Summary
该视频演示了使用一种新型图形工具来测量空间加权钙评分 （SWCS），这是 Agatston 评分的替代方法，用于量化冠状动脉钙化。图形工具根据门控心脏计算机断层扫描的图像数据和用户定义的冠状动脉路径计算 SWCS。
Abstract
目前测量冠状动脉钙化以确定动脉粥样硬化程度的标准是通过计算机断层扫描 （CT） 计算 Agatston 评分。但是，Agatston 分数忽略小于 130 Hounsfield 单位 （胡） 的像素值和小于 1 mm2 的钙区域。由于这种阈值，评分对钙沉积的小、弱衰减区域不敏感，并且可能无法检测到新生的微钙化。最近提出的一种称为空间加权钙评分（SWCS）的指标也利用了CT，但不包括胡的阈值，也不需要连续像素中的信号升高。因此，SWCS 对衰减较弱、钙沉积量较小的敏感性，并可能改善冠心病风险的测量。目前，由于计算复杂性增加，SWCS未得到充分利用。为了促进 SWCS 向临床研究的转化和可靠、可重复的分数计算，本研究的目的是开发一种计算 SWCS 和 Agatston 分数的半自动图形工具。该计划需要在视野中使用羟基磷灰石钙模型进行门控心脏 CT 扫描。该模型允许导出一个加权函数，从中调整每个像素的权重，从而减轻信号变化和扫描之间的可变性。在同时看到所有三个解剖视图的情况下，用户通过放置感兴趣的点或区域来追踪四个主要冠状动脉的路线。滚动缩放、双击删除和亮度/对比度调整等功能，以及每一步的书面指导，使该程序用户友好且易于使用。一旦追踪动脉完成，程序就会生成报告，其中包括任何可见钙的分数和快照。SWCS 可能揭示亚临床疾病的存在，可用于早期干预和生活方式改变。
Introduction
使用计算机断层扫描 （CT） 测量动脉内的钙含量是评估冠状动脉粥样硬化严重程度的既定方法。了解和量化动脉粥样硬化的程度是确定未来冠心病风险的关键 1,2,3,4。测量冠状动脉钙的最常见方法是使用 Agatston 评分5。但是，Agatston 分数计算的一部分依赖于所选像素的强度，以 Hounsfield 单位 （胡） 测量。计算中不考虑任何小于 130 胡 的像素。同样，不考虑面积小于 1 mm2 的钙化。由于这些阈值，Agatston 评分对小的、弱衰减的钙化病灶不敏感，这可能对于揭示亚临床疾病的存在仍然很重要6.
提出了一种先前描述的称为空间加权钙评分 （SWCS） 的指标，用于评估低水平钙化患者发生动脉粥样硬化斑块的风险7。与Agatston评分不同，SWCS不使用信号阈值来减少图像噪声的影响。取而代之的是，它利用一个具有已知浓度的羟基磷灰石钙 （CHA） 的幻影物体放置在参与者身上，使其处于扫描的视野中。在这里，在显影过程中使用了具有 0 mg/mL、50 mg/mL、100 mg/mL 和 200 mg/mL CHA 的模型;然而，在图形工具的当前实现中，只需要 0 mg/mL 和 100 mg/mL 部分。该模型用于创建特定于扫描的加权函数，然后用于对用户选择的每个像素及其相邻像素进行加权。具有高衰减水平的相邻像素的像素比被具有较低衰减水平的像素包围的像素具有更大的权重。这一过程使 SWCS 能够容忍噪声，并且从扫描到扫描8 具有可比性。SWCS 是连续的，即使在钙化水平较低时也会产生评分，当 Agatston 评分为零时，可以量化动脉粥样硬化的程度。即使 Agatston 评分为零，也可以评估微钙化，SWCS 对于揭示亚临床疾病的存在可能很重要。这可能有助于更好地了解动脉粥样硬化的遗传、环境和其他危险因素 9,10。之前的一项研究检查了大约 15 年后基线时 Agatston 评分为零且随访时非零分的个体，观察到基线时 SWCS 较高的人冠心病 （CHD） 事件发生率较高。SWCS 的预测能力在年轻人群中尤为重要，长期检测和监测残余风险可能会有所帮助6.
