冠心病诊断:从解剖成像到功能评价

陈俊 张璋 于铁链



冠心病诊断:从解剖成像到功能评价

陈俊 张璋 于铁链

冠心病； CT血管造影； CT心肌灌注显像

1964年Sones完成第一例主动选择性冠状动脉造影(coronary angiography，CAG)[1]，使我们能够真正通过冠状动脉解剖结构直接评价冠心病。近年来，随着CT技术的迅速发展，CT血管造影(computed tomography angiography，CTA)已成为最常用无创诊断冠心病的方法。尽管CAG和CTA均可以对冠状动脉解剖状况进行精确评价，但其功能评价精确性效果并不理想。冠状动脉的解剖特点并不能直接反映冠状动脉功能状况，特别在中等狭窄(50%～70%)病变，二者相关性较差[2]。但是，冠状动脉狭窄的功能评价是决定患者是否需要血运重建和影响预后的重要因素。

1 CAG评价冠状动脉循环功能状况

最初利用CAG评价冠状动脉的功能状况是心肌梗死溶栓治疗(thrombolysis myocardial infarction，TIMI)血流分级，通过肉眼观察将血流从无到正常分为四级[3]。该方法只能对血流进行大致、主观的判断。为了克服TIMI血流分级的缺点，校正TIMI帧数计数(corrected TIMI frame count，CTFC)应运而生[4]。CTFC通过记录对比剂从冠状动脉起始充盈至远端分支的显像帧数量化血流速度，解决了TIMI血流分级的主观观察差异问题，同时对冠状动脉血流进行半定量评价，现已被临床广泛认可。但无论TIMI血流分级还是CTFC都只是针对冠状动脉血流的评价，并不能直接反映心肌灌注情况。为了直接评价心肌灌注状态，研究者根据CAG时心肌中对比剂进入和排空速度提出了心肌呈色分级(myocardial blush grade，MBG)和TIMI心肌灌注帧数(TMPFC)的概念[5-6]。理论上讲，MBG和TMPFC可以更直接反映心肌灌注情况，但因为通过CAG心肌显像的空间分辨率并不高、影像反映的是二维平面存在空间重叠等缺陷，通过CAG心肌显像判断灌注情况的准确性并不高，因此MBG和TMPFC的临床应用并不普遍。TIMI血流分级和CTFC评价血流简单实用，但其对于狭窄功能判断准确性并不高，一般也只应用于严重循环障碍的急性心肌梗死后再灌注评价。有研究者利用首过原理和图像后处理方法通过相关软件计算出冠状动脉血流量、血流储备、循环阻力等冠状动脉相关血流动力学参数[7]；利用Scaling法则通过血管体积模拟推算最大血流量与实测最大血流量之比求算冠状动脉血流储备分数(fractional flow reserve FFR)[8]。在动物实验中，研究者通过CAG求算的各项血流动力学参数和以血流超声探头和压力导丝为金指标的实测数值相关性良好[9]。

2 多排CT评价冠状动脉循环功能状况

多排CT技术的快速发展为冠状动脉无创功能评价带来了新的契机，其在空间分辨率、时间分辨率和z轴覆盖范围大幅提高，为评价冠状动脉循环功能状况提供了技术基础，加之多排CT可三维显像，与CAG相比显示出巨大优势。近年来，各种CT功能评价新技术层出不穷，其大致可以进行如下分类：(1)从功能分析方式分为冠状动脉血流分析技术和心肌血流分析技术。理论上说心肌血流分析技术更具有临床意义，但心肌内对比剂的精确探测对分析技术要求无疑更高。(2)从扫描方式分为静态显像和动态显像。静态显像多是单次扫描，只能提供功能定性评价；而动态显像要求进行至少2次或2次以上连续扫描，可多次提供功能定量评价，但是射线辐射量较大。(3)从检测分析方式分为实测分析技术和模拟分析技术。实测分析技术主要是通过不同部位CT值直接测量并推断功能状态，而模拟分析技术多需要通过某些生理、数学或物理模拟进行功能参数的定量计算。

2.1 CT冠状动脉血流分析技术

冠状动脉血流的功能分析技术主要有CT血流储备分数(CT-FFR)和腔内对比剂密度衰减梯度(transluminal attenuation gradient，TAG)。CT-FFR的发展得益于CT和计算机技术的发展。该技术通过计算机模拟定量求算FFR值，突破了静态显像只能定性评价的瓶颈，是功能分析技术的一次突破。CT-FFR数值主要由心脏血管影像资料、心脏解剖与生理功能关系的数学模型及计算机血流动力学模拟三方面综合分析出来。心肌体积和血流之间的关系模型得出冠状动脉血流量；血管大小与阻力之间的关系模型得到基础状态下冠状动脉循环阻力；设定冠状动脉循环基础和充血状态阻力比值，在一般状况下为一常数，求算充血状态下冠状动脉微循环阻力。依据以上数值，再以血流动力学为基础计算CT-FFR值[10]。从目前已发布临床研究来看，CT-FFR对功能狭窄同CTA有相似的诊断敏感性，并大大提高了诊断特异性[11]。该技术在美国已正式获食品药品监督管理局批准。CT-FFR不需要额外扫描，只通过一次静态显像，利用计算机模拟对冠状动脉狭窄状况进行定量功能评价。其最大的优点在于安全、无创和经济，为权衡有创冠状动脉检查利弊，提供了更好的选择。但其主要缺陷在于所有计算参数均是通过模拟而来，固定程序的模拟应用于不同特点的个体存在不可避免的局限，影响其准确性。

