Method Article

Nouveau protocole de quantification pour la progression de la calcification cardiovasculaire à l’aide d’images longitudinales MicroPET/MicroCT

DOI:

10.3791/66805

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November 15th, 2024

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1Department of Molecular and Medical Pharmacology, David Geffen School of Medicine, University of California, Los Angeles, 2Crump Institute for Molecular Imaging, David Geffen School of Medicine, University of California, Los Angeles, 3Department of Medicine, David Geffen School of Medicine, University of California, Los Angeles, 4Department of Physiology, David Geffen School of Medicine, University of California, Los Angeles, 5Department of Orthopaedic Surgery, David Geffen School of Medicine, University of California, Los Angeles, 6Department of Bioengineering, University of California, Los Angeles, 7Jonsson Comprehensive Cancer Center, University of California, Los Angeles

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ce nouveau protocole implique la quantification de la progression de la calcification cardiovasculaire à partir d’images de tomographie par émission de micropositons (TEP) et de microtomographie assistée par ordinateur (TDM) chez de petits animaux de recherche.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

La tomographie par émission de micropositons (TEP) et la microtomographie par ordinateur (TDM) sont des outils de recherche puissants et idéaux pour suivre la progression de la calcification cardiovasculaire. En raison de leur nature non invasive, les petits animaux de recherche peuvent être imagés à plusieurs points dans le temps. Le défi réside dans la quantification précise de la calcification cardiovasculaire. Ici, nous fournissons un protocole, en utilisant des images des stades ultérieurs de la maladie comme modèle, pour quantifier avec précision la progression de la calcification cardiovasculaire dans des études longitudinales. Le protocole implique 1) l’alignement de la région thoracique dans plusieurs images du même animal au cours d’une étude longitudinale comme première étape, 2) la définition d’une région d’intérêt (ROI) située dans le cœur et l’aorte sur le site de dépôts de calcium plus importants qui deviennent apparents dans les images ultérieures, et 3) la segmentation et la quantification simultanées des dépôts de calcium sur toutes les images acquises au cours de l’étude longitudinale. Cette méthode simplifiée améliore la précision de l’analyse d’images dans le suivi de la progression de la calcification cardiovasculaire en améliorant la précision de la définition du retour sur investissement et en réduisant la variabilité associée aux techniques antérieures qui analysent les balayages individuels indépendamment.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Les maladies cardiovasculaires sont l’une des principales causes mondiales de morbidité et de mortalité, nécessitant une exploration rigoureuse pour découvrir leurs mécanismes et concevoir des stratégies préventives et thérapeutiques efficaces. La calcification de l’artère coronaire (CAC) est largement reconnue par les experts dans le domaine comme un facteur prédictif des maladies cardiovasculaires, augmentant considérablement le risque de mortalité cardiovasculaire 1,2,3,4,5. Les calcifications microscopiques sont considérées comme les premiers stades de l’athérosclérose calcifiante, et le terme « microcalcifications » a été utilisé pour désigner des dépôts de calcium entre 0,5 et 50 μmde 6,7,8,9 de diamètre. On pense que ces petites calcifications fusionnent pour former des dépôts de calcium plus importants, alimentant la progression de la plaque calcifiante 6,7.

La tomographie par émission de positons (TEP) et la tomodensitométrie (TDM) sont des outils de recherche précieux, fréquemment utilisés pour l’évaluation non invasive de la calcification cardiovasculaire in vivo 5,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19 . Ces modalités d’imagerie s’avèrent particulièrement avantageuses pour suivre la progression de la calcification vasculaire dans les études longitudinales impliquant de petits animaux de recherche 11,12,13,19. L’imagerie MicroCT a démontré son efficacité à fournir des images anatomiques de dépôts de calcium relativement importants 11,12,13,19,20.Cependant, son utilité pour l’imagerie de petits dépôts de calcium chez les animaux vivants est limitée par sa résolution spatiale de ~100 μm 8,14, ce qui rend difficile l’étude de la calcification au cours de ses phases initiales.

Une avancée notable est l’adoption de l’imagerie combinée microPET/microCT avec le traceur TEP, le fluorure de sodium marqué au fluorure 18 (18F-NaF), comme méthode standard pour la détection de la calcification en fonction de sa liaison à la surface minérale. Cette approche utilise du 18F-NaF radiomarqué, dont il a été démontré qu’il identifie la surface minérale du calcium10,13 lorsque les ions fluorure se lient de manière covalente à l’hydroxyapatite de calcium, remplaçant les groupes hydroxyles pour former la fluoroapatite21. Conformément au taux d’échange plus lent par rapport à la désintégration radioactive du 18F (demi-vie ~ 110 min) et à la clairance du traceur par les reins22, Irkle et ses collègues13 ont constaté que la liaison du 18F-NaF aux échantillons carotidiens calcifiés était limitée à la surface au moment de la détection. Ainsi, l’absorption du traceur devrait être directement liée à la surface minérale, qui est plus grande lorsqu’une quantité donnée de minéral se présente sous plusieurs petits foyers ou sous forme poreuse que lorsqu’elle est présente dans quelques grands gisements solides. En accentuant les premiers stades de la minéralisation avec une sensibilité élevée, l’imagerie TEP 18F-NaF peut fournir des informations précieuses sur les premiers stades de la maladie, ce qui la rend particulièrement utile dans l’étude des stratégies préventives et thérapeutiques 13,14,15.

Même avec les progrès récents de l’imagerie combinée microTEP/microCT de la calcification vasculaire, il est possible d’améliorer la précision de l’analyse d’images dans les études longitudinales de calcification cardiovasculaire. Les approches conventionnelles utilisent la délimitation manuelle et laborieuse des régions d’intérêt (ROI) autour de chaque région calcifiée visible chez chaque souris à chaque point temporel individuel tout au long de l’étude longitudinale. Cette méthode réduit la précision, en particulier dans les premiers stades de la maladie, lorsque la taille des dépôts de calcium approche les limites de détection des scanners, rendant potentiellement invisibles certaines zones avec de minuscules dépôts disposés en faible densité.

