Grating-based X-ray phase-contrast tomography of atherosclerotic plaque at high photon energies

BackgroundTissue characterization of atherosclerosis by absorption-based imaging methods is limited due to low soft-tissue contrast. Grating-based phase-contrast computed tomography (PC-CT) may become an alternative for plaque assessment if the phase signal can be retrieved at clinically applicable photon energies. The aims of this feasibility study were (i) to characterize arterial vessels at low and high photon energies, (ii) to extract qualitative features and (iii) quantitative phase-contrast Hounsfield units (HU-phase) of plaque components at 53 keV using histopathology as gold standard.Materials and methodsFive human carotid artery specimens underwent grating-based PC-CT using synchrotron radiation of either 23 keV or 53 keV and histological work-up. Specimens without advanced atherosclerosis were used to extract signal criteria of vessel layers. Diseased specimens were screened for important plaque components including fibrous tissue (FT), lipid (LIP), necrotic core (NEC), intraplaque hemorrhage (IPH), inflammatory cell infiltration (INF) and calcifications (CA). Qualitative features as well as quantitative HU-phase were analyzed.ResultsThirty-three regions in 6 corresponding PC-CT scans and histology sections were identified. Healthy samples had the same signal characteristics at 23 keV and 53 keV with bright tunica intima and adventitia and dark media. Plaque components showed differences in signal intensity and texture at 53 keV. Quantitative analysis demonstrated the highest HU-phase of soft plaque in dense FT. Less organized LIP, NEC and INF were associated with lower HU-phase values. The highest HU-phase were measured in CA.ConclusionPC-CT of atherosclerosis is feasible at high, clinically relevant photon energies and provides detailed information about plaque structure including features of high risk vulnerable plaques.

ZusammenfassungHintergrundDie Gewebecharakterisierung atherosklerotischer Plaques mittels absorptionsbasierter Röntgenverfahren ist aufgrund des geringen Weichteilkontrasts nur eingeschränkt möglich. Eine vielversprechende Alternative ist die röntgenbasierte Phasenkontrast-Computertomographie (PC-CT), sofern das Phasensignal auch bei klinisch anwendbaren Photonenenergien ausgewertet werden kann. Die Ziele der vorliegenden Machbarkeitsstudie waren (1) die arterielle Gefäßwand bei hohen und niedrigen Photonenenergien darzustellen, (2) wichtige Bestandteile atherosklerotischer Plaques qualitativ zu beschreiben und (3) die Phasenkontrast-Hounsfield-Einheiten (HU-phase) dieser Bestandteile zu messen. Als Goldstandard diente die Histologie.Material und MethodenFünf Präparate humaner Aa. carotides wurden mittels gitterbasierter PC-CT mit Synchrotronstrahlung bei einer Photonenenergie von 23 keV oder 53 keV untersucht. Im Anschluss wurden die Gefäße histologisch aufgearbeitet. In Präparaten mit gering ausgeprägten atherosklerotischen Veränderungen wurde das Signalverhalten der verschiedenen Schichten der Gefäßwand analysiert. In Gefäßen mit fortgeschrittener Atherosklerose wurden wichtige Plaquebestandteile wie fibröses Gewebe (FT), Fett (LIP), Nekrose (NEC), Einblutung (IPH), Infiltrate von Entzündungszellen (INF) und Kalzifizierungen (CA) identifiziert. Es wurden sowohl die qualitativen Signalcharakteristika als auch die quantitativen HU-phase untersucht.ErgebnisseInsgesamt wurden auf sechs korrespondierenden PC-CT- und Histologie-Schnitten 33 Regionen untersucht. Die nahezu gesunden Proben zeigten sowohl bei 23 keV als auch 53 keV das gleiche Signalverhalten mit heller Tunica intima und adventitia und dunkler Tunica media. Die Plaquekomponenten unterschieden sich bei 53 keV sowohl bzgl. ihrer Signalintensität als auch ihrer Textur. In weichen Plaques fanden sich hohe HU-phase in dichtem FT. Weniger organisiertes LIP, NEC und INF wiesen niedrigere HU-phase auf. Die höchsten HU-phase wurden in CA gemessen.FazitPC-CT kann atherosklerotische Gefäße bei hohen Photonenenergien darstellen und liefert detaillierte Informationen über die Plaquestruktur u.a. von Hochrisiko-Läsionen.