第 25 卷 第 8 期 2013 年 8 月 生 命 科 学 Chinese Bulletin of Life Sciences Vol. 25, No. 8 Aug., 2013 文 章 编 号 :1004-0374(2013)08-0812-10 血 管 网 络 定 量 分 析 研 究 进 展 彭 浩 杰, 赵 俊 * ( 上 海 交 通 大 学 生 物 医 学 工 程 学 院, 上 海 200240) 摘 要 : 血 管 异 常 与 畸 形 是 多 种 疾 病 ( 如 血 管 栓 塞 肿 瘤 动 脉 瘤 畸 形 等 ) 的 常 见 形 态 改 变, 会 引 发 其 他 一 系 列 更 加 严 重 的 生 理 病 变 因 此, 多 年 以 来, 大 量 的 研 究 者 都 希 望 通 过 分 析 血 管 的 分 布 和 形 态 变 化, 实 现 对 这 些 疾 病 的 预 防 发 现 和 诊 断 近 年 来, 随 着 成 像 手 段 和 图 像 处 理 技 术 的 突 飞 猛 进, 借 助 血 管 数 字 减 影 技 术 (digital subtraction angiography, DSA) 磁 共 振 血 管 造 影 技 术 (magnetic resonance angiography, MRA) Micro- CT 等 多 种 多 样 的 成 像 手 段 以 及 同 步 辐 射 这 种 全 新 的 光 源, 可 获 得 的 血 管 图 像 的 分 辨 率 有 了 大 幅 提 高, 针 对 血 管 网 络 的 定 量 分 析 有 了 显 著 的 发 展 总 结 了 一 般 血 管 定 量 分 析 的 流 程, 回 顾 了 近 年 来 在 普 通 Micro-CT 同 步 辐 射 等 新 兴 领 域 血 管 定 量 分 析 工 作 取 得 的 最 新 进 展, 讨 论 了 未 来 定 量 分 析 工 作 的 发 展 趋 势 和 应 用 前 景 关 键 词 : 血 管 定 量 分 析 ; 血 管 分 割 ; 定 量 指 标 ;Micro-CT ; 同 步 辐 射 中 图 分 类 号 :Q-334 ;Q954.56 文 献 标 志 码 :A Advances in the quantitative analysis of vasculature structure PENG Hao-Jie, ZHAO Jun* (School of Biomedical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China) Abstract: Vessel abnormality and malformation are common in many serious diseases, such as cancer, thrombosis and meridians varicose, which finally lead to vascular lesions and malfunction. Therefore, over the years, researchers have been trying to prevent, detect and diagnose these diseases by analyzing the distributional and morphological changes of the blood vessels. Thanks to the development of high-resolution imaging technology such as DSA, MRA, Micro-CT and synchrotron radiation imaging, we can obtain lots of high resolution images, which can be used in further vascular quantification. This paper summarized the general process of vascular quantification, reviewed the progress made in recent years in the field of vascular quantification based on high-resolution imaging, and discussed the development trends and application for future quantitative analysis. Key words: vascular quantification; vessel segment; quantitative metrics; Micro-CT; synchrotron radiation 血 管 定 量 分 析 指 的 是 借 助 影 像 学 和 形 态 学 的 方 法, 对 血 管 网 络 的 特 性 进 行 量 化 分 析, 将 血 管 网 络 的 重 要 特 点 以 明 确 的 数 值 指 标 形 式 予 以 说 明 通 过 血 管 的 定 量 分 析, 可 以 不 依 靠 医 生 的 主 观 经 验, 判 断 出 可 能 患 有 的 血 管 异 常 或 者 病 变 [1-3], 因 此, 具 有 十 分 重 要 的 实 用 价 值 由 于 血 管 网 络 是 遍 布 于 人 体 内 部 的 管 腔 结 构, 除 眼 底 的 视 网 膜 血 管 可 以 直 接 观 察 以 外, 其 他 部 位 的 血 管 都 需 要 借 助 多 种 成 像 手 段 进 行 观 察, 所 以 成 像 技 术 的 发 展 是 血 管 定 量 分 析 的 基 础, 只 有 得 到 足 够 精 确 的 血 管 图 像, 定 量 分 析 才 有 意 义 而 血 管 定 量 分 析 方 法 又 是 深 入 挖 掘 血 管 影 像 信 息 的 有 力 工 具 两 者 软 硬 件 的 结 合, 保 证 了 高 内 涵 血 管 影 像 研 究 的 实 现 血 管 的 定 量 分 析 包 含 了 血 管 图 像 的 采 集 重 建 分 割 定 量 指 标 的 选 取 和 计 算 这 一 系 列 的 过 程, 其 中 最 重 要 的 两 个 步 骤 是 血 管 的 分 割 和 定 量 指 标 的 选 取 ( 图 1) 最 近 二 十 年 来, 血 管 定 量 分 析 经 历 了 从 收 稿 日 期 :2013-05-02 基 金 项 目 : 国 家 重 点 基 础 研 究 发 展 计 划 ( 973 项 目 ) (2010CB834302) * 通 信 作 者 :E-mail: junzhao@sjtu.edu.cn
