Name: Advancing Cardiovascular Imaging - Introducing the Spatially Weighted Calcium Score for Early Disease Detection (Video) | JoVE
Uploaded: 2023-09-22T13:30:00
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这项工作得到了美国国立卫生研究院资助R01ES029967的支持。

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
<ol><li>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?...

Improving Coronary Artery Calcification Assessment with the SWCS Tool

<ol>
	<li>O'Malley, P. G., Taylor, A. J., Jackson, J. L., Doherty, T. M., Detrano, R. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Prognostic+value+of+coronary+electron-bean+computed+tomography+for+coronary+heart+disease+events+in+asymptomatic+populations.">Prognostic value of coronary electron-bean computed tomography for coronary heart disease events in asymptomatic populations.</a> The American Journal of Cardiology. 85 (8), 945-948 (2000).</li><li>Budoff, M. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Assessment+of+coronary+artery+disease+by+cardiac+computed+tomography.">Assessment of coronary artery disease by cardiac computed tomography.</a> Circulation. 114 (16), 1761-1791 (2006).</li><li>Rumberger, J. A., Simons, D. B., Fitzpatrick, L. A., Sheedy, P. F., Schwartz, R. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Coronary+artery+calcium+area+by+electron-beam+computed+tomography+and+coronary+atherosclerotic+plaque+area.">Coronary artery calcium area by electron-beam computed tomography and coronary atherosclerotic plaque area.</a> Circulation. 92 (8), 2157-2162 (1995).</li><li>Mautner, G. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Coronary+artery+calcification:+assessment+with+electron+beam+CT+and+histomorphometric+correlation.">Coronary artery calcification: assessment with electron beam CT and histomorphometric correlation.</a> Radiology. 192 (3), 619-623 (1994).</li><li>Agatston, A. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantification+of+coronary+artery+calcium+using+ultrafast+computed+tomography.">Quantification of coronary artery calcium using ultrafast computed tomography.</a> Journal of the American College of Cardiology. 15 (4), 827-832 (1990).</li><li>Shea, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spatially+weighted+coronary+artery+calcium+score+and+coronary+heart+disease+events+in+the+multi-ethnic+study+of+atherosclerosis.">Spatially weighted coronary artery calcium score and coronary heart disease events in the multi-ethnic study of atherosclerosis.</a> Circulation: Cardiovascular Imaging. 14 (1), e011981 (2021).</li><li>Liang, C. J., Budoff, M. J., Kaufman, J. D., Kronmal, R. A., Brown, E. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+alternative+method+for+quantifying+coronary+artery+calcification:+the+multi-ethnic+study+of+atherosclerosis+(MESA).">An alternative method for quantifying coronary artery calcification: the multi-ethnic study of atherosclerosis (MESA).</a> BMC Medical Imaging. 12, 14 (2012).</li><li>McCollough, C. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Coronary+artery+calcium:+a+multi-institutional,+multimanufacturer+international+standard+for+quantification+at+cardiac+CT.">Coronary artery calcium: a multi-institutional, multimanufacturer international standard for quantification at cardiac CT.</a> Radiology. 243 (2), 527-538 (2007).</li><li>Detrano, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Coronary+calcium+as+a+predictor+of+coronary+events+in+four+racial+or+ethnic+groups.">Coronary calcium as a predictor of coronary events in four racial or ethnic groups.</a> The New England Journal of Medicine. 358 (13), 1336-1345 (2008).</li><li>Budoff, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cardiovascular+events+with+absent+or+minimal+coronary+calcification:+The+Multi-Ethnic+Study+of+Atherosclerosis+(MESA).">Cardiovascular events with absent or minimal coronary calcification: The Multi-Ethnic Study of Atherosclerosis (MESA).</a> American Heart Journal. 158 (4), 554-561 (2009).</li><li>Hecht, H. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=2016+SCCT/STR+guidelines+for+coronary+artery+calcium+scoring+of+noncontrast+noncardiac+chest+CT+scans:+A+report+of+the+Society+of+Cardiovascular+Computed+Tomography+and+Society+of+Thoracic+Radiology.">2016 SCCT/STR guidelines for coronary artery calcium scoring of noncontrast noncardiac chest CT scans: A report of the Society of Cardiovascular Computed Tomography and Society of Thoracic Radiology.</a> Journal of Cardiovascular Computed Tomography. 11 (1), 74-84 (2017).</li><li>American College of Radiology. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=ACR-NASCI-SPR+practice+parameter+for+the+performance+and+interpretation+of+cardiac+computed+tomography+(CT).">ACR-NASCI-SPR practice parameter for the performance and interpretation of cardiac computed tomography (CT).</a> American College of Radiology. , (2021).</li></ol>

