基于血管内超声斑块组织学检测方法的历史及现状

2018-12-07谢剑昶黄进宇

中国介入心脏病学杂志 2018年11期

谢剑昶黄进宇

冠状动脉内粥样斑块继发性改变是引起急性冠状动脉综合征（acute coronary syndromes，ACS）的关键环节。一直以来，对于斑块稳定性研究不断进展，从斑块结构成分来分析斑块性质、排查易损斑块是最为有效的方法之一。易损斑块组织学主要特点是大脂质核心、薄纤维帽、斑块裂隙及管腔严重狭窄等［1］。血管内超声（intravascular ultrasound，IVUS）的发明使斑块立体结构直观地表现出来，弥补了冠状动脉造影在平面结构上的局限性。在标准灰阶IVUS图像中，斑块钙化成分和致密纤维组织都能较强地反射超声波，都表现为均质明亮的影像，而在低回声区IVUS影像不能明确分辨为软斑块还是混合斑块［2］。因此，从20世纪90年代开始，通过超声射频（radio frequency，RF）信号技术光谱来分析斑块组织学的方法不断发展，逐渐形成整合背向散射IVUS（integrated backscatter IVUS，IB-IVUS）、血管内超声内膜硬度图（intravascular ultrasound palpogram，IVUSP）、趋向成熟并被广泛商业化应用的虚拟组织学IVUS（virtual histology IVUS，VHIVUS）和iMap-IVUS等技术。

1 超声RF信号和背向散射积分技术

和常规超声通过超声回波信号处理成像的原理不同，超声RF信号技术是对经组织反射和散射的RF信号进行采集处理。将朝向探头方向散射的RF信号在频域方面进行定量分析即背向散射积分（integrated backscatter score，IBS），得出的光谱参数对应相关组织学特点。因此，超声RF信号和IBS技术是研究血管内斑块组织学特点的主要方向。

1994年，Wilson等［3］用20 MHz的IVUS在离体股动脉片段中采集RF信号，转为数字信息后计算对应组织的衰减斜率，不同衰减斜率对应不同组织类型。这是超声RF信号首次应用于血管内组织学检测。1998年，Moore等［4］首次在离体冠状动脉中应用IVUS导管，对部分血管内斑块感兴趣区（regions of interest，ROI）获取相应RF信号，经过换能器转化为数字信息，通过计算机统计出相应光谱参数。用光谱参数和ROI组织学类型做比较，分析不同组织学类型（疏松纤维组织、中等纤维组织、脂肪组织、致密纤维组织、微小钙化、钙化斑块）和光谱参数的相关性，结果提示不同组织学类型对应特定光谱参数。2002年，Kawasaki等［5］提出IB-IVUS的概念，将RF信号通过快速傅里叶变换得出IBS值，根据不同IBS值将斑块成分分为血栓、增生内膜或脂质核心、纤维组织、混合病变、钙化组织等，且成功应用于临床科研中。同年，在RF信号处理上，Nair等［6］研究认为自动回归分析比传统傅里叶变换得出的参数在分辨斑块成分方面具有更好的敏感度。这一项研究随后被应用在VH-IVUS上。在以上技术基础上，各种基于IVUS斑块组织学检测方法的研究逐渐形成。

2 IB-IVUS

随着技术不断完善，已形成成熟的IB-IVUS检测方式，包括38～43 MHz机械旋转超声探头、IVUS机器及连接IVUS机器的个人电脑、通过快速傅里叶变换分析RF信号的图像系统软件（VISIWAVE，Terumo公司，日本）。斑块成分以不同颜色实时标注在IVUS横断面影像上：绿色为纤维斑块，蓝色为坏死核心，黄色为脂质斑块，红色为钙化斑块［7］。IB-IVUS的关键在于将RF信号转化为ROI的IBS值，在数据库中比对分析，通过物理参数来区分不同组织。在易损斑块研究方面，IB-IVUS发现易损斑块较稳定斑块脂质成分更多（敏感度90%，特异度96%），而纤维成分更少（敏感度80%，特异度90%）［8］。在和光学频域成像（optical frequency domain imaging，OFDI）的比较中，IBIVUS检测到薄纤维帽粥样斑块（thin-cap fibroatheroma，TCFA）稍低于OFDI（阳性预测值60.9%比50%），但二者结合后，阳性预测值可达到100%，提示IB-IVUS在检测易损斑块方面有独特价值［9］。一项前瞻性研究还发现，支架置入前后血管内血液IBS差值（Δ IBS）和经皮冠状动脉介入治疗（percutaneous coronary intervention，PCI）围术期肌钙蛋白异常有相关性，认为Δ IBS是PCI围术期心肌损伤的预测因素［10］。

