基于血管內(nèi)超聲斑塊組織學(xué)檢測(cè)方法的歷史及現(xiàn)狀

謝劍昶 黃進(jìn)宇

冠狀動(dòng)脈內(nèi)粥樣斑塊繼發(fā)性改變是引起急性冠狀動(dòng)脈綜合征（acute coronary syndromes，ACS）的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。一直以來，對(duì)于斑塊穩(wěn)定性研究不斷進(jìn)展，從斑塊結(jié)構(gòu)成分來分析斑塊性質(zhì)、排查易損斑塊是最為有效的方法之一。易損斑塊組織學(xué)主要特點(diǎn)是大脂質(zhì)核心、薄纖維帽、斑塊裂隙及管腔嚴(yán)重狹窄等［1］。血管內(nèi)超聲（intravascular ultrasound，IVUS）的發(fā)明使斑塊立體結(jié)構(gòu)直觀地表現(xiàn)出來，彌補(bǔ)了冠狀動(dòng)脈造影在平面結(jié)構(gòu)上的局限性。在標(biāo)準(zhǔn)灰階IVUS圖像中，斑塊鈣化成分和致密纖維組織都能較強(qiáng)地反射超聲波，都表現(xiàn)為均質(zhì)明亮的影像，而在低回聲區(qū)IVUS影像不能明確分辨為軟斑塊還是混合斑塊［2］。因此，從20世紀(jì)90年代開始，通過超聲射頻（radio frequency，RF）信號(hào)技術(shù)光譜來分析斑塊組織學(xué)的方法不斷發(fā)展，逐漸形成整合背向散射IVUS（integrated backscatter IVUS，IB-IVUS）、血管內(nèi)超聲內(nèi)膜硬度圖（intravascular ultrasound palpogram，IVUSP）、趨向成熟并被廣泛商業(yè)化應(yīng)用的虛擬組織學(xué)IVUS（virtual histology IVUS，VHIVUS）和iMap-IVUS等技術(shù)。

1 超聲RF信號(hào)和背向散射積分技術(shù)

和常規(guī)超聲通過超聲回波信號(hào)處理成像的原理不同，超聲RF信號(hào)技術(shù)是對(duì)經(jīng)組織反射和散射的RF信號(hào)進(jìn)行采集處理。將朝向探頭方向散射的RF信號(hào)在頻域方面進(jìn)行定量分析即背向散射積分（integrated backscatter score，IBS），得出的光譜參數(shù)對(duì)應(yīng)相關(guān)組織學(xué)特點(diǎn)。因此，超聲RF信號(hào)和IBS技術(shù)是研究血管內(nèi)斑塊組織學(xué)特點(diǎn)的主要方向。

1994年，Wilson等［3］用20 MHz的IVUS在離體股動(dòng)脈片段中采集RF信號(hào)，轉(zhuǎn)為數(shù)字信息后計(jì)算對(duì)應(yīng)組織的衰減斜率，不同衰減斜率對(duì)應(yīng)不同組織類型。這是超聲RF信號(hào)首次應(yīng)用于血管內(nèi)組織學(xué)檢測(cè)。1998年，Moore等［4］首次在離體冠狀動(dòng)脈中應(yīng)用IVUS導(dǎo)管，對(duì)部分血管內(nèi)斑塊感興趣區(qū)（regions of interest，ROI）獲取相應(yīng)RF信號(hào)，經(jīng)過換能器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息，通過計(jì)算機(jī)統(tǒng)計(jì)出相應(yīng)光譜參數(shù)。用光譜參數(shù)和ROI組織學(xué)類型做比較，分析不同組織學(xué)類型（疏松纖維組織、中等纖維組織、脂肪組織、致密纖維組織、微小鈣化、鈣化斑塊）和光譜參數(shù)的相關(guān)性，結(jié)果提示不同組織學(xué)類型對(duì)應(yīng)特定光譜參數(shù)。2002年，Kawasaki等［5］提出IB-IVUS的概念，將RF信號(hào)通過快速傅里葉變換得出IBS值，根據(jù)不同IBS值將斑塊成分分為血栓、增生內(nèi)膜或脂質(zhì)核心、纖維組織、混合病變、鈣化組織等，且成功應(yīng)用于臨床科研中。同年，在RF信號(hào)處理上，Nair等［6］研究認(rèn)為自動(dòng)回歸分析比傳統(tǒng)傅里葉變換得出的參數(shù)在分辨斑塊成分方面具有更好的敏感度。這一項(xiàng)研究隨后被應(yīng)用在VH-IVUS上。在以上技術(shù)基礎(chǔ)上，各種基于IVUS斑塊組織學(xué)檢測(cè)方法的研究逐漸形成。

