256 iCT辛普森法及自动阈值分割法在左心室功能定量评估中的对比研究

杨 全，张 翱，李雪娇，马 进，王兴兰

(重庆医科大学附属永川医院放射科，重庆402160)

256 iCT辛普森法及自动阈值分割法在左心室功能定量评估中的对比研究

杨 全，张 翱，李雪娇，马 进，王兴兰

(重庆医科大学附属永川医院放射科，重庆402160)

目的以辛普森算法为参考标准，利用iCT探讨自动阈值分割法在左心室功能定量评估中的应用价值。方法48例行冠状动脉CTA扫描，将扫描图像传至后处理工作站，分别利用Simpson法及Threshold-Based Segmentation法计算患者左心功能参数ESV、EDV、SV、EF、LVMM，将所得的结果分别行配对t检验、Pearson相关性分析、Bland-Altman分析。结果辛普森法及自动阈值分割法测量左心室功能具有较好的相关性，ESV、EDV、SV、EF、LVMMr值分别为0.996、0.998、0.982、0.986、0.988。Bland-Altman分析显示Simpson法与Threshold-Based Segmentation法测量结果的均值差ESV、EDV、SV、EF、LVMM分别为1.4ml、3.2ml、1.8ml、0.0%、-10.3 g。Simpson法、Threshold-Based Segmentation法及超声心动图测量对比EF值＞0.05，SV值＜0.01。结论iCT测量左心室功能无创、准确、可靠，Simpson法、Threshold-Based Segmentation法测量左心功能具有较好的一致性，临床上推荐采用Simpson法进行心脏功能评估。

X线计算机；心脏；心室功能；辛普森法；自动阈值分割法

冠心病为临床上危害人类健康的常见病、多发病，其发病率及死亡率也有逐年上升的趋势。多层螺旋CT具有扫描速度快、覆盖范围广、时间分辨率高等优点，在心脏检查方面的应用也日益广泛[1]。目前多层螺旋CT在心脏的临床应用主要集中在冠状动脉成像方面，而对心功能分析的研究较少。本文旨在探讨飞利浦256层螺旋CT评价冠心病患者左心室功能的可行性及临床应用价值，为临床提供更准确快速的心功能参考。并同时对比辛普森算法(Simpson)及自动阈值分割法(Automated Threshold-Based Segmentation)两种测量方法的临床应用价值。

1 资料与方法

1.1 一般资料 研究对象选择2014年5～8月在本院行256层CT冠状动脉造影(CTA)检查的患者，排除有碘过敏史、严重心率不齐、不能很好配合呼吸运动的患者，最终筛选出满足条件的48例临床拟诊为冠心病的患者，男性25例，女性23例，年龄41～87岁，心率57～118次/min，受检者扫描前未使用倍他乐克等降低心率的药物。

1.2 仪器及方法 使用Philips256层螺旋CT，采用回顾性心电门控冠状动脉扫描方案。受检者为仰卧位，连接心电信号检测仪，屏气扫描，平扫定位相确定扫描范围，扫描范围为气管分叉下方1cm至心脏膈面。用高压注射器以5.0ml/s注射速率经肘静脉分别注入非离子型对比剂碘帕醇(370mgI/ml)60～80ml和生理盐水20ml。扫描参数：准直0.625，螺距0.2，电压120 kV，管电流600 mAs，旋转时间0.4 s。采用对比剂跟踪技术触发扫描，在主肺动脉窗层面降主动脉中心设置感兴趣区(ROI)，触发阈值120 HU，触发延迟5 s启动扫描，达到系统阈值后系统提示患者屏住呼吸，开始扫描，在吸气末采集数据。扫描时同时记录心电信号，记录心电图。