Dans le domaine de l’imagerie, l’alignement fait généralement référence à l’alignement spatial d’une série d’images. Introduisant l’alignement comme une nouvelle solution aux défis existants, la méthode que nous proposons permet aux chercheurs d’utiliser un emplacement cohérent pour suivre la progression de la calcification dans les images en série de sujets individuels tout au long d’une étude longitudinale. Étant donné que la calcification tissulaire est connue pour provenir de vésicules matricielles de taille nanométrique (50-150 nm), qui fusionnent pour former un minéral d’hydroxyapatite microscopique, puis macroscopique23, on peut identifier rétrospectivement où les microcalcifications auraient été localisées dans les premières images avant qu’elles ne soient discernables.

Suivre ce même emplacement au fil du temps, rendu possible par l’alignement de l’image, est à la base de cette méthode. Il n’est pas nécessaire d’identifier directement les premiers stades de calcification, car le retour sur investissement est attribué en fonction des derniers stades lorsque la minéralisation est facilement identifiée. Dans ce protocole, nous présentons une méthode d’analyse de données améliorée et rationalisée qui intègre l’alignement d’une série chronologique d’images comme une étape vitale, améliorant la quantification précise des dépôts de calcium dans les études d’imagerie longitudinales, combinées, microPET/microCT (Figure 1). Bien que nous utilisions l’analyse de données TEP/TDM à titre d’exemple, cette méthode peut être appliquée à l’analyse d’autres données d’imagerie longitudinales, y compris la tomodensitométrie par émission de photons uniques (SPECT), l’imagerie par résonance magnétique (IRM) et l’imagerie optique24.

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Figure 1 : Organigramme de présentation du protocole. Organigramme résumant le nouveau protocole de quantification de la calcification cardiovasculaire. Les étapes générales comprennent l’imagerie longitudinale, l’alignement des images acquises à différents points temporels, ainsi que la segmentation et la quantification de la région calcifiée. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Les images représentatives présentent une souris femelle déficiente en apolipoprotéine E (Apoe-/-). Les protocoles expérimentaux ont été examinés et approuvés par l’Institutional Animal Care and Use Committee de l’Université de Californie à Los Angeles.

1. Numérisation des animaux

  1. Entre les deux acquisitions d’images, nourrissez la souris avec un régime standard sans aucune intervention. Cependant, avant la première image à l’âge de 15 mois, passez à un régime occidental (21 % de matières grasses, 0,2 % de cholestérol) de 12 à 14 mois pour induire une calcification aortique de base.
  2. Assurez-vous que le scanner microPET/CT est régulièrement calibré pour une acquisition optimale des données TEP et un co-enregistrement CT. Effectuez les étalonnages conformément aux instructions du fabricant.
  3. Anesthésier la souris à l’aide d’un gaz isoflurane à 2 % dans une chambre pendant 10 minutes avant l’imagerie. Confirmez l’anesthésie en pinçant l’orteil de l’animal sans réponse.
  4. Acquérez des images microPET (350-650 keV, temps de balayage de 10 min) et microCT 100 μm (80 kVp, 150 μA, projection 720, temps de balayage de 1 min) dans un scanner microTEP/TDM combiné 60 min après l’injection intraveineuse de 3,7 MBq de 18F-NaF. Obtenez les examens microCT immédiatement après les examens microTEP.
    REMARQUE : Le lit du scanner a déplacé l’animal du modal TEP au modal CT pendant que l’animal restait sous anesthésie et dans la même position.
  5. Reconstruisez des images microPET à l’aide d’un algorithme de maximisation des attentes de sous-ensembles ordonné en 3D (24 sous-ensembles et 3 itérations), avec correction aléatoire, d’atténuation et de décroissance. Reconstruisez les images CT à l’aide d’un algorithme de Feldkamp modifié.
    REMARQUE : Après l’imagerie, la souris a été surveillée jusqu’à ce qu’elle retrouve une conscience suffisante pour maintenir le décubitus sternal. À la fin de l’étude longitudinale, toutes les souris ont été euthanasiées.

2. Importer des fichiers DICOM dans le logiciel de visualisation DICOM

REMARQUE : Bien que ce protocole représentatif utilise le logiciel ORS Dragonfly sous une licence non commerciale, sa flexibilité s’étend à d’autres options logicielles de visionneuse DICOM.

  1. Lancez le logiciel DICOM viewer en double-cliquant sur l’application.
  2. Accédez à Fichier dans le coin supérieur gauche. Dans le menu déroulant, sélectionnez Importer des images DICOM... pour afficher l’affichage de la fenêtre Gérer les images DICOM (Fichier supplémentaire 1 - Figure supplémentaire S1A).
  3. Dans la fenêtre Gérer les images DICOM , cliquez sur l’onglet Contenu du dossier . Sur le côté droit, sélectionnez Ouvrir le dossier... pour choisir les dossiers contenant les fichiers DICOM d’intérêt dans une étude longitudinale (Fichier supplémentaire 1 - Figure supplémentaire S1B).
  4. Identifiez les dossiers contenant les fichiers DICOM. Cliquez sur Sélectionner un dossier pour importer le premier dossier dans la fenêtre Gérer les images DICOM (Fichier supplémentaire 1 - Figure supplémentaire S1C).
  5. Sélectionnez les fichiers DICOM PET (« PT ») et CT (« CT ») dans la fenêtre Gérer les images DICOM . Par la suite, cliquez sur Voir l’étude sur le côté droit pour ouvrir toutes les images DICOM importées (Fichier supplémentaire 1 - Figure supplémentaire S1D).
  6. Répétez les étapes 2.4 et 2.5 pour chaque dossier contenant des images DICOM liées au même sujet unique dans l’étude longitudinale.

