测定相对心肌血流储备软件的编制及初步临床验证

魏红星，段绍峰，王伟学，杨易剑，郭新华，姜楠，王琦，田月琴，王跃涛，张晓丽，单宝慈

测定相对心肌血流储备软件的编制及初步临床验证

魏红星，段绍峰，王伟学，杨易剑，郭新华，姜楠，王琦，田月琴，王跃涛，张晓丽，单宝慈

目的：本研究拟通过自主编制的测定心肌血流储备（CFR）软件，设定严格的实验条件，探讨单光子发射计算机断层摄影术（SPECT）心肌灌注显像测定CFR值的可行性，并初步验证其临床价值。

方法：CFR计算软件基于平台Matlab GUIDE编写。入选16例冠心病患者［男13例，女3例，年龄（58±11）岁］，经冠状动脉造影证实有冠状动脉狭窄（＞50%），其中无狭窄的冠状动脉23支，有狭窄的冠状动脉25支。两日法行药物99mTc-甲氧基异丁基异腈 （99mTc-MIBI）负荷-静息心肌灌注SPECT显像测定CFR。采用首次通过法并勾画肺动脉段感兴趣区，获取显像剂的动脉输入函数曲线，代表心肌灌注显像剂到达心脏的总放射性计数（PAC），将图像重建后的心肌短轴图像分为三个区域，在不同血管区域支配的心肌部位勾画感兴趣区（ROI），获取不同区域心肌的放射性计数（RMC），计算局部心肌放射性计数占总放射性计数的百分比（MBF=RMC/PAC，%），然后再计算药物负荷态与静息状态下的心肌摄取量的比值（CFR=MBFstress/MBFrest），即获得心肌的相对CFR。

结果：模拟值与真实值比较，差异可以忽略不计，证实程序能够准确测量CFR值。不同操作者采用该软件测定的CFR值之间的重复性（ICC=0.986）以及同一操作者之间的重复性（ICC=0.983）均良好。无明显冠状动脉狭窄的CFR值明显高于冠状动脉狭窄的的CFR值（1.28±0.19 vs 1.10±0.27，P=0.008）；所有狭窄的冠状动脉的CFR值与狭窄程度呈显著负相关（r=-0.5，P=0.02）。

结论：本研究显示自主编制的软件测定结果可靠，重复性良好。无冠状动脉狭窄的CFR值明显高于狭窄的冠状动脉的CFR值，而且狭窄的冠状动脉的CFR值与血管狭窄程度呈显著负相关，初步研究结果显示了其良好的临床应用前景。关键词血流储备分数，心肌；心肌灌注显像；软件确认

Abstract

Objective:To assess the feasibility of coronary flow reserve （CFR） detection by SPECT myocardial perfusion imaging using a self developed software with preliminary clinical verification.

Methods:CFR calculation software was developed according to Mat lab guide. A total of 16 patients were enrolled including 13 male and 3 female at the mean age of （58±11） years . CAG confirmed that 25 coronary branches were with stenosis＞50% and 23 branches were without stenosis. 2-day ATP/rest99mTc-sestamibi dynamic SPECT myocardial perfusion imaging was conducted to detect CFR. First transit counts were used to sketch the interested pulmonary artery segments and to obtain the arterial input curve of contrast agent as total PAC reached to heart. Reconstructed short-axis images were divided into 3 sections to sketch interested territories （ROI） and to obtain RMC at each territory. Estimated CFR was expressed by the ratio of MBF=RMC/PAC followed bycalculating the ratio of MFR=MBFstress/MBFrest.

Results:The difference between simulated value and true value could be ignored which confirmed that our program may accurately measure CFR. The reproducibility by different operators （r=0.986） and the same operator （r=0.983） was good. CFR value in non-stenosis branches were higher than stenosis branches （1.28 ± 0.19） vs （1.10 ± 0.27），P=0.008 and CFR value in stenosis branches was negatively related to stenosis degree （r=-0.5，P=0.02）.

Conclusion:Our self developed software is reliable for CFR detection by SPECT myocardial perfusion imaging； preliminary study showed good application prospect in clinical practice.

