冠狀動脈內高危易損斑塊識別的多模態(tài)成像進展

楊 帆，吳建軍，2

哈爾濱醫(yī)科大學附屬第二醫(yī)院1心肌缺血教育部重點實驗室，2心血管內科，黑龍江 哈爾濱150001

急性冠脈綜合征（ACS）是一組由于易損斑塊破裂或侵蝕引起的冠脈內急性血栓形成的嚴重臨床綜合征，其發(fā)病率和死亡率位居各類疾病前列［1］。許多國家心肌梗死發(fā)病率大幅下降源于積極有效地進行傳統(tǒng)ACS危險因素干預［2-3］，早期發(fā)現(xiàn)、預防高危斑塊形成，尤其是臨床癥狀不典型的患者，對減少心血管相關事件至關重要。近年來，越來越多的研究證實了許多ACS事件發(fā)生在血管造影提示管腔輕-中度狹窄的情況下。目前ACS的診斷依賴心電圖、心肌酶水平、冠脈造影等檢查手段。但心肌酶的敏感度和特異性不夠理想，而冠脈造影檢查需要待官腔狹窄到一定程度方能明確診斷，血管內成像設備又因其無法實現(xiàn)對動脈管壁細胞結構的準確判斷，無法評估動脈粥樣硬化斑塊的特征等因素限制了廣泛使用。因此，研究高敏感度、高特異性、高便捷性的診斷新方法，具有良好的臨床應用價值和社會經濟效益。雖然冠狀動脈造影是明確ACS的金標準，但由于缺乏高效的生物標記物評估系統(tǒng)和精確地在體腔內影像學探測手段識別高危易損斑塊，無法將臨床實驗室檢查結果與動脈粥樣硬化斑塊負荷、面積等進行整合分析得出可靠的相關性數(shù)據(jù)。如何避免慢性冠狀動脈綜合征患者發(fā)生急性冠狀動脈事件成為研究熱點。各種血管內成像技術致力于對斑塊穩(wěn)定性的評估——包括血管內超聲、心肌磁共振成像、PET成像、光學相干斷層掃描、近紅外光譜和光學相干彈性成像等單模態(tài)或多模態(tài)影像技術應運而生。

近年來，心臟病專家與醫(yī)學工程師通力合作，突破了臺式成像設備轉為床旁時遇到的瓶頸，興起了多模態(tài)血管內成像技術的臨床研究。受益于多學科協(xié)同合作發(fā)展、科研院所、企業(yè)和政府資助，多模態(tài)血管內成像的臨床轉化可以深入了解冠狀動脈疾病病理生理過程，終極目標是通過多模態(tài)成像幫助臨床醫(yī)生優(yōu)化個體化治療方案和改善預后。

1 腔內影像學識別高危易損斑塊的進展

薄纖維帽、炎癥細胞浸潤、新生血管形成是斑塊不穩(wěn)定的關鍵特征，與血栓形成及ACS發(fā)病密切相關。尸檢的研究將纖維帽厚度＜65 μm，具有大的脂質核心，并且包含大量的巨噬細胞的炎性浸潤區(qū)稱為易損斑塊［4］。它們更容易引發(fā)破裂和急性血管內血栓形成。研究證實了斑塊內新生血管的數(shù)目、纖維帽中平滑肌細胞的數(shù)量和膠原的含量均可以成為衡量斑塊易損性的指標［5］。尸檢研究還披露了具有薄纖維帽和大的脂質核心的斑塊鮮有破裂但卻可以引起臨床事件的發(fā)生，冠狀動脈疾病猝死的患者中有約40%是由于斑塊侵蝕引起的。高效地識別斑塊類型，對于疾病檢測和預防都有巨大的潛在影響（表1）。

