心脏功能学CT 成像技术的研究及应用现状

赵娜、高扬综述，吕滨审校

伴随医疗科技的发展、个体化及精准医疗需求的提升，心脏功能学评估的重要意义被广泛认知。2018 欧洲心脏病学会（ESC）与欧洲心胸外科协会（EACTS）联合发布的指南推荐，对冠心病患者实施有创操作前进行心肌功能学评估[1]。冠状动脉CT血管成像技术（CCTA）是心血管领域不可或缺的影像学检查方法，对解剖性冠状动脉病变具有良好的敏感度，被英国国家卫生与临床优化研究所（NICE）指南推荐为稳定性心绞痛患者的一线影像学检查技术[2-3]。除此公认的解剖学诊断优势外，CT 在心脏功能学成像领域的研究及应用日益增多。病变解剖学与功能学信息结合，使CCTA 在冠心病患者临床决策、预后评估等方面发挥重要作用。目前，基于CT 成像的心肌血流储备分数（FFR CT）技术和CT 心肌灌注成像（CTP）技术是心脏功能学CT 成像技术中最为关注且发展较为迅速的两大技术。本文就此对两种功能学CT 成像技术的原理、诊断效能、研究及临床应用现状进行阐述。

1 基于FFR CT 技术

1.1 FFR CT 成像原理及技术

心肌血流储备分数（FFR）是某狭窄冠状动脉所供血心肌的最大充血血流量与假设该血管正常时所供血心肌的最大充血血流量之比[4]。目前多认为，FFR 定义病变导致心肌缺血的阈值为0.80。冠状动脉造影（ICA）检查中测量FFR，对病变的解剖与功能学意义进行同时评估，已经成为诊断冠状动脉病变导致心肌缺血的金标准，并被用于指导患者临床决策[5-6]。FFR CT，即基于CT 成像的无创FFR 测量，在CT 成像的基础上建立冠状动脉模型，同时结合计算流体力学原理模拟冠状动脉在最大充血状态下的血流情况，从而实现对冠状动脉血流和压力的预测，而无需额外的对比剂使用或增加辐射剂量。FFR CT（Heart Flow，美国）是目前基于流体力学原理建立的唯一商业化应用的FFR 测量产品。同时，在大数据时代背景下，人工智能（AI）技术也被应用于FFR CT计算，或是将AI 应用到基于计算流体力学FFR CT 测量的过程中以精简计算时间、优化计算结果；或是应用计算机深度学习对原始影像数据进行特征提取及分析、建立影像与有创FFR 测量值间的直接联系，进而由原始图像对FFR CT 进行测量[7]，总之AI 正在发挥更大的作用。最新发表的一项研究对基于计算流体力学及基于机器深度学习的两种FFR CT 测量方法的诊断效能进行了比较，结果显示，两者对于具有血流动力学意义的冠状动脉病变的诊断效能并无明显差异，但基于机器学习的FFR CT 测量所需时间显著缩短[8]。

1.2 FFR CT 的诊断效能

FFR CT 良好的诊断效能早在2015 年以前就被多项针对稳定性冠心病患者的前瞻性多中心临床试验所验证。DISCOVER-FLOW、DeFACTO、NXT 三项大型多中心临床试验以ICA FFR 为金标准，对609 例患者共1 050 支冠状动脉进行FFR CT 测量并探究其诊断效能。研究均发现FFR CT 对于冠状动脉缺血性病变的诊断效能明显高于仅对血管狭窄程度进行解剖学评估的CCTA 检查[9-11]。其中，DISCOVER-FLOW 研究表明，较之于CCTA 单独应用，CCTA 与FFR CT 相结合明显提高了CT 对冠心病的诊断准确率（84% vs.59%），以特异度提高更为显著（84% vs.40%），敏感度变化不明显（87% vs.91%）[9]。

