基于冠脉造影图像的预测心肌血流储备分数（FFR）方法的研究进展

双东思 汪敏 郭卉 苏唏

·综述·

基于冠脉造影图像的预测心肌血流储备分数（FFR）方法的研究进展

双东思 汪敏 郭卉 苏唏

冠状动脉造影是诊断冠心病的金标准，但是冠脉造影存在固有的缺陷，不能准确的反映血流动力学改变。因此应该寻找一种替代工具，能充分利用造影各项相关指标识别病变功能，改善临床预后。目前有三种方法：（1）柏肃叶等式。（2）FAST评分。（3）密度法。

心肌血流储备分数；经皮冠状动脉介入治疗

冠状动脉造影（coronary angiography，CAG）是诊断冠心病的金标准，但是冠脉造影存在固有的缺陷，不能准确的反映血流动力学改变。1993年Pijs等[1]提出了测定冠状动脉内压力评价心肌血流储备分数（myocardial fractional flow reserve，FFR），FFR可以识别引起心肌缺血的靶血管和靶病变，更准确地评价病变的血流动力学改变，是一个可靠的反映心肌缺血指标，成为诊断多支病变和指导其治疗方案抉择的新的理想指标。FAME[2]系列研究等结果证实了基于FFR的经皮冠状动脉介入治疗（percutaneous coronary intervention，PCI）治疗改善预后。对于无缺血证据或FFR≥0.8狭窄病变首先考虑药物治疗；对FFR＜0.8的狭窄病变应行功能性完全血运重建。但是FFR测定增加手术时间和手术费用，在临床应用受到很大的限制。因此应该寻找一种替代工具，能充分利用造影各项相关指标识别病变功能，改善临床预后。目前有三种方法：（1）柏肃叶等式。（2）FAST（FFR angiographic scoring tool）评分。（3）密度法。前2种方法相对比较简单，但是准确性差，最后一种方法繁琐，计算复杂，特别是相对FFR的测定非常具有吸引力。

1 柏肃叶等式

2012年Ronen Jaffe[3]等提出基于柏肃叶等式的方法病变长度（lesion lengh，LL）/最小管腔直径4（minimal lumen diameter，MLD），LL/MLD4=12为截断值，≤12预测FFR≥0.8，其特异性为94%，阴性预测值为82%。其方法优于传统的冠脉造影测量DS(%)。

2 FAST评分

2011年Stephen[4]等开发出新的FFR造影评分工具（FAST评分）。设计为4个参数：模糊病变（2分），多支病变（1分），病变长度超过20 mm（1分），量化冠状动脉造影（Quantitative Coronary Angiography，QCA）法测定直径狭窄程度（＜40%，0分；

40～49.9%；1分；50～59.9%，2分；≥60%，3分），每个病变最大积分为7分，其截断值为3分，≥3分，FFR＜0.8；＜3分，FFR＞0.8。FAST评分是一个简单的评分工具。FAST＞3的敏感性为87.50%，特异性为80.52%，PPV（阳性预测值）为93.94%，NPV（阴性预测值）93.94%，准确性为82.97%。

3 密度法

FFR定义为充血状态下病变段的血流量和同一动脉无病变时血流量的比值。因此需要测量病变段的真实血流量和同一动脉无病变时理论的血流量两个参数。病变段的真实血流量可通过首次分布分析技术计算冠状动脉体积实现，可使用冠体积法推算充血状态下无病变时理论的血流量。Molloi[5-7]证实使用密度法准确测量冠脉血流量和冠管腔体积的可行性。以下详述具体的计算方法和步骤。

3.1 冠体积法推算充血状态下无病变时理论的血流量

首先我们需要了解正常的冠状动脉树的发展。目前有多种假设推断理论的冠状动脉树直径变化，包括最小工作原则，优化设计原则、最小的血流体积和对血管壁的最小总剪切力原则等。最近的研究发现冠状动脉血流量和氧消耗量或代谢需求量的呈正相关。Zhou Y[8-9]等使用最小能量原理设计冠状动脉树系统，推测动脉近段血流量与动脉远段分支（L）的累积长度成正相关，并且还推测远段累积管腔体积（V）和动脉分支累及长度成幂相关。因此充血状态下无病变时理论的血流量主要取决于远段分支（L）的累积长度或者远段累积管腔体积（V）相关。

