ゲート付き心臓コンピュータ断層撮影画像から冠動脈空間的に重み付けされたカルシウムスコアを測定するための半自動グラフィカルツール

要約

このビデオでは、冠動脈石灰化を定量化するために、アガットストンスコアの代替である空間加重カルシウムスコア(SWCS)を測定するための新しいグラフィカルツールの使用を紹介します。このグラフィカルツールは、ゲート付き心臓コンピュータ断層撮影からの画像データと冠状動脈のユーザー定義の経路に基づいてSWCSを計算します。

要約

アテローム性動脈硬化症の程度を判断するために冠動脈石灰化を測定するための現在の標準は、コンピューター断層撮影(CT)からアガットストンスコアを計算することです。ただし、Agatston スコアでは、130 ハウンズフィールド単位 (HU) 未満のピクセル値と 1 mm² 未満のカルシウム領域は無視されます。この閾値化により、スコアはカルシウム沈着の小さくて弱く減衰する領域に敏感ではなく、初期の微小石灰化を検出できない可能性があります。最近提案された空間加重カルシウムスコア(SWCS)と呼ばれる指標もCTを利用していますが、HUの閾値は含まれておらず、連続したピクセルで高い信号を必要としません。したがって、SWCSは弱く減衰する小さなカルシウム沈着物に敏感であり、冠状動脈性心疾患リスクの測定を改善する可能性があります。現在、SWCSは計算の複雑さが増したため、十分に活用されていません。SWCSの臨床研究への変換と、信頼性が高く再現性のあるスコアの計算を促進するために、この研究の目的は、SWCSとAgatstonスコアの両方を計算する半自動グラフィカルツールを開発することでした。このプログラムでは、視野内にカルシウムハイドロキシアパタイトファントムを使用したゲート付き心臓CTスキャンが必要です。ファントムは、各ピクセルの重みが調整される重み付け関数を導出することを可能にし、スキャン間の信号の変動や変動性を軽減することができます。3つの解剖学的ビューがすべて同時に表示されるため、ユーザーは関心のあるポイントまたは領域を配置することで、4つの主要な冠動脈のコースをたどります。スクロールしてズーム、ダブルクリックして削除、明るさ/コントラストの調整などの機能と、各ステップでの書面によるガイダンスにより、プログラムはユーザーフレンドリーで使いやすいものになっています。動脈のトレースが完了すると、プログラムは、目に見えるカルシウムのスコアとスナップショットを含むレポートを生成します。SWCSは、無症候性疾患の存在を明らかにする可能性があり、早期介入やライフスタイルの変更に使用できます。

概要

コンピュータ断層撮影(CT)を使用して動脈内のカルシウム量を測定することは、冠動脈アテローム性動脈硬化症の重症度を評価するための確立された方法です。アテローム性動脈硬化症の程度を知り、定量化することは、将来の冠状動脈性心疾患のリスクを判断するための鍵です^1,2,3,4。冠状動脈のカルシウムを測定する最も一般的な方法は、アガットストンスコア⁵を使用することです。ただし、アガットストン スコアの計算の一部は、ハウンズフィールド単位 (HU) で測定された選択されたピクセルの強度に依存しています。130 HU 未満のピクセルは計算に考慮されません。同様に、面積が^1mm2未満の石灰化は考慮されません。これらの閾値により、アガットストンスコアは、石灰化の小さくて弱く減衰する病巣に敏感ではなく、無症候^{性疾患の存在}を明らかにする上で依然として重要である可能性があります6。

