Clinical Evaluation of a Modified Cardiac Computed Tomography Protocol in Dogs and Cats

Abstract

인의에서는 기존의 침습적 혈관 조영술을 대신하여 다중 슬라이스 심장 컴퓨터 단층 촬영이 비침습적인 심혈관계 평가의 표준이 되고 있다. 수의학에서는 2011년부터 비심전도 동기 또는 심전도 동기 심장 컴퓨터 단층 촬영을 이용한 개 심혈관계 평가가 보고되었으나, 충분한 임상 적용과 연구가 부족한 상황이다. 또한, 고양이에서도 비심전도 동기 혹은 심전도 동기 심장 컴퓨터 단층촬영을 이용한 임상적 적용과 연구가 필요할 수 있다. 이전의 개 연구들은 비심전도 동기 촬영 방법보다 심전도 동기 촬영 방법이 심장 운동에 의한 아티팩트를 최소화할 수 있어 심장 및 관상동맥에 대한 세부적인 영상화에 더욱 효과적이라고 보고해왔다. 하지만 소동물들은 심박수가 빠르고 심박수 감소를 위한 베타 차단제 약물이 효능을 보기 어려울 수 있어 심전도 동기 방법을 수행하기 어려울 수 있다. 따라서 비심전도 동기 및 심전도 동기 다중 슬라이스 심장 컴퓨터 단층촬영 영상의 특징과 차이점, 제한점들을 이해하는 것이 필요하다. 수의학에서 비심전도 동기와 심전도 동기 다중 슬라이스 컴퓨터 단층 촬영의 임상적 유용성을 직접적으로 비교하는 것이 도움이 될 수 있다. 따라서, 본 연구는 비심전도 동기 방법의 임상 적용 가능성과 한계, 그리고 심전도 동기 영상만을 사용하는 장점을 조사하기 위해 실시되었다. 이는 두 가지 방법을 동시에 개와 고양이에게 적용하여 이루어질 수 있다. 이 연구의 궁극적인 목표는 개와 고양이에서 향후 활용할 수 있는 적절한 다중 슬라이스 심장 컴퓨터 단층촬영 프로토콜을 확립하는 것이다. 제1장에서는 6마리의 개 (동맥관 개존증 2마리, 심첨부 종양 2마리, 심막중피종 1마리, 정상 1마리)를 대상으로 160 슬라이스 컴퓨터 단층 촬영 장비를 이용한 비심전도 동기 및 심전도 동기 방법을 동시에 적용하였다. 5초 간격으로 총 5회의 비심전도 동기 촬영 후, bolus tracking 없이 연속적으로 retrospective 심전도 동기 촬영을 실시하였다. 세부적인 관상동맥 영상화에 적절한 비심전도 동기 촬영 시기와 심전도 동기 R-R 구간을 결정하고 선택된 영상에서 주요 관상동맥 가지들에 대한 시각적 평가를 하였다. 시각적 평가는 주관적인 방법으로 4단계로 등급을 결정하였다. 또한, 좌측 관상동맥 분지 패턴을 평가하였으며 심장 또는 심막 종양이 있는 개에서는 비심전도 동기 및 심전도 동기 영상에서 병변의 크기와 경계면 등 형태학적 평가를 비교하였다. 최적의 관상동맥 영상화를 보이는 비심전도 동기 촬영 시기와 심전도 동기 R-R 구간은 각각 두번째 촬영 시기와 심실 이완기 말기 (R-R 구간의 70-90%)로 확인되었다. 비심전도 동기 영상은 관상동맥에 대한 시각적 평가에서 5 kg 이하 개들의 septal 가지를 제외한 모든 주요 관상동맥 가지에서 높은 등급의 시각적 평가를 보였으며 심전도 동기 영상과 유의적인 차이를 보이지 않았다. 병변의 형태학적 평가에서는 두 마리 개에서 작은 크기의 심장 및 심막 병변들이 비심전도 동기 영상에 비해 심전도 동기 영상에서 명확하게 확인되었다. 본 연구는 비심전도 동기 다중 슬라이스 심장 컴퓨터 단층촬영 방법이 개의 주요 관상동맥을 평가할 수 있는 능력을 보여준다. 그러나, 심장이나 심막의 작은 병변을 식별하는 데는 비심전도 동기 방법보다 심전도 동기 방법을 선호해야 함을 시사한다. 제2장에서는 제1장과 동일한 심장 컴퓨터 단층 촬영 방법을 적용하여 고양이 관상동맥을 평가하고자 실시되었다. 스캔 타이밍에 따른 5회 연속 비심전도 동기 심장 컴퓨터 단층촬영 영상들의 특징들이 묘사되었다. 총 6마리 (정상 5마리, 비대성 심근증 1마리) 고양이가 연구에 포함되었다. 적절한 관상동맥 영상화를 보이는 비심전도 동기 촬영 시기와 심전도 동기 R-R 구간을 선택하였으며 선택된 영상에서 주요 관상동맥 가지들에 대한 시각적 평가를 하였다. 시각적 평가는 제1장과 동일한 방법으로 4단계로 등급을 결정하였다. 또한, 관상동맥 우세성과 좌측 관상동맥 분지 유형을 평가하였으며 각 관상동맥 가지들의 직경과 길이를 체중, 성별, 심장 VHS와 상관관계를 평가하였다. 비심전도 동기 방법에서 첫 번째 촬영 영상은 모든 고양이의 전대정맥, 우심실 배출로, 폐동맥의 명확한 영상화를 보여주었다. 그러나, 좌측 심장과 관상동맥 영상화에는 어려움이 있었다. 두 번째 촬영 영상은 좌측 심장과 관상동맥의 영상화에 가장 적합한 것으로 확인되었으나, 심한 움직임 아티팩트로 관상 동맥 ostium과 근위 가지에 대한 영상화만 가능하였다. 세 번째 촬영 영상에서 좌측 심장과 관상동맥의 영상화 정도는 두 번째 촬영보다 낮았다. 네 번째와 다섯 번째 촬영 영상은 조영제의 배출로 평가할 수 없었다. 반면, 심전도 동기 영상에서는 관상동맥의 시각화가 양호 혹은 우수하였고, 이완기 말기에 상세한 주행 양상을 보였다. 이러한 영상들은 모든 고양이에서 비심전도 동기 촬영 영상보다 유의하게 우수한 결과를 보였다. 추가적으로, 다양한 패턴의 관상동맥 우세성과 좌측 관상동맥 분지 유형을 확인할 수 있었다. 관상동맥 길이와 직경은 체중 및 성별과는 유의적인 상관관계를 보이지 않았으나, 심장 VHS는 우측 관상동맥 길이와 양의 상관관계를, 좌측 주 관상동맥 길이와 음의 상관관계를 보였다. 결론적으로, 본 연구의 새로운 (변형된) 심장 컴퓨터 단층촬영 프로토콜은 모든 고양이에서 성공적으로 수행되었다. 이 촬영 방법은 전대정맥, 우심실 배출로, 폐동맥과 더불어 좌측 심장과 관상동맥에 대한 동시 평가에 유익할 수 있다고 판단된다. 이 변형된 방법은 양측 심장에 대한 종합적 평가를 통해 폐동맥 협착증이나 좌측 영속성 전대정맥과 같은 선천성 심혈관 이상을 가진 환자들의 평가에 도움이 될 수 있을 것이다. 제3장에서는 심장 주기 동안 폐정맥 ostium의 직경 변화를 확인하고, 새로운 (변형된) 심장 컴퓨터 단층촬영 프로토콜로 구현된 심전도 동기 영상의 장점을 평가하기 위해 설계되었습니다. 심전도 동기 영상으로 고양이 폐정맥 ostium 수와 배출 패턴, 심장 주기에 따른 고양이 폐정맥 ostium의 직경 변화 확인과 심장 및 좌심방 크기와 폐정맥 ostium 직경과의 상관관계를 알아보기 위해 제 2장에서의 심전도 동기 영상을 후향적으로 분석하였다. 폐정맥 ostium은 right cranial ostium, left cranial ostium, caudodorsal ostium 등 총 3개의 ostium이 두 가지 패턴으로 좌심방으로 유출되는 것이 확인되었으며, 심장 주기에 따라 모든 폐정맥 ostium의 직경 변화가 확인되었다. 