3. Ajustez les paramètres de la visionneuse DICOM pour optimiser la visualisation de l’image

  1. Modifiez la mise en page pour afficher quatre vues (3D, transversale, coronale, sagittale), comme illustré dans le fichier supplémentaire 1 - Figure supplémentaire S2. Dans la liste déroulante Mise en page sur le côté gauche, recherchez Vues (dans la scène sélectionnée) et sélectionnez une mise en page qui affiche quatre vues.
  2. Renommez les images pour indiquer les points temporels et s’il s’agit d’images TEP ou CT. Sélectionnez le nom de l’image et double-cliquez pour renommer chaque image.
  3. Activez une image en accédant à la liste déroulante Propriétés et paramètres des données sur le côté droit. Cliquez sur l’icône en forme d’œil à gauche de chaque nom d’image pour basculer la visibilité (Fichier supplémentaire 1 - Figure supplémentaire S2)
  4. Ajustez la luminosité et le contraste sur chaque image CT, individuellement.
    REMARQUE : La luminosité et la plage de contraste optimales de la tomodensitométrie peuvent varier en fonction du sujet, du protocole d’imagerie, du scanner et des paramètres de reconstruction25,26 ; Cependant, tous les ajustements doivent être cohérents pour un seul sujet dans une étude longitudinale.
    1. Sélectionnez et activez une image CT en cliquant sur le nom de l’image sous Propriétés et paramètres des données (Fichier supplémentaire 1 - Figure supplémentaire S2).
    2. Recherchez l’histogramme dans la liste déroulante Mise à niveau de la fenêtre située dans l’onglet Principal sur le côté gauche de l’écran d’affichage. Activez LogY au-dessus de l’histogramme ; ensuite, cliquez et faites glisser les indicateurs de plage jaunes pour englober complètement le deuxième pic de l’histogramme (Fichier supplémentaire 1 - Figure supplémentaire S3A). Effectuez de légers ajustements jusqu’à ce que la luminosité/le contraste optimal soit atteint ; reportez-vous à la figure 2B pour un exemple d’image CT ajustée en luminosité/contraste.
    3. Recherchez la zone Plage sélectionnée sous l’histogramme de nivellement de la fenêtre (Fichier supplémentaire 1 - Figure supplémentaire S3B). Prenez note des valeurs Plage sélectionnée à utiliser dans les étapes suivantes.
    4. Sélectionnez et activez une deuxième image CT (Fichier supplémentaire 1 - Figure supplémentaire S3C). Entrez les valeurs de plage sélectionnées de la première image CT dans la case Plage sélectionnée pour la deuxième image CT (Fichier supplémentaire 1 - Figure supplémentaire S3B-S3D). Répétez l’opération pour toutes les images consécutives.
  5. Affinez chaque image PET en ajustant le filtre Table de correspondance, individuellement.
    REMARQUE : La plage optimale de l’échelle de couleurs TEP peut varier en fonction du sujet, du protocole d’imagerie, du scanner et des paramètres de reconstruction27 ; Cependant, tous les ajustements doivent être cohérents pour un seul sujet dans une étude longitudinale.
    1. Sélectionnez et activez une image PET en cliquant sur le nom de l’image sous Propriétés et paramètres des données (Fichier supplémentaire 1 - Figure supplémentaire S2).
    2. Dans la liste déroulante Mise à niveau de la fenêtre de l’onglet Principal , recherchez la table de correspondance (LUT) et faites défiler pour trouver PET dans la liste déroulante LUT et sélectionnez le filtre PET (Fichier supplémentaire 1 - Figure supplémentaire S4A).
    3. Affinez la plage sélectionnée à l’aide de l’histogramme sous la liste déroulante Mise à niveau de la fenêtre pour obtenir une visualisation optimale. Activez LogY au-dessus de l’histogramme ; ensuite, cliquez et faites glisser les indicateurs de plage jaunes vers la position indiquée dans la figure supplémentaire S4B (fichier supplémentaire 1). Effectuez de légers ajustements jusqu’à ce que la plage sélectionnée optimale soit atteinte pour la visualisation d’images TEP ; reportez-vous à la figure 2D pour un exemple d’image TEP/TDM ajustée pour une plage sélectionnée optimale.
    4. Recherchez la liste déroulante Plage sélectionnée sous l’histogramme de nivellement de la fenêtre (Fichier supplémentaire 1 - Figure supplémentaire S4B). Notez les valeurs de plage sélectionnées à utiliser dans les étapes suivantes.
    5. Sélectionnez et activez une deuxième image PET (Fichier supplémentaire 1 - Figure S4C). Répétez l’étape 3.5.2 pour la deuxième image.
    6. Entrez les valeurs de plage sélectionnées de la première image PET dans la zone Plage sélectionnée pour la deuxième image PET (Fichier supplémentaire 1 - Figure S4B-S4D). Répétez l’opération pour toutes les images consécutives.

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Figure 2 : Réglage des paramètres de la visionneuse DICOM pour optimiser la visualisation de l’image. (A,B) Vue coronale des images CT (A) avant et (B) après le réglage du contraste/luminosité. (C, D) Vue coronale des images TEP/TDM (C) avant et (D) après l’ajustement de la table de correspondance. Abréviations : TDM = tomodensitométrie ; TEP = tomographie par émission de positons. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

4. Alignez la zone de la poitrine sur les images CT

REMARQUE : Pour plus de simplicité, une image CT servira d’image « de base » et ne sera ni traduite ni tournée. La deuxième image CT (et éventuellement les images en série suivantes) sera traduite et/ou tournée pour s’aligner sur l’image de base ; Aux fins de la démonstration, on l’appellera l’image « superposée ». Tout au long de l’alignement, il est important de faire la distinction entre l’image de base et toutes les autres images de superposition.