表1 易損斑塊特征Tab.1 The characteristics of vulnerable plaque

臨床表現(xiàn)和斑塊特征的變化對血栓性疾病的影響極大程度地啟發(fā)了科研人員對成像技術的探尋。近年來科學家嘗試和研發(fā)了多種成像技術，致力于尋求準確識別易損斑塊的技術［5］。理想的成像方式是無創(chuàng)性的，重復性好且風險性最低，具有與斑塊組織病理學特征的一致性。多模態(tài)影像組學研究斑塊的方法主要包括CT血管造影、正電子發(fā)射型計算機斷層顯像（PET）、血管內超聲（IVUS）和血管內光學相干斷層掃描（OCT）。與現(xiàn)有的成像方式、生物標志物和臨床風險評估算法相比，多模態(tài)成像需要更高的準確性和特異性來識別高危斑塊，且需要結合足夠的安全性、高效率、可負擔性和普及性。

2 易損斑塊無創(chuàng)性成像和有創(chuàng)性成像

冠脈CT血管造影最近被引入作為冠狀動脈粥樣硬化研究的一種有吸引力的替代方法，因為它能夠對動脈粥樣硬化斑塊特征進行無創(chuàng)評估。既往組織學和血管內成像研究表明，冠脈CT血管造影可以準確檢測斑塊體積、點狀鈣化、正性重塑以及脂質含量和壞死核心等核心特征。冠脈CT血管造影在區(qū)分脂質與纖維組織成分方面的準確性有限并且僅能顯示血管管腔輪廓，觀察冠狀動脈舒張期階段灌注情況，無法呈現(xiàn)管腔內部結構并且它成像影響因素多、輻射大，對斑塊的成分和分析比較欠佳，只能作為冠狀動脈初篩診斷［6］。目前對于冠脈CT血管造影成像進行了很多研究，并構建了適用于冠脈CTA易損斑塊的評價體系。雖然受限于冠脈CT血管造影低空間分辨率，但餐巾環(huán)征的出現(xiàn)依然可以特異性地識別出病變處高危易損斑塊［7］。

PET可以提供有關斑塊特征的詳細信息，包括炎癥、微鈣化和血管生成。18F-氟脫氧葡萄糖和18F-氟化鈉作為示蹤劑能夠檢測斑塊內其攝取的含量，而不被心肌攝?。?-9］。但由于單次PET成像原理復雜且成像成本過高，科研經費不足以支持龐大的前期基礎和有效數(shù)據(jù)，限制了其對冠脈成像的進展。

心臟磁共振成像可以量化斑塊負荷并提供包括脂質含量、鈣化和血栓等有關斑塊成分信息［10-11］，它的主要用途之一是與PET 結合并應用分子成像技術來獲得斑塊的綜合評估，包括形態(tài)學和生物學特征［10,12］。與冠脈CT血管造影相比，心臟磁共振成像在動脈粥樣硬化的研究中更有優(yōu)勢，因其沒有鈣化斑塊中的泛光偽影，并且沒有輻射暴露，可以更好地評估軟組織特征［13］。多項研究揭示了MRI 在評估頸動脈斑塊形態(tài)方面的有效性，但MRI在評價冠狀動脈時需要增加成像時間以提高空間分辨率，并且需要減少在心臟循環(huán)期間產生的運動偽影［11,14］，因此，MRI在冠狀動脈粥樣硬化研究中的作用仍十分有限。

20世紀末，單模態(tài)成像IVUS技術的研發(fā)首次在體準確判斷管腔的狹窄程度。IVUS能夠根據(jù)三維影像，首次在體準確判斷管腔的狹窄程度，可評估最小管腔面積、斑塊負荷、重構指數(shù)、偏心指數(shù)和衰減指數(shù)，對斑塊組分進行分析，是診斷冠脈病變、指導介入治療的重要手段之一。IVUS 可以提供分辨率為～100 μm、成像深度為～7 mm的血管橫截面結構圖像。

