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嘉峪檢測網(wǎng) 2021-09-16 12:40
我國心血管疾病概況
我國是全球心血管病負(fù)擔(dān)最重的國家之一。根據(jù)《中國心血管健康與疾病報(bào)告2020概要》，心血管病死亡占城鄉(xiāng)居民總死亡原因的首位。報(bào)告推算心血管病現(xiàn)患人數(shù)3.30億，其中腦卒中1300萬，冠心病1139萬，肺原性心臟病500萬，心力衰竭890萬，心房顫動487萬，風(fēng)濕性心臟病250萬，先天性心臟病200萬，下肢動脈疾病4530萬，高血壓2.45億。
根據(jù)報(bào)告對2018年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，我國農(nóng)村心血管病死亡率為322.31/10萬，其中心臟病死亡率為162.12/10萬，腦血管病死亡率為160.19/10萬；城市心血管病死亡率為275.22/10萬，其中心臟病死亡率為146.34/10萬，腦血管病死亡率為 128.88/10萬。
心血管疾病作為國民健康的頭號殺手，其發(fā)病率還在逐年上升。由于不健康飲食、身體活動不足、吸煙等生活方式危險(xiǎn)因素的廣泛流行，我國患有高血壓、血脂異常、糖尿病和肥胖的絕對人數(shù)還在不斷攀升，這將進(jìn)一步推高我國心血管病的發(fā)病率和死亡率[1]。
自2005年起，中國大陸地區(qū)在心血管基礎(chǔ)研究領(lǐng)域開啟了較高水平的研究。在Circulation和Circ Res兩大雜志。通過Circulation、J Am Coll Cardiol、Eur Heart J 和 Nat Commun 等期刊的數(shù)據(jù)，可以觀察到近幾年國內(nèi)高水平心血管基礎(chǔ)研究的快速發(fā)展。2019~2020年，通信作者和主要作者均來自中國大陸、以探索心臟和血管解剖，發(fā)育與功能/發(fā)病機(jī)制為對象的基礎(chǔ)研究論文共58篇。2019年9月1日至2020年10月22日，國家藥品監(jiān)督管理局共批準(zhǔn)獲得心血管領(lǐng)域三類醫(yī)療器械注冊證 141項(xiàng)，其中96項(xiàng)為國產(chǎn)產(chǎn)品，其中介入類產(chǎn)品有69項(xiàng)，有源手術(shù)類含片6項(xiàng)，急救類產(chǎn)品5項(xiàng)，診斷類產(chǎn)品4項(xiàng)，成像類產(chǎn)品4項(xiàng)，開放手術(shù)類產(chǎn)品2項(xiàng)，AI軟件3項(xiàng)，血流測量系統(tǒng)1項(xiàng)，體外循環(huán)類器械1項(xiàng)，其他器械1項(xiàng)[1]。
主要診斷方法
根據(jù)《中國衛(wèi)生健康統(tǒng)計(jì)年鑒 2019》，2018年中國城市居民冠心病死亡率為 120.18/10 萬，農(nóng)村居民冠心病死亡率為 128.24/10萬。本文將介紹以冠心病為代表的，介紹心血管疾病中主要的影像診斷方式及其原理。
動脈粥樣硬化（Atherosclerosis）是粥樣斑塊沉積在血管壁并造成動脈狹窄的疾病。動脈粥樣硬化的早期通常沒有癥狀，嚴(yán)重時(shí)可能造成心肌缺血、缺氧、壞死而導(dǎo)致冠狀動脈疾病，這種疾病也被稱作“冠心病”[2]。目前，診斷冠心病最有效的手段是影像學(xué)檢查。其中包括有創(chuàng)冠動脈造影（ICA）、冠狀動脈CT血管成像（CTA）、心臟MRI檢查（CMR）、核素心肌灌注顯像、超聲心動圖、光學(xué)相干斷層成像等方法。
有創(chuàng)冠動脈造影（ICA）將造影劑注入冠狀動脈，利用計(jì)算機(jī)記錄造影劑擴(kuò)散過程中圖像變化，從解剖學(xué)角度判斷冠狀動脈病變信息。
冠狀動脈CT血管成像（CTA）可以直觀地顯示冠狀動脈狹窄和斑塊的情況。在CT血管成像過程中，對比劑被注射入血管，計(jì)算機(jī)對CT血管的圖像經(jīng)過處理后，可以三維立體地重建出血管系統(tǒng)，CT血管成像可以同時(shí)顯示血管腔內(nèi)、腔外和血管管壁病變，既可實(shí)現(xiàn)大范圍血管成像又可實(shí)現(xiàn)小血管小分支的精細(xì)顯像，甚至實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動器官如心臟的血管成像。
心臟MRI檢查（CMR）是一種評估心血管系統(tǒng)的功能與結(jié)構(gòu)的一種非侵入式醫(yī)學(xué)成像技術(shù)。它運(yùn)用磁共振成像(MRI)基本原理，利用心電門控技術(shù)，把數(shù)據(jù)采集的時(shí)間控制在心臟跳動周期的某一時(shí)段之內(nèi)。CMR不使用電離輻射，它使用磁場的改變和射頻(RF)脈沖，由于脈沖與病人自身的氫原子核（來自人體水分）間的共振現(xiàn)象，病人吸收了射頻能量。當(dāng)這些能量發(fā)出時(shí)，通過線圈的檢測，轉(zhuǎn)換成電信號，再利用算法將其轉(zhuǎn)換成圖像[4]。
