Kapılı Kardiyak Bilgisayarlı Tomografi Görüntülerinden Koroner Arter Uzamsal Ağırlıklı Kalsiyum Skorunu Ölçmek için Yarı Otomatik Grafik Aracı

Özet

Bu video, koroner arter kalsifikasyonunu ölçmek için Agatston skoruna alternatif olan uzamsal ağırlıklı kalsiyum skorunu (SWCS) ölçmek için yeni bir grafik aracının kullanımını göstermektedir. Grafik aracı, kapılı kardiyak bilgisayarlı tomografiden ve koroner arterlerin kullanıcı tanımlı yollarından elde edilen görüntü verilerine dayalı olarak SWCS'yi hesaplar.

Özet

Aterosklerozun derecesini belirlemek için koroner arter kalsifikasyonunu ölçmek için mevcut standart, bilgisayarlı tomografiden (BT) Agatston skorunun hesaplanmasıdır. Bununla birlikte, Agatston skoru, 130 Hounsfield Biriminden (HU) küçük piksel değerlerini ve 1^mm2'den küçük kalsiyum bölgelerini göz ardı eder. Bu eşikleme nedeniyle, skor kalsiyum birikiminin küçük, zayıf zayıflayan bölgelerine duyarlı değildir ve yeni ortaya çıkan mikro kalsifikasyonu tespit edemeyebilir. Uzamsal ağırlıklı kalsiyum skoru (SWCS) olarak adlandırılan yakın zamanda önerilen bir metrik de CT'yi kullanır, ancak HU için bir eşik içermez ve bitişik piksellerde yüksek sinyaller gerektirmez. Bu nedenle, SWCS zayıf zayıflayıcı, daha küçük kalsiyum birikintilerine duyarlıdır ve koroner kalp hastalığı riskinin ölçümünü iyileştirebilir. Şu anda, SWCS, eklenen hesaplama karmaşıklığı nedeniyle yeterince kullanılmamaktadır. SWCS'nin klinik araştırmalara çevrilmesini ve skorun güvenilir, tekrarlanabilir bir şekilde hesaplanmasını teşvik etmek için bu çalışmanın amacı, hem SWCS hem de Agatston skorunu hesaplayan yarı otomatik bir grafik araç geliştirmekti. Program, görüş alanında bir kalsiyum hidroksiapatit fantomu ile kapılı kardiyak BT taramaları gerektirir. Fantom, her pikselin ağırlığının ayarlandığı bir ağırlıklandırma işlevinin türetilmesine izin vererek, sinyal varyasyonlarının ve taramalar arasındaki değişkenliğin azaltılmasına olanak tanır. Üç anatomik görünümün tümü aynı anda görülebildiğinde, kullanıcı ilgilenilen noktaları veya bölgeleri yerleştirerek dört ana koroner arterin seyrini izler. Yakınlaştırmak için kaydırma, silmek için çift tıklama ve parlaklık/kontrast ayarı gibi özelliklerin yanı sıra her adımda yazılı rehberlik, programı kullanıcı dostu ve kullanımı kolay hale getirir. Arterlerin izlenmesi tamamlandıktan sonra, program herhangi bir görünür kalsiyumun puanlarını ve anlık görüntülerini içeren raporlar oluşturur. SWCS, erken müdahale ve yaşam tarzı değişiklikleri için kullanılabilecek subklinik hastalığın varlığını ortaya çıkarabilir.

Giriş

Bilgisayarlı tomografi (BT) kullanarak arterlerdeki kalsiyum miktarını ölçmek, koroner aterosklerozun şiddetini değerlendirmenin yerleşik bir yoludur. Aterosklerozun kapsamını bilmek ve ölçmek, gelecekteki koroner kalp hastalığı riskini belirlemenin anahtarıdır 1,2,3,4. Koroner arterlerdeki kalsiyumu ölçmenin en yaygın yolu Agatston skoru^5'i kullanmaktır. Bununla birlikte, Agatston skoru hesaplamasının bir kısmı, Hounsfield Birimleri (HU) cinsinden ölçülen seçilen piksellerin yoğunluğuna dayanır. 130 HU'dan küçük pikseller hesaplamada dikkate alınmaz. Benzer şekilde, 1^mm2'den daha az alana sahip kalsifikasyonlar dikkate alınmaz. Bu eşikler nedeniyle, Agatston skoru, subklinik hastalığın varlığını ortaya çıkarmada hala önemli olabilecek küçük, zayıf zayıflatıcı kalsifikasyon odaklarına duyarlı değildir⁶.

