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CT心肌灌注成像新進展

2024-01-28 16:54馬雪妍張永高
放射學實踐 2023年12期
關鍵詞:靜息準確性冠脈

馬雪妍,張永高

冠狀動脈疾病(coronary artery disease,CAD)作為全球最常見的心血管疾病之一,主要與冠狀動脈斑塊破裂或冠狀動脈狹窄引起的心肌缺血和缺氧有關。目前,冠狀動脈CT血管成像(coronary computed tomography angiography,CCTA)因其高敏感度、陰性預測價值和無創(chuàng)性,已成為可疑CAD的一線檢查手段,尤其是在具有冠心病低至中度風險的患者中[1]。然而,傳統(tǒng)的CCTA僅能提供關于冠狀動脈解剖的信息,對冠脈血流動力學和心肌功能的診斷仍具有局限性。既往有研究結果表明僅通過CCTA評估使有創(chuàng)性的冠狀動脈造影(invasive coronary angiography,ICA)的啟用率增加了50%,其中超過四分之一的患者并無梗阻性冠心病[2]。心肌缺血的存在和程度決定了心血管事件的發(fā)生及預后,并且能夠指導血運重建[3]。因此,除了對冠脈管腔解剖學改變進行評估之外,通常還需要進行功能學檢查,如MRI、SPECT和負荷超聲心動圖[4-5]。但這些功能學評估方法增加了檢查流程,而且也各自具有一定的缺點,如SPECT檢查的輻射劑量高,心臟金屬置入物患者不能進行MRI檢查,超聲心動圖檢查對缺血的檢測高度依賴于超聲醫(yī)師的操作和診斷能力[6]。

近年來,隨著CT技術的不斷發(fā)展,掃描方式從傳統(tǒng)電子束CT發(fā)展到雙源雙能CT,探測器寬度從16排增至320排,圖像的時間和空間分辨率不斷提高,輻射劑量降低,進一步推動CT心肌灌注成像(CT myocardial perfusion imaging,CT-MPI)檢查技術不斷發(fā)展成熟而逐步應用于臨床[7]。心肌灌注是指流經(jīng)心肌組織內冠狀動脈血管網(wǎng)的血流,可反映心肌微循環(huán)的狀態(tài)[8]。

本文將對CT心肌灌注成像的掃描方案、技術特點及診斷方向的新進展予以綜述。

CT心肌灌注成像掃描方案

1.靜態(tài)及動態(tài)CT-MPI

根據(jù)靜脈注射對比劑后掃描時間的不同,有靜態(tài)及動態(tài)兩種CT-MPI方法。靜態(tài)CT-MPI是在對比劑首次通過心肌時采集到單期相圖像,通過觀察單個時間點心肌內對比劑或碘濃度的分布,可間接評估心肌灌注情況[9]。靜態(tài)掃描的主要優(yōu)勢是輻射劑量低且相比于動態(tài)掃描具有不遜色的診斷準確性,但其易受運動及硬化偽影的干擾,因此要回顧分析多個心動周期的圖像以區(qū)分真正的灌注缺損與偽影。常規(guī)靜態(tài)CT-MPI只能做視覺定性及半定量(跨壁灌注率)評估。既往有研究表明,目測法評估較跨壁灌注率(transmural perfusion ratio,TPR)的診斷效能更高[10],但這種定性評估高度依賴于正常灌注區(qū)作為參考,因此不利于整體灌注減低人群中對心肌缺血區(qū)的檢出[11]。動態(tài)CT-MPI是注射對比劑后掃描一系列CT圖像,可顯示心肌內對比劑流入和流出的全過程。通過在注射后不同時間點的連續(xù)采樣,按心肌碘分布的動態(tài)變化,可獲得時間-密度曲線(time-attenuation curve,TAC)。TAC的數(shù)學模型可以精確量化心肌灌注程度。相較于靜態(tài)CT-MPI,動態(tài)掃描可進行定量評估,如測量心肌血流量(myocardial blood flow,MBF)、血容量(myocardial blood volume,MBV)和平均通過時間(mean transit time,MTT)等定量參數(shù),提高了對心肌缺血的診斷敏感性及準確性,但檢查的輻射劑量也相應增高[12]。

