Artículo de método

Herramienta gráfica semiautomática para medir la puntuación de calcio ponderada espacialmente de las arterias coronarias a partir de imágenes de tomografía computarizada cardíaca con compuerta

DOI:

10.3791/65458

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22 de septiembre de 2023

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Biomedical Engineering and Imaging Institute, Icahn School of Medicine at Mount Sinai

En este artículo

Resumen

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Este video demuestra el uso de una herramienta gráfica novedosa para medir la puntuación de calcio ponderada espacialmente (SWCS), una alternativa a la puntuación de Agatston, para cuantificar la calcificación de las arterias coronarias. La herramienta gráfica calcula el SWCS en función de los datos de imagen de la tomografía computarizada cardíaca controlada y las rutas definidas por el usuario de las arterias coronarias.

Resumen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

El estándar actual para medir la calcificación de las arterias coronarias para determinar el alcance de la aterosclerosis es mediante el cálculo de la puntuación de Agatston a partir de la tomografía computarizada (TC). Sin embargo, la puntuación de Agatston no tiene en cuenta los valores de píxel inferiores a 130 unidades de Hounsfield (HU) y las regiones de calcio inferiores a 1 mm2. Debido a este umbral, la puntuación no es sensible a las regiones pequeñas y débilmente atenuadas de la deposición de calcio y es posible que no detecte la microcalcificación incipiente. Una métrica propuesta recientemente llamada puntuación de calcio ponderada espacialmente (SWCS, por sus siglas en inglés) también utiliza CT, pero no incluye un umbral para HU y no requiere señales elevadas en píxeles contiguos. Por lo tanto, el SWCS es sensible a los depósitos de calcio más pequeños y débilmente atenuantes y puede mejorar la medición del riesgo de enfermedad coronaria. En la actualidad, el SWCS está infrautilizado debido a la complejidad computacional añadida. Con el fin de promover la traslación del SWCS a la investigación clínica y el cálculo fiable y repetible de la puntuación, el objetivo de este estudio fue desarrollar una herramienta gráfica semiautomática que calcule tanto el SWCS como la puntuación de Agatston. El programa requiere tomografías computarizadas cardíacas con compuerta con un maniquí de hidroxiapatita de calcio en el campo de visión. El fantasma permite derivar una función de ponderación, a partir de la cual se ajusta el peso de cada píxel, lo que permite mitigar las variaciones de la señal y la variabilidad entre escaneos. Con las tres vistas anatómicas visibles simultáneamente, el usuario traza el curso de las cuatro arterias coronarias principales colocando puntos o regiones de interés. Características como el desplazamiento para hacer zoom, el doble clic para eliminar y el ajuste de brillo/contraste, junto con la guía escrita en cada paso, hacen que el programa sea fácil de usar y de usar. Una vez que se completa el trazado de las arterias, el programa genera informes, que incluyen las puntuaciones y las instantáneas de cualquier calcio visible. El SWCS puede revelar la presencia de enfermedad subclínica, que puede utilizarse para la intervención temprana y los cambios en el estilo de vida.

Introducción

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La medición de la cantidad de calcio dentro de las arterias mediante tomografía computarizada (TC) es una forma establecida de evaluar la gravedad de la aterosclerosis coronaria. Conocer y cuantificar el alcance de la aterosclerosis es clave para determinar el riesgo de enfermedad coronaria futura 1,2,3,4. La forma más común de medir el calcio en las arterias coronarias es mediante el puntaje de Agatston5. Sin embargo, parte del cálculo de la puntuación de Agatston se basa en la intensidad de los píxeles elegidos, medida en unidades de Hounsfield (HU). Los píxeles inferiores a 130 HU no se tienen en cuenta en el cálculo. Del mismo modo, no se consideran calcificaciones con un área inferior a 1mm2. Debido a estos umbrales, la puntuación de Agatston no es sensible a focos de calcificación pequeños y débilmente atenuantes, lo que puede ser importante para revelar la presencia de enfermedad subclínica6.