Düşük kalsifikasyon seviyelerine sahip hastalarda aterosklerotik plak riskini değerlendirmek için uzamsal ağırlıklı kalsiyum skoru (SWCS) adı verilen daha önce tanımlanmış bir metrik^{önerilmiştir 7}. Agatston skorunun aksine, SWCS, görüntü gürültüsünün etkisini azaltmak için sinyal eşiği kullanmaz. Bunun yerine, taramanın görüş alanında olacak şekilde katılımcıya yerleştirilmiş bilinen kalsiyum hidroksiapatit (CHA) konsantrasyonlarına sahip bir hayalet nesne kullanır. Burada, geliştirme sırasında 0 mg/mL, 50 mg/mL, 100 mg/mL ve 200 mg/mL CHA'lı bir fantom kullanıldı; bununla birlikte, grafik aracının mevcut uygulamasında, yalnızca 0 mg / mL ve 100 mg / mL bölümleri gereklidir. Fantom, taramaya özgü bir ağırlıklandırma işlevi oluşturmak için kullanılır ve daha sonra kullanıcı tarafından seçilen piksellerin her birini ve komşularını tartmak için kullanılır. Yüksek zayıflama düzeyine sahip komşu piksellere sahip piksellere, daha düşük zayıflama düzeyine sahip piksellerle çevrili olanlardan daha fazla ağırlık verilir. Bu işlem, SWCS'yi gürültüye karşı toleranslı ve taramadan taramaya^{karşılaştırılabilir hale getirir 8}. SWCS süreklidir ve düşük kalsifikasyon seviyeleri olduğunda bile bir skor üretir, bu da Agatston skoru sıfır olduğunda ateroskleroz derecesinin ölçülmesine izin verir. SWCS, Agatston skoru sıfır olsa bile mikrokalsifikasyonun değerlendirilmesine izin vererek, subklinik hastalığın varlığını ortaya koymada önemli olabilir. Bu, aterosklerozdaki genetik, çevresel ve diğer risk faktörlerinin daha iyi anlaşılmasını sağlayabilir ^9,10. Başlangıçta Agatston skoru sıfır olan ve yaklaşık 15 yıl sonra takipte sıfır olmayan bireyleri inceleyen önceki bir çalışma, başlangıçta daha yüksek SWCS'ye sahip olanların daha yüksek koroner kalp hastalığı (KKH) olay oranına sahip olduğunu gözlemledi. SWCS'nin öngörücü gücü, uzun vadede kalıntı riskin saptanması ve izlenmesinin yararlı olabileceği genç popülasyonlarda özellikle önemlidir⁶.

Burada sunulan, Agatston skoru ile birlikte SWCS'yi hesaplamak için yarı otomatik bir araçtır. Araç, uyumlu bir programlama dili üzerinde çalışan bir grafik kullanıcı arayüzü kullanır. Kullanıcı, iki kalsiyum skorunu içeren son bir rapor serisi oluşturmak için görüntülerle etkileşime girebilir. Başlamak için, kullanıcı programa girmek için bir vaka veya bir dizi Tıpta Dijital Görüntüleme ve İletişim (DICOM) dosyası seçer. Bu görüntüler, solunum ve kalp hareketini önlemek için sadece diyastol sırasında elde edilen, nefeste tutulan, elektrokardiyogram kapılı BT taramaları olmalıdır. Program herhangi bir kardiyak BT görüntüsü ile çalışır durumdayken, anlamlı sonuçlar üretmek için kaynak görüntülerin minimum klinik kalsiyum skorlama kılavuzlarını^{karşılaması gerekir 11,12}. Referans olarak, buradaki çalışmada 3 mm'lik bir kesit kalınlığı, 100 kVp'lik tepe tüp voltajı, 1.19 mGy'lik ortalama BT doz indeksi-hacmi ve 512 x 512 piksel görüntü çözünürlüğü kullanılmıştır. 512 x 512 piksel olmayan tüm görüntüler, küçük kireçlenme alanlarının yeterli ve tutarlı çözünürlüğünü sağlamak için programda otomatik olarak yeniden örneklenir. Görüntüler yüklendikten sonra, kullanıcı bunları eksenel, sagital ve koronal görünümlerde görebilir. Daha sonra, fantomun 0 mg / mL ve 100 mg / mL bölümlerini seçmeden önce daha iyi görselleştirme için görüntülerin parlaklığını ve kontrastını ayarlayabilirsiniz. Daha sonra, kullanıcı dört koroner arterin her birini izleyebilir - sol ön inen (LAD), sol koroner arter (LCA), sol sirkumfleks (LCX) ve sağ koroner arter (RCA) - bir nokta, bir ilgi bölgesi (ROI) veya arterin eksenel düzlemde nasıl göründüğüne bakılmaksızın bir arterin piksellerinin kapsamlı bir seçimine izin vermek için her ikisinin bir kombinasyonu. Kullanıcı, gerektiğinde noktaları ve ROI'leri silebilir ve değiştirebilir veya yeniden çizebilir. SWCS düğmesine tıklamak nihai raporları oluşturur. Vakalar otomatik olarak kaydedilir, böylece görüntüler, puanlar ve ROI'lerle birlikte daha sonra yeniden yüklenebilir. Programı kullanırken her noktada yazılı talimatlar da mevcuttur, bu da programın kullanımını kolaylaştırır.