2 IB-IVUS

隨著技術(shù)不斷完善，已形成成熟的IB-IVUS檢測(cè)方式，包括38～43 MHz機(jī)械旋轉(zhuǎn)超聲探頭、IVUS機(jī)器及連接IVUS機(jī)器的個(gè)人電腦、通過快速傅里葉變換分析RF信號(hào)的圖像系統(tǒng)軟件（VISIWAVE，Terumo公司，日本）。斑塊成分以不同顏色實(shí)時(shí)標(biāo)注在IVUS橫斷面影像上：綠色為纖維斑塊，藍(lán)色為壞死核心，黃色為脂質(zhì)斑塊，紅色為鈣化斑塊［7］。IB-IVUS的關(guān)鍵在于將RF信號(hào)轉(zhuǎn)化為ROI的IBS值，在數(shù)據(jù)庫中比對(duì)分析，通過物理參數(shù)來區(qū)分不同組織。在易損斑塊研究方面，IB-IVUS發(fā)現(xiàn)易損斑塊較穩(wěn)定斑塊脂質(zhì)成分更多（敏感度90%，特異度96%），而纖維成分更少（敏感度80%，特異度90%）［8］。在和光學(xué)頻域成像（optical frequency domain imaging，OFDI）的比較中，IBIVUS檢測(cè)到薄纖維帽粥樣斑塊（thin-cap fibroatheroma，TCFA）稍低于OFDI（陽性預(yù)測(cè)值60.9%比50%），但二者結(jié)合后，陽性預(yù)測(cè)值可達(dá)到100%，提示IB-IVUS在檢測(cè)易損斑塊方面有獨(dú)特價(jià)值［9］。一項(xiàng)前瞻性研究還發(fā)現(xiàn)，支架置入前后血管內(nèi)血液IBS差值（Δ IBS）和經(jīng)皮冠狀動(dòng)脈介入治療（percutaneous coronary intervention，PCI）圍術(shù)期肌鈣蛋白異常有相關(guān)性，認(rèn)為Δ IBS是PCI圍術(shù)期心肌損傷的預(yù)測(cè)因素［10］。

美國(guó)Volcano公司將自動(dòng)回歸分析充分應(yīng)用于IVUS的RF信號(hào)處理，整合在IVUS一體機(jī)中，并命名為VH-IVUS。VH-IVUS系統(tǒng)主要包括20 MHz相控陣超聲探頭、心電門控采集、自動(dòng)回歸分析等技術(shù)。VH-IVUS將斑塊成分分為纖維組織（深綠色）、脂質(zhì)組織（淺綠色）、壞死核心（紅色）、致密鈣化（白色），這四種組織預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度分別為纖維組織93.4%、脂質(zhì)組織94.6%、壞死核心95.1%、致密鈣化96.8%［11］?；诹己玫目芍貜?fù)性和簡(jiǎn)易操作，VH-IVUS臨床研究最為廣泛。PROSPECT研究［12］是第一項(xiàng)利用IVUS評(píng)價(jià)易損斑塊的多中心前瞻性研究，共納入697例ACS患者，在行PCI術(shù)后對(duì)其他斑塊進(jìn)行IVUS檢查，結(jié)合虛擬組織學(xué)特點(diǎn)篩選出TCFA，平均隨訪3.4年，共有149例主要不良心血管事件（major adverse cardiovascular events，MACE）發(fā)生，其中非罪犯斑塊和罪犯斑塊的比例相似（12.9%比11.6%）。斑塊被評(píng)估為TCFA、斑塊負(fù)荷≥70%、最小管腔面積≤4 mm2，這三項(xiàng)是非罪犯斑塊發(fā)生MACE的獨(dú)立危險(xiǎn)因素。有研究表明，基于VH-IVUS評(píng)估易損斑塊及ACS患者預(yù)后是可行的［13］。有臨床研究發(fā)現(xiàn)，非ST段抬高型心肌梗死患者在常規(guī)冠狀動(dòng)脈造影指導(dǎo)下，支架覆蓋罪犯病變，造影圖像顯示理想，通過VH-IVUS仍可在支架前后發(fā)現(xiàn)TCFA存在［14］。因此，在PCI術(shù)前及術(shù)后均可利用VHIVUS評(píng)估，以避免遺留罪犯病變，減少相關(guān)并發(fā)癥。

