Półautomatyczne narzędzie graficzne do pomiaru przestrzennie ważonego stężenia wapnia w tętnicy wieńcowej na podstawie obrazów tomografii komputerowej bramkowanej serca
22 września 2023
Ten film demonstruje użycie nowatorskiego narzędzia graficznego do pomiaru przestrzennie ważonego wyniku wapnia (SWCS), alternatywy dla wyniku Agatstona, do ilościowego określania zwapnienia tętnic wieńcowych. Narzędzie graficzne oblicza SWCS na podstawie danych obrazowych z bramkowanej tomografii komputerowej serca i zdefiniowanych przez użytkownika ścieżek tętnic wieńcowych.
Misją Instytutu Inżynierii Biomedycznej i Obrazowania jest tworzenie innowacyjnych technologii inżynierii biomedycznej i obrazowania, które mogą być wykorzystywane w naukach medycznych i praktyce klinicznej. Celem jest zidentyfikowanie i opracowanie technik wczesnej i dokładnej diagnozy chorób, które mogą być przydatne w optymalizacji skuteczniejszych metod leczenia. Nasz zespół zajmujący się obrazowaniem układu sercowo-naczyniowego koncentruje się na technikach pozyskiwania i analizy obrazów w obrazowaniu MRI, PET i CT.
Obrazowanie CT może być wykorzystywane do pomiaru zwapnienia i określania ciężkości choroby wieńcowej bez inwazyjnych procedur. Skala Agatstona jest najczęściej stosowaną metodą oceny wapnia, ale opiera się na progach sygnału, które mogą powodować pominięcie wczesnych stadiów choroby z powodu małych, słabo tłumiących osadów, które nie są wykrywalne ponad szumem obrazu. Dr Jason Liang i jego koledzy z Uniwersytetu Waszyngtońskiego opracowali koncepcję przestrzennie ważonego wyniku wapnia.
Jednak w chwili obecnej nie ma wiarygodnych i spójnych narzędzi do obliczania wyniku. Stworzyliśmy program, który oferuje badaczom możliwość dokładnego i powtarzalnego obliczania. Specjalnie ważony wynik wapnia został zaprojektowany tak, aby był czuły na wykrywanie mikrozwapnień, które występuje przed zaawansowanym zwapnieniem naczyń wieńcowych, które można wykryć za pomocą tradycyjnych skanów CT oceny wapnia.
Czułość ta jest istotna w identyfikacji subklinicznej choroby wieńcowej i dostarczaniu danych ilościowych, które mogą być przydatne przy ocenie nowych czynników ryzyka, takich jak narażenie na metale z e-papierosów, ocenie modyfikowalnego ryzyka w młodszych populacjach oraz badaniu wpływu interwencji. Bezpośrednim zastosowaniem tej pracy jest zbadanie związku między zwapnieniem tętnic wieńcowych a narażeniem na metale toksyczne wynikające z używania e-papierosów. Projekt ten jest finansowany przez NIH i prowadzony przez profesora Navasa-Aciena Iana z Uniwersytetu Columbia.
Aby rozpocząć, utwórz odpowiednią strukturę folderów dla protokołu, przejdź do głównego folderu projektu i zlokalizuj plik programu. Kliknij dwukrotnie plik, aby uruchomić oprogramowanie i wyświetlić kod programu. Aby uruchomić program, kliknij w dowolnym miejscu okna edytora i kliknij zielony przycisk uruchamiania na górnej wstążce karty edytora.
Kliknij przycisk otwierania DICOM w lewym dolnym rogu, aby uzyskać dostęp do katalogu pliku. Przejdź do głównego folderu projektu i znajdź oryginalne dane. Wybierz folder pacjenta, który ma zostać przeanalizowany, i kliknij przycisk Otwórz.
Na ekranie pojawią się obrazy w widoku osiowym, strzałkowym i koronalnym. Aby sprawdzić plasterki w określonym widoku, najedź na nie kursorem i przewiń je. Użyj krzyżyka nitkowego, aby wyświetlić położenie wskaźnika w tym momencie.
Za pomocą suwaków znajdujących się w prawym dolnym rogu programu dostosuj jasność i kontrast obrazu. Aby przeanalizować zwapnienie tętnicy wieńcowej, kliknij przycisk fantomu zero miligramów na mililitr. Najedź kursorem na widok osiowy i przewiń, aż zobaczysz zero miligramów na mililitr sekcji fantomu.