空間加重カルシウムスコア(SWCS)と呼ばれる以前に記述された指標は、低レベルの石^灰化7の患者におけるアテローム性動脈硬化性プラークのリスクを評価するために提案されました。Agatstonスコアとは異なり、SWCSは画像ノイズの影響を軽減するために信号しきい値を使用しません。代わりに、カルシウムハイドロキシアパタイト(CHA)の濃度がわかっているファントムオブジェクトを、スキャンの視野に入るように参加者に配置します。ここでは、0 mg/mL、50 mg/mL、100 mg/mL、200 mg/mL CHAのファントムを開発中に使用しました。ただし、グラフィカルツールの現在の実装では、0 mg/mLと100 mg/mLの切片のみが必要です。ファントムは、スキャン固有の重み付け関数を作成するために使用され、ユーザーが選択した各ピクセルとその近傍ピクセルの重み付けに使用されます。減衰レベルが高い隣接ピクセルを持つピクセルは、減衰レベルの低いピクセルで囲まれたピクセルよりも重みが大きくなります。このプロセスにより、SWCSはノイズに耐性があり、スキャンごとに比較可能^{になります8。}SWCSは連続的であり、石灰化のレベルが低い場合でもスコアを生成するため、アガットストンスコアがゼロの場合にアテローム性動脈硬化症の程度を定量化できます。アガットストンスコアがゼロの場合でも微小石灰化の評価を可能にすることにより、SWCSは無症候性疾患の存在を明らかにする上で重要である可能性があります。これにより、アテローム性動脈硬化症の遺伝的、環境的、およびその他の危険因子をよりよく理解できる可能性があります^9,10。ベースライン時にアガットストンスコアがゼロで、約15年後の追跡調査でゼロ以外の個人を調べた以前の研究では、ベースライン時にSWCSが高い人は冠状動脈性心疾患(CHD)イベントの発生率が高いことが観察されました。SWCSの予測力は、長期にわたる残存リスクの検出とモニタリングが役立つ可能性のある若年層において特に重要である⁶。

ここでは、SWCSとAgatstonスコアを計算するための半自動ツールを紹介します。このツールは、互換性のあるプログラミング言語で動作するグラフィカルユーザーインターフェイスを利用します。ユーザーは、画像を操作して、2つのカルシウムスコアを含む最終的な一連のレポートを生成できます。まず、ユーザーはケースまたは一連の Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM) ファイルを選択して、プログラムに入力します。これらの画像は、呼吸と心臓の動きを避けるために拡張期にのみ取得された、息を止めた心電図同期CTスキャンでなければなりません。プログラムは心臓CT画像で機能しますが、意味のある結果を得るには、ソース画像が最低臨床カルシウムスコアリングガイドライン^11,12を満たしている必要があります。参考までに、スライスの厚さは3mm、ピーク管電圧は100kVp、平均CT線量指数volは1.19mGy、画像解像度は512×512ピクセルである。512 x 512 ピクセル以外の画像は、石灰化の小さな領域の適切で一貫した解像度を確保するために、プログラム内で自動的に再サンプリングされます。画像が読み込まれると、ユーザーは軸、矢状、冠状のビューで画像を見ることができます。次に、ファントムの0 mg/mLおよび100 mg/mLの切片を選択する前に、画像の明るさとコントラストを調整して視覚化することができます。次に、左前下行動脈(LAD)、左冠動脈(LCA)、左回旋動脈(LCX)、右冠動脈(RCA)の4つの冠動脈をそれぞれ、ポイント、関心領域(ROI)、またはその両方の組み合わせを配置することで追跡し、動脈が軸面でどのように表示されるかに関係なく、動脈のピクセルを完全に選択することができます。ユーザは、必要に応じて、点およびROIを削除および置換または再描画することができる。「SWCS」ボタンをクリックすると、最終レポートが生成されます。ケースは自動保存されるため、画像はポイントやROIとともに後で再読み込みできます。また、プログラムの使用中には、あらゆる時点で書面による指示が用意されており、プログラムが使いやすいものとなっています。

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プロトコル

この研究は、マウントサイナイ治験審査委員会(HS-20-01011)の承認を得て実施され、すべての被験者は書面によるインフォームドコンセントを与えました。

1.プロトコル開始前の準備

図1:メインプロジェクトフォルダのフォーマット この図は、プログラムを適切に使用するために、プロジェクトのメインフォルダがどのように構造化され、フォーマットされるかを示しています。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

