冠状动脉疾病多模态成像技术的研究进展

Research Progress of Multimodal Imaging in Coronary Artery Disease

摘要: 近年来冠状动脉疾病(coronary artery disease, CAD)的发病率和死亡率日渐上升，已成为威胁人类健康的重要疾病之一，动脉粥样硬化是其主要病因。血流灌注异常是CAD发展的第一个标志，因此早期检测心肌灌注异常并进行积极干预，可以有效地降低心血管疾病的发病率和死亡率。目前，已有多种影像学检查方法用于冠状动脉疾病的诊断，且通过多种影像技术的联合应用可以弥补不同成像技术之间的不足，提高CAD诊断的准确性。现就冠状动脉疾病的多模态成像技术进行综述。

Abstract: In recent years, the morbidity and mortality of coronary artery disease (CAD) are increasing day by day, and it has become one of the important diseases threatening human health, and atherosclerosis is its main cause. Abnormal blood perfusion is the first sign of the development of CAD, so early detection of abnormal myocardial perfusion and active intervention can effectively reduce the morbidity and mortality of cardiovascular disease. At present, there are a variety of imaging methods for the diagnosis of coronary artery disease, and the combined application of a variety of imaging techniques can make up for the shortcomings between different imaging techniques and improve the accuracy of CAD diagnosis. In this paper, the multimodal imaging techniques of coronary artery disease are reviewed.

1. 引言

冠状动脉疾病的诊断和疗效评估已经逐渐由解剖评价转向功能评估，虽然侵入性冠状动脉造影(Coronary angiography, CAG)被认为是诊断冠心病的金标准，可以准确有效地评估冠脉狭窄并对病变血管进行干预，但是相对于常规的影像学检查，CAG更加昂贵、费时、操作复杂，甚至会引起严重并发症，同时CAG也无法确定动脉硬化斑块的性质、评估冠脉血流动力学变化、判断心肌存活情况、指导下一步临床治疗方案及评估患者预后。目前常用的非侵入性影像学检查技术有计算机断层扫描(computed tomography, CT)、磁共振成像(magnetic resonance imaging, MRI)、单光子发射计算机断层扫描(Single photon emission computed tomography, SPECT)和正电子发射断层扫描(Positron emission tomography, PET) [1]。现就各种成像技术的特点及发展趋势予以综述。

2. 核素心脏成像

核素成像技术是一种非侵入性成像技术，现阶段已经较为成熟，其诊断价值和随访效能已经得到了临床的公认。核素成像技术能够测量心肌血流灌注、评估心肌的存活及功能，评价患者疗效，更好的帮助临床医师对CAD患者进行管理。根据成像原理和造影剂的不同，分为SPECT和PET成像技术。两者相比，SPECT系统比PET更为普遍和廉价，放射性核素更容易制备，成本更低，并且半衰期比PET长。然而，PET在空间分辨率，图像质量和诊断准确率方面优于SPECT，因此，PET可以更加精确地确定病变位置及诊断冠状动脉疾病，目前被认为是诊断心肌灌注的金标准 [2]。

2.1. SPECT心脏成像

心脏SPECT是一种很好的诊断和定量检测心肌灌注的影像学工具，其检测CAD的灵敏度和特异性分别为87%~89%和70%~76% [3]。心脏SPECT成像不仅用于慢性CAD评估，其在急性冠脉综合征中也有较高的阴性预测值，可以安全有效地排除低风险患者。此外，急性心肌梗死(myocardial infarction, MI)发作后进行SPECT显像，可以对患者再次发生心血管疾病的风险进行评估 [4]。

然而，传统的心脏SPECT成像存在一定的局限性：首先是其信号检测灵敏度相对低，这会导致注射显像剂剂量相对大、成像时间长；其次是受固有分辨率的限制，图像清晰度较低，易造成微小病灶的漏诊 [5]。随着研究的深入，SPECT成像技术逐渐得到改进，IQ.SPECT与碲锌镉(Cadmium zinc telluride, CZT)探测器的应用，使其在空间分辨率、能量分辨率、灵敏度等参数上较传统SPECT有了长足的进步，同时减少了显像剂注射剂量、辐射剂量、缩短扫描时间 [6]。

