冠状动脉内高危易损斑块识别的多模态成像进展

杨 帆，吴建军，2

哈尔滨医科大学附属第二医院1心肌缺血教育部重点实验室，2心血管内科，黑龙江 哈尔滨150001

急性冠脉综合征（ACS）是一组由于易损斑块破裂或侵蚀引起的冠脉内急性血栓形成的严重临床综合征，其发病率和死亡率位居各类疾病前列［1］。许多国家心肌梗死发病率大幅下降源于积极有效地进行传统ACS危险因素干预［2-3］，早期发现、预防高危斑块形成，尤其是临床症状不典型的患者，对减少心血管相关事件至关重要。近年来，越来越多的研究证实了许多ACS事件发生在血管造影提示管腔轻-中度狭窄的情况下。目前ACS的诊断依赖心电图、心肌酶水平、冠脉造影等检查手段。但心肌酶的敏感度和特异性不够理想，而冠脉造影检查需要待官腔狭窄到一定程度方能明确诊断，血管内成像设备又因其无法实现对动脉管壁细胞结构的准确判断，无法评估动脉粥样硬化斑块的特征等因素限制了广泛使用。因此，研究高敏感度、高特异性、高便捷性的诊断新方法，具有良好的临床应用价值和社会经济效益。虽然冠状动脉造影是明确ACS的金标准，但由于缺乏高效的生物标记物评估系统和精确地在体腔内影像学探测手段识别高危易损斑块，无法将临床实验室检查结果与动脉粥样硬化斑块负荷、面积等进行整合分析得出可靠的相关性数据。如何避免慢性冠状动脉综合征患者发生急性冠状动脉事件成为研究热点。各种血管内成像技术致力于对斑块稳定性的评估——包括血管内超声、心肌磁共振成像、PET成像、光学相干断层扫描、近红外光谱和光学相干弹性成像等单模态或多模态影像技术应运而生。

近年来，心脏病专家与医学工程师通力合作，突破了台式成像设备转为床旁时遇到的瓶颈，兴起了多模态血管内成像技术的临床研究。受益于多学科协同合作发展、科研院所、企业和政府资助，多模态血管内成像的临床转化可以深入了解冠状动脉疾病病理生理过程，终极目标是通过多模态成像帮助临床医生优化个体化治疗方案和改善预后。

1 腔内影像学识别高危易损斑块的进展

薄纤维帽、炎症细胞浸润、新生血管形成是斑块不稳定的关键特征，与血栓形成及ACS发病密切相关。尸检的研究将纤维帽厚度＜65 μm，具有大的脂质核心，并且包含大量的巨噬细胞的炎性浸润区称为易损斑块［4］。它们更容易引发破裂和急性血管内血栓形成。研究证实了斑块内新生血管的数目、纤维帽中平滑肌细胞的数量和胶原的含量均可以成为衡量斑块易损性的指标［5］。尸检研究还披露了具有薄纤维帽和大的脂质核心的斑块鲜有破裂但却可以引起临床事件的发生，冠状动脉疾病猝死的患者中有约40%是由于斑块侵蚀引起的。高效地识别斑块类型，对于疾病检测和预防都有巨大的潜在影响（表1）。

表1 易损斑块特征Tab.1 The characteristics of vulnerable plaque

临床表现和斑块特征的变化对血栓性疾病的影响极大程度地启发了科研人员对成像技术的探寻。近年来科学家尝试和研发了多种成像技术，致力于寻求准确识别易损斑块的技术［5］。理想的成像方式是无创性的，重复性好且风险性最低，具有与斑块组织病理学特征的一致性。多模态影像组学研究斑块的方法主要包括CT血管造影、正电子发射型计算机断层显像（PET）、血管内超声（IVUS）和血管内光学相干断层扫描（OCT）。与现有的成像方式、生物标志物和临床风险评估算法相比，多模态成像需要更高的准确性和特异性来识别高危斑块，且需要结合足够的安全性、高效率、可负担性和普及性。

