관상동맥 공간 가중 칼슘 점수를 Gated Cardiac Computed Tomography 이미지에서 측정하기 위한 반자동 그래픽 도구

요약

이 비디오는 관상 동맥 석회화를 정량화하기 위해 Agatston 점수의 대안인 공간 가중 칼슘 점수(SWCS)를 측정하기 위한 새로운 그래픽 도구의 사용을 보여줍니다. 그래픽 도구는 관상 동맥의 게이트 심장 컴퓨터 단층 촬영 및 사용자 정의 경로의 이미지 데이터를 기반으로 SWCS를 계산합니다.

초록

죽상동맥경화증의 정도를 결정하기 위해 관상동맥 석회화를 측정하는 현재 표준은 컴퓨터 단층 촬영(CT)에서 Agatston 점수를 계산하는 것입니다. 그러나 Agatston 점수는 130 Hounsfield 단위(HU) 미만의 픽셀 값과 1mm 미만의 칼슘 영역²을 무시합니다. 이러한 임계값으로 인해 점수는 칼슘 침착의 작고 약하게 감쇠되는 영역에 민감하지 않으며 초기 미세 석회화를 감지하지 못할 수 있습니다. 최근에 제안된 공간 가중 칼슘 점수(SWCS)라는 메트릭도 CT를 활용하지만 HU에 대한 임계값을 포함하지 않으며 연속 픽셀에서 상승된 신호를 필요로 하지 않습니다. 따라서 SWCS는 약하게 감쇠되는 작은 칼슘 침전물에 민감하며 관상 동맥 심장 질환 위험의 측정을 향상시킬 수 있습니다. 현재 SWCS는 계산 복잡성이 추가되어 활용도가 낮습니다. SWCS를 임상 연구로 번역하고 신뢰할 수 있고 반복 가능한 점수 계산을 촉진하기 위해 이 연구의 목적은 SWCS와 Agatston 점수를 모두 계산하는 반자동 그래픽 도구를 개발하는 것이었습니다. 이 프로그램에는 시야에 칼슘 하이드록시아파타이트 팬텀이 있는 게이트 심장 CT 스캔이 필요합니다. 팬텀을 사용하면 각 픽셀의 가중치를 조정하는 가중치 함수를 파생할 수 있으므로 신호 변동과 스캔 간의 변동성을 완화할 수 있습니다. 세 가지 해부학적 보기를 동시에 볼 수 있으므로 사용자는 관심 지점 또는 영역을 배치하여 4개의 주요 관상 동맥의 경로를 추적합니다. 스크롤하여 확대/축소, 두 번 클릭하여 삭제, 밝기/대비 조정과 같은 기능과 모든 단계의 서면 지침은 프로그램을 사용자 친화적이고 사용하기 쉽게 만듭니다. 동맥 추적이 완료되면 프로그램은 눈에 보이는 칼슘의 점수와 스냅샷이 포함된 보고서를 생성합니다. SWCS는 조기 개입 및 생활 방식 변화에 사용될 수 있는 무증상 질병의 존재를 밝힐 수 있습니다.

서문

컴퓨터 단층 촬영(CT)을 사용하여 동맥 내 칼슘의 양을 측정하는 것은 관상 동맥 죽상 동맥 경화증의 중증도를 평가하는 확립된 방법입니다. 죽상동맥경화증의 정도를 알고 정량화하는 것은 미래의 관상동맥 심장질환의 위험을 결정하는 데 중요하다 1,2,3,4. 관상 동맥에서 칼슘을 측정하는 가장 일반적인 방법은 Agatston 점수⁵를 사용하는 것입니다. 그러나 Agatston 점수 계산의 일부는 Hounsfield 단위(HU)로 측정된 선택한 픽셀의 강도에 의존합니다. 130HU보다 작은 픽셀은 계산에 포함되지 않습니다. 마찬가지로, 면적이^1mm2 미만인 석회화는 고려되지 않습니다. 이러한 역치로 인해, Agatston 점수는 석회화의 작고 약하게 약화되는 병소에 민감하지 않으며, 이는 무증상 질환의 존재를 드러내는 데 여전히 중요할 수 있다⁶.