第 8 期 彭 浩 杰, 等 : 血 管 网 络 定 量 分 析 研 究 进 展 813 图 1 血 管 定 量 分 析 的 一 般 过 程 二 维 到 三 维, 从 单 一 成 像 手 段 到 多 种 成 像 手 段, 从 单 个 指 标 分 析 到 多 种 指 标 综 合 分 析 的 发 展 过 程, 用 定 量 指 标 的 数 据 来 描 述 血 管 病 变 的 发 展 程 度 已 经 成 为 了 越 来 越 普 遍 的 做 法 1 血 管 的 分 割 提 取 血 管 图 像 处 理 是 进 行 血 管 定 量 分 析 的 第 一 步, 通 常 包 括 图 像 增 强 去 噪 重 建 分 割 中 心 线 提 取 等 步 骤, 其 中 血 管 的 分 割 是 最 重 要 的 一 环, 分 割 结 果 的 精 确 程 度 直 接 关 系 到 随 后 进 行 的 定 量 化 分 析 结 果 的 可 信 度 随 着 图 像 处 理 技 术 的 不 断 发 展, 血 管 分 割 算 法 越 来 越 成 熟 和 多 样 化, 其 本 质 是 一 类 树 形 结 构 的 分 割 问 题 树 形 结 构 的 分 割 有 很 多 衍 生 应 用 领 域, 如 河 流 网 络 的 分 析, 植 物 根 部 叶 脉 的 分 析 等 等, 但 是 在 实 际 使 用 中, 由 于 图 像 来 源 和 图 像 的 特 点 很 不 相 同, 目 前 并 没 有 一 种 成 熟 的 算 法 可 以 完 美 地 解 决 所 有 领 域 的 树 形 结 构 分 割 问 题 传 统 的 图 像 分 割 算 法, 如 边 缘 检 测 算 法 区 域 生 长 算 法 阈 值 分 割 算 法 等 都 没 有 利 用 血 管 具 有 树 形 结 构 这 一 形 态 特 征, 分 割 效 果 也 不 甚 理 想 目 前 的 血 管 造 影 技 术 基 本 都 需 要 使 用 造 影 剂, 获 得 的 图 像 中 可 供 用 来 进 行 血 管 分 割 的 特 征 主 要 是 灰 度 分 布 和 血 管 形 状 两 类 一 方 面, 由 于 造 影 剂 是 X 射 线 强 吸 收 物 质, 在 最 后 图 像 上 会 呈 现 较 低 灰 度 ; 另 一 方 面, 血 管 是 管 状 结 构, 相 对 于 其 他 软 组 织, 有 较 为 统 一 的 形 状 特 征, 所 以 绝 大 多 数 算 法 都 是 基 于 这 两 方 面 来 做 扩 展 在 血 管 提 取 中, 现 有 的 血 管 分 割 算 法 大 致 可 以 分 为 五 类 : 基 于 模 型 的 方 法 基 于 模 式 识 别 的 方 法 基 于 人 工 智 能 的 方 法 基 于 跟 踪 的 方 法 以 及 其 他 各 种 基 于 血 管 管 状 结 构 的 方 法 基 于 模 型 的 方 法 [4] 使 用 明 确 的 模 型 来 提 取 血 管 系 统, 可 以 分 为 参 数 模 型 模 板 匹 配 广 义 圆 柱 模 型 和 可 变 形 模 型 等 四 类 可 变 形 模 型 又 可 以 分 为 参 数 化 可 变 形 模 型 和 几 何 可 变 形 模 型 两 种, 是 目 前 研 究 最 多 的 方 法, 但 是 这 类 方 法 通 常 较 为 复 杂, 应 用 于 大 数 据 图 像 效 率 很 低, 因 此, 对 于 实 际 的 血 管 图 像 分 割, 它 并 不 是 经 常 采 用 的 方 法 基 于 模 式 识 别 的 方 法 采 用 一 定 的 技 术 手 段 自 动 提 取 血 管 结 构 和 特 征, 这 些 技 术 有 匹 配 滤 波 方 法 基 于 骨 架 的 方 法 基 于 脊 的 方 法 微 分 几 何 方 法 区 域 增 长 方 法 多 尺 度 方 法 和 数 学 形 态 学 方 法 等 等 以 数 学 形 态 学 方 法 为 例, 数 学 形 态 学 图 像 处 理 的 基 本 思 想 是 利 用 结 构 元 素 收 集 图 像 的 信 息, 通 过 定 义 不 同 的 形 态 学 算 子, 并 将 其 作 用 于 图 像 来 达 到 强 调 或 削 弱 特 定 图 像 元 素 的 目 的 Zana 和 Klein [5] 最 早 提 出 了 从 血 管 影 像 中 分 割 血 管 的 形 态 学 方 法, 它 使 用 一 个 几 何 模 型 来 区 别 所 有 可 能 影 响 血 管 的 不 期 望 的 模 式 在 医 学 图 像 分 割 中,Top-hat 运 算 和 分 水 岭 算 法 是 最 常 用 的 形 态 学 运 算 Eiho 和 Qian [6] 利 用 数 学 形 态 学 方 法 来 提 取 造 影 图 像 中 的 冠 状 动 脉, 他 们 在 利 用 Top-hat 运 算 来 强 化 血 管 结 构 的 基 础 上, 采 用 腐 蚀 操 作 滤 去 图 像 中 的 噪 声, 通 过 区 域 增 加 的 方 法 来 提 取 整 个 血 管 树 结 构 在 这 个 过 程 中, 区 域 种 子 点 的 选 择 是 人 工 进 行 的 Thackery 和 Nelson [7] 提 出 了 一 种 使 用 成 组 的 结 构 元 素 来 描 述 血 管 结 构 的 方 法, 他 们 选 取 了 8 个 不 同 方 向 的 结 构 元 素, 用 来 提 取 小 鼠 毛 细 血 管 的 分 支, 但 是 这 种 方 法 在 血 管 分 [8] 支 部 位 的 提 取 上 会 遇 到 问 题 周 密 等 将 这 种 结 构 元 素 从 二 维 扩 展 到 三 维, 在 三 维 空 间 中 选 取 了 不 同
814 生 命 科 学 第 25 卷 方 向 上 的 36 个 结 构 元 素, 提 取 出 小 鼠 新 生 肿 瘤 血 管 的 分 支 图 2 展 示 了 周 密 等 提 取 出 的 血 管 骨 架 基 于 人 工 智 能 的 方 法 利 用 知 识 去 引 导 分 割 过 程 和 描 绘 血 管 形 状 基 于 知 识 的 系 统 把 解 剖 结 构 作 为 先 验 知 识, 它 的 优 点 是 有 很 好 的 精 度, 缺 点 是 计 算 过 程 复 杂 Smets 等 [9] 把 关 于 血 管 表 面 的 知 识 用 高 强 度 的 中 轴 线 由 平 行 边 缘 组 成 的 高 强 度 区 域 边 界 等 11 条 规 则 表 示 出 来 Stansfield [10] 用 基 于 解 剖 学 的 知 识 解 释 心 脏 血 管 造 影, 提 出 了 一 种 叫 做 ANGY 的 基 于 规 则 的 专 家 系 统, 它 能 够 从 DSA 图 像 中 分 割 血 管, 但 不 能 把 这 些 单 元 组 成 一 个 完 整 的 血 管 结 构 基 于 跟 踪 的 方 法 是 从 已 知 血 管 部 分 图 像 的 边 界 上 的 一 个 像 素 点 出 发, 依 次 搜 索 并 且 连 接 相 邻 边 界 点, 从 而 逐 步 检 测 出 整 个 血 管 边 界 或 者 中 轴 线 这 种 方 法 的 优 点 在 于 可 以 较 好 地 克 服 噪 声 造 成 的 边 缘 点 之 间 的 不 连 续 性, 缺 点 在 于 需 要 借 助 一 定 的 先 验 知 识, 人 为 地 确 定 分 割 起 点, 而 且 计 算 也 比 较 复 杂 在 这 方 面 近 年 来 也 衍 生 出 了 很 多 算 法 :Aylward 和 Bullitt [11] 以 及 Aylward 等 [12] 像 中 管 状 结 构 的 中 心 线 ;Park 等 利 用 灰 度 脊 粗 略 估 计 图 [13] 使 用 了 一 种 改 进 的 追 踪 方 法 从 DSA 图 像 上 实 现 了 细 小 血 管 结 构 的 分 割, 他 们 使 用 了 最 大 似 然 估 计 法 来 寻 找 相 邻 边 界 像 素, 在 分 割 前 使 用 中 值 滤 波 来 提 高 图 像 的 质 量 ; Haris 等 [14] 使 用 跟 踪 的 方 法 成 功 从 血 管 造 影 图 中 提 取 到 了 冠 状 动 脉 由 于 血 管 是 管 状 结 构, 还 有 一 些 用 于 提 取 管 状 结 构 方 法 可 以 用 来 分 割 血 管, 这 些 方 法 包 括 利 用 Hough 变 换 检 测 边 界 提 取 航 空 图 像 上 道 路 的 带 状 蛇 形 模 型 结 合 轮 廓 和 阴 影 的 广 义 圆 柱 