PROSPECT 研究第一次利用IVUS 發(fā)現(xiàn)，引起MACE的3個獨立預測因子：TCFA、斑塊負荷＞70%、最小管腔面積＜4 mm2，且三者之間存在累加效應。其中TCFA是發(fā)生MACE的最強預測因子，也間接證實了ACS的發(fā)生與冠脈造影管腔狹窄程度無關，而與斑塊的組織病理學特點（易損斑塊）有關［15］。但PROSPECT研究特異性不足，并且697例施行IVUS檢查的患者有11例發(fā)生了嚴重的不良事件（10例冠脈夾層，1例冠脈穿孔），提示IVUS檢測本身存在風險。受限于斑塊病變部位的組織形態(tài)和像素高低，IVUS的分辨率無法可視化易損斑塊的微觀特征，例如新生血管、巨噬細胞積累和纖維帽厚度。諸如PROSPECT等縱向血管內影像臨床研究表明，該技術對于易損斑塊識別及指導介入治療的能力是“有限的”，但對臨床指導PCI治療有參考意義［16-17］。

目前為止，IVUS已開發(fā)了不同功能，包括IVUS 射頻數(shù)據(jù)分析（RF-IVUS）、虛擬組織血管內超聲IVUS和背向散射IVUS。RF-IVUS通過對射頻后向散射數(shù)據(jù)進行頻譜分析，根據(jù)分類樹構建組織圖，將斑塊分為4個主要成分，即纖維斑塊、纖維脂肪斑塊、壞死核心和鈣化。RF-TCFA的診斷是基于壞死核心的數(shù)量和位置對輸出的視覺進行評估。與RF-IVUS相比，虛擬組織血管內超聲IVUS能夠識別較大的壞死核心，但不能正確評估薄纖維帽。在連續(xù)虛擬組織血管內超聲IVUS成像中，不能對每個R-R間隔內采集的幀進行虛擬組織血管內超聲IVUS成像，患者在不同時間點的心率變異性會導致一定程度的水平偏差，導致基線和隨訪成像幀數(shù)不同，在藥物療效評價的臨床試驗中適用性欠佳。背向散射IVUS是評估體內冠狀動脈粥樣硬化成分特征的另一種成像方式，檢測纖維斑塊、富含脂質斑塊和纖維鈣化斑塊的準確率較高。

與IVUS技術類似，OCT是一種應用近紅外及光學干涉原理的新型成像技術，對動脈壁的分辨率可達10～20 μm。OCT的空間分辨率是IVUS的10倍以上，能夠可視化新生血管、微鈣化、薄纖維帽和巨噬細胞的積聚，還可以根據(jù)微觀結構和圖像強度的分析對斑塊病變進行分類［18-20］。OCT具有優(yōu)越的分辨率，但其穿透深度有限，且對嚴重鈣化及纖維增殖病變穿透能力更為有限。血管內光學相干彈性成像（OCE）是OCT的一個功能擴展，它可以通過測量力學形變引起的局部組織位移來反映動脈壁的彈性，量化冠狀動脈的分層結構、成分數(shù)據(jù)和力學特性來研究動脈粥樣硬化斑塊。雖然得益于微米級分辨率，但OCT或OCE對于較大脂質核心和紅色血栓的觀察還欠缺準確性。

3 血管內分子影像學成像

動脈粥樣硬化發(fā)病機制中的第一環(huán)節(jié)是新生內膜或內膜下巨噬細胞積聚，此時單核細胞和巨噬細胞表達的清道夫受體吸收脂蛋白并轉化為負載脂質的泡沫細胞。在此過程中，巨噬細胞不斷分泌炎癥細胞因子并放大炎癥反應。研究人員嘗試結合各種成像方法的優(yōu)勢來更好地可視化巨噬細胞：如使用多個平臺（包括PET/CT和PET/MRI）對巨噬細胞進行成像，創(chuàng)建多個結合位點的復合分子探針和造影劑，最大程度地增加造影劑或納米探針占據(jù)靶細胞的比例以提高敏感度［21］。此外，近年來血管內分子影像學的發(fā)展包括近紅外光譜（NIRS）、近紅外熒光分子成像（NIRF）、血管內光聲成像（IVPA）和熒光壽命成像（FLIM）等有望突破IVUS 和OCT 的局限性［22］，能夠為斑塊提供病理學的信息，但每一種方法都有其特殊的優(yōu)勢，尚不能夠實現(xiàn)完整的斑塊評估［23］（表2）。