（Chinese Circulation Journal，2016，31:759.）

心肌血流储备（CFR）作为反映冠状动脉血流动力学异常变化的重要指标，可在冠状动脉解剖结构未发生异常之前早期探测血管功能的异常［1］。而内皮细胞功能受损是冠状动脉粥样硬化发生的关键所在［2］。因此，CFR的测定越来越受到临床研究的重视［3-5］。

本研究通过对轻中度冠状动脉狭窄和均衡性多支病变的冠心病患者作为研究对象，以冠状动脉造影诊断冠心病为“金标准”，在国内首先开展药物负荷+静息单光子发射计算机断层摄影术（SPECT）动态心肌灌注显像的前瞻性研究，利用研究小组自主研发的新软件，初步测定CFR值，探讨其可行性及重复性，期望进而达到早期、准确诊断冠心病，提高传统核素心肌灌注显像诊断冠心病的水平。

1　资料与方法

1.1软件的编制

CFR计算软件根据Sugihara等所提出的理论，基于Matlab GUIDE平台编写。CFR是心肌血流量（MBF）在负荷态和静息态下的比值。放射性微球模型MBF值与心肌对99mTc-甲氧基异丁基异腈 （99mTc-MIBI）的提取有如下关系：

其中q（T）表示心肌对于99mTc-MIBI的摄取值，E表示摄取比例，C（t）表示99mTc-MIBI在动脉血液中的浓度。

在SPECT显像中，以区域心肌的放射性计数（RMC）代替q（T），以肺动脉放射性计数PAC（t）代替C（t）。因此，测定MBF值的公式为：

其中KSPECT和Kpcanar分别表示SPECT测定的放射性计数和平面显像测定的放射性计数与真实的示踪剂在血液浓度之间的转化因子。VROI为选取的感兴趣区域的体积。

最终，测定CFR值计算公式为：

1.2数据采集

入选16例经冠状动脉造影证实有冠状动脉狭窄的患者［男13例，女3例，年龄（58±11）岁］行CFR测定。SPECT心肌灌注显像实验流程见图1，采用两日法药物负荷-静息心肌灌注显像，首先行动态药物负荷心肌灌注显像，静脉泵给药腺苷 3 min时，“弹丸式”从右肘静脉注射99mTc-MIBI 20 mCi，即刻动态采集显像剂通过右心房、右心室、肺动脉、左心房和左心室的平面图像1 min，每秒采集一帧图像。60 min后常规采集心肌灌注显像图像。隔日行动态静息灌注显像，除无静脉泵给腺苷外，其它步骤同药物负荷。

仪器采用德国Sienmens e.cam双探头SPECT仪，配以高分辨型平行孔准直器。采集角度为180°，能峰140 Kev，能窗20%。图像重建采用Butterworth滤波反投影法，截止频率为0.45，陡度因子为5.0。

图1　两日法动态药物负荷-静息99mTc-甲氧基异丁基异腈心肌灌注显像的流程图

选取和周围组织不容易重叠的部位（如肺动脉）勾画感兴趣区（ROI），从而获得该部位随时间变化的放射性曲线作为动脉输入函数，代表心肌灌注显像剂通过静脉注射到体内到达心脏的总放射性计数（PAC）；将图像重建后的心肌短轴分为三个区域，在不同血管供应的心肌部位勾画ROI，获取不同RMC，计算区域心肌放射性计数占总放射性计数的百分比（MBF=RMC/PAC，%），然后再计算药物负荷态与静息状态下的心肌摄取量的比值（CFR=MBFstress/ MBFrest），即获得心肌的相对CFR。

1.3数据处理

肺动脉首次通过法获取输入函数：在所有动态平面显像的图像中，通过肉眼判断找到肺动脉显像最清晰的一帧图像，在肺动脉区域勾画ROI（图2A），自动识别亮度最高像素邻域内的3×2像素（18 mm×24 mm）作为计数区域（图2A），然后获取计数区域内放射性计数随时间变化的放射性曲线。将曲线进行插值平滑，利用梯度积分的方法计算曲线下的面积，作为PAC值（图2B）。

图2　勾画肺动脉感兴趣区（ROI）获取肺动脉输入函数的示意图及曲线图

获取不同冠状动脉供应心肌区域的放射性计数：为了保证标准的统一性，在心肌短轴图像中选取从刚出现心腔的第一帧图像到心肌间隔放射性缺损的前一帧图像的所有图像，测定每帧图像的放射性计数，并计算其总和，获取心肌放射性总计数（图3）。

确定心内膜和心外膜的边缘：为了减少部分容积效应，准确判定心内膜和心外膜可以提高测定CFR值的准确性。选取心肌短轴图像的中心点，然后手动选取心外膜的多个点，采用三次B样条拟合的方式确定心外膜的边缘。之后，通过中心点和边缘点的连线上放射性计数变化最大的位置设定为心内膜的边缘点，同样利用三次B样条拟合的方式确定心内膜的边缘。

