Name: Advancing Cardiovascular Imaging - Introducing the Spatially Weighted Calcium Score for Early Disease Detection (Video) | JoVE
Uploaded: 2023-09-22T13:30:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Advancing Cardiovascular Imaging - Introducing the Spatially Weighted Calcium Score for Early Disease Detection at JoVE.com

Dette arbeidet ble støttet av NIH-stipend R01ES029967.

Denne studien ble gjennomført med godkjenning av Mount Sinai Institutional Review Board (HS-20-01011), og alle ga skriftlig informert samtykke.
1. Forberedelse før du starter protokollen
<ol><li>Passende mappestruktur er nødvendig for dette programmet. Start med å opprette en hovedmappe for prosjektet hvor som helst på datamaskinen ved å høyreklikke og velge alternativet Ny mappe i filkatalogen. Alle inndata DICOM-filer og resultater lagres i denne ho...

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>

Selv om protokollen for dette programmet er relativt enkel å følge, er det noen kritiske trinn som er nødvendige for vellykket bruk og pålitelige resultater. Før du starter, er det viktig å sørge for at pasientdataene som skal brukes i dette programmet er anonymisert for å sikre pasientens konfidensialitet. Den første formateringen og navngivningen av prosjektets hovedmappe må være riktig for at programmet skal gjenkjenne hvor data skal hentes og plasseres. Feil navngivning og / eller plassering av mapper, spe...

