Volume 41 Issue 2
Apr.  2017
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Clinical value and latest developments of coronary artery calcification scores and gated myocardial perfusion imaging in the diagnosis of coronary artery disease

  • Myocardial perfusion imaging(MPI) plays an increasingly important role in the diagnosis, risk stratification, and prognosis of coronary heart disease, and coronary artery calcification scoring(CACS) can refine the risk stratification and prognosis of coronary heart disease. However, both methods possess limitations and deficiencies. The combination of CACS and MPI compensates for these deficiencies and provides detailed information to the physician. SPECT/CT generates CT images for attenuation correction when collecting MPI. CACS scans acquired during normal expiration can also be used for attenuation correction. The use of these scans not only reduces the radiological dose but also provides detailed information to the physician. This review focuses on the clinical values of CACS, MPI, and their combination and presents the latest developments in obtaining MPI and CACS images in one scan.
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通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
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    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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Clinical value and latest developments of coronary artery calcification scores and gated myocardial perfusion imaging in the diagnosis of coronary artery disease

    Corresponding author: Qiao Ruan, ruanqiao-6@126.com
  • Department of Nuclear Medicine, the First Affiliated Hospital of Zhengzhou University, Zhengzhou 450000, China

Abstract: Myocardial perfusion imaging(MPI) plays an increasingly important role in the diagnosis, risk stratification, and prognosis of coronary heart disease, and coronary artery calcification scoring(CACS) can refine the risk stratification and prognosis of coronary heart disease. However, both methods possess limitations and deficiencies. The combination of CACS and MPI compensates for these deficiencies and provides detailed information to the physician. SPECT/CT generates CT images for attenuation correction when collecting MPI. CACS scans acquired during normal expiration can also be used for attenuation correction. The use of these scans not only reduces the radiological dose but also provides detailed information to the physician. This review focuses on the clinical values of CACS, MPI, and their combination and presents the latest developments in obtaining MPI and CACS images in one scan.

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  • 冠心病是冠状动脉功能性或器质性病变造成心肌缺血、缺氧或坏死而导致的心脏病,是目前危害人类健康最严重的心血管疾病之一,其发病率和病死率呈逐年上升趋势,据世界卫生组织统计2012年约有1750万人死于心血管疾病,其中约740万人死于冠心病[1]。因此,深入研究冠心病的诊断及危险度分层,并采取有效的干预治疗措施,是目前冠心病防治工作中重要而艰巨的任务,对冠心病患者的预后具有十分重要的意义。

    冠心病的主要病因是冠状动脉粥样硬化斑块造成的狭窄,而动脉粥样硬化的始动因素是局部血管内皮受损,内皮下载脂蛋白B滞留,滞留的脂蛋白成为致病因子,形成与损伤相关的分子形态,进而引发炎症反应,促使平滑肌细胞和血管内皮细胞活化,单核细胞聚集,细胞内、外脂质等共同堆积于内膜下[2]。而钙在动脉硬化中起递质作用,可引起血管平滑肌细胞增生、迁移、内膜增厚损伤[3]。以往认为冠状动脉钙化是钙晶体在受损组织中的被动沉积过程。最新研究发现动脉粥样硬化斑块钙化是一个类似骨骼形成的受调控的过程[4],开始于平滑肌细胞向成骨细胞或软骨细胞的转化[5]。成骨细胞表达的成骨相关蛋白及成骨相关转录因子如Max基因、骨形成蛋白、碱性磷酸酶及转录因子Osterix和Cbfal等增加[6]。血管平滑肌细胞存在RUNX2因子(转录因子RUNXX家族成员之一),RUNX2因子能上调Cbfal因子的转录。这些细胞分泌基质小泡或发生凋亡使基质钙化。冠状动脉钙化是冠状动脉粥样硬化发展至一定阶段的结果,是冠状动脉粥样硬化的标志。多个研究发现若冠状动脉粥样硬化斑块不含钙化,则患者的预后一般较好[7];若斑块中含有钙化,钙化则反映了冠状动脉粥样硬化晚期复合病变中钙化斑块的负荷程度及其分布情况[8],斑块负荷重预示心血管事件发生率高,因此探测冠状动脉钙化积分(coronary artery calcification score,CACS)可用于临床进行冠心病的诊断及患者预后评估。心肌灌注显像(myocardial perfusion imaging,MPI)能反映心肌缺血的部位、程度及范围,是诊断冠心病的无创性功能影像技术之一,但其也有局限性。近年来,有研究指出MPI联合CACS可提高冠心病诊断的准确率,为冠心病的危险度分层及预后判断提供更多的信息[9-10]。SPECT/CT一次扫描可同时获得MPI与CACS两种信息,将两者联合应用的价值及方法还需进一步探讨。本文主要介绍MPI联合CACS诊断冠心病的临床应用价值及最新研究进展。