  1. Désactivez toutes les images TEP et activez l’image CT de base en cliquant sur l’icône en forme d’œil à gauche de chaque nom d’image dans la liste déroulante Propriétés et paramètres des données .
  2. Modifiez l’opacité de l’image CT à ~50%. Cliquez sur l’une des vues 2D. Sous la boîte Nivellement de la fenêtre , recherchez la liste déroulante Mappage de l’opacité et faites glisser l’échelle de l’opacité vers le centre (Fichier supplémentaire 1 - Figure S5).
  3. Allumez l’image CT superposée et répétez l’étape 4.2.
  4. Modifiez le filtre de l’image CT superposée pour faire la distinction entre l’image CT de base et l’image CT superposée. Dans la liste déroulante Mise à niveau de la fenêtre de l’onglet Principal , recherchez Table de correspondance (LUT). Dans la liste déroulante LUT, faites défiler et cliquez sur le filtre rouge .
    REMARQUE : Il doit maintenant y avoir deux images CT dans chaque vue, comme illustré dans la figure supplémentaire S5 (fichier supplémentaire 1).
  5. Utilisez les outils Traduction/Rotation dans les vues 2D pour aligner la zone de la poitrine dans l’image de superposition aussi près que possible de celle de l’image de base. Reportez-vous à la cage thoracique, à la partie supérieure de la colonne vertébrale et au sternum comme indicateurs d’alignement de la poitrine sur l’image CT.
    REMARQUE : Les actions suivantes ne peuvent être exécutées que dans des vues 2D (transversale, coronale ou sagittale) (Fichier supplémentaire 1 - Figure supplémentaire S1). Pour un résultat optimal, basculez entre les trois vues 2D et utilisez les outils de translation/rotation pour aligner la zone de la poitrine dans chaque vue.
    1. Sélectionnez l’image de superposition dans la liste déroulante Propriétés et paramètres des données et cliquez une fois pour sélectionner l’une des vues 2D.
    2. Recherchez la liste déroulante Traduire/Pivoter sous l’onglet Principal et cliquez sur l’icône Déplacer (Fichier supplémentaire 1 - Figure S6A).
    3. Cliquez et faites glisser la boîte de traduction dans le coin inférieur gauche et faites pivoter le point de pivot au centre de la vue 2D sélectionnée pour déplacer l’image de superposition afin de l’aligner grossièrement sur l’image de base (Fichier supplémentaire 1 - Figure supplémentaire S6B). Reportez-vous aux structures osseuses pour la référence de l’alignement.
    4. Trouvez l’outil Suivre sous la liste déroulante Manipuler et déplacez l’axe vers la zone de la poitrine en cliquant et en faisant glisser le centre de l’axe. Zoomez sur la poitrine en cliquant sur le bouton de défilement central de la souris de l’ordinateur et en faisant glisser la souris loin de l’écran (Fichier supplémentaire 1 - Figure supplémentaire S6C).
  6. Affinez l’alignement pour un positionnement précis avec les structures thoraciques telles que la cage thoracique, la partie supérieure de la colonne vertébrale et le sternum grâce à d’autres ajustements de translation et de rotation. Basculez entre les vues 2D et répétez les étapes 4.5.3-4.5.4 jusqu’à ce que les deux images soient alignées pour ressembler à la figure 3.
  7. Une fois que les images CT de base et de superposition sont alignées, redéfinissez le filtre de l’image CT superposée en niveaux de gris sous la liste déroulante LUT. Répétez la section 4 pour toutes les images CT superposées du même animal, en utilisant une image de base constante.

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Figure 3 : Alignement de toutes les images CT. (A,B) Vue coronale des images CT de base (grise) et de superposition (rouge) (A) avant et (B) après l’alignement. (C, D) Vue sagittale des images CT (C) avant et (D) après l’alignement. Les flèches bleues indiquent la souris (1) la cage thoracique, (2) la colonne vertébrale et (3) le sternum. Abréviation : CT = tomodensitométrie. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

5. Co-enregistrez les images TEP avec les images CT correspondantes

REMARQUE : L’alignement de l’image CT de superposition et de l’image CT de base entraînera initialement un désalignement de l’image CT de superposition avec son image TEP respective vue à la figure 4. L’image TEP doit être à nouveau co-enregistrée avec l’image CT correspondante.

  1. Activez l’image CT superposée et son image PET respective en cliquant sur l’icône en forme d’œil à gauche de chaque nom d’image.
  2. Modifiez l’opacité des images TEP et TDM à ~50%. Dans la liste déroulante Mise à niveau de la fenêtre , recherchez la liste déroulante Mappage de l’opacité et faites glisser l’échelle de l’opacité vers le centre (Fichier supplémentaire 1 - Figure supplémentaire S5).
  3. Utilisez les outils Translate/Rotate dans les vues 2D pour aligner l’image TEP avec l’image CT correspondante, en fonction de la structure osseuse de l’image CT et de la surface osseuse 18F-NaF de l’image TEP.
    1. Sélectionnez l’image PET correspondant à l’image CT superposée dans la liste déroulante Propriétés et paramètres des données et cliquez une fois pour sélectionner l’une des vues 2D.
    2. Recherchez la liste déroulante Traduire/Pivoter sous l’onglet Principal et cliquez sur l’icône Déplacer (Fichier supplémentaire 1 - Figure supplémentaire S6A).
    3. Cliquez et faites glisser sur la zone de traduction dans le coin inférieur gauche et faites pivoter le point de pivot au centre de la vue 2D sélectionnée (Fichier supplémentaire 1 - Figure supplémentaire S6B) pour déplacer l’image PET afin qu’elle corresponde à l’image CT.
  4. Répétez la section 5 pour toutes les images TEP et TDM superposées qui ne sont pas co-enregistrées avec leurs images CT.
    REMARQUE : Si le co-enregistrement est terminé, les images TEP/TDM correspondantes doivent être alignées sur toute la longueur du corps, comme illustré à la figure 4.