模 型 概 率 图 与 图 分 割 算 法 结 合 结 合 宏 观 几 何 特 性 与 动 态 规 划 等, 在 这 里 就 不 再 一 一 叙 述 得 到 了 准 确 的 分 割 图 像 之 后 就 可 以 进 一 步 通 过 距 离 变 换 [15] 细 化 [16] 动 态 跟 踪 [17-18] 等 方 法 得 到 血 管 网 络 的 中 心 线, 方 便 下 一 步 的 定 量 分 析 2 血 管 的 定 量 指 标 血 管 定 量 指 标 的 选 取 决 定 着 血 管 定 量 分 析 结 果 的 意 义 很 多 心 血 管 疾 病 在 表 现 出 临 床 症 状 之 前, 往 往 会 在 血 管 的 分 布 和 形 态 结 构 上 发 生 改 变, 如 眼 底 视 网 膜 病 变 会 导 致 其 视 网 膜 血 管 的 形 态 发 生 明 显 改 变, 肿 瘤 在 各 个 生 长 时 期 其 新 生 血 管 的 分 布 和 数 量 也 显 著 异 于 周 围 正 常 血 管 血 管 定 量 指 标 可 以 将 血 管 的 空 间 分 布 和 形 态 结 构 特 征, 以 数 值 的 方 式 体 现 出 来, 而 异 常 的 血 管 网 络 往 往 在 这 些 指 标 的 计 算 结 果 上 与 正 常 的 血 管 网 络 存 在 着 明 显 的 差 异, 所 以 可 以 藉 由 这 些 指 标 评 估 血 管 网 络 的 病 变 程 度, 从 而 达 到 一 些 疾 病 的 提 前 发 现 和 诊 断 的 目 的 血 管 定 量 指 标 的 种 类 很 多, 目 前 常 用 的 可 以 分 为 以 下 几 大 类 ( 表 1) 2.1 血 管 数 目 类 在 血 管 定 量 分 析 的 过 程 中, 往 往 会 定 义 节 点 (node) 和 终 点 (endpoint) 所 谓 节 点, 就 是 在 血 管 中 心 线 上 两 条 线 交 汇 ( 或 者 分 开 ) 的 点 ; 所 A~C 分 别 为 肝 脏 部 位 原 始 图 像 分 割 后 图 像 血 管 骨 架 ;D~F 分 别 为 肿 瘤 原 始 图 像 分 割 后 图 像 血 管 骨 架 [8] 图 2 肝 脏 血 管 和 肿 瘤 血 管 的 分 割 提 取 结 果
第 8 期 彭 浩 杰, 等 : 血 管 网 络 定 量 分 析 研 究 进 展 815 指 标 类 别 血 管 数 目 类 血 管 管 径 类 血 管 密 度 类 血 管 形 态 类 表 1 血 管 定 量 指 标 小 结 包 含 的 定 量 指 标 血 管 长 度 血 管 分 支 数 血 管 节 点 数 血 管 体 积 等 血 管 平 均 半 径 血 管 截 面 积 等 微 血 管 密 度 等 血 管 卷 曲 度 分 叉 角 分 支 幂 数 分 形 维 度 等 谓 终 点, 就 是 血 管 中 心 线 上 沿 血 管 方 向 的 最 后 一 个 点 节 点 与 节 点 之 间 或 者 节 点 与 终 点 之 间 被 看 作 是 一 段 血 管 对 于 一 个 给 定 的 血 管 网 络, 首 先 关 心 的 就 是 血 管 的 数 目 信 息, 包 括 其 中 血 管 的 长 度 血 管 分 支 的 数 量 血 管 的 体 积 等 在 实 际 应 用 中, 血 管 长 度 常 用 血 管 总 长 度 (total vessel length) 血 管 平 均 长 度 (average vessel length) 等 指 标 表 征, 血 管 的 分 支 点 数 目 通 过 血 管 分 支 数 (number of junctions) 血 管 节 点 数 (number of nodes, 在 一 些 文 献 中 也 被 称 为 血 管 连 接 数 ) 两 个 指 标 来 反 映 血 管 分 支 的 数 量 通 过 血 管 分 支 数 和 血 管 节 点 数 这 两 个 指 标 来 反 映 血 管 的 体 积 (total volume of vessels) 通 过 统 计 区 域 内 血 管 部 分 的 像 素 值 得 到 2.2 血 管 管 径 类 血 管 的 管 径 可 以 反 映 出 血 管 的 发 育 程 度 主 干 血 管 的 生 长 方 向 等 信 息, 所 以 也 成 为 一 种 常 用 的 定 量 指 标 血 管 的 管 径 可 以 用 平 均 半 径 (average radius) 最 大 / 最 小 半 径 平 均 截 面 积 (average area) 半 径 变 化 率 截 面 积 变 化 率 等 指 标 来 表 征 在 一 般 的 处 理 过 程 中, 认 为 血 管 管 腔 截 面 为 圆 形, 所 以 在 血 管 中 心 线 上 的 像 素 点 到 血 管 壁 的 距 离 就 被 认 为 是 该 点 处 的 血 管 截 面 半 径 在 许 多 文 献 中, 血 管 的 管 径 都 是 最 主 要 使 用 的 定 量 指 标 如 果 根 据 血 管 的 管 径 为 血 管 图 像 着 以 伪 彩 色, 那 么 就 可 以 更 加 清 晰 明 了 地 显 示 出 血 管 管 径 在 整 个 血 管 网 络 中 的 分 布 情 况 2.3 血 管 密 度 类 前 面 两 类 指 标 反 映 的 都 是 血 管 的 绝 对 数 量, 如 果 将 这 些 指 标 与 图 像 的 面 积 ( 二 维 血 管 图 像 ) 或 者 空 间 体 积 ( 三 维 血 管 图 像 ) 联 合 起 来 就 可 以 得 到 单 位 面 积 或 者 单 位 体 积 内 的 血 管 分 布, 也 就 是 在 很 多 文 献 中 提 到 的 血 管 密 度 血 管 密 度 的 定 义 为 某 区 域 内 的 血 管 绝 对 数 量, 可 以 用 上 面 提 到 的 血 管 数 目 类 指 标 来 进 行 表 征, 这 样 得 到 的 血 管 密 度 实 际 上 反 映 的 是 血 管 在 空 间 区 域 内 的 密 集 程 度, 通 过 分 析 该 区 域 内 血 管 的 密 度 情 况 可 以 量 化 地 反 映 出 血 管 的 整 体 分 布 趋 势 同 时, 对 比 正 常 部 位 的 血 管 密 度 分 布, 可 以 比 较 明 显 地 看 出 其 病 变 的 部 位 和 程 度 2.4 血 管 卷 曲 度 当 血 管 发 生 病 变 的 时 候, 除 了 会 反 映 在 血 管 的 整 体 分 布 上, 也 会 反 映 在 血 管 的 细 微 结 构 上, 其 中 最 突 出 的 就 是 血 管 的 生 长 方 向 正 常 情 况 下, 血 管 的 形 态 是 平 滑 的, 但 在 病 变 的 血 管 网 络 中 ( 比 如 新 生 肿 瘤 血 管 眼 底 病 变 血 管 ), 血 管 的 生 长 方 向 会 出 现 大 量 异 常 的 扭 曲, 这 种 情 况 在 许 多 文 献 中 被 称 为 血 管 的 卷 曲 (tortuosity) 对 血 管 卷 曲 程 度 的 量 化 分 析 很 大 程 度 上 依 赖 于 微 小 血 管 结 构 的 精 确 成 像, 而 限 于 成 像 手 段 的 分 辨 率, 早 期 在 这 方 面 的 研 究 很 少 近 年 来, 随 着 MRA Micro-CT 等 技 术 的 发 展 和 同 步 辐 射 光 源 在 医 学 成 像 上 的 应 用, 血 管 的 细 微 结 构 成 像 效 果 大 大 加 强, 越 来 越 多 的 研 究 者 转 向 了 对 血 管 形 态 结 构 的 研 究, 血 管 的 卷 曲 是 其 中 的 一 