Halbautomatisches grafisches Tool zur Messung des räumlich gewichteten Kalzium-Scores der Koronararterien aus Computertomographiebildern des Herzkranzes

Zusammenfassung

Dieses Video zeigt die Verwendung eines neuartigen grafischen Werkzeugs zur Messung des räumlich gewichteten Kalzium-Scores (SWCS), einer Alternative zum Agatston-Score, zur Quantifizierung der Koronararterienverkalkung. Das grafische Tool berechnet SWCS auf der Grundlage von Bilddaten aus der Gated Cardiac Computertomographie und benutzerdefinierten Pfaden der Koronararterien.

Zusammenfassung

Der derzeitige Standard für die Messung der Verkalkung der Koronararterien zur Bestimmung des Ausmaßes der Atherosklerose ist die Berechnung des Agatston-Scores aus der Computertomographie (CT). Der Agatston-Score ignoriert jedoch Pixelwerte von weniger als 130 Hounsfield-Einheiten (HU) und Kalziumregionen von weniger als 1 mm². Aufgrund dieser Schwelle ist der Score nicht empfindlich gegenüber kleinen, schwach abschwächenden Regionen der Kalziumablagerung und kann eine beginnende Mikroverkalkung nicht erkennen. Eine kürzlich vorgeschlagene Metrik namens Spatially Weighted Calcium Score (SWCS) verwendet ebenfalls CT, enthält jedoch keinen Schwellenwert für HU und erfordert keine erhöhten Signale in zusammenhängenden Pixeln. Daher ist das SWCS empfindlich gegenüber schwach abschwächenden, kleineren Kalziumablagerungen und kann die Messung des koronaren Herzkrankheitsrisikos verbessern. Derzeit wird das SWCS aufgrund der zusätzlichen Rechenkomplexität nicht ausgelastet. Um die Translation des SWCS in die klinische Forschung und eine zuverlässige, wiederholbare Berechnung des Scores zu fördern, war es das Ziel dieser Studie, ein halbautomatisches grafisches Tool zu entwickeln, das sowohl den SWCS- als auch den Agatston-Score berechnet. Das Programm erfordert CT-Scans mit einem Kalziumhydroxylapatit-Phantom im Sichtfeld. Das Phantom ermöglicht die Ableitung einer Gewichtungsfunktion, aus der die Gewichtung jedes Pixels angepasst wird, wodurch Signalschwankungen und Variabilität zwischen Scans abgemildert werden können. Wenn alle drei anatomischen Ansichten gleichzeitig sichtbar sind, verfolgt der Benutzer den Verlauf der vier Hauptkoronararterien, indem er Punkte oder Regionen von Interesse platziert. Funktionen wie Scroll-to-Zoom, Doppelklick zum Löschen und Helligkeits-/Kontrastanpassung sowie schriftliche Anleitungen bei jedem Schritt machen das Programm benutzerfreundlich und einfach zu bedienen. Sobald die Verfolgung der Arterien abgeschlossen ist, erstellt das Programm Berichte, die die Werte und Momentaufnahmen von sichtbarem Kalzium enthalten. Das SWCS kann das Vorhandensein einer subklinischen Erkrankung aufdecken, die für eine frühzeitige Intervention und Änderungen des Lebensstils verwendet werden kann.

Einleitung

Die Messung der Kalziummenge in den Arterien mittels Computertomographie (CT) ist eine etablierte Methode, um den Schweregrad der koronaren Atherosklerose zu beurteilen. Die Kenntnis und Quantifizierung des Ausmaßes der Atherosklerose ist der Schlüssel zur Bestimmung des Risikos einer zukünftigen koronaren Herzkrankheit 1,2,3,4. Die gebräuchlichste Methode zur Messung von Kalzium in den Herzkranzgefäßen ist die Verwendung des Agatston-Scores⁵. Ein Teil der Berechnung des Agatston-Scores hängt jedoch von der Intensität der ausgewählten Pixel ab, die in Hounsfield-Einheiten (HU) gemessen wird. Pixel, die kleiner als 130 HU sind, werden bei der Berechnung nicht berücksichtigt. Ebenso werden Verkalkungen mit einer Fläche von weniger als 1^mm2 nicht berücksichtigt. Aufgrund dieser Schwellenwerte ist der Agatston-Score nicht empfindlich gegenüber kleinen, schwach abschwächenden Verkalkungsherden, die dennoch wichtig sein können, um das Vorliegen einer subklinischen Erkrankung aufzudecken⁶.