2. プログラムの起動

1. プロジェクトのメインフォルダにあるファイルをダブルクリックして、プログラムのコードを開きます。これにより、ソフトウェアが開き、プログラムのコードが表示されます。
2. エディタウィンドウに入るには、任意の場所をシングルクリックします。エディタタブの上部のリボンにある緑色の[ 実行 ]ボタンをクリックして、プログラムを起動します。最初のプログラム・ウィンドウを開くと、 図 2 のようになります。
   注意: プログラムの使用中に、ユーザーから予想されるアクションと結果生成の進行状況に関する書面による指示が左下の領域に表示されます。
3. 左下隅にある[ DICOMを開く ]ボタンをクリックします。これにより、ファイルディレクトリが開きます。
4. プロジェクトのメインフォルダ、元のデータを含むフォルダ、および分析する患者に移動します。患者のフォルダを 1 回クリックして強調表示し、[ 開く] をクリックします。
5. 画像は、軸、矢状、冠状の3つのビューに表示されます。特定のビューにカーソルを合わせてスクロールすると、そのビューのスライスが移動します。各ビューの十字線は、その時点でのポインタの位置を示します。 図3のように、バーをスライドさせて、プログラムの右下の領域の明るさとコントラストを調整します。

図2:初期プログラムウィンドウ プログラムを最初に起動すると、ボタンがアート画像とともに配置されています。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

図3:グラフィカルユーザーインターフェース(GUI)。 画像が読み込まれると、プログラムのGUIに画像の3つの解剖学的ビューが表示され、各ビューにはカーソルを表す十字線が表示されます。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

3. 冠動脈石灰化の解析

1. 分析を開始する準備ができたら、 0 mg/mL Phantom ボタンをクリックします。軸方向ビューにカーソルを合わせ、ファントムの 0 mg/mL セクションが表示されるまで上下にスクロールします。
2. カーソルを軸方向図の 0 mg/mL ファントムの中央に移動します。ここで、カーソルを動かさずに、矢状面図と冠状図の十字線を観察します。
3. 3 つのビューすべての十字線が 0 mg/mL ファントムの中央に来るまで、数スライスをゆっくりと上下にスクロールします。シングルクリックすると、現在のスライスと隣接する 2 つのスライスに 10 x 10 のグリッドのポイントが配置されます。これにより、軸方向ビューに赤い円のクラスターが表示され、矢状ビューと冠状ビューに3点の列が表示されます。これらのポイントは、重み付け関数の計算に使用されます。
4. ステップ 3.1 から 3.3 を 100 mg/mL のファントムについて繰り返します。
5. ファントムが使用できない場合、または品質上の問題により使用できない場合は、[ファントムなし]ボタンをクリックして、10個のサンプル ファントム の集計とそれに対応する重み付け関数を使用します。
6. ファントムの選択が完了したら、 LAD、LCA、LCX、 または RCAの動脈ボタンの1つをクリックして、4つの冠状動脈のそれぞれをトレースし始めます。
7. 軸方向ビューにカーソルを合わせてスクロールし、選択した動脈の近位端または遠位端に移動します。このスライスの動脈の形を観察します。
8. 動脈の形状がこのスライスの軸方向図で円形で、直径が最大5 mmの場合は、次のサブステップに従います。円形でない場合は、手順 3.9 に進みます。
   1. 軸方向ビューで動脈の中心をシングルクリックして、動脈上に点を配置します。配置したポイントは、直径 5 mm の円で表示されます。動脈が円に収まらない場合は、動脈をダブルクリックして削除し、手順3.9に進んでROIを描きます。このポイントは、矢状面と冠状のビューにも表示されます。
   2. 矢状または冠状動脈のビューで動脈が視覚化しやすい場合は、代わりにそこにポイントを配置します。軸方向図で動脈の中心と位置が合っていることを確認します。
   3. 配置したポイントが偶発的であったり、最適でない場合は、3つのビューのいずれかでポイントをすばやくダブルクリックすることで削除できます。左下の領域のテキストは、ポイントが削除されたことを通知します。
9. 動脈の形状が軸面で円形でない場合は、以下の手順に従ってください。
   1. 目的の軸方向のスライスが表示されていることを確認しながら、 ROIの描画ボタンをクリックします。ポップアップウィンドウで、スクロールしてズームイン/ズームアウトし、動脈の周りをシングルクリックしてトレースします( 図4参照)。
      注: ROI は、ポイントとは異なり、軸ビューにのみ配置できます。
   2. ROIがまだ開いている間、バックスペースキーを使用して、動脈のトレースに配置された前のポイントを削除できます。 ROIを閉じるには、最後のポイントを配置する場所をダブルクリックするか、最初に配置したポイントをダブルクリックします。
   3. 閉じた ROI をさらに調整し、ROI の周長ポイントをドラッグするか、ROI の周長をダブルクリックしてポイントを追加することで、調整します。
   4. ROIが閉じられると、ポップアップウィンドウの下部に2つのボタンが表示されます: ROIをロックイン と 再描画します。ROI を再描画する必要がある場合は、[ROI の再描画] ボタンをクリックして現在の ROI をクリアし、新しい ROI を描画 します。
   5. 現在の ROI に満足したら、[ ロック] ボタンをクリックし、ポップアップの左上隅にある赤いボタン (Mac) または 右上隅にある [X ] ボタン (PC) をクリックして、ポップアップ ウィンドウを閉じます。
   6. ROIは、メインプログラムウィンドウ(ポップアップではなく)の軸ビューで外周点のいずれかをダブルクリックすることで、ロックされた後でも削除できます。

