مدل‌سازي شكل آماري و بخش‌بندي اندوكارديوم بطن چپ در تصاوير تشديد مغناطيسي قلب مبتني بر انطباق نقاط آناتوميكي مختلف

Statistical Shape Modeling and Segmentation of the Left Ventricle Endocardium from CMR Images based on Different Anatomical Landmark Alignments

مدل‌سازي شكل آماري به طور گسترده در كاربردهاي مربوط به تصاوير قلبي مورد استفاده قرار گرفته و مطالعات متعددي با هدف ساخت اين مدل‌ها به طور بهينه انجام شده است. در اين مقاله به ارزيابي مدل‌هاي سه‌بعدي مختلف از اندوكارديوم كه در نتيجه‌ي به كارگيري استراتژي‌هاي متفاوت هم‌راستاسازي پوسته‌ها به وجود آمده پرداخته شده است. با كمك 20 داده‌ي نرمال، سه مدل سه‌بعدي مختلف اندوكارديوم در فاز انتهاي سيستول از طريق روش‌هاي هم‌راستاسازي متفاوت با استفاده از نقاط مركز راس (CoA)، مركز جرم (CoM) و مركز قاعده‌ي (CoB) اندوكارديوم ساخته شده است. آناليز مولفه‌ي اصلي به منظور تشريح اختلافات آماري مدل‌ها انجام شده و كارايي مدل‌ها توسط معيارهاي فشردگي، قابليت تعميم و اختصاصي بودن مورد ارزيابي قرار گرفته است. هم‌چنين فاصله‌ي ‌هاسدرف به عنوان شاخصي جهت بررسي عمل‌كرد هر مدل در كاربرد بخش‌بندي از طريق تكينيك مدل شكل فعال مورد استفاده قرار گرفته است. نتايج به دست آمده بيان‌گر اين است كه مدل مبتني بر CoB نسبت به مدل مبتني بر CoA فشردگي كم‌تر و نسبت به مدل مبتني بر CoM فشردگي بيش‌تري دارد. با اين كه در يك تعداد مد معين، خطاي بازسازي نمونه‌ها در هر سه مدل تقريبا يك‌سان بوده اما هم‌راستاسازي بر مبناي CoB منجر به ساخت مدلي شده كه منحصر به فردتر از دو مدل ديگر است. در نهايت مقايسه‌ي نتايج ‌هاسدرف نشان داده كه بخش‌بندي اندوكارديوم با استفاده از مدل مبتني بر CoB داراي دقت بيش‌تري نسبت به دو مدل ديگر است. آناليز كمي نتايج نشان داده كه تغيير روش هم‌راستاسازي در ساخت مدل شكل آماري موثر بوده به طوري كه ميزان شاخص اختصاصي بودن و دقت بخش‌بندي با استفاده از مدل ساخته شده بر مبناي CoB نسبت به روش مرسوم CoM كاملا بهبود يافته است.

Statistical Shape Modeling is widely used in many applications of cardiac images. Many efforts have been done to generate optimized Statistical Shape Models (SSMs). In this paper, we evaluated three different 3D endocardial models constructed using different alignment procedures. From 20 healthy CMR datasets, three different endocardial models are generated by varying the surface alignment methods means based on the Center of the Apex (CoA), the Center of Mass (CoM), and the Center of the Basal (CoB) of the endocardium. Then Principle Component Analysis (PCA) is applied to show the maximum variation of the SSMs. The constructed statistical models are compared by measuring the compactness, generalization ability, and specificity. Besides, the performance of each model in the 3D endocardial segmentation application using the Active Shape Model (ASM) technique is evaluated by the Hausdorff Distance (HD) criterion. The results indicate that the CoB-based model is less compact than the CoA-based model but more compact than the CoM-based model. Although for a constant number of modes the reconstruction error is approximately the same for all models, surface alignment based on CoB leads to generate a more specific model than the others. The resulted HDs show that the CoB alignment strategy produces the ASM which has the best performance in 3D endocardial segmentation among the other models. The computed results from the quantitative analysis demonstrate that varying alignment strategies affect the quality of the constructed SSM. It is obvious that the specificity and segmentation accuracy of the proposed CoB-based model outperforms the classical CoM-based approach.