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2011年QCA、IVUS和OCT技术在介入心脏病学中的应用|AME《心血管领域新进展》连载003

Published at: 2015年第1卷第S1期

关键词:

编者按:《心血管领域新进展》为 AME 科研时间系列丛书的“小四”,本书12篇文章均精选自同行评审英文期刊 Cardiovascular Diagnosis and Therapy(简称 CDT,《心血管诊断与治疗》),由广东省人民医院庄建院长、广东省心血管病研究所吴书林所长担任主编,来自全国各大高校和医院共 20 位译者共同完成。本书主要涵盖了心脏成像技术在心血管疾病诊断中的价值,陆续揭示了在探索心肺血管疾病发生发展过程中的最新发病机制。

摘要

摘要:过去30年,冠脉造影定量分析(QCA)作为一项客观的、可重复性技术广泛应用于评估介入术后管腔直径变化的临床研究中,也在必要时为介入治疗医生在治疗前后及后续随访期间提供证据。随着分叉支架复杂程度日益增加,相应的分叉支架分析工具也在不断更新。血管内超声检查(IVUS)已经问世很长时间,现在出现了更先进的射频分析法(radiofrequency analysis),可以提供更完善的血管壁信息;同样的,光学相干断层扫描技术(optical coherence tomography,OCT)提供了关于支架支撑位置以及支架植入质量的详细信息。对于介入医生而言,将X射线管腔造影和血管内成像系统获得的信息结合在一起是一项具有挑战性的任务。为了配准血管内成像和造影成像,冠脉造影三维重建的定量分析(3D QCA)应运而生,并且通过和IVUS或OCT图像配准,将目标血管的各个部位的X射线造影结果和IVUS得到的血管壁信息或OCT得到的支架数据结合在一起。通过3D QCA可以更容易地选择最佳血管造影。本篇综述旨在将过去30年里发展起来、并经过临床试验证明有效的技术做一个全面的概述。

前言

从20世纪80年代初期在35 mm厚度胶片上获取血管造影图像,并且依靠非常昂贵的具备最佳缩放功能的胶片放映机进行定量分析(1)到现代化分辨率为512像素或为1024的全数字化图像(2),并且可以通过心血管影像存档与通讯系统(CPACS)在全院范围内获取图像数据,冠脉造影定量分析已经取得了长足的进步。胶片成像和数字显影的主要不同在于,在胶片成像中,冠脉表现为暗场下的明亮血管,而且往往由于输入屏幕凹陷导致图像出现枕形失真。而在数字化显影中,冠脉表现为明场下的暗血管,而且现代化平面X-射线成像不出现几何变形。关于胶片和数字成像分辨率之间的争论存在已久,数字化显影较高的对比分辨率很大程度上弥补了胶片成像较高的空间分辨率,数字化显影也因此完全被接受。另外,大量的临床有效性研究并未证明胶片成像与数字化显影精确度之间的不同:分析的变异约为1/2像素或0.11 mm(2,3)。

多年来,医院和实验室临床研究采用QCA评估药物干预后冠脉阻塞的缓解和进展、管腔尺寸以及经皮冠脉成形术(PTCA)及植入裸支架(BMS)、药物洗脱支架(DES)和生物降解支架等介入治疗的疗效。上述分析着眼的均是直行血管,但是,近年来,分叉支架越来越受到关注。通过与欧洲分叉支架俱乐部(EBC)协作,QCA软件已经扩展到定量分析分支形态领域(4)。这一技术难度甚大,尤其是在明确分支毗邻血管正常尺寸方面,因为这些血管解剖结构复杂而且受到疾病影响。目前,已经制定出有效的解决方案并且已运用到临床试验中(5-10)。