석회화 수준이 낮은 환자에서 죽상동맥경화성 플라크의 위험을 평가하기 위해 앞서 설명한 공간 가중 칼슘 점수(SWCS)라는 지표가 제안되었다⁷. Agatston 점수와 달리 SWCS는 이미지 노이즈의 영향을 줄이기 위해 신호 임계값을 사용하지 않습니다. 대신, 칼슘 하이드록시아파타이트(CHA)의 농도가 알려진 팬텀 물체를 사용하여 참가자에게 배치하여 스캔의 시야에 있도록 합니다. 여기서는 0mg/mL, 50mg/mL, 100mg/mL, 200mg/mL CHA의 팬텀이 개발 중에 사용되었습니다. 그러나 그래픽 도구의 현재 구현에서는 0mg/mL 및 100mg/mL 섹션만 필요합니다. 팬텀은 스캔별 가중치 기능을 만드는 데 사용되며, 이 함수는 사용자가 선택한 각 픽셀과 인접 픽셀의 가중치를 지정하는 데 사용됩니다. 감쇠 수준이 높은 인접 픽셀이 있는 픽셀은 감쇠 수준이 낮은 픽셀로 둘러싸인 픽셀보다 더 많은 가중치가 부여됩니다. 이 프로세스를 통해 SWCS는 노이즈에 대한 내성이 있으며 스캔^{간 비교 8}을 할 수 있습니다. SWCS는 연속적이며 석회화 수준이 낮은 경우에도 점수를 생성하므로 Agatston 점수가 0일 때 죽상동맥경화증의 정도를 정량화할 수 있습니다. Agatston 점수가 0인 경우에도 미세 석회화를 평가할 수 있도록 함으로써 SWCS는 무증상 질병의 존재를 밝히는 데 중요할 수 있습니다. 이를 통해 죽상동맥경화증의 유전적, 환경적 및 기타 위험 요인을 더 잘 이해할 수 있다 ^9,10. 기준선에서 Agatston 점수가 0이고 약 15년 후 추적 관찰에서 0이 아닌 개인을 조사한 이전 연구에서는 기준선에서 SWCS가 더 높은 사람들이 관상 동맥 심장 질환(CHD) 발병률이 더 높다는 것을 관찰했습니다. SWCS의 예측력은 특히 젊은 인구 집단에서 중요한데, 젊은 인구 집단에서는 장기간에 걸친 잔류 위험을 감지하고 모니터링하는 것이 도움이 될 수 있다⁶.

여기에 제시된 것은 Agatston 점수와 함께 SWCS를 계산하기 위한 반자동 도구입니다. 이 도구는 호환되는 프로그래밍 언어에서 실행되는 그래픽 사용자 인터페이스를 활용합니다. 사용자는 이미지와 상호 작용하여 두 개의 칼슘 점수가 포함된 최종 보고서 시리즈를 생성할 수 있습니다. 시작하려면 사용자는 케이스를 선택하거나 일련의 DICOM(Digital Imaging and Communications in Medicine) 파일을 선택하여 프로그램에 입력합니다. 이러한 이미지는 호흡 및 심장 운동을 피하기 위해 이완기 동안에만 획득한 호흡 유지, 심전도 게이트 CT 스캔이어야 합니다. 이 프로그램은 모든 심장 CT 영상으로 작동하지만 의미 있는 결과를 얻으려면 소스 영상이 최소 임상 칼슘 점수 지침^11,12을 충족해야 합니다. 참고로, 본 연구에서는 슬라이스 두께 3mm, 피크관 전압 100kVp, 평균 CT 선량 지수 vol 1.19mGy, 이미지 해상도 512 x 512 픽셀을 사용했습니다. 512 x 512 픽셀이 아닌 모든 이미지는 프로그램에서 자동으로 리샘플링되어 석회화의 작은 영역에 대한 적절하고 일관된 해상도를 보장합니다. 이미지가 로드되면 사용자는 축 보기, 시상 보기, 코로나 보기에서 이미지를 볼 수 있습니다. 그런 다음 팬텀의 0mg/mL 및 100mg/mL 섹션을 선택하기 전에 더 나은 시각화를 위해 이미지의 밝기와 대비를 조정할 수 있습니다. 다음으로, 사용자는 점, 관심 영역(ROI) 또는 이 둘의 조합을 배치하여 4개의 관상동맥(좌측 전방 하강(LAD), 좌측 관상동맥(LCA), 좌측 곡절(LCX) 및 우측 관상동맥(RCA)을 각각 추적할 수 있습니다. 사용자는 필요에 따라 포인트와 ROI를 삭제하고 교체하거나 다시 그릴 수 있습니다. SWCS 버튼을 클릭하면 최종 보고서가 생성됩니다. 케이스는 포인트 및 ROI와 함께 이미지를 나중에 다시 로드할 수 있도록 자동으로 저장됩니다. 프로그램을 사용하는 동안 모든 지점에서 서면 지침도 사용할 수 있어 프로그램을 쉽게 사용할 수 있습니다.

