Name: Advancing Cardiovascular Imaging - Introducing the Spatially Weighted Calcium Score for Early Disease Detection (Video) | JoVE
Uploaded: 2023-09-22T13:30:00
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Ce travail a été soutenu par R01ES029967 subvention du NIH.

Cette étude a été menée avec l’approbation du Mount Sinai Institutional Review Board (HS-20-01011), et tous les sujets ont donné leur consentement éclairé par écrit.
1. Préparation avant de commencer le protocole
<ol><li>Une structure de dossiers appropriée est nécessaire pour ce programme. Commencez par créer un dossier principal pour le projet n’importe où sur l’ordinateur en cliquant avec le bouton droit de la souris et en sélectionnant l’option <str...

Improving Coronary Artery Calcification Assessment with the SWCS Tool

<ol>
	<li>O'Malley, P. G., Taylor, A. J., Jackson, J. L., Doherty, T. M., Detrano, R. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Prognostic+value+of+coronary+electron-bean+computed+tomography+for+coronary+heart+disease+events+in+asymptomatic+populations.">Prognostic value of coronary electron-bean computed tomography for coronary heart disease events in asymptomatic populations.</a> The American Journal of Cardiology. 85 (8), 945-948 (2000).</li><li>Budoff, M. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Assessment+of+coronary+artery+disease+by+cardiac+computed+tomography.">Assessment of coronary artery disease by cardiac computed tomography.</a> Circulation. 114 (16), 1761-1791 (2006).</li><li>Rumberger, J. A., Simons, D. B., Fitzpatrick, L. A., Sheedy, P. F., Schwartz, R. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Coronary+artery+calcium+area+by+electron-beam+computed+tomography+and+coronary+atherosclerotic+plaque+area.">Coronary artery calcium area by electron-beam computed tomography and coronary atherosclerotic plaque area.</a> Circulation. 92 (8), 2157-2162 (1995).</li><li>Mautner, G. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Coronary+artery+calcification:+assessment+with+electron+beam+CT+and+histomorphometric+correlation.">Coronary artery calcification: assessment with electron beam CT and histomorphometric correlation.</a> Radiology. 192 (3), 619-623 (1994).</li><li>Agatston, A. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantification+of+coronary+artery+calcium+using+ultrafast+computed+tomography.">Quantification of coronary artery calcium using ultrafast computed tomography.</a> Journal of the American College of Cardiology. 15 (4), 827-832 (1990).</li><li>Shea, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spatially+weighted+coronary+artery+calcium+score+and+coronary+heart+disease+events+in+the+multi-ethnic+study+of+atherosclerosis.">Spatially weighted coronary artery calcium score and coronary heart disease events in the multi-ethnic study of atherosclerosis.</a> Circulation: Cardiovascular Imaging. 14 (1), e011981 (2021).</li><li>Liang, C. J., Budoff, M. J., Kaufman, J. D., Kronmal, R. A., Brown, E. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+alternative+method+for+quantifying+coronary+artery+calcification:+the+multi-ethnic+study+of+atherosclerosis+(MESA).">An alternative method for quantifying coronary artery calcification: the multi-ethnic study of atherosclerosis (MESA).</a> BMC Medical Imaging. 12, 14 (2012).</li><li>McCollough, C. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Coronary+artery+calcium:+a+multi-institutional,+multimanufacturer+international+standard+for+quantification+at+cardiac+CT.">Coronary artery calcium: a multi-institutional, multimanufacturer international standard for quantification at cardiac CT.</a> Radiology. 243 (2), 527-538 (2007).</li><li>Detrano, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Coronary+calcium+as+a+predictor+of+coronary+events+in+four+racial+or+ethnic+groups.">Coronary calcium as a predictor of coronary events in four racial or ethnic groups.</a> The New England Journal of Medicine. 358 (13), 1336-1345 (2008).</li><li>Budoff, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cardiovascular+events+with+absent+or+minimal+coronary+calcification:+The+Multi-Ethnic+Study+of+Atherosclerosis+(MESA).">Cardiovascular events with absent or minimal coronary calcification: The Multi-Ethnic Study of Atherosclerosis (MESA).</a> American Heart Journal. 158 (4), 554-561 (2009).</li><li>Hecht, H. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=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.">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.</a> Journal of Cardiovascular Computed Tomography. 11 (1), 74-84 (2017).</li><li>American College of Radiology. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=ACR-NASCI-SPR+practice+parameter+for+the+performance+and+interpretation+of+cardiac+computed+tomography+(CT).">ACR-NASCI-SPR practice parameter for the performance and interpretation of cardiac computed tomography (CT).</a> American College of Radiology. , (2021).</li></ol>