3D QCA出现已有一段时间,但由于图片分割不够稳定,需要太多用户交流以及没有临床需要等原因从未大规模联机使用。但是,由于分叉支架使用越来越多,再加上图像分割和重建技术的改善,3D QCA技术可能遇到新的机遇。合适长度的介入设备对介入治疗的长期效果意义显著(11),最优可视角度在分叉支架中显得更为重要,另外,最新发展使得3D QCA成像可以和IVUS和OCT等血管内成像设备配准,这种图像配准可以将IVUS或OCT回调序列观察到的异常与二维X线血管造影或三维重建观察到的位置联系起来。目前该软件非常稳定,可以联机使用,并且提供准确的信息,介入医生也因此不再需要单独依靠自己的思维配准能力(12)。尽管血管造影和QCA已广泛使用,但血管造影仅仅是管腔造影,而病变部位位于血管壁。为了制定恰当的治疗方案,介入医生必需知道斑块组成。IVUS已使这一点成为可能,但是随着虚拟组织学和iMAP的出现,可获取的信息进一步增多,IVUS领域再一次得到复兴(13-17)。同样的,OCT现在也在介入心脏病学中扮演着主要的角色(18-22)。

本篇综述将简单回顾标准直行血管分析,更复杂的分叉血管分析以及3D QCA的最新发展以及和IVUS或OCT图像配准。我们的大部分工作基于Medisits分析软件(如QAngio XA)完成。

直行血管分析

尽管需要成熟且有效的软件获取稳定的血管轮廓,但标准直行血管节段分析程序是直观的。图1展示了QAngio XA软件对右冠状动脉中段的分析。手动定义血管节段起点和终点之后,软件自动勾画目标血管节段迹线,随后,采用所谓的MCA轮廓检测运算法则描绘出血管轮廓,该轮廓包括了目标血管节段所有灰度值。当然,必要时可能需要手动编辑,但也是根据MCA迭代运算(图1A)。根据左右动脉(标记黄色)管腔轮廓,计算目标血管节段起始至终点每隔0.1 mm的血管尺寸并记录在动脉直径函数中(黄色曲线)。根据这些数值制定曲线参照直径函数(红色曲线),并以此代表健康血管节段直径函数。根据参考直径函数和实际血管轮廓,可以在沿着血管段的图像位置重建参考轮廓(红色标记),黄色区域代表血管壁上的斑块。从计算的直径函数可以自动推导出许多参数,包括血管狭窄最严重位点、阻塞直径和相应参考直径以及阻塞范围。另外,也可以推导阻塞对称性、流入和流出角度、动脉粥样斑块面积和狭窄血流储备(SFR)等功能参数。如图1B所示,阻塞直径1.0 mm,狭窄处参考直径4.55 mm,相当于血管狭窄78%。QAngio XA分析软件被虚拟研究,短、中、长期变异性研究以及观察者组内或组间变异性研究等证实有效(3)。

图1 QCA直接分析右冠状动脉(RCA)中段:(A)血管轮廓;(B)分析结果。

血管尺寸绝对值通常需要采用校准程序获取,校准程序一般在注满造影剂的导管的非尖端部分实施,采用与血管节段分析类似的MCA边缘检测程序。然而,由于这部分导管具备平行边界特征,该过程中边缘检测过程需采用附加信息。另外,我们需要认识到因为导管多变的图像质量,导管校准程序是分析链中最弱的,需要得到额外的关注。校准程序中的任何错误都会直接影响计算血管尺寸绝对值。如果只对相对数值感兴趣,则可以忽略校准程序。

分叉血管分析

随着世界范围内冠脉分叉病变支架植入术的推广(23),可信、标准化和可重复性的分叉血管定量分析开始受到重视。目前市场上有两种解决方案,CAAS分叉软件(Pie医疗器械公司,马斯特里赫特市,荷兰)和QAngio XA 7.2版分叉应用软件(Medis医学成像系统,莱顿市,荷兰),QAngio XA 7.2版包含2种分叉模型:T形分叉模型(适用于标准侧分支结构,图2A)和Y形分叉模型(适用于远端分支尺寸相等的分叉,图2B)。这些模型独特的优势在于将血管近段和2个远端血管节段和分叉核心结合在一起,形成2个或3个节段(根据模型类型),这些节段都源于一项分析程序,因此,这些血管节段有各自的直径函数和相关参数。

