電腦斷層心臟冠狀動脈鈣化檢查是一種非侵襲性檢查，檢查後的鈣化分數對心血管疾病診斷具指標意義。本研究提出有別於傳統鈣化分數(Agatston score、volume score及mass score)的新特徵，包含紋理、形狀及灰階值統計特徵，探討其與急性心肌梗塞之關聯性，並將結果與傳統鈣化分數做比較。
急性心肌梗塞病患在分為嫌疑病灶(Culprit lesion)與非嫌疑病灶所在的子區段群組進行paired sign-test下，各群組取其特徵之平均值為代表，灰階值統計特徵histogram relative smoothness之p-value可達4.4658E-07，具相當之顯著性。而傳統鈣化特徵在各項實驗中並未具夠高之顯著性。
另外在病患間的分析方面，高膽固醇症疾病實驗具有良好之結果，在分為高膽固醇症病患與非高膽固醇症病患進行rank-sum test下，各病患取其特徵之平均值為代表，紋理特徵inverse difference moment之p-value可達3.7455E-04。而急性心肌梗塞雖未能在此項目有突出之結果，但加入嫌疑病灶位置的因素後，亦能將紋理特徵average of information measures of correlation之p-value提升至8.8921E-03，灰階值統計特徵Histogram relative Smoothness提升至2.4019E-02。

Detection of coronary calcification from computed tomography scans is a noninvasive examination and has great potential for heart disease diagnosis. This study proposes new features to characterize calcium lesions. Different from the traditional calcium score features, these features are generated from the texture, shape, and gray level statistics of the calcium lesions. We study the correlation between these features and acute myocardial infarction and then compare the results with traditional calcium score features.
According to the location of the lesions, patients are first divided into two groups. In one group, the myocardial infarction is located in segment of culprit lesion. For the second group, myocardial infarction is located in segment of non-culprit lesion. In comparing their means, the corresponding p-value of gray level statistics feature “histogram relative smoothness” could reach 4.47E-07, which has fairly high significance.
Furthermore, in studying the differences among patients, experiment on Hypercholesterolemia provide a good result. By comparing the means of patients which are classified into Hypercholesterolemia and non-Hypercholesterolemia groups, the corresponding p-value of texture feature “inverse difference moment” could reach 3.74E-04. Initially, acute myocardial infarction do not have statistically significant result However, after adding the location weighting factor for the lesions, the corresponding p-value of texture feature “average of information measures of correlation” could be reduced to 8.8921E-03, and p-value of gray level statistics feature “Histogram relative Smoothness” could be improved to 2.4019E-02.

目錄
目錄 I
圖目錄 IV
表目錄 VI
摘要 IX
Abstract X
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 冠狀動脈心臟病(CAD) 2
1.3 冠狀動脈鈣化(CAC) 5
1.4 冠狀動脈心臟病的診斷 7
1.5 電腦斷層掃描診斷 9
1.6 鈣化分數(Calcium score) 10
1.7 研究動機 14
1.8 研究目的 15
1.9 實驗流程 15
第二章 鈣化區塊資料庫及特徵參數的建立 17
2.1 資料收集 17
2.1.1 病患資料結構 17
2.1.2 影像資料 18
2.2 鈣化區塊萃取 20
2.3 區塊特徵萃取 23
2.3.1 紋理特徵 25
2.3.2 形狀特徵 28
2.3.3 灰階值統計特徵 30
第三章 單一病患內之鈣化區塊特徵參數分析 35
3.1 AMI病患之分析 38
3.1.1 IRS區塊群組vs.非IRS區塊群組 38
3.1.2 IRS區塊vs.非IRA區塊 39
3.1.3 IRA區塊vs.非IRA區塊 41
3.1.4 IRS區塊 vs. IRA內非IRS區塊 42
3.2 非AMI病患之分析 43
3.2.1 RS區塊群組vs.非RS區塊群組 43
3.2.2 RS區塊vs.非RA區塊 44
3.2.3 RA區塊vs.非RA區塊 46
3.2.4 RS區塊 vs. RA內非RS區塊 47
3.3 實驗結果討論 48
第四章 病患間之鈣化區塊特徵參數分析 50
4.1 以病患為基本單位之分析 50
4.1.1 AMI與CSA病患間之分析 51
4.1.2 HT與非HT病患間之分析 52
4.1.3 HC與非HC病患間之分析 54
4.1.4 DM與非DM病患間之分析 55
4.2 以區塊為基本單位之分析 57
4.3 依區塊位置加權的AMI與CSA病患間之分析 61
4.4 實驗結果討論 67
第五章 結論 70
參考文獻 72
附錄I 2D灰階共生矩陣 75
附錄II Haralick紋理特徵 79
附錄III 2D與3D計算灰階共生矩陣之位移向量比較 82
附錄IV Sadjadi 2階3D moment invariants 85
附錄V 單一病患內之鈣化區塊特徵參數分析實驗結果 87
附錄VI 病患間之鈣化區塊特徵參數分析實驗結果 109

