Algoritmo multiparametrico per la quantificazione del tessuto adiposo epicardico in pazienti con cardiopatia non ischemica

Summary

Qui, presentiamo un protocollo per quantificare il tessuto adiposo epicardico utilizzando la TC senza mezzo di contrasto, fornendo un'alternativa rapida, economica e priva di contrasto alla risonanza magnetica cardiaca per applicazioni cliniche e di ricerca.

Abstract

Il tessuto adiposo epicardico (EAT), un organo attivo del sistema endocrino e paracrino, contribuisce alla patogenesi cardiovascolare. Sebbene la risonanza magnetica cardiaca (CMR) sia lo standard di riferimento per la quantificazione del volume di EAT (EATV), la sua utilità clinica è limitata. La TC del torace senza mezzo di contrasto (NCCT), ampiamente utilizzata in radiologia, offre una potenziale alternativa. Sebbene l'angiografia TC coronarica (CCTA) migliori la delineazione del confine EAT-miocardio, il suo uso è limitato dai rischi di allergia al mezzo di contrasto e dall'aumento dell'esposizione alle radiazioni. Questo studio indaga la fattibilità dell'NCCT per la valutazione EATV rispetto al CMR. Sono stati arruolati 120 pazienti con cardiopatia non ischemica sottoposti sia a NCCT che a CMR durante un singolo ricovero. L'EATV è stato misurato utilizzando l'analisi volumetrica basata su CMR e la segmentazione della soglia in scala di grigi basata su NCCT. Lo spessore dell'EAT è stato quantificato in sei siti anatomici (solchi atrioventricolari sinistro/destro, solchi interventricolari anteriori/posteriori/superiori e parete libera del ventricolo destro) su entrambe le modalità. L'analisi statistica ha confrontato le misure di volume e spessore. L'EATV derivato dalla segmentazione della soglia NCCT non ha mostrato differenze significative rispetto alla volumetria CMR (P > 0,05). Allo stesso modo, le misurazioni dello spessore EAT in tutti e sei i siti non hanno dimostrato differenze significative tra NCCT e CMR (tutti P > 0,05). La segmentazione della soglia della scala di grigi basata su NCCT fornisce misurazioni EATV paragonabili allo standard di riferimento CMR. Ciò convalida l'NCCT come un'alternativa rapida, economica e clinicamente fattibile per una quantificazione accurata dell'EAT.

Introduction

I sintomi e i segni nei pazienti con cardiopatia non ischemica sono diversi e spesso diagnosticati erroneamente come condizioni non cardiache. Tra i pazienti sottoposti ad angiografia invasiva per sospetta ischemia, una percentuale sostanziale (fino al 70%) non presenta una malattia coronarica ostruttiva. Molti di questi pazienti presentano sintomi coerenti con le presentazioni ischemiche nonostante l'assenza di stenosi significativa, rientrando in uno spettro più ampio di cardiopatia non ischemica¹. Nello studio WISE (Women's Ischemia Syndrome Evaluation-Coronary Vascular Dysfunction), che ha coinvolto 883 pazienti di sesso femminile, circa due terzi (62%) mancavano di stenosi ostruttiva significativa². Inoltre, i pazienti con malattia coronarica non ostruttiva tendono ad essere più giovani di quelli con malattia ostruttiva. Rispetto agli individui asintomatici, questi pazienti sono associati a un aumento dei tassi di eventi cardiovascolari, ricoveri ricorrenti, compromissione della qualità della vita e costi sanitari elevati³.