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Figure 4 : Alignement des images TEP avec l’image CT correspondante. Une image TEP représentative et son image CT correspondante (A, C) avant et (B, D) après le co-enregistrement. Une fois le co-enregistrement terminé, les images TEP et TDM doivent être alignées comme le montre le panneau B. Abréviations : TDM = tomodensitométrie ; TEP = tomographie par émission de positons. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

6. Identifier la calcification cardiovasculaire

  1. Identifiez le point temporel avec les plus grandes régions calcifiées prédites dans l’étude longitudinale (c’est-à-dire le point temporel de calcification tardive ou les sujets prétraités). Sélectionnez l’image correspondant à ce point temporel pour servir d’image « de référence », en mettant l’accent sur la calcification la plus distinctement visible. Cette image choisie servira ensuite de modèle de comparaison avec toutes les autres images contenant des zones de calcification plus petites à différents points temporels.
  2. Allumez l’image CT de référence en cliquant sur l’icône en forme d’œil à gauche de l’image. Sélectionnez l’outil Suivre dans la liste déroulante Manipuler et déplacez le centre de l’axe autour de la région cardiaque.
  3. Zoomez pour trouver les régions calcifiées (petits sites denses brillants) superposées à la silhouette cardiaque entre la cage thoracique, le sternum et la colonne vertébrale (Figure 5). Si les régions calcifiées ne sont pas immédiatement visibles, faites défiler les calques de chaque image en sélectionnant une vue 2D et en faisant défiler avec la souris.
  4. Déplacez l’axe du suivi pour qu’il survole la région calcifiée, garantissant ainsi sa visibilité sur toutes les vues 2D. Pour une référence visuelle des régions de calcification dans une image CT de souris, consultez la figure 5.
  5. Activez l’image PET correspondante pour valider la présence de calcification.
    REMARQUE : Si les paramètres de l’image TEP et le co-enregistrement ont été correctement ajustés, l’image TEP devrait afficher l’activité autour de la région calcifiée, comme illustré à la figure 5D.

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Figure 5 : Identification des régions calcifiées du cœur. Les régions de calcification sont représentées dans des images CT représentatives (A) sagittales, (B) transversales et (C) coronales, ainsi que (D) une image coronale TEP/TDM. Les flèches jaunes indiquent les dépôts de calcium. Les flèches bleues identifient les structures de référence utilisées pour déterminer l’emplacement de la calcification. Abréviations : TDM = tomodensitométrie ; TEP = tomographie par émission de positons. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

7. Dessinez des retours sur investissement autour des régions calcifiées

  1. Désactivez l’image de référence PET. Activez uniquement l’image de référence CT en cliquant sur l’icône en forme d’œil à gauche de l’image.
  2. Recherchez la liste déroulante Formes et choisissez la forme Sphère (Fichier supplémentaire 1 - Figure supplémentaire S7). Ajustez les dimensions de la sphère en cliquant et en faisant glisser ses bords pour modifier la taille. Repositionnez la sphère en cliquant et en faisant glisser le carré central.
    1. Naviguez dans les vues 2D pour positionner soigneusement la sphère. La sphère doit encapsuler toute la région de calcification identifiée et une partie de la zone environnante, mais éviter les os environnants. Pour un guide visuel sur le dessin optimal de la sphère, reportez-vous à la figure supplémentaire S7 (fichier supplémentaire 1) pour le placement correct de la sphère.
  3. Dans la liste déroulante Propriétés et paramètres des données , cliquez avec le bouton droit de la souris sur le nom de la sphère et choisissez Ajouter à la valeur intrinsèque... (Fichier supplémentaire 1 - Figure supplémentaire S8A), puis sélectionnez Nouveau retour sur investissement (Fichier supplémentaire 1 - Figure supplémentaire S8B).
    1. Attribuez un nom approprié au retour sur investissement nouvellement créé. Sous Géométrie, sélectionnez l’image CT pour laquelle un retour sur investissement doit être généré (Fichier supplémentaire 1 - Figure supplémentaire S8C).
    2. Activez le retour d’intérêt en cliquant sur l’icône en forme d’œil à gauche du nom du retour d’intérêt et observez un retour d’intérêt coloré correspondant à la taille de la sphère précédemment dessinée, comme illustré dans la figure supplémentaire S8D (fichier supplémentaire 1).
  4. Recherchez l’onglet Segment (Segment) à gauche de l’écran d’affichage, à côté de l’onglet principal (Figure 6A). L’onglet Segment permet de créer et de modifier des ROI.
    REMARQUE : Les trois étapes suivantes sont orientées vers la création d’un retour sur investissement avec une précision qui met exclusivement en évidence les zones calcifiées dans la sphère désignée.
    1. Sélectionnez le retour sur investissement de référence dans les propriétés et paramètres des données et recherchez la liste déroulante Plage sous l’onglet Segment . Cliquez pour cocher la case Définir la plage (Figure 6A).
    2. Modifiez la plage définie à l’aide de la zone Plage sélectionnée (Figure 6A). Assurez-vous que la plage définie encapsule tous les pixels non calcifiés dont les valeurs d’unité de Hounsfield (HU) sont inférieures au seuil de calcium. Cette démonstration utilise un seuil de 300 HU pour le calcium, et la densité la plus basse de pixel dans cette image est de -2 626 ; par conséquent, la plage sélectionnée est -2 626-300 HU.
    3. Une fois la plage sélectionnée configurée, cliquez sur Supprimer (Figure 6A) pour éliminer tous les pixels en dessous du seuil spécifié de la valeur d’intérêt de la sphère.
      REMARQUE : Cette action se traduit par un nouveau retour sur investissement qui met exclusivement en évidence les régions calcifiées de la sphère, ce qui permet de se concentrer sur une analyse plus approfondie. Le retour sur investissement complété doit ressembler au retour sur investissement illustré à la figure 6B.
  5. Répétez les étapes 7.3 et 7.4 pour toutes les images CT consécutives afin de créer de nouvelles zones d’intérêt uniques à l’aide d’une sphère de référence commune. Nommez chaque ROI pour qu’il corresponde à l’identification de son image CT spécifique, en assurant une analyse concise et organisée.
    REMARQUE : Il ne devrait PAS être nécessaire de créer une nouvelle sphère pour l’analyse du retour sur investissement de chaque image, car la sphère de référence doit encapsuler la plus grande région calcifiée de toutes les images, en supposant que l’alignement est précis.

