Strumento grafico semiautomatico per la misurazione del punteggio di calcio ponderato spazialmente dell'arteria coronaria da immagini di tomografia computerizzata cardiaca gated

Riepilogo

Questo video mostra l'uso di un nuovo strumento grafico per misurare il punteggio del calcio ponderato spazialmente (SWCS), un'alternativa al punteggio di Agatston, per quantificare la calcificazione delle arterie coronarie. Lo strumento grafico calcola SWCS in base ai dati delle immagini provenienti dalla tomografia computerizzata cardiaca gated e dai percorsi definiti dall'utente delle arterie coronarie.

Abstract

L'attuale standard per misurare la calcificazione delle arterie coronarie per determinare l'estensione dell'aterosclerosi è calcolando il punteggio di Agatston dalla tomografia computerizzata (TC). Tuttavia, il punteggio di Agatston non tiene conto dei valori dei pixel inferiori a 130 unità di Hounsfield (HU) e delle regioni di calcio inferiori a 1 mm². A causa di questa soglia, il punteggio non è sensibile alle piccole regioni debolmente attenuanti della deposizione di calcio e potrebbe non rilevare la microcalcificazione nascente. Una metrica proposta di recente, chiamata punteggio del calcio ponderato nello spazio (SWCS), utilizza anche la TC ma non include una soglia per l'HU e non richiede segnali elevati in pixel contigui. Pertanto, l'SWCS è sensibile ai depositi di calcio debolmente attenuanti e più piccoli e può migliorare la misurazione del rischio di malattia coronarica. Attualmente, l'SWCS è sottoutilizzato a causa della maggiore complessità computazionale. Per promuovere la traduzione del SWCS nella ricerca clinica e il calcolo affidabile e ripetibile del punteggio, lo scopo di questo studio è stato quello di sviluppare uno strumento grafico semiautomatico che calcoli sia il SWCS che il punteggio di Agatston. Il programma richiede scansioni TC cardiache con gate con un fantoccio di idrossiapatite di calcio nel campo visivo. Il fantasma consente di derivare una funzione di ponderazione, da cui viene regolato il peso di ciascun pixel, consentendo la mitigazione delle variazioni del segnale e la variabilità tra le scansioni. Con tutte e tre le viste anatomiche visibili contemporaneamente, l'utente traccia il decorso delle quattro arterie coronarie principali posizionando punti o regioni di interesse. Funzioni come lo scorrimento per ingrandire, il doppio clic per eliminare e la regolazione della luminosità/contrasto, insieme a una guida scritta in ogni passaggio, rendono il programma intuitivo e facile da usare. Una volta completato il tracciamento delle arterie, il programma genera rapporti, che includono i punteggi e le istantanee di qualsiasi calcio visibile. Il SWCS può rivelare la presenza di una malattia subclinica, che può essere utilizzata per l'intervento precoce e i cambiamenti dello stile di vita.

Introduzione

La misurazione della quantità di calcio all'interno delle arterie utilizzando la tomografia computerizzata (TC) è un metodo consolidato per valutare la gravità dell'aterosclerosi coronarica. Conoscere e quantificare l'estensione dell'aterosclerosi è fondamentale per determinare il rischio di future malattie coronariche 1,2,3,4. Il modo più comune per misurare il calcio nelle arterie coronarie è utilizzare il punteggio di Agatston⁵. Tuttavia, parte del calcolo del punteggio di Agatston si basa sull'intensità dei pixel scelti, misurata in unità di Hounsfield (HU). Eventuali pixel inferiori a 130 HU non vengono presi in considerazione nel calcolo. Allo stesso modo, le calcificazioni con un'area inferiore a 1 mm² non sono considerate. A causa di queste soglie, il punteggio di Agatston non è sensibile a piccoli focolai di calcificazione debolmente attenuanti, che possono ancora essere importanti nel rivelare la presenza di malattia subclinica⁶.

