Multiparametrisch algoritme voor kwantificering van epicardiaal vetweefsel bij patiënten met niet-ischemische hartziekte

Summary

Hier presenteren we een protocol om epicardiaal vetweefsel te kwantificeren met behulp van niet-contrast-CT, wat een snel, kosteneffectief en contrastvrij alternatief biedt voor cardiale magnetische resonantie voor klinische en onderzoekstoepassingen.

Abstract

Epicardiaal vetweefsel (EAT), een actief endocrien en paracrien orgaan, draagt bij tot de cardiovasculaire pathogenese. Hoewel cardiale magnetische resonantie (CMR) de referentiestandaard is voor het kwantificeren van het EAT-volume (EATV), is het klinische nut ervan beperkt. Niet-contrast thorax-CT (NCCT), veel gebruikt in de radiologie, biedt een mogelijk alternatief. Hoewel coronaire CT-angiografie (CCTA) de afbakening van de EAT-myocardiale grens verbetert, wordt het gebruik ervan beperkt door risico's op contrastallergie en verhoogde blootstelling aan straling. Deze studie onderzoekt de haalbaarheid van NCCT voor EATV-beoordeling in vergelijking met CMR. We hebben 120 patiënten met niet-ischemische hartaandoeningen ingeschreven die zowel NCCT als CMR ondergingen tijdens een enkele ziekenhuisopname. EATV werd gemeten met behulp van CMR-gebaseerde volumetrische analyse en NCCT-gebaseerde grijswaardendrempelsegmentatie. De EAT-dikte werd gekwantificeerd op zes anatomische plaatsen (links/rechts atrioventriculaire groeven, anterieure/posterieure/superieure interventriculaire groeven en rechter ventrikel vrije wand) op beide modaliteiten. Statistische analyse vergeleek volume- en diktemetingen. EATV afgeleid van NCCT-drempelsegmentatie vertoonde geen significant verschil in vergelijking met CMR-volumetrie (P > 0,05). Evenzo toonden EAT-diktemetingen op alle zes locaties geen significante verschillen aan tussen NCCT en CMR (alle P > 0,05). NCCT-gebaseerde grijswaardendrempelsegmentatie biedt EATV-metingen die vergelijkbaar zijn met de CMR-referentiestandaard. Dit valideert NCCT als een snel, kosteneffectief en klinisch haalbaar alternatief voor nauwkeurige EAT-kwantificering.

Introduction

Symptomen en tekenen bij patiënten met niet-ischemische hartaandoeningen zijn divers en worden vaak verkeerd gediagnosticeerd als niet-cardiale aandoeningen. Van de patiënten die invasieve angiografie ondergaan voor vermoedelijke ischemie, heeft een aanzienlijk deel (tot 70%) geen obstructieve coronaire hartziekte. Veel van deze patiënten vertonen symptomen die overeenkomen met ischemische presentaties ondanks de afwezigheid van significante stenose, en vallen onder een breder spectrum van niet-ischemische hartaandoeningen¹. In de Women's Ischemia Syndrome Evaluation-Coronary Vascular Dysfunction (WISE)-studie, waarbij 883 vrouwelijke patiënten betrokken waren, ontbrak bij ongeveer tweederde (62%) aan significante obstructieve stenose². Bovendien zijn patiënten met niet-obstructieve coronaire hartziekte meestal jonger dan patiënten met obstructieve ziekte. In vergelijking met asymptomatische personen worden deze patiënten in verband gebracht met verhoogde cardiovasculaire voorvallen, terugkerende ziekenhuisopnames, verminderde kwaliteit van leven en verhoogde zorgkosten³.

