基于DT-MRI數(shù)據(jù)的三維心室組織分層方法

肖立邦，王寬全，袁永峰

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，150001哈爾濱，xiaolibang@gmail.com)

在過去的幾十年中，研究者先后采用了多種方法來對(duì)心室組織進(jìn)行分層，進(jìn)而構(gòu)建心室解剖結(jié)構(gòu).喻德曠等［1］給出了結(jié)果，但是其采用的數(shù)據(jù)并不是心室組織的解剖數(shù)據(jù)，而且其三維分層結(jié)構(gòu)中細(xì)胞的排列存在間斷性;Gulrajani等［2］也給出了心室組織結(jié)構(gòu)中3種細(xì)胞的分布結(jié)果，但是其采用的方法沒有給予介紹.因此，本文提出一種方法來構(gòu)建心室組織三維解剖結(jié)構(gòu).首先對(duì)三維心室組織進(jìn)行切片處理，然后對(duì)各個(gè)切片分別進(jìn)行邊界檢測(cè)、邊界匹配、區(qū)域填充和融合后處理，最后將所有切片整合組建形成三維解剖結(jié)構(gòu).本文基于構(gòu)建的三維心室組織模型進(jìn)行建模和偽心電圖仿真，并與臨床心電圖做比較研究，以驗(yàn)證此分層結(jié)果的合理性.

1 心臟電生理基礎(chǔ)與分層依據(jù)

1.1 心室肌細(xì)胞電生理異質(zhì)性

1991年，Sciouri等［3］發(fā)現(xiàn)了心室肌細(xì)胞存在電生理異質(zhì)性，即不同部位心室肌細(xì)胞動(dòng)作電位的形態(tài)、間期存在差異，這種差異形成了特定形態(tài)的心電圖(Electrical Cardiac Graphics，ECG).人們對(duì)于心室肌細(xì)胞的動(dòng)作電位差異進(jìn)行的大量研究發(fā)現(xiàn)心室去極化的方向總體上是自心內(nèi)膜向心外膜擴(kuò)布，而復(fù)極過程在心外膜開始較早，依次是心內(nèi)膜和中間層，如圖1(a)所示.從圖1(a)中可以看出心外膜復(fù)極最早，中間層細(xì)胞復(fù)極最晚，且其時(shí)程較心內(nèi)膜細(xì)胞和心外膜細(xì)胞要長(zhǎng).由于不同心室肌細(xì)胞的動(dòng)作電位間期和去極、復(fù)極時(shí)間先后差異，形成了ECG的QRS波群和T波.

1.2 線性分層方法依據(jù)

在心室組織中，心肌細(xì)胞處于細(xì)胞液的包圍中，水分子在細(xì)胞中的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)在心肌細(xì)胞纖維方向較垂直纖維方向要明顯得多，DT-MRI［4］即磁共振擴(kuò)散張量成像技術(shù)就是利用擴(kuò)張向量場(chǎng)中的各向異性擴(kuò)散的方向追蹤心肌細(xì)胞纖維的走向.本文使用的是由約翰霍普金斯大學(xué)的心血管生物信息建模中心所提供的高分辨率DT-MRI人類心臟成像數(shù)據(jù)集［5］.如圖1(b)所示，心室透壁的心肌纖維旋轉(zhuǎn)角從心外膜至心內(nèi)膜成線性變化，而不同的纖維走向旋轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)著不同的心室細(xì)胞，因此，心室細(xì)胞的層間劃分從心外膜至心內(nèi)膜具有線性劃分規(guī)律.

圖1 心室肌細(xì)胞電生理特性和組織特性

2 心室組織分層方法

由于生物實(shí)驗(yàn)的局限性和心臟結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，心內(nèi)膜、中間層、心外膜在心室組織中的精確構(gòu)成比例尚不明確.本文根據(jù)文獻(xiàn)［6］仿真研究的結(jié)果，將心室壁細(xì)胞中心內(nèi)膜細(xì)胞、中間層細(xì)胞和心外膜細(xì)胞的構(gòu)成比例設(shè)定為25∶35∶40;室間隔細(xì)胞中右心室心內(nèi)膜細(xì)胞、中間層細(xì)胞和左心室心內(nèi)膜細(xì)胞的構(gòu)成比例設(shè)定為1∶1∶1.由于心室壁和室間隔的細(xì)胞種類及構(gòu)成比例的不一致，本文分類的基本過程是，先將心室壁切片和室間隔切片分別進(jìn)行細(xì)胞分類，然后融合成心室組織切片，最后將所有心室組織切片整合組建，構(gòu)建三維心室解剖結(jié)構(gòu).

2.1 邊界檢測(cè)

本文對(duì)心室組織切片逐片進(jìn)行細(xì)胞分層，對(duì)某特定心室組織切片中心內(nèi)膜線和心外膜線的確定采用八叉樹搜索法，以心外膜線為例，具體步驟為:

1)利用Canny邊緣檢測(cè)算法［7］檢測(cè)心室組織切片中的心外膜線.

