视网膜血管弯曲度特征测定方法的研究进展

蹇文渊 杨振 段俊国 路雪婧

视网膜血管弯曲已被证明是心血管疾病和糖尿病的预测因子[1-3]。视网膜血管弯曲的变化可能是疾病严重程度或改善的标志。在许多视网膜病变中弯曲度是视网膜血管网中第一个出现变化的参数,例如糖尿病和高血压[4]。因此视网膜微血管的弯曲测量对预测糖尿病或心血管等疾病具有重要意义。

1 弯曲度定义

在医学文献中,弯曲度不是定量定义的,国际上目前还没有统一标准。虽然已有多种参数和公式用于视网膜弯曲度的测量,目前还没有关于图像采集、测量位置、测量方法和计算的统一。对于专家所说的弯曲程度,目前还没有达成一致意见,因此也没有办法来决定哪一种方法最适合专家的临床评价。目前研究较多采用的视网膜血管弯曲度定义为沿着血管路径的曲率平方的积分,将总路径长度归一化[5-6]。测量所有穿过指定区域的可见血管,这些方法没有单位。较小的曲折值表示较直的血管。关于疾病严重程度或疾病随时间变化的信息可以通过测量血管网络的曲折性来推断。因此,以一致、可重复的方式测量迂曲度是有益的。临床眼科医生通常使用定性量表(例如轻度,中度,重度和极度)进行血管迂曲度测量,但结果因人而异。

2 弯曲度测量方法

为了定量测量弯曲度,该血管被建模为光滑连接曲线。基于此模型,可分为四大类。(见表1)

2.1 基于弧长除以弦长的方法

血管弯曲的最简单、最常用的测量方法是它的弧长与弦长之比。Lotmar[7]等人是第一个引入这类方法的,之后他们的方法得到了广泛的利用[8-10]。即使该方法被广泛使用,但它也包含了假设,即非弯曲的血管是一条直线,曲率半径比弦大得多,该方法对于具有曲率方向变化的血管和光滑曲率的血管也是不够的。Bullit[11]等和Grisan[12]等建议对方法进行修改。Grisan[12]等人认为Hart[6]提出的方法在区分结构的弯曲度时是不准确的,因为视网膜是半球形状,呈光滑的半圆形或抛物线形的长血管,都被认为是弯曲的,所以在测量计算弯曲度时应该被考虑。他们提出了一种基于血管连续弯曲标志的弯曲度测量方法,将血管分割成具有相同凸性的段,并将所有段的弦长加权和,结果显示,与Hart[6]等人提出的方法相比,实验的结果与医学判断的相关性更高。

表1 弯曲度测量方法常用公式

2.2 基于曲率的方法

基于曲率的测量方法是一种测量曲线在某一坐标下的弯曲程度的方法,是沿血管骨架的曲率估计的积分函数,通常是绝对或平方曲率的加权和。Hart[6]等人利用曲率提出了两种弯曲度测量方法,即曲率积分和曲率平方的积分。他们发现曲线段的总平方曲率比总曲率更好,且最接近眼科医生的弯曲的概念。Masoud[13]等人研究方法是基于曲率的算法,发现弯曲度与曲率有非线性关系。Sukkaew[14]等人提出了一种将血管分类为弯曲和非弯曲的方法,该方法基于血管段的中心曲率。通过形态学获得血管中心。使用自适应线性插值方案对血管进行递归分割。 然后基于所得到的血管段的曲率计算弯曲度。Patasius[15]等人提出基于平方曲率导数的积分的测量方法。Nwaobi[16]和Sasongko[17]等人研究认为基于曲率的弯曲度测量更可靠,但与弧长与弦长之比的方法相比,其计算量更大。

2.3 基于角度变化的方法

这种方法计算血管的方向变化以测量弯曲度。Chandrinos[18]等人采用该血管(称为局部方向变异)的样本中心点之间的夹角的平均值来测量弯曲度。Goh[19]等人采用同样的方法用于测量局部角度,而局部角度超过π/6的次数被认为是弯曲度指数。Bullitt[12]等人注意到弯曲度测量方法弧长除以弦长比可能无法区分平滑的曲线血管和在方向上突变的血管。为了克服这一问题,他们提出了计算拐点数量(扭转)的方法,该方法可以计算出血管在血管改变方向时所产生的扭转次数,然后对曲线上每一个有效点的总角度进行求和,并将结果用总曲线长度归一化。

2.4 基于其他领域的方法

Smedby[20]等人介绍了一种将弧长除以弦长比乘以血管内拐点数的测量值。这种测量方法是基于血管扭曲的长度,幅度和频率。Dougherty和Varro[21]定义了一个弯曲系数,作为两个连续点的梯度与采样间隔的差值之和。Eze[22]等人介绍了一种类似的测量方法,他们使用合成的2-D正弦波模拟进行测试,显示出比弧长除以弦长比更好的性能。Capowski[23]等人描述了基于空间频率的血管迂曲度的量度。Zhou[24]等人也描述了一种区分血管造影中曲折和非曲张血管的方法,提出了一个基于血管内侧曲率的曲折度量.Kaupp[25]等人使用傅里叶分析和Ghadiri[26]等人利用霍夫变换圆检测计算曲率。此外,Ghadiri[27]采用NSCT变换(非下采样contourlet变换)进行曲率计算。还有一些特殊的弯曲度测量算法,Wallace[28]使用立方样条插值来测量弯曲度,这些方法也承受着沉重的计算负担。

3 小结

视网膜血管的弯曲度是眼科医师在检查和经验的基础上评估的一种诊断性参数;在临床实践中没有具体的定量模型。目前为自动图像分析而提出的所有定量测量方法大多是基于血管骨架曲率的函数。然而曲率可能不是模型弯曲度的唯一度量,血管厚度或直径也可能起作用。Alauddint[29]等人提出了一种基于血管段的宽度信息来测量和分析弯曲度。研究表明,较细血管与弯曲度相关性比较宽血管表现更鲜明。因此,弯曲度是血管段的相对特征,取决于它的宽度变化,可能会更适合预测早期糖尿病和心血管疾病。Trucco[30]等人设计了一种弯曲度测量方法,它取决于曲率和厚度,并选择200个眼底血管进行测试,与曲率相比,结果更符合临床判断。

虽然上述测定方法有很多,但很难确定哪一个是最合适的,在医学眼底诊断中,弯曲的角色很难量化,而且大多数研究将自动结果与单一临床医生的答案进行比较,但临床判断因人而异,因此临床上视网膜弯曲度的测定仍然需要亟待解决。