用于从门控心脏计算机断层扫描图像中半自动测量冠状动脉空间加权钙化评分的图形工具

摘要

本视频演示了一种新型图形化工具的使用方法，该工具用于测量空间加权钙化评分（SWCS），作为Agatston评分的一种替代方法，以量化冠状动脉钙化程度。该图形化工具根据门控心脏计算机断层扫描的图像数据以及用户定义的冠状动脉路径来计算SWCS。

摘要

目前，用于测量冠状动脉钙化以确定动脉粥样硬化程度的标准方法是通过计算机断层扫描（CT）计算Agatston评分。然而，Agatston评分会忽略低于130 Hounsfield单位（HU）的像素值以及面积小于1 mm²的钙化区域。由于这种阈值设定，该评分对微小且衰减较弱的钙沉积区域不敏感，可能无法检测到早期微钙化。最近提出的一种称为空间加权钙化评分（spatially weighted calcium score, SWCS）的新指标同样利用CT图像，但不设定HU阈值，也不要求相邻像素信号升高。因此，SWCS对衰减较弱、体积较小的钙沉积更为敏感，可能有助于更准确地评估冠心病风险。目前，由于SWCS计算复杂度较高，其应用仍受限。为了推动SWCS在临床研究中的转化应用，并实现评分的可靠、可重复计算，本研究旨在开发一种可同时计算SWCS和Agatston评分的半自动图形化工具。该程序需要带有钙羟基磷灰石体模的心脏门控CT扫描图像，体模可用于推导加权函数，进而调整每个像素的权重，从而减轻不同扫描间信号变异和差异。程序可同时显示三个解剖视角，用户通过放置点或感兴趣区域来勾画四条主要冠状动脉的走行路径。程序具备滚动缩放、双击删除、亮度/对比度调节等功能，并在每一步提供文字指引，操作简便，用户体验友好。完成动脉勾画后，程序将生成报告，包含评分结果及所有可见钙化区域的截图。SWCS可能揭示亚临床疾病的存在，有助于早期干预和生活方式调整。

引言

利用计算机断层扫描（CT）测量动脉内钙含量是评估冠状动脉粥样硬化严重程度的成熟方法。了解并量化粥样硬化的程度，对于确定未来发生冠心病风险至关重要^1,2,3,4。目前测量冠状动脉钙化最常用的方法是采用Agatston评分⁵。然而，Agatston评分的计算部分依赖于所选像素的强度，以亨氏单位（Hounsfield Units, HU）衡量。在计算中，任何低于130 HU的像素均不被计入。同样，面积小于1 mm²的钙化灶也不予考虑。由于这些阈值的存在，Agatston评分对微小且衰减较弱的钙化灶不敏感，而这些钙化灶可能仍对揭示亚临床疾病的存在具有重要意义⁶。

既往提出了一种称为空间加权钙化评分（spatially weighted calcium score, SWCS）的指标，用于评估钙化水平较低患者的动脉粥样硬化斑块风险⁷。与Agatston评分不同，SWCS不采用信号阈值法来降低图像噪声的影响。相反，该方法利用一个模体（phantom）——即一个含有已知浓度羟基磷灰石（calcium hydroxyapatite, CHA）的物体，将其放置于受试者身上并位于扫描视野内。在方法开发过程中，曾使用含有0 mg/mL、50 mg/mL、100 mg/mL和200 mg/mL CHA的模体；但在当前图形化工具的实现中，仅需使用0 mg/mL和100 mg/mL两个部分。该模体用于生成针对特定扫描的加权函数，进而对用户选定的每个像素及其邻近像素进行加权。若某像素周围的邻近像素具有较高的衰减值，则该像素将获得更高的权重，而被低衰减水平像素包围的像素权重则较低。这一过程使SWCS对噪声具有耐受性，并可在不同扫描之间进行比较⁸。SWCS为连续变量，即使在钙化水平较低时也能生成评分，从而可在Agatston评分为零时仍对动脉粥样硬化的程度进行量化。通过在Agatston评分为零的情况下仍能评估微钙化，SWCS可能在揭示亚临床疾病的存在方面具有重要意义。这有助于更深入理解动脉粥样硬化的遗传、环境及其他风险因素^9,10。一项既往研究纳入基线时Agatston评分为零、约15年后随访时变为非零的个体，发现基线SWCS较高的个体冠心病（coronary heart disease, CHD）事件发生率更高。SWCS的预测能力在年轻人群中尤为重要，因为在这些人群中，长期检测和监测残余风险可能具有重要价值⁶。