美国Volcano公司将自动回归分析充分应用于IVUS的RF信号处理，整合在IVUS一体机中，并命名为VH-IVUS。VH-IVUS系统主要包括20 MHz相控阵超声探头、心电门控采集、自动回归分析等技术。VH-IVUS将斑块成分分为纤维组织（深绿色）、脂质组织（浅绿色）、坏死核心（红色）、致密钙化（白色），这四种组织预测准确度分别为纤维组织93.4%、脂质组织94.6%、坏死核心95.1%、致密钙化96.8%［11］。基于良好的可重复性和简易操作，VH-IVUS临床研究最为广泛。PROSPECT研究［12］是第一项利用IVUS评价易损斑块的多中心前瞻性研究，共纳入697例ACS患者，在行PCI术后对其他斑块进行IVUS检查，结合虚拟组织学特点筛选出TCFA，平均随访3.4年，共有149例主要不良心血管事件（major adverse cardiovascular events，MACE）发生，其中非罪犯斑块和罪犯斑块的比例相似（12.9%比11.6%）。斑块被评估为TCFA、斑块负荷≥70%、最小管腔面积≤4 mm2，这三项是非罪犯斑块发生MACE的独立危险因素。有研究表明，基于VH-IVUS评估易损斑块及ACS患者预后是可行的［13］。有临床研究发现，非ST段抬高型心肌梗死患者在常规冠状动脉造影指导下，支架覆盖罪犯病变，造影图像显示理想，通过VH-IVUS仍可在支架前后发现TCFA存在［14］。因此，在PCI术前及术后均可利用VHIVUS评估，以避免遗留罪犯病变，减少相关并发症。

4 iMap-IVUS

尽管波士顿科学公司在早期超声RF信号研究中参与很多，但将iMap-IVUS商业化推广比VH-IVUS晚了很久，直到2009年才推出iMap-IVUS，并整合在IVUS系统iLab中。iMap-IVUS采用40 MHz机械旋转探头，其数据库由12000份ROI组织学图像组成，通过K最近邻分类法（K-nearest neighbor，KNN）计算，在检测到斑块组织成分的同时有相应置信度参考，最高置信度分别为坏死组织97%、脂质组织98%、纤维组织95%、钙化组织98%。iMap对钙化组织评估的准确度最高，即使置信度低于25%，判断钙化组织准确度仍可达到80%以上。坏死组织、脂质组织、纤维组织在置信度低于25%时，准确度在70%左右，随着置信度增加，判断准确度也随之上升［15］。在iMap-IVUS临床研究中发现，ACS患者冠状动脉罪犯病变斑块坏死成分和脂质成分较非ACS患者更高，且脂质成分比例差异有统计学意义，最佳置信度在25%～100%，敏感度73.4%，特异度78%［16］。在和光学相干断层成像（optical coherence tomography，OCT）的比较中，iMap-IVUS检测TCFA的敏感度、特异度、阳性率、阴性预测值与前者显著相似，但操作更为快速，且可以实时评估斑块定位［17］。Souza等［18］使用iMap-IVUS对ACS血管内斑块成分进行分析，通过对罪犯病变及非罪犯病变易损斑块进行比较，罪犯病变中斑块钙化组织比例、坏死组织比例、TCFA检出比例显著高于非罪犯病变；而在ST段抬高型心肌梗死和非ST段抬高型心肌梗死斑块比较中差异无统计学意义。