2 易损斑块无创性成像和有创性成像

冠脉CT血管造影最近被引入作为冠状动脉粥样硬化研究的一种有吸引力的替代方法，因为它能够对动脉粥样硬化斑块特征进行无创评估。既往组织学和血管内成像研究表明，冠脉CT血管造影可以准确检测斑块体积、点状钙化、正性重塑以及脂质含量和坏死核心等核心特征。冠脉CT血管造影在区分脂质与纤维组织成分方面的准确性有限并且仅能显示血管管腔轮廓，观察冠状动脉舒张期阶段灌注情况，无法呈现管腔内部结构并且它成像影响因素多、辐射大，对斑块的成分和分析比较欠佳，只能作为冠状动脉初筛诊断［6］。目前对于冠脉CT血管造影成像进行了很多研究，并构建了适用于冠脉CTA易损斑块的评价体系。虽然受限于冠脉CT血管造影低空间分辨率，但餐巾环征的出现依然可以特异性地识别出病变处高危易损斑块［7］。

PET可以提供有关斑块特征的详细信息，包括炎症、微钙化和血管生成。18F-氟脱氧葡萄糖和18F-氟化钠作为示踪剂能够检测斑块内其摄取的含量，而不被心肌摄取［8-9］。但由于单次PET成像原理复杂且成像成本过高，科研经费不足以支持庞大的前期基础和有效数据，限制了其对冠脉成像的进展。

心脏磁共振成像可以量化斑块负荷并提供包括脂质含量、钙化和血栓等有关斑块成分信息［10-11］，它的主要用途之一是与PET 结合并应用分子成像技术来获得斑块的综合评估，包括形态学和生物学特征［10,12］。与冠脉CT血管造影相比，心脏磁共振成像在动脉粥样硬化的研究中更有优势，因其没有钙化斑块中的泛光伪影，并且没有辐射暴露，可以更好地评估软组织特征［13］。多项研究揭示了MRI 在评估颈动脉斑块形态方面的有效性，但MRI在评价冠状动脉时需要增加成像时间以提高空间分辨率，并且需要减少在心脏循环期间产生的运动伪影［11,14］，因此，MRI在冠状动脉粥样硬化研究中的作用仍十分有限。

20世纪末，单模态成像IVUS技术的研发首次在体准确判断管腔的狭窄程度。IVUS能够根据三维影像，首次在体准确判断管腔的狭窄程度，可评估最小管腔面积、斑块负荷、重构指数、偏心指数和衰减指数，对斑块组分进行分析，是诊断冠脉病变、指导介入治疗的重要手段之一。IVUS 可以提供分辨率为～100 μm、成像深度为～7 mm的血管横截面结构图像。

PROSPECT 研究第一次利用IVUS 发现，引起MACE的3个独立预测因子：TCFA、斑块负荷＞70%、最小管腔面积＜4 mm2，且三者之间存在累加效应。其中TCFA是发生MACE的最强预测因子，也间接证实了ACS的发生与冠脉造影管腔狭窄程度无关，而与斑块的组织病理学特点（易损斑块）有关［15］。但PROSPECT研究特异性不足，并且697例施行IVUS检查的患者有11例发生了严重的不良事件（10例冠脉夹层，1例冠脉穿孔），提示IVUS检测本身存在风险。受限于斑块病变部位的组织形态和像素高低，IVUS的分辨率无法可视化易损斑块的微观特征，例如新生血管、巨噬细胞积累和纤维帽厚度。诸如PROSPECT等纵向血管内影像临床研究表明，该技术对于易损斑块识别及指导介入治疗的能力是“有限的”，但对临床指导PCI治疗有参考意义［16-17］。

目前为止，IVUS已开发了不同功能，包括IVUS 射频数据分析（RF-IVUS）、虚拟组织血管内超声IVUS和背向散射IVUS。RF-IVUS通过对射频后向散射数据进行频谱分析，根据分类树构建组织图，将斑块分为4个主要成分，即纤维斑块、纤维脂肪斑块、坏死核心和钙化。RF-TCFA的诊断是基于坏死核心的数量和位置对输出的视觉进行评估。与RF-IVUS相比，虚拟组织血管内超声IVUS能够识别较大的坏死核心，但不能正确评估薄纤维帽。在连续虚拟组织血管内超声IVUS成像中，不能对每个R-R间隔内采集的帧进行虚拟组织血管内超声IVUS成像，患者在不同时间点的心率变异性会导致一定程度的水平偏差，导致基线和随访成像帧数不同，在药物疗效评价的临床试验中适用性欠佳。背向散射IVUS是评估体内冠状动脉粥样硬化成分特征的另一种成像方式，检测纤维斑块、富含脂质斑块和纤维钙化斑块的准确率较高。