Måling av mengden kalsium i arteriene ved hjelp av computertomografi (CT) er en etablert måte å vurdere alvorlighetsgraden av koronar aterosklerose. Å vite og kvantifisere omfanget av aterosklerose er nøkkelen til å bestemme risikoen for fremtidig koronar hjertesykdom 1,2,3,4. Den vanligste måten å måle kalsium i koronararteriene på er å bruke Agatston-skår5. En del av beregningen av Agatston-poengsummen er imidlertid avhengig av intensiteten til de valgte pikslene, målt i Hounsfield Units (HU). Eventuelle piksler mindre enn 130 HU er ikke tatt hensyn til i beregningen. Tilsvarende vurderes ikke forkalkninger med et areal mindre enn 1 mm2. På grunn av disse tersklene er Agatston-skåren ikke følsom for små, svakt dempende forkalkningsfokus, noe som fortsatt kan være viktig for å avsløre tilstedeværelsen av subklinisk sykdom6.
En tidligere beskrevet metrisk kalt romlig vektet kalsiumscore (SWCS) ble foreslått for å vurdere risikoen for aterosklerotisk plakk hos pasienter med lave nivåer av forkalkning7. I motsetning til Agatston-poengsummen bruker ikke SWCS signalterskel for å redusere virkningen av bildestøy. I stedet bruker den et fantom-et objekt med kjente konsentrasjoner av kalsiumhydroksyapatitt (CHA) plassert på deltakeren slik at den er i skanningens synsfelt. Her ble et fantom med 0 mg / ml, 50 mg / ml, 100 mg / ml og 200 mg / ml CHA brukt under utviklingen; I den nåværende implementeringen av det grafiske verktøyet er det imidlertid bare 0 mg/ml og 100 mg/ml som kreves. Fantomet brukes til å lage en skannespesifikk vektingsfunksjon, som deretter brukes til å veie hver av de brukervalgte pikslene så vel som naboene. Bildepunkter med nærliggende bildepunkter som har et høyt dempingsnivå, legges mer vekt på enn bildepunkter omgitt av bildepunkter med lavere dempingsnivåer. Denne prosessen gjør SWCS tolerant mot støy og sammenlignbar fra skanning til skanning8. SWCS er kontinuerlig og gir en score selv når det er lave nivåer av forkalkning, noe som muliggjør kvantifisering av omfanget av aterosklerose når Agatston-poengsummen er null. Ved å tillate evaluering av mikroforkalkning selv når Agatston-skåren er null, kan SWCS være viktig for å avsløre tilstedeværelsen av subklinisk sykdom. Dette kan gi en bedre forståelse av genetiske, miljømessige og andre risikofaktorer i aterosklerose 9,10. En tidligere studie, som undersøkte personer med en Agatston-score på null ved baseline og ikke-null ved en oppfølging omtrent 15 år senere, observerte at de med høyere SWCS ved baseline hadde en høyere koronar hjertesykdom (CHD) hendelsesrate. Den prediktive kraften til SWCS er spesielt viktig i yngre populasjoner, hvor deteksjon og overvåking av restrisiko på lang sikt kan være nyttig6.
Presentert her er et halvautomatisk verktøy for beregning av SWCS sammen med Agatston-poengsummen. Verktøyet benytter et grafisk brukergrensesnitt som kjører på et kompatibelt programmeringsspråk. Brukeren er i stand til å samhandle med bildene for å generere en endelig serie rapporter, som inkluderer de to kalsiumpoengene. For å starte, velger brukeren en sak, eller en serie Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM) filer, for å legge inn i programmet. Disse bildene må være pusteholdte, elektrokardiogramstyrte CT-skanninger, kun oppnådd under diastol for å unngå respiratorisk og hjertebevegelse. Mens programmet er operativt med noen hjerte-CT-bilder, for å gi meningsfulle resultater, bør kildebildene oppfylle minimumsretningslinjene for klinisk kalsiumskåring11,12. Som referanse brukes en skivetykkelse på 3 mm, topprørspenning på 100 kVp, gjennomsnittlig CT-doseindeks-vol på 1,19 mGy og bildeoppløsning på 512 x 512 piksler i studien her. Alle bilder som ikke er 512 x 512 piksler omsamples i programmet automatisk for å sikre tilstrekkelig og konsistent oppløsning av små områder av forkalkning. Når bildene er lastet, kan brukeren se dem i aksiale, sagittale og koronale visninger. Man kan da justere lysstyrken og kontrasten til bildene for bedre visualisering før man velger 0 mg / ml og 100 mg / ml seksjoner av fantomet. Deretter kan brukeren spore hver av de fire koronararteriene-venstre fremre synkende (LAD), venstre koronararterie (LCA), venstre cirkumfleks (LCX) og høyre koronararterie (RCA) - ved å plassere enten et punkt, et interesseområde (ROI) eller en kombinasjon av begge for å tillate et grundig utvalg av en arteries piksler uavhengig av hvordan arterien vises i aksialplanet. Brukeren kan slette og erstatte eller trekke om poeng og avkastning etter behov. Ved å klikke på SWCS-knappen genereres de endelige rapportene. Saker lagres automatisk slik at bilder, sammen med poeng og avkastning, kan lastes inn på nytt på et senere tidspunkt. Skriftlige instruksjoner er også tilgjengelig på hvert punkt mens du bruker programmet, noe som gjør programmet enkelt å bruke.

<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

Den nåværende standarden for måling av koronararterieforkalkning for å bestemme omfanget av aterosklerose er ved å beregne Agatston-poengsummen fra computertomografi (CT). Agatston-poengsummen ser imidlertid bort fra pikselverdier mindre enn 130 Hounsfield-enheter (HU) og kalsiumregioner mindre enn 1 mm2. På grunn av denne terskelverdien er skåren ikke følsom for små, svakt dempende områder av kalsiumavsetning og kan ikke oppdage begynnende mikroforkalkning. En nylig foreslått beregning kalt romlig vektet kalsiumscore (SWCS) bruker også CT, men inkluderer ikke en terskel for HU og krever ikke forhøyede signaler i sammenhengende piksler. Dermed er SWCS følsom for svakt dempende, mindre kalkavleiringer og kan forbedre målingen av koronar hjertesykdomsrisiko. For tiden er SWCS underutnyttet på grunn av den ekstra beregningsmessige kompleksiteten. For å fremme oversettelse av SWCS til klinisk forskning og pålitelig, repeterbar beregning av poengsummen, var målet med denne studien å utvikle et halvautomatisk grafisk verktøy som beregner både SWCS og Agatston score. Programmet krever gated hjerte CT-skanninger med et kalsiumhydroksyapatitt fantom, i synsfeltet. Fantomet gjør det mulig å utlede en vektingsfunksjon, hvorfra hver piksels vekt justeres, noe som muliggjør reduksjon av signalvariasjoner og variabilitet mellom skanninger. Med alle tre anatomiske visninger synlige samtidig, sporer brukeren løpet av de fire viktigste koronararteriene ved å plassere punkter eller regioner av interesse. Funksjoner som rulling for å zoome, dobbeltklikk for å slette og justering av lysstyrke / kontrast, sammen med skriftlig veiledning på hvert trinn, gjør programmet brukervennlig og enkelt å bruke. Når sporing av arteriene er fullført, genererer programmet rapporter, som inkluderer score og øyeblikksbilder av synlig kalsium. SWCS kan avsløre tilstedeværelsen av subklinisk sykdom, som kan brukes til tidlig intervensjon og livsstilsendringer.

