I nte rna t io na l J o urna l o f   E lect rica l a nd   Co m p ute E ng in ee ring   ( I J E CE )   Vo l.   6 ,   No .   6 Dec em b er   201 6 ,   p p .   3 1 6 1 ~ 3 1 7 3   I SS N:  2 0 8 8 - 8708 DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 / i j ec e . v 6i 6 . 1 2 5 9 8          3161       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ia e s jo u r n a l.c o m/o n lin e/in d ex . p h p /I JE C E   M o del - ba sed Au t o m a tic  Seg m entat io n of Ascen ding   Ao rta fr o m   M ulti m o da li ty M edica l Data       No ha   A.   Sea da Sa f w a t   H a m a d M o s t a f a   G .   M .   M o s t a f a   S c ien c it if c   Co m p u ti n g   a n d   C o m p u ter S c ien c e   De p a rtm e n ts F a c u lt y   o f   Co m p u ter an d   In f o rm a ti o n   S c ien c e s ,     A in   S h a m s Un iv e r sit y ,   Eg y p t       Art icle  I nfo     AB ST RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Sep   1 2 ,   2 0 1 6   R ev i s ed   No v   13 ,   2 0 1 6   A cc ep ted   No v   27 ,   2 0 1 6     A u to m a ti c   As c e n d in g   A o rta  S e g m e n tatio n   is  o n e   o f   th e   im p o rtan ste p to w a rd a u to m a ti c   s e g m e n tatio n   o f   th e   w h o le  c a rd iac   tree T h is  p a p e p re se n ts  a   n o v e a p p ro a c h   f o th e   a u to m a ti c   se g m e n tatio n   o f   th e   a sc e n d in g   a o r ta  f ro m   t w o   i m a g in g   m o d a li ti e s:  CTA   (Co m p u ted   T o m o g r a p h y   A n g io g ra p h y a n d   P C - M RI  ( P h a se - Co n tras M a g n e ti c   Re so n a n c e   Im a g e s) T h e   n o v e a p p ro a c h   is  a n   a lg o rit h m   th a w o rk s   w it h o u t h e   n e e d   f o se tt in g   m a n u a se e d   p o in ts  o a p p ly in g   p re p ro c e ss in g   ste p o r   se tt in g   a   re g io n   o f   in tere st.  In ste a d ,   th e   p ro p o se d   a l g o rit h m   a u to m a ti c a ll y   d e te c ts  a n d   se g m e n ts   th e   a sc e n d in g   a o rta  u sin g   a n   a sc e n d i n g   a o rta   m o d e b u i lt   f ro m   it a n a to m ica l   f e a tu re s .   T h e   p ro p o se d   se g m e n tatio n   a lg o r it h m   b e g in w it h   a o rta  d e tec ti o n   th ro u g h   f e a tu re m o d e f it ti n g   a u g m e n ted   w it h   Ho u g h   tran sf o rm ,   w h e re   th e   a sc e n d in g   a o rta  is  id e n ti f ied   f ro m   th e   d e sc e n d in g   a o rta  a n d   a n y   o th e c ircu lar   stru c tu re s b a se d   o n   th e   p ro p o se d   m o d e l.   Af ter d e te c ti o n ,   th e   w h o le as c e n d in g   a o rta  is  se g m e n ted   u p   f ro m   th e   a o rti c   a rc h   d o w n   to   t h e   o stia  p o i n ts  u sin g   a   n o v e a u to m a ti c   se e d e d   re g io n   g r o w in g   a lg o rit h m .   T h e   p ro p o se d   a lg o rit h m   is  f u ll y   a u to m a ti c ,   w o rk in   re a l - ti m e   a n d   ro b u st  a p a ra m e ters   u s e d   a re   th e   sa m e   f o a ll   th e   tes ted   d a tas e ts.   T h e   d e tec ti o n   a n d   se g m e n tatio n   o f   th e   a sc e n d in g   a o rta  su c c e e d e d   in   a ll   tes c a se s   a c q u ired   f ro m   th e   t wo   im a g in g   m o d a li ti e s;  p ro v in g   th e   ro b u st n e ss   o f   th e   p ro p o se d   a sc e n d in g   a o rta   m o d e a n d   a lg o rit h m   f o r   th e   a u to m a ti c   se g m e n tatio n   p ro c e ss   e v e n   o n   d a ta  f ro m   d if fe re n m o d a li ti e a n d   d if f e r e n sc a n n e ty p e s.  T h e   a c c u ra c y   o th e   se g m e n tatio n   h a a   m e a n   Dic e   S im il a rit y   Co e ff icie n (DSC)  o f   9 4 . 7 2 %   f o CTA   d a tas e ts  a n d   9 7 . 1 3 %   f o P C - M RI  d a tas e ts.   K ey w o r d :   An g io g r ap h y   ( C T A )   Ascen d i n g   ao r ta  s e g m en ta tio n   Au to m a tic  s e g m en ta tio n   C o m p u ted   t o m o g r ap h y   P h ase - co n tr ast  m ag n etic  R eso n a n ce   i m ag e s   ( P C - M R I )   Seed ed   r eg io n   g r o w in g   Co p y rig h ©   2 0 1 6   In stit u te o A d v a n c e d   E n g i n e e rin g   a n d   S c ien c e   Al rig h ts  re se rv e d .   C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   No h A .   Sead a,   Scien cit if C o m p u ti n g   a n d   C o m p u ter   Scie n ce   Dep ar t m e n t s ,   Facu lt y   o f   C o m p u ter   an d   I n f o r m atio n   Scien ce s ,     A i n   S h a m s   U n i v er s it y ,   E g y p t .   E m ail:  n o h a_ s ab o u r @ cis.as u . ed u . eg       1.   I NT RO D UCT I O N   Fo r   c ar d io lo g is ts in s p e ctin g   t h v ascu lar   s t r u ctu r es  is   o f   v er y   h ig h   i m p o r tan c to   ass es s   p ati en t' s   ca r d io v as cu la r   r is k .   C u r r en d ev e lo p m en tal  te ch n iq u es  in   i m ag in g   m o d alit ies  in clu d in g   C T A   ( C o m p u ted   T o m o g r a p h y   A n g io g r ap h y )   an d   P C - MR I   ( P h ase - C o n tr ast  M ag n etic   R es o n an c I m ag es)  h a s   b r o u g h at ten ti o n   to   th p o s s ib ilit y   f o r   n o n - in v as iv ass ess m en of   C A ( C o r o n ar y   A r ter y   Dis ea s e )   p a tien ts .   T h is   p a p e r   f o cu s es   o n   s eg m en tin g   th b eg in n in g   o f   th e   c ar d i ac   tr ee   w h ich   is   th as ce n d in g   a o r ta   b eg in n in g   f r o m   th ao r t ic   a r ch   d o w n   to   th e   o s tia   p o in ts   ( f r o m   w h ich   th co r o n a r ies   em er g e) ,   s ee   Fig u r e   1 f r o m   b o th   C T A   an d   P C - MRI   im ag es.  Ou r   m ain   o b jec tiv e   i s   to   a ch iev e   ac cu r ate   s eg m en tati o n   o f   th e   as ce n d in g   a o r ta   to   h el p   in   m u ltip le  f u r th er   p r o ce s s in g .   I n   C T A   im ag es  b ein g   ab le   t o   au t o m atica l ly   s eg m en th ascen d in g   a o r t an d   d e te r m in th e   o s ti l o ca ti o n s   th at  r esi d at  th lat er al  s i d es  o f   th s eg m en ted   asc en d in g   ao r ta ;   w ill  lead   t o   ef f icien au t o m atic   s ee d in g   f o r   h ea r c o r o n ar ies   s eg m en tatio n .   A n d   f o r   P C - MRI  im ag es;  th a cc u r a t s eg m en tatio n   o f   th Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I J E C E     Vo l.  6 ,   No .   6 Dec em b er   2 0 1 6   :   3 1 6 1     3 173   3162   ascen d in g   a o r ta  h e lp s   q u an t if y   b l o o d   f l o w   f o r   ass ess in g   th e   ca r d io v as cu la r   s y s tem   lo o k in g   f o r   s o m d is e ases   lik a o r tic  n ar r o w in g   k n o w n   as  A o r t ic  C o a r ct ati o n   [ 1 ] .   