与IVUS技术类似，OCT是一种应用近红外及光学干涉原理的新型成像技术，对动脉壁的分辨率可达10～20 μm。OCT的空间分辨率是IVUS的10倍以上，能够可视化新生血管、微钙化、薄纤维帽和巨噬细胞的积聚，还可以根据微观结构和图像强度的分析对斑块病变进行分类［18-20］。OCT具有优越的分辨率，但其穿透深度有限，且对严重钙化及纤维增殖病变穿透能力更为有限。血管内光学相干弹性成像（OCE）是OCT的一个功能扩展，它可以通过测量力学形变引起的局部组织位移来反映动脉壁的弹性，量化冠状动脉的分层结构、成分数据和力学特性来研究动脉粥样硬化斑块。虽然得益于微米级分辨率，但OCT或OCE对于较大脂质核心和红色血栓的观察还欠缺准确性。

3 血管内分子影像学成像

动脉粥样硬化发病机制中的第一环节是新生内膜或内膜下巨噬细胞积聚，此时单核细胞和巨噬细胞表达的清道夫受体吸收脂蛋白并转化为负载脂质的泡沫细胞。在此过程中，巨噬细胞不断分泌炎症细胞因子并放大炎症反应。研究人员尝试结合各种成像方法的优势来更好地可视化巨噬细胞：如使用多个平台（包括PET/CT和PET/MRI）对巨噬细胞进行成像，创建多个结合位点的复合分子探针和造影剂，最大程度地增加造影剂或纳米探针占据靶细胞的比例以提高敏感度［21］。此外，近年来血管内分子影像学的发展包括近红外光谱（NIRS）、近红外荧光分子成像（NIRF）、血管内光声成像（IVPA）和荧光寿命成像（FLIM）等有望突破IVUS 和OCT 的局限性［22］，能够为斑块提供病理学的信息，但每一种方法都有其特殊的优势，尚不能够实现完整的斑块评估［23］（表2）。

表2 血管内单模态成像技术特点Tab.2 Characteristics of intravascular single-modality intravascular imaging

4 多模态血管内成像技术进展

考虑到介入手术的风险和成本，同时进行两种或多种血管内有创性检查在临床实际工作中往往难度较大，多模态血管内成像技术的目的是将实现反映细胞分子水平生理病理变化的荧光光源和组织生物光谱的精确快速在体重建，克服血管内非匀质特性导致的重建精度低的问题，达到最大的临床获益。如NIRS-IVUS、OCTIVUS、OCT-NIRS、OCT-分子影像、OCT-Angio、OCTFFR等技术也是目前多模态血管内成像技术的热点发展方向。

4.1 NIRS-IVUS 多模态成像技术

NIRS-IVUS是首次用于研究人类冠状动脉斑块的多模态血管内成像技术。IVUS 能够利用50～250 μm的空间分辨率测量斑块结构，而NIRS是用光谱方法，分析检测电磁光谱近红外范围内的吸收光谱，提取化学信息。IVUS提供了对病变的全面评估，包括植入支架后的斑块结构，它与NIRS的结合增强了判读斑块的能力。已经证实NIRS在体外纤维组织和炎症细胞中能够精确量化斑块中脂质核心的存在，这是其临床应用的基础［24-25］。该多模态技术可协同彼此优势，且不需要常规性地清除管腔内血液。NIRS-IVUS导管尖端包括一个光纤超声换能器，用于光传输和收集［26］。NIRS-IVUS成像技术可以用于检测动脉壁和斑块内的脂质含量，评估冠状动脉病变处化学成分、斑块负担和血管重塑，并识别动脉粥样硬化的易损性。NIRS-IVUS在ST段抬高型心肌梗死的罪犯病变中可以检测到斑块负荷指数与患者心血管事件呈正相关，且独立于血管内超声测量的斑块负荷或最小管腔面积。采用NIRS-IVUS成像技术，可以明确斑块成分特征，有助于识别降脂治疗的效果，因而可以在不影响临床结果的情况下进行延迟介入治疗。最新的临床试验PROSPECT II研究（中位随访时间3.7年）发现NIRS-IVUS可以帮助识别血管造影上的非阻塞性病变，总MACE事件发生率为13.2%，非罪犯病变相关MACE 发生率为8.0%，罪犯病变相关MACE发生率为4.2%［15,27］。

