冠状动脉造影之外的几种侵入性冠状动脉影像学技术在治疗冠心病中的应用现状

· 374· 中国医学影像学杂志 2006年第 14卷第5期 Chinese J Med Imaging Vol 14 No 5 2006 · 文献综述 · 冠状动脉造影之外的几种侵入性冠状动脉影像学技术 在治疗冠心病中的应用现状 任堂 刘晓程‘ 黄云洲 李予昕 综述 近 20年来，随着各种冠心病介入治疗技术如高频旋磨术、 定向旋切术及支架植入术的广泛开展，传统的冠状动脉造影技 术的单纯血管腔显像已不能满足临床的需要。一些建立在导 管技术基础上的、利用声学和光学原理的高分辨力冠状动脉影 像技术应运而生并迅速发展，在对冠状动脉管壁解剖及粥样硬 化斑块的微结构研究方面显现出特殊的应用价值。本文总结 了几种侵入性冠状动脉影像技术在冠心病介入治疗中的应用 现状及进展 ，并比较了各自的技术特点。 1 冠状动脉血管内超声(Intravascular Ultrasound。IVUS) 微型化的超声探头借助于导管技术进入冠状动脉进行实 时显像 ，是冠心病介入学领域的一个重大突破。自上世纪 90 年代以来，临床应用明 IVUS对冠状动脉粥样硬化的显示更 准确、更接近实际解剖，被认为是诊断冠状动脉粥样硬化新的 “金”⋯，在冠状动脉造影疑难病变 、左冠状动脉主干病 变、复杂病变的诊断以及介入治疗的方法选择、疗效评价等方 面发挥重要作用。 1．1 冠状动脉粥样硬化斑块的识别 病理研究证实，斑块的 破裂是造成急性冠状动脉综合征的原因。斑块的不稳定性与 冠状动脉造影显示的狭窄程度呈负相关 J。不稳定斑块常常 对应于轻一中度狭窄，多为偏心性斑块，具有较大的脂质池和 薄的纤维帽；相反 ，稳定斑块则常对应于重度狭窄，多为向心性 斑块 ，纤维帽较厚 ，脂质池较小。 IVUS可先于冠状 动脉造影直接观察到早期冠状动脉病 变 。更为重要的是，IVUS可以辨别出几种不同构成的斑块 的声学特征，并可准确评价病变形态、狭窄程度以及斑块分布 情况。以血管外膜回声强度为参考标准，回声低于外膜者为软 斑，回声等于或强于外膜且不伴声影者为纤维斑块，若斑块回 声强于外膜且有声影者为钙化斑块 ，若斑块回声不均且任一成 分均未超过70％者则定义为混合性斑块 J。IVUS的另一个重 要贡献是对斑块的偏心性的描述。偏心指数(最薄处／最厚处 的厚度)<0．5时即称为偏心性斑块。早期的大样本研究结果 显示 ，冠状动脉造影判断为向心性病变的病例，IVUS揭示其 实质斑块的偏心指数为 1．0(真正向心性)至 0．2(高度偏心 性)；相反，在许多冠状动脉造影判断为偏心性的斑块，IVUS观 察却发现实质为向心性。 对危险斑块的早期发现和防治是减少急性冠状动脉综合 征的理想策略。典型不稳定斑块的 IVUS表现为：外层为较薄 的纤维帽，内部包含较大的脂质池。斑块内纤维组织的背向散 射信号强度明显依赖于声束角度，利用这种角度一依赖性的回 声强度变化 ，彩色图像可以更为准确地测定纤维帽厚度 ]。近 年的研究认为，除了纤维 一脂肪性斑块和正性重构外，点灶样 的钙化也是斑块不稳定性的一个不可忽视的表现 ]。 明确斑块成分 、分布及钙化与否对选择治疗方法有很大帮 助。严重钙化的斑块不适合球囊扩张，易引起大的夹层，而导 致急性冠状动脉综合征。偏心性斑块、非钙化斑块或深部钙化 宜选择定向旋切，而表浅钙化病变须实施高频旋磨，方可有效 扩大管腔而不引起夹层分离。 1．2 阐明冠状动脉重构机制 动脉粥样硬化病程中，随着斑 块的增加，血管腔会发生扩张或者缩小，这种现象称为“冠状动 脉重构”(Coronary remodeling) J。随着斑块发展，血管截面积 和内膜面积均扩大者称为正性重构(positive remodeling)；反之 ， 血管皱缩、血管截面积和 内膜 面积均缩小者称 为负性重构 (negative remodeling)。一般认为，重构指数(实际血管外弹力 膜面 计算的外弹力膜面积比值，后者由病变近端和远端外 弹力膜面积相连接构成的斜面及目标切面位置所决定)<0．95 者为负性重构，而 >1．05者为正性重构，0、95—1．05之间为中 间病变。