F o r   th au t o m atic  s eg m en tati o n   p r o ce s s ascen d in g   ao r t f e atu r es  m o d el  is   p r o p o s ed ,   th at  is   b u ilt   b ase d   o n   th e   a s ce n d in g   a o r ta   an at o m ical   f ea t u r es.   T h ese  f ea tu r es   ar s h a p e   ( ci r cu l ar /el li p ti ca l ) ,   s iz e,   an at o m ical   l o c ati o n   a n d   in t en s ity .   T h e   s eg m en tati o n   a lg o r ith m   g o e s   th r o u g h   tw o   m ain   s tag es P a r ti al  an d   Fu ll  as ce n d in g   ao r t s e g m en tatio n .   I n   th f ir s s t ag e;  th asc en d in g   a o r t a   is   d e te cte d   an d   i d en t if ie d   f r o m   o th er   s im ilar   s t r u ctu r es  u s in g   Ho u g h   tr an s f o r m   f o r   d et ec ti n g   cir cu l ar /el li p ti ca l   s tr u ctu r es  au g m en ted   w ith   th m o d el  o f   th asc en d in g   a o r ta .   T h o u tp u o f   th f i r s s tag is   p a r o f   th e   ascen d in g   a o r t b ein g   s eg m en ted   ( th is   p a r t o f   th asc en d in g   a o r ta  w h er its   s h a p is   u n if o r m l y   cir cu l ar ) .   I n   th e   s ec o n d   s tag e ,   th r em ain in g   p a r o f   th as ce n d in g   a o r ta   is   s eg m en ted   u s in g   p r o p o s e d   m o d i f ied   v er s io n   o f   th s ee d e d   r eg i o n   g r o w in g   alg o r ith m ce n te r   t o   ed g r ay - s ea r ch - b ase d   p r o p ag a ti o n   r eg io n   g r o w in g .   T h e   s eg m en tatio n   o n   b o th   im ag in g   m o d alit ies  h as   b ee n   v a li d at ed   v er s u s   m an u al  s eg m en tatio n   an d   d i ce   s im ila r ity   co ef f icien is   ca l cu lat e d .   T h p r o p o s e d   s eg m en tat i o n   alg o r i th m   s u cc ee d e d   t o   d ete ct  an d   s eg m en th ascen d in g   ao r t a,   w ith   s a m p ar am eter s   v alu s et  o v e r   al th tes ca s es,  ev en   o n   d atas ets  w ith   ar tif ac ts   ( as  in d ic ate d   in   th e   r esu lts   an d   d is cu s s io n   s ec ti o n ) .   T h is   p r o v es  th r o b u s tn ess   o f   th a lg o r ith m ,   in   ad d i ti o n   t o   th a cc u r ac y   at tain e d   p r o v es   th e   r el ia b ili ty   o f   th ap p r o ac h   f o r   c lin ic al   u s e.   Seg m en tatio n   o f   th as ce n d i n g   ao r t m eth o d o lo g i es  m en tio n e d   in   l ite r a tu r v a r i es  f r o m   s em i - au to m atic  t o   au t o m atic  m eth o d o l o g ies .   Sem i - au to m atic  m eth o d o l o g ies  m ain ly   r ely   o n   m an u al  s ee d   p o in t   en te r e d   b y   th u s er   in   th m id d le  o f   th a o r ta   o r   o n   th e   a o r ta   t o p   s li ce .   S o m o th e r   m eth o d o l o g ies   d ef in a   r eg i o n   o f   in t er est  o f   v ascu l ar   s tr u ctu r es  in   o r d e r   t o   m in i m i ze   th s ea r ch in g   a r e f o r   th ao r t s eg m en tatio n   p r o ce s s .   F r o m   th s em i - au t o m atic  m eth o d o l o g ies  m en ti o n e d   in   lit er atu r e:   X ie  e al.   [ 2 ]   b eg in   th eir   s eg m en tatio n   b y   s ettin g   m an u al  s ee d   p o in t in s i d th a o r ta  lu m en ,   th en   u s ed   cy lin d r ica l m o d el  f itti n g   in   th 3 im ag s p a ce   t o   t r ac k   th a o r ta  c en te r lin e.   B o ck   et  a l.   [ 3 ]    u s ed   r eg io n   g r o w in g   alg o r i th m   f o r   s eg m en tin g   th a o r t an d   o b t ain e d   i ts   s ee d   b y   m an u ally   s elec t in g   s in g le  s ee d   p o in in s i d th asc en d i n g   ao r ta  a b o v th e   co r o n ar y   o s ti lo ca t io n s ,   w h ile  Hen n em u th   et  al.   [ 4 ]   m an u ally   s elec th s ee d   p o in in   th m id d l o f   th a o r ta   ab o v th f ir s c o r o n a r y   ar t er y .   B o th   Ki ts la ar   et  al.   [ 5 ]   an d   B o u r ao u i e t a l.   [ 6 ]    is o l ate d   th h ea r r eg io n   as  th e ir   r eg i o n   o f   in te r es t; s o   as t o   m in im ize  th co m p u tat io n al  c o s t .   Kits la a r   et  a l.  u s e d   th H o u g h   tr an s f o r m   alg o r ith m   to   d et ec th asc en d in g   a o r ta  as  ci r cl es  an d   th ey   is o l ate d   th h ea r r eg io n   u s in g   a2 b a ll o o n   m o d el  in f lati o n .   T h ey   th en   u s ed   g r a d i en in f o r m atio n   to   o b ta in   h ea r c o n t o u r   an d   a p p li e d   c o n n ec t e d   c o m p o n en an aly s is   o n   th e   is o l ate d   h ea r r eg i o n   an d   c r ea t ed   l is o f   v ess els   ca n d i d a te  l is t.  T h ey   u s ed   th e   t o p   tw o   p o i n ts   f r o m   th at  l is as   th s t o p p in g   c r i te r ia  f o r   th r eg io n   g r o w er   th at  s eg m en ts   th a s ce n d in g   ao r t a.   B o u r a o u i e t   al .   d o w n   s a m p led   th e   in p u im ag es  f o r   c o s r e d u ct io n   an d   a p p li e d   G r ay - lev el  h it - or - m is s   tr an s f o r m   ( GL   HM T )   i n   co n j u n cti o n   w ith   d if f er en t s tr u ctu r in g   el em en ts   f o r   s eg m en tin g   th e   h ea r t   r eg io n ,   th ao r t an d   th e   c o r o n ar ies.   Fro m   th au t o m atic  s eg m en tatio n   m eth o d o l o g i es  is   th o n p r esen t ed   b y   Sau r   et  al.   [ 7 ] .   T h ey   b eg an   th eir   s ea r ch   in   x   an d   y   d ir e cti o n s   in   ev e r y   C T A   im ag s lice   an d   u s e d   tw o - lev el  th r esh o l d   t o   f in d   th a o r ta   cir cle   ci r cu m f er en ce .   A lth o u g h   th eir   w o r k   s u c c ee d e d   f o r   d ete ctin g   th ascen d in g   a o r ta  c ir cu m f er en ce ,   th eir   w o r k   w o u ld   h av b e en   m o r ef f icien t;   if   th ey   h av r eli e d   o n   th an a to m ical  f ea tu r es  o f   t h asc en d in g   ao r t a   ( lik asc en d in g   a o r ta  g eo m etr ic  s h a p e ,   d iam eter   r an g an d   lo c ati o n   w ith   r esp ec to   o th e r   o r g an s )   th a w o u ld   h av h el p e d   th em   m in i m ize  it er ati o n s   ti ll  f in d in g   th ascen d in g   a o r ta   ci r cu m f er en ce .   A ll   th p r ev i o u s   w o r k   m en tio n ed   is   a p p lie d   o n   C T A   d at ase ts ,   w h ile  Her m en et  al.   [ 8 ]   an d   A l - Ag a m y   at  al.   [ 9 ]   s eg m en ted   th ao r t f r o m   P C - MRI  im ag es.  H er m en et  al .   