扫描完成后，在Philips Extended Brilliance Workspace3.5工作站上进行图像后处理。重建实相包括0%、5%、10%、20%、30%、40%、45%、50%、60%、70%、80%、90%等12个RR间期不同时相的图像，将重建后的12组不同时相左室短轴位图像调入心功能分析软件，根据血池内对比剂密度及心肌密度差异自动分割心脏各腔及冠状动脉(见图1a)，根据心腔容积变化取左室心腔面积最大的时相为舒张末期，面积最小的时相为收缩末期(见图1b)。Simpson法需手动更正心尖平面及心底平面(见图1c)，并对自动勾画出左心室内膜面和外膜面进行手动调整(乳头肌及肌小梁包含在血池内)(见图1d)，根据Simpson法及Threshold-Based Segmentation算法自动计算出左室舒张末期容积(End-diastolic volume，EDV)、左室收缩末期容积(End-systolic volume，ESV)、射血分数(Ejection fraction，EF)、每搏输出量(Stroke volume，SV)、左室舒张末期心肌质量(Left ventricular myocardial mass at end diastole，LVMM)。

1.3 统计学方法 使用SPSS22.0软件包及Medcalc软件包进行统计学分析。首先将Simpson法测量组数据与Segmentation测量组数据(ESV、EDV、SV、EF、LVMM)分别进行K-S检验，若P值＞0.05，则认为样本数据分布类型符合正态分布，对两个数据组的数据进行均数与标准差(±s)的描述性统计，之后对两组数据分别进行配对T检验及Pearson相关性分析，若P值小于0.05，则认为两组数据均数有统计学意义，若P值小于0.01，则认为有极显著的统计学意义，行Pearson相关性分析时，求取相关系数r值，根据r值在[-1，1]之间的大小分布情况来判断两组数据的先关性。使用Medcalc软件包进行Bland-Altman分析。对Simpson法、Segmentation法及超声心动图测量的EF值及SV值进行方差分析。

图1 自动阈值分割法与Simpson法对左心室功能测定比较

2 结 果

2.1 辛普森(Simpson)法与自动阈值分割(Automated Threshold-Based Segmentation)法 两种算法的配对t检验、Pearson相关性分析及Bland-Altman分析结果 利用Simpson法测量左心功能参数ESV、EDV、SV、EF、LVMM分别为(50.18±20.97)、(131.63±26.72)、(81.38±15.46)、(62.45±9.79)%、(101.16±22.01)g。利用Automated Threshold-Based Segmentation法测量左心功能参数ESV、EDV、SV、EF、LVMM分别为48.78±20.31、128.43±26.19、79.61±15.32、(62.43±9.87)%、(111.45±24.23)。两种方法行配对t检验，除了EF的P值＞0.05(0.927)外，其余指标P值均＜0.01，差异具有极其显著的统计学意义(见表1)。Pearson相关性分析显示两种算法获得的ESV、EDV、SV、EF、LVMM值呈高度相关，r值分别为0.996、0.998、0.982、0.986、0.988(见表1，图2)。根据Bland-Altman分析显示两种算法所得参数，Simpson法与Automated Threshold-Based Segmentation法测量结果的均值差ESV、EDV、SV、EF、LVMM分别为1.4、3.2、1.8、0.0%、-10.3 g(见表1，图3)。提示两种算法得出的EF值具有较高的一致性，ESV、EDV、SV一致性尚可，LVMM一致性较差。

表1 Simpson和Segmentation参数心功能参数相关性分析(±s)

表1 Simpson和Segmentation参数心功能参数相关性分析(±s)

注：所有数据均以(±s)表示，Segmentation是Threshold-Based Segmentation法的简写。

方法Simpson Segmentationr值t值P值LVMM(g)101.16±22.01111.45±24.230.98816.3070.000 ESV50.18±20.9748.78±20.310.996 -4.6860.000 EDV131.63±26.72128.43±26.190.998 -11.3190.000 SV81.38±15.4679.61±15.320.982 -4.0450.000 EF(%)62.45±9.7962.43±9.870.986 -0.0920.927

图2 Simpson和Segmentation参数心功能参数person分析散点图

图3 A-E分别为ESV、EDV、SV、EF、LVMM各参数值Simpson法及Segmentation法的Bland-Altman分析，中间的实线代表两种算法的均值差，虚线代表两种算法95%一致性范围注：1代表Simpson法；2代表Segmentation法