4 iMap-IVUS

盡管波士頓科學(xué)公司在早期超聲RF信號(hào)研究中參與很多，但將iMap-IVUS商業(yè)化推廣比VH-IVUS晚了很久，直到2009年才推出iMap-IVUS，并整合在IVUS系統(tǒng)iLab中。iMap-IVUS采用40 MHz機(jī)械旋轉(zhuǎn)探頭，其數(shù)據(jù)庫由12000份ROI組織學(xué)圖像組成，通過K最近鄰分類法（K-nearest neighbor，KNN）計(jì)算，在檢測(cè)到斑塊組織成分的同時(shí)有相應(yīng)置信度參考，最高置信度分別為壞死組織97%、脂質(zhì)組織98%、纖維組織95%、鈣化組織98%。iMap對(duì)鈣化組織評(píng)估的準(zhǔn)確度最高，即使置信度低于25%，判斷鈣化組織準(zhǔn)確度仍可達(dá)到80%以上。壞死組織、脂質(zhì)組織、纖維組織在置信度低于25%時(shí)，準(zhǔn)確度在70%左右，隨著置信度增加，判斷準(zhǔn)確度也隨之上升［15］。在iMap-IVUS臨床研究中發(fā)現(xiàn)，ACS患者冠狀動(dòng)脈罪犯病變斑塊壞死成分和脂質(zhì)成分較非ACS患者更高，且脂質(zhì)成分比例差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，最佳置信度在25%～100%，敏感度73.4%，特異度78%［16］。在和光學(xué)相干斷層成像（optical coherence tomography，OCT）的比較中，iMap-IVUS檢測(cè)TCFA的敏感度、特異度、陽性率、陰性預(yù)測(cè)值與前者顯著相似，但操作更為快速，且可以實(shí)時(shí)評(píng)估斑塊定位［17］。Souza等［18］使用iMap-IVUS對(duì)ACS血管內(nèi)斑塊成分進(jìn)行分析，通過對(duì)罪犯病變及非罪犯病變易損斑塊進(jìn)行比較，罪犯病變中斑塊鈣化組織比例、壞死組織比例、TCFA檢出比例顯著高于非罪犯病變；而在ST段抬高型心肌梗死和非ST段抬高型心肌梗死斑塊比較中差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

5 各項(xiàng)技術(shù)差異性比較

盡管這幾項(xiàng)技術(shù)都是基于斑塊散射RF信號(hào)的后處理技術(shù)，在部分技術(shù)上仍存在一定差異（表1）。從超聲探頭上比較，IB-IVUS和iMap-IVUS都選用機(jī)械旋轉(zhuǎn)超聲探頭，頻率選擇40 MHz（IB-IVUS在不同研究中選用不同探頭，頻率在38～43 MHz），而VH-IVUS是應(yīng)用20 MHz相控陣超聲探頭。由于機(jī)械旋轉(zhuǎn)超聲探頭內(nèi)單陣元換能器工作時(shí)，換能器圍繞導(dǎo)絲高速旋轉(zhuǎn)進(jìn)行掃描后合成圖像，而相控陣超聲探頭換能器陣元是環(huán)形排列在導(dǎo)絲外，換能器通過合成孔徑矩陣優(yōu)化合成圖像，較前者的操作性和穩(wěn)定性更有優(yōu)勢(shì)，且不存在導(dǎo)絲偽影干擾。由于頻率越高，對(duì)組織分辨率越高，但穿透力會(huì)變差，相控陣超聲探頭目前只能達(dá)到20 MHz頻率，因此在IVUS圖像清晰度上，IB-IVUS和iMap-IVUS優(yōu)于VH-IVUS［19］。目前美國(guó)Volcano公司也研發(fā)了45 MHz超聲探頭應(yīng)用于臨床研究，同時(shí)VH-IVUS采集圖像時(shí)應(yīng)用心電門控方式，即在心電圖預(yù)設(shè)時(shí)項(xiàng)（通常為R波）時(shí)采集影像，從而減少運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的偽影［20］。

