庆 400042；2.重庆邮电大学计算机科学与技术系，重庆 400065；3.第三军医大学大坪医院野战外科研究所影像诊断科，重庆 400042；4.重庆大学土木工程学院，重庆 400045)

目的 提出对冠状动脉的扭曲程度进行准确的测量评价的新方法,为明确冠状动脉扭曲的所造成的影响提供有利条件。方法连续录入72例临床拟诊冠心病且均接受256排冠状动脉电子计算机断层扫描血管造影(CTA)检查患者的图像，经后处理后，提取心外膜下3支主要冠状动脉血管中轴，获取其在3维空间中的坐标，并对扭曲系数进行量化测量。结果心外膜下3支主要冠状动脉的三维空间扭曲系数分别为：左前降支6.66±7.54，左回旋支13.43±12.85，右冠状动脉17.61±7.67。通过对冠状动脉扭曲的建模检验证明该方法对扭曲评价的效果良好。结论此方法能对冠状动脉在三维空间的扭曲程度进行准确的定量化分析，且结果不受造影投射面、人为测量误差及血管长度的影响。

冠状血管；体层摄影术，螺旋计算机；冠状动脉扭曲；CT冠状动脉成像；扭曲系数

冠状动脉扭曲是一种常见的冠状动脉重构现象，目前发生机制尚不明确，可致血流动力学改变进而改变血管内正常剪切力模式[1]，并引发心肌可逆性灌注缺损[2-5]。对于冠状动脉扭曲与冠状动脉粥样硬化的关系因不同研究对扭曲的评价方法不同而仍存在争议[1,6-9]。目前临床研究对冠状动脉扭曲的判定标准均采用基于冠状动脉造影图像，对图像中扭曲角度进行直接测量，这种直接测量三维空间扭曲在造影平面上的二维投影中血管扭曲角度的方法与实际情况偏差较大。目前尚无对冠状动脉在三维空间的扭曲程度进行量化测量的方法，本研究提出利用冠状动脉电子计算机断层扫描血管造影(CTA)技术对冠状动脉在三维空间中的扭曲进行测量的新方法。

1 资料与方法

1.1 一般资料 回顾性选择2014年7月1日至2014年7月30日拟诊为冠心病的住院患者72例，其中男31例(43%)，女41例(57%),年龄39～89岁，平均(66.6±11.6)岁。纳入标准：(1)根据症状、体征及实验室检查等拟诊为冠心病；(2)入院1周内接受冠状动脉256排CTA(Philips Brilliance 256层iCT)检查；(3)患者基本信息资料及相关检查资料完整。排除标准：(1)严重的心、肝、肾功能不全；(2)造影剂过敏；(3)心率难以控制或禁止服用美托洛尔；(4)既往接受冠状动脉旁路移植手术、冠状动脉支架植入术；(5) 存在先天性冠状动脉解剖变异、心肌桥或多发性大动脉炎。所有患者原始图像以AW volume share 4.0软件进行处理。所有参与研究的患者均签署知情同意书。

1.2 方法

1.2.1 冠状动脉CTA 患者取仰卧位，扫描前按照标准位置放置心电导联线，检测心率，控制心率小于80次/分钟。肘前静脉穿刺，双通高压注射造影剂(碘普罗胺370 mg/mL)50 mL，流速4～5 mL/s，之后以相同速度再次注入0.9%氯化钠溶液70～80 mL。使用回顾性心电门扫描模式，扫描范围：从气管分叉部到肝脏上缘(覆盖全心)。扫描全程中嘱患者闭气，设定降主动脉阈值触发扫描，扫描有效层厚0.90 mm，重建间隔0.45 mm，电压120 kV，管电流800 mA。

1.2.2 图像处理方法

1.2.2.1 图像后处理及血管中轴线采集 采集时相为R-R间期的75%及45%。扫描后图像利用利用 AW volume share 4.0工作站进行处理。由第三军医大学大坪医院野战外科研究所2位资深的放射科医师完成三维重建后进行阅读评估，所有图像使用软件测量：最大密度投影(MIP)、曲面重建(CPR)、多平面重组(MPR)、容积再现(VR)。利用软件自动识别血管中心点并进行CPR功能，使用冠状动脉自动判定主动脉中点(aorta center)为起点，并对心外膜下冠状动脉的3支主要血管：左冠状动脉前降支(LAD)、左回旋支(LCX)、右冠状动脉(RCA)进行自动分析，自动分析软件将根据血管内径中点粗略标示血管走形及中轴线。采集血管中轴在顶部(S,40L 180LAO 90CRA)、前方(P,0L 0LAO 0CRA)、右侧(R,0L 90RAO 0CRA)3个相互垂直的观察面的二维图像，此处也可采用底部、后方、左侧3个面的投影图像，见图1。

A：前视图；B：顶视图；C：右视图。

图1 LAD血管中轴线图像

1.2.2.2 血管中轴线的提取及空间坐标分析 获取血管在3个观察面的投影图像及血管中轴的粗略图像后。为获取图中目标像素点坐标首先将RGB色彩模式图转换为HSV色彩模式。在HSV色彩模式下确定目标线段的像素及颜色范围后将色彩模式HSV转回RGB模式并修补单点之间的空隙，平滑曲线，由于提取后的中轴仍非单像素线状，故进一步确定边界并求取中线，实现对血管中线位置的精细化分析[10]。由于顶部、前方、右侧3个观察面相互垂直，通过分析血管中轴在3个相互垂直的二维图像中的坐标值(以像点表示)即可获得目标血管中轴的空间坐标，见图2。

