測定相對心肌血流儲備軟件的編制及初步臨床驗證

魏紅星，段紹峰，王偉學，楊易劍，郭新華，姜楠，王琦，田月琴，王躍濤，張曉麗，單寶慈

測定相對心肌血流儲備軟件的編制及初步臨床驗證

魏紅星，段紹峰，王偉學，楊易劍，郭新華，姜楠，王琦，田月琴，王躍濤，張曉麗，單寶慈

目的：本研究擬通過自主編制的測定心肌血流儲備（CFR）軟件，設定嚴格的實驗條件，探討單光子發射計算機斷層攝影術（SPECT）心肌灌注顯像測定CFR值的可行性，并初步驗證其臨床價值。

方法：CFR計算軟件基于平臺Matlab GUIDE編寫。入選16例冠心病患者［男13例，女3例，年齡（58±11）歲］，經冠狀動脈造影證實有冠狀動脈狹窄（＞50%），其中無狹窄的冠狀動脈23支，有狹窄的冠狀動脈25支。兩日法行藥物99mTc-甲氧基異丁基異腈 （99mTc-MIBI）負荷-靜息心肌灌注SPECT顯像測定CFR。采用首次通過法并勾畫肺動脈段感興趣區，獲取顯像劑的動脈輸入函數曲線，代表心肌灌注顯像劑到達心臟的總放射性計數（PAC），將圖像重建后的心肌短軸圖像分為三個區域，在不同血管區域支配的心肌部位勾畫感興趣區（ROI），獲取不同區域心肌的放射性計數（RMC），計算局部心肌放射性計數占總放射性計數的百分比（MBF=RMC/PAC，%），然后再計算藥物負荷態與靜息狀態下的心肌攝取量的比值（CFR=MBFstress/MBFrest），即獲得心肌的相對CFR。

結果：模擬值與真實值比較，差異可以忽略不計，證實程序能夠準確測量CFR值。不同操作者采用該軟件測定的CFR值之間的重復性（ICC=0.986）以及同一操作者之間的重復性（ICC=0.983）均良好。無明顯冠狀動脈狹窄的CFR值明顯高于冠狀動脈狹窄的的CFR值（1.28±0.19 vs 1.10±0.27，P=0.008）；所有狹窄的冠狀動脈的CFR值與狹窄程度呈顯著負相關（r=-0.5，P=0.02）。

結論：本研究顯示自主編制的軟件測定結果可靠，重復性良好。無冠狀動脈狹窄的CFR值明顯高于狹窄的冠狀動脈的CFR值，而且狹窄的冠狀動脈的CFR值與血管狹窄程度呈顯著負相關，初步研究結果顯示了其良好的臨床應用前景。關鍵詞血流儲備分數，心肌；心肌灌注顯像；軟件確認

Abstract

Objective:To assess the feasibility of coronary flow reserve （CFR） detection by SPECT myocardial perfusion imaging using a self developed software with preliminary clinical verification.

Methods:CFR calculation software was developed according to Mat lab guide. A total of 16 patients were enrolled including 13 male and 3 female at the mean age of （58±11） years . CAG confirmed that 25 coronary branches were with stenosis＞50% and 23 branches were without stenosis. 2-day ATP/rest99mTc-sestamibi dynamic SPECT myocardial perfusion imaging was conducted to detect CFR. First transit counts were used to sketch the interested pulmonary artery segments and to obtain the arterial input curve of contrast agent as total PAC reached to heart. Reconstructed short-axis images were divided into 3 sections to sketch interested territories （ROI） and to obtain RMC at each territory. Estimated CFR was expressed by the ratio of MBF=RMC/PAC followed bycalculating the ratio of MFR=MBFstress/MBFrest.

Results:The difference between simulated value and true value could be ignored which confirmed that our program may accurately measure CFR. The reproducibility by different operators （r=0.986） and the same operator （r=0.983） was good. CFR value in non-stenosis branches were higher than stenosis branches （1.28 ± 0.19） vs （1.10 ± 0.27），P=0.008 and CFR value in stenosis branches was negatively related to stenosis degree （r=-0.5，P=0.02）.

Conclusion:Our self developed software is reliable for CFR detection by SPECT myocardial perfusion imaging； preliminary study showed good application prospect in clinical practice.

