Halvautomatiskt grafiskt verktyg för mätning av kranskärlsviktad kalciumpoäng från gated cardiac computed tomography Images

Summary

Den här videon visar användningen av ett nytt grafiskt verktyg för att mäta den rumsligt viktade kalciumpoängen (SWCS), ett alternativ till Agatston-poängen, för att kvantifiera kranskärlsförkalkning. Det grafiska verktyget beräknar SWCS baserat på bilddata från datortomografi med gated heart och användardefinierade banor i kranskärlen.

Abstract

Den nuvarande standarden för att mäta kranskärlsförkalkning för att bestämma omfattningen av åderförkalkning är genom att beräkna Agatston-poängen från datortomografi (CT). Agatston-poängen tar dock inte hänsyn till pixelvärden som är mindre än 130 Hounsfield-enheter (HU) och kalciumområden som är mindre än 1^mm2. På grund av denna tröskel är poängen inte känslig för små, svagt dämpande regioner av kalciumdeposition och kanske inte upptäcker begynnande mikroförkalkning. Ett nyligen föreslaget mått som kallas spatially weighted calcium score (SWCS) använder också CT men inkluderar inte ett tröskelvärde för HU och kräver inte förhöjda signaler i sammanhängande pixlar. Således är SWCS känsligt för svagt dämpande, mindre kalciumavlagringar och kan förbättra mätningen av risken för kranskärlssjukdom. För närvarande är SWCS underutnyttjat på grund av den ökade beräkningskomplexiteten. För att främja översättning av SWCS till klinisk forskning och tillförlitlig, repeterbar beräkning av poängen var syftet med denna studie att utveckla ett halvautomatiskt grafiskt verktyg som beräknar både SWCS- och Agatston-poängen. Programmet kräver gated hjärt-CT-skanningar med en kalciumhydroxiapatitfantom i synfältet. Fantomen gör det möjligt att härleda en viktningsfunktion, från vilken varje pixels vikt justeras, vilket möjliggör minskning av signalvariationer och variabilitet mellan skanningar. Med alla tre anatomiska vyer synliga samtidigt, spårar användaren förloppet av de fyra huvudkransartärerna genom att placera ut punkter eller regioner av intresse. Funktioner som rullning för att zooma, dubbelklicka för att ta bort och justering av ljusstyrka/kontrast, tillsammans med skriftlig vägledning vid varje steg, gör programmet användarvänligt och enkelt att använda. När spårningen av artärerna är klar genererar programmet rapporter, som inkluderar poäng och ögonblicksbilder av eventuellt synligt kalcium. SWCS kan avslöja förekomst av subklinisk sjukdom, som kan användas för tidig intervention och livsstilsförändringar.

Introduction

Att mäta mängden kalcium i artärerna med hjälp av datortomografi (CT) är ett etablerat sätt att bedöma svårighetsgraden av kranskärlsförkalkning. Att känna till och kvantifiera omfattningen av åderförkalkning är nyckeln till att bestämma risken för framtida kranskärlssjukdom 1,2,3,4. Det vanligaste sättet att mäta kalcium i kranskärl är att använda Agatston-poängen⁵. En del av beräkningen av Agatston-poängen är dock beroende av intensiteten hos de valda pixlarna, mätt i Hounsfield-enheter (HU). Pixlar som är mindre än 130 HE tas inte med i beräkningen. På samma sätt beaktas inte förkalkningar med en yta mindre än 1^mm2. På grund av dessa trösklar är Agatston-poängen inte känslig för små, svagt dämpande förkalkningshärdar, vilket fortfarande kan vara viktigt för att avslöja förekomsten av subklinisk sjukdom⁶.

Ett tidigare beskrivet mått som kallas spatialt viktad kalciumpoäng (SWCS) föreslogs för att bedöma risken för aterosklerotiska plack hos patienter med låga nivåer av^{förkalkning7}. Till skillnad från Agatston-poängen använder SWCS inte signaltrösklar för att minska effekten av bildbrus. Istället använder den sig av ett fantom-ett objekt med kända koncentrationer av kalciumhydroxiapatit (CHA) placerat på deltagaren så att det är i skanningens synfält. Här användes en fantom med 0 mg/ml, 50 mg/ml, 100 mg/ml och 200 mg/ml CHA under utvecklingen; I den nuvarande implementeringen av det grafiska verktyget krävs dock endast avsnitten 0 mg/ml och 100 mg/ml. Fantomen används för att skapa en skanningsspecifik viktningsfunktion, som sedan används för att väga var och en av de användarvalda pixlarna samt dess grannar. Pixlar med intilliggande pixlar som har en hög dämpningsnivå får större vikt än de som omges av pixlar med lägre dämpningsnivåer. Denna process gör SWCS tolerant mot brus och jämförbar från skanning till skanning⁸. SWCS är kontinuerlig och ger en poäng även när det finns låga nivåer av förkalkning, vilket möjliggör kvantifiering av omfattningen av åderförkalkning när Agatston-poängen är noll. Genom att tillåta utvärdering av mikroförkalkning även när Agatston-poängen är noll kan SWCS vara viktigt för att avslöja förekomsten av subklinisk sjukdom. Detta kan ge en bättre förståelse för de genetiska, miljömässiga och andra riskfaktorerna för åderförkalkning ^9,10. En tidigare studie, som undersökte individer med en Agatston-poäng på noll vid baslinjen och icke-noll vid en uppföljning cirka 15 år senare, observerade att de med en högre SWCS vid baslinjen hade en högre frekvens av koronarhjärtsjukdom (CHD). SWCS prediktiva förmåga är särskilt viktig i yngre populationer, där upptäckt och övervakning av kvarstående risker på lång sikt kan vara till hjälp⁶.