本文介绍了一种用于计算SWCS及Agatston评分的半自动工具。该工具基于兼容的编程语言运行，具有图形用户界面。用户可通过与图像交互，生成包含两种钙化评分结果的最终系列报告。首先，用户需选择一个病例或一系列医学数字成像和通信（DICOM）文件输入程序。这些图像必须是在舒张期采集的屏气状态下、心电图门控的CT扫描图像，以避免呼吸和心脏运动带来的影响。尽管该程序可处理任意心脏CT图像，但为获得有意义的结果，源图像应符合最低临床钙化评分指南^11,12。作为参考，本研究中采用的参数包括：层厚3 mm、管电压峰值100 kVp、平均CT容积剂量指数1.19 mGy，以及图像分辨率512 × 512像素。所有非512 × 512像素的图像将在程序中自动重采样，以确保钙化小区域具有足够且一致的分辨率。图像加载后，用户可在轴向、矢状和冠状视图中查看。在选择模体的0 mg/mL和100 mg/mL区域之前，可先调节图像的亮度和对比度以获得更佳的可视化效果。随后，用户可通过放置点、感兴趣区域（ROI）或两者结合的方式，分别追踪四支冠状动脉——左前降支（LAD）、左冠状动脉主干（LCA）、左回旋支（LCX）和右冠状动脉（RCA），从而全面选取动脉像素，无论其在轴位图像上的表现形式如何。用户可根据需要删除、替换或重新绘制点和ROI。点击SWCS按钮即可生成最终报告。所有病例会自动保存，以便日后重新加载图像、点及ROI。程序运行过程中，每一步均有文字说明，操作简便。

方案

本研究经西奈山机构审查委员会（HS-20-01011）批准，所有受试者均签署书面知情同意书。

1. 开始实验方案前的准备

1. 本程序需要适当的文件夹结构。首先在计算机的任意位置通过右键单击并选择文件目录中的新建文件夹选项，创建一个项目主文件夹。所有输入的DICOM文件和结果都将存储在此主文件夹中。
   注意：本程序所需的所有DICOM文件头均为标准格式，因此该程序可在不同扫描仪平台之间通用。
2. 在此主文件夹内，通过右键单击并两次选择新建文件夹选项，创建两个新文件夹。
3. 通过右键单击第一个文件夹并选择重命名选项，将其重命名，以明确表示其用于存储原始数据（例如，Original_Data）。
   1. 在Original_Data文件夹内，通过右键单击并选择新建文件夹选项，为特定患者创建一个新文件夹。通过右键单击该文件夹并选择重命名选项，将其命名为匿名化的患者标识符。仅将该患者的完整原始DICOM文件集导入此文件夹中。
   2. 对程序中需分析的所有患者重复步骤1.3.1。
4. 通过右键单击这两个文件夹中的第二个文件夹并选择重命名选项，将其重命名为Meta_Data，用于存储结果。此文件夹在程序运行并生成结果之前将为空。
5. 下载程序文件（补充文件1）和封面图片（补充文件2），并通过拖放操作将其从下载文件夹移至主项目文件夹。项目文件夹的最终设置应与图1所示类似。

图1：主项目文件夹的格式。 本图展示了项目主文件夹应有的结构和格式，以确保程序的正确使用。 请点击此处查看此图的放大版本。

2. 启动程序

1. 双击项目主文件夹中的程序文件，打开程序代码。这将启动软件并显示程序代码。
2. 单击编辑器窗口任意位置进入编辑状态。点击编辑器选项卡顶部功能区的绿色 运行 按钮以启动程序。程序初次打开后的窗口应如 图2 所示。
   注意：在使用程序的过程中，用户预期操作说明及结果生成进度将始终显示在窗口左下区域。
3. 点击左下角的 打开DICOM 按钮，这将打开文件目录。
4. 导航至项目的主文件夹，即包含原始数据的文件夹，并选择待分析的患者。单击患者的文件夹使其高亮显示，然后点击 打开。
5. 图像现在将以三种视图显示：轴状面、矢状面和冠状面。在某一视图上悬停并滚动鼠标，可浏览该视图下的各层切片。每个视图中的十字线表示当前指针所在位置。可通过滑动程序右下角的滑块调节亮度和对比度，如 图3 所示。

