雙東思 汪敏 郭卉 蘇唏

·綜述·

基于冠脈造影圖像的預(yù)測(cè)心肌血流儲(chǔ)備分?jǐn)?shù)（FFR）方法的研究進(jìn)展

雙東思 汪敏 郭卉 蘇唏

冠狀動(dòng)脈造影是診斷冠心病的金標(biāo)準(zhǔn)，但是冠脈造影存在固有的缺陷，不能準(zhǔn)確的反映血流動(dòng)力學(xué)改變。因此應(yīng)該尋找一種替代工具，能充分利用造影各項(xiàng)相關(guān)指標(biāo)識(shí)別病變功能，改善臨床預(yù)后。目前有三種方法：（1）柏肅葉等式。（2）FAST評(píng)分。（3）密度法。

心肌血流儲(chǔ)備分?jǐn)?shù)；經(jīng)皮冠狀動(dòng)脈介入治療

冠狀動(dòng)脈造影（coronary angiography，CAG）是診斷冠心病的金標(biāo)準(zhǔn)，但是冠脈造影存在固有的缺陷，不能準(zhǔn)確的反映血流動(dòng)力學(xué)改變。1993年P(guān)ijs等[1]提出了測(cè)定冠狀動(dòng)脈內(nèi)壓力評(píng)價(jià)心肌血流儲(chǔ)備分?jǐn)?shù)（myocardial fractional flow reserve，F(xiàn)FR），F(xiàn)FR可以識(shí)別引起心肌缺血的靶血管和靶病變，更準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)病變的血流動(dòng)力學(xué)改變，是一個(gè)可靠的反映心肌缺血指標(biāo)，成為診斷多支病變和指導(dǎo)其治療方案抉擇的新的理想指標(biāo)。FAME[2]系列研究等結(jié)果證實(shí)了基于FFR的經(jīng)皮冠狀動(dòng)脈介入治療（percutaneous coronary intervention，PCI）治療改善預(yù)后。對(duì)于無缺血證據(jù)或FFR≥0.8狹窄病變首先考慮藥物治療；對(duì)FFR＜0.8的狹窄病變應(yīng)行功能性完全血運(yùn)重建。但是FFR測(cè)定增加手術(shù)時(shí)間和手術(shù)費(fèi)用，在臨床應(yīng)用受到很大的限制。因此應(yīng)該尋找一種替代工具，能充分利用造影各項(xiàng)相關(guān)指標(biāo)識(shí)別病變功能，改善臨床預(yù)后。目前有三種方法：（1）柏肅葉等式。（2）FAST（FFR angiographic scoring tool）評(píng)分。（3）密度法。前2種方法相對(duì)比較簡(jiǎn)單，但是準(zhǔn)確性差，最后一種方法繁瑣，計(jì)算復(fù)雜，特別是相對(duì)FFR的測(cè)定非常具有吸引力。

1 柏肅葉等式

2012年Ronen Jaffe[3]等提出基于柏肅葉等式的方法病變長(zhǎng)度（lesion lengh，LL）/最小管腔直徑4（minimal lumen diameter，MLD），LL/MLD4=12為截?cái)嘀?，?2預(yù)測(cè)FFR≥0.8，其特異性為94%，陰性預(yù)測(cè)值為82%。其方法優(yōu)于傳統(tǒng)的冠脈造影測(cè)量DS(%)。

2 FAST評(píng)分

2011年Stephen[4]等開發(fā)出新的FFR造影評(píng)分工具（FAST評(píng)分）。設(shè)計(jì)為4個(gè)參數(shù)：模糊病變（2分），多支病變（1分），病變長(zhǎng)度超過20 mm（1分），量化冠狀動(dòng)脈造影（Quantitative Coronary Angiography，QCA）法測(cè)定直徑狹窄程度（＜40%，0分；

40～49.9%；1分；50～59.9%，2分；≥60%，3分），每個(gè)病變最大積分為7分，其截?cái)嘀禐?分，≥3分，F(xiàn)FR＜0.8；＜3分，F(xiàn)FR＞0.8。FAST評(píng)分是一個(gè)簡(jiǎn)單的評(píng)分工具。FAST＞3的敏感性為87.50%，特異性為80.52%，PPV（陽性預(yù)測(cè)值）為93.94%，NPV（陰性預(yù)測(cè)值）93.94%，準(zhǔn)確性為82.97%。

3 密度法

FFR定義為充血狀態(tài)下病變段的血流量和同一動(dòng)脈無病變時(shí)血流量的比值。因此需要測(cè)量病變段的真實(shí)血流量和同一動(dòng)脈無病變時(shí)理論的血流量?jī)蓚€(gè)參數(shù)。病變段的真實(shí)血流量可通過首次分布分析技術(shù)計(jì)算冠狀動(dòng)脈體積實(shí)現(xiàn)，可使用冠體積法推算充血狀態(tài)下無病變時(shí)理論的血流量。Molloi[5-7]證實(shí)使用密度法準(zhǔn)確測(cè)量冠脈血流量和冠管腔體積的可行性。以下詳述具體的計(jì)算方法和步驟。

