Published July 1, 2024 | Version v1
Publication Metadata-only

Non-calcified Plaque-based Coronary Stenosis Grading in Contrast Enhanced CT

Creators

  • 1. University of Lincoln
  • 2. Mehran University of Engineering and Technology
  • 3. City, University of London

Description

The high mortality rate associated with coronary heart disease has led to state-of-the-art non-invasive methods for cardiac diagnosis including computed tomography and magnetic resonance imaging. However, stenosis computation and clinical assessment of non-calcified plaques has been very challenging due to their ambiguous intensity response in CT i.e. a significant overlap with surrounding muscle tissues and blood. Accordingly, this research presents an approach for computation of coronary stenosis by investigating cross-sectional lumen behaviour along the length of 3D coronary segments. Non-calcified plaques are characterized by comparatively lower-intensity values with respect to the surrounding. Accordingly, segment-wise orthogonal volume was reconstructed in 3D space using the segmented coronary tree. Subsequently, the cross sectional volumetric data was investigated using proposed CNN-based plaque quantification model and subsequent stenosis grading in clinical context was performed. In the last step, plaque-affected orthogonal volume was further investigated by comparing vessel-wall thickness and lumen area obstruction w.r.t expert-based annotations to validate the stenosis grading performance of model. The experimental data consists of clinical CT images obtained from the Rotterdam CT repository leading to 600 coronary segments and subsequent 15786 cross-sectional images. According to the results, the proposed method quantified coronary vessel stenosis i.e. severity of the non-calcified plaque with an overall accuracy of 83%. Moreover, for individual grading, the proposed model show promising results with accuracy equal to 86%, 90% and 79% respectively for severe, moderate and mild stenosis. The stenosis grading performance of the proposed model was further validated by performing lumen-area versus wall-thickness analysis as per annotations of manual experts. The statistical results for lumen area analysis precisely correlates with the quantification performance of the model with a mean deviation of 5% only. The overall results demonstrates capability of the proposed model to grade the vessel stenosis with reasonable accuracy and precision equivalent to human experts.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

أدى ارتفاع معدل الوفيات المرتبطة بأمراض القلب التاجية إلى أحدث الطرق غير الجراحية لتشخيص القلب بما في ذلك التصوير المقطعي المحوسب والتصوير بالرنين المغناطيسي. ومع ذلك، كان حساب التضيق والتقييم السريري للويحات غير المتكلسة أمرًا صعبًا للغاية نظرًا لاستجابتها الغامضة في التصوير المقطعي المحوسب، أي التداخل الكبير مع أنسجة العضلات المحيطة والدم. وفقًا لذلك، يقدم هذا البحث نهجًا لحساب تضيق الشريان التاجي من خلال التحقيق في سلوك تجويف المقطع العرضي على طول مقاطع الشريان التاجي ثلاثية الأبعاد. تتميز اللويحات غير المتكلسة بقيم منخفضة الشدة نسبيًا فيما يتعلق بالمحيط. وفقًا لذلك، تم إعادة بناء الحجم المتعامد القطعي في مساحة ثلاثية الأبعاد باستخدام شجرة الشريان التاجي المجزأة. بعد ذلك، تم التحقيق في البيانات الحجمية المقطعية باستخدام نموذج القياس الكمي المقترح للوحة القائم على CNN وتم إجراء تصنيف التضيق اللاحق في السياق السريري. في الخطوة الأخيرة، تم فحص الحجم المتعامد المتأثر باللويحة بشكل أكبر من خلال مقارنة سمك جدار الوعاء وانسداد منطقة التجويف مع التعليقات التوضيحية المستندة إلى الخبراء للتحقق من صحة أداء تدرج التضيق للنموذج. تتكون البيانات التجريبية من صور التصوير المقطعي المحوسب السريرية التي تم الحصول عليها من مستودع روتردام للتصوير المقطعي المحوسب مما يؤدي إلى 600 مقطع تاجي وما يليها من 15786 صورة مقطعية. وفقًا للنتائج، حددت الطريقة المقترحة تضيق الأوعية التاجية، أي شدة اللويحة غير المتكلسة بدقة إجمالية تبلغ 83 ٪. علاوة على ذلك، بالنسبة للتصنيف الفردي، يُظهر النموذج المقترح نتائج واعدة بدقة تساوي 86 ٪ و 90 ٪ و 79 ٪ على التوالي للتضيق الشديد والمعتدل والمعتدل. تم التحقق من صحة أداء تصنيف التضييق للنموذج المقترح من خلال إجراء تحليل لمساحة التجويف مقابل سمك الجدار وفقًا للتعليقات التوضيحية للخبراء اليدويين. ترتبط النتائج الإحصائية لتحليل منطقة التجويف بدقة بأداء القياس الكمي للنموذج بمتوسط انحراف قدره 5 ٪ فقط. توضح النتائج الإجمالية قدرة النموذج المقترح على تصنيف تضيق الأوعية بدقة معقولة ودقة مكافئة للخبراء البشريين.

