Многопараметрический алгоритм количественной оценки эпикардиальной жировой ткани у пациентов с неишемической болезнью сердца

Summary

В данной статье мы представляем протокол количественной оценки эпикардиальной жировой ткани с помощью КТ без контрастирования, обеспечивая быструю, экономичную и не содержащую контрастов альтернативу магнитному резонансу сердца для клинических и исследовательских применений.

Abstract

Эпикардиальная жировая ткань (ЭАТ), активный эндокринный и паракринный орган, способствует сердечно-сосудистому патогенезу. Несмотря на то, что магнитно-резонансная томография сердца (CMR) является эталонным стандартом для количественной оценки объема EAT (EATV), ее клиническая полезность ограничена. Неконтрастная КТ грудной клетки (КТ), широко используемая в радиологии, представляет собой потенциальную альтернативу. Хотя коронарная КТ-ангиография (КТК) улучшает разграничение границы миокарда с ЭАТ, ее использование ограничено рисками аллергии на контрастное вещество и повышенным воздействием радиации. В данном исследовании изучается целесообразность использования NCCT для оценки EATV по сравнению с CMR. В исследование включено 120 пациентов с неишемической болезнью сердца, перенесших НЦКТ и КМР в течение одной госпитализации. EATV измеряли с помощью объемного анализа на основе CMR и сегментации порога оттенков серого на основе NCCT. Толщину EAT количественно оценивали в шести анатомических участках (левая/правая атриовентрикулярные борозды, передние/задние/верхние межжелудочковые борозды и свободная стенка правого желудочка) в обоих модальностях. Статистический анализ сравнивал измерения объема и толщины. EATV, полученная с помощью сегментации порога NCCT, не показала существенной разницы по сравнению с волюметрией CMR (P > 0,05). Аналогичным образом, измерения толщины EAT на всех шести участках не показали существенных различий между NCCT и CMR (все P > 0,05). Сегментация пороговых значений серого на основе NCCT обеспечивает измерения EATV, сопоставимые с эталонным стандартом CMR. Таким образом, NCCT является быстрой, экономически эффективной и клинически осуществимой альтернативой для точного количественного определения EAT.

Introduction

Симптомы и признаки у пациентов с неишемической болезнью сердца разнообразны и часто ошибочно диагностируются как некардиальные состояния. Среди пациентов, перенесших инвазивную ангиографию при подозрении на ишемию, значительная часть (до 70%) не имеет обструктивной болезни коронарных артерий. У многих из этих пациентов наблюдаются симптомы, соответствующие ишемическим проявлениям, несмотря на отсутствие значительного стеноза, что относится к более широкому спектру неишемической болезни сердца¹. В исследовании «Оценка синдрома ишемии у женщин-коронарных сосудов» (WISE), в котором приняли участие 883 пациентки женского пола, примерно у двух третей (62%) отсутствовал значительный обструктивный стеноз². Кроме того, пациенты с необструктивной болезнью коронарных артерий, как правило, моложе, чем пациенты с обструктивной болезнью. По сравнению с бессимптомными лицами, эти пациенты связаны с повышенной частотой сердечно-сосудистых событий, повторными госпитализациями, ухудшением качества жизни и повышенными затратами на здравоохранение³.

Эпикардиальная жировая ткань (EAT), активное жировое депо с эндокринными функциями ^4,5, демонстрирует изменения объема и толщины, которые тесно связаны с сердечно-сосудистыми событиями, такими как коронарный атеросклероз и фибрилляция предсердий ^6,7,8,9. В то время как магнитно-резонансная томография сердца (CMR) с ее превосходным разрешением в мягких тканях установлена в качестве золотого стандарта для измерения EAT, его клиническое применение ограничено длительным временем сканирования, высокой стоимостью, противопоказаниями у пациентов с кардиостимуляторами и плохой переносимостью у людей с клаустрофобией^. Современные исследования в первую очередь сосредоточены на коронарной компьютерной томографической ангиографии (ККТА)¹¹. Несмотря на то, что его сосудистое усиление помогает различить границу между ЭЖТ и миокардом, КТА несет риски, включая аллергию на контрастное вещество, повышенную дозу облучения и более высокую стоимость, что приводит к ограниченной применимости в общей популяции пациентов. И наоборот, КТ без контраста (КТ), наиболее широко используемый метод КТ в клинической практике, имеет несколько явных преимуществ: (1) быстрое время сканирования (минуты) без необходимости использования контрастных веществ, что приводит к низкой дозе облучения и относительно низкой стоимости, что способствует более широкому клиническому внедрению; (2) типичный EAT демонстрирует значения единицы Хаунсфилда (HU) в диапазоне от -190 до -30, что позволяет проводить количественный анализ на основе плотности тканей. Исследования показывают, что плотность EAT значительно увеличивается во время острого коронарного синдрома, демонстрируя, что количественный анализ с помощью HU может эффективно дифференцировать нормальную жировую ткань от воспалительной жировой ткани¹². Что еще более важно, рутинная КТ без контрастирования четко визуализирует перикардиальный интерфейс без использования контрастных веществ, что открывает новые возможности для измерения EAT. Таким образом, изучение методов количественной оценки ЭЖТ с использованием КТ без контрастирования имеет значительную клиническую ценность для содействия ранней оценке сердечно-сосудистого риска.