图2 T形和Y形模型示意图,每一种模型都通过软件绘制代表模型建筑模块的四个节段。(A)在T形模型中,通过近端主要分部的近端分界线和隆突点(黄色标记)绘制分叉核心,核心一侧为远端主要分部的起始直径,另一侧为近端血管节段和远端主要分部之间的插补轮廓。采用T模型可以准确测定侧枝开口血管直径和参考直径以及整个主要截面(包括隆突节段内过渡截面)。(B)在Y形模型中,通过近端截面的近端分界线和隆突点(黄色标记)绘制分叉核心,采用Y模型可以准确测定隆突点上动脉直径和参考直径以及第一、二远端节段直径。

以上两种冠脉分叉分析模型的基本原理可以总结为以下几点。首先,操作者在图像上放置三个迹线点明确动脉分叉部分,包括1个近端起点和2个远端各自的终点。随后勾画出两条迹线(图3A),接着采用MCA技术自动描绘三条血管节段的轮廓(图3B)。

图3 T形模型分叉核心分析。(A)两条分叉迹线在近端节段重叠;(B)检测到的血管轮廓;(C)最终分析的轮廓,斑块填充以及主要和侧枝血管截面相应的直径函数。

T形模型分叉核心定义为在自动划定的近端主要分部的定界线(与病变无关)和隆突点之间的区域,该核心一端为远端主要分部的起始,另一端为近端血管节段和远端主要分部间插补的轮廓线(图2A)。根据动脉轮廓和插补轮廓,定义了两个节段:主要截面(例如,近端节段、远端主要分部以及分叉核心阶段融合)和侧枝截面(图2A)。采用传统直接分析方法计算主要截面动脉直径函数,而对于侧枝截面,则采用开口分析方法(3,5),确保准确测量侧枝开口动脉直径。

由于“递减”现象,不能忽视获取全部主要截面参考直径函数的价值。因此,参考直径函数的计算是基于每一条节段分别完成的。这样可以保证近端血管节段和远端主要分部的参考直径函数只依赖分叉核心外的动脉直径。最后,分叉核心的参考直径函数是基于近端和远端血管直径之间平稳过渡的重建指定的。全部主要截面参考直径函数曲线也因此成为一条函数,而该函数由3条不同参考直线组成。对于侧枝截面则采用开口参考直径函数计算方法(3,5),其必表现为一项函数(图3C)。

Y形模型分叉核心定义为在自动划定的近端截面的定界线和隆突点之间的区域(图    2B)。通过动脉轮廓和隆突点,定义3个截面:近端截面(例如近端和分叉核心节段融合截面),第一远端截面和第二远端截面(图2B)。针对每一截面,采用传统直接分析方法计算相应动脉直径函数(3,5)。该方法确保在分叉核心区域内,最大限度的测定动脉直径。

为了获取针对每一截面合适的参考直径函数,其计算也是基于每一条节段分别完成的。分叉核心自身的参考直径函数则是基于近端和两条远端血管节段之间参考轮廓的重建实现的。因此,整个近端截面的参考直径函数曲线将会呈现为一条函数,该函数在近端节段呈直线,而在分叉核心呈曲线。针对远端截面的两条参考直径函数则均呈直线(图4)。

图4 T形模型分叉核心分析。最终分析的轮廓,斑块填充以及近端和第一、二远端血管截面各自的直径函数。

分叉血管分析结果可以显示与传统直接QCA相似的血管造影参数,包括阻塞、参考、最大、最小和平均直径与面积,狭窄直径比例和面积以及血管和病变长度。

另外,分叉边缘节段分析可以评估药物洗脱支架节段和相应的支架及开口边缘节段(图5)。对于每一节段,都会展现包括边缘特异性参数在内的完整参数,从而最大程度研究分支病变的缓解和进展。