1.   CACS
  • 自1979年Guthaner等[11]首次发现CT可以探测冠状动脉钙化以来,大量研究致力于如何利用探测到的钙化来诊断冠心病,并产生了许多评分方法,如Agatston Score(AS)、Volume Score、MASS Score、Calcium Coverage Score等。其中应用最广泛的是1990年Agatston等[12]提出的第一个可行的定量CACS标准——AS。它的计算方法是以任何CT值大于130 HU、面积大于1 mm2的结构代表钙化灶,如果钙化附在冠状动脉表面则代表冠状动脉钙化狭窄,并用1~4分分别代表CT值峰值在130~199 HU、200~299 HU、300~399 HU和≥400HU范围的钙化。每处钙化的积分等于面积乘以钙化密度,总的AS等于每支冠状动脉分支积分的总和[12]

  • 1.1.   CACS与冠状动脉狭窄的关系

  • 国内外许多研究证实冠状动脉钙化与冠状动脉狭窄有着密切的关系,冠状动脉钙化与冠状动脉内膜厚度呈正相关,冠状动脉钙化是冠状动脉粥样硬化的基础病变,CACS是冠状动脉钙化的量化指标,故CACS能够反映冠心病的严重程度[13],CACS增高预示着动脉粥样硬化斑块出现,而在不稳定性冠心病患者中CACS代表冠状动脉狭窄的严重程度[14]。因此冠状动脉钙化越严重、CACS越高,则发生冠状动脉狭窄的可能性越高。但冠状动脉钙化与冠状动脉狭窄之间并非简单的直线相关关系,另有研究发现在重度钙化组中冠状动脉狭窄程度反而低于轻、中度钙化组,且差异有统计学意义[15],因此认为CACS只能说明冠状动脉粥样硬化的存在并不完全等同于冠状动脉狭窄。

  • 1.2.   CACS对冠心病的诊断价值

  • 目前CACS在临床冠心病诊断方面的应用集中在以下方面:① 利用CACS较高的阴性预测值,对年龄在40岁以下尤其是有危险因素但无临床症状的人群,利用CACS尽早发现其冠状动脉的钙化,以便尽早发现冠状动脉病变,及时给予有效的干预措施;② 利用CACS对患者进行分层,以便为患者提供更加合理的治疗方案[16]。已有许多研究认为可以依据CACS对冠心病的严重程度进行分层,最早的便是Rumberger等[17]的研究,他们给出了根据CACS对患者冠状动脉狭窄程度及冠心病严重程度进行分层的指南(表 1)。另外彭万宏等[18]的研究采用AS>250分作为诊断阈值判断冠状动脉狭窄≥50%的灵敏度和特异度分别为42.9%(67/156)和96.9%(32/33)。虽然这两个研究所得出的界值不同,但是都表明CACS对冠心病的筛查有很大作用。一般来说CACS越高,冠状动脉钙化越广泛,发生冠状动脉狭窄者越多,且程度越重。但无钙化的冠状动脉也会发生狭窄。