3.1 冠體積法推算充血狀態(tài)下無病變時(shí)理論的血流量

首先我們需要了解正常的冠狀動(dòng)脈樹的發(fā)展。目前有多種假設(shè)推斷理論的冠狀動(dòng)脈樹直徑變化，包括最小工作原則，優(yōu)化設(shè)計(jì)原則、最小的血流體積和對(duì)血管壁的最小總剪切力原則等。最近的研究發(fā)現(xiàn)冠狀動(dòng)脈血流量和氧消耗量或代謝需求量的呈正相關(guān)。Zhou Y[8-9]等使用最小能量原理設(shè)計(jì)冠狀動(dòng)脈樹系統(tǒng)，推測(cè)動(dòng)脈近段血流量與動(dòng)脈遠(yuǎn)段分支（L）的累積長(zhǎng)度成正相關(guān)，并且還推測(cè)遠(yuǎn)段累積管腔體積（V）和動(dòng)脈分支累及長(zhǎng)度成冪相關(guān)。因此充血狀態(tài)下無病變時(shí)理論的血流量主要取決于遠(yuǎn)段分支（L）的累積長(zhǎng)度或者遠(yuǎn)段累積管腔體積（V）相關(guān)。

3.1.1 干血流量-冠體積相關(guān)性

冠狀動(dòng)脈樹的研究中，使用了樹干和樹冠亞單元，樹干定義為兩個(gè)連續(xù)的雙分叉或三分叉點(diǎn)之間的結(jié)構(gòu)，樹冠定義為匯集到遠(yuǎn)段樹干的所有分支。運(yùn)用這種冠狀動(dòng)脈樹的分解法，干血流量和冠體積的相關(guān)性如下：

Qn∝L （1）

L∝V3/4（2）

Qn∝V3/4（3）

Qn=kV3/4（4）

其中L表示冠血管累積長(zhǎng)度，Qn表示正常冠脈干的最大充血血流，V表示冠狀動(dòng)脈冠管腔體積，K表示比例系數(shù)。等式1表示：冠狀動(dòng)脈干血流量和相應(yīng)的冠累積長(zhǎng)度呈線性相關(guān)。等式2表示：冠累積長(zhǎng)度跟冠累積體積的3/4冪呈線性相關(guān)。等式3為等式1和等式2的推導(dǎo)，表示冠狀動(dòng)脈干血流量和相應(yīng)的冠累積體積的3/4冪呈線性相關(guān)。通過上述等式可看到，只要得到冠管腔體積即可獲得相應(yīng)干的正常血流量。

3.1.2 冠管腔體積的測(cè)量

冠狀動(dòng)脈冠管腔體積采用密度法測(cè)量[10]。測(cè)量時(shí)需要系統(tǒng)標(biāo)尺將光密度信號(hào)轉(zhuǎn)化為碘質(zhì)量[11-12]。將已知碘量的標(biāo)尺棒在患者的心臟區(qū)域。標(biāo)尺棒包含很多試管，每個(gè)試管內(nèi)裝造影劑，試管直徑從0.76～3.35 mm,碘量值為7.66～112.04 mg。標(biāo)尺棒中碘濃度大致相同，均為未稀釋的造影劑濃度為350 mg/ml。需要校正冠狀動(dòng)脈和標(biāo)尺棒之間因距離而產(chǎn)生的圖像放大差異，主要通過X線源到它們的距離來校正。使用時(shí)相跟蹤減影術(shù)，運(yùn)用下列等式，將興趣區(qū)（ROI）內(nèi)整體灰度水平轉(zhuǎn)化為動(dòng)脈管腔體積：

V＝（G×Fm）/C （5）

其中Fm為整體灰度水平轉(zhuǎn)化為碘質(zhì)量的系數(shù)，C表示灌注到整個(gè)動(dòng)脈的碘濃度。整個(gè)動(dòng)脈內(nèi)碘濃度假定是跟注射用的造影劑濃度相同。并且假設(shè)造影劑以一定的速度注射，造影劑完全代替血液進(jìn)入冠狀動(dòng)脈。通過產(chǎn)生的的標(biāo)尺棒影像，可確定碘質(zhì)量（M）和整合灰度水平（G）為線性相關(guān),通過直線的斜率（ΔM/ΔG）確定Fm。

Fm=ΔM/ΔG（6）

ΔG代表整體灰度水平的差異，ΔM代表碘質(zhì)量的差異。然后校正心臟和標(biāo)尺棒之間的放大差別，表達(dá)式如下：

Fm=（ΔM×Dh2）/（ΔG×Dc2） （7）

Dh表示X線源到心臟距離，Dc表示X線源到標(biāo)尺距離。Dc通過標(biāo)尺棒的4個(gè)標(biāo)記的影像確定，Dh假定小于Dc 5 cm,這個(gè)距離大約等于心臟到胸骨加上左側(cè)胸壁的距離。冠管腔體積的測(cè)量通過提取興趣區(qū)（ROI）獲得。最小動(dòng)脈直徑為0.5 mm，接近于冠脈造影的空間分辨率的極限。興趣區(qū)（ROI）圍繞可見的冠狀動(dòng)脈，此時(shí)心肌染色對(duì)密度信號(hào)的影響最小，并且冠狀動(dòng)脈冠管腔體積最小。