2.靜息及負荷掃描方案

心肌灌注缺損可以通過心肌中對比劑濃度的降低來識別。在穩(wěn)定的冠心病環(huán)境中,基于機體的自我調節(jié)機制,心外膜冠狀動脈狹窄導致小動脈前和小動脈遠端的阻力降低,以維持心肌的血液供應[13]。靜息狀態(tài)下,心外膜冠狀動脈管腔內徑狹窄達90%時,MBF仍可保持正常。然而,在負荷狀態(tài)下,冠狀動脈血管擴張,MBF增加數(shù)倍,導致冠脈狹窄區(qū)域心肌產(chǎn)生“被竊血”現(xiàn)象,當血液分流嚴重時即表現(xiàn)為心肌缺血。因此負荷態(tài)掃描對于心肌功能的評估尤為重要。

CT-MPI掃描流程通常分為兩種:①靜息態(tài)CCTA、負荷CT-MPI掃描;②負荷CT-MPI、靜息態(tài)CCTA。在以上掃描結束后還可間隔5~10 min再進行延遲期掃描。對于輕癥患者,推薦首先進行靜息CCTA掃描,以評估冠脈血管狹窄程度,如果結果提示為輕度或無狹窄患者,則可避免進行不必要的負荷檢查。但對比劑的殘留污染會對負荷CT-MPI的檢查結果產(chǎn)生影響,因此二種檢查之間應間隔20 min,以充分完成對比劑洗脫。對于高度懷疑冠心病的患者,則建議優(yōu)先進行負荷CT-MPI掃描,這樣不會受到對比劑的影響,對缺血的敏感性更高。延遲掃描是一種簡易的評估心肌存活情況、檢出心肌梗死和纖維化的技術。正常心肌在延遲強化時表現(xiàn)為強化程度逐漸減弱,而梗死心肌由于細胞膜的破壞,對比劑滲透進入逐漸擴大的心肌細胞外間隙并聚積,對比劑清除時間較正常心肌慢,因此梗死心肌呈高密度[14]。

技術方面的應用和進展

1.低劑量掃描

CCTA和CT-MPI分別掃描會增加對比劑的使用量和輻射劑量。尤其動態(tài)CT-MPI涉及多個連續(xù)相位的采集,因此輻射劑量是影響CT-MPI推廣使用的一個重要問題。有文獻報道負荷動態(tài)CT-MPI掃描方案的有效輻射劑量范圍為9.1~17.7 mSv,靜態(tài)CT-MPI為0.93~9.8 mSv[15]。因此降低輻射劑量,同時保持血流定量成像的準確性是目前技術方面的首要任務。Yi等[16]采用第三代雙源CT機在管電壓70 kV和管電流300 mAs條件下進行CT-MPI檢查,并從中提取單期圖像重建獲得CCTA圖像,實現(xiàn)低劑量“一站式”掃描。將CT-MPI與單期CCTA結合,對冠脈血流動力學異常的診斷符合率高達90.2%,而且將CT-MPI基于血管的診斷敏感度和陰性預測值分別從77.8%和88.1%提高至84.1%和91.2%,且該研究中平均有效輻射劑量僅為3.85 mSv。Liu等[17]在寬體探測器CT機前瞻性靜態(tài)CT-MPI研究中,與120 kV組(傳統(tǒng)CCTA)相比,80 kV組(“一站式”CT-MPI)的輻射劑量和對比劑用量分別減少了11.5%和3.7%,使用“一站式”CT-MPI檢查可以在不損失主要冠狀動脈圖像質量的情況下,獲得有關心肌灌注和心臟功能的額外診斷信息,并且在高心率組結論一致。高心率時由于運動所致的階梯狀錯位偽影可顯著影響圖像質量,其是影響CCTA圖像質量的主要原因之一。256排CT機具有160 mm寬的探測器覆蓋范圍結合0.28 s/r的機架轉速,可實現(xiàn)單次心跳周期內完成圖像采集。其次,心臟冷凍技術(snapshot freeze,SSF)可能在校正運動偽影和提高時間分辨率方面具有重要意義,以及ASIR-V算法進一步優(yōu)化了圖像質量,使得低劑量“一站式”CT-MPI檢查成為可能[18-19]。M?ller等[20]首次指出通過降低CT-MPI采樣率,可減低輻射劑量且不影響動態(tài)CT-MPI心肌MBF值的評估。每2個R-R間期(2RR)的采集方案導致平均有效輻射劑量在靜息和負荷CT-MPI時分別為(5.7±1.8)和(6.0±2.0) mSv。使用2R-R或3R-R采樣率,輻射劑量分別降低35.4%±3.8%和47.3%±5.1%。