3.1.1 干血流量-冠体积相关性

冠状动脉树的研究中，使用了树干和树冠亚单元，树干定义为两个连续的双分叉或三分叉点之间的结构，树冠定义为汇集到远段树干的所有分支。运用这种冠状动脉树的分解法，干血流量和冠体积的相关性如下：

Qn∝L （1）

L∝V3/4（2）

Qn∝V3/4（3）

Qn=kV3/4（4）

其中L表示冠血管累积长度，Qn表示正常冠脉干的最大充血血流，V表示冠状动脉冠管腔体积，K表示比例系数。等式1表示：冠状动脉干血流量和相应的冠累积长度呈线性相关。等式2表示：冠累积长度跟冠累积体积的3/4幂呈线性相关。等式3为等式1和等式2的推导，表示冠状动脉干血流量和相应的冠累积体积的3/4幂呈线性相关。通过上述等式可看到，只要得到冠管腔体积即可获得相应干的正常血流量。

3.1.2 冠管腔体积的测量

冠状动脉冠管腔体积采用密度法测量[10]。测量时需要系统标尺将光密度信号转化为碘质量[11-12]。将已知碘量的标尺棒在患者的心脏区域。标尺棒包含很多试管，每个试管内装造影剂，试管直径从0.76～3.35 mm,碘量值为7.66～112.04 mg。标尺棒中碘浓度大致相同，均为未稀释的造影剂浓度为350 mg/ml。需要校正冠状动脉和标尺棒之间因距离而产生的图像放大差异，主要通过X线源到它们的距离来校正。使用时相跟踪减影术，运用下列等式，将兴趣区（ROI）内整体灰度水平转化为动脉管腔体积：

V＝（G×Fm）/C （5）

其中Fm为整体灰度水平转化为碘质量的系数，C表示灌注到整个动脉的碘浓度。整个动脉内碘浓度假定是跟注射用的造影剂浓度相同。并且假设造影剂以一定的速度注射，造影剂完全代替血液进入冠状动脉。通过产生的的标尺棒影像，可确定碘质量（M）和整合灰度水平（G）为线性相关,通过直线的斜率（ΔM/ΔG）确定Fm。

Fm=ΔM/ΔG（6）

ΔG代表整体灰度水平的差异，ΔM代表碘质量的差异。然后校正心脏和标尺棒之间的放大差别，表达式如下：

Fm=（ΔM×Dh2）/（ΔG×Dc2） （7）

Dh表示X线源到心脏距离，Dc表示X线源到标尺距离。Dc通过标尺棒的4个标记的影像确定，Dh假定小于Dc 5 cm,这个距离大约等于心脏到胸骨加上左侧胸壁的距离。冠管腔体积的测量通过提取兴趣区（ROI）获得。最小动脉直径为0.5 mm，接近于冠脉造影的空间分辨率的极限。兴趣区（ROI）围绕可见的冠状动脉，此时心肌染色对密度信号的影响最小，并且冠状动脉冠管腔体积最小。

3.2 首次通过分布分析技术推算病变段的真实血流量

病变段的真实血流量可使用初次通过分析技术获得，假设冠状动脉就像单一输入的容器。这个模型并不需要假设动脉容器内部结构或输出管道性质。但是，必需的假设包括：（1）血流量测定在造影剂开始退出容器（包括微血管）前。（2）造影剂浓度在测量期间是已知的。总的兴趣区（ROI）应包括心肌染色区，兴趣区（ROI）的选择对于测量充血血流特别重要。ROI的选择对于基础的血流量是准确的，但是将低估最大充血的血流量。测量的血流体积的差异（ΔV）和两次图像之间的已指时间（Δt）用于计算绝对的血流体积。