另一个冠状动脉血流分析技术主要是利用冠状动脉内对比剂因狭窄造成腔内CT值衰减变化不同进行功能评判。该技术目前包括冠状动脉腔内密度差(contrast opacification，CO)、校正冠状动脉腔内密度差(corrected contrast opacification, CCO)、腔内对比剂密度衰减梯度(transluminal attenuation gradient，TAG)和腔内衰减血流编码四种分析技术[12]。这类技术原理相同，利用正常和不同狭窄冠状动脉血流不同引起对比剂衰减梯度不同的原理，对冠状动脉血流状况进行评价。CO是指冠状动脉狭窄近、远段腔内CT值差。而CCO是因为扫描图像可能不是同一时间获得而取同一扫描轴平面降主动脉CT值进行校正的差值。TAG定义为冠状动脉腔内密度衰减和距冠状动脉开口长度之间的线性回归系数，具体由距冠状动脉口每10 mm间隔测CT值进行回归计算。腔内衰减血流编码是由TAG、冠状动脉横断面积、血管长度和对比剂动脉输入时间间隔通过公式推算得出冠状动脉血流，理论上考虑到血管解剖和对比剂输入因素可能优于TAG，但目前临床资料不多，其可靠性尚需进一步证明。从原理上讲，TAG多点回归计算较CO、COO更具可靠性和科学性。因此，后期临床研究多以TAG为此类技术的代表指标。320排CT因为能一次扫描全心覆盖在TAG分析中更具有优势。目前，TAG技术结合CTA可以中等程度提高冠心病诊断准确性。该技术受图像质量影响较大(如伪影、钙化等)，一般认为其功能评价价值比CT-FFR和 CT心肌灌注显像(CT myocardial perfusion imaging，CT-MPI)稍差。

2.2 CT心肌血流分析技术

心肌血流分析技术主要指CT-MPI，是目前冠状动脉循环功能评价技术的研究热点[13]。一般将其分类为静态CT-MPI和动态CT-MPI两类。静态CT-MPI的原理和核素心肌灌注显像相似，通过首过灌注成像阶段随血流而来的对比剂在心肌分布的特点判断血流灌注情况，分别通过静息和负荷二次扫描来增加诊断准确性。从目前临床研究看，CT-MPI诊断缺血准确性与单光子发射计算机断层成像术(SPECT)相似[14]。另外，还有一种静态灌注分析技术叫心肌跨壁灌注比(transmural perfusion ratio，TPR)，即内层和外层心肌平均CT值比，主要利用冠状动脉狭窄时内外层灌注血流变化进行狭窄功能评价[15]。由于冠状动脉狭窄和血流比值并不成正比，加上心肌成分、伪像等因素影响其诊断，敏感性稍差，有较多的假阴性存在。虽然结合CTA能提高诊断准确性，但总体而言，诊断价值不如静态CT-MPI。动态CT-MPI是一种新兴技术，其主要方法是首先通过连续扫描获得对比剂-时间衰减曲线，然后通过不同数学模型计算心肌血流(myocardial blood flow，MBF)值[13]。已有最大增强法、最大斜率法、Gamma变量曲线契合法、去卷积法和去卷积+最大斜率杂交法等各种方法求算MBF。动态CT-MPI最大的优势在于能够定量计算MBF值。但目前这项技术仍存在一定的问题，不同技术求得MBF一致性差；求算MBF往往需要多次扫描，射线辐射量大也限制其应用。由于MBF的计算不仅涉及图像质量，也与计算模型等诸多因素密切相关，目前技术离理想的精确定量可能尚有差距。鉴于此，有研究者提出了心肌血流比(MBF Ratio， MBFR)的概念。相对MBF，MBFR较少受计算模型、方法技术等因素影响，比值求算减少了系统误差。Kono等[16]研究发现MBFR与压力FFR相关性更好。目前，双源、双能和320排CT应用于动态CT-MPI，因技术设计理念上的不同而各有特点，不同的研究者根据不同CT特点设计最佳方案。笔者认为，双能和320排CT在未来动态CT-MPI显像研究中可能更具有优势，双能CT理论上具有物质成分分析和线束硬化矫正两大优势，能减少扫描伪像，更有利于精确测量。从CT值精确测量角度分析，双能可能更具有优势，但定量MBF测量受计算模型、图像后处理等诸多因素影响。最近的一些研究表明相对血流量比绝对血流量有更高的准确性[16-17]，提示精确定量的系统方法可能并不完美。320排CT能一次扫描覆盖整个心脏，在定量计算中取得整个心脏同一时间影像进行实时分析和每一动态扫描对于功能评价具有特殊意义，320排CT的这些独特优势值得关注。

总体而言，目前各图像分析功能评价技术结合CTA都能提高冠心病诊断准确性[18]，但相比较而言，CT-FFR和CT-MPI较有前景。CT-FFR只需一次常规扫描可同时完成冠状动脉解剖和功能评价，在方便简洁方面已为临床医师提供了选择。而CT-MPI理论上可以给医师提供更精确的定量功能评价。通过CT心脏图像分析，一站式无创、高质量完成解剖和功能评价是未来的发展方向[19]，我们拭目以待。

[1] Bruschke AV, Sheldon WC, Shirey EK, et al. A half century of selective coronary arteriography. J Am Coll Cardiol, 2009,54(23):2139-2144.