图2：初始程序窗口。 程序首次启动时，按钮布局与一幅艺术图像一同显示。请点击此处查看该图的放大版本。

图3：图形用户界面（GUI）。 图像加载完成后，程序的图形用户界面会显示图像的三个解剖视图，每个视图上均带有十字准线，代表光标位置。请点击此处查看该图的放大版本。

3. 冠状动脉钙化分析

1. 准备开始分析时，点击 0 mg/mL 模体 按钮。将鼠标悬停在轴向视图上，并上下滚动，直到模体的 0 mg/mL 区域可见。
2. 将光标移至轴向视图中 0 mg/mL 模体的中心位置。此时保持光标不动，观察矢状面和冠状面视图中的十字准线。
3. 缓慢上下滚动几个层面，使三个视图中的十字准线均位于 0 mg/mL 模体的中心。单击以在当前层面及其相邻的两个层面上放置一个 10×10 的点阵。操作后，轴向视图中将出现一组红色圆圈，矢状面和冠状面视图中将出现一列三个点。这些点将用于权重函数的计算。
4. 对 100 mg/mL 模体重复步骤 3.1–3.3。
5. 若无可用模体，或模体因质量问题无法使用，请点击 无模体 按钮，系统将自动使用 10 个样本模体的聚合数据及其对应的权重函数。
6. 完成模体选择后，通过点击动脉按钮之一——LAD、LCA、LCX 或 RCA——开始逐个追踪四条冠状动脉。
7. 将鼠标悬停在轴向视图上并滚动，导航至所选动脉的近端或远端。观察该层面中动脉的形状。
8. 若该层面的轴向视图中动脉呈圆形且直径不超过 5 mm，请执行以下子步骤；若不呈圆形，则跳至步骤 3.9。
   1. 在轴向视图中单击动脉中心位置以放置一个点。所放置的点将以直径 5 mm 的圆圈显示。若动脉无法完全容纳在圆圈内，请双击该点将其删除，并跳至步骤 3.9 以绘制感兴趣区域（ROI）。该点也会同时显示在矢状面和冠状面视图中。
   2. 若在矢状面或冠状面视图中更易观察动脉，则可在相应视图中放置点，但需确保其与轴向视图中动脉中心对齐。
   3. 若所放置的点为误操作或位置不理想，可在任意一个视图中快速双击该点将其删除。左下角的文本将提示该点已被删除。
9. 若动脉在轴向平面上不呈圆形，请按以下步骤操作。
   1. 确保目标轴向层面可见后，点击 绘制 ROI 按钮。在弹出窗口中，滚动以放大/缩小，并围绕动脉单击以进行描记，如 图 4 所示。
      注意：与点不同，ROI 只能在轴向视图中放置。
   2. 在 ROI 尚未闭合时，可使用退格键删除上一个已放置的描记点。要闭合 ROI，可在最后一个点的位置双击，或双击第一个放置的点。
   3. 闭合后，可通过拖动 ROI 边界上的点，或在 ROI 边界上双击添加新点，进一步调整和优化 ROI。
   4. ROI 闭合后，弹出窗口底部将出现两个按钮：锁定 和 重绘 ROI。若需重新绘制，可点击 重绘 ROI 按钮清除当前 ROI 并重新绘制。
   5. 当对当前 ROI 满意后，点击 锁定 按钮，并通过点击弹出窗口左上角的红色按钮（Mac）或右上角的 X 按钮（PC）关闭弹出窗口。
   6. 即使 ROI 已被锁定，仍可通过在主程序窗口的轴向视图中双击任意边界点将其删除（非弹出窗口内）。

图4：绘制感兴趣区域（ROI）功能。 当选择“绘制ROI”选项时，当前轴向切片的弹窗将显示。黄色区域表示此前在该切片上绘制的感兴趣区域。 请点击此处查看该图的放大版本。