这里介绍的是一个半自动工具，用于计算 SWCS 和 Agatston 分数。该工具利用在兼容编程语言上运行的图形用户界面。用户能够与图像进行交互，以生成最终的一系列报告，其中包括两个钙评分。首先，用户选择一个病例或一系列医学数字成像和通信 （DICOM） 文件输入到程序中。这些图像必须是屏气、心电图门控 CT 扫描，仅在舒张期采集，以避免呼吸和心脏运动。虽然该程序适用于任何心脏 CT 图像，但为了产生有意义的结果，源图像应符合最低临床钙评分指南11,12。作为参考，本文使用切片厚度为 3 mm、峰值管电压为 100 kVp、平均 CT 剂量指数 vol 为 1.19 mGy 和图像分辨率为 512 x 512 像素。任何不是 512 x 512 像素的图像都会在程序中自动重新采样，以确保小钙化区域的分辨率足够且一致。加载图像后，用户可以在轴向、矢状面和冠状视图中看到它们。然后，在选择模型的 0 mg/mL 和 100 mg/mL 部分之前，可以调整图像的亮度和对比度以获得更好的可视化效果。接下来，用户可以通过放置一个点、一个感兴趣区域 （ROI） 或两者的组合来追踪四条冠状动脉中的每一个——左前降支 （LAD）、左冠状动脉 （LCA）、左冠状动脉 （LCX） 和右冠状动脉 （RCA），以便彻底选择动脉的像素，而不管动脉在轴向平面上的表现如何。用户可以根据需要删除和替换或重绘点和 ROI。单击 SWCS 按钮将生成最终报告。案例是自动保存的，以便以后可以重新加载图像以及点和 ROI。使用该程序时，每个点都提供书面说明，使该程序易于使用。
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Protocol
本研究是在西奈山机构审查委员会 （HS-20-01011） 的批准下进行的，所有受试者都给予了书面知情同意书。
1. 开始实验方案前的准备工作
- 此程序需要适当的文件夹结构。首先，右键单击并选择文件目录中的“新建文件夹”选项，在计算机上的任何位置为项目创建主 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： 此程序所需的所有 DICOM 标头均为标准。因此，该程序可以跨扫描仪平台进行翻译。 - 在此主文件夹中，通过右键单击并选择 “新建 文件夹”选项两次来创建两个新文件夹。
- 重命名这两个文件夹中的第一个文件夹，通过右键单击它并选择 “重命名 ”选项，使其明显存储原始数据（例如，Original_Data）。
- 通过右键单击并选择“新建文件夹”选项，在此Original_Data文件夹中为给定患者创建一个新 文件夹 。通过右键单击文件夹并选择“重命名”选项，将其 重命名 为匿名患者标识符。仅将该患者的完整原始 DICOM 文件集导入此文件夹。
- 对程序中要分析的所有患者重复步骤 1.3.1。
- 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，将这两个文件夹中的第二个重命名为用于存储结果的Meta_Data。在运行程序并生成结果之前，此文件夹将为空。
- 下载程序文件（补充文件1）和封面图片（补充文件2），并通过拖放将它们从下载文件夹移动到主项目文件夹。项目文件夹的最终设置应如图 1 所示。
图 1：主项目文件夹的格式。 此图显示了项目的主文件夹应如何构建和格式化，以便正确使用程序。 请点击这里查看此图的较大版本.
2. 启动程序
- 通过双击项目主文件夹中的文件来打开程序的代码。这将打开软件并显示程序的代码。
- 单击编辑器窗口上的任意位置进入编辑器窗口。单击编辑器选项卡顶部功能区中的绿色 “运行 ”按钮以启动程序。打开后，初始程序窗口应如图 2 所示。
注意：在使用程序的整个过程中，有关用户预期操作和结果生成进度的书面说明将显示在左下角区域。 - 单击左下角 的“打开 DICOM ”按钮。这将打开文件目录。
- 导航到项目的主文件夹（包含原始数据的文件夹）以及要分析的患者。单击患者的文件夹以使其突出显示，然后单击 “打开”。
- 图像现在将出现在三个视图中：轴向、矢状面和冠状。将鼠标悬停在特定视图上并滚动将遍历该视图中的切片。每个视图上的十字光标显示指针在那一刻的位置。通过滑动条来调整程序右下角区域的亮度和对比度， 如图 3 所示。
图 2：初始程序窗口。 该程序在最初启动时，具有与艺术图像一起布局的按钮。 请点击这里查看此图的较大版本.