Se propuso una métrica previamente descrita, denominada puntuación de calcio ponderada espacialmente (SWCS, por sus siglas en inglés), para evaluar el riesgo de placa aterosclerótica en pacientes con bajos niveles de calcificación7. A diferencia de la puntuación de Agatston, el SWCS no utiliza umbrales de señal para reducir el impacto del ruido de la imagen. En su lugar, hace uso de un fantasma, un objeto con concentraciones conocidas de hidroxiapatita de calcio (CHA) colocado en el participante de modo que esté en el campo de visión del escaneo. En este caso, se utilizó un maniquí con 0 mg/mL, 50 mg/mL, 100 mg/mL y 200 mg/mL de CHA durante el desarrollo; sin embargo, en la implementación actual de la herramienta gráfica, solo se requieren las secciones de 0 mg/mL y 100 mg/mL. El fantasma se utiliza para crear una función de ponderación específica del escaneo, que luego se utiliza para pesar cada uno de los píxeles seleccionados por el usuario, así como sus vecinos. A los píxeles con píxeles vecinos que tienen un nivel de atenuación alto se les da más peso que a los rodeados por píxeles con niveles de atenuación más bajos. Este proceso hace que el SWCS sea tolerante al ruido y comparable de un escaneo a otro8. El SWCS es continuo y produce una puntuación incluso cuando hay niveles bajos de calcificación, lo que permite cuantificar la extensión de la aterosclerosis cuando la puntuación de Agatston es cero. Al permitir la evaluación de la microcalcificación incluso cuando la puntuación de Agatston es cero, el SWCS puede ser importante para revelar la presencia de enfermedad subclínica. Esto puede permitir una mejor comprensión de los factores de riesgo genéticos, ambientales y otros factores de riesgo en la aterosclerosis 9,10. Un estudio anterior, que examinó a individuos con una puntuación de Agatston de cero al inicio y distinta de cero en un seguimiento aproximadamente 15 años después, observó que aquellos con un SWCS más alto al inicio tenían una tasa más alta de eventos de enfermedad coronaria (CHD). El poder predictivo del SWCS es especialmente importante en poblaciones más jóvenes, donde la detección y el seguimiento del riesgo residual a largo plazo pueden ser útiles6.

Aquí se presenta una herramienta semiautomática para calcular el SWCS junto con la puntuación de Agatston. La herramienta utiliza una interfaz gráfica de usuario que se ejecuta en un lenguaje de programación compatible. El usuario puede interactuar con las imágenes para generar una serie final de informes, que incluyen las dos puntuaciones de calcio. Para comenzar, el usuario selecciona un caso, o una serie de archivos de Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM), para ingresarlos en el programa. Estas imágenes deben ser tomografías computarizadas en apnea y con electrocardiograma, adquiridas solo durante la diástole para evitar el movimiento respiratorio y cardíaco. Si bien el programa está operativo con cualquier imagen de TC cardíaca, para producir resultados significativos, las imágenes de origen deben cumplir con las pautas mínimas de puntuación clínica de calcio11,12. Como referencia, en el estudio se utiliza un grosor de corte de 3 mm, una tensión máxima del tubo de 100 kVp, un índice de dosis de TC promedio de 1,19 mGy y una resolución de imagen de 512 x 512 píxeles. Cualquier imagen que no sea de 512 x 512 píxeles se vuelve a muestrear en el programa automáticamente para garantizar una resolución adecuada y consistente de pequeñas áreas de calcificación. Una vez cargadas las imágenes, el usuario puede verlas en las vistas axial, sagital y coronal. A continuación, se puede ajustar el brillo y el contraste de las imágenes para una mejor visualización antes de seleccionar las secciones de 0 mg/ml y 100 mg/ml del maniquí. A continuación, el usuario puede trazar cada una de las cuatro arterias coronarias -descendente anterior izquierda (LAD), arteria coronaria izquierda (LCA), circunfleja izquierda (LCX) y arteria coronaria derecha (RCA)- colocando un punto, una región de interés (ROI) o una combinación de ambos para permitir una selección exhaustiva de los píxeles de una arteria, independientemente de cómo aparezca la arteria en el plano axial. El usuario puede eliminar y reemplazar o volver a dibujar puntos y ROI según sea necesario. Al hacer clic en el botón SWCS, se generan los informes finales. Los casos se guardan automáticamente para que las imágenes, junto con los puntos y los ROI, se puedan volver a cargar más adelante. Las instrucciones escritas también están disponibles en cada punto mientras se usa el programa, lo que hace que el programa sea fácil de usar.

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Protocolo

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Este estudio se llevó a cabo con la aprobación de la Junta de Revisión Institucional de Mount Sinai (HS-20-01011), y todos los sujetos dieron su consentimiento informado por escrito.

