Ferramenta Gráfica Semiautomática para Mensuração do Escore de Cálcio Espacialmente Ponderado da Artéria Coronária a partir de Imagens de Tomografia Computadorizada Cardíaca Gated

Resumo

Este vídeo demonstra o uso de uma nova ferramenta gráfica para medir o escore de cálcio ponderado espacialmente (SWCS), uma alternativa ao escore de Agatston, para quantificar a calcificação da artéria coronária. A ferramenta gráfica calcula o SWCS com base em dados de imagem de tomografia computadorizada cardíaca fechada e trajetos definidos pelo usuário das artérias coronárias.

Resumo

O padrão atual para medir a calcificação arterial coronariana para determinar a extensão da aterosclerose é pelo cálculo do escore de Agatston a partir da tomografia computadorizada (TC). No entanto, o escore de Agatston desconsidera valores de pixel menores que 130 Unidades Hounsfield (UH) e regiões de cálcio menores que 1 mm². Devido a esse limiar, o escore não é sensível a pequenas regiões de deposição de cálcio fracamente atenuantes e pode não detectar microcalcificação nascente. Uma métrica recentemente proposta, chamada escore de cálcio ponderado espacialmente (SWCS), também utiliza a TC, mas não inclui um limiar para UH e não requer sinais elevados em pixels contíguos. Assim, o SWCS é sensível a depósitos de cálcio menores e fracamente atenuantes e pode melhorar a mensuração do risco de doença coronariana. Atualmente, o SWCS é subutilizado devido à complexidade computacional adicional. Para promover a tradução do SWCS em pesquisa clínica e o cálculo confiável e repetível do escore, o objetivo deste estudo foi desenvolver uma ferramenta gráfica semiautomática que calcula tanto o SWCS quanto o escore de Agatston. O programa requer tomografia computadorizada cardíaca fechada com um simulador de hidroxiapatita de cálcio no campo de visão. O simulador permite derivar uma função de ponderação, a partir da qual o peso de cada pixel é ajustado, permitindo a mitigação de variações de sinal e variabilidade entre varreduras. Com as três incidências anatômicas visíveis simultaneamente, o usuário traça o trajeto das quatro principais artérias coronárias colocando pontos ou regiões de interesse. Recursos como rolagem para zoom, clique duas vezes para excluir e ajuste de brilho/contraste, juntamente com orientação por escrito em cada etapa, tornam o programa fácil de usar e fácil de usar. Uma vez que o rastreamento das artérias é concluído, o programa gera relatórios, que incluem as pontuações e instantâneos de qualquer cálcio visível. O SWCS pode revelar a presença de doença subclínica, que pode ser usada para intervenção precoce e mudanças no estilo de vida.

Introdução

A mensuração da quantidade de cálcio no interior das artérias por meio da tomografia computadorizada (TC) é uma forma estabelecida de avaliar a gravidade da aterosclerose coronariana. Conhecer e quantificar a extensão da aterosclerose é fundamental para determinar o risco de doença coronariana futura1,2,3,4. A forma mais comum de medir o cálcio nas artérias coronárias é usando o escore de Agatston⁵. No entanto, parte do cálculo do escore de Agatston depende da intensidade dos pixels escolhidos, medidos em Unidades Hounsfield (UH). Quaisquer pixels menores que 130 UH não são contabilizados no cálculo. Da mesma forma, calcificações com área inferior a 1 mm² não são consideradas. Devido a esses limiares, o escore de Agatston não é sensível a pequenos focos de calcificação fracamente atenuantes, o que ainda pode ser importante para revelar a presença de doença subclínica⁶.

Uma métrica previamente descrita, denominada escore de cálcio ponderado espacialmente (SWCS), foi proposta para avaliar o risco de placa aterosclerótica em pacientes com baixos níveis de calcificação⁷. Ao contrário do escore de Agatston, o SWCS não usa limiares de sinal para reduzir o impacto do ruído da imagem. Em vez disso, ele faz uso de um objeto fantasma com concentrações conhecidas de hidroxiapatita de cálcio (CHA) colocado no participante de tal forma que ele está no campo de visão da varredura. Neste caso, um simulador com 0 mg/mL, 50 mg/mL, 100 mg/mL e 200 mg/mL de ACS foi utilizado durante o desenvolvimento; no entanto, na implementação atual da ferramenta gráfica, apenas os cortes de 0 mg/mL e 100 mg/mL são necessários. O fantasma é usado para criar uma função de ponderação específica da varredura, que é então usada para pesar cada um dos pixels selecionados pelo usuário, bem como seus vizinhos. Pixels com pixels vizinhos que têm um alto nível de atenuação recebem mais peso do que aqueles cercados por pixels com níveis de atenuação mais baixos. Esse processo torna o SWCS tolerante a ruídos e comparável da varredura à varredura⁸. O SWCS é contínuo e produz um escore mesmo quando há baixos níveis de calcificação, permitindo quantificar a extensão da aterosclerose quando o escore de Agatston é zero. Ao permitir a avaliação da microcalcificação mesmo quando o escore de Agatston é zero, o SWCS pode ser importante para revelar a presença de doença subclínica. Isso pode permitir uma melhor compreensão dos fatores de risco genéticos, ambientais e outros na aterosclerose9,10. Um estudo anterior, que examinou indivíduos com um escore de Agatston de zero no início do estudo e diferente de zero em um seguimento aproximadamente 15 anos depois, observou que aqueles com um SWCS mais alto no início do estudo tinham uma taxa de eventos de doença cardíaca coronariana (DAC) mais alta. O poder preditivo do SWCS é especialmente importante em populações mais jovens, onde a detecção e o monitoramento do risco residual em longo prazo podem ser úteis⁶.