2)確定心外膜線中位于心室組織切片最上端的點(diǎn)為搜索起點(diǎn)，用數(shù)組記錄.

3)以起點(diǎn)為當(dāng)前點(diǎn)，搜索位于當(dāng)前點(diǎn)右方向的邊緣點(diǎn)，數(shù)組記錄，并以此點(diǎn)為當(dāng)前點(diǎn).

4)沿當(dāng)前點(diǎn)的上、下、左、右、左上、左下、右上、右下8個(gè)方向搜索邊緣點(diǎn)，若邊緣點(diǎn)全部已經(jīng)記錄在數(shù)組中，則結(jié)束;否則，將該邊緣點(diǎn)記錄入數(shù)組中，以此點(diǎn)作為當(dāng)前點(diǎn)，轉(zhuǎn)步驟4).

記錄到數(shù)組中的點(diǎn)的順序?yàn)轫槙r(shí)針方向.對(duì)于心內(nèi)膜線，除了搜索起點(diǎn)需要滿足“與外邊緣線搜索起點(diǎn)位于同一垂直方向”的條件外，方法完全相同.

2.2 邊界匹配

為實(shí)現(xiàn)心室壁細(xì)胞的分類，需要明確心內(nèi)膜線與心外膜線的對(duì)應(yīng)情況.本文提出2種方法來解決這個(gè)問題:圓心散射法、等比匹配法.

2.2.1 圓心散射法

心內(nèi)膜線和心外膜線之間的區(qū)域?yàn)樾氖冶冢氖冶谛嗡埔粋€(gè)圓環(huán)區(qū)域，心內(nèi)膜線為內(nèi)圓，心外膜線為外圓.設(shè)其共同的圓心為O，內(nèi)圓的半徑為r，外圓的半徑為R.采用極坐標(biāo)系，內(nèi)圓上的任意一點(diǎn)可表示為(r，θ)，其中0≤θ≤2π;外圓上的任意一個(gè)點(diǎn)可表示為(R，θ)，其中0≤θ≤2π.

設(shè)外圓上的A點(diǎn)坐標(biāo)為(R，θ1)，內(nèi)圓上的B點(diǎn)坐標(biāo)為(r，θ2)，若θ1=θ2，本文定義A點(diǎn)和B點(diǎn)即為一對(duì)匹配點(diǎn)，如圖2(a)所示.

2.2.2 等比匹配法

在邊界檢測(cè)方法中，已經(jīng)按順時(shí)針順序確定了心內(nèi)膜線和心外膜線，設(shè)心內(nèi)膜線的起始點(diǎn)為A1，心外膜線的起始點(diǎn)為B1，心內(nèi)膜線的順時(shí)針點(diǎn)序列為A1，A2，A3，…，Ai，…，An，心外膜線的順時(shí)針點(diǎn)序列為B1，B2，B3，…，Bj，…，Bm，則AiBj相對(duì)應(yīng)的充要條件是i∶j=n∶m，如圖2(b)所示.因?yàn)樾耐饽ぞ€的長(zhǎng)度大于心內(nèi)膜線，很顯然，相鄰的多個(gè)心外膜線上的點(diǎn)可能會(huì)匹配同一個(gè)心內(nèi)膜線上的點(diǎn).

對(duì)于室間隔，其邊界檢測(cè)結(jié)果只是一條封閉邊緣線，形似矩形.本文依據(jù)矩形四角處內(nèi)積最小的特點(diǎn)來對(duì)其4個(gè)“頂點(diǎn)”進(jìn)行空間定位［8］，如圖2(c)所示.根據(jù)4個(gè)“頂點(diǎn)”，確定上、下邊緣，然后采用等比匹配法匹配邊緣線，室間隔邊緣線匹配情況，如圖2(d)所示.

圖2 輪廓匹配

2.3 填充

以心室壁為例，設(shè)AiBj為心內(nèi)膜線和心外膜線的一對(duì)匹配點(diǎn)，那么AiBj間的0.40分點(diǎn)和0.75分點(diǎn)分別為Bj+(Ai-Bj)×0.40和Bj+(Ai-Bj)× 0.75，據(jù)此可以得到心室壁區(qū)域中的0.40分線和0.75分線.這2條分線將心室壁劃分為中間層區(qū)域、心內(nèi)膜區(qū)域和心外膜區(qū)域.對(duì)區(qū)域的填充，本文采用掃描線算法.

算法的基本過程為:當(dāng)給定種子點(diǎn)(x，y)時(shí)，首先填充種子點(diǎn)所在掃描線上的位于給定區(qū)域的一個(gè)區(qū)段，然后確定與這一區(qū)段相連通的上、下兩條掃描線上位于給定區(qū)域內(nèi)的區(qū)段，并依次保存下來.反復(fù)這個(gè)過程，直到填充結(jié)束.

