Pixel法精确测量冠脉狭窄程度之原理探究
2020-09-06曹磊陈新山
曹磊 陈新山
冠状动脉(以下简称“冠脉”)狭窄程度，对于法医病理学中冠状动脉粥样硬化性心脏病（以下简称“冠心病”）猝死的死因分析有着重要意义。根据冠脉粥样硬化斑块突向管腔程度的百分比，一般将管腔狭窄的程度分为四级：I级管腔狭窄程度≤25%；Ⅱ级26%～50%；Ⅲ级51%～75%；Ⅳ级≥76%[1]。对于冠状动脉狭窄程度的判断，目前检验者多依据肉眼估算和个人经验来得出结论（即肉眼估计法），其主观性较强，且容易产生误差，难以适应当前法医鉴定行业规范化、标准化的发展要求，故如何精确测量并量化冠状动脉狭窄程度一直是法医病理学中的一个难点。虽然有学者对此进行的一些研究取得了一定成果，如葛鲁邹等人曾用PhotoShop对冠脉狭窄程度所进行的测量[2]。但笔者在实际工作中发现，在取材和制片时，各种原因使冠脉断面失去正常形态（圆形）而变为扁圆形、不规则类圆形或其他形状，以致测量误差较大，也势必导致结论与实际情况存在偏差。笔者将平面内不规则图形转换为相同周长的正圆，再通过Pixel法测量与该不规则图形相同周长正圆面积值（即像素数），然后与该正圆理论面积值比较、计算误差率并进行统计学分析，探讨Pixel法（像素法）在精确测量冠状动脉粥样硬化管腔狭窄程度的可行性及其意义，期能为法医病理学鉴定中涉及冠状动脉狭窄程度的精确测量提供一种新方法。
一、用Pixel法测量冠脉狭窄程度的原理及其实务操作
（一）原理
人死后冠脉由于缺少血液压力等原因会失去正常圆形形态，而在取材和制成切片过程中更会加剧这种变形[3]。因此病理切片中的冠脉形态与患者生前冠脉形态存在一定差别，变形越严重，差别越大，在此基础上进行测量势必导致结论与实际情况存在误差。而冠脉形状虽然可以改变，但冠脉内弹性膜（Internal elastic lamina,以下简称“IEL”）周长却不会改变，所以把不规则形状转换成相同周长的正圆，再计算面积才能准确测量冠脉狭窄程度。
冠脉显微图像是位图图像，由像素点组成，将其放大到一定的程度后，可以发现它是由很多个小方格组成的，这些小方格被称为“像素点”或“像素（Pixel）”。因冠状动脉内膜增厚以其内弹性膜为界[4]，所以内弹性膜的周长、冠脉内膜面积以及与内弹性膜周长相同的正圆面积均可以通过PhotoShop以像素为单位进行量化。本测量方法以像素个数为基础，精确测量冠脉狭窄程度，故称“Pixel法”[5]。
（二）实务操作
将平面内10例不规则图形转换为相同周长的正圆，再读取和计算不规则图形面积、正圆面积实际值和理论值，对误差率进行统计学分析。
1.材料。
10例不规则图像，分辨率300PPI；安装有Ado⁃be PhotoShop软件的计算机（Adobe PhotoShop版本不限，本实验为PhotoShop CC）。
2.方法。
选中一个不规则图形，通过“记录测量”工具记录并读取不规则图形面积像素数和周长像素数，然后依据圆周长公式C=πd=2πr(C为周长，d为直径，r为半径，π≈3.1415926)，求得相同周长的正圆直径d，以及半径r，依据半径r计算正圆的理论面积值；接着以d为直径在PhotoShop新图层中画出该正圆，选中该正圆并直接读出该正圆的面积像素数，得到理论面积值与直接读取面积值两个数据；然后进行统计学分析。
3.具体步骤。
（1）新建任意不规则图形，通过“记录测量”工具读取并记录不规则图形面积像素数周长像素数，面积S不规则=65183px，周长 C=1046.856998px，经计算与不规则图像相同周长的正圆直径d=333.2249376px，以及半径r=166.6124688px（详见图1）。
（2）以直径（Width和Height像素数）d=333px画正圆，直接读取正圆面积S=87117px（详见图2）。
（3）根据步骤（1）计算的与不规则图形相同周长的正圆半径r=166.6124688px，依据圆面积公式S=πr2，求得正圆的理论面积值S=87209.71445px。
（4）则计算出不规则图形相同周长正圆的直接读取面积值与理论面积值之间的误差率，误差率1=(正圆实际面积值-正圆理论面积值)/正圆理论面积值 × 100%=（87117-87209.71445）/87209.71445 ×100%=-0.1063%，两者结果误差甚小。而不规则图形面积值与相同周长正圆面积值之间的误差率很大，误差率2=（正圆面积值-不规则图形面积值）/正圆面积值×100%=25.1776%
图1 不规则图像及其周长
图2 与不规则图像相同周长的正圆及面积
4.统计分析。
对10例平面内不规则图形，均按照上述步骤转换成正圆，然后测量不规则图形面积值、计算相同周长正圆面积理论值与直接读取面积值，获得三组数据，计算出两个误差率，采用SPSS24.0软件进行T-test统计分析，结果见上表。