Il tessuto adiposo epicardico (EAT), un deposito di grasso attivo con funzioni endocrine ^4,5, mostra variazioni di volume e spessore strettamente associate a eventi cardiovascolari come l'aterosclerosi coronarica e la fibrillazione atriale ^6,7,8,9. Sebbene la risonanza magnetica cardiaca (CMR), con la sua risoluzione superiore nei tessuti molli, si sia affermata come il gold standard per la misurazione dell'EAT, la sua applicazione clinica è limitata dai lunghi tempi di scansione, dal costo elevato, dalla controindicazione nei pazienti con pacemaker cardiaci e dalla scarsa tolleranza nei soggetti con claustrofobia¹⁰. La ricerca attuale si concentra principalmente sull'angiografia con tomografia computerizzata coronarica (CCTA)¹¹. Sebbene il suo potenziamento vascolare faciliti la distinzione del confine tra EAT e miocardio, il CCTA comporta rischi tra cui allergia al mezzo di contrasto, aumento della dose di radiazioni e costi più elevati, con conseguente applicabilità limitata nelle popolazioni generali di pazienti. Al contrario, la TC senza mezzo di contrasto (NCCT), la modalità TC più utilizzata nella pratica clinica, offre diversi vantaggi distinti: (1) tempo di scansione rapido (minuti) senza la necessità di agenti di contrasto, con conseguente bassa dose di radiazioni e costo relativamente basso, che promuove una più ampia adozione clinica; (2) l'EAT tipico mostra valori di Hounsfield Unit (HU) compresi tra -190 e -30, consentendo un'analisi quantitativa basata sulla densità tissutale. Gli studi indicano che la densità di EAT aumenta significativamente durante la sindrome coronarica acuta, dimostrando che l'analisi quantitativa tramite HU può differenziare efficacemente il tessuto adiposo normale dal tessuto adiposo infiammatorio¹². Ancora più importante, la TC di routine senza mezzo di contrasto visualizza chiaramente l'interfaccia pericardica senza richiedere agenti di contrasto, presentando una nuova possibilità per la misurazione dell'EAT. Pertanto, l'esplorazione di metodi per quantificare l'EAT utilizzando la TC senza mezzo di contrasto ha un valore clinico significativo per promuovere la valutazione precoce del rischio cardiovascolare.

Questo studio ha quindi sviluppato e convalidato un algoritmo semi-automatico e multi-parametrico per quantificare l'EAT da TC senza mezzo di contrasto acquisita di routine. I nostri risultati chiave dimostrano che questo metodo misura in modo affidabile il volume e l'attenuazione dell'EAT nei pazienti con cardiopatia non ischemica. Sebbene esistano protocolli di quantificazione EAT per la CCTA, manca un metodo dedicato per la TC senza mezzo di contrasto. Il nostro approccio affronta direttamente questa lacuna. Sfrutta i vantaggi intrinseci dell'NCCT, l'ampia disponibilità e la sicurezza, eliminando al contempo la necessità di iniezione di contrasto richiesta dai metodi esistenti basati su CCTA. Ciò espande significativamente il potenziale della valutazione dell'EAT a popolazioni cliniche e di screening più ampie.

Protocol

L'approvazione etica per questo studio è stata concessa dal Comitato Etico del Chengdu Medical College, con una rinuncia al consenso informato. Il protocollo di studio ha garantito l'adesione ai principi etici della Dichiarazione di Helsinki.

1. Selezione del paziente

1. Utilizzare i seguenti criteri di inclusione:
   1. Includere i pazienti con cardiopatia non ischemica (NIHD).
      NOTA: Per questo studio sono stati selezionati centoventi (120) pazienti con NIHD, che sono stati trattati presso il First Affiliated Hospital of Chengdu Medical College tra il 2017 e il 2024.
   2. Assicurarsi che tutti i pazienti siano stati sottoposti a esami NCCT e CMR durante un singolo ricovero.
   3. Assicurarsi che l'intervallo tra le scansioni < 48 ore.
      NOTA: La NIHD è stata definita dalla presenza di sintomi clinici di ischemia miocardica e dalla stenosi coronarica confermata inferiore al 50% tramite angiografia con tomografia computerizzata coronarica (CCTA) o angiografia coronarica invasiva. Questa presentazione clinica è in linea con la definizione di ischemia senza arterie coronarie ostruttive (INOCA); tuttavia, ai fini di questo studio metodologico incentrato sulla quantificazione dell'EAT, utilizziamo il termine più ampio NIHD per descrivere la nostra coorte.
2. Escludere i pazienti con quanto segue: malattia pericardica, tumori maligni, anamnesi di trapianto di cuore o anamnesi di cardiochirurgia¹³.