核素心肌灌注顯像一種無創(chuàng)的技術(shù)，它是通過心肌細(xì)胞攝取核素而使心肌顯影，心肌每個(gè)部位放射性核素聚集的多少與該部位冠狀動脈灌注血液量呈正相關(guān)，從而分析冠狀動脈的血流情況。
超聲心動圖利用超聲短波測距原理脈沖超聲波透過胸壁、軟組織測量其下各心壁、心室及瓣膜等結(jié)構(gòu)的周期性活動，記錄各結(jié)構(gòu)相應(yīng)的活動和時(shí)間之間的關(guān)系曲線，從而評價(jià)心臟結(jié)構(gòu)及功能的異常。
光學(xué)相干斷層成像（OCT）是一種低損、高分辨、非侵入式的醫(yī)學(xué)成像技術(shù)。其原理類似于超聲成像，不同之處是它利用的是光，而不是聲音。這種技術(shù)能夠獲取組織的高分辨率橫斷層圖像，并能夠識別包括脂質(zhì)斑塊、纖維斑塊、鈣化斑塊、易損斑塊、血栓、夾層等一些在造影和其它檢查工具無法或不能清晰地看到的血管病理改變。
2018年，我國心血管病中心質(zhì)控中心組成立了了“心血管影像質(zhì)控專家工作組”，并將其工作方向暫時(shí)定位于冠心病的影像診斷領(lǐng)域，并在全國155家醫(yī)院展開了影像檢查技術(shù)的使用調(diào)研。其調(diào)查的心血管影像檢查技術(shù)，包括有創(chuàng)冠狀動脈造影（ICA）、冠狀動脈 CTA、CMR、負(fù)荷超聲心動圖、SPECT/PET 心肌灌注。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，總計(jì) 155 家醫(yī)院中開展 ICA 的醫(yī)院共 102 家（65.8%），冠狀動脈CTA 共 100 家（64.5％），CMR 共 21 家（13.5%），負(fù)荷超聲心動圖共 14 家（9.0％），SPECT/PET 共 20 家（12.9%）[3]。
（圖片來源:《中國心血管影像技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀調(diào)查與醫(yī)療質(zhì)量報(bào)告》）
從報(bào)告數(shù)據(jù)顯示，冠狀動脈造影ICA 和冠狀動脈 CTA 的普及率最高，已經(jīng)在絕大部分三級醫(yī)院中普及應(yīng)用而其它的影像技術(shù)則應(yīng)用相對較少。有創(chuàng)冠狀動脈造影（ICA）是有創(chuàng)的檢查，目前仍然是冠心病診斷的“金標(biāo)準(zhǔn)”，在我國仍然是最常用的診斷技術(shù)。而冠狀動脈CTA正在迅速發(fā)展，已經(jīng)逐步成為冠心病診斷的主力軍[3]。
基于機(jī)器學(xué)習(xí)的CT-FFR診斷
有創(chuàng)冠狀動脈造影與冠狀動脈CT血管成像是目前冠心病早期診斷的主要工具，但是這兩種方法更多地從影像學(xué)角度評價(jià)冠狀動脈狹窄，但是不能從生理功能上提供有效信息。比如心肌是否因?yàn)楠M窄血管存在缺血。在這一生理功能上，臨床上主要通過冠狀動脈血流儲備分?jǐn)?shù)（fractional flow reserve，F(xiàn)FR）這一指標(biāo)來進(jìn)行診斷。冠狀動脈血流儲備分?jǐn)?shù)FFR是指冠狀動脈存在狹窄病變時(shí)，該區(qū)域最大血流量與不存在狹窄病變時(shí)所能獲得的最大血流量之比，如下圖，F(xiàn)FR=Pd/Pa。
由于傳統(tǒng)FFR檢測基于有創(chuàng)冠狀動脈造影ICA，需要通過專用的壓力導(dǎo)絲測量冠脈病變遠(yuǎn)近端壓力差來進(jìn)行計(jì)算，額外增加了手術(shù)步驟、時(shí)間和費(fèi)用，使得目前臨床上并不能對所有患者均常規(guī)使用FFR。因此目前，F(xiàn)FT檢測在我國應(yīng)用率并不高。
近年來，基于冠狀動脈CT血管成像的血流儲備分?jǐn)?shù)(CT-FFR)成為評估冠狀動脈生理功能的一項(xiàng)新技術(shù)，它能夠提供解剖學(xué)與更多的功能信息。并且相比于傳統(tǒng)FFR檢查更有優(yōu)勢，患者無需經(jīng)過有創(chuàng)手術(shù)，也無需服用額外藥物與接受額外的射線。
CT-FFR基于CTA無創(chuàng)影像，結(jié)合了CTA解剖學(xué)信息與FFR功能學(xué)信息，通過采樣普通冠脈CTA的影像數(shù)據(jù)，對CTA圖像進(jìn)行定量分析。CT-FFR主要有兩種計(jì)算方法：計(jì)算流體動力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)和人工智能機(jī)器深度學(xué)習(xí)(artificial intelligence deep machine learning)[5]。CT-FFR原理的結(jié)合了計(jì)算流體力學(xué)與深度學(xué)習(xí)的算法。該方法以靜態(tài)CTA數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用流體力學(xué)計(jì)算建立3D的血流模型，模擬血管最大充血狀態(tài)，進(jìn)而計(jì)算出該模型在此狀態(tài)下的血流與壓力，獲得的計(jì)算FFR數(shù)值與實(shí)測有創(chuàng)FFR數(shù)值接近，從而來證明該模型的可靠性。