表2 血管內單模態(tài)成像技術特點Tab.2 Characteristics of intravascular single-modality intravascular imaging

4 多模態(tài)血管內成像技術進展

考慮到介入手術的風險和成本，同時進行兩種或多種血管內有創(chuàng)性檢查在臨床實際工作中往往難度較大，多模態(tài)血管內成像技術的目的是將實現(xiàn)反映細胞分子水平生理病理變化的熒光光源和組織生物光譜的精確快速在體重建，克服血管內非勻質特性導致的重建精度低的問題，達到最大的臨床獲益。如NIRS-IVUS、OCTIVUS、OCT-NIRS、OCT-分子影像、OCT-Angio、OCTFFR等技術也是目前多模態(tài)血管內成像技術的熱點發(fā)展方向。

4.1 NIRS-IVUS 多模態(tài)成像技術

NIRS-IVUS是首次用于研究人類冠狀動脈斑塊的多模態(tài)血管內成像技術。IVUS 能夠利用50～250 μm的空間分辨率測量斑塊結構，而NIRS是用光譜方法，分析檢測電磁光譜近紅外范圍內的吸收光譜，提取化學信息。IVUS提供了對病變的全面評估，包括植入支架后的斑塊結構，它與NIRS的結合增強了判讀斑塊的能力。已經證實NIRS在體外纖維組織和炎癥細胞中能夠精確量化斑塊中脂質核心的存在，這是其臨床應用的基礎［24-25］。該多模態(tài)技術可協(xié)同彼此優(yōu)勢，且不需要常規(guī)性地清除管腔內血液。NIRS-IVUS導管尖端包括一個光纖超聲換能器，用于光傳輸和收集［26］。NIRS-IVUS成像技術可以用于檢測動脈壁和斑塊內的脂質含量，評估冠狀動脈病變處化學成分、斑塊負擔和血管重塑，并識別動脈粥樣硬化的易損性。NIRS-IVUS在ST段抬高型心肌梗死的罪犯病變中可以檢測到斑塊負荷指數(shù)與患者心血管事件呈正相關，且獨立于血管內超聲測量的斑塊負荷或最小管腔面積。采用NIRS-IVUS成像技術，可以明確斑塊成分特征，有助于識別降脂治療的效果，因而可以在不影響臨床結果的情況下進行延遲介入治療。最新的臨床試驗PROSPECT II研究（中位隨訪時間3.7年）發(fā)現(xiàn)NIRS-IVUS可以幫助識別血管造影上的非阻塞性病變，總MACE事件發(fā)生率為13.2%，非罪犯病變相關MACE 發(fā)生率為8.0%，罪犯病變相關MACE發(fā)生率為4.2%［15,27］。

4.2 IVUS-OCT多模態(tài)成像技術

2010年，IVUS-OCT聯(lián)合成像導管研發(fā)成功，包括一個超聲換能器和一個用于OCT 成像的鏡頭。直到2015年開發(fā)的IVUS-OCT 系統(tǒng)才使IVUS圖像和OCT圖像可同步并排顯示，解決了它們成像速度不一致的問題。有學者提出聯(lián)合使用RF-IVUS和OCT兩種成像方式進行優(yōu)勢互補成像［28］，更可靠地評估斑塊形態(tài)。通過分析56名因穩(wěn)定型心絞痛接受冠狀動脈造影的患者中共計106個冠狀動脈處的斑塊，發(fā)現(xiàn)并得出結論：RFIVUS和OCT之間判定斑塊形態(tài)會存在顯著差異，聯(lián)合兩種成像方法對于準確評估斑塊表型是非常有必要的。需要注意的是，RF-IVUS受限于其分辨率無法準確區(qū)分穩(wěn)定斑塊和不穩(wěn)定斑塊，而由于光信號的穿透有限，OCT也無法描述大血管管腔中的淺表壞死核心成分。另一項研究中專注于分叉病變，并將側支起源作為IVUS和OCT之間匹配的解剖標志。該團隊以IVUS和OCT圖像中確定的斑塊特征來定義斑塊的表型，利用該判定方法發(fā)現(xiàn)具有薄斑塊的高危斑塊纖維帽多見于分叉的近端邊緣［29］；他們對24名患者的分叉病變進行了IVUS-OCT聯(lián)合成像，經隨訪6月后發(fā)現(xiàn)纖維帽厚度和壞死核心改變沒有差異［30］。上述研究表明，隨著時間的推移，斑塊的表型可以迅速變化，高風險斑塊退化為穩(wěn)定型，穩(wěn)定病變也可以發(fā)展為高風險表型，這些發(fā)現(xiàn)與先前基于射頻IVUS的研究相矛盾［31］。