2. Protocollo di imaging NCCT e parametri di scansione

1. Configurazione dello scanner
   1. Eseguire la calibrazione settimanale dello scanner CT utilizzando un fantoccio dell'American College of Radiology (ACR). Mantenere la stanza dello scanner a una temperatura ambiente di 22 ± 2 °C e un'umidità relativa del < al 65%.
   2. Azionare un rilevatore a 320 file da 640 fette dotato di una copertura Z di 160 mm.
      NOTA: I parametri chiave includono 120 kVp fissi, 130 mAs, tempo di rotazione: 0,5 s/360°, passo: 1,0875.
2. Intervallo di scansione
   1. Acquisire immagini dalla fossa sopraclavicolare alla superficie diaframmatica inferiore. Allineare il posizionamento laser nello spazio intervertebrale T4/T5.
   2. Impostare l'intervallo di scansione dall'ingresso toracico a 2-3 cm al di sotto dell'angolo costofrenico e acquisire le immagini in un'unica apnea.
   3. Rimuovere gli oggetti metallici sul torace; Allena il paziente per una costante trattenuta dell'apnea.
   4. Conduci un allenamento in apnea utilizzando il coaching guidato da spirometro (capacità minima di 15 s). Per i pazienti con BPCO, implementare l'attivazione respiratoria con una finestra di accettazione di ± 2 mm.
3. Parametri di acquisizione e ricostruzione
   1. Eseguire la scansione utilizzando la modalità di scansione a spirale; Istruisci il paziente a trattenere il respiro dopo una profonda inspirazione.
      NOTA: Parametri chiave: spessore della fetta di 1,0 mm, incremento della fetta: 1,0 mm (contigua), matrice 512 × 512, nucleo dei tessuti molli (nucleo di ricostruzione dei tessuti molli del corpo b); 350 mm fov, livello finestra (WL) 40 HU e larghezza finestra (WW) 400 HU.
   2. Ottenere quattro serie di immagini: (1) finestra mediastinica da 1,0 mm (WL 40/WW 400), (2) finestra polmonare da 1,0 mm (WL -500/WW 1500), (3) finestra mediastinica da 5,0 mm (WL 40/WW 400) e (4) finestra polmonare da 5,0 mm (WL -500/WW 1500).
   3. Applicare la ricostruzione iterativa ibrida a una forza moderata (40%) utilizzando un kernel standard di tessuti molli; Genera riformazioni multiplanari da 1,0 mm per riferimento anatomico, con impostazioni a finestra di mediastinico (larghezza 400 HU/livello 40 HU) e polmonare (larghezza 1600 HU/livello -600 HU).
4. Sicurezza e note
   1. Rispettare sia gli standard cinesi WS/T 391-2012 di radioprotezione che le linee guida internazionali¹⁴.
   2. Limitare l'indice di dose della tomografia computerizzata del volume (CTDIvol) ≤15 mGy secondo ICRP 135. Record del prodotto dose-lunghezza (DLP) con fattore di conversione k = 0,014 mSv·^mGy-1·^cm-1.
   3. Usa il navigatore respiratorio + il messaggio vocale per ridurre gli artefatti di movimento se la trattenuta del respiro è difficile.
      NOTA: Abbiamo selezionato l'interpolazione bilineare per il suo equilibrio ottimale tra efficienza computazionale e conservazione dei bordi. Pur riconoscendo il suo potenziale per l'introduzione della media del volume parziale e del livellamento dell'unità di Hounsfield (HU), questo metodo è stato scelto perché fornisce una delineazione dei confini superiore rispetto all'interpolazione del vicino più vicino.