Una metrica precedentemente descritta, chiamata punteggio del calcio ponderato nello spazio (SWCS), è stata proposta per valutare il rischio di placca aterosclerotica nei pazienti con bassi livelli di calcificazione⁷. A differenza della partitura di Agatston, l'SWCS non utilizza la soglia del segnale per ridurre l'impatto del rumore dell'immagine. Invece, fa uso di un fantoccio, un oggetto con concentrazioni note di idrossiapatite di calcio (CHA) posizionato sul partecipante in modo tale che si trovi nel campo visivo della scansione. In questo caso, durante lo sviluppo, è stato utilizzato un fantoccio con 0 mg/mL, 50 mg/mL, 100 mg/mL e 200 mg/mL di CHA; tuttavia, nell'attuale implementazione dello strumento grafico, sono necessarie solo le sezioni 0 mg/mL e 100 mg/mL. Il nascondiglio viene utilizzato per creare una funzione di ponderazione specifica per la scansione, che viene quindi utilizzata per pesare ciascuno dei pixel selezionati dall'utente e i suoi vicini. Ai pixel con pixel adiacenti che hanno un livello di attenuazione elevato viene dato più peso rispetto a quelli circondati da pixel con livelli di attenuazione inferiori. Questo processo rende l'SWCS tollerante al rumore e paragonabile da una scansione^all'altra 8. L'SWCS è continuo e produce un punteggio anche quando ci sono bassi livelli di calcificazione, consentendo di quantificare l'estensione dell'aterosclerosi quando il punteggio di Agatston è zero. Consentendo la valutazione della microcalcificazione anche quando il punteggio di Agatston è zero, il SWCS può essere importante per rivelare la presenza di malattia subclinica. Ciò può consentire una migliore comprensione dei fattori di rischio genetici, ambientali e di altro tipo nell'aterosclerosi ^9,10. Uno studio precedente, che ha esaminato individui con un punteggio di Agatston pari a zero al basale e diverso da zero a un follow-up circa 15 anni dopo, ha osservato che quelli con un SWCS più elevato al basale avevano un tasso di eventi di malattia coronarica (CHD) più elevato. Il potere predittivo del SWCS è particolarmente importante nelle popolazioni più giovani, dove l'individuazione e il monitoraggio del rischio residuo a lungo termine possono essere utili⁶.

Qui viene presentato uno strumento semiautomatico per il calcolo del SWCS insieme al punteggio di Agatston. Lo strumento utilizza un'interfaccia utente grafica in esecuzione su un linguaggio di programmazione compatibile. L'utente è in grado di interagire con le immagini per generare una serie finale di report, che includono i due punteggi di calcio. Per iniziare, l'utente seleziona un caso o una serie di file DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) da inserire nel programma. Queste immagini devono essere TAC con controllo del respiro e dell'elettrocardiogramma, acquisite solo durante la diastole per evitare movimenti respiratori e cardiaci. Sebbene il programma sia operativo con qualsiasi immagine TC cardiaca, per produrre risultati significativi, le immagini di origine devono soddisfare le linee guida minime per il punteggio clinico^{del calcio 11,12}. Come riferimento, nello studio vengono utilizzati uno spessore della fetta di 3 mm, una tensione di picco del tubo di 100 kVp, un indice di dose CT medio di 1,19 mGy e una risoluzione dell'immagine di 512 x 512 pixel. Tutte le immagini che non sono 512 x 512 pixel vengono ricampionate automaticamente nel programma per garantire una risoluzione adeguata e coerente di piccole aree di calcificazione. Una volta caricate le immagini, l'utente è in grado di vederle nelle viste assiale, sagittale e coronale. È quindi possibile regolare la luminosità e il contrasto delle immagini per una migliore visualizzazione prima di selezionare le sezioni 0 mg/mL e 100 mg/mL del fantoccio. Successivamente, l'utente può tracciare ciascuna delle quattro arterie coronarie - discendente anteriore sinistra (LAD), arteria coronaria sinistra (LCA), circonflesso sinistro (LCX) e arteria coronaria destra (RCA) - posizionando un punto, una regione di interesse (ROI) o una combinazione di entrambi per consentire una selezione completa dei pixel di un'arteria indipendentemente da come l'arteria appare sul piano assiale. L'utente può eliminare e sostituire o ridisegnare i punti e le ROI secondo necessità. Facendo clic sul pulsante SWCS vengono generati i report finali. I casi vengono salvati automaticamente in modo che le immagini, insieme ai punti e alle ROI, possano essere ricaricate in un secondo momento. Le istruzioni scritte sono inoltre disponibili in ogni momento durante l'utilizzo del programma, rendendo il programma facile da usare.