    CACS 冠状动脉钙化程度 临床意义
    0分 患心血管疾病的概率极低;患冠心病的概率 < 5%,检查多阴性
    1~10分 极小 明显冠心病的可能性很小
    11~100分 非常小 很可能有中度非阻塞性冠心病
    101~400分 中等 非性
    > 400分 极大 极大可能至少有一支冠状动脉狭窄>50%
    注:表中,CACS:冠状动脉钙化积分。

    Table 1.  First Rumberger guideline based on Agatston score using electron beam computed tomography

  • 1.3.   CACS对冠心病预后判断的价值

  • 许多研究都表明CACS可以协助冠心病患者进行进一步的危险度分层并指导患者的预后判断[16-18]。美国心脏病学会/美国心脏联合会(ACC/AHA)2013年指南指出,根据汇总队列方程进行危险度分层,可以预测冠心病患者10年内发生心脏事件的风险[19]。有学者认为运用这一方法指导患者他汀类药物的使用,增加了使用他汀类药物的患者数量,而使用CACS对患者重新进行危险度分层可以明显减少他汀类药物的使用[20]。Almoudi和Sun[21]指出,CACS对无典型症状患者的主要作用是协助其进行风险评估并决定其是否需要强化预防措施。根据Valenti等[22]的最新研究发现,CACS为0分的无症状患者其无心脏事件的安全期可以达到15年,所以他们建议用CACS对低危及中危心血管疾病患者重新进行危险度分层。但也有文献不建议将CACS作为典型症状患者的筛查工具,因为患者的钙化斑块与血管狭窄之间没有明确关系,而且CACS为0分或很低时对有相关症状患者的意义仍有争议[23]。因此CACS应联合其他检查来对冠心病预后进行判断。

  • 1.4.   其他临床应用

  • 冠状动脉CT血管造影(coronary CT angiography,CCTA)可以为临床提供患者冠状动脉解剖信息,但其辐射剂量过高,有一些研究建议把CACS作为胸痛患者是否进行CCTA的“把门人”,较高的CACS会因钙化的伪影而降低CCTA图像的质量,因此高CACS患者也不应行CCTA[24]。近年来,Ahn等[25]通过对253例CACS>400分的患者的研究发现CCTA对这些患者缺乏特异性。另有研究也指出高CACS对患者CCTA图像准确性的影响被低估[26],冠状动脉钙化仍是容积CT图像质量及诊断准确性下降的重要原因[27]。因此亚洲心血管影像协会指出如果无症状患者的CACS≥400分则不建议进行CCTA[28]

    由于CACS对非钙化斑块狭窄的诊断价值较小,因此目前CACS较少用于冠心病的诊断,主要用于协助患者进行进一步的危险度分层并指导预后判断,相信随着融合影像的兴起及CT辐射剂量的降低,CACS将越来越多地与其他检查联合运用于临床。

2.   MPI
  • 自MPI问世以来,其在冠心病的诊断、危险度分层、治疗决策、疗效评估、预后判断中的作用越来越受到重视,已得到美国心脏病学会/美国心脏联合会/美国核心脏病学协会(ACC/AHA/ASNC)相关指南的充分肯定与推荐[19]