图2 精细化后的LAD血管中轴曲线在三维空间中的坐标曲线示意图

公式1

公式2

最后，对于相互垂直的平面Z′O′X′及平面Z′O′Y′平面的扭曲度进行综合计算(公式3)，得出曲线在三维空间的曲度。

公式3

1.2.4 模拟与检验 由于既往尚无对冠状动脉扭曲在三维空间程度的测量方法，对冠状动脉扭曲的测量尚无金标准，临床研究一般采取对冠状动脉造影二维图像的成角进行直接测量的方法。为验证本文中新方法对冠状动脉扭曲程度测量的准确性，本研究采取实验LAD冠状动脉的建模方法对本文中扭曲计算方法的进行检验，对LAD分别建立不同扭曲程度的血管模型，建模方法参考Xie等[1]对扭曲冠状动脉的建模方法：建立三维管状模型，扭曲模型首先于二维平面上建立，每个模型均有4个角度为φ/2,φ,φ 及 φ/2的扭曲(扭曲角度指血管中轴偏离原有方向的角度)。扭曲角度φ分别设定为30°、60°、90°、120°及135°，之后该模型将被转化为半球形的三维模型。此后对该模型3个相互垂直平面(顶部、前面、右侧)的二维投影依照本文方法对其扭曲系数进行测量，见图3。

A：三维模型图像；B：模型角度参数。

图3 对冠状动脉扭曲进行建模的模拟图像

2 结 果

2.1 对72名患者心外膜下3支主要冠状动脉扭曲系数测量结果如下表1所示。RCA的X轴方向扭曲系数和三维空间扭曲系数明显高于LAD及LCX。这一现象可能与RCA的解剖学结构相关。

表1 冠状动脉扭曲系数

2.2 通过本方法对LAD血管建模进行扭曲程度评价，结果显示在φ为30°、60°、90°、120°、135°时，扭曲系数TC3D分别为：0.185 1、0.331 4、0.503 0、0.665 0、0.750 9。对模型扭曲角度与扭曲系数进行相关性分析，结果用散点图表示。模型扭曲角度与扭曲系数呈线性相关，相关系数R2=0.999(图4)。模拟检验结果显示扭曲系数对模型的扭曲程度能做出较好的判定。

图4 冠状动脉模型中扭曲角度φ与扭曲系数的相关性散点图

3 讨 论

冠状动脉扭曲是一种较为常见的冠状动脉重塑现象，冠状动脉扭曲可发生于冠状动脉单支、双支或3支[12]。冠状动脉扭曲可造成扭曲血管血流动力的改变，且通过计算机对扭曲血管血流动力学的模拟认为扭曲程度越大，造成内皮损伤及引发动脉硬化的风险越大[1]。同时，血管扭曲造成血流动力损失、下游血管充盈缺损，这一改变也与扭曲程度正相关。因此，准确评价冠状动脉扭曲程度对冠状动脉扭曲造成的影响研究具有重要意义[2-6]。

然而，既往冠状动脉扭曲的评价标准都基于冠状动脉造影的图像。Zegers等[6]的扭曲评价标准为心室舒张期有2支或2支以上冠状动脉主干存在3个或3个以上大于或等于120°的弯曲。Turgut等[13]认为1支或1支以上冠状动脉主支血管有3处或超过3处沿主血管方向大于或等于45°的弯曲即为冠状动脉扭曲，这一标准被采纳较多。另有文献以冠状动脉3支主干存在2个及2个以上大于或等于75°的弯曲，或至少1个弯曲大于或等于90°为判定扭曲的标准[14]。

以上方法由于对三维的冠状动脉采用二维投影观察及直接人工测量角度方法，由于无法保证投影方向与血管走形的主要方向共面，平面与血管走形的主要方向夹角越大，对角度进行直接观察及测量的误差越大。加之对扭曲程度划分较为简单和粗略，故无法保证结果的准确性。既往的临床研究多得出冠状动脉扭曲与冠状动脉粥样硬化的发生呈负相关的结论。这也被认为是既往对于冠状动脉扭曲的测量方法存在较大误差造成的。以往研究指出，对于冠状动脉的扭曲评价与测量应基于三维空间中的实际扭曲水平上，而既往基于冠状动脉造影图像直接测量角度的方法将造成较大误差[1]。既往尚无对冠状动脉扭曲的三维系统评价方法。本研究利用冠状动脉CTA后处理过程中能自动分析血管中心点并分析绘制血管中轴线的功能，对冠状动脉CTA后处理后心外膜下冠状动脉主要三支血管LAD、LCX、RCA中轴线的三维图像在前方、顶部、右侧3个垂直平面的图像进行采集和优化，并对血管中轴线在3个面的投影图像进行分析，得到血管中轴线的空间坐标。对于扭曲系数的计算采用并改进Dougherty等[11]基于动脉造影中二维图像中扭曲程度的计算方法，能较好地反应血管扭曲程度。

本研究基于冠状动脉CTA图像进行扭曲的三维量化评价，提出了一种新的冠状动脉扭曲评价方法，其不再受血管的实际空间走形投影至平面的误差和人为测量的主观因素影响，由于进行了均匀采样其结论亦不受血管长度的影响，通过模拟验证，可有效量化分析冠状动脉扭曲程度。此方法为冠状动脉扭曲造成的影响的进一步研究提供了有利条件。

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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

刘一萱(1989-),住院医师,硕士,主要从事心血管疾病方面的研究。△

，E-mail:yangchmi@163.com。

R543.3

A

1671-8348(2015)22-3093-03

2015-02-11

2015-07-20)