3. Protocollo di imaging CMR e parametri di scansione

1. Configurazione dello scanner
   1. Eseguire l'esame utilizzando uno scanner MRI da 3,0 T dotato di bobina phased-array cardiaca, con il paziente in posizione supina.
   2. Configura il sistema di risonanza magnetica per eseguire la garanzia di qualità pre-scansione: tolleranza spessore≤5 ppb, SNR ≥100 (phantom), omogeneità B0h≤0,5 ppm.
2. Protocollo di scansione
   1. Accedere al protocollo di imaging cardiaco navigando attraverso la seguente sequenza di menu sulla console: Console, Protocol Manager, Cardiac, cardiac_easy, Cine_bSSFP.
   2. Acquisisci le viste degli esploratori: Trasversale: dall'arco aortico al diaframma; Coronale: dal tronco polmonare all'apice del ventricolo sinistro; Sagittale: dal ventricolo destro all'aorta discendente.
3. Impostazione del gating per elettrocardiografia (ECG)
   1. Applicare l'ECG vettoriale a 3 derivazioni con filtraggio adattivo e sincronizzare il soffietto respiratorio a metà espirazione.
   2. Seleziona Trigger adattivo; impostare la finestra di attivazione al 15% per l'accomodazione dell'aritmia.
4. Fasi cardiache, risoluzione temporale
   1. Acquisisci 30 fasi cardiache con una risoluzione temporale = 45 ms e con 13 segmenti nello spazio k per la copertura dell'intero ciclo.
      NOTA: Parametri chiave: Asse corto: TR/TE = 2,86/1,31 ms, angolo di ribaltamento = 60°, larghezza di banda = 1000 Hz/pixel, dimensione della matrice = 128 × 224, FOV (lettura/fase) = 360/320 mm, spessore della fetta = 8 mm, 6-12 fette (copertura contigua dell'asse corto), controllo respiratorio = apnea (apnea singola = 12-15 s. Quattro camere: TR/TE 2,86/1,31 ms, angolo di inversione 55°, larghezza di banda 1000 Hz/pixel, matrice 128×224, FOV (lettura/fase) 360/320 mm, spessore della fetta 8 mm, 1-3 fette, controllo respiratorio con trattenuta del respiro (apnea singola = 10-12 s, stessi requisiti di cui sopra).
5. Implementazione dell'imaging parallelo
   1. Abilita l'imaging parallelo ARC con fattore di accelerazione 2; La calibrazione automatica elimina la scansione separata dei riferimenti.
      NOTA: Per garantire la sicurezza del paziente, questo studio ha aderito rigorosamente al documento di posizione della Society for cardiovascular magnetic resonance (SCMR) (2020) sulle indicazioni cliniche per la risonanza magnetica cardiovascolare¹⁵ ed esegue il controllo della bobina e l'autocalibrazione prima della scansione.

4. Misurazione dello spessore EAT

1. Ricostruzione e misurazione multiplanari NCCT
   1. Importare serie di finestre mediastiniche da 1,0 mm nel modulo di ricostruzione multiplanari (MPR). Configura l'intervallo di ricostruzione a 0,5 mm utilizzando l'algoritmo di interpolazione bilineare. Sincronizza gli aggiornamenti del piano assiale, sagittale e coronale.
   2. Allineare con il riferimento dell'asse lungo del ventricolo sinistro (LV). Ruotare per ottenere una vista ortogonale a 4 camere (piano intersecante a 2 camere). Generare una pila perpendicolare ad asse corto (spessore fetta: 8 mm, spazio: 0 mm) che copre l'anulus mitralico all'apice.
   3. Misurare lo spessore dell'EAT nei seguenti sei siti anatomici: il solco atrioventricolare sinistro (LAVG), il solco atrioventricolare destro (RAVG), il solco interventricolare anteriore (AIVG), il solco interventricolare superiore (SIVG), il solco interventricolare inferiore (IIVG) e la parete libera del ventricolo destro (RVFW)¹⁶.
   4. Seguendo il protocollo RVFW, ottenere tre misurazioni consecutive in ciascun sito anatomico. Il valore finale registrato per ciascun sito dovrebbe essere la media di queste misurazioni in triplice copia.
      NOTA: Se l'intervallo delle tre misurazioni supera 1 mm, ricalibrare il piano di imaging e ripetere le misurazioni. Il processo di misurazione complessivo e l'esempio sono mostrati nella Figura 1.
2. Eseguire la quantificazione cinetica ad alta risoluzione CMR
   1. Importa sequenze cine bilanciate di precessione libera da stato stazionario (bSSFP) sull'asse corto e sull'asse lungo e identifica manualmente i fotogrammi di fine diastole (ED)¹⁰e di fine sistole (ES).
   2. Congela le immagini ED e rifinisci manualmente i bordi per ± una precisione di 1 pixel.
   3. Stabilisci una copertura dell'asse corto a 12 livelli dall'anulus mitralico all'apice.
   4. Misura lo spessore a: SIVG, IIVG e RVFW, calcolando la media dei valori lungo ± raggi di 60° dall'asse centrale per ridurre al minimo gli errori obliqui.
      NOTA: Seguendo il protocollo RVFW, ottenere tre misurazioni consecutive in ciascun sito anatomico. Il valore finale del record per ciascun sito dovrebbe essere la media di queste misurazioni in triplice copia.
   5. Stabilire l'asse di riferimento dall'apice ventricolare sinistro al punto medio dell'anulus mitralico e allineare il piano orizzontale dell'asse lungo per acquisire una vista standardizzata a quattro camere.
   6. Misurare lo spessore del tessuto adiposo epicardico a LAVG, RAVG e AIVG durante la telediastole, calcolando la media delle misurazioni simmetriche ± 45° lungo il solco atrioventricolare per evitare errori non ortogonali.
      NOTA: Il processo di misurazione generale e l'esempio sono mostrati nella Figura 2.