b eg in s   th s eg m en tat io n   p r o c ess   b y   m an u all y   d ef in in g   r ec tan g u la r   r eg i o n   o f   in te r es c o n t ain in g   th a o r ta .   T h d y n a m ic  tim f r a m es  o f   th P C - MRI   im ag es  ar av e r ag ed   o v er tim w ith in   th at  r eg io n .   T h ey   th en   u s 2 D+ d ef o r m ab le  s u r f a ce   m o d el  t o   s eg m en th ao r t a.   A l - A g a m y   at  al .   im p lem en ts   s em i - au to m ated   s eg m en tatio n   b y   ask in g   th u s e r   t o   cli ck   tw o   p o in ts   in s i d e   th a o r ta .   A f ter w ar d s   th ey   s eg m en th ascen d in g   an d   d esc en d in g   a o r ta  cr o s s   s e cti o n s   u s in g   m o d if ied   v e r s i o n   o f   th ac tiv co n t o u r   m o d els.   A f ter   an aly zin g   th p r ev i o u s   w o r k   in   th ar ea   o f   asc en d in g   ao r ta  s eg m en tati o n ,   it  w as  o b s er ev d   th at   u s in g   m an u al  s ee d   p o i n ts   y iel d s   s o lu ti o n   th a y et  n ee d s   u s er   in te r a cti o n   an d   th r esu lts   o f   th a lg o r ith m   is   h ig h ly   d ep en d en o n   an   ac cu ar ate  in iti ali za t io n .   A ls o ,   s eg m en tatio n   m eth o d o l o g ies   th at   n ee d s   r eg i o n   o f   in ter est   ( R O I )   to   b s p ec if ie d   at  th b eg in n in g ;   ad d s   ex t r a   p r o c ess in g   to   th s eg m en tati o n   p ip e lin an d   als o   th e   r esu lts   w ill  d e p en d   o n   th e   a c cu r a te  R O I   s p e cif i ca ti o n .   M o r e o v e r ,   au t o m atic  m eth o d o lo g ies  th a s e a r ch   th e   w h o le  im ag f o r   d et ec tin g   th a o r ta  r eg io n   g o es  in to   m u ltip le   it er ati o n s   ti ll  f in d in g   th ao r t c i r cu m f er en ce   w h ich   r esu lts   in t o   l o n g   p r o ce s s in g   tim es.  T h is   in   a d d iti o n   t o   u s in g   m u ltip le  th r esh o l d s   th a t   n ee d   v alu e - tu n in g   f o r   im ag es  o f   d if f er en v o lu m es  an d   a cq u i r e d   u s in g   d if f er en s ca n n er   ty p es;  y eild s   n o n - g e n er i s eg m en tatio n   alg o r ith m .   I n   th is   p ap e r ,   f u lly   au t o m atic  m eth o d o l o g y   is   p r esen te d   th at  av o i d s   all   th e   d r aw b ac k s   o b s e r v e d   in   th p r ev i o u s   w o r k .   T h asc en d in g   ao r t is   s eg m en ted   w ith o u th n ee d   o f   an y   m an u al  s ee d   p o in ts ,   o r   r eg i o n   o f   in te r es t t o   b d ef in e d ,   o r   b l i n d   s ca n n in g   o f   th im ag s lic in   all  d i r e cti o n s   t o   s e ar ch   f o r   t h ao r t r eg i o n .   W e   r ath er   d ef in e d   an   as ce n d in g   a o r ta  f e atu r es  m o d el  th at  is   au g m en ted   w ith   o u r   p r o p o s ed   m eth o d o lg y   an d   y ield s   s u cc ess f u au t o m atic  d et ec t io n   an d   i d en t if ica ti o n   o f   th asc e n d in g   ao r t in   an   ef f ic ien w a y   in   all  th d a tase ts   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J E C E     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       Mo d el - b a s ed   A u t o ma tic  S eg m en ta tio n   o f A s ce n d in g   A o r ta   fr o Mu ltimo d a lity  ....   ( N o h a   A .   S ea d a )   3163   p r o v i d e d   f r o m   th tw o   i m ag in g   m o d al iti es  ( C T A / P C - MR I )   a n d   th is   is   p r o v e d   b y   th ex p e r im en tal  r esu lts   an d   co m p a r is o n   d o n w ith   p r ev i o u s   w o r k   in   t er m s   o f   ac cu r ac y   an d   p r o ce s s in g   tim es.     T h p a p er   is   o r g an i ze d   as  f o ll o w s :   Secti o n   2   p r es en ts   t h p r o p o s e d   au t o m atic  ascen d in g   a o r ta   s eg m en tatio n   m eth o d o lo g y .   Se cti o n   3   p r es en ts   th r esu l ts   an d   d is cu s s i o n   an d   p er f o r m an ce   m ea s u r es  ( ac cu r ac y   an d   p r o c ess in g   tim e) .   F in ally   c o n clu s i o n   is   p r esen t e d   in   S e cti o n   4 .           Fig u r 1 .   T h e   as c en d in g   a o r ta   d e p i cte d   f r o m   th a o r ti ar ch   d o w n   to   o s ti p o in ts   [ 1 0 ]       2.   P RO P O SE ASC E ND I N G   AO RT AU T O M AT I SE G M E NT A T I O AP P RO AC H   I n   t h is   s ec tio n ,   t h p r o p o s ed   ap p r o ac h   f o r   th e   au to m atic   s eg m e n tatio n   o f   th e   asce n d in g   ao r ta  i s   p r esen ted .   T h ascen d in g   ao r t is   cir cu lar /ellip tical  i n   s h ap in   m u ltip le  s eq u en t ial  i m a g es  ( b eg in n i n g   f r o m   th cr an ial  th ir d   o f   th v o lu m e)   [ 7 ] ,   [ 1 1 ] ,   an d   th en   its   s h ap b eg in s   to   d ef o r m   in   later   co n s eq u e n i m a g es.   B ased   o n   th is   o b s er v atio n   t h p r o p o s ed   m et h o d   f o r   au to m atica ll y   s e g m en tin g   t h f u ll   a s ce n d in g   ao r ta  is   d iv id ed   in to   t w o   m ai n   s ta g e s p ar tial   an d   f u ll  s eg m e n tatio n ,   s ee   Fi g u r e   2 .   T h o u tp u o f   th f ir s t   s ta g e   is   p ar o f   t h u n i f o r m l y   cir cu lar   asce n d in g   ao r ta  b ei n g   s e g m en ted .   I n   t h s ec o n d   s ta g e ,   t h s e g m e n ted   p ar is   u s ed   a s   s ee d   f o r   s eg m en t in g   th r e m ain i n g   asce n d in g   ao r ta  p ar t o   ac h iev f u ll  s eg m e n tatio n   o f   th ascen d i n g   ao r ta   f r o m   t h ao r tic  ar ch   d o w n   t o   th o s tia  p o in ts .   Mo r eo v er   to   m in i m ize  co m p u tat io n s   co m p le x it y   a n d   to   s u cc e s s f u ll y   id e n ti f y   t h asce n d in g   ao r ta  f r o m   o t h er   s i m ilar   s t r u ctu r e s   in   t h i m ag e,   a n   asce n d in g   ao r ta   m o d el  is   p r o p o s ed .   T h m o d el  h elp s   in   lo ca lizi n g   an d   id e n ti f y in g   th e   asce n d in g   ao r ta  i n   a   q u i ck   m a n n er   w it h   n o   n ee d   to   s et  r eg io n   o f   in t er est   o r   d o   an y   p r ep r o ce s s in g   o n   th v o lu m b ef o r t h asce n d in g   ao r ta   s eg m e n tatio n   a n d   p er f o r m an c is   y et  r ea l - ti m e.           ( a)   P a r tial A s ce n d in g   A o r ta  Se g m e n tat io n   ( b )   Fu ll Ascen d i n g   A o r ta  Seg m en tatio n     Fig u r 2 .   A s ce n d i n g   A o r ta  Se g m e n tat io n   Flo w   C h ar f o r   P ar tial a n d   Fu ll  Se g m e n tat io n   Sta g es       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I J E C E     Vo l.  6 ,   No .   