图 3：图形用户界面 （GUI）。 加载图像后，程序的 GUI 会显示图像的三个解剖视图以及每个视图上的十字准线，代表光标。 请点击这里查看此图的较大版本.
3. 分析冠状动脉钙化
- 准备开始分析时，单击 0 mg/mL Phantom 按钮。将鼠标悬停在轴向视图上并向上或向下滚动，直到可以看到模型的 0 mg/mL 部分。
- 在轴向视图中将光标移动到 0 mg/mL 模型的中心。现在，在不移动光标的情况下，观察矢状面和冠状视图中的十字准线。
- 缓慢地上下滚动几个切片，直到所有三个视图中的十字准线都位于 0 mg/mL 模型的中心。单击可在当前切片及其相邻的两个切片上放置一个 10×10 的点网格。这样做将导致轴向视图中出现红色圆圈簇，并在矢状面和冠状视图中出现三点列。这些点将用于加权函数的计算。
- 对 100 mg/mL 模型重复步骤 3.1-3.3。
- 如果模型不可用或由于质量问题而无法使用，请单击“无模型”按钮以聚合 10 个样本 模型 及其相应的加权函数。
- 选择完模型后，通过单击其中一个动脉按钮（ LAD、LCA、LCX 或 RCA）开始追踪四条冠状动脉中的每一条。
- 将鼠标悬停在轴向视图上并滚动以导航到所选动脉的近端或远端。观察该切片中动脉的形状。
- 如果动脉的形状在此切片的轴向视图中是圆形的，并且直径最多为 5 毫米，请按照以下子步骤操作。如果它不是循环的，请继续执行步骤 3.9。
- 通过在轴向视图中单击动脉中心，在动脉上放置一个点。放置的点将以直径为 5 毫米的圆圈显示。如果动脉不适合圆圈，请双击将其删除，然后继续执行步骤 3.9 以绘制 ROI。该点也将出现在矢状面和冠状面视图中。
- 如果动脉在矢状面或冠状位下更容易看到，请在那里放置一个点。确保它与轴向视图中的动脉中心对齐。
- 如果放置的点是偶然的或不是最佳的，则可以通过在三个视图中的任何一个中快速双击该点来删除该点。左下角区域中的文本将发出该点已删除的通知。
- 如果动脉的形状在轴向平面上不是圆形的，请按照以下步骤操作。
- 在确保所需的轴向切片处于视野中的同时，单击 “绘制 ROI”按钮。在弹出窗口中，滚动放大/缩小，然后开始单击动脉以追踪它，如图 4 所示。
注意：与点不同，ROI 只能放置在轴向视图中。 - 当 ROI 仍处于打开状态时，可以使用退格键删除位于动脉追踪中的前一个点。要 关闭 ROI，请双击要放置最后一个点的位置，或双击放置的第一个点。
- 通过拖动 ROI 的周长点或双击 ROI 的周长来添加点，进一步调整已关闭的 ROI，并对其进行细化。
- 关闭 ROI 后，弹出窗口底部将出现两个按钮： 锁定 和 重绘 ROI。如果需要重绘 ROI，请单击 重绘 ROI 按钮以清除当前 ROI 并绘制新的。
- 如果对当前 ROI 感到满意，请单击“ 锁定 ”按钮，然后单击弹出窗口左上角的红色按钮 （Mac） 或右上角 （PC） 的 X 按钮关闭弹出窗口。
- 即使 ROI 被锁定，也可以通过双击主程序窗口（而不是弹出窗口）轴视图中的任何周长点来删除它。
- 在确保所需的轴向切片处于视野中的同时，单击 “绘制 ROI”按钮。在弹出窗口中，滚动放大/缩小，然后开始单击动脉以追踪它，如图 4 所示。
图 4：绘制 ROI 功能。 选择“绘制 ROI”（Draw ROI） 选项后，将出现当前轴向切片的弹出窗口。黄色表示之前在此切片上绘制的 ROI。 请点击这里查看此图的较大版本.