Figura 1: Misurazione dello spessore EAT su TC utilizzando la ricostruzione multiplanari (MPR). (A) MPR eseguita lungo il piano dell'asse corto del ventricolo sinistro; (B) Misurazioni ottenute al solco interventricolare superiore (SIVG), al solco interventricolare inferiore (IIVG) e alla parete libera del ventricolo destro (RVFW), con RVFW che rappresenta la media di tre punti di misurazione; (C) MPR ripetuto lungo il piano dell'asse corto del ventricolo sinistro; (D) Misurazioni acquisite al solco atrioventricolare sinistro (LAVG), al solco atrioventricolare destro (RAVG) e al solco interventricolare anteriore (AIVG). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 2: Quantificazione dello spessore EAT sulla risonanza magnetica cardiaca (CMR). (A) Misure acquisite a LAVG, RAVG e AIVG su vista a quattro camere; (B) Misurazioni ottenute a SIVG, IIVG e RVFW su vista ad asse corto, con RVFW riportato come media di tre punti di misurazione. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

5. Acquisizione del volume EAT

1. Algoritmo di segmentazione della soglia in scala di grigi NCCT
   1. Importa le immagini NCCT contigue di 1,0 mm di spessore della fetta (in formato DICOM) dalla workstation locale nel software 3D Slicer trascinando e rilasciando la cartella contenente i file DICOM direttamente nella finestra principale di 3D Slicer.
   2. Passa al modulo Editor segmenti. Crea una nuova maschera di segmentazione. Seleziona lo strumento Segmentazione soglia e imposta con precisione l'intervallo di soglia da -150 a -50 HU¹⁷.
      NOTA: La quantificazione volumetrica del tessuto adiposo epicardico (EAT) è confinata all'interno dei confini anatomici definiti dalla biforcazione dell'arteria polmonare superiormente e dall'apice del ventricolo sinistro inferiormente^12,18. L'intervallo di soglia selezionato da -150 a -50 HU è progettato per isolare in modo ottimale l'EAT riducendo al minimo gli effetti del volume parziale dai tessuti adiacenti con attenuazione leggermente superiore, come il miocardio o il liquido epicardico.
   3. Fare clic sul pulsante Applica e fare clic sul pulsante Mostra 3D per visualizzare in anteprima la "busta grassa" iniziale.
   4. Utilizzare lo strumento Cancella per rimuovere con cura i tessuti adiposi mediastinici e della parete toracica non collegati al grasso epicardico attraverso più viste ortogonali (assiale, sagittale, coronale).
      NOTA: Le calcificazioni pericardiche (valori CT significativamente superiori a -50 HU) sono tipicamente escluse dalla soglia iniziale. Rimuoverli manualmente dalla maschera antigrasso se inclusa a causa degli effetti del volume parziale. Un esempio rappresentativo è fornito nella Figura 3.
   5. Ottieni il risultato del volume (in mL) direttamente dal modulo Segment Statistics, che applica un principio di calcolo equivalente all'integrazione Monte Carlo. USCITA: Volume totale (mL)
2. Metodo CMR
   1. Importa le pile cine ad asse corto a 12 livelli (spessore fetta: 8 mm, spazio: 0 mm) nel software di analisi delle immagini.
   2. Tracciare manualmente i contorni epicardici e pericardici su ogni fetta nella fase telediastolica.
   3. Genera la maschera grassa finale.
   4. Applicare la regola di Simpson modificata per calcolare il volume EAT totale: Volume EAT = Σ (Area EAT × (Spessore fetta + Fessura))¹⁹. USCITA: Volume totale (mL)
      NOTA: Se c'è uno spazio di 2 mm tra gli strati, le correzioni devono essere apportate in base alla spaziatura effettiva.