Bien que le protocole de ce programme soit relativement facile à suivre, il y a quelques étapes critiques qui sont nécessaires pour une utilisation réussie et des résultats fiables. Avant de commencer, il est important de s’assurer que les données des patients qui seront utilisées dans le cadre de ce programme sont anonymisées afin d’assurer la confidentialité des patients. La mise en forme et le nommage initiaux du dossier principal du projet doivent être corrects pour que le programme puisse reconnaître ...

La mesure de la quantité de calcium dans les artères à l’aide de la tomodensitométrie (TDM) est un moyen établi d’évaluer la gravité de l’athérosclérose coronarienne. Connaître et quantifier l’étendue de l’athérosclérose est essentiel pour déterminer le risque de maladie coronarienne future 1,2,3,4. La façon la plus courante de mesurer le calcium dans les artères coronaires est d’utiliser le score d’Agatston5. Cependant, une partie du calcul du score d’Agatston repose sur l’intensité des pixels choisis, mesurée en unités de Hounsfield (HU). Les pixels inférieurs à 130 HU ne sont pas pris en compte dans le calcul. De même, les calcifications dont la surface est inférieure à 1 mm2 ne sont pas prises en compte. En raison de ces seuils, le score d’Agatston n’est pas sensible aux petits foyers de calcification faiblement atténuants, qui peuvent encore être importants pour révéler la présence d’une maladie subclinique6.
Une mesure décrite précédemment appelée score calcique pondéré spatialement (SWCS) a été proposée pour évaluer le risque de plaque d’athérosclérose chez les patients présentant de faibles niveaux de calcification7. Contrairement au score d’Agatston, le SWCS n’utilise pas de seuillage du signal pour réduire l’impact du bruit de l’image. Au lieu de cela, il utilise un fantôme - un objet avec des concentrations connues d’hydroxyapatite de calcium (CHA) placé sur le participant de manière à ce qu’il soit dans le champ de vision du scan. Ici, un fantôme avec 0 mg/mL, 50 mg/mL, 100 mg/mL et 200 mg/mL CHA a été utilisé pendant le développement ; cependant, dans la mise en œuvre actuelle de l’outil graphique, seules les sections 0 mg/mL et 100 mg/mL sont requises. Le fantôme est utilisé pour créer une fonction de pondération spécifique à la numérisation, qui est ensuite utilisée pour peser chacun des pixels sélectionnés par l’utilisateur ainsi que ses voisins. Les pixels avec des pixels voisins qui ont un niveau d’atténuation élevé ont plus de poids que ceux qui sont entourés de pixels avec des niveaux d’atténuation plus faibles. Ce processus rend le SWCS tolérant au bruit et comparable d’un balayage à l’autre8. Le SWCS est continu et produit un score même lorsqu’il y a de faibles niveaux de calcification, ce qui permet de quantifier l’étendue de l’athérosclérose lorsque le score d’Agatston est nul. En permettant l’évaluation de la micro-calcification même lorsque le score d’Agatston est nul, le SWCS peut être important pour révéler la présence d’une maladie subclinique. Cela peut permettre une meilleure compréhension des facteurs de risque génétiques, environnementaux et autres de l’athérosclérose 9,10. Une étude antérieure, qui a examiné les personnes ayant un score d’Agatston de zéro au départ et de non zéro lors d’un suivi environ 15 ans plus tard, a observé que celles qui avaient un SWCS plus élevé au départ avaient un taux d’événements de maladie coronarienne (CHD) plus élevé. Le pouvoir prédictif du SWCS est particulièrement important dans les populations plus jeunes, où la détection et la surveillance du risque résiduel à long terme peuvent être utiles6.
Nous présentons ici un outil semi-automatique permettant de calculer le SWCS ainsi que le score d’Agatston. L’outil utilise une interface utilisateur graphique fonctionnant sur un langage de programmation compatible. L’utilisateur est en mesure d’interagir avec les images pour générer une série finale de rapports, qui incluent les deux scores calciques. Pour commencer, l’utilisateur sélectionne un cas, ou une série de fichiers DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine), à entrer dans le programme. Ces images doivent être des tomodensitogrammes en apnée et contrôlés par électrocardiogramme, acquises uniquement pendant la diastole pour éviter les mouvements respiratoires et cardiaques. Bien que le programme soit opérationnel avec toutes les images de tomodensitométrie cardiaque, pour produire des résultats significatifs, les images sources doivent respecter les lignes directrices minimales en matière de pointage calcique clinique11,12. À titre de référence, une épaisseur de tranche de 3 mm, une tension de crête du tube de 100 kVp, un indice de dose CT moyen de 1,19 mGy et une résolution d’image de 512 x 512 pixels sont utilisés dans l’étude ici. Toutes les images qui ne sont pas de 512 x 512 pixels sont automatiquement rééchantillonnées dans le programme pour assurer une résolution adéquate et cohérente des petites zones de calcification. Une fois les images chargées, l’utilisateur peut les voir dans les vues axiale, sagittale et coronale. On peut ensuite ajuster la luminosité et le contraste des images pour une meilleure visualisation avant de sélectionner les sections 0 mg/mL et 100 mg/mL du fantôme. Ensuite, l’utilisateur peut tracer chacune des quatre artères coronaires - l’artère antérieure descendante gauche (LAD), l’artère coronaire gauche (LCA), l’accent circonflexe gauche (LCX) et l’artère coronaire droite (RCA) - en plaçant un point, une région d’intérêt (ROI) ou une combinaison des deux pour permettre une sélection approfondie des pixels d’une artère, quelle que soit la façon dont l’artère apparaît dans le plan axial. L’utilisateur peut supprimer et remplacer ou redessiner des points et des ROI si nécessaire. Cliquez sur le bouton SWCS pour générer les rapports finaux. Les cas sont enregistrés automatiquement afin que les images, ainsi que les points et les retours sur investissement, puissent être rechargés ultérieurement. Des instructions écrites sont également disponibles à chaque étape de l’utilisation du programme, ce qui rend le programme facile à utiliser.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Calcium Hydroxyapatite</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>289396-100G</td>
			<td>Suspended in EpoxAcast 690 resin for phantom creation</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Clinical Cardiac CT Scanner</td>
			<td>Siemens</td>
			<td>SOMATOM Force Dual Source CT</td>
			<td>Used for the source images; Any cardiac CT will be sufficient</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>EpoxAcast 690</td>
			<td>Smooth-On</td>
			<td>03641</td>
			<td>Used for phantom creation</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MATLAB</td>
			<td>Mathworks</td>
			<td>R2019a</td>
			<td>Requires Image Processing Toolbox and Statistics and Machine Learning Toolbox; Any version compatible with and able to run version R2019a scripts is sufficient</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Standard Computer</td>
			<td>N/A</td>
			<td>N/A</td>
			<td>macOS or Windows operating system</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>syngo.via</td>
			<td>Siemens</td>
			<td>VB60A_HF04</td>
			<td>Commercial software used for computing Agatston score for validation study</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