2.2 Simpson法、Automated Threshold-Based Segmentation法及超声心动图测量的EF值及SV值进行方差分析结果 三者所测量的EF值P值＞0.05 (0.814)，SV值P值＜0.01，两种方法EF、SV测量的F值分别为0.206、16.116，见表2。

表2 Simpson法、Segmentation法、超声心动图测量EF、SV比较(±s)

表2 Simpson法、Segmentation法、超声心动图测量EF、SV比较(±s)

方法EF(%)SV Simpson法Segmentation法超声心动图F值P值62.45±9.7962.43±9.8763.54±8.180.2060.81481.38±15.4679.61±15.3264.38±15.6216.1160.000

3 讨 论

3.1256iCT左心功能评价 左心室功能是反映心脏功能的一项客观指标，检测心脏功能尤其是左心室功能对冠心病患者的病情评估、诊疗计划及预后估测均具有重要的临床价值[2]。目前，临床对左心功能的评价标准仍然采用的是1994年美国心脏病学会心功能分级标准，由于其是根据患者自觉活动能力进行划分，具有很大的主观性不能客观的评价左心室功能。先进的影像学技术为左心功能的定量评估提供了强有力的技术支撑。目前左心室功能影像学检查方法有超声、心电门控SPECT、核素心血池扫描、MRI、经导管心室造影、多层螺旋CT(MSCT)。MSCT具有时间、空间分辨率高、扫描速度快、不受心脏几何形态及金属装置植入影响因素影响，为评价心功能的重要影像学检查方法。

3.2 Simpson法及Segmentation法对左心室功能评价对比研究分析 心室容积的测量数学算法包括面积长度法(Area-length method)、Threshold-Based Segmentation method、Simpson method。Area-length method主要用于早期超声心动图及心室血管造影术的心功能测量，应用几何假设，与真实值差别较大，且对操作者经验依赖性较高而具有一定的局限性[3]。Threshold-Based Segmentation法是基于阈值的体素分割法，利用心室腔内对比剂密度与心肌密度差异，预先设定一个阈值，从而达到区分不同密度组织的目的。Simpson法是目前认为是测定心室功能较为准确的一种测量方法，它是根据任意形状物体的体积等于一定层厚的切面的体积之和原理，采用逐层勾画法，不需任何形态学假设，直接计算心室容积，特别适用于心室形态不规则的病理状态(如透壁性心肌梗死、室壁瘤等)的心功能评估，目前已广泛应用于实时超声心动图、MSCT、MRI等。Henjes等[4]利用狗作为研究对象，证明Simpson法较Area-length method测量左心室功能准确性更高。较多研究结果[5-9]显示MSCT利用Simpson法测量心功能结果与电影MRI、心电门控SPECT、经导管心室造影、超声心动图均具有较好的一致性。而对于Threshold-Based Segmentation法测定心功能参数的准确性研究报道相对较少[10-11]。本研究Simpson法与Threshold-Based Segmentation法测量的心功能参数结果均具有良好的相关性(r值＞0.982)，但除EF值的均值差为0外，ESV、EDV、SV、LVMM的均值差分别为1.4、3.2、1.8、-10.3 g，可以看出Simpson法较Threshold-Based Segmentation法测量的ESV、EDV、SV均较大，这也与Juergens KU使用双源CT对比两种方法的实验结果有着较好的一致性[12]。其原因可能与Simpson法测量心脏容积时，心室内乳头肌及肌小梁包括在心腔内，而Threshold-Based Segmentation法测量左心室功能时乳头肌及肌小梁是排除在心腔容积之外导致。因此理论上Simpson法测量的ESV、EDV较Threshold-Based Segmentation法高[5-8]。众多学者研究表明乳头肌及肌小梁是左心室容积及重量的重要组成部分，利用MRI测量乳头肌容积占左心室容积的5.4%～16.6%。乳头肌及肌小梁包括在心腔内较乳头及肌小梁不包括在心腔内其左心室容积及质量更接近实际值[13-15]。本研究Threshold-Based Segmentation法测量的LVMM值较Simpson法较大，可能与Threshold-Based Segmentation法测量时软件预设阈值多低，自动分割错误导致部分右心室壁、二尖瓣环上方心肌、乳头肌纳入左心室壁范围所致。笔者认为Simpson法及Threshold-Based Segmentation法在测量左心室功能方面具有较好的一致性，Threshold-Based Segmentation法具有快速、可重复性操作性强的优点，但因为其测量左心室功能时乳头肌是排除在心腔容积之外所致左心室功能参数偏低。故建议使用Simpson法进行心功能测量。