Apresentamos aqui uma ferramenta semiautomática para calcular o SWCS juntamente com o escore de Agatston. A ferramenta utiliza uma interface gráfica do usuário executada em uma linguagem de programação compatível. O usuário é capaz de interagir com as imagens para gerar uma série final de relatórios, que incluem os dois escores de cálcio. Para começar, o usuário seleciona um caso, ou uma série de arquivos DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine), para inserir no programa. Essas imagens devem ser realizadas em apneia, com eletrocardiograma, adquiridas apenas durante a diástole, para evitar movimentos respiratórios e cardíacos. Embora o programa esteja operacional com qualquer imagem de TC cardíaca, para produzir resultados significativos, as imagens fonte devem atender às diretrizes clínicas mínimas de escore de cálcio^11,12. Para referência, utiliza-se o estudo uma espessura de corte de 3 mm, tensão de pico do tubo de 100 kVp, índice de dose média de TC-vol de 1,19 mGy e resolução de imagem de 512 x 512 pixels. Quaisquer imagens que não sejam 512 x 512 pixels são reamostradas no programa automaticamente para garantir a resolução adequada e consistente de pequenas áreas de calcificação. Uma vez que as imagens são carregadas, o usuário é capaz de vê-las nas vistas axial, sagital e coronal. Pode-se então ajustar o brilho e o contraste das imagens para melhor visualização antes de selecionar os cortes de 0 mg/mL e 100 mg/mL do simulador. Em seguida, o usuário pode rastrear cada uma das quatro artérias coronárias - descendente anterior esquerda (DAE), artéria coronária esquerda (ACE), circunflexa esquerda (CX) e artéria coronária direita (ACD) - colocando um ponto, uma região de interesse (ROI) ou uma combinação de ambas para permitir uma seleção completa dos pixels de uma artéria, independentemente de como a artéria aparece no plano axial. O usuário pode excluir e substituir ou redesenhar pontos e ROIs conforme necessário. Clicar no botão SWCS gera os relatórios finais. Os casos são salvos automaticamente para que as imagens, juntamente com os pontos e ROIs, possam ser recarregadas posteriormente. Instruções escritas também estão disponíveis em todos os pontos durante o uso do programa, tornando o programa fácil de usar.

Protocolo

Este estudo foi conduzido com a aprovação do Comitê de Ética em Pesquisa do Mount Sinai (HS-20-01011), e todos os sujeitos assinaram o termo de consentimento livre e esclarecido.

1. Preparação antes de iniciar o protocolo

1. A estrutura de pastas apropriada é necessária para este programa. Comece criando uma pasta principal para o projeto em qualquer lugar do computador clicando com o botão direito do mouse e selecionando a opção Nova pasta no diretório de arquivos. Todos os arquivos DICOM de entrada e resultados serão armazenados nesta pasta principal.
   Observação : todos os cabeçalhos DICOM exigidos por este programa são padrão. Portanto, o programa é traduzível entre plataformas de scanner.
2. Dentro dessa pasta principal, crie duas novas pastas clicando com o botão direito do mouse e selecionando a opção Nova pasta duas vezes.
3. Renomeie a primeira dessas duas pastas para tornar óbvio que ela armazena dados brutos (por exemplo, Original_Data) clicando com o botão direito do mouse nela e selecionando a opção Renomear .
   1. Crie uma nova pasta para um determinado paciente dentro dessa pasta Original_Data clicando com o botão direito do mouse e selecionando a opção Nova pasta . Renomeie-o como um identificador de paciente anônimo clicando com o botão direito do mouse na pasta e selecionando a opção Renomear . Importe apenas o conjunto completo de arquivos DICOM brutos para este paciente para esta pasta.
   2. Repetir o passo 1.3.1 para todos os pacientes a serem analisados no programa.
4. Renomeie a segunda dessas duas pastas como Meta_Data para o armazenamento de resultados clicando com o botão direito do mouse nela e selecionando a opção Renomear . Esta pasta ficará vazia até que o programa seja executado e os resultados sejam gerados.
5. Baixe o arquivo de programa (Arquivo Suplementar 1) e a imagem de capa (Arquivo Suplementar 2) e mova-os da pasta de downloads para a pasta principal do projeto arrastando e soltando. A configuração final da pasta do projeto deve ser semelhante à Figura 1.