semi-automatic graphical tool for measuring coronary artery spatially weighted calcium score from gated cardiac computed tomography images

La norme actuelle pour mesurer la calcification de l’artère coronaire afin de déterminer l’étendue de l’athérosclérose consiste à calculer le score d’Agatston à partir de la tomodensitométrie (TDM). Cependant, le score d’Agatston ne tient pas compte des valeurs de pixel inférieures à 130 unités de Hounsfield (HU) et des régions calciques inférieures à 1 mm2. En raison de ce seuil, le score n’est pas sensible aux petites régions de dépôt de calcium faiblement atténuées et peut ne pas détecter la micro-calcification naissante. Une mesure récemment proposée, appelée score calcique pondéré dans l’espace (SWCS), utilise également la tomodensitométrie, mais n’inclut pas de seuil pour l’HU et ne nécessite pas de signaux élevés dans des pixels contigus. Ainsi, le SWCS est sensible aux dépôts de calcium faiblement atténuants et plus petits et peut améliorer la mesure du risque de maladie coronarienne. À l’heure actuelle, le SWCS est sous-utilisé en raison de la complexité accrue des calculs. Afin de promouvoir la traduction du SWCS dans la recherche clinique et le calcul fiable et reproductible du score, l’objectif de cette étude était de développer un outil graphique semi-automatique qui calcule à la fois le SWCS et le score d’Agatston. Le programme nécessite des tomodensitogrammes cardiaques avec un fantôme d’hydroxyapatite de calcium dans le champ de vision. Le fantôme permet de dériver une fonction de pondération, à partir de laquelle le poids de chaque pixel est ajusté, ce qui permet d’atténuer les variations du signal et la variabilité entre les balayages. Avec les trois vues anatomiques visibles simultanément, l’utilisateur trace le parcours des quatre artères coronaires principales en plaçant des points ou des régions d’intérêt. Des fonctionnalités telles que le défilement pour zoomer, le double-clic pour supprimer et le réglage de la luminosité/contraste, ainsi que des conseils écrits à chaque étape, rendent le programme convivial et facile à utiliser. Une fois le traçage des artères terminé, le programme génère des rapports, qui comprennent les scores et les instantanés de tout calcium visible. Le SWCS peut révéler la présence d’une maladie subclinique, qui peut être utilisée pour une intervention précoce et des changements de mode de vie.