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...

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。

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Calcium Hydroxyapatite</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>289396-100G</td>
			<td>Suspended in EpoxAcast 690 resin for phantom creation</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Clinical Cardiac CT Scanner</td>
			<td>Siemens</td>
			<td>SOMATOM Force Dual Source CT</td>
			<td>Used for the source images; Any cardiac CT will be sufficient</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>EpoxAcast 690</td>
			<td>Smooth-On</td>
			<td>03641</td>
			<td>Used for phantom creation</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MATLAB</td>
			<td>Mathworks</td>
			<td>R2019a</td>
			<td>Requires Image Processing Toolbox and Statistics and Machine Learning Toolbox; Any version compatible with and able to run version R2019a scripts is sufficient</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Standard Computer</td>
			<td>N/A</td>
			<td>N/A</td>
			<td>macOS or Windows operating system</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>syngo.via</td>
			<td>Siemens</td>
			<td>VB60A_HF04</td>
			<td>Commercial software used for computing Agatston score for validation study</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

semi-automatic graphical tool for measuring coronary artery spatially weighted calcium score from gated cardiac computed tomography images

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。

Semi-Automatic Graphical Tool for Measuring Coronary Artery Spatially Weighted Calcium Score from Gated Cardiac Computed Tomography Images

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?...

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Advancing Cardiovascular Imaging - Introducing the Spatially Weighted Calcium Score for Early Disease Detection (Video) | JoVE

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。

用于从门控心脏计算机断层扫描图像测量冠状动脉空间加权钙评分的半自动图形工具

The current standard for measuring coronary artery calcification to determine the extent of atherosclerosis is by calculating the Agatston score from ...

生物医学工程和成像研究所的使命是创造可用于医学科学和临床实践的创新生物医学工程和成像技术。目标是确定和开发早期和准确诊断疾病的技术，然后有助于优化更有效的治疗。我们的心血管成像团队专注于 MRI、PET 和 CT 成像的图像采集和分析技术。CT 成像可用于测量钙化并确定冠状动脉疾病的严重程度，而无需侵入性操作。Agatston 评分是最常用的钙评分方法，但它依赖于信号阈值，这可能导致疾病的早期阶段被遗漏，因为在图像噪声上方无法检测到小的低衰减沉积物。华盛顿大学的Jason Liang博士及其同事提出了空间加权钙评分的概念。然而，目前还没有可靠且一致的工具来计算分数。我们创建了一个程序，使研究人员能够准确和重复地计算它。空间加权钙评分旨在灵敏地检测微钙化，微钙化发生在传统钙评分 CT 扫描检测到晚期冠状动脉钙化之前。这种敏感性对于识别亚临床冠状动脉疾病和提供定量数据非常重要，这在评估电子烟中的金属暴露等新的风险因素、评估年轻人群的可改变风险以及探索干预措施的影响时非常有用。这项工作的直接应用是检查冠状动脉钙化与使用电子烟暴露于有毒金属之间的关系。该项目由美国国立卫生研究院资助，由哥伦比亚大学的Ana Navas-Acien教授领导。