基于冠状动脉CT血管成像的血流储备分数诊断心肌缺血的研究进展

祁冬,何兴义,姚木子,陈冠亚,董晨,田欧

(蚌埠市第一人民医院医学影像科,安徽 蚌埠 233000)

随着人们生活水平的不断提高,冠状动脉粥样硬化性心脏病(冠心病)已成为危害人们生命健康的常见杀手,且有逐渐向年轻化发展的趋势。目前诊断冠心病常用的检查方式主要以冠状动脉CT血管成像(coronary computed tomography angiography,CCTA)和有创冠状动脉造影(invasive coronary angiography,ICA)为主,但是二者只能从解剖结构方面评估冠状动脉的狭窄程度,不能从功能学方面判断管腔狭窄是否对心肌血供产生影响,从而影响治疗方案制定[1-2]。大量学者研究认为血流储备分数(fractional flow reserve,FFR)的临界值为0.75,若FFR<0.75,认为该病变需要干预治疗；若FFR>0.8,认为该病变狭窄引起心肌缺血的可能性不大,只需药物治疗即可；若0.75

1 CT-FFR的概念及基本原理

CT-FFR由Taylor等学者于2013年首次提出,是无创评估冠状动脉狭窄导致血流动力学变化的新技术,能提示狭窄的管腔是否会影响心肌异常灌注,经历十几年的发展,其在冠心病的诊疗中已突显出重要的作用。CT-FFR通过CFD方法,利用静息状态下CCTA数据模拟计算出FFR值,并通过软件对冠状动脉血流动力学进行分析[6]。通过CCTA数据测得各支正常血管和病变血管管腔横截面积,模拟建立出一个三维的具有解剖和血流动力学的冠状动脉血管树结构模型,通过此模型可以模拟出患者在负荷状态下的冠状动脉血流压力[7]。另外,研究报道[8],冠状动脉血流压力遵循流体动力学的变化规律,因此可以根据CFD来建立冠状动脉血流流速及压力的三维冠状动脉血管树模型,从而可以计算出冠脉血管树每个点的FFR值。

2 CT-FFR优势

CT-FFR采用的是CCTA数据,不需要额外的扫描,不增加患者的额外辐射剂量。与CCTA相比,CT-FFR不仅可以在解剖结构方面判断管腔狭窄情况,还可获得功能学方面信息,鉴别缺血和非缺血心肌组织,更有助于临床医生准确判断患者病情,指导血运重建,避免非必要冠脉支架植入,降低医疗费用[9-10]。与有创FFR相比,首先CT-FFR可以降低患者辐射剂量,无须服用腺苷等扩血管药物,避免药物不良反应；其次,利用CT-FFR可以模拟冠脉支架置入前后的准确性,帮助医生准确选择目标血管和支架大小,并预测支架置入后效果。另外,国外PACIFIC亚研究[11]将CT-FFR与单光子发射体层成像(SPECT)及正电子发射体层成像(PET)进行对比,研究它们诊断缺血性疾病的诊断效能,发现CT-FFR诊断的敏感性优于SPECT和PET,准确性及特异性显著高于SPECT。Dan-NICAD亚研究[12]比较心脏MR负荷灌注成像(cardiac magnetic resonance stress perfusion imaging,CMRPI)与CT-FFR判断稳定性胸痛患者的血运重建情况,表明二者在准确性方面差异无统计学意义,但是CT-FFR的敏感性优于CMRPI,而CMRPI的特异性优于CT-FFR。总之,大部分研究结果显示CT-FFR在诊断冠脉心肌缺血方面与其他功能影像检查方法有着相同或更高的价值,且该方法简便易行,可重复性好,无须特殊准备,便于预后随访[13-14]。