个 热 点 早 期 针 对 血 管 卷 曲 程 度 的 定 量 分 析 大 多 使 用 二 维 图 像 ( 如 人 眼 视 网 膜 血 管 图 像 ), 思 路 都 是 将 血 管 的 形 态 与 直 线 进 行 对 比 经 典 的 指 标 为 distance metric(dm) [19-22], 它 定 义 为 某 条 血 管 的 实 际 长 度 与 连 接 该 条 血 管 起 点 和 终 点 形 成 的 线 段 长 度 的 比 值 Capowski 等 [23] Smedby 等 [19] Hart 等 [24] 分 别 对 DM 进 行 了 一 些 扩 展 和 改 进, 试 图 提 高 DM 在 复 杂 血 管 网 络 中 的 有 效 性 和 准 确 度 Bullitt 等 [25] 在 DM 的 基 础 上 扩 展 了 血 管 卷 曲 的 表 征 形 式, 并 且 将 血 管 定 量 分 析 的 工 作 从 二 维 图 像 扩 展 到 三 维 图 像 他 们 提 出 了 Inflection Count Metric (ICM) 和 Sum of Angles Metric (SOAM) 两 种 新 的 定 量 指 标, 前 者 通 过 用 DM 值 除 以 该 段 血 管 上 拐 点 (inflection point) 数 目 的 方 法 来 修 正 DM 值, 使 其 对 低 变 化 频 率 大 变 化 幅 度 和 高 变 化 频 率 小 变 化 幅 度 两 类 血 管 有 更 好 的 辨 识 度 ; 后 者 则 用 血 管 中 心 路 径 上 血 管 角 度 变 化 值 的 总 和 除 以 血 管 的 长 度, 是 用 角 度 来 表 征 血 管 卷 曲 程 度 的 崭 新 指 标 2.5 其 他 指 标 除 去 以 上 提 到 的 几 类 指 标 以 外, 还 有 其 他 一 些 基 于 血 管 树 形 结 构 的 形 态 学 指 标 基 于 默 里 定 律
816 生 命 科 学 第 25 卷 (Murray s law), 即 在 一 个 最 佳 循 环 网 络 中, 大 血 管 半 径 的 立 方 大 约 等 于 小 血 管 半 径 的 立 方 的 总 和, 提 出 的 分 支 幂 数 (junctional exponent) 以 及 血 管 分 叉 角 (vascular bifurcation angles) 等 [26-27] 可 以 用 于 评 价 血 管 分 支 的 健 康 状 况 分 形 维 度 (fractal dimension) [28-29] 描 述 分 形 物 体 对 其 所 在 空 间 填 充 的 程 度, 在 许 多 时 候 也 可 以 用 来 表 征 血 管 在 空 间 中 的 分 布 状 况 此 外, 在 血 流 动 力 学 和 生 理 学 方 面 还 有 一 些 指 标, 如 血 流 速 度 血 氧 饱 和 度 等, 但 这 些 数 据 的 获 得 需 要 借 助 其 他 的 生 化 检 测 手 段, 所 以 此 处 暂 时 不 予 讨 论 3 血 管 定 量 分 析 的 进 展 情 况 血 管 定 量 分 析 从 20 世 纪 80 年 代 开 始 发 展 至 今 经 历 了 从 二 维 到 三 维, 从 单 一 成 像 模 态 定 量 到 多 种 成 像 模 态 定 量 的 发 展 过 程 从 普 通 照 相 术 DSA 二 维 图 像 到 目 前 的 MRA Micro-CT 三 维 图 像, 血 管 定 量 分 析 的 基 本 流 程 都 是 相 似 的, 形 成 了 一 套 相 对 完 备 的 血 管 定 量 分 析 方 法 近 年 来, 同 步 辐 射 成 像 手 段 的 出 现 为 血 管 定 量 分 析 带 来 了 大 量 高 分 辨 率 的 研 究 素 材, 大 多 数 在 MRA Micro-CT 领 域 的 定 量 分 析 方 法 指 标 只 需 要 稍 加 修 正 就 可 以 在 同 步 辐 射 领 域 取 得 不 错 的 效 果 早 期 血 管 定 量 分 析 研 究 主 要 集 中 在 视 网 膜 血 管 方 面, 由 于 视 网 膜 血 管 肉 眼 直 接 可 见, 所 以 只 需 用 普 通 相 机 就 可 记 录 下 血 管 网 络 的 图 像 不 少 研 究 者 已 经 通 过 定 量 分 析 眼 底 数 据, 得 到 了 相 对 准 确 的 血 管 病 变 信 息 近 年 来, 许 多 研 究 者 将 焦 点 锁 定 在 通 过 研 究 视 网 膜 微 血 管 形 态 学 的 变 化 来 预 测 视 网 膜 病 变 的 发 生 Wilson 等 [30] 研 究 了 早 产 新 生 儿 视 网 膜 血 管 的 形 态 特 征, 试 图 找 出 不 同 视 网 膜 视 病 变 程 度 下 形 态 学 的 改 变 过 程 图 3 展 示 了 他 们 的 一 些 成 果 他 们 采 用 血 管 的 卷 曲 度 (tortuosity) 和 血 管 的 宽 度 ( 直 径 ) 作 为 评 价 血 管 形 态 的 量 化 指 标, 而 针 对 血 管 的 卷 曲 度, 他 们 使 用 了 14 种 不 同 的 计 算 方 法, 并 且 通 过 10 个 实 际 的 早 产 儿 视 网 膜 病 变 病 例 的 实 A: 分 割 后 的 视 网 膜 血 管 ;B: 用 自 动 分 析 的 方 法 得 出 的 卷 曲 度 ;C:5 位 眼 科 医 生 人 工 测 定 结 果 的 平 均 值 ;D: 使 用 14 种 计 算 方 法 之 一 计 算 出 的 卷 曲 度 [30] 图 3 对 早 产 新 生 儿 视 网 膜 血 管 卷 曲 度 的 部 分 研 究 成 果
第 8 期 彭 浩 杰, 等 : 血 管 网 络 定 量 分 析 研 究 进 展 817 验, 比 较 得 出 了 其 中 最 能 反 映 出 病 变 血 管 形 态 差 异 的 计 算 方 法 之 后,Kandasamy 等 [31] 研 究 了 足 月 新 生 儿 的 视 网 膜 微 血 管 形 态, 通 过 对 比 20 例 足 月 新 生 儿 视 网 膜 动 静 脉 的 直 径 和 动 静 脉 比 例, 发 现 随 着 婴 儿 的 发 育, 两 者 比 例 均 有 增 大 且 与 性 别 无 关 近 年 来, 视 网 膜 血 管 实 时 造 影 实 时 分 析 成 为 发 展 的 新 热 点 血 管 定 量 分 析 的 发 展 在 很 大 程 度 上 依 赖 于 成 像 手 段 的 进 步, 近 年 来, 通 过 各 种 成 像 手 段 得 到 的 大 量 高 分 辨 率 血 管 图 像 使 得 血 管 定 量 分 析 有 了 更 加 深 入 的 应 用 一 方 面, 传 统 的 血 管 指 标, 如 血 管 密 度 分 支 数 节 点 数 等 在 判 定 视 网 膜 病 变 等 方 面 依 然 占 有 重 要 的 地 位, 而 且 得 益 于 成 像 手 段 分 辨 率 的 提 高, 这 些 指 标 的 精 确 度 和 可 信 度 都 有 了 很 大 的 提 高 ; 另 一 方 面, 针 对 通 过 MRA Micro-CT 同 步 辐 射 成 像 等 新 手 段 得 到 的 血 管 图 像 的 定 量 分 析 也 有 了 很 大 发 展 MRA 是 目 前 临 床 上 使 用 最 为 广 泛 的 血 管 造 影 技 术, 它 不 仅 是 对 血 管 腔 内 结 构 的 简 单 描 述, 更 反 映 了 血 流 方 式 和 速 度 的 血 管 功 能 方 面 的 信 息 相 比 于 视 