图5 边缘节段分析分叉节段示意图。

虚拟研究,临床研究和观察变异性研究已经验证了QAngio XA分叉分析软件7.2版的有效性(5,6)。

3D QCA以及3D QCA和IVUS、OCT的图像配准

在过去的几十年里,由于更好地了解和评估冠脉粥样硬化以及心导管室冠脉介入治疗联机支持的需要,促进了冠脉可视化和定量系统的持续发展。最近兴起的3D QCA系统旨在突破传统二维分析的局限性(1,3,4),并且在评估冠脉横截面积和长度方面拓展其能力和可信度。已经证实3D QCA可以准确评估血管节段长度和直径(24-26)以及介入治疗最佳可视角度(11,27-29)。通过使用3D QCA和更加精确的3D数据可以影响临床决策,从而在经皮冠脉诊疗术(PCI)中更有效、经济的使用支架(30)。这对目前的限制消费医疗系统可能有重大的意义。

尽管血管造影三维重建有着重要的潜在价值,但X射线血管造影系统最重要的局限型在于不能显影管腔以外病变。换言之,尽管有着更好的三维能力,三维血管重建仍是管腔成像。因此,X射线血管造影不能发现早期斑块形成(31),而且不能识别易损斑块预防斑块破裂。血管内断层成像技术已经很好的消除了这些局限性,灰度IVUS就是其中一项成熟且证实有效的技术。IVUS可以提供丰富的信息,包括管壁组分,这对评估冠脉动脉粥样硬化至关重要。后来,评价斑块特征的射频IVUS数据分析和评估粥样硬化薄纤维帽和支架异位的OCT技术进一步推动了血管内断层成像技术的发展。这些新成像技术大幅度提升了冠脉疾病评估能力。但是,血管内断层成像不保存全局解剖信息将会导致错误理解。尽管大多数IVUS/OCT可以实现纵视图,但是沿着导管回调轨迹汇集横截面图像来呈现纵视图的方法是一种非自然的方法。因此,该方法受到了挑战。

考虑到X射线血管造影(XA)和IVUS/OCT成像之间的不同和互补,通过采用XA作为路标,IVUS/OCT了解血管壁详细信息的方法将两种成像形式融合在一起,将会有益于解释冠脉疾病并指导冠脉介入治疗。在目前临床实践中,介入医生必须依靠自己的思维建立XA和IVUS/OCT成像之间的联系。这一过程并不容易,尤其是在X射线成像不能清晰呈现管腔狭窄或病变呈弥漫性,而且在病变边界附近没有侧枝等情况下。因此,目前需要XA-IVUS/OCT融合系统更好的支持冠脉介入治疗。此类融合系统的临床适用性很大程度上取决于配准的可靠性和稳定性。一旦血管造影和IVUS/OCT图像之间建立可靠的联系,两种成像形式的融合信息开始变得有意义。

接下来的段落将描述我们的三维重建和与IVUS/OCT共配准技术,并展示虚拟实验和在体实验的结果

血管造影三维重建

精确而稳定的血管造影三维重建是XA-IVUS/OCT共配准中最重要的步骤。关于三维重建的早期研究可以追溯到几十年前(32,33),但是,临床准备系统近几年才得以宣布,而且日常临床实践中此类系统并未得到广泛认可。原因之一是X射线系统机械变形以及混杂的血管造影成像设备显著影响三维重建和分析的可靠性和稳定性。对于单翼X射线血管造影而言,患者呼吸或非中心状态导致冠脉树的转移可以严重恶化系统的可靠性。这种系统扭曲应该在三维血管造影重建之前或过程中得到校正。

为了实现可操作的工作流程,我们开发了一种新的技术,通过使用1到3对参考点来纠正系统扭曲。针对小视野投射角度,通过建立距离转换矩阵和搜索矩阵内最佳联系路径来完善两种血管造影视图之间联系的方法,使血管造影重建可靠性和稳定性得到进一步改善(11)。该方法已在虚拟和在体实验中证实有效(11,24,26)。简言之,血管造影三维重建包括以下几步主要步骤:(I)分别加载从投影角度≥25°的任意两张血管造影视图获取的图像序列;(II)选择血管造影图像序列中恰当的注满造影剂的舒张末期图像;(III)识别三种解剖标志中的一种,例如分叉血管(11);(IV)明确目标血管节段并采用QCA运算法则进行自动化二维管腔边缘检测(1,2,6,34);(V)实施自动化三维重建和模型技术。