研究表明 ’ ，正性重构者常发生于有较大脂核的偏 心性斑块(不稳定斑块)，多与不稳定心绞痛或急性冠状动脉综 合征有关；负性重构者常为向心性的纤维钙化斑块 ，见于弥漫 性病变，多与稳定性心绞痛有关，而冠状动脉介入治疗术后发 生负性重构则提示再狭窄的可能。Fujii K等 研究认为糖尿 病影响冠状动脉重构，糖尿病与冠状动脉弥漫性病变是冠状动 脉负性重构的独立预测因子。 1．3 评价冠状动脉支架扩张效果及再狭窄 IVUS可提供血 管结构的实时图像 ，从而帮助对复杂病变解剖的理解和介入治 疗效果的评价。在评价支架即刻的扩张效果方面，IVUS是首 选的冠状动脉成像技术，可以发现扩张不全、与血管壁贴合不 紧、支架边缘撕裂等，并可发现支架内早期血栓所致的再狭 窄 ⋯，指导再次介入治疗。软斑块较其他斑块更容易发生支 架后的新生内膜增殖，是支架后再狭窄的最强预测因素 。 1．4 血管内超声三维重建 IVUS的扫描成像特点 ，允许其对 血管结构进行三维重建及定量分析。IVUS三维重建可以直观 显示包括斑块和血管面积在内的冠状动脉解剖信息，有助于临 床对动脉粥样硬化的进展或消退进行定量研究。近年来，一种 称作“活动表面分割” 的自动重建新技术研制成功。该技术 包括力 一加速度技术和邻域 一搜寻技术，用于分析血管腔及中 层、外膜边界，并提供冠状动脉形态学评价以及其他临床分析。 冠脉三维重建需要克服呼吸及心脏搏动的影响，实验证明 ， 血管外弹力层面积在心动周期中可有 12．3-t-7．7％的变化。心 电图触发及呼吸门控解决了这一问 ，可以借助心电图实现同 作者单位 1．300457 天津泰达国际心血管病医院超声科 2．173— 8610 日本国东京日本大学板桥病院循瑕器内科 维普资讯 http://www.cqvip.com 中国医学影像学杂志2006年第 14卷第5期 Chinese J Med Imaging Vol 14 No 5 2006 一 节段血管不同时相的容积分析，使动脉粥样硬化斑块量的消 退或进展的精确评价成为可能 。血液成分较强的背向散射 可导致图像质量下降，是自动或半自动边界检测技术及三维重 建技术的主要限制因素之一。射频超声信号分析技术 的研究 可望解决这一难题。 1．5 射频数据分析及其衍生技术 在血管内超声的基础上研 制的射频数据分析及其衍生技术使病变构成信息的定量分析 与直观视觉化、斑块机械特性分析等多个方向的研究迈出了重 要一步。 1．5．1 血管内超声射频数据分析(intravaseular ultrasound ra— diofrequency data analysis，RF analysis) 单纯 IVUS对斑块仅可 定性为软斑、纤维斑块和钙化斑块 ，利用射频数据分析尚可对 斑块进行准确定量和分析。利用背向散射信号 ，通过典型傅立 叶转换和自动回归模型，重建实时的组织图像 ，对斑块类型的 区分具有更高的敏感性和特异性 。 1．5．2 血管弹性图(elastography) 射频数据分析还可以提供 其他血管功能的定量参数，如用以分析斑块机械特性的血管弹 性图【151。相同压力下 ，不同弹性的组织应变不同，血管弹性图 可以反映 回声相近组织 的应变差 异 。纤 维帽厚度小于 150p~m时，环绕斑块周缘的“肩膀区”周向应力增高，是斑块易 于破裂的区域 。 1．5．3 虚拟组织学(virtual histology，IM) 传统 IVUS是通过 灰阶作为图像显示，而虚拟组织学技术则是利用射频数据分析 鉴别斑块组织成分的不同并加 以彩色编码迭加在灰阶图像 上 ，常用绿色代表纤维组织 ，黄色代表纤维 一脂肪组织，红 色代表坏死 的脂核，白色代表钙化。另外，还可以利用检测 IVUS背向散射信号作冠状动脉斑块和管腔内表面积的三维彩 色重建 ，对动脉粥样硬化的几何学信息加以定量分析。 IVUS进一步结合其它技术则可实现冠状动脉功能及生理 分析，是优于其他技术之处：结合 Doppler频谱分析技术，可得 到冠状动脉内血流动力学的信息 ；结合剪切压图像(shear stress imaging)分析动脉粥样硬化斑块及内膜增生再狭窄的病 理生理机制 ；结合热应变成像(Thermal strain imaging)可分 析斑块的机械特性变化 。