Umieść kursor w punkcie środkowym fantomu zera miligramów na mililitr w widoku osiowym. Obserwuj krzyż nitkowy w widokach strzałkowym i koronalnym bez przesuwania kursora. Przewiń kilka wycinków, aż krzyżyk i trzy widoki zostaną wyśrodkowane na fantomie zerowym miligramów na mililitr
.Aby wygenerować czerwony klaster okręgów w widoku osiowym w kolumnie trzech punktów w widoku strzałkowym i koronalnym, umieść siatkę o wymiarach 10 na 10 punktów na bieżącym i sąsiednich plasterkach. Jeśli fantom jest niedostępny lub jest niskiej jakości, należy wybrać przycisk brak fantomu, aby użyć agregacji 10 fantomów próbek i odpowiadających im funkcji ważenia. Następnie wybierz przycisk tętnicy, aby rozpocząć śledzenie każdej z czterech tętnic wieńcowych.
Najedź kursorem na widok osiowy. Przewiń, aby przejść do bliższego lub dalszego końca wybranej tętnicy i obserwuj kształt tętnicy w przekroju. Aby zaznaczyć tętnicę kołową, kliknij jej środek w widoku osiowym, a pojawi się punkt o średnicy pięciu milimetrów, który będzie również widoczny w widoku strzałkowym i koronalnym.
Jeśli tętnica jest bardziej widoczna w widoku strzałkowym lub koronalnym, umieść tam punkt, upewniając się, że jest wyrównany ze środkiem tętnicy w widoku osiowym. Szybko kliknij dwukrotnie w dowolnym z trzech widoków, aby usunąć nieoptymalne umieszczone punkty. Obserwuj lewy dolny obszar, aby uzyskać powiadomienie potwierdzające usunięcie punktów.
Jeśli kształt tętnicy nie jest okrągły w płaszczyźnie osiowej, upewnij się, że żądany przekrój osiowy jest widoczny i kliknij przycisk rysowania ROI. W wyskakującym okienku przewiń, aby powiększyć lub pomniejszyć i zacznij śledzić wokół tętnicy za pomocą pojedynczych kliknięć. Aby usunąć poprzedni punkt w śledzeniu tętnicy, użyj Backspace, gdy ROI jest otwarty i zamknij ROI, klikając dwukrotnie ostatni lub pierwszy umieszczony punkt.
Uściślij zamknięty obszar robót, przeciągając jego punkty obwodu lub klikając dwukrotnie obwód, aby dodać punkt. Następnie zablokuj i przerysuj ponownie, ROI pojawi się na dole wyskakującego okienka. Gdy będziesz zadowolony z bieżącego zwrotu z inwestycji, kliknij przycisk blokady i zamknij wyskakujące okienko za pomocą czerwonego przycisku w lewym górnym rogu.
Aby usunąć zablokowany zwrot z inwestycji, kliknij dwukrotnie dowolne punkty obwodu w widoku osiowym głównego okna programu. Przewiń jeden wycinek w widoku osiowym i powtarzaj procedurę, aż do osiągnięcia końca wybranej tętnicy. Po zakończeniu śledzenia kliknij ponownie przycisk tętnic, aby upewnić się, że nie zostały umieszczone żadne przypadkowe punkty.
Po prześledzeniu wszystkich czterech tętnic kliknij przycisk SWCS w prawym dolnym rogu, aby wygenerować wyniki. W lewym dolnym obszarze pojawi się postęp i wyświetlenie zakończonego przetwarzania po zakończeniu. Zamknij okno programu, klikając czerwony przycisk.
Aby uzyskać dostęp do wyników, otwórz katalog plików, przejdź do głównego folderu projektu i wprowadź folder metadanych. Poszukaj folderu o tej samej nazwie, co oryginalny folder tematu, i znajdź plik w żądanym formacie. Przejrzyj pliki PDF, aby uzyskać ostateczną punktację SWCS i Agatston dla sprawy i użytej funkcji oczekiwania.
Procentowa różnica między wynikiem Agatstona uzyskanym z programu a oprogramowaniem komercyjnym jest przedstawiona za pomocą wykresu Blanda-Altmana.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
To wideo demonstruje nowatorskie narzędzie graficzne do pomiaru przestrzennie ważonego wskaźnika wapniowania (SWCS), alternatywy dla wskaźnika Agatstona w ilościowym określaniu wapniowania tętnic wieńcowych. Narzędzie oblicza SWCS na podstawie zgatowanej tomografii komputerowej kardiologicznej i użytkownikowych ścieżek tętnic wieńcowych.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Inżynieria biomedyczna
- Wizualizacja układu krążenia
- Technologia medyczna
Tło
- Instytut Inżynierii Biomedycznej i Obrazowania ma na celu opracowywanie innowacyjnych technologii obrazowania.