图6A和6B展示了在图像几何中纠正系统扭曲进行血管造影三维重建。冠脉左前降支中的两个分叉点被标记为参考点,经过这两个点的极线也呈现在两个血管造影视图中(分别为右前斜位31°,头位33°和左前斜位31°,头位30°显像)。由于系统扭曲,外极线不通过相应的参考点。通过采用自动校正系统扭曲,外极线正好穿过相应的参考点(图6C,D),表示自动化程序成功。

图6 自动校正影像几何中的系统扭曲达到三维重建目的。图A和图B是选做三维重建的2个血管造影视图(右前斜位31°,头位33°和左前斜位31°,头位30°)。校准之前,外极线不通过相应参考点(红点和蓝点);图C和图D显示了自动校准后的图像。两条外极线正好通过相应的参考点。

实施步骤四和五之后,可以实现对直血管或分叉血管的三维重建。图7A,B展示了左前降支/对角支分叉管腔轮廓重叠。图7C展现了最佳视角下重建的左前降支/对角支分叉,该视角为左前斜位40°,头位56°,且使左前降支和对角支开口重叠最小化。近端和远端分叉角分别为139°和44°。

图7 冠脉分叉三维重建。图A和图B展示了重叠在左前降支/对角支上的管腔轮廓的血管造影视图;图C展示了最佳视角(左前斜位40°,头位56°)下分叉三维重建。

XA-IVUS/OCT配准

在IVUS/OCT图像获取过程中使用恒速回调电动换能器的情况下,XA-IVUS/OCT配准的基本原理就是使用血管节段与IVUS/OCT回调轨道之间的空间关系。传统配准方法(35-37)需要重建IVUS/OCT转换器路径,并假设其为回调轨道,这样IVUS/OCT横截面图像可以与轨道对准。完成上述内容并非易事,因为对IVUS/OCT导管和血管管腔分段存在难度,而且需要二次血管造影。在回调仪器开启之后,血管内导管发生空间取代也会使IVUS/OCT传感器路径作为回调轨迹的假设受到威胁。研究报道,传感器提示开始移动的时间远远落后于IVUS回调仪器的开启(37)。

为了提供快速、直接的解决XA-IVUS/OCT联机配准的方案来辅助冠脉介入治疗,我们采用了一种不同的方法,即通过重建血管中心线估计每一IVUS/OCT横截面图像的轴向位置,并且根据曲率信息忽略回调轨道重建(12)。该方法解决了血管造影成像中使用稀释的对比造影剂同时观察管腔和造影导管这一缺陷,3D QCA质量也因此提高,管腔边缘检测手动纠正也越来越少。该方法只要求术者从血管造影图像中重建血管中心线(标准模块),然后通过指示与IVUS/OCT中同一轴向位置相对应的血管中心线基线位置实现与IVUS/OCT回调系列配准。上述基线位置可以在血管造影和 IVUS/OCT图像中看到的解剖或机械标志中找到。在血管造影图像模糊的情况下,可以使用图像增强技术(38)增加详细图像结构的可视性。

配准后,叠加在血管造影视图和IVUS/OCT纵视图的标记同步化,此时,可以更为全面的解释血管尺寸,而且介入医生也准确知道了支架应该植入的位置。图8例举了配准后血管造影和IVUS/OCT图像的整合。由近端和远端附着点标志决定的支架植入位置映射到2组血管造影视图(2条绿色标记在血管造影视图中重叠)。另外,采用新的最小成本运算法则在OCT横截面图像中自动检测管腔轮廓,管腔直径和面积可以与3D QCA测量进行比较。本例中,OCT检查红色标记的位置短径、长径以及管腔面积分别为1.08 mm, 1.32 mm和 1.14 mm2,而3D QCA检查分别为0.82 mm, 1.30 mm和 0.84 mm2