1. Preparación antes de iniciar el protocolo

  1. Es necesaria una estructura de carpetas adecuada para este programa. Comience creando una carpeta principal para el proyecto en cualquier lugar de la computadora haciendo clic con el botón derecho y seleccionando la opción Nueva carpeta en el directorio de archivos. Todos los archivos DICOM de entrada y los resultados se almacenarán en esta carpeta principal.
    NOTA: Todos los encabezados DICOM requeridos por este programa son estándar. Por lo tanto, el programa es traducible a través de plataformas de escáner.
  2. Dentro de esta carpeta principal, cree dos nuevas carpetas haciendo clic con el botón derecho y seleccionando la opción Nueva carpeta dos veces.
  3. Cambie el nombre de la primera de estas dos carpetas para que sea obvio que almacena datos sin procesar (por ejemplo, Original_Data) haciendo clic con el botón derecho del ratón sobre ella y seleccionando la opción Cambiar nombre .
    1. Cree una nueva carpeta para un paciente determinado dentro de esta carpeta Original_Data haciendo clic con el botón derecho y seleccionando la opción Nueva carpeta . Cámbiele el nombre a identificador de paciente anónimo haciendo clic con el botón derecho en la carpeta y seleccionando la opción Cambiar nombre . Importe solo el conjunto completo de archivos DICOM sin procesar para este paciente en esta carpeta.
    2. Repita el paso 1.3.1 para todos los pacientes que se analizarán en el programa.
  4. Cambie el nombre de la segunda de estas dos carpetas como Meta_Data para el almacenamiento de resultados haciendo clic con el botón derecho del ratón sobre ella y seleccionando la opción Cambiar nombre . Esta carpeta estará vacía hasta que se ejecute el programa y se generen los resultados.
  5. Descargue el archivo del programa (Archivo complementario 1) y la imagen de portada (Archivo complementario 2) y muévalos de la carpeta de descargas a la carpeta principal del proyecto arrastrando y soltando. La configuración final de la carpeta del proyecto debe ser similar a la de la figura 1.

figure-protocol-1
Figura 1: Formato de la carpeta principal del proyecto. Esta figura muestra cómo se debe estructurar y formatear la carpeta principal del proyecto para un uso adecuado del programa. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

2. Lanzamiento del programa

  1. Abra el código del programa haciendo doble clic en su archivo en la carpeta principal del proyecto. Esto abrirá el software y mostrará el código del programa.
  2. Ingrese a la ventana del editor haciendo un solo clic en cualquier parte de ella. Haga clic en el botón verde Ejecutar ubicado en la cinta superior de la pestaña del editor para iniciar el programa. La ventana inicial del programa, después de abrirla, debe tener un aspecto similar al de la imagen de la Figura 2.
    NOTA: Las instrucciones escritas sobre las acciones esperadas del usuario y el progreso de la generación de resultados se mostrarán en el área inferior izquierda durante el transcurso del uso del programa.
  3. Haga clic en el botón Abrir DICOM en la esquina inferior izquierda. Esto abrirá el directorio de archivos.
  4. Navegue a la carpeta principal del proyecto, a la carpeta que contiene los datos originales y a un paciente para analizar. Haga clic una vez en la carpeta del paciente para que se resalte y haga clic en Abrir.
  5. Las imágenes aparecerán ahora en tres vistas: axial, sagital y coronal. Al pasar el cursor y desplazarse por una vista determinada, se recorrerán los sectores de esa vista. El punto de mira de cada vista muestra la ubicación del puntero en ese momento. Ajuste el brillo y el contraste en el área inferior derecha del programa deslizando las barras, como se muestra en la Figura 3.

figure-protocol-2
Figura 2: Ventana inicial del programa. El programa, cuando se lanzó inicialmente, tiene los botones dispuestos junto con una imagen artística. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

figure-protocol-3
Figura 3: Interfaz gráfica de usuario (GUI). Una vez que se cargan las imágenes, la interfaz gráfica de usuario del programa muestra tres vistas anatómicas de las imágenes junto con un punto de mira en cada vista, que representa el cursor. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