 
圖目錄
圖1.1 人體心臟及冠狀動脈立體圖示意圖 3
圖1.2 動脈硬化至斑塊產生破裂的歷程 6
圖1.3 左冠狀動脈系統的CT影像，顯示輕微(左)及嚴重(右)鈣化 10
圖1.4 本研究之實驗流程 16
圖2.1 多偵測器螺旋式電腦斷層掃瞄儀(Siemens Sensation 16) 19
圖2.2 重新取樣前後立體像素之間距示意圖 20
圖2.3 冠狀動脈之四大動脈分布圖 22
圖2.4 冠狀動脈之15個子區段分布圖 22
圖2.5 各特徵參數統計單位之涵蓋關係 24
圖2.6 鈣化區塊灰階值之直方圖 31
圖3.1 3.1.1與3.2.1小節的Group 1(紅)及Group 2(藍)所涵蓋之範圍 36
圖3.2 3.1.2與3.2.2小節的Group 1(紅)及Group 2(藍)所涵蓋之範圍 37
圖3.3 3.1.3與3.2.3小節的Group 1(紅)及Group 2(藍)所涵蓋之範圍 37
圖3.4 3.1.4與3.2.4小節的Group 1(紅)及Group 2(藍)所涵蓋之範圍 38
圖4.1 以AMI與CSA分組進行rank-sum test，取前兩個p-value較小之特徵繪製二維分布圖 52
圖4.2以HT與非HT分組進行rank-sum test，取前兩個p-value較小之特徵繪製二維分布圖 53
圖4.3以HC與非HC分組進行rank-sum test，取前兩個p-value較小之特徵繪製二維分布圖 55
圖4.4以DM與非DM分組進行rank-sum test，取前兩個p-value較小之特徵繪製二維分布圖 56
圖4.5 Kolmogorov-Smirnov test得到之最佳單項特徵的ECDF 59
圖4.6 Kolmogorov-Smirnov test得到之最佳單項特徵的ECDF差值 59
圖4.7 Kolmogorov-Smirnov test得到之最佳結合特徵的ECDF 60
圖4.8 Kolmogorov-Smirnov test得到之最佳結合項特徵的ECDF差值 61
圖4.10 對區塊參數以「2-1-0」加權後，再以AMI與CSA分組進行rank-sum test，取特徵average of IMC13mean及average of HistSmooth繪製二維分布圖 64
圖4.11對區塊參數以「2-1-0」加權後，挑選出42名Average HistSmooth較小之AMI病患，再以AMI與CSA分組進行rank-sum test，取特徵average of IMC13range及average of HistSmooth繪製二維分布圖 66
圖I.1 各角度間像素相鄰關係 75
圖I.2 Gray Level Co-occurrence Matrix計算之範例 77
圖III.1 2D計算Co-occurrence Matrix之位移向量於2D平面上的表示 82
圖III.2 3D計算Co-occurrence Matrix之位移向量於3D空間上的表示 84
 