Figura 1: Formato da pasta principal do projeto. Esta figura mostra como a pasta principal do projeto deve ser estruturada e formatada para o uso adequado do programa. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

2. Lançamento do Programa

1. Abra o código do programa clicando duas vezes em seu arquivo na pasta principal do projeto. Isso abrirá o software e exibirá o código do programa.
2. Entre na janela do editor clicando em qualquer lugar nela. Clique no botão verde Executar localizado na faixa de opções superior da guia do editor para iniciar o programa. A janela inicial do programa, após a abertura, deve se parecer com a imagem da Figura 2.
   NOTA: Instruções escritas sobre as ações esperadas do usuário e o progresso da geração de resultados serão exibidas na área inferior esquerda durante todo o curso de uso do programa.
3. Clique no botão Abrir DICOM no canto inferior esquerdo. Isso abrirá o diretório de arquivos.
4. Navegue até a pasta principal do projeto, a pasta que contém os dados originais e até um paciente a ser analisado. Clique uma vez na pasta do paciente para que ela seja realçada e clique em Abrir.
5. As imagens agora aparecerão em três vistas: axial, sagital e coronal. Passar o mouse e rolar em um modo de exibição específico percorrerá as fatias nesse modo de exibição. As miras em cada vista exibem a localização do ponteiro naquele momento. Ajuste o brilho e o contraste na área inferior direita do programa deslizando as barras, como na Figura 3.

Figura 2: Janela inicial do programa. O programa, quando lançado inicialmente, tem os botões dispostos junto com uma imagem de arte. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3: Interface gráfica do usuário (GUI). Uma vez que as imagens são carregadas, a GUI do programa mostra três visualizações anatômicas das imagens, juntamente com miras em cada visualização, representando o cursor. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

3. Análise da calcificação da artéria coronária

1. Quando estiver pronto para iniciar a análise, clique no botão Fantasma de 0 mg/mL . Passe o mouse sobre a visão axial e role para cima ou para baixo até que a seção 0 mg/mL do simulador esteja visível.
2. Mova o cursor para o centro do simulador de 0 mg/mL na visão axial. Agora, sem mover o cursor, observe a mira nas vistas sagital e coronal.
3. Role lentamente para cima e para baixo algumas fatias até que a mira em todas as três vistas esteja no centro do simulador de 0 mg/mL. Clique um único clique para colocar uma grade de 10 por 10 pontos na fatia atual e suas duas fatias vizinhas. Isso fará com que um aglomerado vermelho de círculos apareça na visão axial e uma coluna de três pontos apareça nas vistas sagital e coronal. Esses pontos serão utilizados no cálculo da função de ponderação.
4. Repita os passos 3.1-3.3 para o simulador de 100 mg/mL.
5. Se um fantasma não estiver disponível ou estiver inutilizável devido a problemas de qualidade, clique no botão Sem fantasma para obter uma agregação de 10 simuladores de amostra e sua função de ponderação correspondente a ser usada.
6. Quando terminar a seleção dos objetos simuladores, comece a traçar cada uma das quatro artérias coronárias clicando em um dos botões da artéria - LAD, LCA, LCX ou RCA.
7. Passe o mouse sobre a visão axial e role para navegar até a extremidade proximal ou distal da artéria escolhida. Observe a forma da artéria neste corte.
8. Se a forma da artéria for circular na vista axial desse corte e com no máximo 5 mm de diâmetro, siga estes subpassos. Se não for circular, avance para o passo 3.9.
   1. Coloque um ponto na artéria clicando uma vez no centro da artéria na visão axial. O ponto colocado será exibido com um círculo de 5 mm de diâmetro. Se a artéria não se encaixar no círculo, exclua-a clicando duas vezes sobre ela e vá para a etapa 3.9 para desenhar uma ROI. O ponto também aparecerá nas vistas sagital e coronal.
   2. Se a artéria for mais fácil de visualizar na visão sagital ou coronal, coloque um ponto lá. Certifique-se de que está alinhado com o centro da artéria na vista axial.
   3. Se um ponto colocado for acidental ou não for o ideal, ele pode ser excluído clicando rapidamente duas vezes nele em qualquer uma das três visualizações. O texto na área inferior esquerda dará uma notificação de que o ponto foi excluído.
9. Se a forma da artéria não for circular no plano axial, siga os passos abaixo.
   1. Ao garantir que a fatia axial desejada esteja à vista, clique no botão Desenhar ROI. Na janela pop-up, role até ampliar/reduzir e comece a clicar uma vez ao redor da artéria para rastreá-la, como na Figura 4.
      NOTA: ROIs, ao contrário dos pontos, só podem ser colocados na visualização axial.
   2. Enquanto a ROI ainda está aberta, a tecla backspace pode ser utilizada para excluir o ponto anterior colocado no traçado da artéria. Para fechar o ROI, clique duas vezes onde o último ponto deve ser colocado ou clique duas vezes no primeiro ponto colocado.
   3. Ajuste ainda mais o ROI fechado e refine arrastando os pontos de perímetro do ROI ou clicando duas vezes no perímetro de um ROI para adicionar um ponto.
   4. Quando o ROI for fechado, dois botões aparecerão na parte inferior da janela pop-up: Bloquear e Redesenhar o ROI. Se o ROI precisar ser redesenhado, clique no botão Redesenhar ROI para limpar o ROI atual e desenhar um novo.
   5. Quando estiver satisfeito com o ROI atual, clique no botão Bloquear e feche a janela pop-up clicando no botão vermelho no canto superior esquerdo (Mac) ou no botão X no canto superior direito (PC) do pop-up.
   6. Um ROI pode ser excluído mesmo depois de bloqueado clicando duas vezes em qualquer um dos pontos de perímetro na visualização axial da janela principal do programa (não no pop-up).