需要指出,目前大多數(shù)有關低劑量CT-MPI掃描的研究主要針對的是正常體重的患者,低管電壓及一站式CT-MPI掃描對大體重患者是否同樣有效尚待進一步研究。

2.人工智能技術的應用

在心臟成像領域,人工智能技術在圖像采集、圖像報告至預后分層等方面均具有較高的應用價值。van Hamersvelt等[21]對冠脈中度狹窄患者的CCTA圖像采用深度學習(deep-learning,DL)方法提取左心室心肌的形狀、紋理和對比增強等信息的編碼特征,指出管腔狹窄程度結合心肌紋理特征的DL分析可以提高對中度冠狀動脈狹窄患者心肌缺血預測的特異度。近期,Muscogiuri等[22]的研究中以血流儲備分數(shù)(fractional flow reserve,FFR)為金標準,運用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡DL算法進一步對112例患者的靜息和負荷狀態(tài)下的CT-MPI數(shù)據(jù)集進行訓練以預測心肌缺血,結果顯示DL算法對心肌缺血的診斷具有較高的診斷準確性且分析時間更短(<1 min)。將靜息和負荷CT-MPI的DL分析結果與CCTA診斷結果相結合后,對心肌缺血的診斷效能得到明顯的提高。DL算法分析結果的AUC、診斷符合率和陰性預測值分別為96%、84%和100%。Han等[23]基于機器學習方法分析了252例疑似冠心病患者的靜息CT-MPI數(shù)據(jù),其研究結果顯示,在CCTA信息中加入靜息CT-MRI資料后,診斷冠脈功能性顯著狹窄的AUC顯著增加,從0.68(95%CI:0.62~0.74)增加至0.75(95%CI:0.69~0.81),預測心肌缺血有良好的增益。

人工智能技術在心血管影像領域的應用已有眾多研究,憑借其強大的數(shù)據(jù)分析能力,不僅能快速地完成圖像分析步驟,從而達到節(jié)約時間成本、提高診斷準確性的目的,而且也逐步進入預測疾病預后和輔助診療決策等臨床應用領域。然而,人工智能技術在心肌灌注領域的應用還屬于初步階段,且目前的大多數(shù)研究為小樣本數(shù)據(jù),未來還需要更大樣本量的多中心研究以進一步驗證及擴大人工智能技術在診斷心肌缺血方面的應用。

3.雙能量CT技術

雙能CT(dual-energy computed tomography,DECT)同時使用高能和低能X射線,允許根據(jù)不同能量水平下的唯一衰減值對材料和組織的特征進行量化[24]。雙能CT-MPI與傳統(tǒng)的基于CT值的診斷相比,灌注成像中在碘密度圖上圖像對比度的增加更明顯,有助于更直觀地評估心肌的血流灌注情況和潛在的缺血或梗死區(qū)[25]。近年來DECT在CT-MPI的應用也從定性評估拓展到定量評估[26]。Ruiz-Muoz等[27]首次從基于CT的碘圖像中對TPR、心肌灌注儲備指數(shù)(myocardial perfusion reserve index,MPRI)和平均密度衰減(mean attenuation density,MA)進行了定量分析,顯示基于雙能量碘圖的TPR識別心肌缺血的敏感度較常規(guī)閱片分析(視覺評估)更高,評估效果更佳。此外,雙能量CT碘圖可以減少圖像偽影的干擾,減少假陰性率,對心肌視覺評估效果優(yōu)于單能量CT。van Assen等[28]以心臟MRI為對照,評估靜息-負荷DECT碘定量在鑒別正常、缺血和梗死心肌方面的潛力,研究結果顯示在靜息態(tài)及負荷態(tài)時缺血及梗死心肌的碘值均顯著低于正常心肌,碘值1.0 mg/mL是鑒別心肌缺血和梗死的最佳閾值。Scherer等[29]首次使用雙層光譜CT機對健康豬模型靜息狀態(tài)下的心肌血流動力學情況進行了定量分析,得出低能量虛擬Mono-Kev圖像和碘密度圖在顯示造影劑通過后的心肌密度改變方面優(yōu)于常規(guī)CT圖像。此外,使用半靜態(tài)兩次激發(fā)方法定量評估心肌達峰碘值的效能良好,而且作者推測通過對數(shù)據(jù)的建??蓪Ρ葎┑挠昧炕驖舛仍黾?倍。由于此研究中使用的CT機僅提供4.0 cm的探測器覆蓋范圍,對心肌檢查范圍有限,可能會遺漏部分血流灌注缺損區(qū)域。未來還需要在更高端的多參數(shù)功能CT機上做進一步探索。