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Figure 6 : Utilisation de la segmentation pour limiter le retour sur investissement aux régions calcifiées. (A) Les flèches guident à travers les étapes nécessaires pour éliminer les données de densité indésirables du retour sur investissement. La flèche bleue pointe vers l’onglet Segment ; la flèche jaune met en évidence la fonction Définir la plage ; les flèches vertes indiquent les entrées de plage sélectionnées ; et la flèche rouge pointe vers le bouton Supprimer. (B) Après avoir terminé les étapes de protocole 7.4 à 7.4.3, le retour d’intérêt doit délimiter spécifiquement les régions calcifiées, comme illustré dans ce panneau. Abréviation : ROI = région d’intérêt. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

8. Quantifiez le retour sur investissement de chaque image

  1. Sélectionnez le retour sur investissement à quantifier dans la liste déroulante Propriétés et paramètres des données .
  2. Recherchez la liste déroulante Propriétés statistiques sur le côté droit, sous la liste déroulante Propriétés de base (Figure 7).
  3. Recherchez la table Dataset sous Propriétés statistiques. À l’aide du menu déroulant de droite, choisissez l’ensemble de données d’imagerie approprié qui correspond au retour sur investissement à quantifier (Figure 7).
    1. Lorsque vous quantifiez les données CT dans le ROI, choisissez le nom de l’image CT qui correspond au ROI.
    2. Lorsque vous quantifiez les données PET dans le ROI, choisissez le nom de l’image PET qui correspond au ROI.
  4. Cliquez sur Actualiser pour obtenir les valeurs quantifiées de la région calcifiée sélectionnée. Notez les valeurs Min, Max et Mean en fonction de la table des jeux de données. Utilisez les valeurs moyennes pour la quantification (Figure 7).
  5. Localisez le calcul du volume en haut de la boîte Propriétés statistiques . Utilisez ce volume pour la quantification (Figure 7).
  6. Pour les ensembles de données CT, les valeurs sont indiquées en HU. Calculer la teneur volumétrique en calcium (vHU) en utilisant le produit de la valeur moyenne du RI (HU) et du volume du RIN (mm3)12.
  7. Pour les ensembles de données TEP, les valeurs sont indiquées en becquerels (Bq), qui correspondent aux décroissances/seconde. Convertissez en Bq/mm3 en divisant la valeur moyenne du ROI (Bq) par le volume du ROI (mm3), pour la concentration d’absorption du traceur.

figure-protocol-6
Figure 7 : Quantification du retour sur investissement. L’onglet Propriétés statistiques pour un retour sur investissement sélectionné. Les flèches rouges illustrent les étapes nécessaires pour obtenir des informations statistiques pour un ensemble de données basé sur le ROI. Les cases rouges identifient le volume et la valeur unitaire moyenne de Hounsfield, ce qui est essentiel pour des calculs d’analyse ultérieurs. Abréviation : ROI = région d’intérêt. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Results

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Méthodes d’analyse
Cette section illustre l’utilisation réussie grâce à des résultats représentatifs. Ici, nous présentons l’image combinée microPET/microCT d’une seule souris scannée à l’âge de 15 et 18 mois, après avoir été soumise à un régime occidental (21% de matières grasses, 0,2% de cholestérol) de 12 à 14 mois. Conformément aux sections 2 à 8 du protocole pour la quantification de la calcification, quatre chercheurs indépendants ont mesuré séparément la teneur volumétrique en calcium et l’activité TEP 18F-NaF en utilisant les mêmes images microPET/microCT représentatives obtenues aux points temporels de 15 et 18 mois. Des analyses statistiques, y compris la moyenne, l’écart-type, le coefficient de corrélation intraclasse (ICC)28,29, ont été calculées pour déterminer la fiabilité inter-juges et la reproductibilité du protocole. Les estimations de l’ICC et leurs intervalles de confiance à 95 % ont été calculés à l’aide du progiciel statistique IBM SPSS basé sur un modèle à effets aléatoires à 2 facteurs de moyenne (k = 4), de cohérence et d’effets aléatoires (ICC(C,1)) (Fichier supplémentaire 1-Table supplémentaire S1).

Résultats
La teneur volumétrique en calcium, qui est dérivée du volume et de la densité de la région calcifiée, a augmenté chez une souris entre les points temporels de l’image à 15 mois (moyenne = 876,08 vHU, écart-type = 27,18 vHU) et à 18 mois (moyenne = 1253,13 vHU, écart-type = 7,61 vHU) (figure 8). En revanche, l’activité TEP 18F-NaF, qui mesure la surface de la région calcifiée, a diminué chez la même souris entre les points temporels de l’image de 15 mois (moyenne = 24173,90 Bq/mm3, écart-type = 1426,60 Bq/mm3) et de 18 mois (moyenne = 13849,94 Bq/mm3, écart-type = 1524,67 Bq/mm3) (Figure 8).