  • 2.1.   MPI对冠心病的诊断、危险度分层、疗效观察及预后判断价值

  • MPI作为一种无创性检查,其检查原理是:正常心肌细胞可以有选择性地摄取某些放射性物质(如99Tcm-MIBI等),进而通过探测器显像,核素在心肌内的放射分布不仅取决于冠状动脉的狭窄程度、冠状动脉血流量,而且与心肌细胞的功能状态、心肌细胞对核素的摄取和清除之间的平衡有关[29]。MPI的特点是功能显像,能客观、准确地评价冠状动脉病变区域心肌的血流灌注、心肌细胞的功能与心室功能异常等病理生理变化,对冠心病的诊断有着不可替代的作用。另外对于冠状动脉微循环障碍患者,其可能有相对或绝对的心肌缺血存在,冠状动脉造影(coronary angiography,CAG)显示的心脏表面大血管无明显异常[30],而MPI则有很好的阳性率。娄樱等[31]研究发现,约87.50%冠状动脉微循环障碍患者MPI出现“反向再分布”,药物治疗后临床症状及平板运动试验结果均有改善的36例患者再次进行延迟显像,原受累的49个节段中有45个节段放射性分布有不同程度的改善,阳性检出率达91.84%。研究表明MPI与冠状动脉狭窄有着高度的相关性,但MPI存在一定的假阳性率,这可能是由于周围软组织的衰减、药物标记率较低、图像采集时间不足等所致[30];另外当患者三支冠状动脉主干同时出现严重病变时,MPI可表现为假阴性[32-33]

    多年来MPI被用于冠心病的危险度分层,MPI使用负荷总积分(summed stress score,SSS)进行心肌缺血严重程度的评估:正常0~3分、轻度4~8分、中度9~13分、重度≥14分。评分越高,发生心脏事件的风险越大。此外,也可以使用灌注积分差(summed difference score,SDS)、静息总积分(summed rest score,SRS)进行评估,其中,无心肌缺血SDS < 2分,中度缺血SDS为2~6分,重度缺血SDS≥7分。也有学者按SDS分为:SDS >4分为心肌存在缺血,SDS≤4分为基本正常;SRS≥2分为心肌缺血,SRS < 2分为基本正常[29]。大样本研究证实,心肌灌注缺损的范围越大、程度越重,恶性心脏事件的发生率就越高,即负荷积分与患者预后呈正相关[34]。但在评估心脏的危险度方面,MPI也存在不足。一是MPI缺乏冠状动脉管壁的解剖结构信息,当患者动脉管壁粥样硬化发生变化时,不能仅仅依靠MPI的结果确定冠心病的阶段;二是在患冠心病可能性较低的患者中,MPI显像的假阳性较高[35]

  • 2.2.   MPI与CAG

  • CAG是目前诊断冠状动脉狭窄的“金标准”,但其只能反映毫米级以上的位于心脏表面较大血管的二维形态学变化,无法直接反映这一形态学的变化对相应心肌血流灌注和冠状动脉储备能力的影响以及心肌的存活情况。而且有研究显示,只有近1/3的CAG检查最终会进行再血管化治疗,而2/3的CAG检查只有单纯的诊断用途[36],仅仅是为了验证冠状动脉病变的存在及其严重程度,这样不仅使得CAG的阴性率提高,严重浪费医疗资源,而且还可能漏诊微血管病变。此外CAG为有创性检查,价格昂贵,对操作者的技术水平要求高,且存在一定的风险,不应成为冠心病的常规检查方法[37]。而MPI作为一种无创性检查,能客观、准确地评价冠状动脉病变区域心肌的血流灌注、心肌细胞的功能等病理生理变化,因此对冠心病的诊断具有不可替代的作用。故美国心脏病学会/美国心脏联合会/美国核心脏病学协会(ACC/AHA/ASNC)所制定的相关指南中均强调应把MPI作为CAG的“把门人”[19]

    MPI在冠心病的诊断、预后判断等方面的价值越来越受到认可和重视,但由于MPI与CAG相比存在一定的假阳性率,只有在药物生产、图像采集处理等各个环节严格把关,MPI的价值才能得到越来越多的临床医师认可。