- 在轴向视图中向上或向下滚动一个切片，然后重复步骤 3.8-3.9，直到到达所选动脉的末端。完成后，重新单击已完成的动脉按钮以查看动脉的追踪并确保没有放置意外点。
注意：可以在任何给定的轴向切片上放置多个点或 ROI。可以忽略在切片上连接两个 ROI 的额外行。如果给定动脉的任何切片未标记，则会出现错误消息。关闭邮件并标记错过的切片。 - 继续到四条动脉中的下一条，重复步骤 3.6-3.10。
- 追踪完所有四条动脉后，单击右下角的 SWCS 按钮以生成结果。左下角区域将显示进度，完成后将显示“完成处理”。单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. 访问结果
- 要访问刚刚分析的案例的结果，请打开 files 目录并导航到项目的主文件夹。进入 Meta_Data 文件夹，请注意，已出现一个与该主题的原始数据文件夹同名的新文件夹。
- 在此文件夹中，将有三种类型的文档：CSV、PNG 和 PDF。 查看 PDF 以获取案例的最终 SWCS 和 Agatston 分数，以及使用的加权函数。
注意：CSV 存储分析此主题时放置的各个点/ROI 的坐标。拥有这些 CSV 将允许该主题的图像在晚些时候在程序中重新打开，并自动显示之前的点/ROI。重新打开案例时，对案例所做的任何更改都将自动反映在 CSV 中。
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Representative Results
本节中显示的代表性结果显示了成功使用该程序所需的内容。这里以 Agatston 评分大于零的患者为例。如前所述，患者元数据文件夹中的结果将包含 CSV 文件形式的电子表格、PNG 文件形式的图像和 PDF 文件形式的报告，如图 5 所示。PNG 文件的数量因情况而异，因为仅包含具有明显钙 （胡 > 130） 的选定像素的快照。还有加权函数、模型和 3D 空间中每条动脉的点/ROI 轨迹的图像。这些图像将显示在报表中。每条分析的动脉都有一份报告。这些报告提供了 SWCS 和 Agatston 评分、加权函数、点/ROI 轨迹以及幻影和动脉的任何快照。还包括一份包含总分的报告，并且仅具有分数和加权功能。图 6 显示了在这种情况下 LCX 报告的第一页的外观，而图 7 显示了点/ROI 轨迹 图 的代表性图像、模型快照和明显的钙快照。
为了验证程序对 Agatston 分数的计算，进行了一项验证研究，将程序的输出与商用软件的输出进行比较。两名图像分析师分别在程序和商业软件上分析了总共 10 例已知冠状动脉中有钙的病例。动脉中存在钙的病例用于避免 Agatston 评分为零，这对于比较目的没有用处。收集了 10 例病例中两种工具的总 Agatston 评分（每条动脉的 Agatston 评分之和），并在 Bland-Altman 图上进行了分析（图 8）。95%置信区间与平均值相差17个百分点±。
图 5：results 文件夹的内容。 如果程序使用正确，则给定患者的元数据文件夹具有显示的 CSV、PNG 和 PDF 文件。 请点击这里查看此图的较大版本.
图 6：LCX 报告。 此示例显示报表的第一页应是什么样子。SWCS 和 Agatston 评分以红色显示，钙化程度（Agatston 评分计算中包含的切片数量）显示。还显示了模型派生的加权函数，该函数根据给定像素的衰减水平显示其权重。 请点击这里查看此图的较大版本.
图 7：各种 PNG。 每条动脉的报告包括 A） 显示标记点/ROI 轨迹的图表，B） 模型的快照，以及 C） 一个或多个明显钙的快照（如果有）。 请点击这里查看此图的较大版本.
图 8：程序 Agatston 分数的验证。 这个 Bland-Altman 图显示了 10 例已知在一条或多条冠状动脉中含有钙的病例，从该程序获得的 Agatston 评分与从商业软件获得的 Agatston 评分之间的百分比差异。 请点击这里查看此图的较大版本.