利用雙模IVUS-OCT 的首個單中心臨床研究揭示了IVUS和OCT在富含脂質、纖維和鈣化斑塊方面的成像互補作用，并且沒有發(fā)生設備相關的不良事件，多模態(tài)的腔內影像學的發(fā)展更進一步［18］。近年來，Sensor系統(tǒng)和Novasight系統(tǒng)將IVUS和OCT集成到一個導管系統(tǒng)中，能夠同時進行IVUS和OCT實時成像，發(fā)揮IVUS和OCT的各自優(yōu)勢，兩種成像方法相互補充、協(xié)同工作，具有很高的診斷效能，能夠對冠狀動脈進行全面評估。因此，IVUS-OCT聯(lián)合成像導管有望提高未來研究中檢測易損斑塊敏感度和準確性。另有前瞻性研究使用IVUS-OCT聯(lián)合成像探尋使用他汀類藥物治療對斑塊成分特征的影響，其中整合生物標志物成像研究4是同類研究中規(guī)模最大的［32-33］。它采用3支RF-IVUS和OCT聯(lián)合成像評估ST段抬高心肌梗死患者的斑塊形態(tài)和特征。通過分析接受40 mg/d瑞舒伐他汀強化治療的103名患者入院時采集的OCT和RF-IVUS成像影像并隨訪13月，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)病例經治療后，動脈粥樣硬化斑塊體積百分比有所下降（OCT:89.9%，RF-IVUS:85.7%vsOCT:86.6%，RF-IVUS:84.8%）且并發(fā)癥發(fā)生率較低（1.9%vs1.1%）。考慮到IVUS或OCT導管的施行可致血管內皮損傷，該研究還比較了非罪犯病變動脈的血運重建發(fā)生率，發(fā)現(xiàn)有血管內成像的患者與沒有血管內成像的患者之間無統(tǒng)計學差異（9.0%vs4.8%，P=0.20）。以上結果表明，即使在ST段抬高心肌梗死高風險患者中，多模態(tài)血管內成像也是可行和安全的。

4.3 NIRF-OCT多模態(tài)成像技術

NIRF是一種新興的血管內分子成像方式，能夠觀察炎癥、氧化應激和異常內皮通透性。目前已知的血管內NIRF成像靶點包括巨噬細胞、組織蛋白酶、氧化性低密度脂蛋白等。NIRF分子成像與OCT的結合，是一種高分辨率結構成像方法，可以提供分子和形態(tài)學信息，以及定量的NIRF成像。NIRF-OCT導管彌補了IVUSOCT在分子成像上的不足，同時直徑相較于其他多模態(tài)成像導管小的多［34］。因為NIRF的波長范圍為650～900 nm，能夠穿透更深的組織結構，對液體或者血紅蛋白的吸收性更少，因此更適用于靶向評價高危斑塊的分子特征［35］。目前NIRF示蹤劑多種多樣，主要包括：識別炎癥且通過FDA批準上市的吲哚菁綠；針對平滑肌細胞和巨噬細胞中半胱氨酸蛋白酶活性的Prosense750；靶向細胞凋亡的AnnexinA5等［36-37］。NIRF-OCT 的主要缺點是斑塊內分子濃度的測量只是半定量的，探針在靶部位的吸收效果、組織厚度、激發(fā)強度會明顯干擾熒光信號的強度［34］。通過開發(fā)針對光學散射和組織吸收引起的熒光信號衰減的復雜算有望實現(xiàn)定量熒光測量。