Figura 4: Recurso de ROI do desenho. Quando a opção Desenhar ROI é escolhida, um pop-up da fatia axial atual é exibido. O amarelo mostra um ROI que foi desenhado anteriormente nesta fatia. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

10. Role um corte para cima ou para baixo no corte axial e repita os passos 3.8-3.9 até atingir o final da artéria escolhida. Quando terminar, clique novamente no botão da artéria terminada para revisar o traçado da artéria e garantir que nenhum ponto acidental tenha sido colocado.
    NOTA: Mais de um ponto ou ROI pode ser colocado em qualquer corte axial dado. Linhas extras conectando duas ROIs em uma fatia podem ser ignoradas. Se alguma fatia de uma determinada artéria não for rotulada, uma mensagem de erro será exibida. Feche a mensagem e rotule a(s) fatia(s) perdida(s).
11. Passe para a próxima das quatro artérias e repita os passos 3.6-3.10.
12. Quando todas as quatro artérias tiverem sido rastreadas, clique no botão SWCS no canto inferior direito para gerar os resultados. A área inferior esquerda mostrará o progresso e exibirá "Processamento concluído" quando terminar. Feche a janela do programa clicando no botão vermelho no canto superior esquerdo (Mac) ou no botão X no canto superior direito (PC).

4. Acesso aos resultados

1. Para acessar os resultados do caso analisado, abra o diretório de arquivos e navegue até a pasta principal do projeto. Vá para a pasta Meta_Data e observe que uma nova pasta com o mesmo nome da pasta de dados original para esse assunto apareceu.
2. Dentro dessa pasta, haverá três tipos de documentos: CSVs, PNGs e PDFs. Revise os PDFs para obter a pontuação final de SWCS e Agatston para o caso, bem como a função de ponderação usada.
   NOTA: Os CSVs armazenam as coordenadas dos vários pontos/ROIs colocados ao analisar este assunto. Ter esses CSVs permitirá que as imagens deste assunto sejam reabertas no programa em um dia posterior e que os pontos/ROIs anteriores apareçam automaticamente. Quaisquer alterações feitas no caso, quando reaberto, serão automaticamente refletidas nos CSVs.

Resultados

Os resultados representativos mostrados nesta seção mostram o que o uso bem-sucedido do programa implica. Aqui, um paciente com escore de Agatston maior que zero é usado como exemplo. Como discutido anteriormente, os resultados dentro da pasta de metadados de um paciente terão planilhas na forma de arquivos CSV, imagens na forma de arquivos PNG e relatórios na forma de arquivos PDF, como mostra a Figura 5. O número de arquivos PNG difere de caso para caso, uma vez que apenas instantân...

Discussão

Embora o protocolo para este programa seja relativamente fácil de seguir, existem algumas etapas críticas que são necessárias para o uso bem-sucedido e resultados confiáveis. Antes de iniciar, é importante certificar-se de que os dados do paciente que serão usados neste programa sejam anonimizados para garantir a confidencialidade do paciente. A formatação inicial e a nomeação da pasta principal do projeto devem estar corretas para que o programa reconheça onde extrair e colocar dados. A nomeação incorreta ...

Materiais

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