В соответствии с этим исследованием был разработан и валидирован полуавтоматизированный, многопараметрический алгоритм для количественной оценки ЭЖТ из рутинно полученной компьютерной томографии без контрастирования. Наши основные результаты показывают, что этот метод надежно измеряет объем и ослабление EAT у пациентов с неишемической болезнью сердца. В то время как существуют протоколы количественной оценки EAT для CCTA, специальный метод для КТ без контрастирования отсутствует. Наш подход непосредственно устраняет этот пробел. Он использует неотъемлемые преимущества NCCT, широкую доступность и безопасность, устраняя при этом необходимость введения контрастного вещества, требуемого существующими методами на основе CCTA. Это значительно расширяет возможности оценки EAT для более широких клинических и скрининговых популяций.

Protocol

Этическое одобрение для этого исследования было предоставлено Комитетом по этике Медицинского колледжа Чэнду с отказом от информированного согласия. Протокол исследования обеспечивал соблюдение этических принципов Хельсинкской декларации.

1. Отбор пациентов

1. Используйте следующие критерии включения:
   1. Включают пациентов с неишемической болезнью сердца (НИБС).
      ПРИМЕЧАНИЕ: Для этого исследования были отобраны сто двадцать (120) пациентов с НИБС, которые проходили лечение в Первой аффилированной больнице Медицинского колледжа Чэнду в период с 2017 по 2024 год.
   2. Убедитесь, что все пациенты прошли обследования NCCT и CMR в течение одной госпитализации.
   3. Интервал между сканированиями < 48 часов.
      ПРИМЕЧАНИЕ: НИБС определяли по наличию клинических симптомов ишемии миокарда и подтвержденному стенозу коронарных артерий менее 50% с помощью коронарной компьютерной томографической ангиографии (КЦА) или инвазивной коронарной ангиографии. Эта клиническая картина согласуется с определением ишемии без обструктивных коронарных артерий (INOCA); однако для целей данного методологического исследования, ориентированного на количественную оценку EAT, мы используем более широкий термин NIHD для описания нашей когорты.
2. Исключите пациентов с: заболеванием перикарда, злокачественными опухолями, трансплантацией сердца в анамнезе или кардиохирургическими операциями в анамнезе¹³.

2. Протокол визуализации НКТ и параметры сканирования

1. Конфигурация сканера
   1. Выполняйте еженедельную калибровку компьютерного томографа с помощью фантома Американского колледжа радиологии (ACR). Поддерживайте в помещении сканера температуру окружающей среды 22 ± 2 °C и относительную влажность < 65%.
   2. Работайте с 320-рядным 640-срезовым детектором с Z-покрытием 160 мм.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Ключевые параметры включают фиксированный 120 кВпик, 130 мАс, время вращения: 0,5 с/360°, тангаж: 1,0875.
2. Диапазон сканирования
   1. Получение изображений от надключичной ямки до нижней диафрагмальной поверхности. Выровняйте положение лазера в межпозвоночном пространстве T4/T5.
   2. Установите диапазон сканирования от грудного входа до 2-3 см ниже косфорренического угла и получайте изображения за одну задержку дыхания.
   3. Уберите металлические предметы из сундука; Тренируйте пациента для постоянной задержки дыхания.
   4. Проведите тренировку на задержке дыхания с помощью спирометра (минимум 15 с). Для пациентов с ХОБЛ применяют респираторный триггер с окном приемлемости ± 2 мм.
3. Параметры сбора и реконструкции
   1. Выполните сканирование в режиме спирального сканирования; Проинструктируйте пациента задержать дыхание после глубокого вдоха.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Основные параметры: толщина среза 1,0 мм, шаг среза: 1,0 мм (непрерывный), матрикс 512 × 512, ядро мягких тканей (ядро реконструкции мягких тканей тела b); Угол наклона 350 мм, уровень окна (WL) 40 HU и ширина окна (WW) 400 HU.
   2. Получите четыре серии изображений: (1) медиастинальное окно 1,0 мм (WL 40/WW 400), (2) легкое окно 1,0 мм (WL -500/WW 1500), (3) медиастинальное окно 5,0 мм (WL 40/WW 400) и (4) легкое окно 5,0 мм (WL -500/WW 1500).
   3. Применить гибридную итерационную реконструкцию с умеренной прочностью (40%) с использованием стандартного ядра мягких тканей; генерировать 1,0-мм мультипланарные риформации для анатомического референса, с настройками окна средостения (ширина 400 HU/уровень 40 HU) и легкого (ширина 1600 HU/уровень -600 HU).
4. Безопасность и примечания
   1. Соответствие китайским стандартам защиты от радиации WS/T 391-2012 и международным директивам¹⁴.
   2. Ограничьте объемный индекс дозы компьютерной томографии (CTDIvol) ≤15 мГр на ICRP 135. Рекордное произведение длины дозы (DLP) с коэффициентом пересчета k = 0,014 мЗв·^{мГр-1,см-1}.
   3. Используйте респираторный навигатор + голосовую подсказку , чтобы уменьшить артефакты движения, если задержка дыхания затруднена.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Мы выбрали билинейную интерполяцию из-за ее оптимального баланса между вычислительной эффективностью и сохранением краев. Признавая его потенциал для внедрения усреднения частичных объемов и сглаживания единиц Хаунсфилда (HU), этот метод был выбран потому, что он обеспечивает превосходное разграничение границ по сравнению с интерполяцией по методу ближайшего соседа.

