Strumento grafico semiautomatico per la misurazione del punteggio di calcio ponderato spazialmente dell'arteria coronaria da immagini di tomografia computerizzata cardiaca gated
Summary
Questo video mostra l’uso di un nuovo strumento grafico per misurare il punteggio del calcio ponderato spazialmente (SWCS), un’alternativa al punteggio di Agatston, per quantificare la calcificazione delle arterie coronarie. Lo strumento grafico calcola SWCS in base ai dati delle immagini provenienti dalla tomografia computerizzata cardiaca gated e dai percorsi definiti dall’utente delle arterie coronarie.
Abstract
L’attuale standard per misurare la calcificazione delle arterie coronarie per determinare l’estensione dell’aterosclerosi è calcolando il punteggio di Agatston dalla tomografia computerizzata (TC). Tuttavia, il punteggio di Agatston non tiene conto dei valori dei pixel inferiori a 130 unità di Hounsfield (HU) e delle regioni di calcio inferiori a 1 mm2. A causa di questa soglia, il punteggio non è sensibile alle piccole regioni debolmente attenuanti della deposizione di calcio e potrebbe non rilevare la microcalcificazione nascente. Una metrica proposta di recente, chiamata punteggio del calcio ponderato nello spazio (SWCS), utilizza anche la TC ma non include una soglia per l’HU e non richiede segnali elevati in pixel contigui. Pertanto, l’SWCS è sensibile ai depositi di calcio debolmente attenuanti e più piccoli e può migliorare la misurazione del rischio di malattia coronarica. Attualmente, l’SWCS è sottoutilizzato a causa della maggiore complessità computazionale. Per promuovere la traduzione del SWCS nella ricerca clinica e il calcolo affidabile e ripetibile del punteggio, lo scopo di questo studio è stato quello di sviluppare uno strumento grafico semiautomatico che calcoli sia il SWCS che il punteggio di Agatston. Il programma richiede scansioni TC cardiache con gate con un fantoccio di idrossiapatite di calcio nel campo visivo. Il fantasma consente di derivare una funzione di ponderazione, da cui viene regolato il peso di ciascun pixel, consentendo la mitigazione delle variazioni del segnale e la variabilità tra le scansioni. Con tutte e tre le viste anatomiche visibili contemporaneamente, l’utente traccia il decorso delle quattro arterie coronarie principali posizionando punti o regioni di interesse. Funzioni come lo scorrimento per ingrandire, il doppio clic per eliminare e la regolazione della luminosità/contrasto, insieme a una guida scritta in ogni passaggio, rendono il programma intuitivo e facile da usare. Una volta completato il tracciamento delle arterie, il programma genera rapporti, che includono i punteggi e le istantanee di qualsiasi calcio visibile. Il SWCS può rivelare la presenza di una malattia subclinica, che può essere utilizzata per l’intervento precoce e i cambiamenti dello stile di vita.
Introduction
La misurazione della quantità di calcio all’interno delle arterie utilizzando la tomografia computerizzata (TC) è un metodo consolidato per valutare la gravità dell’aterosclerosi coronarica. Conoscere e quantificare l’estensione dell’aterosclerosi è fondamentale per determinare il rischio di future malattie coronariche 1,2,3,4. Il modo più comune per misurare il calcio nelle arterie coronarie è utilizzare il punteggio di Agatston5. Tuttavia, parte del calcolo del punteggio di Agatston si basa sull’intensità dei pixel scelti, misurata in unità di Hounsfield (HU). Eventuali pixel inferiori a 130 HU non vengono presi in considerazione nel calcolo. Allo stesso modo, le calcificazioni con un’area inferiore a 1 mm2 non sono considerate. A causa di queste soglie, il punteggio di Agatston non è sensibile a piccoli focolai di calcificazione debolmente attenuanti, che possono ancora essere importanti nel rivelare la presenza di malattia subclinica6.