Protokol

Bu çalışma, Mount Sinai Kurumsal İnceleme Kurulu'nun (HS-20-01011) onayı ile yürütülmüştür ve tüm denekler yazılı bilgilendirilmiş onam vermiştir.

1. Protokole başlamadan önce hazırlık

1. Bu program için uygun klasör yapısı gereklidir. Dosyalar dizininde sağ tıklayıp Yeni Klasör seçeneğini seçerek bilgisayarın herhangi bir yerinde proje için bir ana klasör oluşturarak başlayın. Tüm giriş DICOM dosyaları ve sonuçları bu ana klasörde saklanacaktır.
   NOT: Bu program için gereken tüm DICOM başlıkları standarttır. Bu nedenle, program tarayıcı platformları arasında çevrilebilir.
2. Bu ana klasörde, sağ tıklayıp Yeni Klasör seçeneğini iki kez seçerek iki yeni klasör oluşturun.
3. Bu iki klasörden ilkini, ham verileri (örneğin, Original_Data) depoladığını açıkça belirtmek için üzerine sağ tıklayıp Yeniden Adlandır seçeneğini seçerek yeniden adlandırın.
   1. Bu Original_Data klasörü içinde belirli bir hasta için sağ tıklayıp Yeni Klasör seçeneğini seçerek yeni bir klasör oluşturun. Klasöre sağ tıklayıp Yeniden Adlandır seçeneğini belirleyerek anonimleştirilmiş bir hasta tanımlayıcısı olarak yeniden adlandırın. Bu hasta için yalnızca ham DICOM dosyalarının tamamını bu klasöre aktarın.
   2. Programda analiz edilecek tüm hastalar için 1.3.1 adımını tekrarlayın.
4. Bu iki klasörden ikincisini, üzerine sağ tıklayıp Yeniden Adlandır seçeneğini seçerek sonuçların depolanması için Meta_Data olarak yeniden adlandırın. Program çalıştırılana ve sonuçlar oluşturulana kadar bu klasör boş olacaktır.
5. Program dosyasını (Ek Dosya 1) ve kapak resmi resmini (Ek Dosya 2) indirin ve sürükleyip bırakarak indirilenler klasöründen ana proje klasörüne taşıyın. Proje klasörünün son kurulumu Şekil 1'e benzer görünmelidir.

Şekil 1: Ana proje klasörünün biçimi. Bu şekil, programın doğru kullanımı için projenin ana klasörünün nasıl yapılandırılması ve biçimlendirilmesi gerektiğini gösterir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

2. Programın Başlatılması

1. Projenin ana klasöründeki dosyasına çift tıklayarak programın kodunu açın. Bu, yazılımı açacak ve programın kodunu görüntüleyecektir.
2. Herhangi bir yere bir kez tıklayarak düzenleyici penceresine girin. Programı başlatmak için düzenleyici sekmesinin üst şeridinde bulunan yeşil Çalıştır düğmesine tıklayın. İlk program penceresi açıldıktan sonra Şekil 2'deki görüntüye benzemelidir.
   NOT: Kullanıcıdan beklenen eylemler ve sonuç oluşturma işleminin ilerleyişi hakkında yazılı talimatlar, programın kullanımı boyunca sol alt alanda görüntülenecektir.
3. Sol alt köşedeki DICOM'u Aç düğmesine tıklayın. Bu, dosyalar dizinini açacaktır.
4. Projenin ana klasörüne, özgün verileri içeren klasöre ve analiz edilecek bir hastaya gidin. Vurgulanması için hastanın klasörüne bir kez tıklayın ve Aç'a tıklayın.
5. Görüntüler şimdi üç görünümde görünecektir: eksenel, sagital ve koronal. Belirli bir görünümün üzerine gelindiğinde ve kaydırıldığında, o görünümdeki dilimler gözden geçirilir. Her görünümdeki artı işareti, işaretçinin o andaki konumunu gösterir. Şekil 3'teki gibi çubukları kaydırarak programın sağ alt kısmındaki parlaklığı ve kontrastı ayarlayın.