Epicardiaal vetweefsel (EAT), een actief vetdepot met endocriene functies ^4,5, vertoont veranderingen in volume en dikte die nauw verband houden met cardiovasculaire gebeurtenissen zoals coronaire atherosclerose en boezemfibrilleren 6,7,8,9. Hoewel cardiale magnetische resonantie (CMR), met zijn superieure resolutie van zacht weefsel, is gevestigd als de gouden standaard voor EAT-metingen, wordt de klinische toepassing ervan beperkt door lange scantijden, hoge kosten, contra-indicatie bij patiënten met pacemakers en slechte tolerantie bij personen met claustrofobie¹⁰. Het huidige onderzoek richt zich voornamelijk op coronaire computertomografie, angiografie (CCTA)¹¹. Hoewel de vasculaire verbetering het gemakkelijker maakt om de grens tussen EAT en myocard te onderscheiden, brengt CCTA risico's met zich mee, waaronder allergie voor contrastmiddelen, verhoogde stralingsdosis en hogere kosten, wat resulteert in beperkte toepasbaarheid in algemene patiëntenpopulaties. Omgekeerd biedt non-contrast CT (NCCT), de meest gebruikte CT-modaliteit in de klinische praktijk, verschillende duidelijke voordelen: (1) snelle scantijd (minuten) zonder de noodzaak van contrastmiddelen, wat resulteert in een lage stralingsdosis en relatief lage kosten, wat een bredere klinische acceptatie bevordert; (2) typische EAT vertoont Hounsfield Unit (HU)-waarden variërend van -190 tot -30, waardoor kwantitatieve analyse op basis van weefseldichtheid mogelijk is. Studies tonen aan dat de EAT-dichtheid aanzienlijk toeneemt tijdens acuut coronair syndroom, wat aantoont dat kwantitatieve analyse via HU normaal vetweefsel effectief kan onderscheiden van inflammatoir vetweefsel¹². Wat nog belangrijker is, routinematige niet-contrast-CT visualiseert duidelijk de pericardiale interface zonder dat contrastmiddelen nodig zijn, wat een nieuwe mogelijkheid biedt voor EAT-meting. Daarom heeft het onderzoeken van methoden voor het kwantificeren van EAT met behulp van niet-contrasterende CT een aanzienlijke klinische waarde voor het bevorderen van vroege cardiovasculaire risicobeoordeling.

Deze studie ontwikkelde en valideerde dienovereenkomstig een semi-automatisch, multiparametrisch algoritme om EAT te kwantificeren op basis van routinematig verkregen niet-contrast-CT. Onze belangrijkste bevindingen tonen aan dat deze methode op betrouwbare wijze het EAT-volume en de verzwakking meet bij patiënten met niet-ischemische hartaandoeningen. Hoewel er EAT-kwantificeringsprotocollen bestaan voor CCTA, ontbreekt een speciale methode voor niet-contrast-CT. Onze aanpak pakt deze kloof direct aan. Het maakt gebruik van de inherente voordelen van NCCT, brede beschikbaarheid en veiligheid, terwijl de noodzaak van contrastinjectie die vereist is door bestaande op CCTA gebaseerde methoden wordt geëlimineerd. Dit breidt het potentieel voor EAT-beoordeling aanzienlijk uit naar bredere klinische en screeningpopulaties.

Protocol

Ethische goedkeuring voor deze studie werd verleend door de ethische commissie van het Chengdu Medical College, met een verklaring van afstand van geïnformeerde toestemming. Het studieprotocol zorgde ervoor dat de ethische principes van de Verklaring van Helsinki werden nageleefd.

1. Selectie van patiënten

1. Gebruik de volgende opnamecriteria:
   1. Neem patiënten met niet-ischemische hartziekte (NIHD) op.
      OPMERKING: Honderdtwintig (120) patiënten met NIHD, die tussen 2017 en 2024 werden behandeld in het First Affiliated Hospital van Chengdu Medical College, werden geselecteerd voor deze studie.
   2. Zorg ervoor dat alle patiënten zowel NCCT- als CMR-onderzoeken hebben ondergaan tijdens een enkele ziekenhuisopname.
   3. Zorg ervoor dat het interval tussen de scans < 48 uur is.
      OPMERKING: NIHD werd gedefinieerd door de aanwezigheid van klinische symptomen van myocardischemie en bevestigde coronaire arteriestenose van minder dan 50% via coronaire computertomografie-angiografie (CCTA) of invasieve coronaire angiografie. Deze klinische presentatie komt overeen met de definitie van ischemie zonder obstructieve kransslagaders (INOCA); voor het doel van deze methodologische studie gericht op EAT-kwantificering gebruiken we echter de bredere term NIHD om ons cohort te beschrijven.
2. Sluit patiënten uit met het volgende: pericardiale aandoeningen, kwaadaardige tumoren, een voorgeschiedenis van harttransplantatie of een voorgeschiedenis van hartchirurgie¹³.