Eine zuvor beschriebene Metrik, der als räumlich gewichteter Kalzium-Score (SWCS) bezeichnet wird, wurde vorgeschlagen, um das Risiko atherosklerotischer Plaques bei Patienten mit geringer Verkalkung zu bewerten⁷. Im Gegensatz zum Agatston-Score verwendet das SWCS keine Signalschwellenwerte, um die Auswirkungen des Bildrauschens zu reduzieren. Stattdessen wird ein Phantom verwendet - ein Objekt mit bekannten Konzentrationen von Kalziumhydroxylapatit (CHA), das auf dem Teilnehmer so platziert wird, dass es sich im Sichtfeld des Scans befindet. Hier wurde während der Entwicklung ein Phantom mit 0 mg/ml, 50 mg/ml, 100 mg/ml und 200 mg/ml CHA verwendet; In der aktuellen Implementierung des grafischen Tools sind jedoch nur die Abschnitte 0 mg/ml und 100 mg/ml erforderlich. Das Phantom wird verwendet, um eine scanspezifische Gewichtungsfunktion zu erstellen, die dann verwendet wird, um jedes der vom Benutzer ausgewählten Pixel sowie seine Nachbarn zu wiegen. Pixel mit benachbarten Pixeln, die eine hohe Dämpfungsstufe aufweisen, werden stärker gewichtet als Pixel, die von Pixeln mit niedrigeren Dämpfungsstufen umgeben sind. Dieses Verfahren macht das SWCS rauschtolerant und von Scan zu Scan^{vergleichbar 8}. Der SWCS ist kontinuierlich und erzeugt auch bei geringen Verkalkungsgraden einen Score, der eine Quantifizierung des Ausmaßes der Atherosklerose ermöglicht, wenn der Agatston-Score Null ist. Durch die Möglichkeit, die Mikroverkalkung auch dann zu bewerten, wenn der Agatston-Score Null ist, kann das SWCS wichtig sein, um das Vorhandensein einer subklinischen Erkrankung aufzudecken. Dies könnte ein besseres Verständnis der genetischen, umweltbedingten und anderen Risikofaktoren bei Atherosklerose ermöglichen ^9,10. Eine frühere Studie, in der Personen mit einem Agatston-Score von Null zu Studienbeginn und Nicht-Null bei einer Nachuntersuchung etwa 15 Jahre später untersucht wurden, beobachtete, dass Personen mit einem höheren SWCS zu Studienbeginn eine höhere Ereignisrate für koronare Herzkrankheiten (KHK) aufwiesen. Die Vorhersagekraft des SWCS ist besonders wichtig bei jüngeren Bevölkerungsgruppen, bei denen die Erkennung und Überwachung des Restrisikos über einen langen Zeitraum hilfreich sein kann⁶.

Hier wird ein halbautomatisches Tool zur Berechnung des SWCS zusammen mit dem Agatston-Score vorgestellt. Das Tool verwendet eine grafische Benutzeroberfläche, die auf einer kompatiblen Programmiersprache ausgeführt wird. Der Benutzer ist in der Lage, mit den Bildern zu interagieren, um eine abschließende Reihe von Berichten zu erstellen, die die beiden Kalziumwerte enthalten. Zu Beginn wählt der Benutzer einen Fall oder eine Reihe von DICOM-Dateien (Digital Imaging and Communications in Medicine) aus, die in das Programm eingegeben werden sollen. Bei diesen Bildern muss es sich um atemangehaltene, elektrokardiogrammgesteuerte CT-Scans handeln, die nur während der Diastole aufgenommen werden, um Atem- und Herzbewegungen zu vermeiden. Während das Programm mit allen kardialen CT-Bildern funktionsfähig ist, sollten die Quellbilder die minimalen klinischen Kalzium-Scoring-Richtlinien^11,12 erfüllen^, um aussagekräftige Ergebnisse zu erzielen. Als Referenz werden in der vorliegenden Studie eine Schichtdicke von 3 mm, eine Spitzenröhrenspannung von 100 kVp, ein durchschnittlicher CT-Dosisindex-Volumen von 1,19 mGy und eine Bildauflösung von 512 x 512 Pixeln verwendet. Alle Bilder, die nicht 512 x 512 Pixel groß sind, werden im Programm automatisch neu berechnet, um eine angemessene und konsistente Auflösung kleiner Verkalkungsbereiche zu gewährleisten. Sobald die Bilder geladen sind, kann der Benutzer sie in der axialen, sagittalen und koronalen Ansicht sehen. Man kann dann die Helligkeit und den Kontrast der Bilder für eine bessere Visualisierung anpassen, bevor man die 0 mg/mL und 100 mg/mL Abschnitte des Phantoms auswählt. Als Nächstes kann der Benutzer jede der vier Koronararterien – linke anteriore absteigende (LAD), linke Koronararterie (LCA), linke Zirkumflex (LCX) und rechte Koronararterie (RCA) – verfolgen, indem er entweder einen Punkt, eine Region of Interest (ROI) oder eine Kombination aus beiden platziert, um eine gründliche Auswahl der Pixel einer Arterie zu ermöglichen, unabhängig davon, wie die Arterie in der axialen Ebene erscheint. Der Benutzer kann Punkte und ROIs nach Bedarf löschen und ersetzen oder neu zeichnen. Wenn Sie auf die Schaltfläche SWCS klicken, werden die endgültigen Berichte erstellt. Fälle werden automatisch gespeichert, so dass Bilder zusammen mit den Punkten und ROIs zu einem späteren Zeitpunkt erneut geladen werden können. Zu jedem Zeitpunkt der Nutzung des Programms stehen auch schriftliche Anweisungen zur Verfügung, wodurch das Programm einfach zu bedienen ist.