5 各项技术差异性比较

尽管这几项技术都是基于斑块散射RF信号的后处理技术，在部分技术上仍存在一定差异（表1）。从超声探头上比较，IB-IVUS和iMap-IVUS都选用机械旋转超声探头，频率选择40 MHz（IB-IVUS在不同研究中选用不同探头，频率在38～43 MHz），而VH-IVUS是应用20 MHz相控阵超声探头。由于机械旋转超声探头内单阵元换能器工作时，换能器围绕导丝高速旋转进行扫描后合成图像，而相控阵超声探头换能器阵元是环形排列在导丝外，换能器通过合成孔径矩阵优化合成图像，较前者的操作性和稳定性更有优势，且不存在导丝伪影干扰。由于频率越高，对组织分辨率越高，但穿透力会变差，相控阵超声探头目前只能达到20 MHz频率，因此在IVUS图像清晰度上，IB-IVUS和iMap-IVUS优于VH-IVUS［19］。目前美国Volcano公司也研发了45 MHz超声探头应用于临床研究，同时VH-IVUS采集图像时应用心电门控方式，即在心电图预设时项（通常为R波）时采集影像，从而减少运动产生的伪影［20］。

从数据处理方面比较，三项技术也存在差异。IB-IVUS和iMap-IVUS都是通过快速傅里叶变换处理RF信号，而VH-IVUS是通过自动回归分析模式处理RF信号。IB-IVUS将信号频谱转化为IBS值，将IBS值和对应范围内相关组织作匹配，为单一参数的处理。VH-IVUS和iMap-IVUS将RF数据分解为包括IBS值在内的8种频谱参数，在综合分析后评估相应组织特点［21］。iMap-IVUS更采用Fisher线性判别（FLD）和KNN计算模式，将频谱特点和最接近数据库样本信息匹配，并提供相应置信度作参考［22］。

由于这三项技术都基于同一原理又各自存在优势，从技术参数上评估优劣比较困难，在临床实践中进行评估则更有意义。PROSPECT研究［12］是目前这方面最大一项多中心、前瞻性研究，首次实现更安全、更便捷、可重复性地在人体中完成斑块组织学检查，也正是这项研究奠定VHIVUS评估易损斑块的优势，但同时也发现经VH-IVUS判定的TCFA中，仅不到5%和MACE存在相关性。随后一项研究也发现，在12个月随访期间，这些TCFA中有75%是可以自愈的，同时也有部分新生TCFA，说明易损斑块发展机制比人们想象的更加复杂，仅从单一技术分析易损斑块存在局限性，对患者预后的评估不够充分［23］。事实上，由于IVUS分辨率有限，即使目前分辨率最高的Revolution 45 MHz超声探头，其轴向分辨率精度也无法达到TCFA薄纤维帽厚度（65 μm）［24-25］。因此在VH-IVUS研究中TCFA是专门定义的：坏死组织比例在连续3个序列图像中都超过10%，且和管腔直接接触弧度超过36°，这和病理学上TCFA定义存在差异［25-26］。然而提高分辨率需要增加超声信号频率，但穿透力会随之下降，特别是钙化后更容易出现无法识别的低回声区。这些低回声区在iMap-IVUS中被误判为坏死组织，在VH-IVUS中被误判为脂质组织［27］。因此，IVUS结合其他腔内影像学评估斑块成为未来发展的趋势。OCT分辨率达20 μm，可以精准评估薄纤维帽，但穿透能力很差。以病理组织学为金标准作比较，20 MHz探头VH-IVUS评估TCFA准确度为76.5%，OCT为79.0%，二者结合分析后可达到89.0%［28］。类似结果在IB-IVUS和iMap-IVUS的研究中也得到证实［9，17］。近红外光谱（near infrared spectroscopy，NIRS）技术在检测斑块化学组成信息上有独特优势，但无法反映斑块结构性信息。近年来发展起来的NIRS/IVUS导管技术互补两项技术，可以准确获取严重钙化斑块的信息，弥补超声在钙化斑块上的缺陷，且操作较OCT更加便捷［29］。