3.2 首次通過分布分析技術(shù)推算病變段的真實(shí)血流量

病變段的真實(shí)血流量可使用初次通過分析技術(shù)獲得，假設(shè)冠狀動(dòng)脈就像單一輸入的容器。這個(gè)模型并不需要假設(shè)動(dòng)脈容器內(nèi)部結(jié)構(gòu)或輸出管道性質(zhì)。但是，必需的假設(shè)包括：（1）血流量測(cè)定在造影劑開始退出容器（包括微血管）前。（2）造影劑濃度在測(cè)量期間是已知的?？偟呐d趣區(qū)（ROI）應(yīng)包括心肌染色區(qū)，興趣區(qū)（ROI）的選擇對(duì)于測(cè)量充血血流特別重要。ROI的選擇對(duì)于基礎(chǔ)的血流量是準(zhǔn)確的，但是將低估最大充血的血流量。測(cè)量的血流體積的差異（ΔV）和兩次圖像之間的已指時(shí)間（Δt）用于計(jì)算絕對(duì)的血流體積。

Qd＝ΔV/Δt （8）

ΔV＝A/u1×ΔD1（9）

Qd＝（1/c）×(1/Δt)×(A/u1)×ΔD1 （10）

C代表對(duì)比劑濃度。u 1為碘衰減系數(shù)，A代表像素面積。測(cè)量時(shí)同樣需要系統(tǒng)標(biāo)尺將光密度信號(hào)轉(zhuǎn)化為碘質(zhì)量，u 1和A通過已知碘量的標(biāo)尺獲得。ΔD 1表示D 1（t＋Δt）-D 1（t）反映興趣區(qū)（ROI）光密度信號(hào)的差異。數(shù)字減影圖像中ROI區(qū)的像素值跟造影劑的厚度成正比，造影劑的體積可使用對(duì)比劑的厚度乘以像素面積獲得。因此造影劑的體積跟整合圖像信號(hào)密度呈正比。病變段的真實(shí)血流量的計(jì)算如上。

3.3 絕對(duì)FFR和相對(duì)FFR的測(cè)定

絕對(duì)FFR＝Qd/Qn＝Qd/kV3/4（11）

其中Qd代表病變段的血流量，Qvn代表病變段冠的理論血流量，K代表比例系數(shù)，V代表病變段冠的累積管腔體積。2012年Molloi[13]結(jié)合冠脈CT三維重建證實(shí)了使用冠體積法推算充血狀態(tài)下正常血流量的準(zhǔn)確性和有效性。其中相對(duì)FFR的準(zhǔn)確性最高。Zhang Zhang[14]在豬動(dòng)物模型上證實(shí)相對(duì)FFR（FFRa）跟FFR（FFRq）線性相關(guān)，F(xiàn)FRa=0.86 FFRq＋0.05，r=0.90，P＜0.000 1）。因此如有正常參考動(dòng)脈的存在，應(yīng)計(jì)算相對(duì)FFR，相對(duì)FFR表示為FFRVR

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

其中FFRvd代表病變段的絕對(duì)FFR，F(xiàn)FRvn代表正常參考動(dòng)脈的絕對(duì)FFR；Kvn代表病變段的比例系數(shù)，Kvd代表正常參考動(dòng)脈的比例系數(shù)；Qvd代表病變段的血流量，Qvn代表正常參考動(dòng)脈的血流量；Vvd代表病變段冠的累積管腔體積，Vvn代表正常參考動(dòng)脈冠的累積管腔體積。由于不同血管干-冠的比例系數(shù)基本

相同，因此相對(duì)FFR可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為

FFRVR=（Qvd/ Vvd3/4）/（Qvn/Vvn3/4） （13）

相對(duì)FFR準(zhǔn)確但是計(jì)算繁瑣，計(jì)算機(jī)圖像技術(shù)的進(jìn)步有助于該技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。常用的適用于醫(yī)學(xué)和生物學(xué)領(lǐng)域的圖像分析軟件很多，如美國(guó)Media Cybernetics公司開發(fā)的Image Pro Plus（IPP）軟件。IPP軟件以功能強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)被廣泛使用。但是使用IPP軟件由于非專為相對(duì)FFR測(cè)定設(shè)計(jì)，操作比較繁瑣。同時(shí)由于密度法使用時(shí)需要制作標(biāo)尺，標(biāo)尺和心臟的距離需要校正，增加操作的難度，限制了其臨床使用。但是我們相信如能開發(fā)出專為密度法測(cè)定FFR的軟件以及設(shè)計(jì)非標(biāo)尺測(cè)定FFR的方法，將加快其臨床使用。如在導(dǎo)管室行冠狀動(dòng)脈造影的同時(shí)不增加額外的操作和費(fèi)用而能通過計(jì)算機(jī)圖像分析技術(shù)完成FFR的測(cè)定無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，武漢亞洲心臟病醫(yī)院心內(nèi)科