4.4 IVOCT-PA-US多模態(tài)成像技術

近年來，科學家將IVOCT集成到IVPA-US中，以提供血管內微結構信息并增強斑塊表征能力。IVOCTPA-US能夠在不使用造影劑情況下提供更高分辨率和對比度的冠脈形態(tài)，降低了操作風險［38］。它利用頻掃源激光器的觸發(fā)信號實現(xiàn)納秒脈沖激光器的同步，并利用延遲單元實現(xiàn)超聲脈沖的產生和數(shù)據(jù)采集。多模態(tài)腔內影像學的發(fā)展，能夠在準確評估斑塊的進展程度、斑塊破裂或斑塊侵蝕，能夠提供了高精度測量血管壁內高危易損斑塊的方法，有助于更好地了解動脈粥樣硬化的演變，幫助患者進行個體化藥物治療，減少患者經濟負擔和手術風險。

4.5 OCT-NIRS多模態(tài)成像技術

OCT可以提供自動管腔檢測，識別冠狀動脈斑塊的特征并廣泛用于優(yōu)化冠狀動脈支架置入。但這些特征不能通過血管造影或血管內超聲準確識別。雖然OCT的高空間分辨率能夠識別許多斑塊的結構特征，但其檢測脂質卻受到了特異性不佳和觀察者間一致性的限制。相比之下，NIRS已經被廣泛驗證用于組織金標準的脂質豐富斑塊檢測，故將NIRS檢測脂質與OCT檢測脂質池上方的脂帽厚度結合起來，成就了OCTNIRS復合導管原型的開發(fā)。該導管可以在一次回撤中同步提供OCT和NIRS數(shù)據(jù)。預計OCT-NIRS導管具有數(shù)據(jù)自動聯(lián)合登記功能，將整合結構和化學信息有助于實現(xiàn)改善支架植入、檢測和治療高危人群和高危斑塊的三重目標。

多模式成像技術克服了單一血管內成像方式的局限性，提供了關于斑塊形態(tài)和/或組分情況的更全面的信息，以更好地判別易損斑塊。已經提出并開發(fā)了不同方式的各種組合，通過精確的侵入性成像和非侵入性成像對高危人群的治療，旨在更好地推進動脈粥樣硬化的臨床診療。

5 結語

近年來關于高危易損斑塊評估的研究有很多，包括PROSPECT 研究、ATHEROREMO IVUS 研究、PREDICTION研究以及ATHEROREMONIRS研究等［15］，對比IVUS、IVUS-VH、ESS以及NIRS等技術對高危斑塊的評估情況，發(fā)現(xiàn)這些方法陰性預測值較好，但陽性預測值較低，判斷高危斑塊準確性不足［39］。生物組織的最近光譜窗口是1.6～1.8 μm波段，受此啟發(fā)，國內外的團隊都在積極開展血管內多模態(tài)的成像儀器和分析軟件，彌補各種單模態(tài)成像缺點，縮減在體研究中量化纖維帽厚度和定義易損斑塊的誤差范圍，最大程度地提高斑塊診斷精確度。科研團隊力爭研制出可以從解剖結構水平、功能代謝水平和細胞分子水平，高效準確地識別高危易損斑塊內部的組織細胞成分的新一代多模態(tài)血管成像設備。有效評估動脈粥樣硬化病變血管外膜結構和斑塊負荷，直觀的觀察斑塊內新生血管的密度和功能，盡早預測罪犯病變部位。但需要注意的是，對于血管內影像指導心血管急癥治療的獲益，應明確具體人群和病變，同時也需要成本效益分析等綜合考量。因此，多模態(tài)血管內成像的發(fā)展，如IVPA-US-OCT-OCE的研發(fā)將為介入醫(yī)生提供更加理想的斑塊與血管壁的組織學和形態(tài)學信息，將極大程度地提高高危斑塊的陽性預測值及其準確度。