Translated Description (French)

Le taux de mortalité élevé associé aux maladies coronariennes a conduit à des méthodes non invasives de pointe pour le diagnostic cardiaque, y compris la tomodensitométrie et l'imagerie par résonance magnétique. Cependant, le calcul de la sténose et l'évaluation clinique des plaques non calcifiées ont été très difficiles en raison de leur réponse d'intensité ambiguë dans la tomodensitométrie, c'est-à-dire un chevauchement important avec les tissus musculaires et le sang environnants. En conséquence, cette recherche présente une approche pour le calcul de la sténose coronarienne en étudiant le comportement de la lumière transversale sur la longueur des segments coronariens 3D. Les plaques non calcifiées sont caractérisées par des valeurs d'intensité comparativement plus faibles par rapport à l'environnement. En conséquence, le volume orthogonal segmentaire a été reconstruit dans l'espace 3D à l'aide de l'arbre coronarien segmenté. Par la suite, les données volumétriques transversales ont été étudiées à l'aide du modèle de quantification de la plaque basé sur CNN proposé et un classement ultérieur de la sténose dans le contexte clinique a été effectué. Dans la dernière étape, le volume orthogonal affecté par la plaque a été étudié plus en détail en comparant l'épaisseur de la paroi du vaisseau et l'obstruction de la surface de la lumière avec des annotations basées sur des experts pour valider la performance de classement de la sténose du modèle. Les données expérimentales consistent en des images cliniques de tomodensitométrie obtenues à partir du référentiel de tomodensitométrie de Rotterdam menant à 600 segments coronariens et 15786 images transversales ultérieures. Selon les résultats, la méthode proposée a quantifié la sténose des vaisseaux coronaires, c'est-à-dire la gravité de la plaque non calcifiée, avec une précision globale de 83 %. De plus, pour le classement individuel, le modèle proposé montre des résultats prometteurs avec une précision égale à 86%, 90% et 79% respectivement pour les sténoses sévères, modérées et légères. La performance de notation de la sténose du modèle proposé a été validée en outre en effectuant une analyse de la surface de la lumière par rapport à l'épaisseur de la paroi selon les annotations des experts manuels. Les résultats statistiques pour l'analyse de la surface de la lumière sont en corrélation précise avec les performances de quantification du modèle avec un écart moyen de 5% seulement. Les résultats globaux démontrent la capacité du modèle proposé à classer la sténose des vaisseaux avec une précision raisonnable et une précision équivalente à celle des experts humains.