除探究FFR CT 诊断效能等基本问题外，这三大临床试验还对影响FFR CT 诊断准确性的细节问题进行了初步探讨。DeFACTO 研究发现，FFR CT对冠状动脉严重钙化（钙化积分＞400 分）病变导致心肌缺血的诊断特异度较CCTA 明显提高，而敏感度不受影响[12]。但需要注意的是，该研究纳入的冠状动脉严重钙化病例较少，钙化积分＞1 000 分的病例则更少。因此钙化对于FFR CT 诊断准确性的影响究竟如何，还需要后续研究验证。同样，冠状动脉弥漫性病变对FFR CT 诊断准确性的影响亦不明确。Tanaka 等[13]基于NXT 临床试验、以ICA FFR 为参考标准，探究FFR CT 对缺血性冠状动脉弥漫性病变的诊断效能后发现，FFR CT 在一定程度上低估了弥漫性病变的血流动力学意义，但弥漫性病变近、远端的FFR CT 差值与相对应的ICA FFR差值间具有高度相关性。然而该研究仅纳入18 支病变血管，样本量较小。

1.3 FFR CT 的临床应用

随着大量支持性研究证据的出现，FFR CT 对于冠状动脉缺血性病变良好的诊断效能逐渐被广泛认可，FFR CT 相关研究更多地向患者获益及预后评估等临床应用方向转变。Eftekhari 等[14]同样以ICA FFR 为金标准，探究FFR CT 在高血压、糖尿病、高血压合并糖尿病患者中对于冠状动脉缺血性病变的诊断效能。研究显示，FFR CT 的诊断效能并不受患者基础疾病的影响。由此可见，FFR CT 的受众范围较广，其应用推广能够使更多患者受益。

不仅如此，FFR CT 的使用还可能会对患者危险分层、临床决策、预后评估等产生影响。Collet 等[15]对SYNTAX Ⅱ试验中冠状动脉三支病变患者进行无创功能性SYNTAX 积分（SS）评估的可行性研究，发现基于FFR CT 的无创功能学SS 评估能够得到与基于ICA FFR 功能学SS 评估相似的结果，并且经前者评估后约30%中高危患者被重新划分为低风险级别。Curzen 等[16]研究发现，依据FFR CT 评估结果，大约77%的中度狭窄（51%～70%）和46%的重度狭窄（71%～90%）患者并不存在心肌缺血。该结果也使此研究约36%的患者临床决策发生变化：采取药物治疗者增加23%，行经皮冠状动脉介入治疗（PCI）者减少5%，拟行冠状动脉旁路移植术（CABG）者增加0.5%。Colleran 等[17]同样发现FFR CT 的应用能够在一定程度上改变患者的诊疗路径及指导临床决策。Colleran 等[17]将PLATFORM（一项关于FFR CT 的前瞻性纵向研究）试验中德国研究中心的116例拟行ICA 冠心病患者分为两组，一组行CCTA+FFR CT+必要时ICA 检查，另一组则按常规诊疗流程行拟定的ICA 检查，并在ICA 术后对患者进行1年随访，比较两组患者的临床结局及经济学获益。研究发现，以术前CCTA、FFR CT 指导ICA 检查能够明显降低ICA 的阴性率，患者所接受的辐射剂量及医疗费用也较对照组降低，术后生活质量亦得到提高。

不仅如此，在科技飞速发展的今天，FFR CT与其他计算机技术的碰撞产生了许多更加新颖的“火花”。Kim 等[18]前瞻性纳入44 例先后行CCTA、ICA 及PCI 的冠心病患者，记录术中支架置入前后的FFR 值，同时使用CCTA 图像建立冠状动脉模型模拟支架置入前后的血流动力学情况、获得“虚拟支架置入”前后相对应的FFR CT 值。数据分析后发现，基于计算机的“虚拟支架置入”前后的FFR CT值与ICA 支架置入前后的FFR 值一致性较好。基于计算机冠状动脉“虚拟支架”技术及FFR CT，临床医生能够在ICA 术前针对患者靶病变制定详细而精准的支架治疗方案，同时又可以良好地预测支架置入术后靶血管的血流改善情况[18-19]。由此可见，FFR CT 的临床应用前景十分广阔，绝不仅限于人们目前对FFR CT 研究和应用的认知，未来可期。

