Introduction
심장 질환에는 두 가지가 있다. 첫 번째는 90% 이상의 환자들이 걸리는 atherosclerotic disease of coronary arteries (관상동맥의 죽상경화증)이다. Atherosclerotic disease는 20세부터 발병하곤 하지만 30세 이후나 그보다 한참 이후에 증상이 나타난다. 당뇨와 비만의 유병률의 증가는 이 질환을 악화시킨다. 주요한 원인인 atherosclerotic plaque는 미국에서 1년에 80만건 이상의 심근경색 (myocardial infarction)을 일을킨다.
다른 심장질환은 그 원인이 비허혈성(nonischemic)이다. 이는 심근 자체를 involve한다. 이러한 비정상 소견들은 수축 부전(myocardial muscular dystrophies)이나 침범성 질환 (fibrosis, amyloidosis), 부정맥과 같은 다른 소견들이다. 최악의 경우에는, 이러한 조건들은 심부전이나 치명적인 부정맥을 야기할 수 있다.
비침습적 영상 (echocardiography, MRI, CT, nuclear imaging) 기법들은 이러한 허혈성, 비허혈성 심장질환을 정의하는데 아주 정확하다. Ischemic heart disease에 대해서 지난 수십년간의 도약은 CT에서 관상동맥을 routine하게 볼 수 있게 해주었다. 비허혈성 심장질환에서, 지난 20년간 점진적으로 발전한 진단 기법들은 MRI를 포함한다. 따라서 관상동맥에 대한 전통적인 핵의학적 접근은 사라지는 추세이다 - 특수한 경우에 대한 분자 이미징 기법들은 남아있지만 말이다. 본 요약본에서 저자들은 심혈관 영상의학에 있어서 가장 의미있는 10개의 발전들을 개괄적으로 소개하고 AI가 거의 모든 예시에서 등장함을 소개한다.
Coronay CT Angiography는 완전히 자동화 될 것이다.
빠르고 세밀한 segmentation 알고리즘들은 AI-enabled software를 통해 coronary artery stenosis를 진단하는데 큰 도움을 줄 것이다. Pressure gradient (fractional flow reserve) 를 추정하는 기술은 현재로서는 어렵지만, 미래에는 즉각적이고 routine한 coronary flow and pressure estimate를 가능케 할 것으로 기대한다. 기술자들은 coronary examination 전체 검사를 단순히 drag and drop하기만 하면 결과를 얻을 수 있을 것이다. 현재 2-24시간이 걸리는 flow analysis가 1-2분 안에 분석될 것이기 때문에 cloud based 분석조차도 local하게 느껴질 것이고 모든 coronary의 stenoses는 빠르게 display되어 의료진의 판단 및 치료 방향 결정에 도움을 줄 것이다.
Coronary CT의 주요 사용 목적은 Cardiology의 예방적 목적이 될 것이다.
Atherosclerotic plaque는 coronary CT의 주요한 진단적 target이다. 오늘날 plaque의 치료는 주로 HMG-CoA (i.e. 3-hydroxy-3-methylglutaryl coenzyme A) reductase inhibitor, 즉 statin에 기반한다. 이들은 콜레스테롤 합성을 저해하고 따라서 atherosclerotic plaque의 형성을 예방한다. 하지만, 콜레스테롤 감소 치료법이 가능해짐에 따라 ezetimibe나 PSCK9 monoclonal antibody와 같은 약물 사용이 늘어나고 있다.
스타틴은 40년 전에 개발되었다. 20년 전 즈음에 이들은 20%-30%정도 주요 심혈관 질환 발병률을 낮추는 것이 알려졌지만 최근의 임상 시험들은 혈관내 초음파를 통해 스타틴이 현재 사용되는 방식은 단순히 발병 속도를 낮출 뿐이라는 것이 알려졌다. 많은 환자들에게서 plaque는 스타틴 치료법에도 불구하고 자라나고 있다. 정상적인 콜레스테롤 수치를 200mg/dL라고 간주하더라도 콜레스테롤에 의한 plaque의 reversal은 70mg/dL 이하에서 나타난다.
인류의 현재 statin 전략은 승자와 패자를 나눈다: 승자는 atherosclerotic disease로 죽기 전에 다른 질환으로 죽는 사람들이고, 패자들은 coronary artery disease로 치료받더라도 60, 70, 80대에 관상동맥질환으로 사망해버린다. 향후 10년 뒤에는, coronary CT angiogrpahy는 total coronary plaque를 routine하게 측정함으로 치료 성공률을 높일 것이다. 따라서 coronary CT angiography가 plque volume과 성분 (soft plauqe, calcified plaque)을 측정해주기 때문에 최종적인 목표는 atherosclerotic plaque의 점진적인 양의 감소를 기대할 것이다. 미래의 plaque 치료에 대한 임상시험들은 줄어든 atherosclerotic disease가 또한 심근 기능을 보존함을 보이려는 시도를 할 것이다.
Photon-counting CT는 coronary artery evaluation을 포함한 모든 것에 있어서 conventional CT를 대체할 것이다.