3 CT-FFR临床研究现状

3.1 CT-FFR诊断效能

CCTA对于评估非钙化性斑块管腔狭窄程度准确性较高,但是对于管腔钙化斑块的评估往往与管腔真实狭窄情况相差较大,常常高估管腔狭窄程度。而CT-FFR通过从功能学方面评价可以改善这一问题。据Zhou等[15]研究结果表明,CT-FFR联合CCTA诊断冠脉狭窄的敏感度可提高到90%。DISCOVER-FLOW、DeFACTO及NXT三大临床研究中心均以有创FFR为金标准,研究结果显示,CT-FFR与有创FFR有较高的相关性,诊断效能较高。与CCTA相比,CT-FFR诊断心肌缺血病变的准确性由原来的59%提高至84%,特异性由54%提高至86%,敏感性由88%提高至 91%[16-18]。目前CT-FFR的分析软件主要有以下几种:基于3D-CFD、降维CFD、机器学习算法和示踪动力学算法。国外学者通过基于3D-CFD的CT-FFR软件进行前瞻性多中心研究,结果显示基于血管水平诊断冠脉心肌缺血的敏感性为80%～88%,特异性为61%～86%[19-20]。国内学者基于新型3D-CFD的CT-FFR软件通过多中心研究结果显示,诊断冠脉心肌缺血的敏感性为89%、特异性为91%,且与有创FFR具有强相关性[1]。Coenen等[21]学者采用降维CFD算法,基于血管水平的研究结果表明,CCTA联合CT-FFR可将准确性由58%提高至78%,与单独CCTA比较,CT-FFR的敏感性相当,但特异性显著提高。余蒙蒙等[22]采用基于机器学习算法的CT-FFR软件,基于患者水平诊断冠脉心肌缺血的敏感性、特异性及准确性分别为85.7%、78.9%及86.1%。Stephanie等[23]基于机器学习的CT-FFR对冠状动脉功能性狭窄的诊断准确性进行研究,结果表明,当CT-FFR值在0.7～0.8之外时,CT-FFR诊断功能性狭窄的准确性为86.4%～98.2%。杨琳等[24]采用基于示踪动力学算法的CT-FFR软件,其诊断冠脉心肌缺血的敏感性为92.4%、特异性为82.1%、阳性预测值为87.6%、阴性预测值为88.7%,ROC曲线下面积(AUC)为0.94。以上文献结果表明,采用不同算法的CT-FFR软件在评估冠脉心肌缺血方面均有较高的诊断价值。

3.2 CT-FFR在临界病变中的应用

冠状动脉狭窄程度为30%～70%的病变称为临界病变,临界病变常出现解剖狭窄与心肌缺血不匹配的情况,但是部分临界病变是引起急性冠状动脉综合征的责任病变,因此准确判断其功能性改变对临床制定科学的治疗策略非常重要,也是目前临床治疗冠心病所面临的挑战之一[25]。王彤宁等[26]采用CT-FFR对冠状动脉临界狭窄病变进行血流动力学变化分析,结果表明CT-FFR能够明显提高CCTA在诊断冠状动脉临界狭窄病变缺血方面的能力,CT-FFR诊断准确性、敏感性和特异性分别为88.9%、100%和62.5%,CT-FFR与有创FFR呈中等程度相关(r=0.663,P<0.001),Bland-Altman分析显示CT-FFR与有创FFR的一致性较好。Nicol等[27]纳入104例冠心病患者(139支血管)预测冠状动脉临界病变患者功能性心肌缺血的价值,结果显示,基于患者水平CT-FFR诊断功能性心肌缺血的准确性、敏感性及特异性分别为87.50%、75.76%和92.96%,基于血管水平CT-FRR诊断功能性心肌缺血的准确性、敏感性及特异性分别为84.17%、71.11%和90.43%。ROC曲线分析结果显示,以患者和血管支数为单位,CT-FFR预测心肌缺血的AUC值分别为0.846和0.740,说明CT-FFR在评估冠脉心肌缺血方面具有较高的诊断效能。

3.3 CT-FFR在钙化病变中的应用

钙化斑块会产生线束硬化伪影和晕染效应,严重影响对管腔内情况的识别,单独CCTA无法准确评估管腔的狭窄程度[28]。Nieman[29]将钙化积分分为>100和≤100两组进行分析,以有创FFR为参考标准,结果显示CT-FFR与有创FFR诊断效能各指标差异均无统计学意义,在冠状动脉狭窄血流评估方面一致性较高,未显示钙化会影响CT-FFR的诊断准确性。Tesche等[30]研究结果显示,钙化积分无论是在400以上还是以下,CT-FFR对缺血病变诊断准确性均高于单独CCTA。另一项研究结果报道,在钙化积分≤1 000时,CT-FFR可提高对轻、中度钙化患者缺血的诊断能力,与有创FFR呈强相关(r=0.81)[31]。但是目前国内外学者发表的对于钙化积分>1 000的重度冠状动脉钙化相关研究报道较少,仍需要更多研究来证实重度钙化是否对CT-FFR的诊断准确性产生影响。另外,钙化的大小、体积、形态及累及范围等对CT-FFR准确性的影响还有待进一步研究。