DECT的應用豐富了靜態(tài)CT-MPI的量化指標,并在一定程度上提升了視覺評估的準確性。未來需要更大的多中心研究來進一步驗證DECT在CT-MPI方面的診斷準確性。而且,由于此項檢查的輻射劑量相較于單能量CT掃描有所提高,因此有必要進一步細化和準確選擇受益人群。

診斷方面的應用和進展

1.與CT-血流儲備分數(shù)的對比

鑒于CCTA在可疑或確診冠心病患者的應用越來越多,從單個CCTA評估解剖和血流動力學意義的能力有可能加強和簡化風險分層和臨床決策。近年來,基于CT對心肌功能進行評估的技術除了心肌灌注成像,應用最廣泛、最有前景的是基于CT的血流儲備分數(shù)(CT-FFR)定量分析技術,使用傳統(tǒng)的CCTA數(shù)據(jù)模擬特定病變的FFR值[30]。在最新的一項中國多中心臨床研究中,對338例疑似冠心病患者的CTA和侵入性FFR測量數(shù)據(jù)進行了回顧性分析,基于每支血管的CT-FFR的診斷符合率為91%,并且在冠脈中度狹窄、CT-FFR為0.76~0.80(灰區(qū))及高鈣化積分(≥400)人群中也具有較高的診斷符合率[31]。

動態(tài)CT-MPI可以定量心肌MBF的絕對值,對診斷缺血性冠狀動脈狹窄具有很高的準確性。然而,它的缺點是需要額外的圖像采集和使用血管擴張劑,這導致相對較高的輻射劑量和對比劑消耗[32]。CT-FFR只能提供心外膜下冠狀動脈病變的信息,不能直接測量左室心肌水平的微血管疾病,尤其在存在冠脈彌漫性鈣化病變或圖像質量受損的情況下,其臨床價值可能有限[33]。因此二者的最佳適用條件及診斷準確性的對比是近年來的主要研究方向。Li等[32]對86例患者的157支冠脈目標血管的分析中發(fā)現(xiàn),動態(tài)CT心肌灌注成像獲得的心肌MBF值在識別心肌缺血病變方面優(yōu)于基于機器學習方法獲得的CT-FFR值,尤其是對于冠脈中度狹窄的患者。Coenen等[34]的研究結果顯示CT-MPI和CT-FFR在檢出功能性顯著冠心病方面的準確性相當,二者聯(lián)合后可進一步提高診斷準確性。Dai等[35]對CT-FFR和CT-MPI進行了對比研究,首次提示對于血管橫斷面圖像上管壁鈣化范圍>180°的病變,CT-FFR的診斷能力明顯較差,因此病變處的鈣化形態(tài)可能是指導評估冠脈狹窄血流動力學方法的重要參數(shù)。Yu等[36]對142例具有中高度冠心病風險的患者行動態(tài)CT-MPI、CT-FFR及斑塊分析并對其進行至少1年的隨訪,結果顯示MBF值對主要不良心血管事件(major adverse car-diovascular events,MACE)的預測效能最佳,并且在預測不良臨床結局事件方面優(yōu)于高危斑塊征象及CT-FFR。

CT-FFR測量與CT-MPI是相輔相成而不是互為競爭的關系,未來需要進一步探索兩者的最佳適用及補充條件,尤其是對于高鈣斑負荷、支架術后及微循環(huán)障礙的患者。

2.特殊類型心肌病

心臟淀粉樣變性(cardiac amyloidosis,CA)的病理特征是淀粉樣蛋白在心肌組織中沉積,導致心壁進行性增厚和舒張期功能障礙[37]。雖然目前CA的首選無創(chuàng)性檢測手段是MRI。但Chevance等[38]采用DECT機行CCTA及延遲增強掃描,得出心肌碘濃度對CA患者心肌受累情況具有良好的診斷效能,因此對于疑似CA患者,如存在心臟MRI檢查禁忌證,DECT可能可以作為一種替代診斷工具。而Deux等[39]首次將動態(tài)CT-MPI聯(lián)合延遲掃描應用于CA患者的心肌功能及預后評估,結果顯示:無論淀粉樣變性的類型如何,均存在冠狀動脈微血管分支功能障礙,心肌細胞外體積(extracellular volume,ECV)顯著增加,而且ECV和CT灌注參數(shù)與CA患者的預后相關。該研究拓展了CT-MPI的應用范圍,對常見的冠心病至少見的心肌病的診斷都具有較高的臨床意義。