2.2. PET心脏成像

心脏PET成像可以提供心脏和血管的多种生理病理过程，提供疾病诊断和预后的全面信息，是心肌灌注的最佳成像技术 [7]。此外，随着新型放射性核素的出现，以及探测晶体的不断研发，心脏PET成像技术在临床实践及科学研究领域获得更广泛的应用。许多研究都表明，PET心肌灌注显像(Myocardial perfusion imaging, MPI)诊断CAD的准确性高，对心源性死亡或非致命性心肌梗死也有不错的检出率，高于其他心肌灌注成像技术 [8]。这些特征使得PET MPI成为一种有效的心脏成像技术。PET MPI的对比剂可以量化心肌血流量(Myocardial blood flow, MBF)，也可以计算冠状动脉血流储备(Coronary flow reserve, CFR) [7]。对于部分稳定性CAD患者不存在明显血管异常或者是常规治疗不能很好的解决灌注问题，PET成像可以对病变区域进行功能评估，指导后续的侵入性治疗或预防干预 [9]。PET在评估预后方面有独特的价值，CFR可以作为独立预后评估因子，当其存在异常时，提示冠状动脉疾病扩大到微循环，患者预后较差 [10]。

炎症在动脉粥样硬化斑块的形成、发展和破裂中起关键作用。心脏PET成像可以探测冠状动脉炎性反应的发生发展，进而预测斑块破裂的风险和评估冠状动脉粥样硬化的治疗效果 [11]。由于18F-FDG摄取与动脉粥样硬化斑块内炎症活动成一定比例，因此FDG PET它可以很好地对血管壁炎症进行无创测量，这使它不仅成为一种有效的诊断方法，又是评价抗炎性心血管药物疗效的重要工具 [12]。但是，FDG显像受分辨率和运动伪影的限制 [13]。另一种评估动脉粥样硬化斑块炎症的新工具是18F-NaF PET，NaF与分子钙化过程有关，可以识别高风险动脉粥样硬化斑块钙化的早期阶段，评价钙化斑块的稳定程度 [14]。

随着科研的不断深入，新的生物学特性显示更为方便的放射性示踪剂正在不断被开发，这些新的示踪剂能够增加心肌摄取和保留，加快肝脏的代谢，提供一个更好的心/肝比值，从而改进的图像质量 [15]。同时更先进的采集设备和图像重建软件也在不断研发 [16]。先进的设备可以减少图像采集时间，降低辐射剂量，减少运动伪影，提升图像质量，提供更好的图像分辨率和清晰度 [17]。

3. 磁共振心脏成像(Cardiac Magnetic Resonance Imaging (CMR))

在过去的二十余年中，心脏磁共振(CMR)成像极大地提高了时空分辨率和成像速度，拓宽了其在心血管疾病中的应用范围。CMR成像技术在非侵入性地评估心血管形态、心室功能、心肌灌注、组织特征、血流定量和冠状动脉疾病 [18] 等方面中发挥了重要作用，成为无创性心室容积和功能评估、心肌存活评估和组织定征的金标准 [19]。

CMR的创新性技术包括T1 mapping、T2 mapping、T2* mapping、特征追踪(feature tracking, FT)和心肌延迟增强(late gadolinium enhancement, LGE)技术等，因其具有较高的组织分辨率、时间分辨率，并可多方向、多参数成像以及可同时获得心肌组织的特征信息等优势而在临床和科研中得到了广泛的应用，为心脏成像的未来奠定了坚实的基础 [20]。

T1 mapping是用于量化组织纵向弛豫率的成像技术，扫描序列包括增强前T1及增强后T1,在某些病理状态下，如炎症、水肿、纤维化、肉芽肿及淀粉样病变等，增强前T1值增高，而在某些病理状态下，如法布里病、铁过载、脂肪变性或沉积等，增强前T1值减低,因此非缺血性心肌病心肌T1值的变化可评估其预后 [21]。T2 mapping是一种定量反映组织含水量的成像技术，水肿区游离水含量增多，则可以延长T2弛豫时间。研究显示，T2 mapping也可识别梗死灶微血管阻塞灶和心肌内出血灶，用于评估心肌的梗死风险区域 [22]。T2* mapping是因T2弛豫和磁场不均匀性引起的横向磁化固有衰减，目前主要用于监测心脏铁沉积过量疾病的进展和指导铁螯合治疗。特征追踪技术基于亮血电影图像，勾画心室腔每帧图像上心内膜、心外膜的边界，追踪心动周期内每个体素点的运动轨迹，从而获得室壁应变及应变率，对于检测早期心肌功能异常具有重要意义 [23]，可无创性评价心肌梗死程度或纤维瘢痕灶范围，在临床上得到了广泛的应用 [21]。