지난 10년간 64 detector을 가진 mutisection CT scanner이 관상동맥 CT 조영술을 하는데 있어서 최소한의 요구사항이 되었다. 256이나 320개의 detector section을 가진 CT는 단 한 번의 heartbeat를 촬영할 수 있기 때문에 motion artifact를 더 줄여줄 수 있다. 하지만 이러한 발전에도 불구하고 공간적 resolution (0.5-0.6 mm)는 지난 15년간 줄어들지 않았다. Lumen size가 2-3mm이하인 관상동맥의 경우에는 현재 공간적 해상도로는 부족하고 더 세밀한 resolution이 필요하다.
저해상도 CT는 더 많은 radiation dose를 요구한다는데 있어서 문제점이 있다. 이 대안은 photon-counting CT가 될 수 있다. Photon-counting CT는 거의 두 배 좋은 해상도를 자랑한다 (약 0.25mm). 이는 더 정확하고 재현 가능한 plaque volume의 분석을 가능케 한다. Photon-counting detector들은 이론적으로 그 두 배 (0.12mm) 까지 해상도를 올릴 수 있지만 제조사들은 이 해상도에서는 조금 더 세밀한 기술적 접근을 해야 한다.
Dual-source CT와 합쳐져서 미래에는 시간적 해상도 (25-50 ms)와 공간적 해상도 (0.2mm 이하)를 더 정밀하게 standard CT protocol로 정립할 수 있을 것이다. 이러한 발전들은 major, minor epicardial cartery를 자동으로 segmentation 해 줄 것이고 plaque volume을 자동으로 정량화하는 기술을 routine하게 만들어 줄 것이다. 전통적인 CT에서는 고해상도는 더 많은 방사선량을 필요로 하는데 PCCT의 경우에는 이를 일부 해결할 수 있을 것이다.
Photon-Counting CT는 Plaque Characterization과 Quantification을 Routine하게 측정하게 할 것이다.
현재로서, coronary calcium은 hard plaque로 분류된다; 다른 plaque component는 soft plaque로 간주된다. 이 매우 단순한 이분법은 현재 사용하는 정성적인 napkin ring sign이나 spotty calcification sign과 같은 묘사를 가져다주었다. PCCT는 hard plaque의 이런 정성적 평가를 완화할 것이고 plaque component를 더 정확히 측정해 줄 것이다. AI 기법들은 이미지 reconstruction을 더 발전시킬 것이고 noise와 cardiac motion의 효과를 경감시킬 것이다.
Next-Generation Cardiac CT Will Become More Like MRI
Coronary artery evaluation을 위한 CT의 우수성은 이미 많이 알려져있다. 하지만 cardiac CT는 MRI에 비해서 myocardial disease의 모든 형태에서 고전을 면치 못한다. Nonischemic cardiomyopathy가 있는 환자들에서, infitrative, functional, genetic abnormality는 비정상적인 muscle contraction을 유발할 뿐 아니라 muscle composition도 바꾼다. 현재로서, CT는 이러한 측면에서 MRI보다 열등하다. CT에 요오드를 사용하는 것보다 10배 정도 농도가 낮은 gadolimum 조영제를 주입한 MRI에서 MRI soft tissue contrast는 CT보다 10배 정도 높다.
Contrast enhanced cardiac MRI의 주요 적용은 late gadolinium enhancement이고, 이를 통해 myocardial scar를 밝혀낼 수 있다. CT는 어떻게 이 응용을 헤쳐나갈 수 있을까? AI reconstruction 방법론들이 PCCT에 적용되면 MRI의 대체가 가능할지도 모른다. 국소적인 상처를 넘어 전역적인 심근 섬유화는 multiple end-stage cardiomyopathy와 연관이 있다; 전역적인 심근 섬유화는 결국 심부전을 야기한다. CT는 이러한 조건 하에서 MRI만큼이나 정확해질 것이다. 4D 시네마틱 이미의 획득은 시간적 해상도가 1mSv dose에서 25ms정도로 가능해질 것이다. 이러한 접근을 통해서 CT는 MRI만큼이나 정확한 진단적 도구가 될 것인데 이 과정은 2-3초 밖에 걸리지 않을 것이다. MRI 검사에 45분이 걸리는 것에 비해서!
Next-Generation Cardiac MRI Will Becom More Like CT
CT는 MRI와는 다르게 발전에 있어서 점프가 일어난다(이는 하드웨어 발명과 같은 이유 때문이다.).
그럼에도 불구하고 MRI도 점프가 일어나는 발전이 있을 수 있다. 오늘날 전형적인 심장 MRI는 45분 정도가 걸린다. 이미지들은 한 번에 2차원 section으로 획득된다. 45분 짜리 session에 있어서 5~10개의 다른 pulse sequence들이 획득되고 다른 목적으로 사용된다. 이 때 한 환자당 호흡을 참는 횟수는 30회 이상인데, 이로인해 환자는 지치는 경우들이 많다. 딱 두 번의 hearbeat로 촬영되는 4D Cardiac CT에 비교해서 긴 MRI scanning session은 매우 비효율적이다.
