基于冠脈造影圖像的預測心肌血流儲備分數(shù)（FFR）方法的研究進展

雙東思 汪敏 郭卉 蘇唏

·綜述·

基于冠脈造影圖像的預測心肌血流儲備分數(shù)（FFR）方法的研究進展

雙東思 汪敏 郭卉 蘇唏

冠狀動脈造影是診斷冠心病的金標準，但是冠脈造影存在固有的缺陷，不能準確的反映血流動力學改變。因此應該尋找一種替代工具，能充分利用造影各項相關指標識別病變功能，改善臨床預后。目前有三種方法：（1）柏肅葉等式。（2）FAST評分。（3）密度法。

心肌血流儲備分數(shù)；經(jīng)皮冠狀動脈介入治療

冠狀動脈造影（coronary angiography，CAG）是診斷冠心病的金標準，但是冠脈造影存在固有的缺陷，不能準確的反映血流動力學改變。1993年Pijs等[1]提出了測定冠狀動脈內(nèi)壓力評價心肌血流儲備分數(shù)（myocardial fractional flow reserve，F(xiàn)FR），F(xiàn)FR可以識別引起心肌缺血的靶血管和靶病變，更準確地評價病變的血流動力學改變，是一個可靠的反映心肌缺血指標，成為診斷多支病變和指導其治療方案抉擇的新的理想指標。FAME[2]系列研究等結果證實了基于FFR的經(jīng)皮冠狀動脈介入治療（percutaneous coronary intervention，PCI）治療改善預后。對于無缺血證據(jù)或FFR≥0.8狹窄病變首先考慮藥物治療；對FFR＜0.8的狹窄病變應行功能性完全血運重建。但是FFR測定增加手術時間和手術費用，在臨床應用受到很大的限制。因此應該尋找一種替代工具，能充分利用造影各項相關指標識別病變功能，改善臨床預后。目前有三種方法：（1）柏肅葉等式。（2）FAST（FFR angiographic scoring tool）評分。（3）密度法。前2種方法相對比較簡單，但是準確性差，最后一種方法繁瑣，計算復雜，特別是相對FFR的測定非常具有吸引力。

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度（lesion lengh，LL）/最小管腔直徑4（minimal lumen diameter，MLD），LL/MLD4=12為截斷值，≤12預測FFR≥0.8，其特異性為94%，陰性預測值為82%。其方法優(yōu)于傳統(tǒng)的冠脈造影測量DS(%)。

2 FAST評分

2011年Stephen[4]等開發(fā)出新的FFR造影評分工具（FAST評分）。設計為4個參數(shù)：模糊病變（2分），多支病變（1分），病變長度超過20 mm（1分），量化冠狀動脈造影（Quantitative Coronary Angiography，QCA）法測定直徑狹窄程度（＜40%，0分；

40～49.9%；1分；50～59.9%，2分；≥60%，3分），每個病變最大積分為7分，其截斷值為3分，≥3分，F(xiàn)FR＜0.8；＜3分，F(xiàn)FR＞0.8。FAST評分是一個簡單的評分工具。FAST＞3的敏感性為87.50%，特異性為80.52%，PPV（陽性預測值）為93.94%，NPV（陰性預測值）93.94%，準確性為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脈無病變時血流量的比值。因此需要測量病變段的真實血流量和同一動脈無病變時理論的血流量兩個參數(shù)。病變段的真實血流量可通過首次分布分析技術計算冠狀動脈體積實現(xiàn)，可使用冠體積法推算充血狀態(tài)下無病變時理論的血流量。Molloi[5-7]證實使用密度法準確測量冠脈血流量和冠管腔體積的可行性。以下詳述具體的計算方法和步驟。