4.2 IVUS-OCT多模态成像技术

2010年，IVUS-OCT联合成像导管研发成功，包括一个超声换能器和一个用于OCT 成像的镜头。直到2015年开发的IVUS-OCT 系统才使IVUS图像和OCT图像可同步并排显示，解决了它们成像速度不一致的问题。有学者提出联合使用RF-IVUS和OCT两种成像方式进行优势互补成像［28］，更可靠地评估斑块形态。通过分析56名因稳定型心绞痛接受冠状动脉造影的患者中共计106个冠状动脉处的斑块，发现并得出结论：RFIVUS和OCT之间判定斑块形态会存在显著差异，联合两种成像方法对于准确评估斑块表型是非常有必要的。需要注意的是，RF-IVUS受限于其分辨率无法准确区分稳定斑块和不稳定斑块，而由于光信号的穿透有限，OCT也无法描述大血管管腔中的浅表坏死核心成分。另一项研究中专注于分叉病变，并将侧支起源作为IVUS和OCT之间匹配的解剖标志。该团队以IVUS和OCT图像中确定的斑块特征来定义斑块的表型，利用该判定方法发现具有薄斑块的高危斑块纤维帽多见于分叉的近端边缘［29］；他们对24名患者的分叉病变进行了IVUS-OCT联合成像，经随访6月后发现纤维帽厚度和坏死核心改变没有差异［30］。上述研究表明，随着时间的推移，斑块的表型可以迅速变化，高风险斑块退化为稳定型，稳定病变也可以发展为高风险表型，这些发现与先前基于射频IVUS的研究相矛盾［31］。

利用双模IVUS-OCT 的首个单中心临床研究揭示了IVUS和OCT在富含脂质、纤维和钙化斑块方面的成像互补作用，并且没有发生设备相关的不良事件，多模态的腔内影像学的发展更进一步［18］。近年来，Sensor系统和Novasight系统将IVUS和OCT集成到一个导管系统中，能够同时进行IVUS和OCT实时成像，发挥IVUS和OCT的各自优势，两种成像方法相互补充、协同工作，具有很高的诊断效能，能够对冠状动脉进行全面评估。因此，IVUS-OCT联合成像导管有望提高未来研究中检测易损斑块敏感度和准确性。另有前瞻性研究使用IVUS-OCT联合成像探寻使用他汀类药物治疗对斑块成分特征的影响，其中整合生物标志物成像研究4是同类研究中规模最大的［32-33］。它采用3支RF-IVUS和OCT联合成像评估ST段抬高心肌梗死患者的斑块形态和特征。通过分析接受40 mg/d瑞舒伐他汀强化治疗的103名患者入院时采集的OCT和RF-IVUS成像影像并随访13月，发现大多数病例经治疗后，动脉粥样硬化斑块体积百分比有所下降（OCT:89.9%，RF-IVUS:85.7%vsOCT:86.6%，RF-IVUS:84.8%）且并发症发生率较低（1.9%vs1.1%）。考虑到IVUS或OCT导管的施行可致血管内皮损伤，该研究还比较了非罪犯病变动脉的血运重建发生率，发现有血管内成像的患者与没有血管内成像的患者之间无统计学差异（9.0%vs4.8%，P=0.20）。以上结果表明，即使在ST段抬高心肌梗死高风险患者中，多模态血管内成像也是可行和安全的。