Protocollo

Questo studio è stato condotto con l'approvazione del Mount Sinai Institutional Review Board (HS-20-01011) e tutti i soggetti hanno dato il consenso informato scritto.

1. Preparazione prima di iniziare il protocollo

1. Per questo programma è necessaria una struttura di cartelle appropriata. Iniziare creando una cartella principale per il progetto in qualsiasi punto del computer facendo clic con il pulsante destro del mouse e selezionando l'opzione Nuova cartella nella directory dei file. Tutti i file DICOM di input e i risultati verranno archiviati in questa cartella principale.
   NOTA: Tutte le intestazioni DICOM richieste da questo programma sono standard. Pertanto, il programma è traducibile su tutte le piattaforme di scansione.
2. All'interno di questa cartella principale, creare due nuove cartelle facendo clic con il pulsante destro del mouse e selezionando due volte l'opzione Nuova cartella .
3. Rinomina la prima di queste due cartelle per rendere ovvio che memorizza dati grezzi (ad esempio, Original_Data) facendo clic con il pulsante destro del mouse su di essa e selezionando l'opzione Rinomina .
   1. Creare una nuova cartella per un determinato paziente all'interno di questa cartella Original_Data facendo clic con il pulsante destro del mouse e selezionando l'opzione Nuova cartella . Rinominarlo come identificatore anonimo del paziente facendo clic con il pulsante destro del mouse sulla cartella e selezionando l'opzione Rinomina . Importare in questa cartella solo il set completo di file DICOM grezzi per questo paziente.
   2. Ripetere il passaggio 1.3.1 per tutti i pazienti da analizzare nel programma.
4. Rinominare la seconda di queste due cartelle come Meta_Data per la memorizzazione dei risultati facendo clic con il pulsante destro del mouse su di essa e selezionando l'opzione Rinomina . Questa cartella rimarrà vuota fino a quando il programma non verrà eseguito e non verranno generati i risultati.
5. Scaricare il file di programma (File supplementare 1) e l'immagine di copertina (File supplementare 2) e spostarli dalla cartella dei download alla cartella principale del progetto trascinandoli. La configurazione finale della cartella del progetto dovrebbe essere simile a quella della Figura 1.

Figura 1: Formato della cartella principale del progetto. Questa figura mostra come deve essere strutturata e formattata la cartella principale del progetto per un uso corretto del programma. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

2. Avvio del programma

1. Apri il codice del programma facendo doppio clic sul suo file nella cartella principale del progetto. Questo aprirà il software e visualizzerà il codice del programma.
2. Accedere alla finestra dell'editor facendo clic in un punto qualsiasi di essa. Fare clic sul pulsante verde Esegui situato nella barra multifunzione superiore della scheda dell'editor per avviare il programma. La finestra iniziale del programma, dopo l'apertura, dovrebbe essere simile all'immagine nella Figura 2.
   NOTA: Le istruzioni scritte sulle azioni previste dall'utente e sull'avanzamento della generazione dei risultati verranno visualizzate nell'area in basso a sinistra durante l'utilizzo del programma.
3. Fare clic sul pulsante Apri DICOM nell'angolo in basso a sinistra. Si aprirà la directory dei file.
4. Passare alla cartella principale del progetto, alla cartella contenente i dati originali e a un paziente da analizzare. Fare clic una volta sulla cartella del paziente in modo che sia evidenziata e fare clic su Apri.
5. Le immagini appariranno ora in tre viste: assiale, sagittale e coronale. Passando il mouse e scorrendo su una particolare vista, si passerà attraverso le sezioni in quella vista. Il puntatore a croce su ciascuna vista mostra la posizione del puntatore in quel momento. Regolare la luminosità e il contrasto nell'area in basso a destra del programma facendo scorrere le barre, come nella Figura 3.

