Методическая статья

Полуавтоматический графический инструмент для измерения пространственно-взвешенной кальциевой оценки коронарных артерий по изображениям компьютерной томографии сердца

DOI:

10.3791/65458

⸱

22 сентября 2023 г.

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

В этой статье

Краткое содержание

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

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.

Аннотация

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

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.

Введение

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

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.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

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

Это исследование было проведено с одобрения Институционального наблюдательного совета Маунт-Синай (HS-20-01011), и все испытуемые дали письменное информированное согласие.

1. Подготовка перед началом протокола

  1. Для этой программы необходима соответствующая структура папок. Начните с создания главной папки для проекта в любом месте на компьютере, щелкнув правой кнопкой мыши и выбрав опцию «Новая папка » в каталоге файлов. Все входные DICOM-файлы и результаты будут храниться в этой главной папке.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Все разъемы DICOM, требуемые этой программой, являются стандартными. Таким образом, программа может быть переведена на разные платформы сканеров.
  2. В этой главной папке создайте две новые папки, щелкнув правой кнопкой мыши и дважды выбрав опцию «Новая папка ».
  3. Переименуйте первую из этих двух папок, чтобы было очевидно, что в ней хранятся необработанные данные (например, Original_Data), щелкнув по ней правой кнопкой мыши и выбрав опцию Переименовать .
    1. Создайте новую папку для данного пациента в этой Original_Data папке, щелкнув правой кнопкой мыши и выбрав опцию «Новая папка ». Переименуйте его в анонимный идентификатор пациента, щелкнув правой кнопкой мыши по папке и выбрав опцию « Переименовать ». Импортируйте в эту папку только полный набор необработанных файлов DICOM для этого пациента.
    2. Повторите шаг 1.3.1 для всех пациентов, которые будут проанализированы в программе.
  4. Переименуйте вторую из этих двух папок в Meta_Data для хранения результатов, щелкнув по ней правой кнопкой мыши и выбрав опцию Переименовать . Эта папка будет пустой до тех пор, пока программа не будет запущена и не будут сгенерированы результаты.
  5. Загрузите файл программы (Дополнительный файл 1) и изображение обложки (Дополнительный файл 2) и переместите их из папки загрузок в основную папку проекта, перетащив их. Окончательная настройка папки проекта должна выглядеть примерно так, как показано на рисунке 1.

figure-protocol-1
Рисунок 1: Формат основной папки проекта. На этом рисунке показано, как должна быть структурирована и отформатирована основная папка проекта для правильного использования программы. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

2. Запуск программы

  1. Откройте код программы, дважды щелкнув по ее файлу в главной папке проекта. Это откроет программное обеспечение и отобразит код программы.
  2. Войдите в окно редактора, щелкнув один раз в любом месте на нем. Нажмите зеленую кнопку «Выполнить », расположенную в верхней ленте вкладки редактора, чтобы запустить программу. Начальное окно программы, после открытия, должно выглядеть, как на рисунке 2.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Письменные инструкции по ожидаемым действиям от пользователя и прогрессу генерации результата будут отображаться в левой нижней области на протяжении всего процесса использования программы.
  3. Нажмите кнопку «Открыть DICOM » в левом нижнем углу. Откроется каталог files.
  4. Перейдите в основную папку проекта, папку, содержащую исходные данные, и к пациенту для анализа. Щелкните один раз по папке пациента, чтобы она была выделена, и нажмите « Открыть».
  5. Теперь изображения будут отображаться в трех видах: осевом, сагиттальном и корональном. При наведении курсора и прокрутке определенного представления будут проходить по срезам в этом представлении. Перекрестие на каждом представлении отображает местоположение указателя в данный момент. Отрегулируйте яркость и контрастность в правой нижней части программы, перемещая полосы, как показано на рисунке 3.

figure-protocol-2
Рисунок 2: Начальное окно программы. При первоначальном запуске программа имеет кнопки, расположенные вместе с художественным изображением. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

figure-protocol-3
Рисунок 3: Графический интерфейс пользователя (GUI). После загрузки изображений графический интерфейс программы показывает три анатомических вида изображений вместе с перекрестием на каждом виде, представляющим курсор. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