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

De representative resultatene vist i dette avsnittet viser hva vellykket bruk av programmet innebærer. Her brukes en pasient med en Agatston-skår større enn null som eksempel. Som diskutert tidligere, vil resultatene i en pasients metadatamappe ha regneark i form av CSV-filer, bilder i form av PNG-filer og rapporter i form av PDF-filer, som vist i figur 5. Antall PNG-filer varierer fra sak til sak, siden bare øyeblikksbilder av utvalgte piksler med merkbart kalsium (HU > 130) er inkluder...

Watch this Scientific Journal Video about Advancing Cardiovascular Imaging - Introducing the Spatially Weighted Calcium Score for Early Disease Detection at JoVE.com

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

Denne videoen demonstrerer bruken av et nytt grafisk verktøy for måling av romlig vektet kalsiumscore (SWCS), et alternativ til Agatston-skåren, for å kvantifisere koronarforkalkning. Det grafiske verktøyet beregner SWCS basert på bildedata fra gated cardiac computertomografi og brukerdefinerte baner i koronararteriene.

Halvautomatisk grafisk verktøy for måling av koronar arterie romlig vektet kalsiumscore fra gated hjertecomputertomografibilder

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

Oppdraget til Biomedical Engineering and Imaging Institute er å skape innovative biomedisinske ingeniør- og bildebehandlingsteknologier som kan benyttes i medisinsk vitenskap og klinisk praksis. Målet er å identifisere og utvikle teknikker for tidlig og nøyaktig diagnostisering av sykdommer, som deretter kan være nyttig for å optimalisere mer effektive behandlinger. Vår kardiovaskulære bildebehandlingsgruppe konsentrerer seg om bildeinnsamlings- og analyseteknikker for MR, PET og CT-avbildning.CT-avbildning kan brukes til å måle forkalkning og bestemme alvorlighetsgraden av koronarsykdom uten invasive prosedyrer. Agatston-poengsummen er den mest brukte metoden for kalsiumskåring, men den er avhengig av signalterskler, noe som kan føre til at tidlige stadier av sykdommen blir savnet på grunn av at små, lavt dempende forekomster ikke kan oppdages over bildestøy. Dr.Jason Liang og hans kolleger ved University of Washington utviklet ideen om romlig vektet kalsiumscore.Imidlertid er det for øyeblikket ingen pålitelige og konsistente verktøy for å beregne poengsummen. Vi har laget et program som gir forskere muligheten til å beregne det nøyaktig og gjentatte ganger. Den romlig vektede kalsiumscoren er designet for å være følsom for å oppdage mikroforkalkning, som oppstår før avansert koronar forkalkning kan oppdages ved tradisjonelle kalsiumskårings-CT-skanninger.Denne følsomheten er signifikant for å identifisere subklinisk koronararteriesykdom og ved å gi kvantitative data, noe som kan være nyttig når man vurderer nye risikofaktorer som metalleksponering fra e-sigaretter, evaluerer modifiserbare risikoer i yngre populasjoner og undersøker virkningen av intervensjoner. Den umiddelbare anvendelsen av dette arbeidet er å undersøke forholdet mellom forkalkning i kranspulsårene og eksponering for giftige metaller ved bruk av e-sigaretter. Dette prosjektet er finansiert av NIH og ledes av professor Ana Navas-Acien ved Columbia University.