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프로토콜

이 연구는 Mount Sinai Institutional Review Board(HS-20-01011)의 승인을 받아 수행되었으며 모든 피험자는 서면 동의서를 제출했습니다.

1. 프로토콜 시작 전 준비 사항

1. 이 프로그램에는 적절한 폴더 구조가 필요합니다. 먼저 컴퓨터의 아무 곳에서나 마우스 오른쪽 버튼을 클릭하고 파일 디렉토리에서 새 폴더 옵션을 선택하여 프로젝트에 대한 기본 폴더를 만듭니다. 모든 입력 DICOM 파일과 결과는 이 기본 폴더에 저장됩니다.
   참고: 이 프로그램에 필요한 모든 DICOM 헤더는 표준입니다. 따라서 이 프로그램은 스캐너 플랫폼 간에 번역할 수 있습니다.
2. 이 기본 폴더 내에서 마우스 오른쪽 버튼을 클릭하고 새 폴더 옵션을 두 번 선택하여 두 개의 새 폴더를 만듭니다.
3. 이 두 폴더 중 첫 번째 폴더를 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하고 이름 바꾸 기 옵션을 선택하여 원시 데이터(예: Original_Data)를 저장한다는 것을 분명히 하기 위해 이름을 바꿉니다.
   1. 마우스 오른쪽 버튼을 클릭하고 새 폴더 옵션을 선택하여 이 Original_Data 폴더 내에 지정된 환자에 대한 새 폴더를 만듭니다. 폴더를 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하고 이름 바꾸기 옵션을 선택하여 익명화된 환자 식별자로 이름을 바꿉니다. 이 환자에 대한 원시 DICOM 파일의 전체 집합만 이 폴더로 가져옵니다.
   2. 프로그램에서 분석할 모든 환자에 대해 1.3.1단계를 반복합니다.
4. 이 두 폴더 중 두 번째 폴더를 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하고 이름 바꾸기 옵션을 선택하여 결과 저장을 위한 Meta_Data으로 이름을 바꿉니다. 이 폴더는 프로그램이 실행되고 결과가 생성될 때까지 비어 있습니다.
5. 프로그램 파일(보충 파일 1)과 표지 아트 이미지(보충 파일 2)를 다운로드하고 다운로드 폴더에서 메인 프로젝트 폴더로 드래그 앤 드롭하여 이동합니다. 프로젝트 폴더의 최종 설정은 그림 1과 비슷해야 합니다.

그림 1: 기본 프로젝트 폴더의 형식. 이 그림에서는 프로그램의 올바른 사용을 위해 프로젝트의 기본 폴더를 구성하고 형식을 지정하는 방법을 보여 줍니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

2. 프로그램 시작

1. 프로젝트의 기본 폴더에 있는 파일을 두 번 클릭하여 프로그램 코드를 엽니다. 그러면 소프트웨어가 열리고 프로그램 코드가 표시됩니다.
2. 편집기 창의 아무 곳이나 한 번 클릭하여 들어갑니다. 편집기 탭의 상단 리본에 있는 녹색 실행 버튼을 클릭하여 프로그램을 시작합니다. 초기 프로그램 창을 열면 그림 2와 같아야 합니다.
   알림: 사용자가 기대하는 조치와 결과 생성 진행 상황에 대한 서면 지침은 프로그램을 사용하는 동안 왼쪽 하단 영역에 표시됩니다.
3. 왼쪽 하단 모서리에 있는 DICOM 열기 버튼을 클릭합니다. 그러면 파일 디렉토리가 열립니다.
4. 프로젝트의 기본 폴더, 원본 데이터가 포함된 폴더 및 분석할 환자로 이동합니다. 환자의 폴더를 한 번 클릭하여 강조 표시하고 열기를 클릭합니다.
5. 이제 이미지는 축, 궁상, 관상이라는 세 가지 보기로 나타납니다. 특정 보기에서 마우스를 가리키고 스크롤하면 해당 보기의 조각이 통과합니다. 각 뷰의 십자선은 해당 순간의 포인터 위치를 표시합니다. 그림 3과 같이 막대를 밀어 프로그램의 오른쪽 하단 영역에서 밝기와 대비를 조정합니다.