2. NCCT-beeldvormingsprotocol en scanparameters

1. Scanner configuratie
   1. Voer wekelijkse kalibratie van de CT-scanner uit met behulp van een fantoom van het American College of Radiology (ACR). Houd de scannerruimte op een omgevingstemperatuur van 22 ± 2 °C en een relatieve luchtvochtigheid van < 65%.
   2. Bedien een 320-rijige 640-slice detector uitgerust met een 160 mm Z-dekking.
      OPMERKING: De belangrijkste parameters zijn onder meer vaste 120 kVp, 130 mAs, rotatietijd: 0,5 s/360°, toonhoogte: 1,0875.
2. Scanbereik
   1. Verkrijg beelden van de supraclaviculaire fossa tot het inferieure diafragmatische oppervlak. Lijn de laserpositionering uit op de tussenwervelruimte T4/T5.
   2. Stel het scanbereik in van de thoracale inlaat tot 2-3 cm onder de costofreenische hoek en verkrijg beelden met een enkele ademinhouding.
   3. Verwijder metalen kisten; Coach de patiënt voor een consistente ademinhoud.
   4. Voer apneutraining uit met behulp van spirometer-geleide coaching (minimaal 15 s capaciteit). Voor COPD-patiënten implementeert u respiratoire triggering met een acceptatievenster van ± 2 mm.
3. Parameters voor verwerving en reconstructie
   1. Voer de scan uit met behulp van de spiraalscanmodus; Instrueer de patiënt om zijn adem in te houden na diepe inspiratie.
      OPMERKING: Belangrijkste parameters: 1,0 mm plakdikte, plakstap: 1,0 mm (aaneengesloten), 512 × 512 matrix, weke delen kern (reconstructie van zacht weefsel van het lichaam, kern b); 350 mm fov, raamniveau (WL) 40 HU en raambreedte (WW) 400 HU.
   2. Verkrijg vier beeldreeksen: (1) 1,0 mm mediastinaal venster (WL 40/WW 400), (2) 1,0 mm longvenster (WL -500/WW 1500), (3) 5,0 mm mediastinaal venster (WL 40/WW 400) en (4) 5,0 mm longvenster (WL -500/WW 1500).
   3. Pas hybride iteratieve reconstructie toe met een matige sterkte (40%) met behulp van een standaard weke delen kernel; genereer multiplanaire reformaties van 1,0 mm voor anatomische referentie, met vensterinstellingen van mediastinale (breedte 400 HU/niveau 40 HU) en long (breedte 1600 HU/niveau -600 HU).
4. Veiligheid en opmerkingen
   1. Voldoen aan zowel de Chinese WS/T 391-2012 stralingsbeschermingsnormen als internationale richtlijnen¹⁴.
   2. Beperk het volume computertomografiedosisindex (CTDIvol) ≤15 mGy per ICRP 135. Registreer dosislengteproduct (DLP) met conversiefactor k = 0,014 mSv·^mGy-1·^cm-1.
   3. Gebruik ademhalingsnavigator + gesproken prompt om bewegingsartefacten te verminderen als het inhouden van de adem moeilijk is.
      OPMERKING: We hebben bilineaire interpolatie geselecteerd vanwege de optimale balans tussen rekenefficiëntie en randbehoud. Hoewel het potentieel ervan wordt erkend voor het introduceren van gedeeltelijke volumemiddeling en Hounsfield Unit (HU) afvlakking, werd voor deze methode gekozen omdat deze een superieure grensafbakening biedt in vergelijking met interpolatie van de dichtstbijzijnde buur.