Translated Description (Spanish)

La alta tasa de mortalidad asociada con la enfermedad coronaria ha llevado a métodos no invasivos de última generación para el diagnóstico cardíaco, incluida la tomografía computarizada y la resonancia magnética. Sin embargo, el cálculo de la estenosis y la evaluación clínica de las placas no calcificadas ha sido muy difícil debido a su respuesta de intensidad ambigua en la TC, es decir, una superposición significativa con los tejidos musculares y la sangre circundantes. En consecuencia, esta investigación presenta un enfoque para el cálculo de la estenosis coronaria mediante la investigación del comportamiento del lumen transversal a lo largo de la longitud de los segmentos coronarios 3D. Las placas no calcificadas se caracterizan por valores de intensidad comparativamente más bajos con respecto al entorno. En consecuencia, se reconstruyó el volumen ortogonal por segmentos en el espacio 3D utilizando el árbol coronario segmentado. Posteriormente, se investigaron los datos volumétricos transversales utilizando el modelo propuesto de cuantificación de placas basado en CNN y se realizó la posterior clasificación de estenosis en contexto clínico. En el último paso, el volumen ortogonal afectado por la placa se investigó más a fondo comparando el grosor de la pared del vaso y la obstrucción del área del lumen con anotaciones basadas en expertos para validar el rendimiento de la clasificación de estenosis del modelo. Los datos experimentales consisten en imágenes de TC clínicas obtenidas del repositorio de TC de Rotterdam que conducen a 600 segmentos coronarios y posteriores 15786 imágenes transversales. De acuerdo con los resultados, el método propuesto cuantificó la estenosis de los vasos coronarios, es decir, la gravedad de la placa no calcificada, con una precisión general del 83%. Además, para la clasificación individual, el modelo propuesto muestra resultados prometedores con una precisión igual al 86%, 90% y 79%, respectivamente, para la estenosis grave, moderada y leve. El rendimiento de la clasificación de estenosis del modelo propuesto se validó aún más mediante la realización de un análisis del área del lumen frente al grosor de la pared según las anotaciones de los expertos manuales. Los resultados estadísticos para el análisis del área del lumen se correlacionan con precisión con el rendimiento de cuantificación del modelo con una desviación media de solo el 5%. Los resultados generales demuestran la capacidad del modelo propuesto para clasificar la estenosis de los vasos con una precisión razonable y una precisión equivalente a la de los expertos humanos.

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
تدرج تضيق الشريان التاجي غير المتكلس القائم على اللويحات في التصوير المقطعي المحسن بالتباين
Translated title (French)
Classement de la sténose coronarienne à base de plaque non calcifiée dans la tomodensitométrie à contraste amélioré
Translated title (Spanish)
Clasificación de estenosis coronaria basada en placa no calcificada en TC con contraste mejorado

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4398200659
DOI
10.1016/j.medengphy.2024.104182

Is supplement to
https://openalex.org/W4236439135 (Other)
https://openalex.org/W3208525924 (Other)
https://openalex.org/W3127248583 (Other)
https://openalex.org/W3009904625 (Other)
https://openalex.org/W2885058781 (Other)
https://openalex.org/W2591833644 (Other)
https://openalex.org/W2189583758 (Other)
https://openalex.org/W2064165679 (Other)
https://openalex.org/W1588461101 (Other)
https://openalex.org/W1552490082 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Pakistan

References

  • https://openalex.org/W1973044014
  • https://openalex.org/W1985428160
  • https://openalex.org/W1990502611
  • https://openalex.org/W1990994043
  • https://openalex.org/W1991191407
  • https://openalex.org/W1998650897
  • https://openalex.org/W2020310259
  • https://openalex.org/W2039691011
  • https://openalex.org/W2042722722
  • https://openalex.org/W2054544120
  • https://openalex.org/W2082304218
  • https://openalex.org/W2084871782
  • https://openalex.org/W2162690743
  • https://openalex.org/W2170793535
  • https://openalex.org/W2259710953
  • https://openalex.org/W2477943143
  • https://openalex.org/W2595546633
  • https://openalex.org/W2600334191
  • https://openalex.org/W2606119605
  • https://openalex.org/W2740008332
  • https://openalex.org/W2800086480
  • https://openalex.org/W3041806057
  • https://openalex.org/W4210611328
  • https://openalex.org/W4220808902
  • https://openalex.org/W4300672471