补充文件1：SWCS代码。 此文件包含要运行的程序代码，用于 SWCS 测量。 请点击这里下载此文件。
补充文件2：Lamprocapnos spectabilis。 这是最初启动时在主程序窗口中显示的艺术图像。 请点击这里下载此文件。
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Discussion
虽然该程序的协议相对容易遵循，但有几个关键步骤是成功使用和可靠结果所必需的。在开始之前，重要的是要确保将在此计划中使用的患者数据是匿名的，以确保患者的机密性。项目主文件夹的初始格式和命名必须正确，程序才能识别提取和放置数据的位置。不正确的文件夹命名和/或放置，尤其是Meta_Data文件夹，会导致程序中出现错误。在项目的文件夹中不包括封面图像也会导致程序无法运行，因为它专门查找图像。通过检查所有三个视图来确保选择每个模型的真实中心也很重要。这确保了不仅从放置点的切片中提取准确的点，而且从上方和下方的切片中提取准确的点。将一个点放在模型的上方或下方太高，可能会导致在加权函数计算中使用空隙或空气的点。最后，在每个案例运行完毕后关闭程序窗口非常重要。要分析其他患者的图像，请单击“ 运行 ”按钮重新启动程序。这确保了在程序窗口中正确查看图像。
由于所介绍的大多数方法都是基于软件的，因此故障排除主要涉及检查程序的输入。如前所述，文件夹格式和命名至关重要，遇到错误时应该首先检查。另一个简单的检查是确保封面艺术位于正确的位置。此外，应确保仅将 DICOM 文件输入到程序中;患者原始数据文件夹中的任何其他文件类型都会导致错误。程序中出错的另一个不太常见的原因是没有为DICOM处理和一些数学计算所需的所选编程语言下载正确的工具箱。对于此处未解释的错误，使用软件的帮助中心来解释在命令窗口中发现的错误会很有帮助。
虽然这种方法在获得准确的 SWCS 方面是有效且成功的，但该程序存在一些局限性。对文件夹结构和设置的依赖限制了用户在生成最终报告之前存储项目数据的方式。如果用户不习惯所需的文件夹结构，则可能需要进行一些调整。另一个限制属于程序本身。仅放置单个点或自由形式的 ROI 的能力，并且必须标记每条动脉的所有切片，这限制了追踪动脉的速度。在绘制 ROI 后必须关闭每个弹出窗口的行为也增加了分析每个案例所花费的时间。然而，尽管存在这些限制，这种生成 SWCS 的方法是有效且易于学习的。
所提出的方法由于其新颖性而具有重要意义。虽然其他人已经彻底阐述了计算 SWCS 的方法7，但目前不存在半自动计算 SWCS 和 Agatston 分数的程序。该程序计算两个分数的事实通过减少使用另一个程序获取 Agatston 分数的额外步骤来节省用户的时间。随着量化低水平钙化的重要性持续增长6，对能够产生 SWCS 的程序的需求也将增加。该计划将主要对心脏病学领域有所帮助，因为 SWCS 有助于更好地了解与动脉粥样硬化相关的危险因素。
总之，已经实施了一种新的工具来计算 SWCS 和 Agatston 分数，并根据独立工具验证了 Agatston 分数。该工具将允许多个用户在未来的研究中对SWCS进行稳健的计算，以进一步了解和检测亚临床冠心病。
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Disclosures
作者声明他们没有要披露的利益冲突。
Acknowledgments
这项工作得到了美国国立卫生研究院资助R01ES029967的支持。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Calcium Hydroxyapatite | Sigma-Aldrich | 289396-100G | Suspended in EpoxAcast 690 resin for phantom creation |
| Clinical Cardiac CT Scanner | Siemens | SOMATOM Force Dual Source CT | Used for the source images; Any cardiac CT will be sufficient |
| EpoxAcast 690 | Smooth-On | 03641 | Used for phantom creation |
| MATLAB | Mathworks | R2019a | Requires Image Processing Toolbox and Statistics and Machine Learning Toolbox; Any version compatible with and able to run version R2019a scripts is sufficient |
| Standard Computer | N/A | N/A | macOS or Windows operating system |
| syngo.via | Siemens | VB60A_HF04 | Commercial software used for computing Agatston score for validation study |
References
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