Полуавтоматический графический инструмент для измерения пространственно-взвешенной кальциевой оценки коронарных артерий по изображениям компьютерной томографии сердца
Summary
В этом видео демонстрируется использование нового графического инструмента для измерения пространственно-взвешенного кальциевого индекса (SWCS), альтернативы шкале Агатстона, для количественной оценки кальцификации коронарных артерий. Графический инструмент рассчитывает SWCS на основе данных изображений закрытой компьютерной томографии сердца и заданных пользователем путей коронарных артерий.
Abstract
В настоящее время стандартом измерения кальцификации коронарных артерий для определения степени атеросклероза является расчет балла Агатстона по данным компьютерной томографии (КТ). Однако оценка Агатстона не учитывает значения пикселей менее 130 единиц Хаунсфилда (HU) и кальциевые области менее 1мм2. Из-за этого порогового значения шкала не чувствительна к небольшим, слабо ослабляющим участкам отложения кальция и может не обнаруживать зарождающуюся микрокальцификацию. Недавно предложенная метрика, называемая пространственно-взвешенной кальциевой оценкой (SWCS), также использует CT, но не включает пороговое значение для HU и не требует повышенных сигналов в смежных пикселях. Таким образом, SWCS чувствителен к слабо ослабляющим, меньшим отложениям кальция и может улучшить измерение риска ишемической болезни сердца. В настоящее время SWCS используется недостаточно из-за дополнительной вычислительной сложности. Чтобы способствовать внедрению SWCS в клинические исследования и надежному, воспроизводимому расчету баллов, целью данного исследования была разработка полуавтоматического графического инструмента, который рассчитывает как SWCS, так и оценку по шкале Агатстона. Программа требует проведения стробированной компьютерной томографии сердца с фантомом гидроксиапатита кальция в поле зрения. Фантом позволяет получить функцию взвешивания, с помощью которой корректируется вес каждого пикселя, что позволяет смягчить вариации сигнала и вариативность между сканированиями. Когда все три анатомических вида видны одновременно, пользователь отслеживает ход четырех основных коронарных артерий, размещая точки или области интереса. Такие функции, как прокрутка для масштабирования, двойной щелчок для удаления и регулировка яркости/контрастности, а также письменные инструкции на каждом этапе делают программу удобной и простой в использовании. После того, как отслеживание артерий завершено, программа генерирует отчеты, которые включают в себя оценки и снимки любого видимого кальция. SWCS может выявить наличие субклинического заболевания, которое может быть использовано для раннего вмешательства и изменения образа жизни.
Introduction
Измерение количества кальция в артериях с помощью компьютерной томографии (КТ) является общепринятым способом оценки тяжести коронарного атеросклероза. Знание и количественная оценка степени атеросклероза является ключом к определению риска развития ишемической болезни сердцав будущем 1,2,3,4. Наиболее распространенным способом измерения кальция в коронарных артериях является оценка по шкале Агатстона5. Тем не менее, часть вычисления оценки Агатстона зависит от интенсивности выбранных пикселей, измеряемой в единицах Хаунсфилда (HU). Любые пиксели меньше 130 HU при расчете не учитываются. Аналогично не рассматриваются кальцинаты площадью менее 1мм2. Благодаря этим пороговым значениям шкала Агатстона не чувствительна к небольшим, слабо ослабляющим очагам кальцификации, что все же может быть важно для выявления наличия субклинического заболевания6.
Ранее описанный показатель, называемый пространственно-взвешенным кальциевым показателем (SWCS), был предложен для оценки риска развития атеросклеротических бляшек у пациентов с низким уровнем кальцификации7. В отличие от оценки Агатстона, SWCS не использует пороговое значение сигнала для уменьшения влияния шума изображения. Вместо этого он использует фантом — объект с известной концентрацией гидроксиапатита кальция (CHA), помещенный на участника таким образом, чтобы он находился в поле зрения сканируемого. Здесь во время разработки использовался фантом с КХА 0 мг/мл, 50 мг/мл, 100 мг/мл и 200 мг/мл; однако в текущей реализации графического инструмента требуются только разделы 0 мг/мл и 100 мг/мл. Фантом используется для создания специфичной для сканирования функции взвешивания, которая затем используется для взвешивания каждого из выбранных пользователем пикселей, а также его соседей. Пиксели с соседними пикселями с высоким уровнем затухания имеют больший вес, чем пиксели с более низкими уровнями затухания. Этот процесс делает SWCS устойчивым к шуму и сопоставимым от сканирования к скану8. SWCS является непрерывным и выдает оценку даже при низком уровне кальциноза, что позволяет количественно оценить степень атеросклероза, когда оценка по шкале Агатстона равна нулю. Позволяя оценить микрокальциноз даже при нулевой оценке по шкале Агатстона, SWCS может быть важен для выявления наличия субклинического заболевания. Это может позволить лучше понять генетические, экологические и другие факторы риска развития атеросклероза 9,10. Предыдущее исследование, в котором изучались люди с нулевым баллом по шкале Агатстона на исходном уровне и ненулевым при последующем наблюдении примерно через 15 лет, показало, что у людей с более высоким уровнем SWCS на исходном уровне была более высокая частота событий ишемической болезни сердца (ИБС). Прогностическая сила SWCS особенно важна в молодых популяциях, где обнаружение и мониторинг остаточного риска в долгосрочной перспективе может быть полезным6.