网 膜 血 管 的 定 量 分 析,MRA 血 管 图 像 的 定 量 工 作 的 难 点 在 于 需 要 将 原 本 在 二 维 图 像 上 使 用 的 方 法 扩 展 至 三 维 领 域 在 MRA 血 管 定 量 分 析 方 面, Bulitt 等 [32] 进 行 了 大 量 的 工 作, 他 们 第 一 次 提 出 了 基 于 MRA 图 像 的 血 管 三 维 卷 曲 度 分 析 方 法, 并 且 使 用 SOAM ICM 等 全 新 的 卷 曲 度 表 征 指 标 对 30 例 脑 肿 瘤 患 者 的 脑 部 MRA 血 管 图 像 进 行 验 证, 通 过 定 义 肿 瘤 的 恶 性 度 可 能 性 (probability of malignancy), 量 化 地 评 估 了 这 些 肿 瘤 样 本 的 恶 性 程 度, 结 果 表 明, 量 化 后 得 到 的 结 论 与 临 床 实 际 诊 断 后 的 结 论 相 吻 合 图 4 是 他 们 所 搜 集 到 的 恶 性 肿 瘤 和 良 性 肿 瘤 的 对 比, 表 2 则 展 示 了 他 们 对 这 30 例 肿 瘤 A: 恶 性 肿 瘤 区 域 及 区 域 内 的 血 管 ;B: 良 性 肿 瘤 区 域 及 区 域 内 的 血 管 可 以 看 出 恶 性 肿 瘤 区 域 的 血 管 卷 曲 频 率 高, 良 性 肿 瘤 区 域 的 血 管 相 对 平 滑 [32] 图 4 同 一 位 脑 肿 瘤 患 者 的 肿 瘤 对 比 图 患 者 血 管 定 量 工 作 的 结 果 Micro-CT 因 为 高 于 传 统 CT 的 分 辨 率, 在 小 动 物 结 构 成 像 中 被 广 泛 应 用, 近 年 来 也 有 大 量 的 学 者 对 常 规 光 源 Micro-CT 血 管 图 像 的 定 量 分 析 进 行 了 研 究 Vasquz 等 [33] 使 用 Mircro-CT 对 注 射 了 造 影 剂 Microfil 的 小 鼠 肺 大 脑 心 脏 和 肾 脏 成 像, 获 得 了 最 小 直 径 50 μm 的 血 管 图 像, 并 进 一 步 分 析 了 在 这 些 组 织 中 血 管 的 直 径 的 分 布 变 化 情 况 Zhou 等 [34] 使 用 Micro-CT 采 集 正 常 小 鼠 肝 脏 和 离 体 乳 腺 癌 的 血 管 图 像, 使 用 血 管 密 度 节 点 数 分 支 数 卷 曲 度 等 指 标 对 比 了 两 者 在 血 管 分 布 和 血 管 形 态 上 的 差 异, 实 现 了 对 尺 寸 更 小 结 构 更 精 细 的 肿 瘤 血 管 的 定 量 分 析, 为 实 现 肿 瘤 的 早 期 诊 断 和 药 物 治 疗 的 效 果 追 踪 提 供 重 要 依 据 Hu 等 [35] 使 用 GE 公 司 Micro-CT 设 备, 在 实 现 了 小 鼠 脊 柱 微 血 管 三 维 成 像 的 基 础 上, 对 受 损 脊 柱 和 正 常 脊 柱 的 血 管 网 络 进 行 了 定 量 化 的 分 析, 动 态 地 观 察 到 小 鼠 脊 柱 损 伤 前 后, 髓 区 血 管 密 度 的 逐 步 增 加 这 一 自 我 修 复 过 程, 为 研 究 人 脊 柱 损 伤 和 修 复 的 机 理 奠 定 了 基 础 同 步 辐 射 光 源 则 是 近 年 来 研 究 的 热 点, 其 准 相 干 性 高 分 辨 率 高 亮 度 等 的 特 点 进 一 步 提 高 了 CT Micro-CT 的 成 像 分 辨 率, 可 以 让 研 究 者 获 得 直 径 小 于 10 μm 的 微 血 管 的 清 晰 图 像, 因 而 大 量 的 研 究 者 开 始 使 用 同 步 辐 射 光 源 作 为 成 像 光 源, 进 行 诸 如 X 射 线 投 影 CT 成 像 的 尝 试, 获 得 了 大 量 可 用 的 动 物 和 人 体 组 织 数 据, 并 对 这 一 领 域 的 血 管 定 [36] 量 分 析 进 行 研 究 Eppel 等 利 用 日 本 同 步 辐 射 装 置 (SPring-8) 研 究 了 在 体 小 鼠 肾 脏 微 血 管 的 对 比 造 影 技 术 研 究 中, 他 们 使 用 实 时 血 管 对 比 造 影 的 方 法, 通 过 连 续 观 察 血 管 紧 张 素 II 和 肾 神 经 电 刺 激 对 肾 脏 微 血 管 的 形 态 和 血 流 动 力 学 影 响 ( 图 5), 发 现 肾 脏 部 位 的 血 管 直 径 主 要 受 血 管 紧 张 素 II 和 肾 神 经
818 生 命 科 学 第 25 卷 [32] 表 2 30 例 脑 肿 瘤 患 者 的 血 管 定 量 及 恶 性 度 判 定 结 果 ID VC AVRAD SOAM ICM MP RT DX Malignant 1 2.1 5.4 2.3 0.9 95 N GBM Y 2 5.0 1.9 4.7 0.7 100 N GBM Y 3 9.1 1.1 2.8 0.4 96 N GBM Y 4 0.2 1.6 2.7 0.9 97 N GBM Y 5 3.4 4.5 7.6 0.2 100 N GBM Y 6 0.6 6.3 1.8 2.4 95 N Glioma III Y 7 (23) 6.2 5.4 6.2 0.4 100 Y Melanoma Y 8 4.0 10.9 2.3 0.4 90 N Glioma III Y 9 5.5 2.6 3.2 0.5 96 N GBM Y 10 0.8 1.8 3.5 0.2 98 N Pinealoblastoma Y 11 3.1 2.8 4.1 0.5 100 N GBM Y 12 0.4 4.3 3.1 0.2 98 N GBM Y 13 (14) 1.8 12.2 1.9 0.8 88 N Melanoma Y 14 (13) 3.7 0.7 2.7 0.2 93 N Melanoma Y 15 0.5 1.1 4.7 0.6 100 Y RadNec/GBM Y 16 4.0 0.6 2.6 4.9 97 Y Lymphoma Y 17 2.8 0.1 3.9 2.6 99 N Breast Y 18 0.2 1.8 2.6 2.0 60 Y RadNec/GBM Y 19 2.7 0.4 4.5 2.5 100 N Lung Y 20 5.2 0.7 0.3 0.1 11 N Renal Y 21 3.3 3.4 1.9 0.2 69 N Lung Y 22 2.9 0.8 2.0 0.3 73 N Lung 23 (7) 1.9 2.9 0.6 1.7 0 Y Rad Nec N 24 1.2 5.5 0.4 1.5 0 N Pituitary N 25 2.7 4.6 0.5 0.6 1 Y Rad Nec N 26 0.5 1.2 0.8 1.4 0 Y Rad Nec N 27 (28) 0.1 1.0 0 0.1 7 N Infection N 28 (27) 1.5 0.5 1.4 0.4 40 N Infection N 29 1.7 0.9 1.4 1.6 0 N Myelinolysis N 30 14.5 0 0.3 1.2 13 N Hemangioblastoma N ID: 病 例 序 号 ;VC: 标 准 化 后 的 血 管 数 目 ;AVRAD: 标 准 化 后 ;SOAM 和 ICM: 定 义 的 血 管 卷 曲 度 指 标 ;MP: 计 算 得 出 的 肿 瘤 恶 性 可 能 性, 该 值 大 于 50 说 明 肿 瘤 为 恶 性 的 可 能 性 