그림 2: 초기 프로그램 창 이 프로그램은 처음 실행될 때 아트 이미지와 함께 버튼이 배치되어 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3: 그래픽 사용자 인터페이스(GUI). 이미지가 로드되면 프로그램의 GUI는 커서를 나타내는 각 보기의 십자선과 함께 이미지의 세 가지 해부학적 보기를 표시합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

3. 관상동맥 석회화 분석

1. 분석을 시작할 준비가 되면 0 mg/mL Phantom 버튼을 클릭합니다. 축 방향 보기 위로 마우스를 가져가 팬텀의 0mg/mL 섹션이 보일 때까지 위 또는 아래로 스크롤합니다.
2. 축 뷰에서 커서를 0mg/mL 팬텀의 중심으로 이동합니다. 이제 커서를 움직이지 않고 시상 및 코로나 보기에서 십자선을 관찰합니다.
3. 세 가지 보기 모두의 십자선이 0mg/mL 팬텀의 중앙에 올 때까지 몇 조각을 위아래로 천천히 스크롤합니다. 한 번 클릭하여 점으로 구성된 10x10 그리드를 현재 슬라이스와 인접한 두 슬라이스에 배치합니다. 이렇게 하면 빨간색 원 클러스터가 축 뷰에 나타나고 세 점의 열이 시상 및 코로나 뷰에 나타납니다. 이 포인트는 가중치 함수 계산에 사용됩니다.
4. 100mg/mL 팬텀에 대해 3.1-3.3단계를 반복합니다.
5. 팬텀을 사용할 수 없거나 품질 문제로 인해 사용할 수 없는 경우 No Phantom 버튼을 클릭하여 10개의 샘플 팬텀과 해당 가중치 함수를 집계합니다.
6. 팬텀 선택이 완료되면 동맥 버튼( LAD, LCA, LCX 또는 RCA) 중 하나를 클릭하여 4개의 관상 동맥 각각을 추적하기 시작합니다.
7. 축 보기 위로 마우스를 가져가 스크롤하여 선택한 동맥의 근위 또는 원위 끝으로 이동합니다. 이 조각에서 동맥의 모양을 관찰하십시오.
8. 동맥의 모양이 이 슬라이스의 축 방향에서 원형이고 직경이 최대 5mm인 경우 다음 하위 단계를 따르십시오. 원형이 아닌 경우 3.9단계로 이동합니다.
   1. 축 뷰에서 동맥의 중심을 한 번 클릭하여 동맥에 점을 배치합니다. 배치된 점은 지름 5mm의 원으로 표시됩니다. 동맥이 원 안에 맞지 않으면 동맥을 두 번 클릭하여 삭제하고 3.9단계로 이동하여 ROI를 그립니다. 이 점은 시상(sagittal)과 관상(coronal) 보기에도 나타납니다.
   2. 동맥이 시상 또는 관상에서 시각화하기 더 쉬운 경우 대신 거기에 점을 배치하십시오. 축 보기에서 동맥의 중심과 정렬되는지 확인하십시오.
   3. 배치된 포인트가 우발적이거나 최적이 아닌 경우 세 가지 뷰 중 하나에서 빠르게 두 번 클릭하여 삭제할 수 있습니다. 왼쪽 하단 영역의 텍스트는 포인트가 삭제되었음을 알려줍니다.
9. 동맥의 모양이 축 평면에서 원형이 아닌 경우 아래 단계를 따르십시오.
   1. 원하는 축 슬라이스가 시야에 있는지 확인하면서 Draw ROI 버튼을 클릭합니다. 팝업 창에서 스크롤하여 확대/축소하고 그림 4와 같이 동맥 주위를 한 번 클릭하여 추적하기 시작합니다.
      참고: ROI는 점과 달리 축 뷰에만 배치할 수 있습니다.
   2. ROI가 여전히 열려 있는 동안 백스페이스 키를 사용하여 동맥 추적에 배치된 이전 지점을 삭제할 수 있습니다. ROI를 닫으려면 마지막 점이 배치될 위치를 더블 클릭하거나 배치된 첫 번째 포인트를 더블 클릭하십시오.
   3. 마감된 ROI를 추가로 조정하고 ROI의 둘레를 드래그하거나 ROI의 둘레를 두 번 클릭하여 포인트를 추가하여 구체화합니다.
   4. ROI가 닫히면 팝업 창 하단에 Lock in 및 Redraw ROI라는 두 개의 버튼이 나타납니다. ROI를 다시 그려야 하는 경우 ROI 다시 그리기 버튼을 클릭하여 현재 ROI를 지우고 새 ROI를 그립니다.
   5. 현재 ROI가 만족스러우면 잠금 버튼을 클릭하고 팝업의 왼쪽 상단 모서리에 있는 빨간색 버튼(Mac) 또는 오른쪽 상단 모서리에 있는 X 버튼(PC)을 클릭하여 팝업 창을 닫습니다.
   6. ROI는 잠긴 후에도 기본 프로그램 창의 축 뷰(팝업이 아님)에서 주변 지점을 두 번 클릭하여 삭제할 수 있습니다.