3.3 Simpson法、Segmentation法及超声心动图EF值及SV对比研究分析 本研究对Simpson法、Threshold-Based Segmentation法及超声心动图测量的EF值及SV值进行方差分析结果提示：三者所测量的EF值P值＞0.05，差异无统计学意义，而SV值P值＜0.01，差异具有极其显著的统计学意义。本研究显示iCT所测得的EF值较超声心动图略低，而SV较高，分析原因可能为：①超声心动图评价左心室功能数学算法采用Area-length，而CT测量心功能分别采用Simpson法、Threshold-Based Segmentation法，其数学算法不同；②超声心动图评价左心室功能受操作者手法及经验影响较大[2]；③本院超声心动图测量心功能采取M型测量，以节段性代替整体，因此在阶段性室壁异常的患者中，其准确性会受到一定影响。④CT冠状动脉成像注入对比剂及生理盐水，造成心脏前负荷的改变，使心脏前负荷增加，根据Frank-starling定律，心缩力增强，搏出功能增大，而超声心动图无需注入对比剂即可完成测量，这也可能是CT测得的SV较超声心动图大的原因之一。

综上所述，应用256iCT测量左心室功能无创、准确、可靠，与超声心动图对比对EF值的测量对比差异无统计学意义。256iCT应用Threshold-Based Segmentation法、Simpson法测量左心功能具有较好的一致性，但由于Threshold-Based Segmentation法将乳头肌及肌小梁排除在左心室容积测量范围之外造成一定的误差，临床上推荐采用Simpson法进行心脏功能评估。

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Automated threshold-based segmentation method versus Simpson method for assessment of left ventricular function with256 iCT.

YANG Quan,ZHANG Ao,LI Xue-jiao,MA Jin,WANG Xing-lan.Department of Radiology, Yongchuan Hospital of Chongqing Medical University,Chongqing402160,CHINA

ObjectiveTo evaluate the value of automated threshold-based segmentation method in comparison with Simpson method for measurement of left ventricular(LV)function in Philips256 iCT.MethodsForty eight patients with known or suspected coronary artery disease underwent coronary CT angiography.End-systolic volume (ESV),end-diastolic volume(EDV),stroke volume(SV),ejection fraction(EF)and left ventricular myocardial mass (LVMM)at end diastole were post-processed separately by Simpson method and automated threshold-based segmentation method.Statistical methods used included pairedttest,Person correlation analysis and Bland-Altman analysis.ResultsAutomated threshold-based segmentation method had significant correlation with Simpson method for measurement of left ventricular function,and thervalues of ESV,EDV,SV,EF,LVMM were0.996,0.998,0.982,0.986,0.988,respectively.Bland-Altman analysis showed that the mean difference of ESV,EDV,SV,EF,LVMM between Simpson method and automated threshold-based segmentation method were1.4ml,3.2ml,1.8ml,0.0%,-10.3 g. Comparison of Simpson method,automated threshold-based segmentation method and echocardiography showed EF value withP＞0.05 and SV value withP＜0.01.ConclusioniCT is an accurate,noninvasive,and reliable measurement to assess LV function.Automated threshold-based segmentation method has high correlation with Simpson method,and Simpson method is more recommended to assess LV function in clinical practice.

X-ray computed;Heart;Ventricular function;Simpson method;Automated threshold-based segmentation method

R54

A

1003—6350（2015）22—3321—05

2014-12-26)

10.3969/j.issn.1003-6350.2015.22.1204

张 翱。E-mail：Aozhang68@sina.com