6 Dec em b er   2 0 1 6   :   3 1 6 1     3 173   3164   2 . 1 .   P ro po s ed  Ascend ing   Ao rt a   M o del   T o   c o r r ec tly   d etec t h asce n d in g   ao r ta  cr o s s   s ec t io n   f r o m   a n y   o t h er   o r g an s   t h at   ar e   s i m ilar   i n   s tr u ct u r e   m a k es  b u ild in g   a n   a s ce n d i n g   ao r ta   m o d el  an   es s e n tial  ad d itio n   to   th d etec tio n   an d   s eg m e n tatio n   p r o ce s s es.  T h p r o p o s ed   m o d el  o f   th asce n d in g   ao r ta  i s   b u ilt  b ased   o n   it s   an ato m i ca f ea t u r es .   T h ese   an ato m ica f ea t u r es   ar e:  g eo m etr ic  s h ap e,   s ize,   an ato m ical  l o ca tio n   w it h   r esp ec to   o th er   o r g an s   an d   in ten s it y   v alu e s .     1.   Sh ap e:  T h asce n d in g   ao r ta  h as  cir c u lar /ellip tical  s h ap [ 7 ] ,   [ 1 2 ]   f r o m   t h ao r tic  ar ch   d o w n   to   o s tia   p o in ts ,   s ee   Fi g u r 1.   2.   S ize:  T h asce n d i n g   ao r ta  d iam eter   i s   b i g g er   th a n   th at   o f   t h d esce n d in g   ao r ta  in   h ea l th y   p atie n ts .   T h e   n o r m al  d ia m eter   o f   th a s ce n d in g   ao r ta  is   le s s   t h a n   2 . 1   cm / m   an d   th n o r m al  d ia m eter   o f   th d esce n d in g   ao r ta  is   less   th a n   1 . 6   c m / m 2   [ 1 3 ] .   3.   A n ato m ical  L o ca tio n T h asc en d in g   ao r ta  a n ato m ical  lo ca ti o n   w it h   r esp ec t   to   o th er   o r g a n s i s   t h n ea r es t   to   th ce n ter   o f   g r av it y   o f   th i m ag e.   Fo r   ev er y   d etec ted   cir cu lar   s tr u ct u r in   t h i m a g e,   th ascen d i n g   ao r ta  w ill b th cir c u lar   s tr u ct u r w ith   t h m i n i m u m   E u c lid ea n   d is ta n ce   to   th i m ag ce n te r .     E u clid ea n   d is ta n ce     (             )     (             )     ( 1 )     w h er C Ix , C Iy   an d   C cx , C cy   ar th ce n ter   p o in t s   o f   i m ag ( I )   an d   d etec ted   cir cles ( c)   o n   th at  i m ag s lice.   4.   I n ten s it y I n   C T A   i m a g es   t h v es s els   ar i n j ec ted   w it h   co n tr ast   ag e n t,  th u s   t h asce n d i n g   ao r ta  i n te n s i t y   h as  r an g o f   Ho u n s f ield   v al u es  [ 1 4 ]   th at  is   u s ed   as  th r esh o ld   in   th s eg m e n tatio n   alg o r ith m   a n d   in   th e   PC - MRI  i m a g es a n   in te n s it y   r an g i s   e m p ir icall y   d eter m in e d   ( af ter   tr ain in g   t h d atasets )   a s   th r es h o ld   f o r   th s e g m en ta tio n   as  w el l.     2 . 2 .   P a rt ia l A s ce nd in g   Ao rt a   Seg m e nta t io n   Fro m   t h a s ce n d i n g   ao r ta  f lo w   c h ar t   d ep icted   i n   Fig u r e   2 ,   th e   f ir s s tag e   o f   th e   au to m at ic  s eg m e n tatio n   p r o ce s s   is   th p ar tial  ascen d in g   ao r ta  s eg m e n tatio n .   I b eg in s   w it h   cir cu lar   s tr u ct u r es  d etec tio n   in   ea ch   C T A /P C - MRI  i m a g s lice,   a n d   th e n   th a s ce n d i n g   ao r ta  is   id en tifie d   f r o m   a n y   o t h er   cir cu lar   s tr u ct u r e   u s i n g   th a s ce n d i n g   ao r ta  m o d el.   T h d etec tio n   an d   id en ti f icatio n   b eg i n   f r o m   t h cr an ial   th ir d   o f   t h C T v o lu m [ 1 1 ] .   I n   th b eg in n in g   o f   th is   p ar o f   th v o l u m e,   th ascen d in g   ao r ta  ap p ea r s   as  a   u n i f o r m   cir cle  an d   ac co r d in g l y   co u ld   b s eg m e n ted   w it h   a n y   al g o r ith m   f o r   d etec tin g   cir cle s   li k t h f a m o u s   2 Ho u g h   T r an s f o r m ,   s ee   Fi g u r e s   3 - an d   3 - c.   T h s eg m e n tatio n   w i ll  p r o ce ed   to   s eg m e n th as ce n d in g   ao r ta  f r o m   co n s ec u tiv C T A /P C - M R I   i m ag e   s lice s   an d   w i ll  s to p   as   s o o n   as  t h asce n d i n g   ao r ta   s h ap is   n o   m o r a   u n i f o r m   cir cle.   Fi n all y ,   t h o u tp u o f   t h is   s ta g e   is   p ar o f   t h asce n d in g   ao r ta  b ein g   au to m atica l l y   s eg m e n ted .     2 . 2 . 1 .   H o ug h T ra ns f o r m   f o Circ u la Str uct ures De t ec t io n   T h Ho u g h   tr a n s f o r m   i s   m ai n l y   u s ed   f o r   d etec tin g   cir cu lar   s t r u ctu r es i n   t h i m ag [ 1 1 ] ,   [ 1 5 - 16] .   I d etec ts   cir cles  w it h   k n o w n   r ad iu s   r a n g a n d   th u s   it  f it s   to   o u r   p r o b lem   [ 1 7 ] .   T h Ho u g h   tr a n s f o r m   i s   ap p lied   o n   C T A /M R I   i m a g s lice s   b eg in n in g   f r o m   th cr a n ial  t h ir d   o f   th C T A   v o l u m e.   T h Ho u g h   tr an s f o r m   f it s   in   th is   p ar t o f   t h s e g m e n ta t io n   p ip elin e;  as t h asce n d in g   ao r ta  is   u n i f o r m l y   c ir cu lar   i n   th at  p ar t o f   th v o l u m e,   s ee   Fig u r e   3 ( a,   c,   d ) .         2 . 2 . 2 .   M o del U t iliza t io n f o Ascendi ng   Ao rt a   I dentif ica t io   Af ter   ap p l y in g   Ho u g h   tr an s f o r m ;   all   cir cu lar   s tr u ctu r es   i n   th e   i m ag e   ar d etec ted .   T h ese   cir cu lar   s tr u ct u r es  w o u ld   b t h a s ce n d in g   ao r ta,   d escen d i n g   ao r ta  o r   ev en   t h s p i n al  co r d   cr o s s   s e ctio n .   T h er ef o r to   id en ti f y   th a s ce n d in g   ao r ta  a m o n g   o t h er   cir cu lar   s tr u ct u r es ,   m o d el  f itti n g   is   d o n e   o n   t h o u tp u o f   t h Ho u g h   tr an s f o r m .   Af ter   ap p l y in g   t h i s   co m b in at io n   b et w ee n   t h Ho u g h   tr a n s f o r m   an d   t h a s ce n d in g   ao r ta  m o d el  o n   co n s ec u tiv C T A /P C - M R I   i m ag s lice s t h asce n d in g   a o r ta  cr o s s   s ec tio n   i s   s u cc ess f u ll y   id en ti f ied   an d   f i n all y   p ar t o f   t h asce n d in g   ao r ta  is   s eg m en ted   in   co m p u tatio n a ll y   ef f icie n m a n n er ,   s e Fig u r e   3 ( d ) .         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J E C E     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       Mo d el - b a s ed   A u t o ma tic  S eg m en ta tio n   o f A s ce n d in g   A o r ta   fr o Mu ltimo d a lity  ....   ( N o h a   A .   S ea d a )   3165       ( a)         ( c)       ( d )       ( f )       ( b)         ( e )     Fig u r 3 .   ( a)   A s ce n d i n g   A o r ta  A p p ea r s   as a   Un if o r m   C ir cle,   ( b )   A s ce n d i n g   A o r ta  S h ap Ap p ea r s     No n - U n i f o r m ( c)   Sag i ttal  Vie w   f o r   th Hea r t S h o w in g   t h F u ll  A s ce n d i n g   A o r ta  S h ap e ,   ( d T h Un i f o r m   C ir cu lar   P ar o f   th A s ce n d i n g   A o r ta  Seg m e n ted   in   First  Sta g e ( e)   T h R em a in i n g   ( No n - Un i f o r m P ar t o f   th A s ce n d in g   A o r ta  Se g m e n t ed   in   S tag e   2 ( f )   F u ll  A s ce n d i n g   A o r ta  Se g m en ted       A l g o r i t h m   1 :   P a r t i a l   A sce n d i n g   A o r t a   S e g me n t a t i o n   In p u t :   C TA   v o l u me   w i t h   si z e   N   sl i c e s                           F o r   i = 1   t o   N                           B e g i n         R e a d   i mag e   I i   w i t h   si z e   5 1 2 2         S e t   N C i r c l e s =   A p p l y   H o u g h   T r a n sf o r m t o   d e t e c t   c i r c l e s i n   I i         If   N C i r c l e s >   0   / / n o .   o f   c i r c l e s d e t e c t e d   w i t h   c e n t e r   C x, y   a n d   r a d i u R         B e g i n                 F o r   j = 1   t o   N C i r c l e s                 B e g i n         C a l c u l a t e   Eu c l i d e a n   d i s t a n c e   b e t w e e n   i mag e   I i   c e n t e r   a n d   c i r c l e   c   c e n t e r           Ed   =   (             )     (             )                  a c   =   Fi nd   c i r c l e   c   w i t h   m i n   E d   a n d   max   R                     E n d                   a sce n d i n g _ a o r t a   =   a c   / / t h i i t h e   a sce n d i n g   a o r t a   c r o ss se c t i o n   d e t e c t e d   w i t h   c e n t e r     C x, y .                   me a n I n t   =   c a l c u l a t e   me a n   i n t e n s i t y   v a l u e   o f   t h e   a sce n d i n g _ a o r t a   c r o ss s e c t i o n                   se e d P o si t i o n   =   a sce n d i n g _ a o r t a   c e n t e r   C x, y                     se e d R a d i u s =   a s c e n d i n g _ a o r t a   R                   se e d I n t e n i st y   =   me a n I n t                   t h r e sh o l d D e l t a   =   c a l c u l a t e   mi n   i n t e n si t y   v a l u e   o f   t h e   a sce n d i n g _ a o r t a   c r o ss se c t i o n         E l se                   e n d S t a g e 1   =   i   / / sl i c e   n o .   a t   w h i c h   st a g e 1   h a l t s                   e x i t   s t a g e 1                                     E n d                     E n d     Fig u r 4 .   P s eu d o   C o d f o r   P ar tial A s ce n d in g   A o r ta  Seg m e n t atio n   Sta g e       2 . 3 .   F ull   Ascen din g   Ao rt a   Seg m e nta t io n   T h au to m atic  s e g m e n tat io n   o f   th r e m ain in g   p ar o f   th asc en d in g   ao r ta  b eg in s   b y   ta k i n g   th o u tp u t   o f   th f ir s s ta g as  s ee d   f o r   th s e g m e n tat io n   p r o ce s s .   W h en   t h asce n d in g   ao r ta  s h ap b eg in s   to   d ef o r m   an d   is   n o   m o r cir cu lar ,   s ee   F ig u r e   3( b ) t h f ir s s ta g h a lt s   s i n ce   t h Ho u g h   tr a n s f o r m   i s   s e n s i tiv e   to   s h ap d ev iatio n   an d   n o i s [ 1 5 ]    an d   f ailed   to   d etec th ascen d in g   ao r ta  cr o s s   s ec tio n s   i n   th at  c ase.   So ,   th s ec o n d   s tag b e g in s   to   s e g m e n t h r e m ai n in g   a s ce n d i n g   ao r ta  p ar u p   to   th o s tia  lo ca tio n s .   I n   th s ec o n d   s tag a   m o d i f ied   v er s io n   o f   th s ee d e d   r eg io n   g r o w i n g   ap p r o ac h   is   p r o p o s ed .   T h p r o p o s ed   alg o r i th m   i s   ca l led   ce n ter   to   ed g r a y - s ea r ch - b ased   p r o p ag atio n   r eg io n   g r o w i n g   ap p r o ac h .   T h p r o p o s ed   alg o r ith m   ta k es  t h s ee d   p o s itio n   an d   in te n s it y   o f   t h ascen d i n g   ao r ta  f r o m   t h f ir s t   s tag an d   b eg i n s   s ea r c h i n g   e v er y   n e w   u n v i s ited   U n i f o r c i r c u l a r   a o r t a   p a r t   d e t e c t e d     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I J E C E     Vo l.  6 ,   No .   6 Dec em b er   2 0 1 6   :   3 1 6 1     3 173   3166   s lice  f o r   th asce n d in g   ao r ta  cr o s s   s ec tio n   b ased   o n   th s ee d   p o s itio n   a n d   in ten s it y   ( r e g io n   g r o w i n g   th r es h o ld ) .   I n   ea ch   i m a g s l ic e,   th s ea r ch   b eg i n s   f r o m   t h s ee d   p o s itio n   ( ce n ter   p o in t)   an d   p r o p ag ates  as  r ay   c h ec k in g   ev er y   p i x el  alo n g   t h at  r a y   w h eth er   it   b elo n g s   to   th asce n d in g   ao r ta  o r   n o t.  T h r ay   s to p s   p r o p ag atin g   w h e n   it  h its   a n   e d g ( th asce n d i n g   ao r ta  ed g e ) .   T h r ay s   m o v i n   cir c u lar   f as h io n   to   s ca n   th e   w h o le  ascen d i n g   ao r ta  cr o s s   s ec tio n   f r o m   0 o   to   3 6 0 o ,   s ee   Fig u r e   5 .   T h s ee d   p o s itio n   an d   in ten s it y   ar th e n   u p d ated   to   b u s ed   b y   t h r eg i o n   g r o w i n g   al g o r ith m   i n   t h c o n s ec u tiv e   s lice.   T h is   p r ese n ts   k i n d   o f   lear n in g   f r o m   th v o lu m its el f   to   h el p   in   ac cu r atel y   s e g m en t in g   th ascen d in g   ao r ta.   T h s ee d   t ak en   f r o m   th f ir s t   s tag h elp ed   s i m p li f y   th r e g i o n   g r o w in g   al g o r ith m   w o r k   f l o w   an d   r aise s   th co m p u tatio n   ef f i cie n c y   o f   th e   s eg m e n tatio n   p r o ce s s .           Fig u r e   5 .   R eg io n   Gr o w i n g   R a y s   P r o p ag ate   f r o m   C e n ter   See d   P o s itio n   T ill Hittin g   an   E d g w it h   Ma x   R a y   L e n g t h   o f   ( R   r ) ,   m o v in g   i n   C ir cle  f r o m   A n g le  0 o   to   3 6 0 o       2 . 3 . 1 .   Cent er   t o   E dg Ra y - Sea rc h - B a s ed  P ro pa g a t i o n Re g io G ro w ing   Alg o rit h m   S ee d ed   r eg io n   g r o w in g   i s   a   r o b u s a n d   co m p u tatio n   ef f icie n t   tech n iq u u s ed   f o r   s e g m e n tin g   r e g io n   o f   in ter e s f r o m   an   i m a g a n d   th ac cu r ac y   o f   t h r es u lt s   ar e   b ased   o n   th r ig h c h o ice  o f   t h s ee d ( s )   [ 1 8 ] .   