각 폐정맥 ostium의 최대 직경은 심실 수축기 말기에, 최소 직경은 심실 이완기 말기에 확인되었다. 통계 분석에서도 심실 수축기 말기와 이완기 말기 사이에 폐정맥 ostium의 유의적인 직경 차이가 있음을 확인하였다 (p<0.05). 심장 및 좌심방 크기와 3개의 폐정맥 ostium 직경 사이에서 유의적인 상관관계는 확인되지 않았다 (p>0.05). 제3장 연구를 통해 심장 주기 따른 고양이 폐정맥 ostium 직경 변화를 포함한 세부적인 폐정맥 해부학 정보를 제공하는 데 있어 심전도 동기 심장 컴퓨터 단층 촬영 영상의 유용성을 확인할 수 있었다. 이번 연구는 향후 고양이 폐정맥 ostium과 다양한 패턴의 폐수종 및 심방 세동 발병에 미치는 영향에 대한 지속적인 연구 방향성에 대한 가능성을 제공해 준다. 또한, 향후 수의 임상에서도 폐정맥 평가를 통한 radiofrequency ablation 등의 중재적 시술에 대한 임상 적용 가능성도 높여 줄 수 있을 것으로 생각된다. 이번 연구는 새로운 (변형된) 심장 컴퓨터 단층촬영 프로토콜로 얻어진 심전도 동기 영상만을 활용하는 이점을 보여주며, 심장 주기에 따른 폐정맥 ostium 변화에 대한 증거를 제공한다. 결론적으로, 이번 새로운 (변형된) 심장 컴퓨터 단층촬영 방법인 비심전도 동기 촬영 후 bolus tracking 없이 심전도 동기 촬영하는 방법은 개와 고양이에서 성공적으로 수행되었으며, 방사선 노출과 마취 시간을 줄일 수 있는 잠재적인 장점을 보여준다. 비심전도 동기 다중 슬라이스 심장 컴퓨터 단층촬영 방법은 개의 주요 관상동맥을 평가하는 임상적 유용성을 보여준다. 또한, 전대정맥, 우심실 배출로, 폐동맥의 영상화를 혼합함으로써 폐동맥 협착증이나 좌측 영속성 전대정맥과 같은 선천성 심혈관 질환을 가진 환자들의 양측 심장 평가에 도움을 줄 수 있다. 추가적으로, 심전도 동기 촬영 방법은 심장이나 심막의 작은 병변 확인과 고양이의 관상동맥 평가 및 심장 주기 동안 폐정맥 ostium의 변화를 평가하는 데 장점을 제공해줄 수 있다. 전반적으로, 이번 새로운 (변형된) 심장 컴퓨터 단층촬영 프로토콜은 수의학 분야에서 임상 적용을 위한 신뢰성 있고 실용적인 도구로서의 가능성을 갖고 있으며, 개와 고양이의 다양한 심혈관 질환의 평가와 관리에 도움을 줄 수 있다.

As an alternative to invasive conventional angiography, multi-slice cardiac computed tomography (CT) has become the gold standard for non-invasive cardiovascular evaluation in human medicine. In veterinary medicine, several canine studies have reported the cardiovascular evaluation using non-electrocardiography (ECG)-gated or ECG-gated cardiac CT since 2011, but clinical applications and research are insufficient to date. Furthermore, non-ECG-gated or ECG-gated cardiac CT studies may be needed in feline medicine. Previous canine studies have indicated that ECG-gated CT methods are more effective in detailed imaging on the heart and coronary arteries (CAs) than non-ECG-gated CT methods due to minimizing cardiac motion artifacts. However, as small animals may have a fast heart rate and beta-blockers may exhibit limited efficacy in reducing heart rates, it may be difficult to perform ECG-gating methods. Therefore, it is necessary to understand the characteristics, differences, and limitations of non-ECG-gated and ECG-gated multi-slice cardiac CT, respectively. It may also be helpful to directly compare the clinical usefulness of non-ECG-gated and ECG-gated multi-slice cardiac CT in veterinary medicine. Therefore, the present study aims to investigate the clinical applicability and limitations of the non-ECG-gated method, as well as the advantages of using exclusively ECG-gated images. This will be done by simultaneously applying both methods to dogs and cats. The ultimate goal of this study is to establish an appropriate high-slice cardiac CT scan protocol for dogs and cats, which can be utilized in the future. In Chapter 1, non-ECG-gated and ECG-gated methods using 160-slice CT equipment were applied simultaneously to six dogs (two patent ductus arteriosus, two heart base tumors, one pericardial mesothelioma, and one normal). A total of five sequential non-ECG-gated scans were performed at 5 s intervals, followed by retrospective ECG-gated scan without bolus tracking. Images were reviewed to determine the optimal scan timing in non-ECG-gated images and R-R interval in ECG-gated images