3. Análisis de la calcificación de las arterias coronarias

  1. Cuando esté listo para comenzar a analizar, haga clic en el botón Phantom de 0 mg/mL . Pase el cursor sobre la vista axial y desplácese hacia arriba o hacia abajo hasta que la sección de 0 mg/ml del maniquí sea visible.
  2. Mueva el cursor al centro del maniquí de 0 mg/ml en la vista axial. Ahora, sin mover el cursor, observa el punto de mira en las vistas sagital y coronal.
  3. Desplácese lentamente hacia arriba y hacia abajo unas cuantas rebanadas hasta que el punto de mira en las tres vistas esté en el centro del maniquí de 0 mg/ml. Haga clic para colocar una cuadrícula de puntos de 10 por 10 en el sector actual y sus dos sectores vecinos. Si lo hace, aparecerá un grupo rojo de círculos en la vista axial y una columna de tres puntos en las vistas sagital y coronal. Estos puntos se utilizarán en el cálculo de la función de ponderación.
  4. Repita los pasos 3.1-3.3 para el maniquí de 100 mg/ml.
  5. Si un maniquí no está disponible o no se puede utilizar debido a problemas de calidad, haga clic en el botón Sin fantasma para obtener una agregación de 10 maniquíes de muestra y su correspondiente función de ponderación que se utilizará.
  6. Cuando termine de seleccionar los maniquíes, comience a trazar cada una de las cuatro arterias coronarias haciendo clic en uno de los botones de las arterias: LAD, LCA, LCX o RCA.
  7. Coloque el cursor sobre la vista axial y desplácese para navegar hasta el extremo proximal o distal de la arteria elegida. Observe la forma de la arteria en esta rebanada.
  8. Si la forma de la arteria es circular en la vista axial de este corte y tiene como máximo 5 mm de diámetro, siga estos subpasos. Si no es circular, continúe con el paso 3.9.
    1. Coloque un punto en la arteria haciendo un solo clic en el centro de la arteria en la vista axial. El punto colocado se mostrará con un círculo de 5 mm de diámetro. Si la arteria no encaja en el círculo, elimínela haciendo doble clic en ella y continúe con el paso 3.9 para dibujar un ROI. El punto también aparecerá en las vistas sagital y coronal.
    2. Si la arteria es más fácil de visualizar en la vista sagital o coronal, coloque un punto allí en su lugar. Asegúrese de que esté alineado con el centro de la arteria en la vista axial.
    3. Si un punto colocado es accidental o no es óptimo, se puede eliminar haciendo doble clic rápidamente sobre él en cualquiera de las tres vistas. El texto en el área inferior izquierda dará una notificación de que el punto ha sido eliminado.
  9. Si la forma de la arteria no es circular en el plano axial, siga los pasos que se indican a continuación.
    1. Mientras se asegura de que el corte axial deseado esté a la vista, haga clic en el botón Dibujar ROI. En la ventana emergente, desplácese para acercar o alejar y comience a hacer clic alrededor de la arteria para trazarla, como se muestra en la Figura 4.
      NOTA: Los ROI, a diferencia de los puntos, solo se pueden colocar en la vista axial.
    2. Mientras el ROI aún está abierto, la tecla de retroceso se puede utilizar para eliminar el punto anterior colocado en el trazado de la arteria. Para cerrar el ROI, haga doble clic en el lugar donde se colocará el último punto o haga doble clic en el primer punto colocado.
    3. Ajuste aún más el ROI cerrado y refine arrastrando los puntos del perímetro del ROI o haciendo doble clic en el perímetro de un ROI para agregar un punto.
    4. Una vez que se cierra el ROI, aparecerán dos botones en la parte inferior de la ventana emergente: Bloquear y Redibujar ROI. Si es necesario volver a dibujar el ROI, haga clic en el botón Redibujar ROI para borrar el actual y dibujar uno nuevo.
    5. Cuando esté satisfecho con el ROI actual, haga clic en el botón Bloquear y cierre la ventana emergente haciendo clic en el botón rojo en la esquina superior izquierda (Mac) o en el botón X en la esquina superior derecha (PC) de la ventana emergente.
    6. Un ROI se puede eliminar incluso una vez que está bloqueado haciendo doble clic en cualquiera de los puntos del perímetro en la vista axial de la ventana principal del programa (no en la ventana emergente).