Ces résultats sont cohérents avec les résultats précédents selon lesquels l’imagerie TEP et TDM 18F-NaF fournit ce qui semble être des informations divergentes sur les plaques d’athérosclérose 12,13,14. Une étude longitudinale sur la calcification a montré une tendance similaire, suggérant que la réduction du signal 18F-NaF pourrait être due à la coalescence de petits dépôts de calcium, diminuant finalement la surface malgré une augmentation de la teneuren 12.

figure-results-1
Figure 8 : Images représentatives de microTEP/TDM. Vues transversales (à gauche), coronales (au milieu) et sagittales (à droite) illustrant l’absorption du fluorure 18 (F-18) en 15 mois par rapport aux images microPET représentatives à 18 mois. Les pointes de flèches blanches indiquent les régions de calcification. Abréviations : TDM = tomodensitométrie ; TEP = tomographie par émission de positons. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Les petits écarts-types observés dans nos résultats suggèrent un haut degré de concordance et de cohérence entre les mesures obtenues par les différents chercheurs. De plus, la valeur ICC(C,1) de 0,997 avec intervalle de confiance à 95 % = 0,983-1,000 obtenue dans notre étude (Fichier supplémentaire 1-Tableau supplémentaire S1) indique une excellente concordance entre les mesures effectuées par différents chercheurs. Ce niveau d’accord suggère que les mesures sont fiables et cohérentes entre les chercheurs, ce qui indique la grande reproductibilité de ce nouveau protocole de quantification.

Discussion

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Ce nouveau protocole est une approche améliorée de la quantification de la calcification cardiovasculaire. En raison de la nature non invasive de l’imagerie, des images microCT longitudinales peuvent être acquises pour suivre la progression de la calcification cardiovasculaire chez les petits animaux. Bien que les images microCT seules puissent montrer la progression de la teneur en calcium, les images microTEP, lorsqu’elles sont disponibles, peuvent fournir des niveaux d’information supplémentaires, en particulier leur détection améliorée des petits dépôts de calcium dus à la liaison du traceur à la surface. Pour améliorer encore la précision et la reproductibilité de cette méthode, il est recommandé d’incorporer une imagerie par tomodensitométrie cardiaque avec contraste amélioré. L’imagerie par tomodensitométrie avec produit de contraste simplifie l’application de ce protocole dans les études animales et cliniques de plus grande envergure, où la tomodensitométrie avec contraste à plus faible résolution avec imagerie TEP 18F-NaF est la norme pour la quantification de la calcification cardiovasculaire30,31. De plus, la TEP et la tomodensitométrie cardiaques réduisent les artefacts de mouvement à l’aide de données d’électrocardiogramme (ECG), ce qui permet d’obtenir des images plus claires et de meilleure qualité du cœur32,33. Notre méthode d’analyse d’images peut être appliquée aux données de TEP et de tomodensitométrie cardiaques dans le cadre d’études longitudinales.

Les visionneuses DICOM offrent universellement les fonctions essentielles à ce protocole. Les fonctions de base, y compris la visualisation d’images 2D et 3D, les histogrammes, les commandes de fenêtrage, les tables de correspondance, la translocation, la rotation, la superposition et les outils de navigation, sont standard sur la plupart des logiciels de visualisation DICOM34,35 et permettent un alignement précis des images et la localisation des calcifications. Des fonctions plus avancées, telles que la segmentation, sont également communes à la plupart des logiciels de visualisation DICOM 34,35,36 , permettant une délimitation précise du retour sur investissement et une quantification précise des retours sur investissement sélectionnés. Dans l’ensemble, ce protocole adaptable assure la compatibilité entre les plates-formes de visualisation DICOM, permettant aux chercheurs d’utiliser leur logiciel préféré sans compromettre la méthodologie.

Bien que ce protocole soit généralement simple, une utilisation réussie et des résultats fiables dépendent de plusieurs considérations critiques. Avant la reconstruction et l’analyse de l’image, il est impératif d’inclure la dose injectée corrigée de la décroissance et son unité de traceur TEP 18F-NaF dans le fichier DICOM pour garantir la précision de la quantification. De plus, le maintien d’un positionnement cohérent et stable des souris dans l’alésage du scanner facilite grandement l’alignement numérique des images - un processus fondamental pour maintenir la cohérence analytique des images en série dans une étude longitudinale.

D’autres étapes critiques sont intégrées dans le protocole. Le retour sur investissement doit être sélectionné avec soin pour exclure l’os squelettique et d’autres structures calcifiées dans la partie supérieure du thorax (comme le cartilage thyroïdien). Avant de commencer à dessiner un retour sur investissement, une étape cruciale consiste à sélectionner soigneusement le point temporel présentant la plus grande calcification visible comme image « de référence » (reportez-vous à l’étape 6.1 du protocole). Pour augmenter encore la précision du retour d’intérêt, il est préférable d’étendre la dimension de la sphère au-delà des limites de calcification visibles tout en excluant tout os adjacent, comme illustré dans la figure supplémentaire S7 (fichier supplémentaire 1). Ces choix stratégiques garantissent que les limites du retour sur investissement englobent de manière exhaustive les régions de calcification dans tous les examens ultérieurs. Une étape tout aussi cruciale consiste à sélectionner une valeur seuil de densité de voxels qui permettra d’identifier le minéral calcique (voir l’étape 7.4 du protocole) ; cela peut varier en raison des spécifications d’une étude particulière, telles que l’équipement d’imagerie et le logiciel de visualisation DICOM utilisé. Dans l’exemple illustratif, le seuil de densité minimum de microCT pour le retour sur investissement a été défini à 300 HU sur la base de notre expérience microPET/microCT.