很 高 ;RT: 是 否 接 受 过 头 部 放 疗 ;DX: 最 终 病 理 学 诊 断 结 果 ; Malignant: 肿 瘤 是 否 为 恶 性 电 刺 激 的 影 响 向 秋 静 等 [37] 依 托 上 海 光 源, 利 用 同 步 辐 射 成 像 技 术, 探 究 了 不 同 时 期 肿 瘤 新 生 血 管 形 态 结 构 的 定 量 方 法 图 6 展 示 了 他 们 采 集 到 的 不 同 生 长 时 期 的 肿 瘤 血 管 图 像 他 们 利 用 同 步 辐 射 光 源 Micro-CT 造 影 成 像 获 取 立 体 乳 腺 癌 瘤 内 血 管 网 络, 采 用 设 计 的 分 块 加 载 双 阈 值 分 割 方 法 提 取 到 瘤 内 血 管, 结 合 体 绘 制 结 果 采 用 微 血 管 密 度 (microvessel density, MVD) 和 分 形 维 度 (fractal dimension, FD) 两 个 定 量 指 标, 对 随 时 间 生 长 的 肿 瘤 微 血 管 网 络 变 化 进 行 了 初 步 分 析 图 7 是 他 们 对 采 集 到 的 各 时 期 肿 瘤 血 管 的 定 量 结 果, 通 过 这 两 种 指 标 的 计 算 表 明, 不 同 生 长 时 间 肿 瘤 微 血 管 网 络 的 复 杂 度 呈 现 出 先 增 大 后 减 小 的 变 化 趋 势, 体 现 出 肿 瘤 从 增 长 到 退 化 的 一 个 生 长 周 期 同 时, 他 们 还 注 意 到 这 两 种 指 标 的 变 化 趋 势 虽 然 类 似, 但 是 依 然 各 有 特 点, 微 血 管 密 度 可 以 反 映 出 肿 瘤 血 管 数 量 的 变 化 情 况, 分 形 维 度 可 以 进 一 步 描 述 不 同 尺 寸 下 密 度 分 布 的 相 似 性 这 表 明 单 一 的 指 标 无 法 对 肿 瘤 内 复 杂 的 血 管 分 布 情 况 进 行 完 全 的 说 明, 使 用 多 个 指 标 进 行 综 合 评 定 才 能 更 加 全 面 地 理 解 肿 瘤 新 生 血 管 对 于 肿 瘤 生 长 的 重 要 意 义 Müller 等 [38] 在 欧 洲 光 源 (ESFR) 使 用 同 步 辐 射 显 微 CT 造 影 技 术 获 得 了 小 鼠 肿 瘤 组 织 和 正 常 组 织 的 投 影 数 据, 通 过 相 位 恢 复 重 建 得 到 其 三 维 图 像, 并 且 分 析 了 二 者 在 直 径 长 度 卷 曲 度 方 面 的 差 异 表 3 是 他 们 对 正 常 组 织 和 肿 瘤 组 织 定 量 分 析 的 结 果 文 章 中 也 提 到, 基 于 同 步 辐 射 光 源 获 得 的 图 像 分 辨
第 8 期 彭 浩 杰, 等 : 血 管 网 络 定 量 分 析 研 究 进 展 819 A C E: 原 始 形 态 ;B D F 分 别 为 注 射 生 理 盐 水 血 管 紧 张 素 Ⅱ 和 接 受 神 经 电 刺 激 后 的 图 像 图 像 均 经 过 了 高 斯 滤 波 去 除 噪 声 [36] 图 5 肾 脏 微 血 管 接 受 生 理 盐 水 血 管 紧 张 素 II 和 神 经 电 刺 激 前 后 的 变 化 A~E 分 别 为 20 d 25 d 30 d 35 d 和 40 d 时 的 肿 瘤 内 微 血 管 形 态 [37] 图 6 随 时 间 增 长 瘤 内 微 血 管 的 形 态 变 化 左 图 : 微 血 管 密 度 的 统 计 结 果 ; 右 图 为 分 形 维 度 的 统 计 结 果 [37] 图 7 不 同 生 长 时 间 不 同 分 区 的 肿 瘤 血 管 定 量 统 计 结 果
820 生 命 科 学 第 25 卷 [38] 表 3 正 常 组 织 和 肿 瘤 组 织 血 管 定 量 结 果 Mean Vessel Tortuosity γ BIF [deg] Vessel volume fraction Mean void diameter length DM SOAM 3D[%] 2D[%] distance [μm] [μm] [rad/μm] x y z [μm] Cast, healthy 9.0 ± 1.7 15 1.3 0.10 ± 0.17 114 ± 30 7 5 6 7 68.6 ± 2.1 (absorption μct) 5.3 ± 0.1 31 1.3 0.10 ± 0.18 116 ± 27 4 4 4 4 71.7 ± 1.2 0.7 ± 7.3 23 1.2 0.23 ± 0.18 115 ± 25 19 12 12 20 42.2 ± 1.9 Cast, tumor 4.0 ± 0.7 20 1.2 0.30 ± 0.20 119 ± 29 7 12 6 6 46.2 ± 2.3 (absorption μct) 3.0 ± 1.1 13 1.4 0.28 ± 0.24 114 ± 32 3 2 2 3 43.8 ± 1.4 3.7 ± 1.0 14 1.3 0.30 ± 0.22 115 ± 29 8 8 13 9 86.1 ± 2.1 Tumor in PFA 4.8 ± 1.9 12 1.3 0.21 ± 0.27 112 ± 31 2 4 3 4 60.1 ± 2.4 (phase μct) 2.0 ± 2.5 9 1.1 0.23 ± 0.35 107 ± 33 5 3 3 5 76.8 ± 0.8 6.1 ± 2.6 11 1.3 0.14 ± 0.30 112 ± 33 3 3 2 2 95.1 ± 0.2 对 比 肿 瘤 组 织 的 图 像 使 用 吸 收 成 像 和 相 位 恢 复 成 像 两 种 成 像 方 式 率 太 高, 不 可 避 免 地 会 带 来 比 过 去 更 多 的 噪 声, 因 而 现 有 的 分 割 去 噪 算 法 还 需 要 进 行 针 对 性 的 改 进 5 未 来 发 展 方 向 从 目 前 血 管 定 量 分 析 工 作 的 现 状 来 看, 血 管 分 割 提 取 的 技 术 都 已 经 比 较 成 熟, 限 制 血 管 图 像 质 量 的 因 素 主 要 是 成 像 方 法 本 身 同 步 辐 射 光 源 作 为 一 种 新 的 优 良 光 源, 已 经 逐 步 成 为 研 究 的 热 点 和 重 点 近 年 来, 基 于 同 步 辐 射 光 源 的 透 射 CT Micro- CT 成 像 技 术 发 展 迅 速, 现 有 的 定 量 分 析 手 段 不 需 要 进 行 大 的 改 动 就 可 以 直 接 用 于 这 些 高 分 辨 率 数 据 的 分 析, 这 说 明 作 为 一 种 较 为 成 熟 的 工 具, 血 管 定 量 分 析 可 以 很 好 地 应 用 于 未 来 有 关 于 同 步 辐 射 的 研 究 工 作 目 前, 活 体 组 织 的 在 体 实 时 成 像 是 同 步 辐 射 在 医 学 成 像 领 域 最 有 发 展 潜 力 的 方 向, 可 以 预 见, 针 对 在 体 组 织 的 实 时 定 量 分 析 ( 例 如 类 似 Eppel 等 的 研 究 ) 也 必 将 成 为 未 来 定 量 分 析 领 域 的 重 要 方 向 从 定 量 分 析 的 针 对 性 上 看, 围 绕 肿 瘤 展 开 定 量 工 作 依 然 是 研 究 热 点 目 前 有 很 多 研 究 小 组 通 过 对 肿 瘤 新 生 血 管 的 定 量 分 析, 试 图 找 出 量 化 预 测 评 估 肿 瘤 生 长 程 度 的 方 法, 并 以 此 作 为 未 来 