Figura 3: Ricostruzione 3D del tessuto adiposo epicardico ottenuta mediante algoritmo di segmentazione della soglia in scala di grigi. Nota: Questo è un modello rappresentativo per la visualizzazione e, come schema, non è in scala. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

6. Analisi statistica

1. Raccogli e analizza i dati utilizzando Python.
2. Applicare il test di Shapiro-Wilk²⁰per la normalità; riportare variabili continue non normalmente distribuite come mediana (intervallo interquartile) [M (P25, P75)] con il test U di Mann-Whitney²¹per confronti di gruppo ed esprimere dati normalmente distribuiti come media ± deviazione standard (x̄±s) analizzati mediante t-test^{accoppiato 22}.
3. Calcolare il coefficiente di correlazione intraclasse (ICC) in un modello a effetti casuali a due vie per un accordo assoluto, designando ICC > 0,75 come soglia per una buona coerenza tra le misurazioni NCCT e CMR.
4. Considera le differenze statisticamente significative quando il valore p è inferiore a 0,05 (p < 0,05).

Results

La Tabella 1 presenta l'analisi comparativa delle misurazioni EAT tra le modalità TC e RM in tutti i siti anatomici. Nel complesso, il t-test accoppiato non ha dimostrato differenze significative (P > 0,05), supportando l'equivalenza di entrambi i metodi. Le differenze medie (RM-TC) variavano da -0,10 mm (solco interventricolare inferiore) a +0,29 mm (solco atrioventricolare sinistro), con intervalli di confidenza del 95% che superavano costantemente lo ...

Discussion

Questo risultato dimostra che, coerentemente con gli studi precedenti²³, il solco atrioventricolare destro (RAVG) mostra il tessuto adiposo epicardico (EAT) più spesso tra i sei siti anatomici misurati. Ciò può essere attribuito alle differenze emodinamiche tra il sistema cardiaco destro e sinistro. Il ventricolo destro pompa il sangue nella circolazione polmonare a bassa resistenza, mentre il ventricolo sinistro deve superare la vascolarizzazione sistemica ad alt...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Scanner TC a 640 fette	United Imaging	uCT 960+	Ha stabilito la TAC volumetrica a tutto l'organo con risoluzione isotropa sub-millimetrica, consentendo immagini cardiache senza movimento e caratterizzazione dei tessuti a dosi ultra-basse.
Scanner MRI 3.0 T	United Imaging	uMR 960+	Piattaforma avanzata a larga cilindrata che offre un eccezionale contrasto dei tessuti molli per il fenotipaggio cardiaco quantitativo e l'analisi multiparametrica della composizione corporea.
3D Slicer	Comunità open-source	https://www.slicer.org/	Software gratuito e open-source per l'analisi delle immagini mediche (segmentazione, registrazione, visualizzazione 3D). Supportato dal NIH.
PyTorch	Meta Platforms, Inc.	https://pytorch.org/	Framework open source per deep learning con grafici di calcolo dinamico, ampiamente utilizzato per la ricerca sull'IA e il deployment di modelli. Supporta l'accelerazione GPU.