다음 세대의 심장 MRI는 자유로운 호흡 아래에서 5분 이하로 촬영될 것이다. 심전도는 이 때 wireless한 기술로 필요하다. 심장 영상을 다루는 의사들은 세 가지 결정을 만들어야 한다: 가돌리늄 조영제가 필요한가? 만약 필요치 않다면, post-가돌리늄 유사 MRI scan이 합성될 것이다. 두 번째 질문은 4D 시네마틱 영상이 필요한가? Flow imaging은 extra- and intracardiac shunt와 pressure gradient를 보는데 있어서 필수적이다. 두 경우 모두에 대해서 기술자는 push button을 통해 시퀀스를 돌릴 것이다: AI-driven pulse sequence optimization은 랜드마크와 이미지의 패턴을 적절하게 밝혀낼 것이다. Technologist의 역할은 바뀌어서 검사 동안의 환자 안전과 환자 편안함에 첫 번째 초점을 맞추게 될 것이다. MRI 검사실도 마찬가지이다.
그리고 세 번째 결정은: Coronay artery만을 위한 영상 검사를 해야 하는가? 이다. Cardiac MRI for coronary artery에 대한 기술적 발전은 더딘 편이다. Next generation MRI 연구자들은 coronary artery image를 0.2mm 공간적 해상도와 multispctral cinematic image로 구성할 수 있는가? 관상동맥 내부의 flow dynamics가 CT에 비해서 더 우월하다는 것을 입증할 수 있는가?
Multimodality Imaging Has Untapped Potential
2040년 경에는 심부전이 대유행일 것이라는 것은 예측 가능하다: 심부전을 가지고 있는 환자의 절반 정도는 ejection fraction (분출률)이 보존될 것이다. 이 환자들의 대부분에서 특별히 진단이 내려지지는 않는다. End-stage에 놓인 심장은 콜라겐 분해, 세포외공간의 확장, 그리고 수축력 감소의 결과이다. 이들 모두는 nonspecific한 특성들이다. 분자 영상의 발전은 초기 진단과 더 특별한 치료를 지시하는데 있어서 거대한 잠재력을 가지고 있다.
CT와 함께 PET을 찍는 것은 종양학을 통째로 변화시켜 놓았다. 대조적으로 PET과 MRI의 융합은 크게 필요하지 않았다. 불행히도 심장에 있어서 심장 특화된 tracer들은 거의 없고 이로부터 PET/MRI들의 융합을 필요로 한다. 하지만 CT와 유사하게 분자 영상의학은 점프가 일어나며 발전한다. 심장 영상의학의 장점 중 하나는 심장의 다양한 분자 marker들이 밝혀졌다는 것이고 이로부터 PET과 결합하여 분자 이미징 바이오마커들이 심장 질환 진단에 있어 아주 중요한 역할을 할 잠재성이 있어 보인다. Molecular marker에 대한 계속된 강조는 우리가 진단 알고리즘을 아예 새로 짜야 할 수도 있다는 것을 말한다.
심장의 Metabolic Imaging이 확대될 것이다
앞서 언급했듯 대부분의 심부전 환자들은 그 원인을 모른다. 질환의 기원을 이해하는 것이 부족하기 때문에 미국에서만 지난 50년간 6백만명의 사람들이 치료를 받지 못했다. 매우 최근에 sodium-glucose cotransporter 2, 즉 SGLT2 억제제가 심부전이 있는 성인에게 적용 가능하게 승인되었다. 이러한 발전은 매우 고무적이지만 당뇨병 환자들을 치료하다가 알게 된 행운의 우연이다.
심장의 metabolic 경로는 복잡하지만 상대적으로 잘 알려져있다. Xenon 129 hyperpolarized MRI가 최근에 승인되었기 때문에 이로부터 다른 심장 application을 생각해볼 수 있는 기회도 마련되었다. 이러한 방향으로 계속 연구를 해나가면 지료 및 진단적 영역에서 점프가 일어날 수도 있을 것이다.
심장의 Phase-Contrast CT가 개발될 것이다
전통적으로 X선 기반의 이미징 모달리티들은 대조비를 얻기 위해 x선의 흡수율을 측정하고는 했다. 이와는 반대로 phase-contrast x-ray는 x-ray 광자의 파동적 특성을 사용해서 x-ray의 soft-tissue contrast를 훨씬 잘 나타낼 수 있다. 이는 MRI의 그것과 견줄만하다. Phase-contrast x-ray 기술들이 수십년간 알려져왔지만 이의 임상적 적용은 너무나도 어려ㅜ었다. 최근에 phase-contrast approach를 흉부 X선에 대해 수행한 연구가 있다. 폐의 너무나도 놀라운 soft-tissue contrast를 얻을 수 있었고 이는 multiple air-tissue interface까지 관찰 가능했다.
이 접근법의 잠재성은 MRI-like soft-tissue contrast를 calcium 검출까지 포함하여 획득하는데 있다. 아직 수많은 허들이 남아있지만 (보통은 radiation dose 때문에) 다른 영상의학 영역에의 적용은 가능할 것으로 내비춰진다. 여전히 이 영역에서의 불가능한 기술적 발전으로 보이는 것은 의학 전체에 대한 도전으로 남아있다.