临 床 诊 断 的 依 据 预 计 未 来 在 血 管 定 量 分 析 领 域, 会 有 以 下 几 个 方 面 的 新 发 展 : 定 义 新 的 定 量 指 标, 完 善 血 管 定 量 分 析 体 系, 更 加 精 确 地 描 述 血 管 在 细 微 形 态 学 上 的 差 异 和 变 化 ; 在 实 际 应 用 中, 多 种 定 量 指 标 联 合 使 用, 以 达 到 更 好 的 定 量 效 果 ; 针 对 特 定 疾 病 使 用 成 熟 的 定 量 分 析 指 标, 评 估 病 变 血 管 各 阶 段 的 动 态 变 化 情 况, 寻 找 提 早 发 现 这 些 疾 病 的 可 能 性 [ 参 考 文 献 ] [1] Doyle KP, Simon RP, Stenzel-Poore MP. Mechanisms of ischemic brain damage. Neuropharmacology, 2008, 55(3): 310-8 [2] Rank W. Understanding brain arteriovenous malformations. Nursing Critical Care, 2011, 6(4): 36-40 [3] Bock KD, Cauwenberghs S, Carmeliet P. Vessel abnormalization: another hallmark of cancer? Molecular mechanisms and therapeutic implications. Curr Opin Genet Dev, 2011, 21(1): 73-9 [4] Friman O, Hindennach M, Peitgen HO. Template-based multiple hypotheses tracking of small vessels. Biomedical imaging: from Nano to Macro [C]. 5th IEEE IntSympos, 2008: 1047-50 [5] Zana F, Klein JC. Segmentation of vessel-like pattern using mathematical morphology and curvature evaluation. IEEE Trans Image Process, 2001, 10(7): 1010-9 [6] Eiho S, Qian Y. Detection of coronary artery tree using morphological operator. Comput Cardiol, 1997, 24: 525-8 [7] Thackray BD, Nelson AC. Semi-automatic segmentation of vascular network images using a rotating structuring element (ROSE) with mathematical morphology and dual feature thresholding. IEEE Trans Med Imaging, 1993, 12(3): 385-92 [8] 周 密, 谷 圣 美, 赵 俊. 适 用 于 三 维 微 血 管 成 像 的 定 量 分 析 方 法. 北 京 生 物 医 学 工 程, 2013, 32(2): 143-8 [9] Smets C, Verbeeck G, Suetens P, et al. A knowledge-based system for the delineation of blood vessels on subtraction angiograms. Pattern Recog Lett, 1988, 8(2): 113-21 [10] Stansfield SA. ANGY: A rule-based expert system for automatic segmentation of coronary vessels from digital subtracted angiograms. IEEE Trans Pattern Anal Mach Intell, 1986, (2): 188-99 [11] Aylward SR, Bullitt E. Initialization, noise, singularities, and scale in height ridge traversal for tubular object centerline extraction. IEEE Trans Med Imaging, 2002, 21(2): 61-75 [12] Aylward SR, Jomier J, Weeks S, et al. Registration and analysis of vascular images. Int J Comput Vision, 2003, 55(2): 123-38 [13] Park S, Lee J, Koo J, et al. Adaptive tracking algorithm based on direction field using ML estimation in angiogram
第 8 期 彭 浩 杰, 等 : 血 管 网 络 定 量 分 析 研 究 进 展 821 [C]. IEEE Conference on Speech and Image Technologies for Computing and Telecommunications, 1997, 2: 671-5 [14] Haris K, Efstratiadis SN, Maglaveras N, et al. Automated coronary artey extraction using watersheds. Comput Cardiol, 1997, 24: 741-4 [15] Blum H. A transformation for extracting new descriptors of shape [M]// In: Wathen-Dunn W (ed). Models for the perception of speech and visual forms. Amsterdam: MIT Press, 1967: 362-80 [16] Palagyi K, Kuba A. A 3D 6-subiteration thinning algorithm for extracting medial lines. Pattern Recog Lett, 1998, 19(7): 613-27 [17] Frangi A, Niessen W, Vincken K, et al. Multiscale vessel enhancement filtering: Medical Image Computing and Computer-Assisted Interventation (MICCAI 98). Comput Sci, 1998, 1496: 130-7 [18] Schrijver M. Angiographic image analysis to assess the severity of coronary stenoses [M]. Enschede: Twente University Press, 2002 [19] Smedby O, Hogman N, Nilsson S, et al. Two-dimensional