Semi-Automatic Graphical Tool for Measuring Coronary Artery Spatially Weighted Calcium Score from Gated Cardiac Computed Tomography Images

Les résultats représentatifs présentés dans cette section montrent ce qu’implique une utilisation réussie du programme. Ici, un patient avec un score d’Agatston supérieur à zéro est utilisé à titre d’exemple. Comme nous l’avons vu précédemment, les résultats contenus dans le dossier de métadonnées d’un patient contiendront des feuilles de calcul sous forme de fichiers CSV, des images sous forme de fichiers PNG et des rapports sous forme de fichiers PDF, comme le montre la fig...

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Advancing Cardiovascular Imaging - Introducing the Spatially Weighted Calcium Score for Early Disease Detection (Video) | JoVE

Cette vidéo montre l’utilisation d’un nouvel outil graphique pour mesurer le score calcique pondéré spatialement (SWCS), une alternative au score d’Agatston, pour quantifier la calcification des artères coronaires. L’outil graphique calcule le SWCS sur la base des données d’image de la tomodensitométrie cardiaque à déclenchement et des trajets définis par l’utilisateur des artères coronaires.

Outil graphique semi-automatique pour mesurer le score calcique pondéré spatialement de l’artère coronaire à partir d’images de tomodensitométrie cardiaque à grille

The current standard for measuring coronary artery calcification to determine the extent of atherosclerosis is by calculating the Agatston score from ...

La mission de l’Institut de génie biomédical et d’imagerie est de créer des technologies innovantes de génie biomédical et d’imagerie qui peuvent être utilisées dans la science médicale et la pratique clinique. L’objectif est d’identifier et de développer des techniques de diagnostic précoce et précis des maladies, qui peuvent ensuite être utiles pour optimiser des traitements plus efficaces. Notre groupe d’imagerie cardiovasculaire se concentre sur les techniques d’acquisition et d’analyse d’images pour l’imagerie IRM, TEP et TDM.L’imagerie par tomodensitométrie peut être utilisée pour mesurer la calcification et déterminer la gravité de la maladie coronarienne sans procédures invasives. Le score d’Agatston est la méthode la plus couramment utilisée pour l’évaluation du calcium, mais il repose sur des seuils de signal, ce qui peut faire en sorte que les premiers stades de la maladie ne soient pas détectés en raison de petits dépôts faiblement atténuants qui ne sont pas détectables au-dessus du bruit de l’image. Le Dr Jason Liang et ses collègues de l’Université de Washington ont développé l’idée du score calcique pondéré dans l’espace.Cependant, à l’heure actuelle, il n’existe pas d’outils fiables et cohérents pour calculer le score. Nous avons créé un programme qui offre aux chercheurs la possibilité de le calculer avec précision et de manière répétée. Le score calcique pondéré spatialement est conçu pour être sensible à la détection de la micro-calcification, qui se produit avant que la calcification coronarienne avancée ne puisse être détectée par des tomodensitogrammes traditionnels de score calcique.Cette sensibilité est importante pour identifier les maladies coronariennes subcliniques et pour fournir des données quantitatives, qui peuvent être utiles pour évaluer de nouveaux facteurs de risque tels que l’exposition aux métaux provenant des cigarettes électroniques, évaluer les risques modifiables dans les populations plus jeunes et explorer l’impact des interventions. L’application immédiate de ce travail est d’examiner la relation entre la calcification des artères coronaires et l’exposition aux métaux toxiques provenant de l’utilisation de cigarettes électroniques. Ce projet est financé par le NIH et dirigé par le professeur Ana Navas-Acien de l’Université Columbia.