3. Протокол визуализации CMR и параметры сканирования

1. Конфигурация сканера
   1. Проводите обследование с помощью МРТ-сканера 3,0 Тл, оснащенного сердечной фазированной катушкой, в положении лежа на спине.
   2. Сконфигурируйте магнитно-резонансную систему для выполнения контроля качества перед сканированием: допуск по прокладке≤5 ppb, отношение сигнал/шум ≥100 (фантом), B0гогенность ≤0,5 ppm.
2. Протокол сканирования
   1. Чтобы получить доступ к протоколу визуализации сердца, перейдите по следующей последовательности меню на консоли: Консоль, Диспетчер протоколов, Кардиак, cardiac_easy, Cine_bSSFP.
   2. Получите вид разведчика: Поперечный: дуга аорты к диафрагме; Коронарный: от легочного ствола до верхушки ЛЖ; Сагиттальный: от правого желудочка до нисходящей аорты.
3. Настройка стробирования электрокардиографии (ЭКГ)
   1. Применяйте векторную ЭКГ в 3 отведениях с адаптивной фильтрацией и синхронизируйте дыхательные сильфоны в середине выдоха.
   2. Выберите Адаптивный триггер; установите триггерное окно на 15% для аккомодации аритмии.
4. Сердечные фазы, временное разрешение
   1. Регистрация 30 сердечных фаз с временным разрешением = 45 мс и с 13 сегментами k-пространства для покрытия полного цикла.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Основные параметры: Короткая ось: TR/TE = 2,86/1,31 мс, угол поворота = 60°, полоса пропускания = 1000 Гц/пиксель, размер матрицы = 128 × 224, поле зрения (чтение/фаза) = 360/320 мм, толщина среза = 8 мм, 6-12 срезов (непрерывное покрытие короткой оси), контроль дыхания = задержка дыхания (одиночная задержка дыхания = 12-15 с. Четырехкамерный: TR/TE 2,86/1,31 мс, угол поворота 55°, ширина полосы 1000 Гц/пиксель, матрица 128×224, поле зрения (чтение/фаза) 360/320 мм, толщина ломтика 8 мм, 1-3 ломтика, контроль дыхания с задержкой дыхания (однократная задержка дыхания = 10-12 с, те же требования, что и выше).
5. Реализация параллельной визуализации
   1. Включение параллельной визуализации ARC с коэффициентом ускорения 2; Автоматическая калибровка исключает отдельное эталонное сканирование.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Для обеспечения безопасности пациентов данное исследование строго соблюдалось в соответствии с позиционным документом Общества сердечно-сосудистого магнитного резонанса (SCMR) (2020 г.) о клинических показаниях к проведению сердечно-сосудистого магнитного резонанса¹⁵ и выполняло проверку катушки и автокалибровку перед сканированием.