（圖片來源：《CT-FFR的現(xiàn)狀與進(jìn)展》 首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京安貞醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像科[6]）
計(jì)算流體動力學(xué)（CFD）方法中，首先通過整理CCTA測得的各支血管的正常及病變部分的管腔橫截面積等數(shù)據(jù)，建立一個(gè)三維的冠狀動脈血管樹模型。冠狀動脈的血流和阻力可利用血管樹模型中血管直徑及對應(yīng)心肌質(zhì)量等數(shù)據(jù)計(jì)算出來。利用同樣的計(jì)算方法，最大血流(充血)狀態(tài)時(shí)的血流、阻力、壓力等數(shù)據(jù)也可得到。這種血流計(jì)算方法雖然聽起來挺簡單，實(shí)際上是非常復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型和方程，需要測量數(shù)百萬個(gè)數(shù)據(jù)，所以對計(jì)算機(jī)性能要求很高，所需時(shí)間也較長，這也是限制其臨床應(yīng)用的最主要因素[5]。
對基礎(chǔ)CTA圖像的處理和運(yùn)算過程包括了圖像分割和冠脈樹的提取、左心室質(zhì)量的估算、心臟與血管交互關(guān)系評價(jià)、微循環(huán)阻力估算、血液生理狀態(tài)估算、充血狀態(tài)估算、理算流體力學(xué)評價(jià)。
深度學(xué)習(xí)的人工智能程序利用多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與對已有的通過ICA獲得的血流動力學(xué)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行深度學(xué)習(xí)與訓(xùn)練，提取與血流動力學(xué)相關(guān)的必要的形態(tài)特征，掌握冠狀動脈血管樹的形態(tài)特征和對應(yīng)血流動力學(xué)參數(shù)之間的聯(lián)系和規(guī)律。學(xué)習(xí)和訓(xùn)練完成后，輸入CCTA測得的解剖形態(tài)數(shù)據(jù)，人工智能就可以很快地推算出相應(yīng)的血流動力學(xué)參數(shù)，得到FFR數(shù)值[5]。
（圖片來源：《CT-FFR的現(xiàn)狀與進(jìn)展》 首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京安貞醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像科[6]）
目前，有全球有多家公司正基于機(jī)器深度學(xué)習(xí)的計(jì)算方法研發(fā)軟件。
[1] 中國心血管健康與疾病報(bào)告2020概要[J]中國循環(huán)雜志 2021 年 6 月 第 36 卷 第 6 期（總第 276 期）Chinese Circulation Journal，June，2021，Vol. 36 No.6（Serial No.276）
[2] 維基百科-動脈粥樣硬化
[3] 呂濱,任心爽,安云強(qiáng),趙迎新,李希,李靜,盧光明,金征宇. 中國心血管影像技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀調(diào)查與醫(yī)療質(zhì)量報(bào)告[J].中國循環(huán)雜志,2020,35(07):625-633.
[4] 維基百科-磁共振成像
[5] 楊國建, 孫福成. 無創(chuàng)CT血流儲備分?jǐn)?shù)的研究進(jìn)展 [J] . 中國心血管雜志,2019,24 (4): 387-391. DOI: 10.3969/j.issn.1007-5410.2019.04.019
[6] 徐磊《CT-FFR的現(xiàn)狀與進(jìn)展》 首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京安貞醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像科
來源：Internet
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