Protokoll

Diese Studie wurde mit Genehmigung des Mount Sinai Institutional Review Board (HS-20-01011) durchgeführt, und alle Probanden gaben eine schriftliche Einverständniserklärung.

1. Vorbereitung vor Beginn des Protokolls

Abbildung 1: Format des Hauptprojektordners. Diese Abbildung zeigt, wie der Hauptordner des Projekts strukturiert und formatiert sein sollte, damit das Programm ordnungsgemäß verwendet werden kann. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

2. Starten des Programms

1. Öffnen Sie den Code des Programms, indem Sie auf die Datei im Hauptordner des Projekts doppelklicken. Dadurch wird die Software geöffnet und der Programmcode wird angezeigt.
2. Rufen Sie das Editorfenster auf, indem Sie auf eine beliebige Stelle klicken. Klicken Sie auf die grüne Schaltfläche Ausführen im oberen Menüband der Registerkarte Editor, um das Programm zu starten. Das anfängliche Programmfenster sollte nach dem Öffnen wie in Abbildung 2 aussehen.
   HINWEIS: Schriftliche Anweisungen zu den erwarteten Aktionen des Benutzers und dem Fortschritt der Ergebnisgenerierung werden während der gesamten Nutzung des Programms im unteren linken Bereich angezeigt.
3. Klicken Sie auf die Schaltfläche DICOM öffnen in der unteren linken Ecke. Dadurch wird das Dateiverzeichnis geöffnet.
4. Navigieren Sie zum Hauptordner des Projekts, zum Ordner mit den Originaldaten und zu einem zu analysierenden Patienten. Klicken Sie einmal auf den Ordner des Patienten, sodass er hervorgehoben ist, und klicken Sie auf Öffnen.
5. Die Bilder werden nun in drei Ansichten angezeigt: axial, sagittal und koronal. Wenn Sie mit der Maus auf eine bestimmte Ansicht zeigen und scrollen, werden die Slices in dieser Ansicht durchlaufen. Das Fadenkreuz in jeder Ansicht zeigt die Position des Zeigers in diesem Moment an. Passen Sie die Helligkeit und den Kontrast im unteren rechten Bereich des Programms an, indem Sie die Balken verschieben, wie in Abbildung 3 dargestellt.

Abbildung 2: Anfängliches Programmfenster. Wenn das Programm zum ersten Mal gestartet wird, sind die Schaltflächen zusammen mit einem Kunstbild angeordnet. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 3: Grafische Benutzeroberfläche (GUI). Sobald die Bilder geladen sind, zeigt die GUI des Programms drei anatomische Ansichten der Bilder zusammen mit einem Fadenkreuz in jeder Ansicht an, das den Cursor darstellt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