Här presenteras ett halvautomatiskt verktyg för att beräkna SWCS tillsammans med Agatston-poängen. Verktyget använder ett grafiskt användargränssnitt som körs på ett kompatibelt programmeringsspråk. Användaren kan interagera med bilderna för att generera en slutlig serie rapporter, som innehåller de två kalciumpoängen. Till att börja med väljer användaren ett ärende eller en serie DICOM-filer (Digital Imaging and Communications in Medicine) som ska matas in i programmet. Dessa bilder måste vara andningshållna, EKG-styrda CT-skanningar, tagna endast under diastole för att undvika andnings- och hjärtrörelser. Även om programmet är i drift med alla CT-bilder av hjärtat, för att ge meningsfulla resultat, bör källbilderna uppfylla de lägsta kliniska riktlinjerna för kalciumpoäng^11,12. Som referens används en skivtjocklek på 3 mm, topprörspänning på 100 kVp, genomsnittligt CT-dosindex-vol på 1,19 mGy och bildupplösning på 512 x 512 pixlar i studien här. Alla bilder som inte är 512 x 512 pixlar samplas automatiskt om i programmet för att säkerställa tillräcklig och konsekvent upplösning av små förkalkningsområden. När bilderna har laddats kan användaren se dem i axiella, sagittala och koronala vyer. Man kan sedan justera ljusstyrkan och kontrasten på bilderna för bättre visualisering innan man väljer 0 mg/ml och 100 mg/ml sektioner av fantomen. Därefter kan användaren spåra vart och ett av de fyra kranskärlen – vänster främre nedåtgående (LAD), vänster kranskärl (LCA), vänster cirkumflex (LCX) och höger kranskärl (RCA) – genom att placera antingen en punkt, ett intresseområde (ROI) eller en kombination av båda för att möjliggöra ett grundligt urval av en artärs pixlar oavsett hur artären ser ut i det axiella planet. Användaren kan ta bort och ersätta eller rita om poäng och ROI efter behov. Genom att klicka på SWCS-knappen genereras slutrapporterna. Ärenden sparas automatiskt så att bilder, tillsammans med poäng och ROI, kan laddas om vid ett senare tillfälle. Skriftliga instruktioner finns också tillgängliga vid varje tillfälle när du använder programmet, vilket gör programmet lätt att använda.

Protocol

Denna studie genomfördes med godkännande av Mount Sinai Institutional Review Board (HS-20-01011), och alla försökspersoner gav skriftligt informerat samtycke. 1. Förberedelser innan protokollet påbörjas Lämplig mappstruktur är nödvändig för detta program. Börja med att skapa en huvudmapp för projektet var som helst på datorn genom att högerklicka och välja alternativet Ny mapp i filkatalogen. Alla DICOM-indatafiler och resultat lagra…

Representative Results

De representativa resultaten som visas i detta avsnitt visar vad framgångsrik användning av programmet innebär. Här används en patient med en Agatston-poäng större än noll som exempel. Som diskuterats tidigare kommer resultaten i en patients metadatamapp att ha kalkylblad i form av CSV-filer, bilder i form av PNG-filer och rapporter i form av PDF-filer, som visas i figur 5. Antalet PNG-filer skiljer sig från fall till fall, eftersom endast ögonblicksbilder av valda pixlar med märk…

Discussion

Även om protokollet för detta program är relativt lätt att följa, finns det några kritiska steg som är nödvändiga för framgångsrik användning och tillförlitliga resultat. Innan du börjar är det viktigt att se till att patientdata som kommer att användas i detta program är anonymiserade för att säkerställa patientsekretess. Den ursprungliga formateringen och namngivningen av projektets huvudmapp måste vara korrekt för att programmet ska kunna känna igen var data ska hämtas och placeras. Felaktig na…

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