目前CT-MPI對缺血性心肌損傷以外的領域研究甚少,未來還需要對其在其它類型心肌病診斷方面的作用進行探索。

3.對預后的預測價值

CT-MPI不僅在心肌缺血或梗死的診斷中具有較高的臨床價值,對于冠心病及支架置入術后患者的預后評估方面也具有較高的臨床價值。

Dewey等[40]在CORE-320多中心研究中對于疑似冠狀動脈疾病的患者進行5年MACE隨訪,該研究指出CTA-CTP聯(lián)合評估與ICA-SPECT聯(lián)合評估的5年預后結果相似。因此,考慮到CT的非侵入性,以及操作的便攜性,CTA-CTP的組合可能是評估可疑冠心病患者預后的優(yōu)質方案。van Assen等[41]對81例冠心病患者行CCTA、CT-MPI檢查和CT-FFR分析,分別在6、12和18個月后隨訪MACE,結果顯示:相較于CCTA和CT-FFR,動態(tài)CT-MPI對MACE的預后價值最高,且與臨床危險因素無顯著相關性。Nakamura等[42]指出在支架植入術后、重度鈣化以及梗阻性CAD患者組中,相較于CCTA,動態(tài)負荷CT-MPI+延遲強化對預后評估具有較高的價值,并且延遲強化掃描有助于鑒別缺血及瘢痕心肌,二者是產(chǎn)生不良預后的獨立預測因子,可能在預后分層中有互補作用。

經(jīng)皮冠狀動脈介入治療(percutaneous coronary intervention,PCI)是目前全世界范圍內治療冠心病的最常見的血管重建術。相較于心肌梗死,心肌缺血患者更有可能從早期血運重建中受益。然而,并不是所有患者都能完全恢復缺血心肌的MBF,因此對PCI術后的檢測也尤為重要[43-44]。由于金屬支架產(chǎn)生偽影的影響,CCTA對支架內管腔的評估效果欠佳[45]。Andreini等[46]對150例支架置入術后患者進行評估,結果顯示在支架內再狹窄的診斷中CT-MPI的特異性及診斷準確性均高于CCTA,而且冠脈CTA聯(lián)合靜態(tài)負荷CT-MPI的輻射劑量僅為(4.15±1.50) mSv。在藥物洗脫支架時代,與裸金屬支架相比,支架內再狹窄的發(fā)生率顯著降低,但PCI術后患者出現(xiàn)心絞痛或不典型胸痛的情況也并不少見。Li等[47]通過對37例支架通暢但出現(xiàn)心前區(qū)不適的患者進行研究,認為動態(tài)CT-MPI在識別此類人群中潛在的微血管功能障礙方面可能是一種較傳統(tǒng)臨床參數(shù)更有價值的方法。此外,Kim等[48]從經(jīng)濟角度對PCI術后可疑梗阻性CAD或支架內再狹窄病變的成本-效益進行分析,發(fā)現(xiàn)CT-MPI具有良好的成本-效益。

CT-MPI是唯一一中可以同時獲得心臟解剖學和功能學信息的非侵入性檢查方法。在技術方面:不同重建算法在保證圖像質量的同時實現(xiàn)低輻射劑量掃描;人工智能技術的應用在保證診斷準確性的同時縮短了診斷分析時間;雙能量掃描模式可以使得靜態(tài)CT-MPI具有定量評估能力并且能提高定性評估價值。在診斷方面:相較于CT-FFR應用條件更寬,診斷準確性更高;聯(lián)合延遲掃描對于心肌淀粉樣變性的診斷及死亡率的預測方面具有較高價值;對于冠心病及支架置入術后患者,可以評估其預后并指導臨床決策。由于CT-MPI在冠心病中的應用價值既往已有較多文獻對其進行了分析和總結,故本文未對此領域予以綜述。

綜上所述,CT心肌灌注在技術及診斷方面的應用價值已被多方面研究。除了輻射劑量及掃描流程的復雜性,目前技術、方法、以及個體間的差異也是限制CT-MPI普適性發(fā)展的主要原因。未來需要更多前瞻性的多中心研究來驗證CT-MPI的穩(wěn)定性和可重復性。

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