3. Analyse der Verkalkung der Koronararterien

1. Wenn Sie bereit sind, mit der Analyse zu beginnen, klicken Sie auf die Schaltfläche 0 mg/ml Phantom . Bewegen Sie den Mauszeiger über die axiale Ansicht und scrollen Sie nach oben oder unten, bis der 0 mg/ml-Abschnitt des Phantoms sichtbar ist.
2. Bewegen Sie den Cursor in die Mitte des 0 mg/ml-Phantoms in der axialen Ansicht. Beobachten Sie nun, ohne den Cursor zu bewegen, das Fadenkreuz in der sagittalen und koronalen Ansicht.
3. Scrollen Sie langsam ein paar Segmente nach oben und unten, bis sich das Fadenkreuz in allen drei Ansichten in der Mitte des 0 mg/ml-Phantoms befindet. Klicken Sie einmal, um ein 10 x 10-Punkteraster auf dem aktuellen Segment und den beiden benachbarten Segmenten zu platzieren. Dies führt dazu, dass in der axialen Ansicht eine rote Gruppe von Kreisen und in der sagittalen und koronalen Ansicht eine Säule mit drei Punkten angezeigt wird. Diese Punkte werden bei der Berechnung der Gewichtungsfunktion verwendet.
4. Wiederholen Sie die Schritte 3.1 bis 3.3 für das 100 mg/ml-Phantom.
5. Wenn ein Phantom nicht verfügbar oder aufgrund von Qualitätsproblemen nicht verwendbar ist, klicken Sie auf die Schaltfläche Kein Phantom , um eine Aggregation von 10 Sample-Phantomen und die entsprechende Gewichtungsfunktion zu verwenden.
6. Wenn Sie mit der Auswahl der Phantome fertig sind, beginnen Sie mit der Verfolgung jeder der vier Koronararterien, indem Sie auf eine der Arterientasten klicken - LAD, LCA, LCX oder RCA.
7. Bewegen Sie den Mauszeiger über die axiale Ansicht und scrollen Sie, um entweder zum proximalen oder distalen Ende der ausgewählten Arterie zu navigieren. Beobachte die Form der Arterie in dieser Schicht.
8. Wenn die Form der Arterie in der axialen Ansicht dieser Scheibe kreisförmig ist und einen Durchmesser von höchstens 5 mm hat, gehen Sie wie folgt vor. Wenn es sich nicht um einen Zirkelschluss handelt, fahren Sie mit Schritt 3.9 fort.
   1. Platzieren Sie einen Punkt auf der Arterie, indem Sie in der axialen Ansicht auf die Mitte der Arterie klicken. Der platzierte Punkt wird mit einem Kreis von 5 mm Durchmesser angezeigt. Wenn die Arterie nicht in den Kreis passt, löschen Sie sie mit einem Doppelklick und fahren Sie mit Schritt 3.9 fort, um eine ROI zu zeichnen. Der Punkt erscheint auch in der sagittalen und koronalen Ansicht.
   2. Wenn die Arterie in der sagittalen oder koronalen Ansicht leichter zu visualisieren ist, platzieren Sie stattdessen einen Punkt dort. Stellen Sie sicher, dass es in der axialen Ansicht mit der Mitte der Arterie ausgerichtet ist.
   3. Wenn ein zufällig platzierter Punkt zufällig oder nicht optimal ist, kann er durch einen schnellen Doppelklick in einer der drei Ansichten gelöscht werden. Der Text im unteren linken Bereich gibt eine Benachrichtigung, dass der Punkt gelöscht wurde.
9. Wenn die Form der Arterie in der axialen Ebene nicht kreisförmig ist, führen Sie die folgenden Schritte aus.
   1. Während Sie sicherstellen, dass der gewünschte axiale Schnitt angezeigt wird, klicken Sie auf die Schaltfläche ROI zeichnen. Scrollen Sie im Pop-up-Fenster, um die Ansicht zu vergrößern/verkleinern, und klicken Sie mit einem einfachen Klick auf die Arterie, um sie nachzuzeichnen, wie in Abbildung 4 dargestellt.
      ANMERKUNG: ROIs können im Gegensatz zu Punkten nur in der axialen Ansicht platziert werden.
   2. Während die ROI noch offen ist, kann die Backspace-Taste verwendet werden, um den vorherigen Punkt zu löschen, der in der Verfolgung der Arterie platziert wurde. Um die ROI zu schließen, doppelklicken Sie entweder auf die Stelle, an der der letzte Punkt platziert werden soll, oder doppelklicken Sie auf den ersten platzierten Punkt.
   3. Passen Sie die geschlossene ROI weiter an und verfeinern Sie sie, indem Sie die ROI-Umfangspunkte ziehen oder auf den Umfang einer ROI doppelklicken, um einen Punkt hinzuzufügen.
   4. Sobald der ROI geschlossen ist, erscheinen am unteren Rand des Pop-up-Fensters zwei Schaltflächen: Fixieren und ROI neu zeichnen. Wenn die ROI neu gezeichnet werden muss, klicken Sie auf die Schaltfläche ROI neu zeichnen, um die aktuelle ROI zu löschen und eine neue zu zeichnen.
   5. Wenn Sie mit dem aktuellen ROI zufrieden sind, klicken Sie auf die Schaltfläche Sperren und schließen Sie das Pop-up-Fenster, indem Sie auf die rote Schaltfläche in der oberen linken Ecke (Mac) oder auf die X-Schaltfläche in der oberen rechten Ecke (PC) des Pop-ups klicken.
   6. Eine ROI kann auch dann gelöscht werden, wenn sie gesperrt ist, indem Sie auf einen der Umfangspunkte in der axialen Ansicht des Hauptprogrammfensters (nicht auf das Popup) doppelklicken.