图8 冠脉造影三维重建的定量分析与三维光学相干断层扫描配准。图A和图B为冠脉造影视图;图C为血管节段重建;图D为OCT横断面视图;图E为OCT纵视图;图F为OCT三维图像。配准之后,不同视图(A、B、C、D和F)中相应的标记同步化,从而在血管节段每一相应位置都可以评估管腔尺寸。

讨论

药物洗脱支架可以减少冠脉介入术后支架内再狭窄发生(39-41);但是,这取决于介入医生选择最佳治疗方案和正确实施所选方案的能力。支架选择或植入不理想导致的位置不匹配严重影响支架植入术后短期和长期预后(42,43)。因此需要精确的影像和定量工具来指导介入医生评估血管真正的尺寸、病变的位置和范围,从而最优化支架植入术。

QCA最初用于定量血管移动以及药物对冠脉疾病缓解和发展的影响(44)。该技术在过去的几十年里有着长足的进步,并且在全世界范围用于研究和临床检查(3)。最近发展的基于常规血管造影成像的三维系统已经成为在线指导冠脉介入治疗的新工具。通过解决标准二维分析众所周知的局限性,例如血管投影缩减和出乎意料的放大(45),3D QCA可以更可靠地评估管腔尺寸,包括长度、直径和分叉角度(24,26)。另外,血管造影三维重建可以自动决定最佳视角(11,27),从而最小化投影缩减和重叠,改善目标血管可视性。

多亏IVUS 和OCT对冠脉横截面的高分辨率成像能力,这两种检查技术大大提高了我们对冠脉粥样硬化以及支架家植入术后组织反应性的认识。通过IVUS/OCT评估斑块范围和分布制定最佳治疗方案已得到广泛认可。但是由于建立IVUS/OCT图像和血管造影图像之间的联系存在的困难导致实施血管成形术受限。例如,在支架植入位置问题上,目前主要通过思维映射将IVUS/OCT和X射线透视图重叠在一起拟定支架植入部位,但是这种方法在支架植入附近没有标记的情况下非常具有挑战性,准确的植入位点对确保完全覆盖病变和预防支架扩张导致的不良反应至关重要。在病变血管具有许多侧枝的情况下,例如左前降支有很多间隔支和对角支,由于 IVUS/OCT纵视图不呈现所有侧枝,思维映射可能会出现疑惑甚至完全错配。在上述情况中,XA-IVUS/OCT共配准可以建立血管造影与IVUS/OCT图像点对点联系,在目标位置放置支架也因此变得更容易和明确。

尽管XA-IVUS/OCT配准技术临床前景诱人,但目前导管室还无法实现最佳三维XA和IVUS/OCT整合。这种整合联机使用的一个显著的瓶颈在于数据连通。示范项目已经明确展示了OCT和3D QCA配准在冠脉介入治疗中的价值,例如在分叉处扩张支架之前确认导线位置(46)。因此,希望在不久的将来XA, IVUS/OCT以及第三方成像供应商共同合作使XA-IVUS/OCT整合应用于临床。

结论

新的XA-IVUS/OCT配准技术是一种直接、可信的技术,它实现了X射线血管造影和IVUS/OCT成像的三维整合,并且为介入医生提供了血管尺寸、目标血管每个位置上斑块大小等详细信息。XA-IVUS/OCT配准是介入治疗中合适的辅助工具。

致谢

声明:所有作者声明本文不涉及任何利益冲突。

 

作者|ReiberJohan H.C. 1 , TuShengxian 1 , Tuinenburg Joan C. 1 , KoningGerhard 1 , Janssen Johannes P. 1 , DijkstraJouke 1

1 Division of Image Processing (LKEB), Department of Radiology, Leiden University Medical Center (LUMC), Leiden, The Netherlands

译者| 沈亮,南方医科大学南方医院

审校|刘光辉,同济大学附属同济医院

 

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doi:

10.3978/kysj.2014.1.1400
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