因此 ，IVUS诊断冠状动脉粥样硬 化性心脏病，较其他技术具有更广阔的应用前景。 2 冠状动脉血管镜(Ccoronary AⅡgioscopy，CAS) 又称冠状动脉血管内视镜和 比色法(Coronary intravascular angioscopy and colorimetry)，利用光学纤维直接在血管腔内通过 观察血管壁颜色及不规则性状来鉴别斑块和血栓以及溃疡、撕 裂等来弥补冠状动脉造影的不足。CAS需阻断靶血管血流以 制造无血环境 ，增加了引起冠状动脉破裂和血栓形成等并发症 的风险，亦限制了 CAS在冠状动脉主干近端的应用。尽管临床 适应证尚未清晰界定，但 CAS仍作为一种重要研究手段应用于 冠状动脉粥样硬化斑块和血栓的检测。 2．1 评价稳定斑块和不稳定斑块 正常血管壁表现为亮光的 白色，而斑块颜色在血管镜下可为白色和黄色。含脂质的多少 可以从斑块表面的颜色变化加以鉴别。平滑的白色斑块带有 厚的纤维帽，多为稳定斑块；黄色斑块富含脂质 ，覆盖薄的纤维 帽，多为易损斑块 。Thieme等 认为，斑块黄色的深浅程 度可以作为斑块不稳定性的一个半定量标志，斑块黄色强度与 血栓的发生率高度相关。 2．2 检测冠状动脉内血栓 冠状动脉血管镜在研究冠状动脉 内血栓方面是一个重要工具 ，已为人们所认识。早期心脏介入 学者们即应用血管镜在大多数的急性心梗病人冠状动脉内发 现红色血栓。Uuda等 在进一步的血管镜研究中证实了临床 假设：首先白色血栓覆盖于黄色斑块 ，血流阻断后某些病例始 发生红色血栓。斑块破裂部位形成 的富含血小板的血栓表现 为白色颗粒状物，而富含纤维素／红血球的血栓则表现为红色 的、突入腔内的形状不规则结构。上述发现在阐明心肌梗死的 发病机制及对不稳定斑块 的监测方面，具有重要提示意义，并 为急性冠状动脉综合征的介入治疗策略提供依据。 2．3 CAS评价冠状动脉内支架和评价 PTCA后再狭窄 尽管 IVUS被证明在评价支架扩张后的即刻状况是优选的技术，但 血管镜在检测冠状动脉造影不能发现的较陈旧的血栓或增生 内膜等方面仍是有用的。Den Heijer等 的研究结果提示 Prr— CA后再狭窄与动脉壁损伤及引发的血栓可能有关，CAS和冠 状动脉造影对比观察发现，PTCA后 l小时进展中的红色和白 色血栓形成并伴有血管内膜损伤。Banters等 亦用血管镜观 察发现在 PTCA时引发血栓的病例中有较高的再狭窄率。 3 光学相干断层摄影术，或称光学相干层析(optical Coher- ence Tomography，0CT) 光学相干层析是问世不久的一种新的断层成像技术。该 技术利用弱相干光干涉及相干门的基本原理，使用光纤导管传 送红外线，检测生物组织不同深度层面对入射弱相干光的背向 反射或多次散射信号，产生实时的高解析断层图像。该技术具 有微米级的高分辨率，缺点是穿透力较差。 由于缺乏有效的冠状动脉斑块破裂的动物模型，目前对急 性冠状动脉综合征发病机制的研究多依赖于离体组织学和冠 状动脉形态学影像技术，高分辨力的冠状动脉内 OCT技术的 出现，为临床研究提供了新的安全有效的工具。 3．1 不稳定斑块的纤维帽测定 斑块不稳定性 的解剖基础是 具有纤薄和易碎的纤维帽。纤维帽的厚度是影响动脉粥样硬 化斑块稳定性的主要影响因素。尽管 IVUS可对血管壁结构进 行直观显像 ，但对于 lOOp~m以下的病变，如较薄的纤维帽、微 小纤维斑块 的显像不敏感。而 OCT所获得的图像分辨力比 IVUS高 l0倍以上，可以达到 10tun。张颐昆等 应用 OCT技 术对斑块纤维帽进行显像 ，结果表明：对易损斑块 (纤维帽厚 度≤65 )的检出率，在急性心肌梗塞患者中占72％，在急性 冠状动脉综合征占50％，在稳定性心绞痛 占20％。与稳定性 心绞痛组患者相比，急性冠状动脉综合征组和心肌梗塞组患者 的斑块脂质含量较高而纤维层帽子明显变薄，上述三组病例纤 维帽最小厚度依次为 102．6tun、53．8tun和47．0tun。 3．