Abbildung 4: ROI-Funktion zeichnen. Wenn die Option "ROI zeichnen" ausgewählt ist, wird ein Popup-Fenster des aktuellen axialen Slices angezeigt. Das Gelb zeigt einen ROI an, der zuvor für dieses Segment gezeichnet wurde. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

10. Scrollen Sie in der axialen Ansicht eine Schicht nach oben oder unten und wiederholen Sie die Schritte 3.8-3.9, bis das Ende der ausgewählten Arterie erreicht ist. Wenn Sie fertig sind, klicken Sie erneut auf die Schaltfläche der fertigen Arterie, um die Verfolgung der Arterie zu überprüfen und sicherzustellen, dass keine versehentlichen Punkte platziert wurden.
    HINWEIS: Auf jeder axialen Scheibe kann mehr als ein Punkt oder ROI platziert werden. Zusätzliche Linien, die zwei ROIs auf einem Slice verbinden, können ignoriert werden. Wenn Schnitte für eine bestimmte Arterie nicht beschriftet sind, wird eine Fehlermeldung angezeigt. Schließen Sie die Nachricht, und beschriften Sie die fehlenden Segmente.
11. Fahren Sie mit der nächsten der vier Arterien fort und wiederholen Sie die Schritte 3.6-3.10.
12. Wenn alle vier Arterien verfolgt wurden, klicken Sie auf die Schaltfläche SWCS in der unteren rechten Ecke, um die Ergebnisse zu generieren. Der untere linke Bereich zeigt den Fortschritt an und zeigt "Done Processing" an, wenn er fertig ist. Schließen Sie das Programmfenster, indem Sie auf die rote Schaltfläche in der oberen linken Ecke (Mac) oder die X-Taste in der oberen rechten Ecke (PC) klicken.

4. Zugriff auf die Ergebnisse

1. Um auf die Ergebnisse für den soeben analysierten Fall zuzugreifen, öffnen Sie das Dateiverzeichnis und navigieren Sie zum Hauptordner des Projekts. Wechseln Sie in den Ordner Meta_Data, und stellen Sie fest, dass ein neuer Ordner mit dem gleichen Namen wie der ursprüngliche Datenordner für diesen Betreff angezeigt wurde.
2. In diesem Ordner befinden sich drei Arten von Dokumenten: CSVs, PNGs und PDFs. Überprüfen Sie die PDF-Dateien, um die endgültige SWCS- und Agatston-Bewertung für den Fall sowie die verwendete Gewichtungsfunktion zu erhalten.
   HINWEIS: In den CSVs werden die Koordinaten der verschiedenen Punkte/ROIs gespeichert, die bei der Analyse dieses Themas platziert wurden. Mit diesen CSV-Dateien können die Bilder dieses Motivs an einem späteren Tag wieder im Programm geöffnet werden und die vorherigen Punkte/ROIs werden automatisch angezeigt. Alle Änderungen, die am Fall vorgenommen werden, werden beim erneuten Öffnen automatisch in den CSVs angezeigt.

Ergebnisse

Die repräsentativen Ergebnisse, die in diesem Abschnitt gezeigt werden, zeigen, was eine erfolgreiche Nutzung des Programms mit sich bringt. Hier wird ein Patient mit einem Agatston-Score größer als Null als Beispiel verwendet. Wie bereits erwähnt, enthalten die Ergebnisse im Metadatenordner eines Patienten Tabellenkalkulationen in Form von CSV-Dateien, Bilder in Form von PNG-Dateien und Berichte in Form von PDF-Dateien, wie in Abbildung 5 dargestellt. Die Anzahl der PNG-Dateien ist von ...

Diskussion

Während das Protokoll für dieses Programm relativ einfach zu befolgen ist, gibt es einige kritische Schritte, die für eine erfolgreiche Verwendung und zuverlässige Ergebnisse erforderlich sind. Bevor Sie beginnen, ist es wichtig, sicherzustellen, dass die Patientendaten, die in diesem Programm verwendet werden, anonymisiert sind, um die Vertraulichkeit der Patienten zu gewährleisten. Die anfängliche Formatierung und Benennung des Hauptordners des Projekts muss korrekt sein, damit das Programm erkennen kann, wo Date...

Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
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