tortuosity of the superficial femoral artery in early atherosclerosis. J Vasc Res, 1993, 30(4): 181-91 [20] Bracher D. Changes in peripapillary tortuosity of the central retinal arteries in newborns. Graefe s Arch Clin Exp Opthalmol, 1982, 218(4): 211-7 [21] Zhou LA, Rzeszotarski MS, Singerman LJ, et al. The detection and quantification of retinopathy using digital angiograms. IEEE Trans Med Imaging, 1994, 13(4): 619-26 [22] Goldbaum MH, Hart WE, Cote BL, et al. Automated measures of retinal blood vessel tortuosity. Invest Opthalmol Vis Sci, 1994, 35(4): 2089 [23] Capowski JJ, Kylstra JA, Freedman SF. A numeric index based on spatial frequency for the tortuosity of retinal vessels and its application to plus disease in retinopathy of prematurity. Retina, 1995, 15(6): 490-500 [24] Hart WE, Goldbaum M, Cote B, et al. Measurement and classification of retinal vascular tortuosity. Int J Med Informatics, 1999, 53(2-3): 239-52 [25] Bullitt E, Gerig G, Pizer S M, et al. Measuring tortuosity of the intracerebral vasculature from MRA images. IEEE Trans Med Imaging, 2003, 22(9): 1163-71 [26] Knudtson M, Lee K, Hubbard L, et al. Revised formulas for summarizing retinal vessel diameters. Curr Eye Res, 2003, 27(3): 143-9 [27] Dhillonb B, Eikelboomf RH, Yogesana K, et al. Retinal image analysis: concepts, applications and potential. Prog Retina Eye Res, 2006, 25(1): 99-127 [28] Baish JS, Jain RK. Fractals and cancer. Cancer Res, 2000, 60(14): 3683-8 [29] Sabo E, Boltenko A, Sova Y, et al. Microscopic analysis and significance of vascular architectural complexity in renal cell carcinoma. Clin Cancer Res, 2001, 7(3): 537-53 [30] Wilson CM, Cocker KD, Moseley MJ, et al. Computerized analysis of retinal vessel width and tortuosity in premature infants. Inves Ophthalmol Vis Sci, 2008, 49(8): 3577-85 [31] K a n d a s a m y Y, S m i t h R, Wr i g h t I M. R e t i n a l microvasculature measurements in full-term newborn infants. Microvasc Res, 2011, 82(3): 381-4 [32] Bullitt E, Zeng D, Gerig G, et al. Vessel tortuosity and brain tumor malignancy: a blinded study. Acad Radiol, 2005, 12(10): 1232-40 [33] Vasquez SX, Gao F, Su F, et al. Optimization of MicroCT imaging and blood vessel diameter quantitation of preclinical specimen vasculature with radiopaque polymer injection medium. PLoS One, 2011, 6(4): e19099 [34] Zhou M, Yuan F, Zhao J. Quantitative analysis of vessel morphology using micro-computed tomography [C]. Proceeding of 4th International Conference on Biomedical Engineering and Informatics, BMEI 2011, Shanghai, China, October 15-17, 2011: 457-61 [35] Hu J, Wu T, Zhang T, et al. Three-dimensional alteration of microvasculature in a rat model of traumatic spinal cord injury. J Neurosci Methods, 2011, 204(1): 150-8 [36] Eppel GA, Jacono DL, Shirai M, et al. Contrast angiography of the rat renal microcirculation in vivo using synchrotron radiation. Am J Physiol Renal Physiol, 2009, 296(5): F1023-31 [37] 向 秋 静, 李 晶, 刘 苹, 等. 基 于 同 步 辐 射 的 不 同 时 期 肿 瘤 新 生 血 管 形 态 结 构 定 量 的 初 步 分 析. 中 国 医 疗 器 械 杂 志, 2012, 36(2): 85-9 [38] Müller B, Lang S, Beckmann F, et al. Comparing the micro-vascular structure of cancerous and healthy tissues [C]//SPIE Optical Engineering+ Applications. International Society for Optics and Photonics, 2012: 850607-10