（Chinese Circulation Journal，2016，31:759.）

心肌血流儲備（CFR）作為反映冠狀動脈血流動力學異常變化的重要指標，可在冠狀動脈解剖結構未發生異常之前早期探測血管功能的異常［1］。而內皮細胞功能受損是冠狀動脈粥樣硬化發生的關鍵所在［2］。因此，CFR的測定越來越受到臨床研究的重視［3-5］。

本研究通過對輕中度冠狀動脈狹窄和均衡性多支病變的冠心病患者作為研究對象，以冠狀動脈造影診斷冠心病為“金標準”，在國內首先開展藥物負荷+靜息單光子發射計算機斷層攝影術（SPECT）動態心肌灌注顯像的前瞻性研究，利用研究小組自主研發的新軟件，初步測定CFR值，探討其可行性及重復性，期望進而達到早期、準確診斷冠心病，提高傳統核素心肌灌注顯像診斷冠心病的水平。

1　資料與方法

1.1軟件的編制

CFR計算軟件根據Sugihara等所提出的理論，基于Matlab GUIDE平臺編寫。CFR是心肌血流量（MBF）在負荷態和靜息態下的比值。放射性微球模型MBF值與心肌對99mTc-甲氧基異丁基異腈 （99mTc-MIBI）的提取有如下關系：

其中q（T）表示心肌對于99mTc-MIBI的攝取值，E表示攝取比例，C（t）表示99mTc-MIBI在動脈血液中的濃度。

在SPECT顯像中，以區域心肌的放射性計數（RMC）代替q（T），以肺動脈放射性計數PAC（t）代替C（t）。因此，測定MBF值的公式為：

其中KSPECT和Kpcanar分別表示SPECT測定的放射性計數和平面顯像測定的放射性計數與真實的示蹤劑在血液濃度之間的轉化因子。VROI為選取的感興趣區域的體積。

最終，測定CFR值計算公式為：

1.2數據采集

入選16例經冠狀動脈造影證實有冠狀動脈狹窄的患者［男13例，女3例，年齡（58±11）歲］行CFR測定。SPECT心肌灌注顯像實驗流程見圖1，采用兩日法藥物負荷-靜息心肌灌注顯像，首先行動態藥物負荷心肌灌注顯像，靜脈泵給藥腺苷 3 min時，“彈丸式”從右肘靜脈注射99mTc-MIBI 20 mCi，即刻動態采集顯像劑通過右心房、右心室、肺動脈、左心房和左心室的平面圖像1 min，每秒采集一幀圖像。60 min后常規采集心肌灌注顯像圖像。隔日行動態靜息灌注顯像，除無靜脈泵給腺苷外，其它步驟同藥物負荷。

儀器采用德國Sienmens e.cam雙探頭SPECT儀，配以高分辨型平行孔準直器。采集角度為180°，能峰140 Kev，能窗20%。圖像重建采用Butterworth濾波反投影法，截止頻率為0.45，陡度因子為5.0。

圖1　兩日法動態藥物負荷-靜息99mTc-甲氧基異丁基異腈心肌灌注顯像的流程圖

選取和周圍組織不容易重疊的部位（如肺動脈）勾畫感興趣區（ROI），從而獲得該部位隨時間變化的放射性曲線作為動脈輸入函數，代表心肌灌注顯像劑通過靜脈注射到體內到達心臟的總放射性計數（PAC）；將圖像重建后的心肌短軸分為三個區域，在不同血管供應的心肌部位勾畫ROI，獲取不同RMC，計算區域心肌放射性計數占總放射性計數的百分比（MBF=RMC/PAC，%），然后再計算藥物負荷態與靜息狀態下的心肌攝取量的比值（CFR=MBFstress/ MBFrest），即獲得心肌的相對CFR。

1.3數據處理

肺動脈首次通過法獲取輸入函數：在所有動態平面顯像的圖像中，通過肉眼判斷找到肺動脈顯像最清晰的一幀圖像，在肺動脈區域勾畫ROI（圖2A），自動識別亮度最高像素鄰域內的3×2像素（18 mm×24 mm）作為計數區域（圖2A），然后獲取計數區域內放射性計數隨時間變化的放射性曲線。將曲線進行插值平滑，利用梯度積分的方法計算曲線下的面積，作為PAC值（圖2B）。

圖2　勾畫肺動脈感興趣區（ROI）獲取肺動脈輸入函數的示意圖及曲線圖

獲取不同冠狀動脈供應心肌區域的放射性計數：為了保證標準的統一性，在心肌短軸圖像中選取從剛出現心腔的第一幀圖像到心肌間隔放射性缺損的前一幀圖像的所有圖像，測定每幀圖像的放射性計數，并計算其總和，獲取心肌放射性總計數（圖3）。

確定心內膜和心外膜的邊緣：為了減少部分容積效應，準確判定心內膜和心外膜可以提高測定CFR值的準確性。選取心肌短軸圖像的中心點，然后手動選取心外膜的多個點，采用三次B樣條擬合的方式確定心外膜的邊緣。之后，通過中心點和邊緣點的連線上放射性計數變化最大的位置設定為心內膜的邊緣點，同樣利用三次B樣條擬合的方式確定心內膜的邊緣。