Fo r   s atis f y in g   t h in te n s it y   a n d   co n n ec t iv i t y   cr iter ia;  t h s ee d ed   r eg io n   g r o w i n g   al g o r ith m   r eq u ir es   s ee d   p o s itio n ,   s ee d   in te n s it y ,   a n d   ex p an s io n   an d   ter m i n atio n   cr i ter ia.   All  t h ese  i n p u t s   f o r   th r eg io n   g r o w i n g   alg o r it h m   ar tak en   f r o m   t h o u tp u t o f   t h f i r s t stag a s   f o llo w s   1.   Seed   p o s itio n : c en te r   C x, o f   t h to p   d etec ted   ascen d in g   ao r ta  cr o s s   s ec tio n   r es u lti n g   f r o m   s t ag e1 .   2.   Seed   in ten s it y m ea n   in te n s i t y   m ea n   [ A c ]   o f   th to p   d etec ted   ascen d in g   ao r ta  cr o s s   s ec tio n   r esu ltin g   f r o m   s tag e1 .   3.   E x p an s io n   cr iter ia  o n   n e w l y   g iv e n   i m a g s lice:  r e g io n   g r o w i n g   r a y s   p r o p ag ate  f r o m   ce n ter   s ee d   p o s itio n   till   h it tin g   a n   ed g e,   m o v in g   i n   cir cle  f r o m   an g le  0 o   to   3 6 0 .   4.   T er m in at io n   cr iter ia:  m ax   r a y   len g th   i s   ( R   r ) ,     w h er R   is   t h r ad iu s   o f   t h to p   d etec ted   ascen d i n g   ao r ta   cr o s s   s ec tio n   r es u lt in g   f r o m   s t ag e 1   an d   r   is   p ar a m eter   b eg i n n i n g   w it h   v alu 1   a n d   in cr e m en ted   w h i le  th e   in te n s it y   v alu o f   th v is ited   p ix el  is   le s s   t h a n   s p ec if ied   t h r esh o ld .     2 . 3 . 2 .   T he  ce nte t o   edg ra y - s ea rc h - ba s ed  pro pa g a t io n r eg io n g ro w ing   a lg o rit hm   w o rks   a s   f o llo w s :     L et  I   b th i m ag e   s lice  u n d er   in s p ec tio n   an d   A c   r ep r esen t t h s et  o f   p ix el  v alu e s   o f   t h to p   d etec ted   ascen d i n g   ao r ta  cir cle  w ith   ce n ter   C x, an d   r ad iu s   R ,   th e n :     Seed   I n ten s it y   m ea n   [ A c ] ,   S ee d   p o s itio n   C x, y .     1.   T h s ee d   p o s itio n   ( C x, )   an d   s ee d   in ten s it y   ( m ea n   [ A c ] )   ar tak en   f r o m   t h to p   d etec ted   ascen d in g   ao r ta  cr o s s   s ec tio n   r es u lti n g   f r o m   t h p ar tial seg m e n tat io n   s ta g e.     2.   Fo r   s ea r ch in g   in   n e w   co n s ec u ti v C T A   i m ag s lice,   g r o u p   o f   r a y s   ( 3 6 0   r ay s   m o v in g   i n   cir cu lar   f as h io n   w i th   a n g le  θ A   =   (0 o - 360 o ) )   p r o p ag ate s   f r o m   t h s ee d   p o s itio n   till   h itti n g   a n   ed g e,   s e Fig u r 5 .     3.   Sin ce   t h s ea r ch   i s   in   cir cu l ar   f ash io n ,   ev er y   n e w   p ix el  P x , p o s itio n    ( th p ix el  to   b test ed   f o r   b ein g   an   ascen d i n g   ao r ta  p ix el)   is   f o u n d   b y   t h cir cle  eq u atio n :                 ( (       )          (     ) )   ( 2 )                 ( (       )        (     ) )   ( 3 )     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J E C E     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       Mo d el - b a s ed   A u t o ma tic  S eg m en ta tio n   o f A s ce n d in g   A o r ta   fr o Mu ltimo d a lity  ....   ( N o h a   A .   S ea d a )   3167   4.   E v er y   p i x el  v i s ited   b y   t h r a y   is   te s ted   f o r   b ein g   a n   asce n d in g   ao r ta  p ix el  ( co m p ar i n g   it  w it h   th s ee d   in te n s it y   p r o v id ed ) .   T h n e w   p ix el  P x, is   ad d ed   to   th s et  A c   o f   t h n e w   a s ce n d i n g   ao r ta  cr o s s   s ec t io n   i f   i t in te n s it y     (           )   s atis f ies t h f o llo w i n g   co n d itio n s :       (           )     *     +        {                           (           )                                                                                         |   (           )          ,     - |         ( 4 )       T h f ir s co n d itio n     (           )       is   es s en tia f o r   a v o id in g   lea k ag e   o u t s id th ed g o f   t h asce n d i n g   ao r ta   r eg io n   ( as  t h h o u n s   f ield   u n i [ 1 4 ]   v alu es  o f   p ix el s   at  t h o u ter   s id o f   t h ed g ar n eg ativ e) .   A ls o ,   t h e   p ix el  is   an   ao r ta  p ix el  i f   th e   d if f er en ce   b et w ee n   i ts   i n te n s i t y   an d   t h at  o f   t h m ea n   in te n s it y          ,     -   is   g r ea ter   th an   d elta     ,   w h er     is   th r esh o ld i n g   p ar a m eter   r ep r esen ti n g   th m in i m u m   h o u n s   f ield   v al u e   ca lcu lated   f r o m   t h to p   d etec t ed   ascen d i n g   ao r ta  cr o s s   s ec ti o n   r es u lti n g   f r o m   s ta g e   1.   T h e s t w o   in te n s it y   co n d itio n s   s ec u r t h at  th n e p ix el  ad d ed   lies   in s id th ao r ta  cr o s s   s ec tio n .   5.   I f   th p ix e l is a n   ascen d i n g   ao r ta  p ix el,   it’s a d d ed   to   th s et  *     +   th at  w ill co n s tit u te  t h e   n e w   s eg m en ted   ascen d i n g   ao r ta  cr o s s   s ec tio n .   6.   F in all y   t h ce n ter   C x, an d   s ee d   in ten s it y   ( m ea n   [ A ] )   ar u p d ated   f o r   co n s ec u ti v s lice s   s e ar ch .       T h p r o p o s ed   r ay   p r o p ag atio n   ap p r o ac h   g u ar a n tees   t h at  n o   p ix el  i s   v is i ted   o r   tes ted   m o r th a n   o n ce   a n d   th is   en h a n ce s   th e   p er f o r m a n ce .   Mo r eo v er   it  s u cc ee d s   to   g iv u s   s i g n if ican t   r esu lts   f o r   t h asce n d in g   ao r ta   s eg m e n tatio n ,   s ee   R e s u l ts   s ec tio n .   A ls o ,   t h ap p r o ac h   is   p r o m is i n g   f o r   s e g m en t in g   t h a s ce n d i n g   ao r ta  w it h   d is s ec tio n   o r   an eu r y s m t h r o u g h   co n tr o lli n g   th p ar a m eter   r .   A lth o u g h   an y   alg o r it h m   i s   ch alle n g ed   b y   th e   n u m b er   o f   p ar a m eter s   to   t u n e;   o u r   ap p r o ac h   h av o n l y   o n p ar am eter r     to   co n tr o an d   it 's  n o e m p ir ical  b u t   r ath er   co n tr o lled   b y   th e   ap p r o x i m ate  r ad iu s   v al u o f   th a s c e n d in g   ao r ta,   an d   is   i n cr ea s ed   in   i n cr e m e n tal  s tep s   an d     ter m i n ated   w i th   t h co n d itio n s   i n   E q u at io n   4 .   