4. Измерение толщины EAT

1. Мультипланарная реконструкция и измерение НСКТ
   1. Импортируйте серию медиастинальных окон 1,0 мм в модуль мультипланарной реконструкции (MPR). Задайте интервал реконструкции в 0,5 мм с помощью алгоритма билинейной интерполяции. Синхронизация обновлений в осевой, сагиттальной и корональной плоскостях.
   2. Выровняйте по длинной оси левого желудочка (ЛЖ). Поверните, чтобы получить ортогональный 4-камерный вид (пересекающаяся 2-камерная плоскость). Создайте перпендикулярный стек по короткой оси (толщина среза: 8 мм, зазор: 0 мм), охватывающий митральное кольцо до вершины.
   3. Измерьте толщину EAT в следующих шести анатомических участках: левая атриовентрикулярная борозда (LAVG), правая атриовентрикулярная борозда (RAVG), передняя межжелудочковая борозда (AIVG), верхняя межжелудочковая борозда (SIVG), нижняя межжелудочковая борозда (IIVG) и свободная стенка правого желудочка (RVFW)¹⁶.
   4. Следуя протоколу RVFW, проведите три последовательных измерения в каждом анатомическом участке. Окончательное зарегистрированное значение для каждого участка должно быть средним значением этих тройных измерений.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Если диапазон трех измерений превышает 1 мм, повторно откалибруйте плоскость изображения и повторите измерения. Общий процесс измерения и пример показаны на рисунке 1.
2. Количественное определение CMR с высоким разрешением cine
   1. Импортируйте сбалансированные стационарные последовательности синусов со свободной прецессией (bSSFP) по короткой и длинной осям и вручную идентифицируйте кадры с конечной диастолой (ED)¹⁰и конечной систолой (ES).
   2. Замораживайте изображения ED и вручную уточняйте границы с точностью ± 1 пиксель.
   3. Установите 12-уровневое покрытие по короткой оси от митрального кольца до верхушки.
   4. Измеряйте толщину в точках: SIVG, IIVG и RVFW, усредняя значения по радиусу ± 60° от центральной оси для минимизации косых ошибок.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Следуя протоколу RVFW, проведите три последовательных измерения в каждом анатомическом участке. Итоговое значение записи для каждого участка должно быть средним значением этих тройных измерений.
   5. Установите ось отсчета от верхушки левого желудочка до середины митрального кольца и выровняйте горизонтальную плоскость длинной оси, чтобы получить стандартизированное четырехкамерное изображение.
   6. Измерьте толщину эпикардиальной жировой ткани в точках LAVG, RAVG и AIVG во время конечной диастолы, рассчитывая среднее значение симметричных измерений ± 45° вдоль атриовентрикулярной борозды, чтобы избежать неортогональных ошибок.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Общий процесс измерения и пример показаны на рисунке 2.

Рисунок 1: Измерение толщины EAT на КТ с использованием мультипланарной реконструкции (MPR). (А) МПР выполняется вдоль плоскости короткой оси левого желудочка; (B) Измерения, полученные в верхней межжелудочковой борозде (SIVG), нижней межжелудочковой борозде (IIVG) и свободной стенке правого желудочка (RVFW), где RVFW представляет собой среднее значение трех точек измерения; (В) МПР повторяется вдоль плоскости короткой оси левого желудочка; (D) Измерения, полученные в левой атриовентрикулярной борозде (LAVG), правой атриовентрикулярной борозде (RAVG) и передней межжелудочковой борозде (AIVG). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 2: Количественное определение толщины EAT по данным магнитного резонанса сердца (CMR). (A) Измерения, полученные в LAVG, RAVG и AIVG на четырехкамерном изображении; (B) Измерения, полученные в SIVG, IIVG и RVFW при просмотре по короткой оси, при этом RVFW сообщается как среднее значение трех точек измерения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