2 监测冠状动脉内支架的置放 冠状动脉内OCT以其高对 比度和高分辨力可以清晰观察到细微的夹层 、组织脱垂以及支 维普资讯 http://www.cqvip.com · 376· 中国医学影像学杂志2006年第 l4卷第 5期 Chinese J Med Imaging Vol 14 No 5 2006 架扩张不全或不对称和贴合管壁不全等 J。 3．3 光学相干反射(optical coherent reflectometry，OCR) 光学 相干技术与射频消融等治疗技术的整合是近年研究的热门领 域。冠状动脉造影引导下对冠状动脉慢性完全闭塞病变实施 再通治疗较困难 ，而新近研发的一种整合了 OCR与射频消融 的导丝技术为慢性完全闭塞冠状动脉的再通展示 了一种新的 解决。该技术采用的光学相干反射(optical coherent reflec． tometry，OCR)光学导丝为前视性，可以帮助介入心脏病学者精 确测定组织的厚度及成分、指导在病变内正确方向及递送导丝 顶端通过坚硬的闭塞处 ，从而成功再血管化。 3．4 光学相干层析弹量图(Optical coherence tomographic elas- tography，OCTE) 光学相干层析的高分辨力为斑块微结构的 形变和应变(strain)分析提供了新的技术平台，Rogowska等 研究表明，光学相干层析弹量图显示动脉粥样硬化微结构形变 可以达到微米级，从而精确评价斑块的应变特性。 4 几种介入性冠状动脉影像技术比较 目前 ，直接展现冠状动脉粥样硬化的真实状况较为困难， 几乎所有的技术都只能提供病变某一方面的“替代性”信息。 冠状动脉造影仅限于观察一个或几个角度的血管长轴，即二 维。CAS则可假设为置于冠状动脉腔内前视的人类眼球，直接 观察血管内内表面的凹凸、颜色等。IVUS和 OCT两种技术，则 利用声学、光学技术对冠状动脉血管实施“类组织学切片”的横 断面成像。上述几种影像技术各具优势 ，尚难以互相替代 (表 1)。联合应用两种或者多种诊断技术是越来越多介入心脏病 学者较为倾向的策略。 尽管在图像分辨力及信噪比等问题上仍然有待改进，但 IVUS对冠状动脉的断面观察能力，使之成为 目前冠状动脉造 影之外的首选成像方法。冠脉内 OCT可认为是一种新形式的 血管内超声 ，二者的不同之处仅在于成像 的波长，前者应用的 是红外线，而后者是超声波。两种断层显像技术在高分辨率与 高穿透率之间互有取舍，血管内超声的穿透力虽优于 OCT，但 其相对较低的频率限制了最高分辨力；相反，OCT的高分辨力 却是以牺牲其穿透能力作为代价。如何进一步研究光波、声波 技术的应用理论和制造工艺以获得最佳的分辨力和穿透力 ，是 介入性冠状动脉影像技术的下一步需要解决的课题。 表 1 各种辅助冠状动脉影像技术和冠脉造影术比较 注：CA冠造；IVUS血管内超声；CAS冠脉血管镜；OCT光学相干层析；一不可；+一般；++较好；+++最理想；I临床前研究；II临床研 究；Ⅲ批准商业化；#在日本批准商业用途 关键词 冠状动脉影像；动脉粥样硬化；介人 中国图书资料分类法分类号 R445．1 参 考 文 献 1 Ofili EO，Lahovitz AJ，Kem MJ．Comnary flow velocity dynamics in nor- mal diseased arteries．Am J Cardiol，1993，71：3D 2 Loree HM，Kamm RD，Stringfellow RG，et a1．Effects of fibrous cap thickness on pe8l【circumferential stress in model atherosclerotic vessels． Cire Res，1992，71：850 3 Paul S，Steven N．Understanding coronary artery disease：Tomographic imaging with intravascular ultrasound．Heart，2002，88：91 4 Fujii K，Mintz 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河北医科大学第三医院CT／MR室 维普资讯 http://www.cqvip.com