心血管疾病评估新参数：心脏CT扫描衍生的冠状动脉体积与心肌质量比

生物学的一个基本原理是，新陈代谢需求的增加必须与血液供应的增加相匹配。在心脏生理学中，冠状动脉树所含心肌的数量促使供血血管床发生适应性变化，直到冠状动脉的口径足以供应所需的血流。因此，冠状血管的体积与埋藏心肌的范围有关。

在慢性冠状动脉疾病（CAD）患者中，动脉粥样硬化导致冠状动脉管腔容积的逐渐减小，加剧了冠状动脉供血和心肌氧需求之间的不匹配，形成了与心肌缺血相关的临床症状和后遗症的基础。非侵入性功能检查，如心肌灌注成像，可以量化心肌缺血，但无需直接可视化冠状动脉解剖。相反，有创冠状动脉造影（ICA）可以提供心外膜冠状动脉几何形状的详细评估，但作为解剖测试，可能会忽略弥漫性动脉粥样硬化斑块的负担，并认为即使在占总心肌很大比例的情况下，视觉上“轻度”管腔狭窄也没有什么意义。

随着使用侵入性血流储备分数（FFR）的生理学指导评估的出现，越来越明显的是，仅狭窄程度不足以确定血流动力学显著的CAD，在多达1/3的病变中观察到不匹配。ICA缺乏狭窄性CAD可能无法理解弥漫性动脉粥样硬化斑块负荷对心外膜血管舒张能力的影响。此外，无CAD的孤立性微血管功能障碍患者也可能出现心绞痛和心肌灌注异常。这导致人们越来越认识到需要对生理供应与需求进行综合评估。冠状动脉管腔容积与心肌质量比（V/M）弥补了心外膜冠状动脉和下壁心肌之间的差距，为冠状动脉充分匹配心肌需求的能力提供了见解。

计算机断层冠状动脉造影（CTCA）是唯一能够无创测量V/M的方法。标准的CTCA采集提供了提取详细的患者特定冠状动脉几何结构三维模型和准确的左心室（LV）质量体积评估的能力。早期研究通过侵入性评估识别V/M，随后开发技术，从CTCA推导V/M。最近使用CTCA衍生V/M的临床研究涉及一系列心血管疾病，包括冠心病、心肌病和冠状微血管功能障碍。V/M可以进一步加强我们对心血管疾病病理生理学的理解。

原理和方法

CT得出的冠状动脉管腔容积与冠状动脉流量的关系基本上基于异速生长律（allometric scaling laws）。异速生长律是生命科学中普遍观察到的连接大小和功能的对数关系，描述了生物参数随标度的变化。冠状动脉管腔容积与冠状动脉流量成比例关系，与心肌质量呈强线性关系，这一概念在动物和人类研究中都得到了验证。这些科学原理构成了首要假设的基础，即低V/M比值的患者在应激条件下由于冠状动脉供血不足而面临更高的缺血风险，以满足给定的心肌组织需求。更具体地说，与高V/M患者相比，低V/M患者的潜在特征是：1）由于心外膜阻力增加（尽管静息流量正常），静息压力梯度增大，2）FFR值降低，以及3）充血灌注降低。

V/M比可以根据标准CTCA轻松计算（图1）。首先，从CTCA图像中提取冠状动脉管腔边界，即分割。这包括基于深度学习的中心线和管腔边界图像分析方法，以追踪心外膜冠状动脉的血管路径，直至约1mm从图像数据中提取图像，并在几分钟内进行处理，使用标准CT图像处理软件进行半自动管腔分割同样可行。一旦获得血管树中心线树，即可分割冠状动脉管腔边界，并计算出“V”，即冠状动脉管束表面内的体积。其次，计算左室心肌质量M。从心脏CT图像中分割LV心肌体积（面积x层厚）。LV心肌体积随后通过乘以假定的心肌组织密度恒定组织密度（1.05g/cm3）转换为LV质量M。最后，通过冠状动脉管腔容积除以左室心肌质量来计算V/M比值。应注意，冠状动脉管腔内容积的计算取决于用于分割冠状动脉的图像分析方法和所解析的冠脉树的范围。第一代V/M算法使用图像分割方法，除了模拟微血管的合成树的体积外，还将冠状动脉管腔体积作为分割的心外膜血管的组合。因此，这种早期方法报告了更高的V/M值。改进V/M量化方法后，消除了微血管的这种数学结构，并且仅基于从血管中提取的CT衍生的心外膜冠状血管腔>1mm的容积。