3. CMR-beeldvormingsprotocol en scanparameters

1. Scanner configuratie
   1. Voer het onderzoek uit met behulp van een 3.0 T MRI-scanner uitgerust met een cardiale phased-array-spoel, met de patiënt in rugligging.
   2. Configureer het magnetische resonantiesysteem om pre-scan kwaliteitsborging uit te voeren: Shim-tolerantie≤5 ppb, SNR ≥100 (fantoom), B0homogeniteit ≤0,5 ppm.
2. Scannen protocol
   1. Open het cardiale beeldvormingsprotocol door door de volgende menureeks op de console te navigeren: Console, Protocol Manager, Cardiac, cardiac_easy, Cine_bSSFP.
   2. Verkrijg verkennersweergaven: Transversaal: aortaboog naar middenrif; Coronaal: Pulmonale romp tot LV apex; Sagittaal: Rechterventrikel naar dalende aorta.
3. Elektrocardiografie (ECG) gating instellen
   1. Breng 3-kanaals vector-ECG aan met adaptieve filtering en synchroniseer de ademhalingsbalg halverwege de vervaldatum.
   2. Selecteer Adaptieve trigger; stel Trigger Window in op 15% voor aritmie accommodatie.
4. Cardiale fasen, temporele resolutie
   1. Verkrijg 30 hartfasen met een temporele resolutie = 45 ms en met 13 k-ruimtesegmenten voor volledige cyclusdekking.
      OPMERKING: Belangrijkste parameters: Korte as: TR/TE = 2,86/1,31 ms, flip-hoek = 60°, bandbreedte = 1000 Hz/pixel, matrixgrootte = 128 × 224, FOV (lezen/fase) = 360/320 mm, plakdikte = 8 mm, 6-12 plakjes (aaneengesloten dekking met korte as), ademhalingscontrole = ademinhouding (enkele keer adem inhouden = 12-15 s. Vierkamer: TR/TE 2,86/1,31 ms, fliphoek 55°, bandbreedte 1000 Hz/pixel, matrix 128×224, FOV (lezen/fase) 360/320 mm, plakdikte 8 mm, 1-3 plakjes, ademhalingscontrole met ademinhouding (enkele ademinhouding = 10-12 s, zelfde vereisten als hierboven).
5. Implementatie van parallelle beeldvorming
   1. Schakel parallelle ARC-beeldvorming in met versnellingsfactor 2; Automatische kalibratie elimineert afzonderlijke referentiescans.
      OPMERKING: Om de veiligheid van de patiënt te waarborgen, hield deze studie zich strikt aan de position paper van de Society for cardiovascular magnetic resonance (SCMR) (2020) over klinische indicaties voor cardiovasculaire magnetische resonantie¹⁵ en voerde Coil Check en auto-kalibratie uit voorafgaand aan de scan.

4. EAT diktemeting

1. NCCT multiplanaire reconstructie en meting
   1. Importeer mediastinale vensterreeksen van 1,0 mm in de MPR-module (Multiplanar Construction). Configureer het reconstructie-interval op 0,5 mm met behulp van een bilineair interpolatiealgoritme. Synchroniseer updates van axiale, sagittale en coronale vlakken.
   2. Lijn uit met de lange-asreferentie van de linkerventrikel (LV). Draai om een orthogonaal 4-kameraanzicht te verkrijgen (kruisend 2-kamervlak). Genereer een loodrechte stapel met korte assen (plakdikte: 8 mm, opening: 0 mm) die de mitralisannulus tot de top bedekt.
   3. Meet de EAT-dikte op de volgende zes anatomische plaatsen: de linker atrioventriculaire groef (LAVG), de rechter atrioventriculaire groef (RAVG), de voorste interventriculaire groef (AIVG), de superieure interventriculaire groef (SIVG), de inferieure interventriculaire groef (IIVG) en de rechter ventriculaire vrije wand (RVFW)¹⁶.
   4. Volg het RVFW-protocol en voer drie opeenvolgende metingen uit op elke anatomische plaats. De uiteindelijke geregistreerde waarde voor elke locatie moet het gemiddelde zijn van deze drievoudige metingen.
      OPMERKING: Als het bereik van de drie metingen groter is dan 1 mm, kalibreer dan het beeldvormingsvlak opnieuw en herhaal de metingen. Het algemene meetproces en het voorbeeld worden weergegeven in figuur 1.
2. CMR-kwantificering van cine met hoge resolutie uitvoeren
   1. Importeer gebalanceerde steady-state vrije precessie (bSSFP) korte-as en lange-as cine-sequenties en identificeer handmatig end-diastole (ED)¹⁰en end-systole (ES) frames.
   2. Bevries ED-afbeeldingen en verfijn randen handmatig tot ± nauwkeurigheid van 1 pixel.
   3. Stel een korte-asdekking op 12 niveaus tot stand van mitralisannulus tot apex.
   4. Meet de dikte bij: SIVG, IIVG en RVFW, waarbij de gemiddelde waarden langs ± stralen van 60° vanaf de centrale as worden gebruikt om schuine fouten te minimaliseren.
      OPMERKING: Volg het RVFW-protocol en voer drie opeenvolgende metingen uit op elke anatomische plaats. De uiteindelijke recordwaarde voor elke locatie moet het gemiddelde zijn van deze drievoudige metingen.
   5. Bepaal de referentieas van de top van het linkerventrikel tot het middelpunt van de mitralisannulus en lijn het horizontale langsasvlak uit om een gestandaardiseerd beeld met vier kamers te verkrijgen.
   6. Meet de dikte van het epicardiale vetweefsel bij LAVG, RAVG en AIVG tijdens de einddiastole en bereken het gemiddelde van symmetrische ± 45°-metingen langs de atrioventriculaire groef om niet-orthogonale fouten te voorkomen.
      OPMERKING: Het algemene meetproces en het voorbeeld worden weergegeven in afbeelding 2.