- Tomografia komputerowa jest wykorzystywana do pomiaru wapniowania w tętnicach wieńcowych.
- Wskaźnik Agatstona jest powszechnie stosowany do wskazywania wapniowania, ale ma ograniczenia.
- Dr Jason Liang i jego współpracownicy opracowali SWCS, aby przeciwdziałać tym ograniczeniom.
Cel badania
- Aby zapewnić dokładniejszą metodę ilościowego określania wapniowania tętnic wieńcowych.
- Aby poprawić wczesne wykrywanie choroby tętnic wieńcowych.
- Aby zwiększyć skuteczność opcji leczenia.
Stosowane metody
- Zgatowana tomografia komputerowa (CT) kardiologiczna.
- Narzędzie graficzne do obliczania SWCS.
- Użytkownicze ścieżki do analizy tętnic wieńcowych.
- Porównanie z metodologią wskaźnika Agatstona.
Główne wyniki
- SWCS zapewnia bardziej subtelne pomiary wapniowania.
- Może skuteczniej wykrywać wczesne etapy choroby tętnic wieńcowych.
- Narzędzie graficzne upraszcza proces obliczania wskaźników wapniowania.
- SWCS może prowadzić do lepszych wyników klinicznych w zdrowiu układu krążenia.
Konkluzje
- SWCS jest obiecującą alternatywą dla wskaźnika Agatstona.
- Poprawia wykrywanie choroby tętnic wieńcowych.
- Potrzebne są dalsze badania, aby potwierdzić jego przydatność kliniczną.
Często zadawane pytania
Executive Industry Relevance
Quantitative assessment of coronary artery calcification is critical for early-stage cardiovascular risk stratification and mechanistic de-risking in translational research. The semi-automatic graphical tool for spatially weighted calcium scoring (SWCS) enables detection of micro-calcification beyond the Agatston threshold, supporting predictive confidence in disease-relevant models. This capability enhances portfolio decision-making by enabling earlier identification of subclinical disease and modifiable risk factors.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables interrogation of coronary calcification as a mechanistic biomarker for cardiovascular risk.
- Supports biological de-risking by quantifying sub-threshold calcium deposits undetectable by standard scoring.
- Improves predictive confidence for target validation in studies of environmental or lifestyle risk factors.
Screening & Assay Development
- Facilitates preparation of validated imaging-based assays for quantifying coronary calcification in preclinical and clinical cohorts.
- Standardizes calcium scoring outputs for reproducibility across studies and platforms.
- Enables reliable comparison of intervention effects on early calcification dynamics.
Translational & Preclinical Research
- Aligns imaging outputs with translational biomarker strategies for subclinical cardiovascular disease.
- Supports continuity from discovery through preclinical validation by providing sensitive, quantitative endpoints.
- De-risks advancement decisions by revealing early disease signals in at-risk populations.
Pipeline & Workflow Integration
This tool integrates into the discovery-to-preclinical continuum by providing a quantitative, reproducible imaging endpoint for coronary calcification. It bridges early discovery, screening, and translational research workflows.
- Discovery Biology: Enables hypothesis testing on the impact of novel exposures or interventions on coronary micro-calcification.
- Screening: Provides assay-ready, quantitative outputs for cross-study and cross-cohort comparisons.
- Analytics: Delivers spatially weighted, pixel-level calcium measurements for robust statistical analysis.
- Translational Research: Supports biomarker alignment and risk stratification in preclinical and clinical studies.
- Enterprise Reuse: Offers a standardized, semi-automated workflow adaptable across imaging studies and disease models.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in cardiovascular risk assessment.
- Operational Value: Enhances standardization, reproducibility, and scalability of calcium scoring workflows.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions and capital efficiency by enabling earlier detection of disease signals.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization and advancement of cardiovascular research assets.
Implementation Considerations
- Requires expertise in cardiac CT imaging and anatomical tracing of coronary arteries.
- Needs access to gated cardiac CT data and calibration phantoms for weighting function derivation.
- Demands cross-team standardization of imaging protocols and scoring procedures.
- Adaptable to studies of environmental, genetic, or therapeutic modulation of coronary calcification.
- Dependent on image quality and availability of calibration phantoms for optimal accuracy.