图1 计算V/M比的方法。计算机断层冠状动脉造影（CTCA）数据用于计算心外膜腔体积，然后提取冠状动脉的中心线，然后沿血管路径分割管腔表面。首先从CCTA数据中提取左心室心肌体积，然后乘以恒定组织密度1.05g/cm3，计算心肌质量。

临床证据

冠状动脉树疾病（如内皮功能障碍、弥漫性内膜增厚和/或动脉硬化）、心肌疾病（如主动脉狭窄或肥厚性梗阻性心肌病）或两者都可能扰乱血管体积和心肌质量之间的线性关系，并可能受血压、心率、缺氧等影响。鉴于V/M比值可作为体内静息心肌供血和需求的综合衡量指标，它有可能对这种平衡发生改变的疾病产生新的见解，从而影响临床诊断和管理。为此，一些研究探索了疾病状态下的V/M。

心外膜冠状动脉疾病

慢性CAD可导致复发性心绞痛综合征，通常是由于血流限制性病变引起的，是心肌灌注供需不匹配的典型状态。冠状动脉狭窄的解剖严重程度与是否存在缺血或生理意义之间存在着公认的不一致，这与视觉评估估计为50-90%的中间狭窄特别相关。通过无创和有创技术评估缺血或血流对于指导风险分层和临床决策仍然至关重要。然而，仅对缺血进行评估并不能解释导致供求失衡的因素（例如血管张力、微血管功能、心肌需求和环境因素）。这可能在一定程度上解释了为什么并非所有心绞痛患者都有明显的缺血，以及为什么侵入性FFR的生理意义与ICA的解剖意义之间经常存在不一致。

解剖评估有能力识别动脉粥样硬化，但在存在低度或弥漫性动脉粥样硬化的情况下，可能会低估缺血诊断。功能测试可以诊断局部缺血，但对整体血流减少的敏感性降低，无法识别动脉粥样硬化，动脉粥样硬化仍是心血管风险的关键驱动因素。考虑到动脉粥样硬化和缺血可能被所有测试忽略，最好进行一项包含动脉粥样硬化负荷、病变特异性缺血和潜在心肌质量测量的测试。

一些研究使用V/M比值检查了稳定型CAD患者心肌供求之间的关系。第一个是使用第一代V/M算法对NeXt sTeps（NXT）试验（NCT01757678）进行的二次分析。在这项研究中，包括238名患者，这些患者的V/M比值低于中值18.57mm3/g，定量冠状动脉造影显示，总直径狭窄更大（38%对31%，p< 0.001），总斑块体积更高（593比392mm3，p < 0.001）和侵袭性FFR更低（0.80 vs.0.87；p< 0.001），而V/M高于中位数。非梗阻性CAD患者（直径狭窄≤定量冠状动脉造影50%，n= 202），血管特定FFR值≤0.80的流行率在低V/M比率的患者中有所增加（图2）。最后，最后，V/M比值与FFR≤0.80相关，不受性别、BMI、狭窄严重程度和斑块特征的影响。这些发现强调了V/M比值有可能提高对冠心病生理学意义的鉴别，而不是传统的ICA和CTCA标记物，并有可能完善“非梗阻性”狭窄的风险分层。

图2（a）直径狭窄（通过定量冠状动脉造影，QCA）与测量的低、高V/M的FFR之间的关系。（b）对于QCA直径狭窄50%的病变，FFR与V/M对比。较低的V/M值与实测FFR值≤0.8的频率有关，而较高的 V/M 值很少与 QCA 具有 50% 直径狭窄的血管的 FFR ≤0.80 相关。FFR与V/M呈正相关，Pearson相关系数为0.33（p< 0.001)。