Figuur 1: EAT-diktemeting op CT met behulp van multiplanaire reconstructie (MPR). (A) MPR uitgevoerd langs het korte-asvlak van de linkerventrikel; (B) Metingen verkregen bij de superieure interventriculaire groef (SIVG), de inferieure interventriculaire groef (IIVG) en de vrije rechterventrikelwand (RVFW), waarbij RVFW het gemiddelde van drie meetpunten vertegenwoordigt; (C) MPR herhaald langs het korte-asvlak van de linkerventrikel; (D) Metingen verkregen in de linker atrioventriculaire groef (LAVG), de rechter atrioventriculaire groef (RAVG) en de voorste interventriculaire groef (AIVG). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 2: Kwantificering van de EAT-dikte op cardiale magnetische resonantie (CMR). (A) Metingen verkregen bij LAVG, RAVG en AIVG op vierkamerweergave; (B) Metingen verkregen bij SIVG, IIVG en RVFW op korte-asweergave, waarbij RVFW wordt gerapporteerd als het gemiddelde van drie meetpunten. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

5. Volume-acquisitie van EAT

1. NCCT algoritme voor segmentatie van grijswaardendrempels
   1. Importeer de aaneengesloten NCCT-afbeeldingen met een plakdikte van 1,0 mm (in DICOM-indeling) van het lokale werkstation in de 3D Slicer-software door de map met DICOM-bestanden rechtstreeks naar het hoofdvenster van de 3D Slicer te slepen en neer te zetten.
   2. Navigeer naar de module Segmenteditor. Maak een nieuw segmentatiemasker. Selecteer de tool Drempelsegmentatie en stel het drempelbereik nauwkeurig in op -150 tot -50 HE¹⁷.
      OPMERKING: De volumetrische kwantificering van epicardiaal vetweefsel (EAT) is beperkt tot anatomische grenzen die worden gedefinieerd door de longslagadervertakking superieur en de top van de linkerventrikel inferieur^12,18. Het geselecteerde drempelbereik van -150 tot -50 HU is ontworpen om EAT optimaal te isoleren door gedeeltelijke volume-effecten van aangrenzende weefsels met een iets hogere verzwakking, zoals myocardium of epicardiaal vocht, te minimaliseren.
   3. Klik op de knop Toepassen en klik op de knop 3D weergeven om een voorbeeld van de eerste "dikke envelop" te bekijken.
   4. Gebruik de tool Wissen om mediastinale en borstwandvetweefsels die niet verbonden zijn met het epicardiale vet voorzichtig te verwijderen over meerdere orthogonale weergaven (axiaal, sagittaal, coronaal).
      OPMERKING: Pericardiale verkalkingen (CT-waarden significant hoger dan -50 HU) worden doorgaans uitgesloten door de initiële drempel. Verwijder ze handmatig van het vetmasker als ze zijn opgenomen vanwege gedeeltelijke volume-effecten. Een representatief voorbeeld wordt gegeven in figuur 3.
   5. Verkrijg het volumeresultaat (in ml) rechtstreeks uit de module Segmentstatistieken, die een berekeningsprincipe toepast dat gelijk is aan de Monte Carlo-integratie. OUTPUT: Totaal volume (ml)
2. CMR-methode
   1. Importeer de 12-laagse cinestapels met korte assen (plakdikte: 8 mm, tussenruimte: 0 mm) in de beeldanalysesoftware.
   2. Trek handmatig de epicardiale en pericardiale contouren op elke plak aan het einde van de diastolische fase.
   3. Genereer het uiteindelijke vetmasker.
   4. Pas de gewijzigde regel van Simpson toe om het totale EAT-volume te berekenen: EAT-volume = Σ (EAT-gebied × (Plakdikte + plakopening)⁾¹⁹. OUTPUT: Totaal volume (ml)
      OPMERKING: Als er een opening van 2 mm tussen de lagen is, moeten correcties worden aangebracht op basis van de werkelijke afstand.