4. CT心脏成像(Cardiac CT)

计算机断层扫描可以量化冠状动脉的钙化斑块，进行无创性心脏解剖、冠状动脉成像、评估瓣膜形态以及混合灌注成像评估冠状动脉生理，且扫描成本低、采集时间短、空间分辨率高，目前已基本得到普及 [24]。

传统上，评价冠状动脉粥样硬化病变的金标准是透视，但其诊断钙化易受主观性影响，而计算机断层扫描作为一种可量化、可重复的技术，可以避免透视的主观性 [25]。CT所得的冠状动脉钙化积分已经被证实了是一个预测CAD的准确切入点，但是CT测量冠状动脉钙化积分也存在缺陷：即使冠状动脉有钙化斑块，也不一定存在生理意义 [26]，即使没有钙化斑块，也并不能消除存在血流灌注异常疾病的可能性 [27]。但是，当CT与其他成像方式，如PET、SPECT的结合就可以很好的克服这些缺陷。

虽然侵入性冠状动脉造影(Invasive coronary angiography, ICA)是评价冠心病的金标准，但是通过尸检发现其容易低估冠状动脉的钙化程度，而且会对身体造成损伤 [28]。冠状动脉CT血管造影(Coronary artery CT angiography, CCTA)已经成为一个敏感的诊断方式，能够在非侵入性的条件下评估冠状动脉解剖。与ICA方法相比，CCTA的评估更为全面，不仅可以更直观的测量血管直径，而且可以根据冠状动脉壁及周围心肌组织的表现诊断非钙化斑块和非阻塞性病变，但是将CCTA与血管内超声进行比较，发现冠状动脉斑块为软斑块或纤维斑块时，CCTA会低估冠状动脉的狭窄程度，特别是斑块位于血管远端时 [24]。CCTA可以提供精确的解剖信息，诊断斑块的性质，但是现在没有研究发现CCTA诊断的冠脉狭窄与心肌功能方面的联系。

CCTA主要用于CAD预测风险为中度患者的检查，对于急性胸痛的急诊患者也已成为有效的检查方法。其主要优势是具有较高的阴性预测值 ，在低到中度CAD预测风险患者中，可以起到排除冠心病的作用，从而避免部分阴性患者经受有创的传统冠状动脉造影检查 [29]。随着负荷成像的研究，CCTA已经成为ICA或血运重建术之后的非侵入性影像学检查的首选方法。但是CCTA自身也存在一些不足：其诊断冠状动脉病变狭窄程度时依靠目测评估，病变的严重程度容易被高估 [11]，且CCTA只能对狭窄程度进行粗略的评价，而没有办法对狭窄程度进行精确测量，这样就得依靠其他诊断的测量参数，增加了检查成本 [30]。

有研究结果表明，CT MPI与SPECT和ICA有很好的一致性 [14]，此后开展了大量的CT MPI方面的研究，都表明CT MPI具有很高的诊断准确性，可以应用于临床实践，且CT MPI诊断不可逆性灌注缺损的准确性高于可逆性灌注缺损 [24]。使用CT血管造影与CT MPI技术相结合，不仅可以对狭窄血管进行解剖形态的评估，也可以对病变区域的心肌功能进行评估 [13]。进行治疗干预时，要综合狭窄血管的解剖形态及狭窄对心肌的影响，因此CT一站式检查是冠心病的解剖及功能评价的一项非常有意义的方法。

5. 总结

近年来，CAD的诊断已经发生了变化，临床已经不再单一地考虑冠状动脉解剖异常，而是重点评估CAD对心肌功能的影响。目前，PET被认为是无创定量心肌灌注的临床参考标准，临床上常被用作心肌灌注的半定量评估。CMR具有很高的空间分辨率，被认为是诊断心肌灌注缺损的可靠工具。CT具有广泛的可用性、快速的采集时间和较高的空间分辨率，是一种很有前途的心肌灌注成像工具。

目前快速而准确地诊断心肌缺血已经不是难题，下一步影像技术的研究重心应该是对心肌缺血分级的精确诊断，虽然可以依靠半定量或定量的心肌灌注成像技术对心肌缺血的程度进行评价，但是受机器类型、操作系统、检查时间、造影剂浓度等许多方面的影响，缺乏统一的标准。毋庸置疑的是，随着技术的不断进步、研究的不断深入，未来几年心脏成像技术会有更大进步和更准确的标准。

NOTES

^*第一作者。

^#通讯作者。