3. Анализ кальцификации коронарных артерий

  1. Когда будете готовы приступить к анализу, нажмите кнопку 0 мг/мл Phantom . Наведите курсор на осевое изображение и прокрутите вверх или вниз до тех пор, пока не станет видна секция фантома с концентрацией 0 мг/мл.
  2. Переместите курсор в центр фантома 0 мг/мл в осевом виде. Теперь, не перемещая курсор, наблюдаем перекрестие в сагиттальном и корональном видах.
  3. Медленно прокручивайте вверх и вниз несколько срезов, пока перекрестие во всех трех видах не окажется в центре фантома 0 мг/мл. Щелкните один раз, чтобы разместить сетку точек размером 10 на 10 на текущем фрагменте и двух соседних с ним фрагментах. Это приведет к появлению красного скопления кругов на осевом изображении и столбца из трех точек на сагиттальном и корональном видах. Эти точки будут использоваться при расчете весовой функции.
  4. Повторите шаги 3.1-3.3 для фантома 100 мг/мл.
  5. Если фантом недоступен или непригоден для использования из-за проблем с качеством, нажмите кнопку No Phantom (Без фантома), чтобы получить агрегацию из 10 фантомов выборки и соответствующую функцию взвешивания, которая будет использоваться.
  6. Когда закончите с выбором фантомов, начните отслеживать каждую из четырех коронарных артерий, нажав на одну из кнопок артерий - LAD, LCA, LCX или RCA.
  7. Наведите курсор на осевой вид и прокрутите, чтобы перейти к проксимальному или дистальному концу выбранной артерии. Обратите внимание на форму артерии в этом срезе.
  8. Если форма артерии круглая в осевом виде этого среза и не более 5 мм в диаметре, выполните следующие шаги. Если она не круглая, переходите к шагу 3.9.
    1. Поместите точку на артерию, щелкнув один раз по центру артерии в осевом виде. Размещенная точка будет отображаться в виде круга диаметром 5 мм. Если артерия не помещается в круг, удалите ее, дважды щелкнув по ней, и переходите к шагу 3.9, чтобы нарисовать ROI. Точка также появится в сагиттальном и корональном видах.
    2. Если артерию легче визуализировать в сагиттальной или корональной проекции, поместите туда точку. Убедитесь, что он выровнен с центром артерии в осевой проекции.
    3. Если точка размещена случайно или не является оптимальной, ее можно удалить, быстро дважды щелкнув по ней в любом из трех видов. Текст в левой нижней области уведомит о том, что точка была удалена.
  9. Если форма артерии не круглая в осевой плоскости, выполните следующие действия.
    1. Убедившись, что желаемый осевой срез находится в поле зрения, нажмите кнопку «Нарисовать ROI». Во всплывающем окне прокрутите, чтобы увеличить/уменьшить масштаб, и начните один щелчок вокруг артерии, чтобы обвести ее, как показано на рисунке 4.
      ПРИМЕЧАНИЕ: ROI, в отличие от точек, могут быть размещены только в осевом виде.
    2. Пока ROI все еще открыт, клавиша Backspace может быть использована для удаления предыдущей точки, помещенной в трассировку артерии. Чтобы закрыть ROI, дважды щелкните в том месте, где должна быть размещена последняя точка, или дважды щелкните по первой размещенной точке.
    3. Отрегулируйте закрытую рентабельность инвестиций и уточните ее, перетащив точки периметра ROI или дважды щелкнув по периметру ROI, чтобы добавить точку.
    4. Как только ROI будет закрыт, в нижней части всплывающего окна появятся две кнопки: Lock in и Redraw ROI. Если ROI нужно перерисовать, нажмите кнопку Перерисовать ROI , чтобы очистить текущий и нарисовать новый.
    5. Если вас устраивает текущая рентабельность инвестиций, нажмите кнопку «Зафиксировать » и закройте всплывающее окно, нажав красную кнопку в левом верхнем углу (Mac) или кнопку X в правом верхнем углу (ПК) всплывающего окна.
    6. Окупаемость инвестиций может быть удалена даже после того, как она заблокирована, двойным щелчком мыши по любой из точек периметра в осевом виде главного окна программы (не во всплывающем окне).

