Using PET to determine the ath-erosclerotic burden in the cardio-vascular system

Introduktion: Iskæmisk hjertesygdom og slagtilfælde er nummer et og to på listen over de mest almindelige dødsårsager på verdensplan. Årsagen er typisk åreforkalkning, som kan forblive asymptomatisk i årevis og som regel diagnosticeres sent i forløbet på grund af en komplikation eller under et helbredstjek vha. traditionel billeddiagnostik, herunder ultralyd med Doppler, computertomografi (CT) eller magnetisk resonans, metoder, som også kan afsløre, om der er en stenose. Nylige rapporter tyder på, at meget tidlige ændringer i arterievæggen kan påvises og måles med positronemissionstomografi (PET) med sporstofferne 18F-fluordeoxyglucose (FDG) eller 18F-natriumfluorid (NaF). I dette ph.d.-projekt ønskede vi i første omgang at studere åreforkalkning i karotiderne vha. PET, men snart ændrede vi fokus til også at omfatte hjertet og aorta samt brugen af kunstig intelligens (artificial intelligence (AI)) til at segmentere de pågældende strukturer for at belyse, om dette kunne gøre segmentering og kvantificering hurtigere og mere pålidelig. På denne måde endte projektet med at omfatte fire undersøgelser publiceret i fire artikler. Artikel I var en systematisk gennemgang af PET studier af karotissklerose, herunder deren klinisk anvendelighed og relation til konventionel billeddiagnostik. Artikel II var en undersøgelse af 2-års ændringer i NaF-optagelsen i hjertet og aorta hos raske individer og anginapatienter ved brug af konventionel manuel segmentering. Artikel III var et forsøg på at etablere og teste en automatiseret AI-baseret metode til hurtig segmentering af NaF-PET/CT optagelser af hjertet, mens artikel IV var et forsøg på at gøre det samme i aorta.

Metoder: I det systematiske review ledte vi efter forskningsartikler om PET-scanninger af karotiderne med forskellige sporstoffer i forskellige databaser. Duplikater, lederartikler, samt artikler om teknisk funktionsduelighed og reproducerbarhedsartikler blev fjernet. Det samme gjald artikler om patienter i terminalfasen eller i immunosuppressiv behandling. De mulige artikler blev vurderet af én bedømmer. I kohortestudiet blev 29 raske individer og 20 patienter med angina pectoris undersøgt med NaF-PET/CT to gange med to års mellemrum. Aortabuen, aorta thoracalis og abdominalis samt karotiderne blev manuelt segmenteret. Optagelsen af NaF blev angivet som den gennemsnitlige, maximale og total standardiserede aktiviteter med og uden partial volume korrektion (SUVmax, SUVmean, SUVtotal og cSUVmean, cSUVtotal). Efterfølgende blev et konvolutionelt neuralt netværk (CNN) udviklet til at identificere og segmentere hjertet i sin helhed og aorta i tre dele. CNN-modellen blev trænet vha. NaF-PET/CT-scanninger fra andre patienter og testet i de samme 49 personer som nævnt ovenfor ved sammenligning med data opnået ved manuel segmentering. Bland-Altman grænser for overensstemmelse blev brugt til at vurdere sammenligningerne. Reproducerbarheden af den manuelle metode undersøgt ved fornyet segmentering af 25 tilfældigt udvalgte scanninger.

Resultater: I det systematiske review blev det vist, at patienter med symptomatisk karotissklerose har højere FDG optagelse end patienter med asymptomatisk karotissklerose. Histologisk vurderet var der en stærk sammenhæng mellem mikroforkalkning og NaF-optagelsen hos symptomatiske patienter, men forkalkning var inverst korreleret til optagelsen af FDG. I det manuelle kohortestudie var NaF-optagelsen ubetydeligt højere i angina-gruppen på begge tidspunkter, med mindre optagelse i den raske gruppe og lidt højere optagelse i angina-gruppen efter to år. NaF-optagelsen ved baseline kunne ikke forudsige en ændring i CT-forkalkning efter 2 år. NaF-optagelsen var positivt korreleret til alder i alle dele af aorta. Der var ingen ændring i arteriel CT-densitet efter 2 års opfølgning. I den sidste del af projektet var CNN-baserede målinger i hjertet 0-4 % højere end med den manuelle metode og 0-17 % lavere i aorta. Men SUV-middelværdierne opnået med de to metoder var både i hjertet og i aorta næsten identiske. Den CNN-baserede segmenteringsmetode var meget hurtigere end den manuelle metode. Der var ved gentagen manuel segmentering i henholdsvis hjertet og aorta en maksimal variation på hhv. 0,5 % og 6 % mod 100 % overensstemmelse med CNN-metoden.

Konklusion: PET-billeddannelse er en nyligt introduceret modalitet til vurdering af åreforkalkning, som er en langsom og variabel proces hos både raske personer og patienter med angina pectoris, dog med en tendens til lidt højere NaF-optagelse hos anginapatienter. Den AI-baserede fremgangsmåde leverer gennemsnitlige værdier for NaF-optagelsen som svare nøje til de manuelt opnåede. Desuden er AI-baserede teknik observatøruafhængig, meget reproducerbare og meget hurtige end manuel segmentering, der er omstændelig og langsom. Med yderligere træning er det sandsynligt at den AI-baserede metode bliver standarden ved vurdering af patienter med formodet eller kendt åreforkalkning.