Qd＝ΔV/Δt （8）

ΔV＝A/u1×ΔD1（9）

Qd＝（1/c）×(1/Δt)×(A/u1)×ΔD1 （10）

C代表对比剂浓度。u 1为碘衰减系数，A代表像素面积。测量时同样需要系统标尺将光密度信号转化为碘质量，u 1和A通过已知碘量的标尺获得。ΔD 1表示D 1（t＋Δt）-D 1（t）反映兴趣区（ROI）光密度信号的差异。数字减影图像中ROI区的像素值跟造影剂的厚度成正比，造影剂的体积可使用对比剂的厚度乘以像素面积获得。因此造影剂的体积跟整合图像信号密度呈正比。病变段的真实血流量的计算如上。

3.3 绝对FFR和相对FFR的测定

绝对FFR＝Qd/Qn＝Qd/kV3/4（11）

其中Qd代表病变段的血流量，Qvn代表病变段冠的理论血流量，K代表比例系数，V代表病变段冠的累积管腔体积。2012年Molloi[13]结合冠脉CT三维重建证实了使用冠体积法推算充血状态下正常血流量的准确性和有效性。其中相对FFR的准确性最高。Zhang Zhang[14]在猪动物模型上证实相对FFR（FFRa）跟FFR（FFRq）线性相关，FFRa=0.86 FFRq＋0.05，r=0.90，P＜0.000 1）。因此如有正常参考动脉的存在，应计算相对FFR，相对FFR表示为FFRVR

FFRVR=FFRvd/FFRvn=Kvn（Qvd/Qvn）/（Kvd（Vvd/Vvn）3/4） （12）

其中FFRvd代表病变段的绝对FFR，FFRvn代表正常参考动脉的绝对FFR；Kvn代表病变段的比例系数，Kvd代表正常参考动脉的比例系数；Qvd代表病变段的血流量，Qvn代表正常参考动脉的血流量；Vvd代表病变段冠的累积管腔体积，Vvn代表正常参考动脉冠的累积管腔体积。由于不同血管干-冠的比例系数基本

相同，因此相对FFR可进一步简化为

FFRVR=（Qvd/ Vvd3/4）/（Qvn/Vvn3/4） （13）

相对FFR准确但是计算繁琐，计算机图像技术的进步有助于该技术的进一步发展。常用的适用于医学和生物学领域的图像分析软件很多，如美国Media Cybernetics公司开发的Image Pro Plus（IPP）软件。IPP软件以功能强大的优势被广泛使用。但是使用IPP软件由于非专为相对FFR测定设计，操作比较繁琐。同时由于密度法使用时需要制作标尺，标尺和心脏的距离需要校正，增加操作的难度，限制了其临床使用。但是我们相信如能开发出专为密度法测定FFR的软件以及设计非标尺测定FFR的方法，将加快其临床使用。如在导管室行冠状动脉造影的同时不增加额外的操作和费用而能通过计算机图像分析技术完成FFR的测定无疑是非常具有吸引力的。

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Research Progress of Forecasting Myocardial Fractional Flow Reserve (FFR) Base on Coronary Angiography Images

SHUANG Dongsi WANG Min GUO Hui SU Xi Wuhan Asian Heart Hospital Department of Cardiology in Hubei Province, Wuhan 430010,China

Coronary artery angiography is the gold standard for the diagnosis of coronary heart disease, coronary angiography but has inherent defects, can not accurately reflect the hemodynamic changes. we should search for an alternative tool, which can make full use of the relevant indicators contrast, recognition of significant lesions, improve clinical prognosis. There are three kinds of methods∶ (1) bai poiseuille equation. (2) FAST garde. (3) density method.

Myocardial fractional flow reserve, Percutaneous coronary intervention

R814．43

A

1674-9308（2015）16-0029-03

10．3969/j．issn．1674-9308．2015．16．022

430010湖北，武汉亚洲心脏病医院心内科