2 CTP

2.1 CTP 的成像原理及技术

心肌灌注是反映流经心肌内冠状动脉血管网的血流，即血流从小动脉流入、经毛细血管到静脉流出过程的检查[20]。CTP 分为静态和动态心肌灌注成像两种技术。静态CTP 检查是在团注对比剂后一定时期进行单次心肌CT 扫描。它通过对心肌内碘分布的评估（心肌CT 值的大小）反映心肌灌注的情况，又称为静态心肌血池成像。静态CTP 图像中密度低于左心室正常心肌节段的部分被认为存在灌注缺损。但这种评估是定性的，且依赖于与周边正常心肌组织的对比，因此准确性较低，当心肌灌注弥漫性减低时极易出现漏诊。而动态CTP 成像是在团注碘对比剂后，快速同层动态扫描获得多个连续图像，根据不同时间点心肌内对比剂浓度的变化获得时间密度曲线，从而计算相关参数来定量评价组织灌注情况。常用的定量参数有：平均通过时间（MTT）、心肌血容量（MBV）、心肌血流量（MBF）等。动态心肌灌注的定量分析使结果更加精确、可靠，优于静态CTP 成像技术，对于高度钙化、心肌弥漫性缺血或血管重建后的患者应用价值较大。

2.2 CTP 的诊断效能

大量研究表明，CTP 对于检测因血管狭窄、血流受限引起的心肌灌注缺损具有较高的准确性。Cury 等[21]纳入124 例同时行静息+负荷核医学SPECT（单光子发射计算机断层成像）检查以及负荷+静息CTP 检查（静息CTP 图像中可以提取CCTA图像）的冠心病患者，结果发现，在检测或排除可逆性心肌缺血方面，负荷CTP 的敏感度和特异度分别为0.90、0.84，并不劣于SPECT；以SPECT 为参照标准时，负荷CTP 对缺血病变的诊断准确度明显高于CCTA（0.85 vs.0.69）。约翰霍夫金斯大学学者进行的一项多中心头对头病例对照研究（CORE320）以ICA 评估的冠状动脉解剖学狭窄率为标准，比较CTP 与SPECT 对于有意义狭窄（≥50%）的诊断效能后发现，CTP 对于有意义解剖学狭窄病变的诊断效能优于SPECT，尤其是对于左主干病变以及多支病变的诊断敏感度较高[22]。此外，还有研究比较CTP与MRI 心肌灌注显像对缺血病变的诊断效能，亦得出CTP 与之相媲美的结论[21，23]。

2.3 CTP 的临床应用

CTP 具有良好的心脏功能学评估价值，对于冠心病患者不良心血管事件的发生具有一定预测价值。一项多中心临床试验对行CTP 检查、已确诊或疑诊冠心病的144 例患者随访18 个月，以观察主要不良心血管事件（心原性死亡、非致死性心肌梗死，需要住院治疗的不稳定心绞痛，血管重建PCI 或CABG）的发生情况[24]。研究者发现，随着CTP 灌注缺损区域数量的增加，患者出现不良心血管事件的风险也有明显增加的趋势。

不仅如此，由于具有对心肌血流量、血容量等参数的定量评估能力[25]，CTP 在心肌微循环病变的检测、诊断方面也具有重要意义。既往研究显示，女性较男性更容易罹患非冠状动脉阻塞性冠心病[26-27]。因此，将CTP 纳入冠心病患者的临床诊疗路径中，更好地提高影像学对心肌缺血病变的诊断效能，对于女性患者意义尤其重大。