從數(shù)據(jù)處理方面比較，三項(xiàng)技術(shù)也存在差異。IB-IVUS和iMap-IVUS都是通過快速傅里葉變換處理RF信號(hào)，而VH-IVUS是通過自動(dòng)回歸分析模式處理RF信號(hào)。IB-IVUS將信號(hào)頻譜轉(zhuǎn)化為IBS值，將IBS值和對(duì)應(yīng)范圍內(nèi)相關(guān)組織作匹配，為單一參數(shù)的處理。VH-IVUS和iMap-IVUS將RF數(shù)據(jù)分解為包括IBS值在內(nèi)的8種頻譜參數(shù)，在綜合分析后評(píng)估相應(yīng)組織特點(diǎn)［21］。iMap-IVUS更采用Fisher線性判別（FLD）和KNN計(jì)算模式，將頻譜特點(diǎn)和最接近數(shù)據(jù)庫樣本信息匹配，并提供相應(yīng)置信度作參考［22］。

由于這三項(xiàng)技術(shù)都基于同一原理又各自存在優(yōu)勢(shì)，從技術(shù)參數(shù)上評(píng)估優(yōu)劣比較困難，在臨床實(shí)踐中進(jìn)行評(píng)估則更有意義。PROSPECT研究［12］是目前這方面最大一項(xiàng)多中心、前瞻性研究，首次實(shí)現(xiàn)更安全、更便捷、可重復(fù)性地在人體中完成斑塊組織學(xué)檢查，也正是這項(xiàng)研究奠定VHIVUS評(píng)估易損斑塊的優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)也發(fā)現(xiàn)經(jīng)VH-IVUS判定的TCFA中，僅不到5%和MACE存在相關(guān)性。隨后一項(xiàng)研究也發(fā)現(xiàn)，在12個(gè)月隨訪期間，這些TCFA中有75%是可以自愈的，同時(shí)也有部分新生TCFA，說明易損斑塊發(fā)展機(jī)制比人們想象的更加復(fù)雜，僅從單一技術(shù)分析易損斑塊存在局限性，對(duì)患者預(yù)后的評(píng)估不夠充分［23］。事實(shí)上，由于IVUS分辨率有限，即使目前分辨率最高的Revolution 45 MHz超聲探頭，其軸向分辨率精度也無法達(dá)到TCFA薄纖維帽厚度（65 μm）［24-25］。因此在VH-IVUS研究中TCFA是專門定義的：壞死組織比例在連續(xù)3個(gè)序列圖像中都超過10%，且和管腔直接接觸弧度超過36°，這和病理學(xué)上TCFA定義存在差異［25-26］。然而提高分辨率需要增加超聲信號(hào)頻率，但穿透力會(huì)隨之下降，特別是鈣化后更容易出現(xiàn)無法識(shí)別的低回聲區(qū)。這些低回聲區(qū)在iMap-IVUS中被誤判為壞死組織，在VH-IVUS中被誤判為脂質(zhì)組織［27］。因此，IVUS結(jié)合其他腔內(nèi)影像學(xué)評(píng)估斑塊成為未來發(fā)展的趨勢(shì)。OCT分辨率達(dá)20 μm，可以精準(zhǔn)評(píng)估薄纖維帽，但穿透能力很差。以病理組織學(xué)為金標(biāo)準(zhǔn)作比較，20 MHz探頭VH-IVUS評(píng)估TCFA準(zhǔn)確度為76.5%，OCT為79.0%，二者結(jié)合分析后可達(dá)到89.0%［28］。類似結(jié)果在IB-IVUS和iMap-IVUS的研究中也得到證實(shí)［9，17］。近紅外光譜（near infrared spectroscopy，NIRS）技術(shù)在檢測(cè)斑塊化學(xué)組成信息上有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，但無法反映斑塊結(jié)構(gòu)性信息。近年來發(fā)展起來的NIRS/IVUS導(dǎo)管技術(shù)互補(bǔ)兩項(xiàng)技術(shù)，可以準(zhǔn)確獲取嚴(yán)重鈣化斑塊的信息，彌補(bǔ)超聲在鈣化斑塊上的缺陷，且操作較OCT更加便捷［29］。

表1 三種基于背向散射射頻信號(hào)后處理的IVUS技術(shù)比較

目前，PROSPECT Ⅱ研究正在如火如荼地進(jìn)展中，在先前研究基礎(chǔ)上，改用NIRS/IVUS導(dǎo)管及VH-IVUS技術(shù)進(jìn)行這項(xiàng)大規(guī)模隨機(jī)對(duì)照臨床試驗(yàn)。此項(xiàng)研究將在2019年年底完成。期待腔內(nèi)影像學(xué)的進(jìn)展可以更準(zhǔn)確地評(píng)估冠狀動(dòng)脈粥樣硬化性心臟病斑塊的發(fā)生發(fā)展，更好地服務(wù)于臨床。