迄今为止，评估慢性CAD患者V/M的最大研究是ADVANCE试验。在这组3110名有至少30%冠脉狭窄的症状患者中，冠状动脉心外膜血管平均容积为3003mm3，最小范围为493mm3至最大7891mm3，中值2873mm3。平均左室心肌质量为122g，最小范围为55g至最大357g，中值为118g、 平均V/M为25.2mm3/g，最小范围为5.6mm3/g，最大62.5mm3/g，中值24.8mm3/g（图3）。

图3 ADVANCE试验中包含的3110名有冠状动脉疾病和动脉粥样硬化症状的CCTA患者的V/M比值柱状图。V/M的中值为24.8mm3/g。

图4显示了两名低V/M的患者，第一名患者的左室重量正常但心外膜冠状动脉体积小，第二名患者的心外膜冠脉体积正常但左室重量高。在这两种情况下，伴随的FFRCT结果显示，沿着左前降支的长度，数值逐渐下降，最终下降到0.7以下，心外膜疾病和心肌管径不足导致冠状动脉血流功能受限。

图4 由于生理供求关系不充分，FFRCT沿血管长度逐渐下降。上图：冠状动脉体积小导致V/M低。底部：大的心肌团导致低V/M。

正电子发射断层扫描（PET）或负荷灌注心血管磁共振成像测量的心肌血流量（MBF）是CAD患者公认的预后指标。作为冠状动脉“供应”和心肌“需求”之间不匹配的潜在测量，在PACIFIC（冠状动脉CT血管造影、单光子发射计算机断层扫描、PET和混合成像的前瞻性比较，以血流储备分数确定缺血性心脏病的诊断，NCT01521468）试验的一个子研究中，研究了V/M与MBF的关系。怀疑 CAD 和保留 LV 射血分数的患者在接受有创FFR  ICA 之前接受了CTA 和 PET 评估。共纳入152名受试者，包括431条心外膜冠状动脉。低V/M与高V/M患者的静息MBF数值较低（分别为1.06 vs.1.13mL/min/g，p= 0.056），但血管特异性充血MBF（3.27 vs.3.51mL/min/g，p= 0.125）或冠状动脉血流储备（3.20 vs.3.22，p= 0.806）无差异。然而，更高比例的低V/M患者有血管特异性异常充血MBF（分类为≤2.30mL/min/g）（分别为34%和19%，p= 0.009）和侵入性FFR≤0.80（分别为20%和9%，p= 0.004)。V/M与血管特异性（R= 0.148，p= 0.027）或整体充血性MBF（R= 0.179，p= 0.027）和整体CFR（R= 0.163，p= 0.045)之间存在弱相关。本研究中未报告V/M与整体静息测量心肌血流量的关系。V/M技术的未来迭代允许根据对向冠状动脉区域推导区域V/M，可能会证明与心肌和冠状动脉血流的血管特异性测量值的相关性有所改善，并需要进一步评估。

与稳定型CAD的研究相比，只有一项评估了急性冠脉综合征患者的V/M。60例ST段抬高型心肌梗死（STEMI）患者接受残余CAD的直接经皮冠状动脉介入治疗(≥50%狭窄），至少包括一条非犯罪动脉。在STEMI后一个月进行FFRCT，并与NXT试验中CAD稳定的队列进行比较。ST段抬高型心肌梗死患者的V/M中位数低于冠心病稳定患者（53比65mm3/g，p= 0.009)。此外，中位数V/M仍然较低（40mm3/g）。值得注意的是，本研究中的V/M值高于主流文献中报道的其他值，因为他们使用了第一代V/M方法，该方法由CTCA衍生的心外膜腔容积和模拟微血管的合成树容积组成。然而，这些少量的发现是假设产生的，需要进一步研究以确定V/M在改善MI后持续风险高风险患者的识别方面的作用。

从对冠心病患者的这些研究来看，V/M可能是心肌供氧需求的综合测量，与FFR的有创和无创测量相关，但不一定是血管特异性MBF，并且可能为稳定的冠心病患者和近期急性冠脉综合征患者提供额外的风险分层。