for detailed CA imaging, respectively, and the visual assessment of main CA branches was performed in the selected images. In addition, the left CA branching patterns in six dogs were classified, and morphological evaluations such as the size and margination of the lesions were compared in non-ECG-gated and ECG-gated CT images in dogs with heart or pericardial tumors. The scan timing of non-ECG-gated and the R-R interval of ECG-gated images showing optimal CA visualization were identified as the second-scan timing and the end-diastole (R-R interval 70-90%), respectively. Non-ECG-gated, second-scan images showed high-grade in all main CA branches except the septal branch of dogs under 5 kg in visual CA assessment, and showed no significant difference from ECG-gated images. In morphological evaluation of the lesions, small-sized heart or pericardial lesions in two dogs were clearly identified in ECG-gated images compared to non-ECG-gated images. This study demonstrates that non-ECG-gated high-slice CT method is capable of evaluating the main CAs in dogs. However, it also suggests that ECG-gated CT method should be preferred over non-ECG-gated method for identifying small-sized lesions in the heart or pericardium. In Chapter 2, the same cardiac CT scan method as in Chapter 1 was used to evaluate the feline CAs. A total of six cats (five normal, one hypertrophic cardiomyopathy phenotype) were included in the study. The characteristics of five sequential non-ECG-gated CT images were described according to scan timing. The optimal scan timing in non-ECG-gated images and R-R interval in ECG-gated images for detailed CA imaging were selected, and the visual assessment of main CA branches was performed in the selected image. In addition, coronary dominance and the left CA branching types were classified, and the correlation between the diameter / length of each CA branch and body weight, sex, and vertebral heart scores (VHS) were evaluated as well. In non-ECG-gated method, the first-scan images exhibited good opacification of the cranial vena cava (CrVC), right ventricular outflow tract (RVOT), and pulmonary arteries in all cats. However, imaging of the left heart and CAs proved to be difficult. The second-scan images were found to be the most suitable for opacifying the left heart and CAs, although they only allowed imaging of the coronary ostium and proximal branches due to severe motion artifacts. The opacification of the left heart and CAs in the third-scan images was lower compared to the second-scan images. The fourth and fifth-scan images could not be evaluated due to contrast medium washout. On the other hand, in ECG-gated CT images, the visualization of CAs was rated as good to excellent, with a detailed course at the end-diastole. These images were significantly superior to the non-ECG-gated images in all cats. Additionally, variable patterns of coronary dominance and left CA branching types could be identified. The length and diameter of CAs showed no significant correlation with body weight and sex, but VHS showed a positive correlation with right CA length and negative correlation with left main CA. In conclusion, the new (modified) cardiac CT scan protocol in this study was successfully performed in all cats. It is believed that