図4:ROI特徴の描画。 [ROI の描画] オプションを選択すると、現在の軸スライスのポップアップが表示されます。黄色は、このスライスに以前に描画された ROI を示しています。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

10. 軸方向ビューで1スライスを上下にスクロールし、選択した動脈の端に達するまで手順3.8〜3.9を繰り返します。完了したら、完成した動脈のボタンをもう一度クリックして、動脈のトレースを確認し、偶発的なポイントが配置されていないことを確認します。
    注: 任意の軸スライスに複数の点または ROI を配置できます。スライス上の 2 つの ROI を接続する余分な線は無視できます。特定の動脈のスライスにラベルが付いていない場合は、エラーメッセージが表示されます。メッセージを閉じ、欠落したスライスにラベルを付けます。
11. 4本の動脈の次の動脈に進み、手順3.6〜3.10を繰り返します。
12. 4 本の動脈をすべてトレースしたら、右下隅にある SWCS ボタンをクリックして結果を生成します。左下の領域に進行状況が表示され、終了すると「処理完了」と表示されます。左上隅の赤いボタン(Mac)または右上隅の X ボタン(PC)をクリックして、プログラムウィンドウを閉じます。

4. 結果へのアクセス

1. 分析したケースの結果にアクセスするには、files ディレクトリを開き、プロジェクトのメイン フォルダーに移動します。Meta_Dataフォルダに移動すると、そのサブジェクトの元のデータフォルダと同じ名前の新しいフォルダが表示されます。
2. このフォルダー内には、CSV、PNG、PDF の 3 種類のドキュメントがあります。 PDF を確認して、ケースの最終的な SWCS と Agatston スコア、および使用された重み付け関数を取得します。
   注:CSVには、この主題を分析するときに配置されたさまざまなポイント/ROIの座標が格納されます。これらのCSVを使用すると、この被験者の画像を後日プログラムで再度開き、以前のポイント/ROIを自動的に表示することができます。ケースに加えられた変更は、再度開くと、CSV に自動的に反映されます。

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結果

このセクションに示されている代表的な結果は、プログラムをうまく使用するために必要なものです。ここでは、アガットストンスコアがゼロより大きい患者を例に説明します。前述したように、患者のメタデータ フォルダー内の結果には、CSV ファイル形式のスプレッドシート、PNG ファイル形式の画像、PDF ファイル形式のレポートが含まれます ( 図 5 参照)。PNGファ?...

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ディスカッション

このプログラムのプロトコルは比較的簡単に実行できますが、正常に使用し、信頼性の高い結果を得るために必要ないくつかの重要な手順があります。開始する前に、このプログラムで使用される患者データが匿名化され、患者の機密性を確保することが重要です。プロジェクトのメインフォルダの初期フォーマットと名前付けは、プログラムがデータを取得して配置する場所を認識できる?...

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資料

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