Figuur 3: 3D-reconstructie van epicardiaal vetweefsel verkregen door middel van een segmentatiealgoritme voor grijswaardendrempels. Opmerking: Dit is een representatief model voor visualisatie en als schema is het niet op schaal. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

6. Statistische analyse

1. Verzamel en analyseer gegevens met behulp van Python.
2. Pas de Shapiro-Wilk-test²⁰toe voor normaliteit; rapporteer niet-normaal verdeelde continue variabelen als mediaan (interkwartielbereik) [M (P25, P75)] met Mann-Whitney U-test²¹voor groepsvergelijkingen, en druk normaal verdeelde gegevens uit als gemiddelde ± standaarddeviatie (x̄±s) geanalyseerd door gepaarde t-test²².
3. Bereken de intraclass correlatiecoëfficiënt (ICC) volgens een tweerichtingsmodel met willekeurige effecten voor absolute overeenstemming, waarbij ICC-> 0,75 wordt aangewezen als de drempel voor een goede consistentie tussen NCCT- en CMR-metingen.
4. Beschouw verschillen als statistisch significant wanneer de p-waarde kleiner is dan 0,05 (p < 0,05).

Results

Tabel 1 geeft de vergelijkende analyse weer van EAT-metingen tussen CT- en MR-modaliteiten op alle anatomische locaties. Over het algemeen vertoonde de gepaarde t-test geen significante verschillen (P > 0,05), wat de equivalentie van beide methoden ondersteunt. De gemiddelde verschillen (MR-CT) varieerden van -0,10 mm (inferieure interventriculaire groef) tot +0,29 mm (linker atrioventriculaire groef), waarbij 95% betrouwbaarheidsintervallen consequent n...

Discussion

Deze bevinding toont aan dat, in overeenstemming met eerdere studies²³, de rechter atrioventriculaire groef (RAVG) het dikste epicardiale vetweefsel (EAT) vertoont van de zes gemeten anatomische plaatsen. Dit kan worden toegeschreven aan hemodynamische verschillen tussen het rechter- en linkerhartsysteem. De rechterventrikel pompt bloed in de longcirculatie met lage weerstand, terwijl de linkerventrikel systemische vasculatuur met hoge weerstand moet overwinnen, w...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
640-slice CT scanner	United Imaging	uCT 960+	Gevestigde whole-organ volumetrische CT met sub-millimeter isotrope resolutie, mogelijkmaking van bewegingsvrije cardiale beeldvorming en ultra-lage dosis weefselkarakterisering.
3.0 T MRI scanner	United Imaging	uMR 960+	Geavanceerde wide-bore platform die uitzonderlijke zachte weefselcontrast levert voor kwantitatieve cardiale fenotypering en multi-parametrische lichaamssamenstellingsanalyse.
3D Slicer	Open-source community	https://www.slicer.org/	Gratis, open-source software voor medische beeldanalyse (segmentatie, registratie, 3D visualisatie). Ondersteund door NIH.
PyTorch	Meta Platforms, Inc.	https://pytorch.org/	Open-source deep learning framework met dynamische berekeningsgrafieken, wijd gebruikt voor AI-onderzoek en modelimplementatie. Ondersteunt GPU-versnelling.