10. 在轴向视图中向上或向下滚动一个切片，并重复步骤 3.8-3.9，直至到达所选动脉的末端。完成后，重新点击已完成动脉的按钮，以查看该动脉的轨迹，确保未误置任何点。
    注意：每个轴向切片上可放置多个点或感兴趣区域（ROI）。同一切片上两个 ROI 之间的额外连接线可忽略。若某条动脉的任何切片未被标记，将弹出错误提示信息。关闭该信息提示，然后补全遗漏的切片标记。
11. 继续处理下一条动脉，重复步骤 3.6-3.10。
12. 当四条动脉全部追踪完成后，点击右下角的 SWCS 按钮以生成结果。左下区域将显示处理进度，并在完成后显示“处理完成”。通过点击左上角的红色按钮（Mac）或右上角的 X 按钮（PC）关闭程序窗口。

4. 查看结果

1. 要访问刚刚分析的病例结果，请打开文件目录并导航至项目的主文件夹。进入 Meta_Data 文件夹，注意其中已出现一个与该受试者原始数据文件夹同名的新文件夹。
2. 在此文件夹内，将包含三种类型的文件：CSV、PNG 和 PDF。请查阅 PDF 文件以获取该病例的最终 SWCS 和 Agatston 评分，以及所使用的加权函数。
   注意：CSV 文件存储了分析该受试者时所放置的各个点/感兴趣区域（ROI）的坐标。保留这些 CSV 文件后，可在日后重新在程序中打开该受试者的图像，并自动显示先前的点/ROI。重新打开病例后所做的任何修改，将自动反映在 CSV 文件中。

结果

本节展示的代表性结果说明了成功使用该程序所包含的内容。此处以一位 Agatston 评分大于零的患者为例进行说明。如前所述，患者元数据文件夹中的结果将包含 CSV 格式的电子表格、PNG 格式的图像以及 PDF 格式的报告，如图5所示。PNG 文件的数量因病例而异，因为仅包含对明显钙化区域（HU > 130）所选像素的截图。此外还包括权重函数图像、模体图像，以及每条冠状动脉在三维空间中的点/感兴趣区域（ROI）轨迹图像。这些图像均出现在报告中。每条被分析的动脉对应一份独立的报告。报告中提供 SWCS 和 Agatston 评分、权重函数、点/ROI 轨迹，以及模体和动脉的任何截图。另附一份包含总评分的汇总报告，其中仅包含各项评分和权重函数。图6展示了本案例中左回旋支（LCX）报告的首页样式，而图7则展示了点/ROI 轨迹图、模体截图以及一处明显钙化区域截图的代表性图像。

为了验证该程序对 Agats...

讨论

尽管该程序的操作流程相对简单，但有几个关键步骤对于成功使用并获得可靠结果至关重要。在开始之前，必须确保本程序所使用的患者数据已经过匿名化处理，以保护患者隐私。项目主文件夹的初始格式和命名必须正确，以便程序能够识别数据的读取和存储位置。文件夹命名或放置位置错误，尤其是Meta_Data文件夹，将导致程序出错。项目文件夹中若未包含封面图片，程序也将无法运行，因为程序会专门查找该图片。此外，必须通过检查三个视图来确认每个模体的真实中心位置，以确保不仅在放置点的切片上，而且在其上下切片中提取的点都是准确的。若将点放置得过高或过低，可能导致在权重函数计算中使用到空腔或空气区域的点。最后，每次完成一个病例后，必须关闭程序窗口。要分析另一位患者的图像，需通过点击Run按钮重新启动程序，以确保程序窗口中的图像能够正确显示。

由于本文所述方法主要基于软件，故障排查主要涉及检查程序的输入内容。如前所述，文件夹的格式和命名至关重要，遇到错误时应首先检查此项。另一个简单的检查是确保封面图片位于正确的位置。此外，应确保仅将DICOM文件输入程序；患者原始数据文件夹中的任何其...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
羟基磷灰石钙	Sigma-Aldrich	289396-100G	悬浮于EpoxAcast 690树脂中用于模体构建
临床心脏CT扫描仪	西门子	SOMATOM Force Dual Source CT	用于获取源图像；任何心脏CT设备均可满足要求
EpoxAcast 690	Smooth-On	03641	用于模体构建
MATLAB	Mathworks	R2019a	需配备图像处理工具箱和统计与机器学习工具箱；任何兼容并可运行R2019a版本脚本的版本均可满足要求
标准计算机	N/A	N/A	macOS或Windows操作系统
syngo.via	西门子	VB60A_HF04	商用软件，用于计算Agatston评分以进行验证研究