图3　心肌短轴图像层数的选取

1.4方法验证

模拟数据验证方法：用正弦函数y=Asin（t），t∈［0，π］来模拟输入函数。不同的状态下，采用不同的幅值A，静息态下Ar=1000，负荷态下As=800（r，s分别表示静息态和负荷态）。所以对于输入函数有如下关系：

对于心肌短轴图像的模拟，首先选取静息态下的心肌短轴图像，利用极坐标的方式，将短轴图像分成三个部分，分别对应于冠脉前降支（LAD），冠脉回旋支（LCX）和右冠状动脉（RCA）支配区域，分别对这三个区域给予不同的赋值，前降支像素值×3，回旋支像素值×2，右冠状动脉像素值保持不变。产生了公式2。

模拟值为利用公式1和公式2计算所得的CFR值，真实值为软件测定的CFR值，比较这两个值，以验证软件测定CFR值的可靠性。

验证临床数据方法：选取一个患者心肌短轴图像，采用极坐标的方式，将短轴图像分成三个部分，分别对应于LAD和LCX以及RCA，分别对这三个区域进行CFR测定（图4）。将狭窄的冠状动脉所支配区域的CFR值与正常冠状动脉所支配区域的CFR进行对比；狭窄区域CFR值与冠状动脉狭窄程度进行相关性分析，以验证此方法的临床应用价值。

图4　心肌短轴图像的分区

1.5统计学分析

2　结果

2.1测试重复性结果

由两位观察者分别测定CFR值，观察者内及观察者间的重复性：观察者内相关系数（ICC）为0.983、F=146.18、P＜0.001；观察者间ICC为0.986、F=58.79、P＜0.001。

2.2模拟数据与真实值得对比

比较两者数值发现模拟CFR值和真实CFR值差异可以忽略不计，提示该程序可以准确测量患者的CFR值（表1）。

表1　心肌血流储备模拟数据与真实值的对比

2.3临床数据的验证

16例经冠状动脉造影证实的冠心病患者，共23支无明显冠状动脉狭窄，25支有冠状动脉狭窄，单支病变患者11例，双支病变患者1例，三支病变患者4例，计算所有冠状动脉的CFR值显示，23支无明显冠状动脉狭窄血管的CFR值明显高于25支有冠状动脉狭窄的CFR值（1.28 ± 0.19 vs 1.10 ± 0.27，P=0.008）。另外，RCA血管供应的心肌区域，无明显冠状动脉狭窄血管的CFR明显高于有冠状动脉狭窄血管的CFR（P=0.02），差异有统计学意义。而LAD和 LCX所供应的心肌区域在无明显冠状动脉狭窄的血管的CFR值亦均高于有冠状动脉狭窄血管的CFR值，但差异无统计学意义。表2

表2　不同冠状动脉狭窄患者的心肌血流储备比较（±s）

表2　不同冠状动脉狭窄患者的心肌血流储备比较（±s）

2.4冠状动脉狭窄的CFR值与狭窄程度的相关性

所有狭窄的冠状动脉的CFR与狭窄程度呈显著负相关，有统计学意义（r=-0.5，P=0.02）。

3　讨论

本研究以冠心病患者作为研究对象，在国内开展药物负荷+静息SPECT动态心肌灌注显像的前瞻性研究，利用研究小组自主研发的新软件，初步测定CFR，探讨其可行性及重复性。结果显示自主编制的软件运行良好，各种参数设定科学严格，通过对比模拟CFR值与真实CFR值的对比，证实该程序可以准确测量CFR值。不同操作者采用软件测定的CFR值之间的重复性（r=0.986）以及同一操作者之间的重复性均良好（r=0.983）。通过该软件对动态负荷+静态心肌灌注SPECT显像对16例冠心病患者初步研究结果，发现无明显冠状动脉狭窄血管的CFR值明显高于冠状动脉有狭窄血管的CFR值（P=0.008）。而且，所有狭窄的冠状动脉的CFR值与冠状动脉狭窄程度有着良好的相关性（r=-0.5，P=0.02），初步显示了该方法有良好的临床应用前景。