Una metrica precedentemente descritta, chiamata punteggio del calcio ponderato nello spazio (SWCS), è stata proposta per valutare il rischio di placca aterosclerotica nei pazienti con bassi livelli di calcificazione7. A differenza della partitura di Agatston, l’SWCS non utilizza la soglia del segnale per ridurre l’impatto del rumore dell’immagine. Invece, fa uso di un fantoccio, un oggetto con concentrazioni note di idrossiapatite di calcio (CHA) posizionato sul partecipante in modo tale che si trovi nel campo visivo della scansione. In questo caso, durante lo sviluppo, è stato utilizzato un fantoccio con 0 mg/mL, 50 mg/mL, 100 mg/mL e 200 mg/mL di CHA; tuttavia, nell’attuale implementazione dello strumento grafico, sono necessarie solo le sezioni 0 mg/mL e 100 mg/mL. Il nascondiglio viene utilizzato per creare una funzione di ponderazione specifica per la scansione, che viene quindi utilizzata per pesare ciascuno dei pixel selezionati dall’utente e i suoi vicini. Ai pixel con pixel adiacenti che hanno un livello di attenuazione elevato viene dato più peso rispetto a quelli circondati da pixel con livelli di attenuazione inferiori. Questo processo rende l’SWCS tollerante al rumore e paragonabile da una scansioneall’altra 8. L’SWCS è continuo e produce un punteggio anche quando ci sono bassi livelli di calcificazione, consentendo di quantificare l’estensione dell’aterosclerosi quando il punteggio di Agatston è zero. Consentendo la valutazione della microcalcificazione anche quando il punteggio di Agatston è zero, il SWCS può essere importante per rivelare la presenza di malattia subclinica. Ciò può consentire una migliore comprensione dei fattori di rischio genetici, ambientali e di altro tipo nell’aterosclerosi 9,10. Uno studio precedente, che ha esaminato individui con un punteggio di Agatston pari a zero al basale e diverso da zero a un follow-up circa 15 anni dopo, ha osservato che quelli con un SWCS più elevato al basale avevano un tasso di eventi di malattia coronarica (CHD) più elevato. Il potere predittivo del SWCS è particolarmente importante nelle popolazioni più giovani, dove l’individuazione e il monitoraggio del rischio residuo a lungo termine possono essere utili6.
Qui viene presentato uno strumento semiautomatico per il calcolo del SWCS insieme al punteggio di Agatston. Lo strumento utilizza un’interfaccia utente grafica in esecuzione su un linguaggio di programmazione compatibile. L’utente è in grado di interagire con le immagini per generare una serie finale di report, che includono i due punteggi di calcio. Per iniziare, l’utente seleziona un caso o una serie di file DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) da inserire nel programma. Queste immagini devono essere TAC con controllo del respiro e dell’elettrocardiogramma, acquisite solo durante la diastole per evitare movimenti respiratori e cardiaci. Sebbene il programma sia operativo con qualsiasi immagine TC cardiaca, per produrre risultati significativi, le immagini di origine devono soddisfare le linee guida minime per il punteggio clinicodel calcio 11,12. Come riferimento, nello studio vengono utilizzati uno spessore della fetta di 3 mm, una tensione di picco del tubo di 100 kVp, un indice di dose CT medio di 1,19 mGy e una risoluzione dell’immagine di 512 x 512 pixel. Tutte le immagini che non sono 512 x 512 pixel vengono ricampionate automaticamente nel programma per garantire una risoluzione adeguata e coerente di piccole aree di calcificazione. Una volta caricate le immagini, l’utente è in grado di vederle nelle viste assiale, sagittale e coronale. È quindi possibile regolare la luminosità e il contrasto delle immagini per una migliore visualizzazione prima di selezionare le sezioni 0 mg/mL e 100 mg/mL del fantoccio. Successivamente, l’utente può tracciare ciascuna delle quattro arterie coronarie – discendente anteriore sinistra (LAD), arteria coronaria sinistra (LCA), circonflesso sinistro (LCX) e arteria coronaria destra (RCA) – posizionando un punto, una regione di interesse (ROI) o una combinazione di entrambi per consentire una selezione completa dei pixel di un’arteria indipendentemente da come l’arteria appare sul piano assiale. L’utente può eliminare e sostituire o ridisegnare i punti e le ROI secondo necessità. Facendo clic sul pulsante SWCS vengono generati i report finali. I casi vengono salvati automaticamente in modo che le immagini, insieme ai punti e alle ROI, possano essere ricaricate in un secondo momento. Le istruzioni scritte sono inoltre disponibili in ogni momento durante l’utilizzo del programma, rendendo il programma facile da usare.
Protocol
Representative Results
Discussion
Sebbene il protocollo per questo programma sia relativamente facile da seguire, ci sono alcuni passaggi critici necessari per un uso efficace e risultati affidabili. Prima di iniziare, è importante assicurarsi che i dati dei pazienti che verranno utilizzati in questo programma siano resi anonimi per garantire la riservatezza del paziente. La formattazione iniziale e la denominazione della cartella principale del progetto devono essere corrette affinché il programma riconosca la posizione in cui estrarre e posizionare i…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato sostenuto dalla sovvenzione NIH R01ES029967.
Materials
| 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 |
Riferimenti
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