表目錄
表1.1 血管栓塞位置與對應之相關疾病 2
表1.2 冠狀動脈心臟病的危險因子 5
表1.3各鈣化分數區間所被建議的指導方針 11
表2.1 本研究使用之資料病歷統計 18
表2.2 Artery與Segment的從屬關係 21
表2.3 單一病患之特徵參數統計表舉例(每列代表一單一區塊資料) 24
表2.4 本研究使用之26項紋理特徵 27
表2.5 本研究使用之6項形狀特徵 29
表2.6 本研究使用之8項灰階值統計特徵 32
表3.1 單一病患內之鈣化區塊特徵參數分析的組別內容設定 36
表3.2 IRS區塊群組與非IRS區塊群組進行paired sign-test之結果 39
表3.3 IRS區塊群組與非IRA區塊群組進行paired sign-test之結果 40
表3.4 IRA區塊群組與非IRA區塊群組進行paired sign-test之結果 41
表3.5 IRS區塊群組與IRA內非IRS區塊群組進行paired sign-test之結果 42
表3.6 RS區塊群組與非RS區塊群組進行paired sign-test之結果 44
表3.7 RS區塊群組與非RA區塊群組進行paired sign-test之結果 45
表3.8 RA區塊群組與非RA區塊群組進行paired sign-test之結果 46
表3.9 RS區塊群組與RA內非RS區塊群組進行paired sign-test之結果 47
表4.1 對AMI與CSA病患各特徵參數做rank-sum test的結果 51
表4.2 對HT與非HT病患各特徵參數做rank-sum test的結果 53
表4.3 對HC與非HC病患各特徵參數做rank-sum test的結果 54
表4.4 對DM與非DM病患各特徵參數做rank-sum test的結果 56
表4.5 以區塊為基本單位之分析實驗的資料組成結構 57
表4.6 以區塊為基本單位之分析實驗之結果 58
表4.7 對AMI與CSA病患各特徵參數依近遠端加權(2-1-0)後做rank-sum test的結果 63
表4.8 對AMI與CSA病患各特徵參數依近遠端加權(2-1-0)後做rank-sum test的結果 65
表4.9 形狀及灰階值統計特徵對於AMI及CSA疾病的趨勢歸納 69
表III.1 2D方式計算Co-occurrence Matrix之位移向量 82
表III.2 3D方式計算Co-occurrence Matrix之位移向量 83
表V.1 IRS區塊群組與非IRS區塊群組進行paired sign-test之詳細結果 87
表V.2 IRS區塊群組與非IRA區塊群組進行paired sign-test之詳細結果 90
表V.3 IRA區塊群組與非IRA區塊群組進行paired sign-test之詳細結果 92
表V.4 IRS區塊群組與IRA內非IRS區塊群組進行paired sign-test之詳細結果 95
表V.5 RS區塊群組與非RS區塊群組進行paired sign-test之詳細結果 98
表V.6 RS區塊群組與非RA區塊群組進行paired sign-test之詳細結果 100
表V.7 RA區塊群組與非RA區塊群組進行paired sign-test之詳細結果 103
表V.8 RS區塊群組與RA內非RS區塊群組進行paired sign-test之詳細結果 105
表VI.1對AMI與CSA病患各特徵參數做rank-sum test的詳細結果 109
表VI. 2對AMI與CSA病患各特徵參數經加權後做rank-sum test的詳細結果 120
表VI.3對HT與非HT病患各特徵參數做rank-sum test的詳細結果 124
表VI.4對HC與非HC病患各特徵參數做rank-sum test的詳細結果 134
表VI.5對DM與非DM病患各特徵參數做rank-sum test的詳細結果 144
表VI.6以區塊為基本單位之分析實驗之詳細結果 155

Agatston, A.S., Janowitz, W.R., Hildner, F.J., Zusmer, N.R., Viamonte, M. Jr, Detrano, R., “Quantification of coronary artery calcium using ultrafast computed tomography,” J Am Coll Cardiol, Vol.15, No.4, pp.827-832, 1990.

Callister, T.Q., Cooil, B., Raya, S.P., Lippolis, N.J., Russo, D.J., Raggi, P., “Coronary artery disease: improved reproducibility of calcium scoring with an electron-beam CT volumetric method,” Radiology, Vol.208, No.3, pp.807-814, Sep. 1998.

Costaridou, Lena, “Medical image analysis methods,” Taylor & Francis, pp.88-132, 2005.

Cunningham, K.S., Gotlieb, A.I., “The role of shear stress in the pathogenesis of atherosclerosis,” Laboratory Investigation, Vol.85, No.1, pp.9-23, 2005.

Haralick, R. M., “Statistical and structural approaches to texture,” Proceedings of IEEE, Vol.67, pp.786-804, 1979.

Haralick, R.M., Shanmugam, K., Its'HaK Dinstein, “Textural Features for Image Classification,” IEEE Trans. Sys. Man Cyber, Vol.3, No.6, pp.610-621, Nov. 1973.

Hayter, Anthony J., Probability and statistics for engineers and scientists, pp.805-815, 2002.

McCollough, C.H., Ulzheimer, S., Halliburton, S.S., Shanneik, K., White, R.D., Kalender, W.A., “Coronary Artery Calcium: A Multiinstitutional, Multimanufacturer International Standard for Quantification at Cardiac CT,” Radiology, Vol.243, No.2, pp.527-538, 2007.

Park, Alice, “Do You Know Your Calcium Score?,” TIME.com, Aug. 28 2005.

Rosner, Bernard, “Fundamentals of biostatistics,” 2000.

Rumberger, J.A., Brundage, BH, Rader DJ, Kondos G., “Electron beam computed tomographic coronary calcium scanning: a review and guidelines for use in asymptomatic persons,” Mayo Clin Proc, Vol.74, pp.243-252, 1999.

Sadjadi, F.A. and Hall, E.L., “Three-dimensional moment invariants,” IEEE Trans. Pattern Anal. and Machine Intell., Vol.2, No.2, pp.127-136, 1980.

Yoon, H.C., Greaser LE 3rd, Mather R, Sinha S, McNitt-Gray MF, Goldin JG, “Coronary artery calcium: alternate methods for accurate and reproducible quantitation,” Acad Radiol, Vol.4, No.10, pp.666-673, 1997.

高善星、王吉榮、馮承山、馬金昌，「心臟殺手：冠心病」，頁次：19-34，2000。
葉清松，「3D電腦斷層影像之肺腫瘤電腦輔助診斷系統的開發與分析」，2008。
劉秉彥、陳志鴻，「冠狀動脈疾病」，科學發展，第352期，頁次：48-53，2002。
木下信一郎，「動脈硬化預防與治療」，頁次：42-66，1998。