3.1 冠體積法推算充血狀態(tài)下無病變時理論的血流量

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

3.1.1 干血流量-冠體積相關性

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

Qn∝L （1）

L∝V3/4（2）

Qn∝V3/4（3）

Qn=kV3/4（4）

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

3.1.2 冠管腔體積的測量

冠狀動脈冠管腔體積采用密度法測量[10]。測量時需要系統(tǒng)標尺將光密度信號轉(zhuǎn)化為碘質(zhì)量[11-12]。將已知碘量的標尺棒在患者的心臟區(qū)域。標尺棒包含很多試管，每個試管內(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。需要校正冠狀動脈和標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。使用時相跟蹤減影術，運用下列等式，將興趣區(qū)（ROI）內(nèi)整體灰度水平轉(zhuǎn)化為動脈管腔體積：

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表示灌注到整個動脈的碘濃度。整個動脈內(nèi)碘濃度假定是跟注射用的造影劑濃度相同。并且假設造影劑以一定的速度注射，造影劑完全代替血液進入冠狀動脈。通過產(chǎn)生的的標尺棒影像，可確定碘質(zhì)量（M）和整合灰度水平（G）為線性相關,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。然后校正心臟和標尺棒之間的放大差別，表達式如下：

Fm=（ΔM×Dh2）/（ΔG×Dc2） （7）

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

3.2 首次通過分布分析技術推算病變段的真實血流量

病變段的真實血流量可使用初次通過分析技術獲得，假設冠狀動脈就像單一輸入的容器。這個模型并不需要假設動脈容器內(nèi)部結構或輸出管道性質(zhì)。但是，必需的假設包括：（1）血流量測定在造影劑開始退出容器（包括微血管）前。（2）造影劑濃度在測量期間是已知的。總的興趣區(qū)（ROI）應包括心肌染色區(qū)，興趣區(qū)（ROI）的選擇對于測量充血血流特別重要。ROI的選擇對于基礎的血流量是準確的，但是將低估最大充血的血流量。測量的血流體積的差異（ΔV）和兩次圖像之間的已指時間（Δt）用于計算絕對的血流體積。

Qd＝ΔV/Δt （8）

ΔV＝A/u1×ΔD1（9）

Qd＝（1/c）×(1/Δt)×(A/u1)×ΔD1 （10）

C代表對比劑濃度。u 1為碘衰減系數(shù)，A代表像素面積。測量時同樣需要系統(tǒng)標尺將光密度信號轉(zhuǎn)化為碘質(zhì)量，u 1和A通過已知碘量的標尺獲得。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密度呈正比。病變段的真實血流量的計算如上。

3.3 絕對FFR和相對FFR的測定

絕對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]結合冠脈CT三維重建證實了使用冠體積法推算充血狀態(tài)下正常血流量的準確性和有效性。其中相對FFR的準確性最高。Zhang Zhang[14]在豬動物模型上證實相對FFR（FFRa）跟FFR（FFRq）線性相關，F(xiàn)FRa=0.86 FFRq＋0.05，r=0.90，P＜0.000 1）。因此如有正常參考動脈的存在，應計算相對FFR，相對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FFR，F(xiàn)FRvn代表正常參考動脈的絕對FFR；Kvn代表病變段的比例系數(shù)，Kvd代表正常參考動脈的比例系數(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FFR可進一步簡化為

FFRVR=（Qvd/ Vvd3/4）/（Qvn/Vvn3/4） （13）

相對FFR準確但是計算繁瑣，計算機圖像技術的進步有助于該技術的進一步發(fā)展。常用的適用于醫(yī)學和生物學領域的圖像分析軟件很多，如美國Media Cybernetics公司開發(fā)的Image Pro Plus（IPP）軟件。IPP軟件以功能強大的優(yōu)勢被廣泛使用。但是使用IPP軟件由于非專為相對FFR測定設計，操作比較繁瑣。同時由于密度法使用時需要制作標尺，標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)出專為密度法測定FFR的軟件以及設計非標尺測定FFR的方法，將加快其臨床使用。如在導管室行冠狀動脈造影的同時不增加額外的操作和費用而能通過計算機圖像分析技術完成FFR的測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