4.3 NIRF-OCT多模态成像技术

NIRF是一种新兴的血管内分子成像方式，能够观察炎症、氧化应激和异常内皮通透性。目前已知的血管内NIRF成像靶点包括巨噬细胞、组织蛋白酶、氧化性低密度脂蛋白等。NIRF分子成像与OCT的结合，是一种高分辨率结构成像方法，可以提供分子和形态学信息，以及定量的NIRF成像。NIRF-OCT导管弥补了IVUSOCT在分子成像上的不足，同时直径相较于其他多模态成像导管小的多［34］。因为NIRF的波长范围为650～900 nm，能够穿透更深的组织结构，对液体或者血红蛋白的吸收性更少，因此更适用于靶向评价高危斑块的分子特征［35］。目前NIRF示踪剂多种多样，主要包括：识别炎症且通过FDA批准上市的吲哚菁绿；针对平滑肌细胞和巨噬细胞中半胱氨酸蛋白酶活性的Prosense750；靶向细胞凋亡的AnnexinA5等［36-37］。NIRF-OCT 的主要缺点是斑块内分子浓度的测量只是半定量的，探针在靶部位的吸收效果、组织厚度、激发强度会明显干扰荧光信号的强度［34］。通过开发针对光学散射和组织吸收引起的荧光信号衰减的复杂算有望实现定量荧光测量。

4.4 IVOCT-PA-US多模态成像技术

近年来，科学家将IVOCT集成到IVPA-US中，以提供血管内微结构信息并增强斑块表征能力。IVOCTPA-US能够在不使用造影剂情况下提供更高分辨率和对比度的冠脉形态，降低了操作风险［38］。它利用频扫源激光器的触发信号实现纳秒脉冲激光器的同步，并利用延迟单元实现超声脉冲的产生和数据采集。多模态腔内影像学的发展，能够在准确评估斑块的进展程度、斑块破裂或斑块侵蚀，能够提供了高精度测量血管壁内高危易损斑块的方法，有助于更好地了解动脉粥样硬化的演变，帮助患者进行个体化药物治疗，减少患者经济负担和手术风险。

4.5 OCT-NIRS多模态成像技术

OCT可以提供自动管腔检测，识别冠状动脉斑块的特征并广泛用于优化冠状动脉支架置入。但这些特征不能通过血管造影或血管内超声准确识别。虽然OCT的高空间分辨率能够识别许多斑块的结构特征，但其检测脂质却受到了特异性不佳和观察者间一致性的限制。相比之下，NIRS已经被广泛验证用于组织金标准的脂质丰富斑块检测，故将NIRS检测脂质与OCT检测脂质池上方的脂帽厚度结合起来，成就了OCTNIRS复合导管原型的开发。该导管可以在一次回撤中同步提供OCT和NIRS数据。预计OCT-NIRS导管具有数据自动联合登记功能，将整合结构和化学信息有助于实现改善支架植入、检测和治疗高危人群和高危斑块的三重目标。

多模式成像技术克服了单一血管内成像方式的局限性，提供了关于斑块形态和/或组分情况的更全面的信息，以更好地判别易损斑块。已经提出并开发了不同方式的各种组合，通过精确的侵入性成像和非侵入性成像对高危人群的治疗，旨在更好地推进动脉粥样硬化的临床诊疗。

5 结语

近年来关于高危易损斑块评估的研究有很多，包括PROSPECT 研究、ATHEROREMO IVUS 研究、PREDICTION研究以及ATHEROREMONIRS研究等［15］，对比IVUS、IVUS-VH、ESS以及NIRS等技术对高危斑块的评估情况，发现这些方法阴性预测值较好，但阳性预测值较低，判断高危斑块准确性不足［39］。生物组织的最近光谱窗口是1.6～1.8 μm波段，受此启发，国内外的团队都在积极开展血管内多模态的成像仪器和分析软件，弥补各种单模态成像缺点，缩减在体研究中量化纤维帽厚度和定义易损斑块的误差范围，最大程度地提高斑块诊断精确度。科研团队力争研制出可以从解剖结构水平、功能代谢水平和细胞分子水平，高效准确地识别高危易损斑块内部的组织细胞成分的新一代多模态血管成像设备。有效评估动脉粥样硬化病变血管外膜结构和斑块负荷，直观的观察斑块内新生血管的密度和功能，尽早预测罪犯病变部位。但需要注意的是，对于血管内影像指导心血管急症治疗的获益，应明确具体人群和病变，同时也需要成本效益分析等综合考量。因此，多模态血管内成像的发展，如IVPA-US-OCT-OCE的研发将为介入医生提供更加理想的斑块与血管壁的组织学和形态学信息，将极大程度地提高高危斑块的阳性预测值及其准确度。