3.4 CT-FFR指导冠状动脉血运重建

经皮冠状动脉介入(percutaneous coronary intervention,PCI)是临床治疗冠心病患者最常用的治疗手段,而如何制定科学、合理、有效的支架置入治疗方案至关重要。CCTA可以用于测量管腔狭窄病变长度、管腔直径等参数,为选择合适支架提供参考依据。而CT-FFR可以对狭窄病变进行术前和术后的血流动力学变化进行评估。据Collet等[32]研究报道,CT-FFR联合CCTA对患者进行血运重建方案制定,其治疗方案与基于ICA信息制定的治疗方案相似度达92.8%,在单独CCTA数据分析基础上增加CT-FFR信息后,改变了7%患者的治疗方案,修改了血运重建血管选择。另外,Kim等[33]用CT-FFR虚拟模拟运算方式来验证其在冠状动脉虚拟支架置入前后的准确性,结果表明虚拟支架置入前后的CT-FFR与有创FFR一致性较好,CT-FFR预测虚拟支架置入前缺血性病变的准确性为77%,预测虚拟支架置入后残余缺血的准确性为96%。因此,CT-FFR可帮助临床医生预测狭窄病变在置入支架后血流动力学变化并提供血运重建方案及方式的科学策略。

3.5 CT-FFR评估支架内再狭窄的可行性

对于CT-FFR值<0.75的患者,一般临床建议采用介入治疗的方式,对狭窄管腔植入支架以恢复血供,而支架内再狭窄也是众多患者所要面临的问题。目前,CT-FFR无论在进行何种临床研究中,都将冠脉支架置入患者排除在外,因为支架会产生线束硬化伪影,会影响支架内再狭窄的检测和定量,无法了解支架内真实情况,而该类患者一般都需要进行ICA检查来明确支架内腔是否再狭窄。而国外Andreini等[34]报道1例患者患有严重的支架内再狭窄未被CCTA发现,而CT-FFR能准确检测到因狭窄而导致的心肌缺血。目前,尚未发现国内学者报道关于该方面的研究,故需大量的临床数据研究去证实CT-FFR在评估支架内再狭窄的诊断价值。

4 CT-FFR局限性

虽然CT-FFR在冠心病心肌缺血、治疗决策等方面的应用已得到了验证,但是仍然存在一些局限性。① CT-FFR成功的前提是基于优质的CCTA图像质量,而CCTA图像质量受到患者心率及呼吸功能的影响,如产生运动伪影、错层伪影等,这将严重影响CT-FFR的准确性,因此不是所有患者CCTA图像都能使用[35]。② 计算时间较长,目前CT-FFR计算时间根据计算模式不同时间不一样,而且其运算模型尚不完善,在血管识别及管腔勾画等方面需要耗费大量时间,每例患者平均耗时2～4 h。③ 由于CT-FFR计算方法的局限性,对于微小血管病变(直径<2 mm)及弥漫性病变目前尚无法测量[36]。

5 展望

尽管近年来CT-FFR的研究已取得了一定的进展,但是仍然有较大的发展空间。随着CT技术及计算机设备性能的不断发展,CT-FFR的诊断效能也在不断提高。目前,一项前瞻性、多中心的临床试验PLATFORM研究正在进行,它将展示CT-FFR在冠心病患者临床转归、资源再利用、医疗费用等方面的价值。CFD在医疗领域的应用极大地提供了影像学功能性方面的信息,仅仅从一项无创检查就能获得解剖狭窄和功能缺血两个方面的评价,同时关于CT-FFR指导临床治疗策略及危险分级也得到了逐步肯定。相信随着研究的深入,未来CT-FFR将会在冠心病的诊疗方面发挥巨大作用。