圖3　心肌短軸圖像層數的選取

1.4方法驗證

模擬數據驗證方法：用正弦函數y=Asin（t），t∈［0，π］來模擬輸入函數。不同的狀態下，采用不同的幅值A，靜息態下Ar=1000，負荷態下As=800（r，s分別表示靜息態和負荷態）。所以對于輸入函數有如下關系：

對于心肌短軸圖像的模擬，首先選取靜息態下的心肌短軸圖像，利用極坐標的方式，將短軸圖像分成三個部分，分別對應于冠脈前降支（LAD），冠脈回旋支（LCX）和右冠狀動脈（RCA）支配區域，分別對這三個區域給予不同的賦值，前降支像素值×3，回旋支像素值×2，右冠狀動脈像素值保持不變。產生了公式2。

模擬值為利用公式1和公式2計算所得的CFR值，真實值為軟件測定的CFR值，比較這兩個值，以驗證軟件測定CFR值的可靠性。

驗證臨床數據方法：選取一個患者心肌短軸圖像，采用極坐標的方式，將短軸圖像分成三個部分，分別對應于LAD和LCX以及RCA，分別對這三個區域進行CFR測定（圖4）。將狹窄的冠狀動脈所支配區域的CFR值與正常冠狀動脈所支配區域的CFR進行對比；狹窄區域CFR值與冠狀動脈狹窄程度進行相關性分析，以驗證此方法的臨床應用價值。

圖4　心肌短軸圖像的分區

1.5統計學分析

2　結果

2.1測試重復性結果

由兩位觀察者分別測定CFR值，觀察者內及觀察者間的重復性：觀察者內相關系數（ICC）為0.983、F=146.18、P＜0.001；觀察者間ICC為0.986、F=58.79、P＜0.001。

2.2模擬數據與真實值得對比

比較兩者數值發現模擬CFR值和真實CFR值差異可以忽略不計，提示該程序可以準確測量患者的CFR值（表1）。

表1　心肌血流儲備模擬數據與真實值的對比

2.3臨床數據的驗證

16例經冠狀動脈造影證實的冠心病患者，共23支無明顯冠狀動脈狹窄，25支有冠狀動脈狹窄，單支病變患者11例，雙支病變患者1例，三支病變患者4例，計算所有冠狀動脈的CFR值顯示，23支無明顯冠狀動脈狹窄血管的CFR值明顯高于25支有冠狀動脈狹窄的CFR值（1.28 ± 0.19 vs 1.10 ± 0.27，P=0.008）。另外，RCA血管供應的心肌區域，無明顯冠狀動脈狹窄血管的CFR明顯高于有冠狀動脈狹窄血管的CFR（P=0.02），差異有統計學意義。而LAD和 LCX所供應的心肌區域在無明顯冠狀動脈狹窄的血管的CFR值亦均高于有冠狀動脈狹窄血管的CFR值，但差異無統計學意義。表2

表2　不同冠狀動脈狹窄患者的心肌血流儲備比較（±s）

表2　不同冠狀動脈狹窄患者的心肌血流儲備比較（±s）

2.4冠狀動脈狹窄的CFR值與狹窄程度的相關性

所有狹窄的冠狀動脈的CFR與狹窄程度呈顯著負相關，有統計學意義（r=-0.5，P=0.02）。

3　討論

本研究以冠心病患者作為研究對象，在國內開展藥物負荷+靜息SPECT動態心肌灌注顯像的前瞻性研究，利用研究小組自主研發的新軟件，初步測定CFR，探討其可行性及重復性。結果顯示自主編制的軟件運行良好，各種參數設定科學嚴格，通過對比模擬CFR值與真實CFR值的對比，證實該程序可以準確測量CFR值。不同操作者采用軟件測定的CFR值之間的重復性（r=0.986）以及同一操作者之間的重復性均良好（r=0.983）。通過該軟件對動態負荷+靜態心肌灌注SPECT顯像對16例冠心病患者初步研究結果，發現無明顯冠狀動脈狹窄血管的CFR值明顯高于冠狀動脈有狹窄血管的CFR值（P=0.008）。而且，所有狹窄的冠狀動脈的CFR值與冠狀動脈狹窄程度有著良好的相關性（r=-0.5，P=0.02），初步顯示了該方法有良好的臨床應用前景。