[2] Tonino PA, De Bruyne B, Pijls NH,et al. Fractional flow reserve versus angiography for guiding percutaneous coronary intervention．N Engl J Med, 2009,360:213-224.

[3] An international randomized trial comparing four thrombolytic strategies for acute myocardial infarction.The GUSTO investigators. N Engl J Med, 1993, 329(10):673-682.

[4] Gibson CM， Cannon CP， Daley WL， et al. TIMI frame count：a quantitative method of assessing coronary artery flow. Circulation，1996，93(5):879-888.

[5] van′t Hof AW， Liem A， Suryapranata H， et al. Angiographic assessment of myocardial reperfusion in patients treated with primary angioplasty for acute myocardial infarction: myocardial blush grade. Zwolle Myocardial Infarction Study Group. Circulation， 1998，97(23):2302-2306.

[6] Gibson CM， Cannon CP， Murphy SA， et al. Relationship of TIMI myocardial perfusion grade to mortality after administration of thrombolytic drugs. Circulation，2000， 101(2): 125-130.

[7] Atkinson DJ, Burstein D, Edelman RR. First-pass cardiac perfusion: evaluation with ultrafast MR imaging. Radiology, 1990,174(3 Pt 1):757-762.

[8] Takarada S， Zhang Z， Molloi S. An angiographic technique for coronary fractional flow reserve measurement: in vivo validation. Int J Cardiovasc Imaging, 2013，29(3):535-544.

[9] Zhang Z， Takarada S， Molloi S. Quantification of absolute coronary flow reserve and relative fractional flow reserve in a swine animal model using angiographic image data. Am J Physiol Heart Circ Physiol, 2012，303(3):H401-H410.

[10] Taylor CA， Fonte TA， Min JK. Computational fluid dynamics applied to cardiac computed tomography for noninvasive quantification of fractional flow reserve: scientific basis. J Am Coll Cardiol, 2013，61(22):2233-2241.

[11] Li S， Tang X， Peng L， et al. The diagnostic performance of CT-derived fractional flow reserve for evaluation of myocardial ischaemia confirmed by invasive fractional flow reserve: a meta-analysis. Clin Radiol, 2015，70(5):476-486.

[12] Steigner ML， Mitsouras D， Whitmore AG， et al. Iodinated contrast opacification gradients in normal coronary arteries imaged with prospectively ECG-gated single heart beat 320-detector row computed tomography. Circ Cardiovasc Imaging, 2010，3(2):179-186.

[13] Rossi A， Merkus D， Klotz E， et al. Stress myocardial perfusion: imaging with multidetector CT. Radiology, 2014，270(1):25-46.

[14] Cury RC， Kitt TM， Feaheny K， et al. A randomized， multicenter， multivendor study of myocardial perfusion imaging with regadenoson CT perfusion vs single photon emission CT. J Cardiovasc Comput Tomogr, 2015，9(2):103-112.

[15] George RT， Arbab-Zadeh A， Miller JM， et al. Adenosine stress 64- and 256-row detector computed tomography angiography and perfusion imaging: a pilot study evaluating the transmural extent of perfusion abnormalities to predict atherosclerosis causing myocardial ischemia. Circ Cardiovasc Imaging, 2009，2(3):174-182.

[16] Kono AK， Coenen A， Lubbers M， et al. Relative myocardial blood flow by dynamic computed tomographic perfusion imaging predicts hemodynamic significance of coronary stenosis better than absolute blood flow. Invest Radiol, 2014，49(12):801-807.

[17] Wichmann JL, Meinel FG, Schoepf UJ, et al. Absolute Versus Relative Myocardial Blood Flow by Dynamic CT Myocardial Perfusion Imaging in Patients With Anatomic Coronary Artery Disease. Am J Roentgenol, 2015，205(1):W67-W72.

[18] 张旻,龚艳君.基于无创冠状动脉CT造影的血流储备分数在冠心病诊治中的研究进展.中国介入心脏病学杂志，2016，24(9):530-533.

[19] Pelgrim GJ， Dorrius M， Xie X， et al. The dream of a one-stop-shop: Meta-analysis on myocardial perfusion CT. Eur J Radiol, 2015，84(12):2411-2420.

10.3969/j.issn.1004-8812.2017.03.010

300052 天津，天津医科大学总医院心内科

陈俊，Email: chejuntj@163.com

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2016-11-01)