3 FFR CT 与CTP 的各自优势及临床应用选择

同属于功能学CT 成像技术，FFR CT 与CTP在疾病诊断、事件预测、临床应用等各个方面的比较一直为学者们所关注。目前已有部分研究以ICA FFR 为参考标准，对两者诊断缺血性病变的效能进行研究。Yang 等[28]纳入72 例行静息-负荷CTP 及ICA FFR 检查的冠心病患者，并于静息CTP 图像中提取CCTA 图像以计算FFR CT，比较CTP、FFR CT对于缺血性病变的诊断效能。研究发现，CTA+CTP、CTA+FFR CT 的诊断效能非常相近（CTA+FFR CT：AUC=0.919，CTA+CTP：AUC=0.913）。Coenen 等[29]同样以ICA FFR 为参照，对两者进行比较研究后得出相近结论：CTP 和FFR CT 对于缺血性病变的敏感度（73% vs.82%）、特异度（68% vs.60%）、诊断准确度相当（70% vs.70%）；两者联合应用的诊断效能（准确度79%，AUC=0.85）较CTP 或FFR CT 单独相比提高。更重要的是，两者联合应用对灰色区域病变（FFR 在0.75～0.85）的诊断准确率明显提高（55%vs.77%），对于灰区病变的解释同样具有重要意义。

就方法学而言，CTP、FFR CT 各具优势：CTP成像着眼于心肌血供情况，对心肌灌注相关参数进行定性或定量分析，反映心脏大血管及微血管病变，而不受血管钙化斑块或移动伪影的影响；FFR CT 则无需进行负荷检查，仅静息状态下单期扫描即能获得相关信息、反映特定病变的血流动力学情况。因此，在总结现有研究成果的基础上，部分学者认为，临床应用中对于冠状动脉CTA 不能满足诊断要求（钙化或伪影重）、狭窄程度不够明确以及怀疑微循环病变的患者可首选CTP 检查；反之，对于冠状动脉CTA 图像良好、狭窄程度在30%～90%之间的患者则可首选FFR CT 检查。

4 FFR CT 与CTP 目前存在的问题及未来展望

尽管在研究中CTP 及FFRCT 显示出良好的诊断效能以及对于临床工作的指导价值，但目前仍有许多问题未得到解决。例如，对于FFR CT 结果的合理解释和应用，尤其当FFR CT 值在0.75～0.80（“灰区”）时，如何合理使用患者的临床及影像学信息对病变性质进行分析以指导后续诊疗工作尚无定论。图像伪影、钙化斑块以及冠状动脉弥漫性病变、分叉病变等对FFR CT 诊断效能影响的研究数据较少。CTP 成像，尤其是动态负荷CTP，导致患者接受辐射剂量增加。由于相关研究数据的缺乏，目前CTP 诊断价值较高的定量参数（如MBF、MBV 等）在正常与病变心肌间的最佳截断值尚不可知。因此，在未来工作中要继续完善相关研究，横向拓宽对CTP 及FFR CT 内在性质的了解，弥补相应研究和应用领域的空缺。同时，还要纵向延伸加强CTP、FFR CT 两大心脏功能学CT 成像技术与其他心血管技术的联合应用，增加对临床问题的解决能力。如前文所述，FFR CT 与CTP 联合应用，可使影像学检查对于“灰区”病变的诊断效能得到一定提高，较多研究已经证实FFR CT（≤0.7）、CTP（MBF）与CCTA（狭窄≥50%）三者联合应用对于具有血流动力学意义冠状动脉粥样硬化病变的诊断效能较高（AUC=0.92～0.94）[28，30]。而CCTA 的价值亦不仅限于提供基础的解剖学狭窄信息，还可以在一定程度上分析冠状动脉粥样硬化斑块的成分及易损特征，并能通过计算流体力学模型评估血管剪切力、斑块轴向应力等其他指征血流动力学情况的功能学指标。与此同时，伴随大数据时代的到来，AI 技术的迅速发展也为医疗科技的进步提供了契机。AI 技术的加入，不仅能提高影像信息的利用率、为实现精准诊疗助力，而且还更加节省大量人力、时间。因此，在将来的研究中可尝试将各技术的优势相联合，最大程度提取、融合、利用心血管CT 技术所能提供的解剖学及功能学信息，充分发挥无创影像学检查的自身优势以指导临床诊疗、预测心血管事件及评估预后，这将是心血管影像领域不断进步的目标。“道阻且长，行则将至” 。

利益冲突：所有作者均声明不存在利益冲突