Figura 2: Finestra iniziale del programma. Il programma, al momento del lancio iniziale, ha i pulsanti disposti insieme a un'immagine artistica. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 3: Interfaccia utente grafica (GUI). Una volta caricate le immagini, la GUI del programma mostra tre viste anatomiche delle immagini insieme a un mirino su ciascuna vista, che rappresenta il cursore. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

3. Analisi della calcificazione delle arterie coronarie

1. Quando si è pronti per iniziare l'analisi, fare clic sul pulsante 0 mg/mL Phantom . Passare il puntatore del mouse sulla vista assiale e scorrere verso l'alto o verso il basso fino a visualizzare la sezione 0 mg/mL del fantoccio.
2. Spostare il cursore al centro del fantoccio da 0 mg/mL nella vista assiale. Ora, senza spostare il cursore, osservare il mirino nelle viste sagittale e coronale.
3. Scorrere lentamente verso l'alto e verso il basso alcune sezioni fino a quando il mirino in tutte e tre le viste non si trova al centro del fantasma 0 mg/mL. Fate clic una volta per posizionare una griglia di punti 10x10 sulla sezione corrente e sulle due sezioni adiacenti. In questo modo verrà visualizzato un gruppo rosso di cerchi nella vista assiale e una colonna di tre punti nelle viste sagittale e coronale. Questi punti saranno utilizzati nel calcolo della funzione di ponderazione.
4. Ripetere i passaggi 3.1-3.3 per il fantoccio da 100 mg/mL.
5. Se un fantoccio non è disponibile o è inutilizzabile a causa di problemi di qualità, fare clic sul pulsante Nessun fantasma per un'aggregazione di 10 fantocci campione e la corrispondente funzione di ponderazione da utilizzare.
6. Quando hai finito di selezionare i fantasmi, inizia a tracciare ciascuna delle quattro arterie coronarie facendo clic su uno dei pulsanti delle arterie : LAD, LCA, LCX o RCA.
7. Passare il puntatore del mouse sulla vista assiale e scorrere per passare all'estremità prossimale o distale dell'arteria scelta. Osserva la forma dell'arteria in questa fetta.
8. Se la forma dell'arteria è circolare nella vista assiale di questa fetta e al massimo 5 mm di diametro, seguire questi passaggi secondari. Se non è circolare, passare al passaggio 3.9.
   1. Posizionare un punto sull'arteria facendo clic sul centro dell'arteria nella vista assiale. Il punto posizionato verrà visualizzato con un cerchio di 5 mm di diametro. Se l'arteria non rientra nel cerchio, eliminala facendo doppio clic su di essa e passa al passaggio 3.9 per disegnare un ROI. Il punto apparirà anche nelle viste sagittale e coronale.
   2. Se l'arteria è più facile da visualizzare nella vista sagittale o coronale, posiziona invece un punto lì. Assicurarsi che sia allineato con il centro dell'arteria nella vista assiale.
   3. Se un punto posizionato è accidentale o non è ottimale, può essere eliminato facendo rapidamente doppio clic su di esso in una qualsiasi delle tre viste. Il testo nell'area in basso a sinistra darà una notifica che il punto è stato eliminato.
9. Se la forma dell'arteria non è circolare sul piano assiale, seguire i passaggi seguenti.
   1. Assicurandosi che la fetta assiale desiderata sia visibile, fare clic sul pulsante Disegna ROI. Nella finestra pop-up, scorrere per ingrandire/rimpicciolire e iniziare a fare clic sull'arteria per tracciarla, come nella Figura 4.
      NOTA: I ROI, a differenza dei punti, possono essere posizionati solo nella vista assiale.
   2. Mentre il ROI è ancora aperto, il tasto backspace può essere utilizzato per eliminare il punto precedente posizionato nel tracciato dell'arteria. Per chiudere il ROI, fare doppio clic nel punto in cui deve essere posizionato l'ultimo punto o fare doppio clic sul primo punto posizionato.
   3. Regola ulteriormente la ROI chiusa e perfezionala trascinando i punti perimetrali della ROI o facendo doppio clic sul perimetro di una ROI per aggiungere un punto.
   4. Una volta chiuso il ROI, nella parte inferiore della finestra pop-up appariranno due pulsanti: Blocca e Ridisegna ROI. Se il ROI deve essere ridisegnato, fai clic sul pulsante Ridisegna ROI per cancellare quello corrente e disegnarne uno nuovo.
   5. Quando sei soddisfatto del ROI corrente, fai clic sul pulsante Blocca e chiudi la finestra pop-up facendo clic sul pulsante rosso nell'angolo in alto a sinistra (Mac) o sul pulsante X nell'angolo in alto a destra (PC) del pop-up.
   6. Una ROI può essere eliminata anche una volta bloccata facendo doppio clic su uno qualsiasi dei punti perimetrali nella vista assiale della finestra principale del programma (non nel pop-up).