將從心外膜至心內(nèi)膜的4條邊緣線分別采用掃描線填充法，結(jié)果如圖3所示.

圖3 心室壁分層及填充

2.4 融合及后處理

分層后的心室壁和室間隔，可以簡(jiǎn)單地融合在一起，但是簡(jiǎn)單融合后，仍然存在一個(gè)問題:在心室壁的中間層細(xì)胞區(qū)域和室間隔的中間層細(xì)胞區(qū)域間是心室壁的心內(nèi)膜細(xì)胞區(qū)域.在生物學(xué)上對(duì)該區(qū)域并沒有明確的說明.但是從視覺感官和心肌細(xì)胞分布的連續(xù)性來看，可以推測(cè)出該區(qū)域應(yīng)該是中間層細(xì)胞區(qū)域.因此，本文采用區(qū)域生長(zhǎng)法［9］，以室間隔的中間層細(xì)胞區(qū)域?yàn)榉N子，以斜率為特征，增長(zhǎng)該區(qū)域使其與心室壁的中間層細(xì)胞區(qū)域連接，如圖4所示.

圖4 區(qū)域增長(zhǎng)前后

區(qū)域生長(zhǎng)算法可由下列幾個(gè)步驟實(shí)現(xiàn):

1)計(jì)算室間隔區(qū)域邊緣線兩端的斜率.

2)根據(jù)斜率使室間隔邊緣線端點(diǎn)向前延伸.

3)判斷室間隔邊緣線的當(dāng)前端點(diǎn)是否處于心室壁的中間層區(qū)域，若是，則轉(zhuǎn)步驟4)，否則，返回步驟1).

4)將新增加的區(qū)域填充為該區(qū)域顏色.

3 結(jié)果及評(píng)價(jià)

3.1 分層結(jié)果

本文對(duì)所有心室組織切片進(jìn)行分層，然后將所有切片進(jìn)行三維解剖結(jié)構(gòu)重建，得到心室組織三維解剖結(jié)構(gòu)模型.在三維結(jié)構(gòu)重建過程中，本方法對(duì)于相鄰切片的分層參數(shù)數(shù)值設(shè)置相近，故相鄰切片的分層情況差異很小，可以從圖5的3個(gè)切面視圖上看出.從圖5中還可以看出心室壁中心內(nèi)膜細(xì)胞、中間層細(xì)胞和心外膜細(xì)胞是按照25∶ 35∶40的比例分布，室間隔中右心室心內(nèi)膜細(xì)胞、中間層細(xì)胞、左心室心內(nèi)膜細(xì)胞按照1∶1∶1的比例分布，而且在室間隔和心室壁的交界處，細(xì)胞分布漸變性良好.

圖5 三維及多切面視圖

3.2 評(píng)價(jià)

不同類型的心室組織細(xì)胞動(dòng)作電位不同，而心電圖的形成正是多種心室組織細(xì)胞不同的動(dòng)作電位的相互作用.因此心室組織的細(xì)胞分層會(huì)直接影響心電圖的形態(tài)、波形和間期的長(zhǎng)短.本文將心室組織分割成460×482×487的三維陣列，整個(gè)心室組織共近億個(gè)心肌細(xì)胞單元.本文采用文獻(xiàn)［1］中提出的心室組織的電生理模型，基于前面建立的心室細(xì)胞分層結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了具有特異性的心室三維計(jì)算模型，并進(jìn)行了偽心電圖仿真.圖6所示為該模型仿真的偽心電圖，每個(gè)導(dǎo)聯(lián)心電圖都有完整的QRS和T波波形，符合正常心電圖的波形特征.各導(dǎo)聯(lián)的QRS波走向與臨床觀測(cè)都一致，其T波的方向、QRS波寬和QT間期與臨床數(shù)據(jù)［10］比較如表1所示.

圖6 仿真心電圖與臨床心電圖比較

表1 偽心電圖與臨床心電圖比較 ms

4 結(jié)論

1)采用線性分層填充法來處理DT-MRI心室組織切片數(shù)據(jù)并用于三維心室組織解剖結(jié)構(gòu)的重建，然后基于心室細(xì)胞計(jì)算模型，構(gòu)建了具有特異性和解剖結(jié)構(gòu)的心室三維計(jì)算模型.

2)根據(jù)建立的三維計(jì)算模型進(jìn)行偽心電圖仿真.結(jié)果表明:偽心電圖與臨床心電圖不僅在形態(tài)上頗為相似，其T波的方向，ST段的變化，QRS波寬和QT間期與臨床數(shù)據(jù)也十分吻合.

3)本文所模擬的心室組織結(jié)構(gòu)不僅為生物學(xué)上心室組織細(xì)胞的分類提供了參考依據(jù)，而且為研究心室組織在正常及病理?xiàng)l件下的電生理活動(dòng)仿真提供了有力的假設(shè)研究手段.

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