表10 例不规则图像相同周长正圆的理论面积值与直接读取面积值结果
统计分析不规则图形相同周长正圆的理论面积值与直接读取面积值结果，P>0.05，其差异不具有统计学意义，可认为正圆的理论面积值与直接读取面积值结果是相同的；但是不规则图形面积值和正圆面积值误差率普遍较大，说明在用Pixel法测量变形的冠脉断面面积时将其转换成正圆的必要性，这为Pixel法测量冠脉狭窄程度提供了理论基础。
二、应用Pixel法测量冠状动脉狭窄程度的具体方法与步骤
（一）材料
冠状动脉病理切片显微图像1张（Jpg格式）；安装有Adobe PhotoShop软件的计算机（Adobe Photo⁃Shop版本不限，本实验为Adobe PhotoShop CC）。
（二）方法与步骤
第一步，冠脉病理切片照片导入PhotoShop，选合适的选区工具（如套索工具）沿IEL建立选区，通过“记录测量”工具记录并读取面积像素数，面积S1=7454621px，周长C=10881.05699px（详见图3），经计算与IEL相同周长的正圆直径d=3463.548072px。
第二步，以同样的方法沿冠脉血管腔建立选区，通过“记录测量”工具记录并读取面积像素数，面积S2=3027841px（详见图4），则冠脉增厚的内膜面积为S内膜=S1-S2=7454621px-3027841px=4426780px（详见图5）。
第三步，以第二步计算出来的正圆直径d=3464px画正圆，通过“记录测量”工具记录并读取面积像素数，面积S圆=9424716px（详见图6）。
第四步，算出冠脉狭窄程度=S内膜/S圆×100%≈46.97%，结论为冠脉狭窄程度为Ⅱ级。
图3 沿IEL建立选区及测量周长（C）、面积（S1）
图4 沿冠脉血管腔建立选区及测量面积（S2）
图5 冠脉内膜面积（S内膜=S1-S2）
图6 IEL相同周长正圆及测量面积（S圆）
若依据葛鲁邹等人的方法[6]，则冠脉狭窄程度=1-S2/S1×100%≈59.38%，结论为冠脉狭窄程度Ⅲ级。由此可见未将IEL转换成正圆就直接测量导致的误差之大。
关于冠脉狭窄程度测量的简化步骤：根据统计分析结果，不规则图形相同周长正圆的直接读取面积值与理论面积值差异不具有统计学意义，因此第三步可以省略，直接以理论面积值代替直接读取面积值进行计算，故在冠脉狭窄程度测量时只需测量IEL周长（C）与冠脉增厚的内膜面积（S内膜），与IEL相同周长正圆理论面积值（S理论）可依据周长C计算得出。即冠脉狭窄程度=S内膜/S理论×100%=（S1-S2）/[π×（C/2π）2]×100%=4π（S1-S2）/C2×100%。
三、讨论
（一）冠脉狭窄程度的测量在司法鉴定实务中的意义
冠心病是目前心血管系统疾病中对人类生命健康危害性最大的疾病之一，也是发生猝死的最常见疾病之一。部分冠心病猝死患者，平时无明显异常感觉，无任何征兆而突发死亡，此类无症状的冠心病猝死，在司法鉴定实务中较为常见。冠心病猝死多发于35～60岁，近年来高血压、高血脂、高胆固醇、糖尿病的患病人数增多，现代人工作压力大、生活节奏快、精神紧张、生活方式不健康、肥胖、吸烟和体力活动少等因素均易引起冠心病，因此冠心病猝死年龄呈年轻化趋势[7]。对于司法鉴定实务中诊断冠心病猝死，冠脉管壁粥样硬化病变致管腔狭窄的严重程度是重要依据，故科学、精确地测量冠状动脉狭窄程度对法医病理鉴定具有十分重要的意义。
（二）Pixel法的应用
该技术方法需要检测者要熟悉Adobe Photo⁃Shop的基本操作，特别是选区的精确建立。要针对不同冠脉照片特点建立最佳的选区。同时由于冠状动脉内膜与中膜的分界是以IEL为界限[8]，在运用相关选区工具建立选区时，需要对IEL进行识别，由于冠脉本身病变程度、取材、制片和染色等因素的影响，冠脉斑块病变和IEL有时不易辨识，因此要求操作者具有一定的病理学基础知识和实务操作经验。
由于冠脉面积相对较小，因此，测量相应的面积要求更精确，对冠脉位图图像分辨率的要求较高。Pixel法测量冠状动脉狭窄程度，理论上图像的分辨率越高，冠状动脉的图像越精细，单位面积内像素数量越多，建立选区测量和计算时的误差会越小，其结果越精确。若原始图像不能满足要求，可通过提高分辨率来调整，建议300PPI或更高。并且为减少人为操作引起的误差，建议多次测量取平均值。
综上，使用Pixel法测量冠状动脉狭窄程度，比传统方法（肉眼估计法）有明显优势，本法测量出来的冠状动脉狭窄程度更精确、更科学客观，由于将变形的IEL转换成正常形态（正圆）再进行测量并计算，可使结果更接近患者生前状况，使涉及冠心病（认定或排除）的法医学鉴定结论更加准确，更具说服力，也更能适应当前法医学鉴定行业规范化、标准化发展的要求。与其他专业软件相比，该方法简单、易操作，成本低、便于推广，在司法鉴定中具有很好的应用前景。