Şekil 2: İlk program penceresi. Program, ilk başlatıldığında, bir sanat görüntüsüyle birlikte ortaya konan düğmelere sahiptir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 3: Grafik kullanıcı arayüzü (GUI). Görüntüler yüklendikten sonra, programın GUI'si, imleci temsil eden her görünümde artı işaretiyle birlikte görüntülerin üç anatomik görünümünü gösterir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

3. Koroner arter kalsifikasyonunun analizi

1. Analize başlamaya hazır olduğunuzda, 0 mg/mL Fantom düğmesine tıklayın. Eksenel görünümün üzerine gelin ve fantomun 0 mg/mL bölümü görünene kadar yukarı veya aşağı kaydırın.
2. Eksenel görünümde imleci 0 mg/mL fantomun merkezine getirin. Şimdi, imleci hareket ettirmeden, sagital ve koronal görünümlerdeki artı işaretlerini gözlemleyin.
3. Her üç görünümdeki artı işareti 0 mg/mL fantomun ortasına gelene kadar birkaç dilim yukarı ve aşağı yavaşça kaydırın. Geçerli dilime ve ona komşu iki dilime 10'a 10 nokta ızgarası yerleştirmek için bir kez tıklatın. Bunu yapmak, eksenel görünümde kırmızı bir daire kümesinin görünmesine ve sagital ve koronal görünümlerde üç noktadan oluşan bir sütunun görünmesine neden olur. Bu noktalar ağırlıklandırma fonksiyonunun hesaplanmasında kullanılacaktır.
4. 100 mg / mL fantom için 3.1-3.3 adımlarını tekrarlayın.
5. Bir fantom mevcut değilse veya kalite sorunları nedeniyle kullanılamıyorsa, 10 örnek fantomun toplanması ve buna karşılık gelen ağırlıklandırma işlevinin kullanılması için Fantom Yok düğmesini tıklatın.
6. Fantomları seçmeyi bitirdiğinizde, arter düğmelerinden birine ( LAD, LCA, LCX veya RCA) tıklayarak dört koroner arterin her birini izlemeye başlayın.
7. Eksenel görünümün üzerine gelin ve seçilen arterin proksimal veya distal ucuna gitmek için kaydırın. Bu dilimdeki arterin şeklini gözlemleyin.
8. Arterin şekli bu dilimin eksenel görünümünde daireselse ve çapı en fazla 5 mm ise bu alt adımları izleyin. Dairesel değilse, adım 3.9'a geçin.
   1. Eksenel görünümde arterin merkezine tek tıklayarak arter üzerine bir nokta yerleştirin. Yerleştirilen nokta, çapı 5 mm olan bir daire ile gösterilecektir. Arter daireye sığmıyorsa, üzerine çift tıklayarak silin ve bir ROI çizmek için 3.9 adımına geçin. Nokta, sagital ve koronal görünümlerde de ortaya çıkacaktır.
   2. Arterin sagital veya koronal görünümde görselleştirilmesi daha kolaysa, bunun yerine oraya bir nokta yerleştirin. Eksenel görünümde arterin merkezi ile hizalandığından emin olun.
   3. Yerleştirilen bir nokta tesadüfiyse veya uygun değilse, üç görünümden herhangi birinde üzerine hızlı bir şekilde çift tıklanarak silinebilir. Sol alt alandaki metin, noktanın silindiğine dair bir bildirim verecektir.
9. Arterin şekli eksenel düzlemde dairesel değilse, aşağıdaki adımları izleyin.
   1. İstenen eksenel dilimin görünümde olduğundan emin olurken, ROI Çiz düğmesine tıklayın. Açılır pencerede, yakınlaştırmak/uzaklaştırmak için kaydırın ve Şekil 4'teki gibi izlemek için arterin etrafına tek tıklamaya başlayın.
      NOT: ROI'ler, noktalardan farklı olarak, yalnızca eksenel görünüme yerleştirilebilir.
   2. ROI hala açıkken, arterin izlenmesinde yerleştirilen önceki noktayı silmek için geri al tuşu kullanılabilir. ROI'yi kapatmak için, son noktanın yerleştirileceği yere çift tıklayın veya yerleştirilen ilk noktaya çift tıklayın.
   3. Kapatılan yatırım getirisini daha da ayarlayın ve bir nokta eklemek için yatırım getirisinin çevre noktalarını sürükleyerek veya bir yatırım getirisinin çevresine çift tıklayarak iyileştirin.
   4. ROI kapatıldığında, açılır pencerenin altında iki düğme görünecektir: Kilitle ve ROI'yi Yeniden Çiz. ROI'nin yeniden çizilmesi gerekiyorsa, mevcut olanı temizlemek ve yeni bir tane çizmek için ROI'yi Yeniden Çiz düğmesini tıklayın.
   5. Mevcut yatırım getirisinden memnun kaldığınızda, Kilitle düğmesine tıklayın ve açılır pencerenin sol üst köşesindeki kırmızı düğmeye (Mac) veya sağ üst köşesindeki X düğmesine (PC) tıklayarak açılır pencereyi kapatın.
   6. Bir ROI, ana program penceresinin eksenel görünümündeki (açılır pencereye değil) çevre noktalarından herhangi birine çift tıklanarak kilitlendikten sonra bile silinebilir.