Fi n all y   t o   co v er   all  co n d itio n s ,   it   is   i m p o r tan to   m en t io n   th at  i f   t h r i g h s ee d   p o in t   is   n o p r o v id ed   f r o m   s ta g 1 ( in   ca s s ta g 1   f ailed   to   d etec a n y   cir cu lar   asce n d in g   ao r ta  cr o s s   s ec tio n ) t h u s er   w i ll  b p r o m p ted   to   s elec s ee d   p o in to   b u s ed   b y   t h r eg io n   g r o w i n g   alg o r ith m .   Fi g u r 6   s h o w s   p s e u d o   co d f o r   f u ll a s ce n d in g   ao r ta  s eg m en ta tio n   s tag e       A l g o r i t h m   2 :   F u l l   A sce n d i n g   A o r t a   S e g me n t a t i o n   In p u t :   F r o m st a g e   1 :   se e d P o si t i o n ,   se e d I n t e n i st y ,   me a n I n t ,   se e d R a d i u s,   t h r e sh o l d D e l t a                       If   se e d P o si t i o n   =   0   / / me a n n o   a sce n d i n g   a o r t a   c r o ss se c t i o n   d e t e c t e d   a u t o ma t i c a l l y   i n   s t a g e 1                       B e g i n          A sk   u se r   t o   e n t e r   se e d P o si t i o n   f o r   t h e   t o p   a sce n d i n g   a o r t a   c r o ss se c t i o n          me a n I n t   =   c a l c u l a t e   me a n   i n t e n s i t y   v a l u e   o f   t h e   a sce n d i n g _ a o r t a   c r o ss se c t i o n          se e d P o si t i o n   =   a sce n d i n g _ a o r t a   c e n t e r   C x, y            se e d I n t e n i st y   =   me a n I n t                                       t h r e sh o l d D e l t a   =   c a l c u l a t e   mi n   i n t e n s i t y   v a l u e   o f   t h e   a s c e n d i n g _ a o r t a   c r o ss se c t i o n                       E n d                       S e t   r e g i o n   o f   i n t e r e st :   c e n t e r = se e d P o si t i o n   ( C x , y )   a n d   r a d i u s = se e d R a d i u s (R)                       Fo r   k = e n d S t a g e 1   t o   N                       B e g i n                                           R e a d   i m a g e   I k   w i t h   s i z e   5 1 2 2                   S e t   r a y   r a n g e   r   =   0   t o   1 0     / / r e g i o n   r a n g e   w i l l   b e   R + r .                     F o r   θ A   =   0 o   t o   3 6 0 o                                                                 B e g i n     C a l c u l a t e   n e w   p i x e l   p o si t i o n   a l o n g   t h e   r a y   p r o p a g a t i n g   u si n g   c i r c l e   e q u a t i o n               ( (       )         (     ) )                 ( (       )        (     ) )                                                               / / C h e c k   i f   p i x e l   P x, y   i s a n   a sce n d i n g   a o r t a   p i x e l       If   I ( P x ,P y )   >   0   a n d     I ( P x ,P y -   se e d I n t e n i s t y   >   t h r e sh o l d D e l t a     B e g i n                   I ( P x ,P y )   i s a n   a s c e n d i n g   a o r t a   p i x e l                                                             E n d                                             E n d                 U p d a t e   se e d P o si t i o n , se e d R a d i u s , se e d I n t e n i st y , t h r e sh o l d D e l t a                       E n d         Fig u r 6 .   P s eu d o   C o d f o r   Fu ll Ascen d i n g   A o r ta  Se g m en ta ti o n   Stag e         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I J E C E     Vo l.  6 ,   No .   6 Dec em b er   2 0 1 6   :   3 1 6 1     3 173   3168   3.   RE SU L T S AN D I SCU SS I O N   3 . 1 .   Da t a s et s     T h p r o p o s ed   au to m at ic  asce n d in g   ao r ta  s e g m e n tatio n   a lg o r i th m   is   ap p lied   o n   t w o   d ata s ets   f r o m   t w o   i m a g in g   m o d ali ties C T A   an d   P C - MRI.   1.   C o m p u ted   T o m o g r ap h y   An g i o g r ap h y   ( C T A ) ca r d iac  C T A   d atab ase  p r o v id ed   b y   th R o tt er d am   C o r o n ar y   A r ter y   A l g o r ith m   E v al u atio n   Fra m e w o r k   [ 1 9 ] .   T h d atab ase  in cl u d es   4 8   d atasets   w it h   m i n i m u m   o f   2 5 3   s lices  u p   to   m a x i m u m   o f   6 4 0   s lices  f o r   v o lu m e.   T h C T A   d atase ts   w e r ac q u ir ed   in   t h E r as m u s   M C ,   Un i v er s it y   Me d ical   C e n ter   R o tter d a m ,   i n   Net h er lan d s .   So m e   o f   t h d ata s ets  w er ac q u ir ed   w it h   6 4 - s lice   C T   s ca n n er   an d   s o m w it h   d u al - s o u r ce   C T   s ca n n er .     2.   P h ase  C o n tr as   Ma g n etic  R eso n a n ce   I m a g i n g   ( P C - MRI )   d atab ase  o f   8   d atasets   ac q u ir ed   u s i n g   1 . 5   T esla    MRI  s ca n n er s   [ 9 ] .     3 . 2 .   Co m pu t ing   Reso urce s   T h i m p le m e n tatio n   is   d o n o n   an   I n tel  co r i5   m ac h i n w it h   2 . 5 0   GHz   C P U,   6   GB   R A a n d   an   NVid ia  GeFo r ce   GT   6 3 5   g r ap h ics  ca r d .   T h v is u aliza tio n   an d   r en d er in g   f o r   th 3 s e g m e n ted   asce n d in g   ao r ta  is   d o n u s i n g   I m ag eV is   3 v er s io n   3 . 1 . 0   [ 2 0 ]     3 . 3 .   P a rt ia l A s ce nd ing   Ao rt a   Seg m e nta t io n:   T h f ir s s tag o f   t h au to m at ic  s eg m en ta tio n   al g o r ith m   b e g in s   w it h   Ho u g h   tr an s f o r m   f o r   C ir cu lar   Stru ct u r es  De tectio n .   T h Ho u g h   tr an s f o r m   i s   ap p lied   o n   e v e r y   C T A/P C - M R I   i m a g s lice  b eg in n i n g   f r o m   t h e   cr an ial  t h ir d   o f   th i n p u v o l u m e.   T h r ad iu s   r an g s p ec i f ie d   f o r   th Ho u g h   tr an s f o r m   is   s et  o v er   all  tes ted   d atasets   b ased   o n   th m ed i ca ascen d i n g   ao r ta  d ia m ete r   r an g m e n tio n ed   i n   [ 1 3 ] .   First  w h e n   H o ugh  T r an s f o r m   is   ap p lied   w ith in   th s p ec if ied   r ad iu s   r an g e,   b o th   th ascen d i n g   a n d   d escen d in g   ao r ta  cr o s s   s ec tio n s   ar d etec ted   s ee   Fi g u r e   7( a ) ,   7 ( d ) .   T o   id en tify   t h ascen d in g   ao r ta  f r o m   t h d escen d i n g   ao r ta,   th e   p r o p o s ed   ascen d in g   ao r ta   m o d el  is   f itted   to   t h d etec ted   cir cles  an d   t h asce n d in g   a o r ta  is   s u c ce s s f u ll y   id en ti f ied ,   s ee   Fi g u r e   7( b ) ,   7 ( c ) .     T h d etec ted   ascen d in g   ao r ta  cr o s s   s ec tio n   is   t h e n   s eg m e n ted   an d   th e   d etec tio n   p r o ce s s   co n tin u es  w it h   ev er y   co n s ec u ti v i m a g s lice,   w h ile  th asce n d in g   ao r ta  s h ap is   s till   u n i f o r m l y   cir c u lar .   T h f ir s s tag h a lts   w h e n   th s h ap o f   th asce n d in g   ao r ta  d ef o r m s .   