測定CFR值在冠狀動脈解剖結構未發生異常之前早期探測血管功能的異常，對早期診斷冠心病和提高冠心病診斷的準確性，以及指導治療方案的制定有重要價值，因此，CFR的測定越來越受到臨床研究的重視［3-5］。現有的測定CFR值得方法包括冠狀動脈內多普勒導管和導絲技術［6］、經胸或經食道超聲心動圖、磁共振成像（MRI）［7，8］、正電子斷層顯像（PET）心肌灌注顯像等方法［3-5］。然而這些方法或因有創性、價格昂貴、顯像條件要求苛刻，或因測定的準確性及重復性欠佳等原因限制了在臨床上的推廣應用［9，10］。21世紀初期，日本和意大利的少數研究中心相繼開展了采用SPECT動態心肌灌注顯像測定相對CFR的研究報道［11-14］。由于SPECT心肌灌注顯像已被廣泛應用于臨床實踐，所以，采用此方法能夠獲取相對CFR的最大優點是非常易于在臨床推廣應用，無論從經濟性還是從實用性方面考慮，都具有重要價值。然而，由于采用SPECT心肌灌注顯像方法，心肌對攝取示蹤劑的量的測定受到儀器分辨率、放射性的散射效應和組織衰減等的影響，并不能測定心肌絕對血流量，因此，只能獲取相對CFR而非絕對CFR。諸多相關問題尚需進行深入研究。國外也僅局限于少數針對小病例組的研究報道，其可靠性還有待進一步驗證。

近幾年，我們自主編寫了采用動態SPECT心肌灌注顯像定量測定相對CFR的軟件包，探索此方法對冠心病患者測定相對CFR的可行性和準確性。我們初步的研究結果顯示該項技術是一項簡單并且可以準確測定CFR的無創性方法。通過對16例冠狀動脈狹窄患者的研究結果，無明顯冠狀動脈狹窄的23支血管所供應的心肌區域的平均CFR明顯高于25支有冠狀動脈狹窄的血管所供應心肌區域的CFR（P=0.008）。這與Storto等［11］采用類似方法對冠心病患者測定的CFR相近。而且，我們還發現CFR值與冠狀動脈狹窄程度存在明確的負相關性（r=-0.51，P＜0.05），進一步提示該項技術對冠心病患者有重要的臨床潛在價值。

本研究的局限性，由于SPECT顯像系統與PET顯像協調相比，儀器本身有固有的局限性，包括空間分辨率較低，部分容積效應對勾畫心內膜和外膜邊界的存在一定的誤差；靈敏度低，圖像的信息量較真實值小；組織衰減及散射效應對放射性計數的穩定性有一定的影響等。然而，由于我們采用負荷態的值與靜態值獲取其比值，因此，對所有相關因素的影響可以忽略不計。同時，我們嚴格控制各個步驟的質量，保持負荷態與靜息態的一致性，不同患者之間采取統一標準如何獲取心內膜和心外膜，以及如何選取心肌圖像獲取心肌總的放射性計數，從而盡量減少各種因素對結果的影響。當然，仍然需要我們繼續改進工作流程和提高準確性。其次，本研究研發的程序只對小樣本量患者的圖像進行處理和驗證，但需要通過對大樣本的研究進一步來驗證其可靠性。

采用我們自主研發的軟件，通過SPECT動態血流灌注顯像對冠心病患者進行測定獲取相對CFR值，反映了冠狀動脈狹窄的信息，初步結果比較滿意，有潛在的臨床推廣應用價值。

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Establishment and Preliminary Clinical Verification for a Software Detecting Estimated Coronary Flow Reserve

WEI Hong-xing，DUAN Shao-feng，WANG Wei-xue，YANG Yi-jian，GUO Xin-hua，JIANG Nan，WANG Qi，TIAN Yue-qin，WANG Yue-tao，ZHANG Xiao-li，SHAN Bao-ci.
Department of Nuclear Medicine，Cardiovascular Institute and Fu Wai Hospital，CAMS and PUMC，Beijing （100037），China Co-corresponding Authors: ZHANG Xiao-li，Email: xlzhang68@yahoo.com and DUAN Shao-feng，Email:duansf@ihep.ac.cn

Blood flow，reserve fraction； Myocardium； Myocardial perfusion imaging； Software conformation

2016-04-05）

（編輯：常文靜）

國家自然基金（NO.8107177；NO.81571717）；北京市科技計劃首都臨床特色應用研究（NO.Z131107002213181）；江蘇省省級重點研發專項基金項目（BE2014635）

100037北京市，中國醫學科學院北京協和醫學院國家心血管病中心阜外醫院 核醫學科（魏紅星、王偉學、楊易劍、郭新華、姜楠、王琦、田月琴）；首都醫科大學附屬安貞醫院核醫學科（張曉麗）；中國科學院高能物理研究所核輻射與核能技術重點實驗室北京市射線成像技術與裝備工程技術研究中心（段紹峰、 單寶慈）；蘇州大學附屬第三醫院核醫學科（王躍濤）

魏紅星副主任技師碩士主要研究方向為核心臟病Email：weihongxing@263.net共同通訊作者：張曉麗Email：xlzhang68@yahoo.com段紹峰Email：duansf@ihep.ac.cn

R54

A

1000-3614（2016）08-0759-05

10.3969/j.issn.1000-3614.2016.08.008