3.   MPI与CACS联合应用

    3.1.   MPI与CACS联合应用的价值

  • 虽然MPI可显示心肌血流和代谢的异常改变,也有很多文献将MPI用于冠心病的诊断和危险度分层,但是MPI只能探测到阻塞性冠心病,很难发现容易发生斑块破裂的亚临床动脉粥样硬化;并且有文献报道由于其假阴性,MPI对多支血管病变(multivessel disease,MVD)及左主支病变的探测存在缺陷,进而忽略了这些病变可能导致的高风险心血管事件[32-33]。而CACS作为可判断冠状动脉是否存在动脉粥样硬化及其严重程度的标准,其与MPI这两种互补型检查方法的联合应用能同时为临床提供解剖信息和功能信息,打破各自的局限性,实现优势互补,为临床提供更多诊断和预后信息。当MPI阴性时,CACS是预测心脏风险强有力的指标;当MPI结果正常而CACS高时,说明患者处于疾病进展阶段,发生心脏事件的风险增加;当MPI阳性时,可以根据CACS对患者危险度进行进一步分层。有研究将CACS>1314分作为冠心病进一步危险度分层的指标,当MPI正常并且CACS<1314分时则危险度很低;而在MPI不正常的患者中,CACS>1314分则其发生不良心脏事件的概率大大提高[9]。Yuoness等[10]的研究通过对无症状、MPI正常并且CACS>1000分的患者进行CAG,他们发现这些患者中50%以上患有严重心脏病,因此建议将MPI联合CACS用于患者的危险度分层。

  • 3.2.   MPI与CACS联合应用的方法

  • MPI与CACS的联合应用需要分别进行两次扫描,但这无疑会增加患者的辐射剂量及经济负担。若一站式同时获得MPI和CACS两种信息,可在减少患者辐射剂量的同时又为临床提供更多信息。MPI与CACS的联合应用的研究热点主要集中在以下几个方向。

    在SPECT/CT扫描过程中会产生一个非门控低剂量CT,消除由于膈肌运动和呼吸运动造成的假阳性伪影[38],但衰减矫正CT(CT-based attenuation correction,CTAC)的扫描技术(缺少心电门控)以及自由呼吸会使冠状动脉变得模糊并改变一些冠状动脉分支钙化的CT值,进而影响总的CACS;而且由于缺少心电门控,心脏的运动会导致图像数据可能出现对钙化采集漏失和(或)重复[39],这些问题的存在使得CTAC很难用于测定CACS。为了利用CTAC来进行CACS的测量,Einstein等[39]提出了CACS的视觉估计(visually-estimated coronary artery calcium,VECAC),即将CACS分为0、1~9、10~99、100~300、400~999和≥1000分6个层次,然后通过视觉估计其属于哪个层次,通过对来自3个医学中心的492例患者的对比发现,VECAC与AS呈高度相关,并提出可以对CTAC进行视觉估计来确定CACS。

    从CT用作衰减校正开始,其扫描速度快,空间分辨率高,特别是当图像错位时,CT衰减校正后的核医学图像依然能有好结果等特点就被广泛认同[40],随着软件技术的发展,人们开始思考是否能用门控屏气的CACS扫描数据来进行衰减校正。由于呼吸运动会影响衰减值[41-42],而SPECT/CT匹配的低转速CT所获得的CT数据可以代表呼吸运动的平均状态,多排高速CT获得的数据只能代表屏气呼吸的某个阶段[40],这些缺陷都限制了CACS用作衰减校正。

    Schepis等[43]的研究发现,用标准CACS扫描的CT数据(吸气末屏气)做衰减校正与常规衰减校正(自由呼吸)相比,MPI图像的心肌摄取值有很好的相关性。并且由于正常呼气末屏气更接近自由呼吸,呼气末屏气的CACS扫描的CT数据做衰减校正与正常衰减校正较吸气末屏气的相关性更高。该研究还发现吸气末屏气和呼气末屏气的平均AS是十分接近的。这一研究成果也得到了欧洲核医学协会(EANM)最新MPI指南的认可[44]

4.   小结
  • MPI联合CACS不仅可以提高冠心病诊断的准确率,而且能更加准确地判断患者预后及进行危险度分层。但是由于CACS在临床应用较少,MPI联合CACS还有很多阻碍,相信随着软件和硬件水平的提高,在一次扫描中同时获得MPI和CACS信息,并将其联合应用于冠心病患者的诊断将广泛应用于临床。

Reference (44)

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