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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Diese Arbeit wurde durch NIH Grant R01ES029967 unterstützt.

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
<ol></ol><img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65458/65458fig01.jpg"> Abbildung 1: Format des Hauptprojektordners. Diese A...

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>

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...

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 1mm2 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 Scanvergleichbar 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-Richtlinien11,12 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.

<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

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.

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

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 ...

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

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.

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

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

Das Biomedical Engineering and Imaging Institute hat es sich zur Aufgabe gemacht, innovative biomedizinische Ingenieur- und Bildgebungstechnologien zu entwickeln, die in der medizinischen Wissenschaft und in der klinischen Praxis eingesetzt werden können. Ziel ist es, Techniken für eine frühzeitige und genaue Diagnose von Krankheiten zu identifizieren und zu entwickeln, die dann bei der Optimierung effektiverer Behandlungen nützlich sein können. Unsere kardiovaskuläre Bildgebungsgruppe konzentriert sich auf Bildaufnahme- und Analysetechniken für die MRT-, PET- und CT-Bildgebung.Mit Hilfe der CT-Bildgebung kann die Verkalkung gemessen und der Schweregrad der koronaren Herzkrankheit ohne invasive Eingriffe bestimmt werden. Der Agatston-Score ist die am häufigsten verwendete Methode für das Kalzium-Scoring, aber er beruht auf Signalschwellen, die dazu führen können, dass frühe Stadien der Krankheit übersehen werden, da kleine, schwach dämpfende Ablagerungen oberhalb des Bildrauschens nicht nachweisbar sind. Dr. Jason Liang und seine Kollegen von der University of Washington entwickelten die Idee des räumlich gewichteten Kalzium-Scores.Derzeit gibt es jedoch keine zuverlässigen und konsistenten Tools zur Berechnung der Punktzahl. Wir haben ein Programm entwickelt, das Forschern die Möglichkeit bietet, sie genau und wiederholt zu berechnen. Der räumlich gewichtete Kalzium-Score ist so konzipiert, dass er empfindlich ist, um Mikroverkalkungen zu erkennen, die auftreten, bevor eine fortgeschrittene Koronarverkalkung durch herkömmliche Kalzium-Scoring-CT-Scans erkannt werden kann.Diese Sensitivität ist von Bedeutung für die Identifizierung subklinischer koronarer Herzkrankheiten und durch die Bereitstellung quantitativer Daten, die bei der Bewertung neuartiger Risikofaktoren wie der Metallexposition durch E-Zigaretten, der Bewertung veränderbarer Risiken in jüngeren Bevölkerungsgruppen und der Untersuchung der Auswirkungen von Interventionen nützlich sein können. Die unmittelbare Anwendung dieser Arbeit besteht darin, den Zusammenhang zwischen der Verkalkung der Koronararterien und der Exposition gegenüber toxischen Metallen durch den Konsum von E-Zigaretten zu untersuchen. Dieses Projekt wird vom NIH finanziert und von Professor Ana Navas-Acien von der Columbia University geleitet.