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

Este trabalho foi apoiado pelo NIH grant R01ES029967.

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
<ol><li>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 n...

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>

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 ...

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 cálcio11,12. 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.

<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

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.

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

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...

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

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.

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

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

A missão do Instituto de Engenharia Biomédica e Imagem é criar tecnologias inovadoras de engenharia biomédica e imagem que possam ser utilizadas na ciência médica e na prática clínica. O objetivo é identificar e desenvolver técnicas de diagnóstico precoce e preciso de doenças, que podem ser úteis na otimização de tratamentos mais eficazes. Nosso grupo de imagem cardiovascular concentra-se em técnicas de aquisição e análise de imagens para imagens de RM, PET e TC.A TC pode ser usada para medir a calcificação e determinar a gravidade da doença arterial coronariana sem procedimentos invasivos. O escore de Agatston é o método mais comumente usado para a pontuação de cálcio, mas depende de limiares de sinal, o que pode fazer com que os estágios iniciais da doença sejam perdidos devido a pequenos depósitos de atenuação baixa não serem detectáveis acima do ruído da imagem. O Dr. Jason Liang e seus colegas da Universidade de Washington desenvolveram a ideia do escore de cálcio espacialmente ponderado.No entanto, no momento, não existem ferramentas confiáveis e consistentes para calcular o escore. Criamos um programa que oferece aos pesquisadores a capacidade de calculá-lo com precisão e repetidamente. O escore de cálcio ponderado espacialmente foi projetado para ser sensível para detectar microcalcificação, que ocorre antes que a calcificação coronariana avançada possa ser detectada por tomografias computadorizadas tradicionais com escore de cálcio.Essa sensibilidade é significativa na identificação de doença arterial coronariana subclínica e no fornecimento de dados quantitativos, que podem ser úteis ao avaliar novos fatores de risco, como a exposição a metais dos cigarros eletrônicos, avaliar riscos modificáveis em populações mais jovens e explorar o impacto de intervenções. A aplicação imediata deste trabalho é examinar a relação entre calcificação arterial coronariana e exposição a metais tóxicos pelo uso de cigarros eletrônicos. Este projeto é financiado pelo NIH e liderado pela professora Ana Navas-Acien da Universidade de Columbia.