T h o u tp u o f   t h i s   s tag i s   p ar t o f   th asc e n d in g   a o r ta  b ein g   s eg m e n ted ; see  F ig u r e   7 ( c) .     3 . 3 . 1 .   CT R es ults   T h p ar tial  ascen d i n g   ao r ta  s e g m e n tat io n   al g o r ith m   a s   s h o wn   i n   F ig u r 8   is   ap p lied   o n   t h 4 8   C T A   d atasets   a n d   s u cc ee d ed   i n   al l   th e   ca s e s   to   p ar tiall y   s e g m e n t h e   asce n d in g   ao r ta,   a s   s h o w n   i n   tab le .     T h e   n u m b er   o f   s lices  s e g m e n ted   d if f er s   p er   d ataset.   A s   o b s er v e d   f r o m   tab le,   t h n u m b er   o f   s lices  s e g m en ted   in   s o m d atasets   i s   lar g er   th a n   o th er s   b ased   o n   th v o lu m s ize  an d   th s p atial  r eso lu tio n   p er   s ca n n er   ( s in ce   d atasets   ar co llected   f r o m   d if f er en s ca n n er s ) .             ( a)           ( b )           ( c)         ( d)         ( e)     Fig u r e   7.   ( a)   A s ce n d i n g   Ao r ta  an d   Descen d i n g   A o r ta  ar B o t h   Dete cte d   o n   C T A   I m ag S lic e,     ( b )   A s ce n d i n g   A o r ta  is   I d en tifie d ,   ( c)   I s o lated   A s ce n d in g   A o r ta,   ( d )   3 R en d er in g   f o r   th Ascen d i n g   A o r ta  an d   Descen d i n g   A o r ta  Dete cted   in   a ( e)   3 R en d er in g   f o r   th A s ce n d i n g   A o r ta  af ter   Au g m en tin g   t h Ascen d i n g   A o r ta   Mo d el   w ith   t h Ho u g h   T r an s f o r m   A l g o r ith m   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J E C E     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       Mo d el - b a s ed   A u t o ma tic  S eg m en ta tio n   o f A s ce n d in g   A o r ta   fr o Mu ltimo d a lity  ....   ( N o h a   A .   S ea d a )   3169                                                                                                   Fig u r 8 .   P ar tial a s ce n d in g   ao r ta  s eg m e n tatio n .   T h p r o p o s ed   m eth o d o lo g y   s u cc ee d ed   to   id en ti f y   a n d   d etec th asce n d in g   ao r ta  in   all  4 8   test ed   d atasets       3 . 3 . 2 .   PC - M RI  R esu lt s   T h P C - MRI  d atasets   co n s i s o f   t w o   i m a g t y p e s m ag n it u d an d   p h ase  i m ag e s .   Ma g n it u d i m ag e s   d eter m in t h a n ato m ical  in f o r m at io n   ( p r esen t s   th s p atial   r eso lu tio n ) ,   w h ile  t h p h ase  i m a g es  e n co d th e   v elo cit y   y   o f   b lo o d   f lo w   i n   t h v e s s el s   ( p r esen t s   th te m p o r al  r eso lu tio n )   [ 2 1 ] .   W h en   ap p ly i n g   th e   p ar tia l   ascen d i n g   ao r ta  s e g m en ta tio n   alg o r ith m   o n   t h P C - M R I   d at a,   it  s u cc ee d ed   to   d etec th e   as ce n d in g   ao r ta  cr o s s   s ec tio n   n o o n l y   f r o m   th m a g n i tu d i m ag e s ,   b u also   f r o m   p h ase  i m a g es  a s   i n d icate d   in   Fi g u r e   9( a ) - 9( b ) Mo r eo v er   th a lg o r it h m   s u cc ee d ed   in   d etec ti n g   t h a s ce n d in g   ao r ta  in   i m a g es  w it h   ar t if ac ts   a n d   d if f er en t   r eso lu tio n s   s ee   Fi g u r e   9( c ) - 9( d )                 ( a)     ( b )     ( c)     ( d )     Fig u r 9 .   ( a)   A s ce n d i n g   A o r ta  Det ec ted   in   P C - M R I   Ma g n it u d I m a g e,   ( b )   P h ase  I m a g e,   ( c)   I m a g e   w it h   d if f er e n R e s o lu t io n ,   ( d )   I m a g w it h   A r ti f ac ts   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I J E C E     Vo l.  6 ,   No .   6 Dec em b er   2 0 1 6   :   3 1 6 1     3 173   3170   3 . 4 .   F ull   Ascen din g   Ao rt a   Seg m e nta t io n   W h en   th ao r ta  cr o s s   s ec tio n   s h ap is   n o   m o r u n i f o r m l y   cir cu lar   an d   Ho u g h   tr an s f o r m   f ailed   to   d etec it,  th p r o p o s ed   r ay - s e a r ch - b ased   p r o p ag atio n   r eg io n   g r o w i n g   al g o r ith m   i s   ap p lied   to   s eg m e n t h e   r e m ain in g   p ar o f   th asce n d i n g   ao r ta.   T h s eg m en ted   p ar o f   th asce n d in g   ao r ta  tak e n   f r o m   f ir s s tag w i ll   r ese m b le  t h s ee d   f o r   th e   r eg i o n   g r o w in g   al g o r ith m .   T h p r o p o s ed   r eg io n   g r o w in g   al g o r ith m   ta k es  t h s ee d   p o s itio n   an d   in ten s it y   to   s ea r ch   w it h   f r o m   t h s e g m e n ted   asc en d in g   ao r ta  p ar t.     3 . 4 . 1 .   CT Res ults   T h f u ll a s ce n d i n g   ao r ta  alg o r i th m   is   ap p lied   o n   th r e m a in i n g   u n v is ited   s l ices o f   t h C T A   v o lu m es  an d   it su cc e s s f u ll y   s e g m e n t s   t h f u ll a s ce n d i n g   ao r ta  f r o m   t h ao r tic  ar ch   d o w n   to   o s tia  p o in ts   as i n d icate d   in   Fig u r e   1 0 .   T h th r es h o ld   u s ed   f o r   th r eg io n   g r o w i n g   i s   s et  i n   all  test   ca s es to     (       )            .                 Fig u r e   10.   Fu ll  A s ce n d in g   A o r ta  Seg m en ta tio n   R e s u lts   f o r   4   C T A   D ataset s       3 . 4 . 2 .   PC - M RI  R esu lt s   W h en   ap p l y i n g   t h f u ll  asce n d in g   ao r ta  s e g m en ta tio n   al g o r ith m   o n   P C - M R I   i m a g e s   at  d if f er en ti m e   f r a m e s ,   it   s u cc ee d ed   to   s e g m en t h a s ce n d in g   ao r ta  cr o s s   s ec tio n ,   al th o u g h   its   s h ap d if f er s   f r o m   f r a m to   an o th er ,   s ee   Fi g u r e   11( b ) .                 ( a)       ( b )     Fig u r 11 .   ( a)   P C - MRI  Im a g e s   at  d if f er en T i m Fra m es,  ( b )   A s ce n d i ng  A o r ta  Det ec ted   as  R ed   C i r cle       3 . 5 .   P er f o r m a nce  M ea s ures   3 . 5 . 1 .   Acc ura cy   M ea s u re   T o   m ea s u r t h ac c u r ac y   o f   th s eg m e n tatio n   r es u lt s ,   t h au t o m a ticall y   s e g m en ted   a s ce n d i n g   ao r ta  i s   v alid ated   v er s u s   m a n u al l y   s eg m e n ted   ascen d i n g   ao r ta  cr o s s   s ec tio n s ;   u s i n g   Dice   Si m ilar it y   C o e f f icien t   ( DSC ) ,   to   m ea s u r th d eg r ee   o f   o v er lap   b et w ee n   b o th   cr o s s   s ec tio n s   i n   all  t h v o l u m s lic es,  s ee   Fi g u r e   12.     D i ce  C oe f f i c i en t  =                      ( 5 )     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.