Здесь представлен полуавтоматический инструмент для расчета SWCS вместе с оценкой Agatston. Инструмент использует графический пользовательский интерфейс, работающий на совместимом языке программирования. Пользователь может взаимодействовать с изображениями для создания окончательной серии отчетов, которые включают в себя два показателя кальция. Для начала пользователь выбирает случай или серию файлов Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM) для ввода в программу. Эти изображения должны быть сделаны с задержкой дыхания и электрокардиограммой, полученной только во время диастолы, чтобы избежать дыхательных и сердечных движений. Несмотря на то, что программа работает с любыми КТ-изображениями сердца, для получения значимых результатов исходные изображения должны соответствовать минимальным клиническим рекомендациям по оценке уровня кальция11,12. Для справки, в исследовании использованы толщина среза 3 мм, пиковое напряжение трубки 100 кВпик, средний индекс дозы КТ по объему 1,19 мГр и разрешение изображения 512 x 512 пикселей. Любые изображения, которые не имеют разрешения 512 x 512 пикселей, автоматически передискретизируются в программе, чтобы обеспечить адекватное и стабильное разрешение небольших областей кальцификации. После загрузки изображения пользователь может видеть их в аксиальном, сагиттальном и корональном видах. Затем можно настроить яркость и контрастность изображений для лучшей визуализации, прежде чем выбрать участки фантома 0 мг/мл и 100 мг/мл. Затем пользователь может проследить каждую из четырех коронарных артерий — левую переднюю нисходящую (LAD), левую коронарную артерию (LCA), левую огибающую (LCX) и правую коронарную артерию (RCA) — поместив либо точку, либо область интереса (ROI), либо их комбинацию, чтобы обеспечить тщательный выбор пикселей артерии независимо от того, как артерия выглядит в осевой плоскости. Пользователь может удалять, заменять или перерисовывать баллы и ROI по мере необходимости. При нажатии кнопки SWCS генерируются итоговые отчеты. Обращения сохраняются автоматически, чтобы изображения вместе с баллами и ROI можно было перезагрузить позже. Письменные инструкции также доступны на каждом этапе использования программы, что делает программу простой в использовании.
Protocol
Representative Results
Discussion
Несмотря на то, что протокол этой программы относительно прост в исполнении, есть несколько важных шагов, которые необходимы для успешного использования и получения надежных результатов. Перед началом работы важно убедиться, что данные пациента, которые будут использоваться в этой пр?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана грантом 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 |
Referências
- O’Malley, P. G., Taylor, A. J., Jackson, J. L., Doherty, T. M., Detrano, R. C. Prognostic value of coronary electron-bean computed tomography for coronary heart disease events in asymptomatic populations. The American Journal of Cardiology. 85 (8), 945-948 (2000).
- Budoff, M. J., et al. Assessment of coronary artery disease by cardiac computed tomography. Circulation. 114 (16), 1761-1791 (2006).
- Rumberger, J. A., Simons, D. B., Fitzpatrick, L. A., Sheedy, P. F., Schwartz, R. S. Coronary artery calcium area by electron-beam computed tomography and coronary atherosclerotic plaque area. Circulation. 92 (8), 2157-2162 (1995).
- Mautner, G. C., et al. Coronary artery calcification: assessment with electron beam CT and histomorphometric correlation. Radiology. 192 (3), 619-623 (1994).
- Agatston, A. S., et al. Quantification of coronary artery calcium using ultrafast computed tomography. Journal of the American College of Cardiology. 15 (4), 827-832 (1990).
- Shea, S., et al. Spatially weighted coronary artery calcium score and coronary heart disease events in the multi-ethnic study of atherosclerosis. Circulation: Cardiovascular Imaging. 14 (1), e011981 (2021).
- Liang, C. J., Budoff, M. J., Kaufman, J. D., Kronmal, R. A., Brown, E. R. An alternative method for quantifying coronary artery calcification: the multi-ethnic study of atherosclerosis (MESA). BMC Medical Imaging. 12, 14 (2012).
- McCollough, C. H., et al. Coronary artery calcium: a multi-institutional, multimanufacturer international standard for quantification at cardiac CT. Radiology. 243 (2), 527-538 (2007).
- Detrano, R., et al. Coronary calcium as a predictor of coronary events in four racial or ethnic groups. The New England Journal of Medicine. 358 (13), 1336-1345 (2008).
- Budoff, M., et al. Cardiovascular events with absent or minimal coronary calcification: The Multi-Ethnic Study of Atherosclerosis (MESA). American Heart Journal. 158 (4), 554-561 (2009).
- Hecht, H. S., et al. 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. Journal of Cardiovascular Computed Tomography. 11 (1), 74-84 (2017).
- American College of Radiology. ACR-NASCI-SPR practice parameter for the performance and interpretation of cardiac computed tomography (CT). American College of Radiology. , (2021).