5. Получение объема EAT

1. Алгоритм сегментации порога NCCT в оттенках серого
   1. Импортируйте непрерывные изображения NCCT толщиной 1,0 мм (в формате DICOM) с локальной рабочей станции в программное обеспечение 3D Slicer, перетащив папку с файлами DICOM непосредственно в главное окно 3D Slexer.
   2. Перейдите к модулю «Редактор сегментов». Создайте новую маску сегментации. Выберите инструмент Пороговая сегментация и точно установите пороговый диапазон от -150 до -50 HU¹⁷.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Объемное количественное определение эпикардиальной жировой ткани (ЭАТ) ограничено анатомическими границами, определяемыми бифуркацией легочной артерии вверху и верхушкой левого желудочка внизу^12,18. Выбранный пороговый диапазон от -150 до -50 HU предназначен для оптимальной изоляции ГЭТ путем минимизации частичных объемных эффектов от соседних тканей с несколько более высоким ослаблением, таких как миокард или эпикардиальная жидкость.
   3. Нажмите кнопку «Применить» и нажмите кнопку «Показать 3D », чтобы просмотреть исходный «толстый конверт».
   4. Используйте инструмент «Стереть » для осторожного удаления жировых тканей средостения и грудной стенки, не связанных с эпикардиальным жиром, в нескольких ортогональных проекциях (аксиальной, сагиттальной, корональной).
      ПРИМЕЧАНИЕ: Кальцификаты перикарда (значения КТ значительно выше -50 HU) обычно исключаются начальным порогом. Вручную удалите их из жировой маски, если она включена, из-за эффектов частичного объема. Репрезентативный пример представлен на рисунке 3.
   5. Получите результат объема (в мл) непосредственно из модуля «Статистика сегментов», в котором применяется принцип расчета, эквивалентный интегрированию по методу Монте-Карло. ВЫХОД: Общий объем (мл)
2. Метод CMR
   1. Импортируйте 12-уровневые стеки кино по короткой оси (толщина среза: 8 мм, зазор: 0 мм) в программное обеспечение для анализа изображений.
   2. Вручную обведите эпикардиальный и перикардиальный контуры на каждом срезе в конечной диастолической фазе.
   3. Сгенерируйте окончательную жировую маску.
   4. Примените модифицированное правило Симпсона для вычисления общего объема EAT: Объем EAT = Σ (Площадь EAT × (толщина среза + зазор между срезами)⁾¹⁹. ВЫХОД: Общий объем (мл)
      ПРИМЕЧАНИЕ: Если между слоями имеется зазор в 2 мм, поправки должны быть сделаны в соответствии с фактическим расстоянием.

Рисунок 3: 3D-реконструкция эпикардиальной жировой ткани, полученная с помощью алгоритма сегментации порога оттенков серого. Примечание: Это репрезентативная модель для визуализации, и в качестве схемы она не подходит для масштабирования. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

6. Статистический анализ

1. Собирайте и анализируйте данные с помощью Python.
2. Примените тест Шапиро-Уилка²⁰для нормального состояния; сообщать о ненормально распределенных непрерывных переменных в виде медианы (межквартильного диапазона) [M (P25, P75)] с помощью U-критерия Манна-Уитни²¹для групповых сравнений и выражать нормально распределенные данные в виде среднего значения ± стандартного отклонения (x̄±s), проанализированного с помощью парного t-критерия²².
3. Рассчитайте внутриклассовый коэффициент корреляции (ICC) в рамках двусторонней модели случайных эффектов для абсолютного согласия, обозначив ICC > 0,75 в качестве порога для хорошей согласованности между измерениями NCCT и CMR.
4. Учитывайте статистически значимые различия, когда p-значение меньше 0,05 (p < 0,05).

Results

В таблице 1 представлен сравнительный анализ измерений ЭЖТ между модальностями КТ и МРТ по всем анатомическим участкам. В целом, парный t-критерий не продемонстрировал существенных различий (P > 0,05), что подтверждает эквивалентность обоих методов. Средние различия (МР-КТ) варьировали от -0,10 мм (нижняя межжелудочковая борозда) до +0,29 мм (левая атриовентрикулярная борозда), при этом 95% доверительных интервалов постоянно пересекали ноль. Измерения об...

Discussion

Это открытие демонстрирует, что, в соответствии с предыдущими исследованиями²³, правая атриовентрикулярная борозда (RAVG) демонстрирует самую толстую эпикардиальную жировую ткань (EAT) среди шести измеренных анатомических участков. Это может быть связано с гемодинамическими различиями между правой и левой сердечными системами. Правый желудочек перекачивает кровь в легочный круг кровообращения с низким сопротивлением, в то время как левый желудочек должен преодолев...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
КТ-сканер на 640 срезов	United Imaging	uCT 960+	Установлен объёмный КТ целого органа с изотропным разрешением субмиллиметров, что позволяет бездвигательно визуализировать и характеризуть ткани ультранизкой дозой.
МРТ-сканер 3.0 T	United Imaging	uMR 960+	Современная широкоствольная платформа, обеспечивающая исключительный контраст мягких тканей для количественного кардиологического фенотипирования и многопараметрического анализа состава тела.
3D-слайсер	Сообщество с открытым исходным кодом	https://www.slicer.org/	Бесплатное открытое программное обеспечение для анализа медицинских изображений (сегментация, регистрация, 3D-визуализация). Поддерживается NIH.
PyTorch	Meta Platforms, Inc.	https://pytorch.org/	Открытый фреймворк глубокого обучения с динамическими вычислительными графами, широко используемый для исследований ИИ и развертывания моделей. Поддерживает ускорение GPU.