figure-protocol-4
Рисунок 4: Функция Draw ROI. Если выбрана опция Рисовать ROI, появляется всплывающее окно текущего осевого среза. Желтым цветом показана рентабельность инвестиций, которая ранее была нарисована на этом срезе. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

  1. Прокрутите вверх или вниз один срез в осевом виде и повторяйте шаги 3.8-3.9 до тех пор, пока не будет достигнут конец выбранной артерии. Когда закончите, снова нажмите на кнопку готовой артерии, чтобы просмотреть трассировку артерии и убедиться, что не было случайно размещено ни одной точки.
    ПРИМЕЧАНИЕ: На любом осевом срезе может быть размещено более одной точки или ROI. Дополнительные строки, соединяющие два ROI на срезе, можно игнорировать. Если какие-либо срезы данной артерии не помечены, появится сообщение об ошибке. Закройте сообщение и пометьте пропущенные фрагменты.
  2. Переходите к следующей из четырех артерий и повторяйте шаги 3.6-3.10.
  3. Когда все четыре артерии будут отслежены, нажмите кнопку SWCS в правом нижнем углу, чтобы получить результаты. В левой нижней области будет показан прогресс, а по завершении отобразится «Завершена обработка». Закройте окно программы, нажав красную кнопку в левом верхнем углу (Mac) или кнопку X в правом верхнем углу (ПК).

4. Доступ к результатам

  1. Чтобы получить доступ к результатам для только что проанализированного случая, откройте каталог files и перейдите в основную папку проекта. Перейдите в папку Meta_Data и обратите внимание, что появилась новая папка с тем же именем, что и исходная папка данных для этой темы.
  2. В этой папке будет три типа документов: CSV, PNG и PDF. Просмотрите PDF-файлы, чтобы получить окончательную оценку SWCS и Agatston для дела, а также используемую функцию взвешивания.
    ПРИМЕЧАНИЕ: CSV-файлы хранят координаты различных точек/ROI, размещенных при анализе этого предмета. Наличие этих CSV-файлов позволит повторно открыть изображения этого субъекта в программе на более поздний день, и предыдущие баллы/ROI будут отображаться автоматически. Любые изменения, внесенные в обращение, при повторном открытии будут автоматически отражены в CSV-файлах.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

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

Репрезентативные результаты, показанные в этом разделе, показывают, что влечет за собой успешное использование программы. Здесь в качестве примера используется пациент с оценкой по шкале Агатстона больше нуля. Как обсуждалось ранее, результаты в папке метаданных пациента будут иметь электронные таблицы в виде файлов CSV, изображения в виде файлов PNG и отчеты в виде файлов PDF, как показано на рисунке 5. Количество PNG-файлов отличается от случая к случаю, так как включаются только снимки вы...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

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

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 программе, анонимизированы для обеспечения конфиденциальности пациента. Первоначальное форматирование и именование основной папки проекта должны быть правильными, чтобы программа могла распознать, куда извлекать и размещать данные. Неправильное...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

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

Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов, который они могли бы раскрыть.

Благодарности

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

Эта работа была поддержана грантом NIH R01ES029967.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Гидроксиапатит кальцияSigma-Aldrich289396-100GСуспендирован в смоле EpoxAcast 690 для фантомного создания
Клинический кардиологический компьютерный томографSiemensSOMATOM Force Dual Source CTИспользуется для исходных изображений; Любой сердечный компьютерный томограф будет достаточным
EpoxAcast 690Smooth-On03641Используется для создания фантома
MATLABMathworksR2019aТребуется набор инструментов для обработки изображений и набор инструментов для статистики и машинного обучения; Любая версия, совместимая и способная запускать скрипты версии R2019a, является достаточной
Стандартный компьютерн/д н/дmacOS или операционной системы Windows
syngo.viaSiemensVB60A_HF04Коммерческое программное обеспечение, используемое для вычисления оценки Агатстона для валидационного исследования

Ссылки

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  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).
  5. 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).
  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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. American College of Radiology. ACR-NASCI-SPR practice parameter for the performance and interpretation of cardiac computed tomography (CT). American College of Radiology. , (2021).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Похожие статьи