测定CFR值在冠状动脉解剖结构未发生异常之前早期探测血管功能的异常，对早期诊断冠心病和提高冠心病诊断的准确性，以及指导治疗方案的制定有重要价值，因此，CFR的测定越来越受到临床研究的重视［3-5］。现有的测定CFR值得方法包括冠状动脉内多普勒导管和导丝技术［6］、经胸或经食道超声心动图、磁共振成像（MRI）［7，8］、正电子断层显像（PET）心肌灌注显像等方法［3-5］。然而这些方法或因有创性、价格昂贵、显像条件要求苛刻，或因测定的准确性及重复性欠佳等原因限制了在临床上的推广应用［9，10］。21世纪初期，日本和意大利的少数研究中心相继开展了采用SPECT动态心肌灌注显像测定相对CFR的研究报道［11-14］。由于SPECT心肌灌注显像已被广泛应用于临床实践，所以，采用此方法能够获取相对CFR的最大优点是非常易于在临床推广应用，无论从经济性还是从实用性方面考虑，都具有重要价值。然而，由于采用SPECT心肌灌注显像方法，心肌对摄取示踪剂的量的测定受到仪器分辨率、放射性的散射效应和组织衰减等的影响，并不能测定心肌绝对血流量，因此，只能获取相对CFR而非绝对CFR。诸多相关问题尚需进行深入研究。国外也仅局限于少数针对小病例组的研究报道，其可靠性还有待进一步验证。

近几年，我们自主编写了采用动态SPECT心肌灌注显像定量测定相对CFR的软件包，探索此方法对冠心病患者测定相对CFR的可行性和准确性。我们初步的研究结果显示该项技术是一项简单并且可以准确测定CFR的无创性方法。通过对16例冠状动脉狭窄患者的研究结果，无明显冠状动脉狭窄的23支血管所供应的心肌区域的平均CFR明显高于25支有冠状动脉狭窄的血管所供应心肌区域的CFR（P=0.008）。这与Storto等［11］采用类似方法对冠心病患者测定的CFR相近。而且，我们还发现CFR值与冠状动脉狭窄程度存在明确的负相关性（r=-0.51，P＜0.05），进一步提示该项技术对冠心病患者有重要的临床潜在价值。

本研究的局限性，由于SPECT显像系统与PET显像协调相比，仪器本身有固有的局限性，包括空间分辨率较低，部分容积效应对勾画心内膜和外膜边界的存在一定的误差；灵敏度低，图像的信息量较真实值小；组织衰减及散射效应对放射性计数的稳定性有一定的影响等。然而，由于我们采用负荷态的值与静态值获取其比值，因此，对所有相关因素的影响可以忽略不计。同时，我们严格控制各个步骤的质量，保持负荷态与静息态的一致性，不同患者之间采取统一标准如何获取心内膜和心外膜，以及如何选取心肌图像获取心肌总的放射性计数，从而尽量减少各种因素对结果的影响。当然，仍然需要我们继续改进工作流程和提高准确性。其次，本研究研发的程序只对小样本量患者的图像进行处理和验证，但需要通过对大样本的研究进一步来验证其可靠性。

采用我们自主研发的软件，通过SPECT动态血流灌注显像对冠心病患者进行测定获取相对CFR值，反映了冠状动脉狭窄的信息，初步结果比较满意，有潜在的临床推广应用价值。

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Establishment and Preliminary Clinical Verification for a Software Detecting Estimated Coronary Flow Reserve

WEI Hong-xing，DUAN Shao-feng，WANG Wei-xue，YANG Yi-jian，GUO Xin-hua，JIANG Nan，WANG Qi，TIAN Yue-qin，WANG Yue-tao，ZHANG Xiao-li，SHAN Bao-ci.
Department of Nuclear Medicine，Cardiovascular Institute and Fu Wai Hospital，CAMS and PUMC，Beijing （100037），China Co-corresponding Authors: ZHANG Xiao-li，Email: xlzhang68@yahoo.com and DUAN Shao-feng，Email:duansf@ihep.ac.cn

Blood flow，reserve fraction； Myocardium； Myocardial perfusion imaging； Software conformation

2016-04-05）

（编辑：常文静）

国家自然基金（NO.8107177；NO.81571717）；北京市科技计划首都临床特色应用研究（NO.Z131107002213181）；江苏省省级重点研发专项基金项目（BE2014635）

100037北京市，中国医学科学院北京协和医学院国家心血管病中心阜外医院 核医学科（魏红星、王伟学、杨易剑、郭新华、姜楠、王琦、田月琴）；首都医科大学附属安贞医院核医学科（张晓丽）；中国科学院高能物理研究所核辐射与核能技术重点实验室北京市射线成像技术与装备工程技术研究中心（段绍峰、 单宝慈）；苏州大学附属第三医院核医学科（王跃涛）

魏红星副主任技师硕士主要研究方向为核心脏病Email：weihongxing@263.net共同通讯作者：张晓丽Email：xlzhang68@yahoo.com段绍峰Email：duansf@ihep.ac.cn

R54

A

1000-3614（2016）08-0759-05

10.3969/j.issn.1000-3614.2016.08.008