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Figura 4: Función de ROI de dibujo. Cuando se elige la opción Dibujar ROI, aparece una ventana emergente del corte axial actual. El amarillo muestra un ROI que se dibujó previamente en este segmento. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

  1. Desplácese hacia arriba o hacia abajo en una rebanada en la vista axial y repita los pasos 3.8-3.9 hasta llegar al final de la arteria elegida. Cuando haya terminado, vuelva a hacer clic en el botón de la arteria terminada para revisar el trazado de la arteria y asegurarse de que no se hayan colocado puntos accidentales.
    NOTA: Se puede colocar más de un punto o ROI en cualquier corte axial dado. Las líneas adicionales que conectan dos ROI en un sector se pueden ignorar. Si alguna de las cortes de una arteria determinada no está etiquetada, aparecerá un mensaje de error. Cierre el mensaje y etiquete los sectores perdidos.
  2. Pasa a la siguiente de las cuatro arterias y repite los pasos 3.6-3.10.
  3. Cuando se hayan trazado las cuatro arterias, haga clic en el botón SWCS en la esquina inferior derecha para generar los resultados. El área inferior izquierda mostrará el progreso y mostrará "Procesamiento finalizado" cuando termine. Cierre la ventana del programa haciendo clic en el botón rojo en la esquina superior izquierda (Mac) o en el botón X en la esquina superior derecha (PC).

4. Acceso a los resultados

  1. Para acceder a los resultados del caso que acabamos de analizar, abra el directorio de archivos y navegue hasta la carpeta principal del proyecto. Vaya a la carpeta Meta_Data y observe que ha aparecido una nueva carpeta con el mismo nombre que la carpeta de datos original para ese tema.
  2. Dentro de esta carpeta, habrá tres tipos de documentos: CSV, PNG y PDF. Revise los PDF para obtener la puntuación final de SWCS y Agatston para el caso, así como la función de ponderación utilizada.
    NOTA: Los CSV almacenan las coordenadas de los distintos puntos/ROI colocados al analizar este tema. Tener estos CSV permitirá que las imágenes de este sujeto se vuelvan a abrir en el programa un día posterior y que los puntos/ROI anteriores aparezcan automáticamente. Cualquier cambio realizado en el caso, cuando se vuelva a abrir, se reflejará automáticamente en los CSV.

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Resultados

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Los resultados representativos que se muestran en esta sección muestran lo que implica el uso exitoso del programa. Aquí, se utiliza como ejemplo un paciente con una puntuación de Agatston superior a cero. Como se mencionó anteriormente, los resultados dentro de la carpeta de metadatos de un paciente tendrán hojas de cálculo en forma de archivos CSV, imágenes en forma de archivos PNG e informes en forma de archivos PDF, como se muestra en la Figura 5. El número de archivos PNG difiere de un ...

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Discusión

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Si bien el protocolo de este programa es relativamente fácil de seguir, hay algunos pasos críticos que son necesarios para un uso exitoso y resultados confiables. Antes de comenzar, es importante asegurarse de que los datos del paciente que se utilizarán en este programa estén anonimizados para garantizar la confidencialidad del paciente. El formato inicial y la nomenclatura de la carpeta principal del proyecto deben ser correctos para que el programa reconozca dónde extraer y colocar los datos. La nomenclatura y/o coloc...

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Divulgaciones

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Los autores declaran que no tienen conflictos de intereses que revelar.

Agradecimientos

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Este trabajo fue financiado por R01ES029967 de subvenciones de los NIH.

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
Hidroxiapatita cálcicaSigma-Aldrich289396-100GSuspendido en resina EpoxAcast 690 para la creación de maniquíes
Escáner de TC cardíaco clínicoSiemensSOMATOM Force TC de doble fuenteUtilizado para las imágenes de origen; Cualquier TC cardíaca será suficiente
EpoxAcast 690Smooth-On03641Se utiliza para la creación de fantasmas
MATLABMathworksR2019aRequires Image Processing Toolbox y Statistics and Machine Learning Toolbox; Cualquier versión compatible y capaz de ejecutar la versión R2019a scripts es suficiente
Computadora estándarN/AN/A Sistemaoperativo macOS o Windows
syngo.viaSiemensVB60A_HF04Software comercial utilizado para calcular la puntuación de Agatston para el estudio de validación

Referencias

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. 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).
  2. Budoff, M. J., et al. Assessment of coronary artery disease by cardiac computed tomography. Circulation. 114 (16), 1761-1791 (2006).
  3. 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).
  4. Mautner, G. C., et al. Coronary artery calcification: assessment with electron beam CT and histomorphometric correlation. Radiology. 192 (3), 619-623 (1994).
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  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
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