Le dépannage de ce protocole consiste principalement à vérifier que les images, les objets et les retours d’investissement corrects sont sélectionnés ou activés/désactivés de manière appropriée à chaque étape. Les erreurs courantes dans la quantification du retour sur investissement impliquent que les utilisateurs sélectionnent par erreur une image au lieu d’un retour sur investissement, ou choisissent un ensemble de données dans le menu déroulant des propriétés statistiques qui ne correspond pas au retour sur investissement choisi. La visualisation d’images peut présenter un autre défi. Par exemple, sans l’utilisation d’une échelle de couleurs appropriée, les images peuvent être trop sombres ou trop lumineuses, obscurcissant les dépôts de calcium. Il est crucial d’affiner les paramètres de visualisation, car la configuration optimale peut différer de celles utilisées dans ce protocole. Une modification supplémentaire du protocole qui peut s’avérer bénéfique consiste à explorer diverses formes au cours de l’étape de dessin du retour sur investissement pour mieux entourer la région calcifiée. Selon les exigences de l’étude, d’autres formes, telles que le cylindre ou la capsule, peuvent s’avérer plus efficaces que la sphère standard utilisée dans l’exemple de protocole. Pour obtenir une assistance plus détaillée dans le dépannage des erreurs spécifiques au logiciel de visualisation DICOM, il est recommandé de consulter le support technique du logiciel.

Bien que ce protocole simplifie l’analyse de la calcification cardiovasculaire chez les rongeurs, il présente certaines limites. Bien qu’il s’agisse d’une excellente méthode pour détecter les calcifications cardiovasculaires, l’imagerie TEP 18F-NaF peut rencontrer des difficultés pour capturer les plus petits dépôts de calcium en raison des limites de résolution et de l’effet de volume partiel, ce qui peut conduire à une sous-estimation du signal TEP 8,27. Dans les images CT, la présence de bruit peut avoir un impact sur la détection37. Bien que le bruit puisse être atténué par l’établissement d’un seuil d’HU plus élevé, le compromis est l’exclusion des plus petits gisements de faible densité. Lorsque les dépôts minéraux de calcium de la densité habituelle sont plus petits que les dimensions du voxel, l’effet de volume partiel les fait apparaître comme étant de densité inférieure et de taille supérieure à la taille réelle38,39. Par conséquent, il existe un équilibre délicat dans l’établissement du seuil de densité minimum pour une étude, avec un compromis entre la surestimation potentielle due au bruit et la sous-estimation potentielle due à l’exclusion des petits gisements.

De nombreuses méthodes établies ont quantifié la calcification par imagerie CT 11,12,20,40,41,42. Cela comprend généralement l’identification du score CAC chez les sujets de recherche et les patients, conformément au protocole de score Agatston43. Cependant, de sérieuses limitations du score d’Agatston le rendent très peu fiable, en raison de la troncature, de la réaffectation et du seuillage des données39 après l’acquisition. De plus, le protocole de score d’Agatston ne peut identifier que les régions au-dessus de la limite de détection du scanner de 100-200 μm8. Reconnaissant l’importance croissante de la calcification en tant que facteur de risque de maladie cardiovasculaire, il est impératif de développer des méthodes qui quantifient avec précision la calcification. Les progrès de l’imagerie TEP/TDM 18F-NaF ont amélioré la visualisation de la calcification cardiovasculaire ; Cependant, des défis persistent dans l’élaboration de méthodes d’analyse de données précises pour les études longitudinales. Les méthodes actuelles de quantification de la calcification consistent à dessiner manuellement des zones calcifiées autour de chaque zone calcifiée visible chez chaque sujet à chaque point temporel individuel de l’étude longitudinale 11,12,15. Ces méthodes actuelles peuvent entraver la précision, en particulier lorsque les dépôts sont proches de la limite de détection du scanner. Sans alignement sur le point temporel montrant la plus grande calcification, il devient difficile de définir le retour sur investissement dans des images avec des calcifications plus petites. Dans notre nouveau protocole, nous présentons une approche d’analyse de données raffinée intégrant l’alignement des images et la cohérence du retour sur investissement afin d’augmenter la cohérence de l’analyse des données dans les images séquentielles, améliorant ainsi la validité de l’évaluation de la calcification dans les études longitudinales TEP/TDM. Cette méthode permet non seulement de relever les défis de l’analyse des données, mais aussi de fournir des informations sur le processus de progression de la calcification cardiovasculaire.

Disclosures

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Les auteurs n’ont aucun conflit d’intérêts à déclarer.

Acknowledgements

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Nous remercions tous les membres du Crump Preclinical Imaging Technology Center de l’UCLA pour leur aide dans l’acquisition et le traitement des données, ainsi que dans la maintenance des équipements et des infrastructures. Nous remercions Jeffrey Collins pour son aide dans le fonctionnement du cyclotron et la synthèse du 18F-NaF. Nous remercions le Statistical Consulting Group de l’UCLA pour son aide en matière d’analyse statistique. Ce travail est soutenu par le NIH Cancer Center Support Grant (2 P30 CA016042-44 à MT) et le National Institutes of Health, Heart, Lung, and Blood Institute (HL137647 et HL151391 à YT et LLD). Le scanner GNEXT PET/CT a été financé par la subvention NIH S10 Shared Instrumentation for Animal Research (1S10OD026917-01A1 à Arion Chatziioannou).

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Seringues à insuline stériles de 0,5 ccExel International#26028Utilisé pour l’injection IV de 18F-NaF PET Tracer
18F-NaF PET TracerCNSI Cyclotron
BiorenderBiorenderUtilisé pour la figure 1
Souris Apoe-/- femelleJackson Laboratories#002052B6.129P2-Apoe tm1Unc/J
GNEXT PET/CTSofie Biosciences, Dulles, Virginie
IsofluranePiramal Critical CareUtilisé comme anesthésique pour l’imagerie de la souris
SRO DragonflyComet Technologies Canada Inc.
SPSS StatisticsIBM
Régime occidental pour sourisEnvigo#TD8813921 % de matières grasses, 0,2 % de cholestérol

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