그림 4: ROI 기능 그리기. ROI 그리기(Draw ROI) 옵션을 선택하면 현재 축 슬라이스의 팝업이 나타납니다. 노란색은 이전에 이 조각에 그려진 ROI를 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

10. 축 보기에서 한 슬라이스를 위 또는 아래로 스크롤하고 선택한 동맥의 끝에 도달할 때까지 3.8-3.9단계를 반복합니다. 완료되면 완성된 동맥의 버튼을 다시 클릭하여 동맥의 추적을 검토하고 우발적인 지점이 배치되지 않았는지 확인합니다.
    참고: 주어진 축 슬라이스에 둘 이상의 점 또는 ROI를 배치할 수 있습니다. 슬라이스에서 두 ROI를 연결하는 추가 라인은 무시할 수 있습니다. 지정된 동맥에 대한 슬라이스에 레이블이 지정되지 않은 경우 오류 메시지가 나타납니다. 메시지를 닫고 누락된 조각에 레이블을 지정합니다.
11. 4개의 동맥 중 다음 동맥으로 이동하여 3.6-3.10단계를 반복합니다.
12. 4개의 동맥을 모두 추적했으면 오른쪽 하단 모서리에 있는 SWCS 버튼을 클릭하여 결과를 생성합니다. 왼쪽 하단 영역에 진행률이 표시되고 완료되면 "처리 완료"가 표시됩니다. 왼쪽 상단 모서리에 있는 빨간색 버튼(Mac) 또는 오른쪽 상단 모서리에 있는 X 버튼(PC)을 클릭하여 프로그램 창을 닫습니다.

4. 결과 액세스

1. 방금 분석한 사례의 결과에 액세스하려면 파일 디렉터리를 열고 프로젝트의 기본 폴더로 이동합니다. Meta_Data 폴더로 이동하여 해당 주제에 대한 원래 데이터 폴더와 이름이 같은 새 폴더가 나타난 것을 확인합니다.
2. 이 폴더에는 CSV, PNG 및 PDF의 세 가지 유형의 문서가 있습니다. PDF를 검토하여 사례에 대한 최종 SWCS 및 Agatston 점수와 사용된 가중치 함수를 확인하십시오.
   참고: CSV는 이 주제를 분석할 때 배치된 다양한 포인트/ROI의 좌표를 저장합니다. 이러한 CSV가 있으면 나중에 프로그램에서 이 피사체의 이미지를 다시 열 수 있고 이전 포인트/ROI가 자동으로 표시됩니다. 케이스에 대한 모든 변경 사항은 다시 열릴 때 CSV에 자동으로 반영됩니다.

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결과

이 섹션에 표시된 대표 결과는 프로그램의 성공적인 사용에 수반되는 사항을 표시합니다. 여기서는 Agatston 점수가 0보다 큰 환자를 예로 사용합니다. 앞에서 설명한 것처럼 환자의 메타데이터 폴더 내의 결과에는 그림 5와 같이 CSV 파일 형식의 스프레드시트, PNG 파일 형식의 이미지, PDF 파일 형식의 보고서가 포함됩니다. 눈에 띄는 칼슘(HU > 130)이 있는 선택한 픽셀의 스냅샷?...

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토론

이 프로그램의 프로토콜은 비교적 따르기 쉽지만 성공적인 사용과 신뢰할 수 있는 결과를 위해 필요한 몇 가지 중요한 단계가 있습니다. 시작하기 전에 이 프로그램에 사용될 환자 데이터가 익명화되어 환자 기밀성을 보장하는 것이 중요합니다. 프로젝트 주 폴더의 초기 서식과 이름은 프로그램이 데이터를 끌어오고 배치할 위치를 인식할 수 있도록 정확해야 합니다. 폴더, 특히 Meta_Data 폴더의 ?...

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자료

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