Figura 4: Funzione di disegno del ROI. Quando si sceglie l'opzione Disegna ROI, viene visualizzato un popup della sezione assiale corrente. Il giallo mostra un ROI che è stato precedentemente disegnato su questa sezione. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

10. Scorrere verso l'alto o verso il basso una fetta nella vista assiale e ripetere i passaggi 3.8-3.9 fino a raggiungere la fine dell'arteria scelta. Al termine, fai nuovamente clic sul pulsante dell'arteria finita per rivedere il tracciamento dell'arteria e assicurarti che non siano stati posizionati punti accidentali.
    NOTA: È possibile posizionare più di un punto o ROI su una determinata fetta assiale. Le righe aggiuntive che collegano due ROI su una sezione possono essere ignorate. Se le fette di una determinata arteria non sono etichettate, verrà visualizzato un messaggio di errore. Chiudere il messaggio ed etichettare le sezioni mancanti.
11. Passare alla successiva delle quattro arterie e ripetere i passaggi 3.6-3.10.
12. Quando tutte e quattro le arterie sono state tracciate, fare clic sul pulsante SWCS nell'angolo in basso a destra per generare i risultati. L'area in basso a sinistra mostrerà l'avanzamento e visualizzerà "Elaborazione completata" al termine. Chiudi la finestra del programma facendo clic sul pulsante rosso nell'angolo in alto a sinistra (Mac) o sul pulsante X nell'angolo in alto a destra (PC).

4. Accesso ai risultati

1. Per accedere ai risultati del caso appena analizzato, apri la directory dei file e naviga nella cartella principale del progetto. Accedere alla cartella Meta_Data e notare che è apparsa una nuova cartella con lo stesso nome della cartella dati originale per l'oggetto.
2. All'interno di questa cartella ci saranno tre tipi di documenti: CSV, PNG e PDF. Esamina i PDF per ottenere il punteggio finale SWCS e Agatston per il caso, nonché la funzione di ponderazione utilizzata.
   NOTA: I file CSV memorizzano le coordinate dei vari punti/ROI posizionati durante l'analisi di questo soggetto. La presenza di questi file CSV consentirà di riaprire le immagini di questo soggetto nel programma in un secondo momento e di visualizzare automaticamente i punti/ROI precedenti. Qualsiasi modifica apportata al caso, una volta riaperta, si rifletterà automaticamente nei file CSV.

Risultati

I risultati rappresentativi mostrati in questa sezione mostrano ciò che comporta l'uso corretto del programma. In questo caso, viene utilizzato come esempio un paziente con un punteggio di Agatston maggiore di zero. Come discusso in precedenza, i risultati all'interno della cartella dei metadati di un paziente conterranno fogli di calcolo sotto forma di file CSV, immagini sotto forma di file PNG e report sotto forma di file PDF, come mostrato nella Figura 5. Il numero di file PNG varia da c...

Discussione

Sebbene il protocollo per questo programma sia relativamente facile da seguire, ci sono alcuni passaggi critici necessari per un uso efficace e risultati affidabili. Prima di iniziare, è importante assicurarsi che i dati dei pazienti che verranno utilizzati in questo programma siano resi anonimi per garantire la riservatezza del paziente. La formattazione iniziale e la denominazione della cartella principale del progetto devono essere corrette affinché il programma riconosca la posizione in cui estrarre e posizionare i...

Materiali

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