this scanning method may be beneficial for the simultaneous evaluation of the CrVC, RVOT, and pulmonary arteries, as well as the left heart and CAs. This may aid in the assessment of patients with congenital cardiovascular anomalies such as pulmonic stenosis (PS) or left persistent cranial vena cava (CrVC), enabling a comprehensive evaluation of both sides of the heart. In Chapter 3, it was designed to identify variations in the diameter of the pulmonary vein (PV) ostium throughout the cardiac cycle and assess the benefits of utilizing ECG-gated CT images obtained with a new (modified) cardiac CT scan protocol. The ECG-gated CT images in Chapter 2 were reviewed retrospectively to investigate the number of PV ostium, PV drainage patterns, the diametric variations of PV ostium according to the cardiac cycle, and the correlation between the size of heart / left atrium (LA) and PV ostial diameter. In all cats, 3 PV ostia, including right cranial ostium, left cranial ostium, and caudodorsal ostium, were identified, showing 2 drainage patterns into LA and the diametric variations of PV ostium according to the cardiac cycle. The maximal diameter of each PV ostium was identified at the end-systole and the minimal diameter at the end-diastole. Statistical analysis also confirmed that there was a significant difference in PV ostial diameter between the end-systole and end-diastole (p<0.05). No significant correlation was found between the size of heart / LA and 3 PV ostial diameter (p>0.05). This study showed that the ECG-gated cardiac CT images are useful for providing detailed PV anatomy, including the diametric variations of the feline PV ostium according to the cardiac cycle. In addition, the present study may provide the potential research on the effects of PV ostium on variable patterns of feline pulmonary edema and atrial fibrillation, and may increase the possibility of clinical application to interventional procedures such as radiofrequency ablation in veterinary clinics in future. This study demonstrates the benefits of exclusively utilizing ECG-gated images with the new (modified) cardiac CT scan protocol, providing evidence of PV ostial changes according to the cardiac cycle. In conclusion, this new (modified) cardiac CT scan method, non-ECG-gated scan followed by subsequent ECG-gated scan without bolus tracking, allowed successful cardiac scanning in dogs and cats, showing potential benefits of reducing radiation exposure and anesthesia time. The non-ECG-gated high-slice cardiac CT scan method shows clinical utility by allowing evaluation of the main CAs in dogs. It can also be combined with imaging of the CrVC, RVOT, and pulmonary arteries, aiding in the assessment of both sides of the heart in patients with congenital cardiovascular diseases such as PS or left persistent CrVC. Additionally, the ECG-gated scan method offers advantages in identifying small-sized lesions in the heart or pericardium, as well as evaluating feline CAs and changes in the PV ostium throughout the cardiac cycle. Overall, the new (modified) cardiac CT scan protocol holds promise as a reliable and practical tool for clinical application in veterinary medicine, supporting the assessment and management of various cardiovascular conditions in dogs and cats.