Şekil 4: ROI özelliğini çizin. ROI Çiz seçeneği seçildiğinde, geçerli eksenel dilimin bir açılır penceresi görünür. Sarı, daha önce bu dilimde çizilen bir ROI'yi gösterir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

10. Eksenel görünümde bir dilim yukarı veya aşağı kaydırın ve seçilen arterin sonuna ulaşılana kadar 3.8-3.9 adımlarını tekrarlayın. İşiniz bittiğinde, arterin izlenmesini gözden geçirmek ve kazara hiçbir noktanın yerleştirilmediğinden emin olmak için bitmiş arterin düğmesine tekrar tıklayın.
    NOT: Herhangi bir eksenel dilime birden fazla nokta veya ROI yerleştirilebilir. Bir dilimde iki ROI'yi birbirine bağlayan ekstra çizgiler göz ardı edilebilir. Belirli bir arter için herhangi bir dilim etiketlenmemişse, bir hata mesajı görünecektir. İletiyi kapatın ve eksik dilimleri etiketleyin.
11. Dört arterden bir sonrakine geçin ve 3.6-3.10 adımlarını tekrarlayın.
12. Dört arterin tümü izlendiğinde, sonuçları oluşturmak için sağ alt köşedeki SWCS düğmesine tıklayın. Sol alttaki alan ilerlemeyi gösterecek ve bittiğinde "İşlem Tamamlandı" görüntülenecektir. Sol üst köşedeki kırmızı düğmeye (Mac) veya sağ üst köşedeki X düğmesine (PC) tıklayarak program penceresini kapatın.

4. Sonuçlara erişim

1. Az önce analiz edilen servis talebinin sonuçlarına erişmek için dosyalar dizinini açın ve projenin ana klasörüne gidin. Meta_Data klasörüne gidin ve bu konu için özgün veri klasörüyle aynı ada sahip yeni bir klasörün göründüğüne dikkat edin.
2. Bu klasörde üç tür belge olacaktır: CSV'ler, PNG'ler ve PDF'ler. Vaka için nihai SWCS ve Agatston puanının yanı sıra kullanılan ağırlıklandırma işlevini almak için PDF'leri inceleyin.
   NOT: CSV'ler, bu konu analiz edilirken yerleştirilen çeşitli noktaların/ROI'lerin koordinatlarını saklar. Bu CSV'lere sahip olmak, bu konunun görüntülerinin daha sonraki bir gün programda yeniden açılmasına ve önceki puanların/ROI'lerin otomatik olarak görünmesine olanak tanır. Destek talebinde yapılan tüm değişiklikler yeniden açıldığında otomatik olarak CSV'lere yansıtılır.

Sonuçlar

Bu bölümde gösterilen temsili sonuçlar, programın başarılı kullanımının ne anlama geldiğini gösterir. Burada Agatston skoru sıfırdan büyük olan bir hasta örnek olarak kullanılmıştır. Daha önce tartışıldığı gibi, bir hastanın meta veri klasöründeki sonuçlar, Şekil 5'te gösterildiği gibi CSV dosyaları biçiminde elektronik tablolara, PNG dosyaları biçiminde görüntülere ve PDF dosyaları biçiminde raporlara sahip olacaktır. PNG dosyalarının sayısı...

Tartışmalar

Bu programın protokolünü takip etmek nispeten kolay olsa da, başarılı kullanım ve güvenilir sonuçlar için gerekli olan birkaç kritik adım vardır. Başlamadan önce, hasta gizliliğini sağlamak için bu programda kullanılacak hasta verilerinin anonimleştirildiğinden emin olmak önemlidir. Programın verileri nereye çekeceğini ve yerleştireceğini tanıması için projenin ana klasörünün ilk biçimlendirmesi ve adlandırılması doğru olmalıdır. Klasörlerin, özellikle Meta_Data klasörünün yan...

Malzemeler

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