冠状微血管功能障碍

心绞痛和无阻塞性冠状动脉狭窄的患者占接受ICA的心绞痛患者的一半。在这些重要的亚群中，有微血管性心绞痛（MVA）患者，他们在没有血流限制性CAD的情况下出现胸痛症状，但有客观证据表明存在心肌缺血和/或冠状微血管功能障碍。V/M作为心肌供氧需求的指标，可以通过标准的CTCA采集无创地了解微血管功能。人们认识到，微血管中内皮依赖性和独立的血管舒张机制直接影响心外膜血管的血管舒张能力，从而影响冠状动脉管腔容积。在原发性MVA患者队列中，V/M显著低于匹配对照组（25.6± 5.9对30.0± 6.5，p< 0.001)。这主要是由于MVA患者总冠脉管腔容积较低（2302± 109对2978± 134mm3，p< 0.001），强调心外膜血管的血管舒张能力（即冠脉管腔容积）可能与微血管功能有关。同样，在ST段抬高型心肌梗死患者的V/M分析中，冠状动脉管腔容积明显低于冠心病稳定的对照组。研究表明，内皮功能障碍可能发生在犯罪区域以外，也会影响远端心肌，心肌梗死后6个月内观察到血管舒张反应受损。

心肌病

两项研究将V/M与心肌疾病的病理生理学联系起来，两者都与肥厚型心肌病（HCM）有关。第一项是回顾性病例对照分析，比较37名HCM患者与37名对照组的年龄、性别、心血管危险因素和动脉粥样硬化斑块负荷。毫不奇怪，HCM患者的心肌质量比对照组大（176± 84对119± 27g、p< 0.001)。有趣的是，HCM患者的冠状动脉管腔总容积也较高（4112± 1139对3290± 924mm3，p< 0.001）。由于左右冠状动脉系统的贡献相等，这些患者的总体V/M较低（23.8± 5.9比26.5± 5.3mm3，p=0.026）和较低的最低FFRCT值（表明整体冠状动脉生理异常）。室间隔型肥厚患者的V/M最低。HCM中观察到的较高冠状动脉管腔容积可能代表生理适应，试图满足肥厚心肌增加的心肌氧需求，尽管与匹配对照组的V/M相比不足。

第二项研究比较了原发性（HCM，n= 55）和继发性（高血压或主动脉狭窄，n= 176）心肌肥厚，以确定V/M是否可以区分LVH的原因。在继发性肥厚患者中，V/M随左室重量增加而成比例降低，而在HCM中，对于任何给定的左室重量，V/M都不成比例地降低。这些观察结果可能表明HCM心肌细胞肥厚的速率超过了冠状动脉重塑和毛细血管新生的能力，与继发性心肌肥厚相比，导致心肌供氧需求不匹配相对增加。或者，HCM中的低V/M可能是心肌纤维化和/或细胞外基质扩张负担增加的结果，导致毛细血管稀疏。

HCM的这些早期研究强调了V/M在心肌病患者中的潜在价值，并有大量机会在其他心肌病中应用V/M。例如，在缺血性心肌病中，V/M可能阐明在无局灶性梗阻性CAD的情况下导致左室功能障碍的机制。心力衰竭和射血分数保持（HFpEF）患者占心力衰竭住院患者总数的一半，通常伴有向心性左室肥厚和微血管功能障碍/毛细血管稀疏，低V/M可能导致心肌纤维化，从而导致舒张功能障碍。或者在扩张型心肌病中，微血管功能障碍与左室受损程度相关，因此可能是一个额外的不良预后指标。毫无疑问，一旦V/M的效用得到更广泛的认可，这些都是将被探索的调查途径。

V/M中的性别和种族差异

性别和种族对冠心病患病率、严重程度和预后的影响，以及对心脏几何结构的影响，已得到广泛认可。V/M评估为评估不同性别和种族背景人群心外膜冠状动脉和心肌之间的相互作用提供了一个独特的机会。

在迄今为止使用V/M的最大研究中，男性（n= 3134[66%]，平均年龄65.0岁）和女性（n= 对来自ADVANCE试验的1603例（34%]，平均年龄68.3岁）接受CTA和FFRCT的患者进行比较，以确定冠状生理学和微血管疾病的性别差异。尽管女性年龄较大，总体症状负担较高，但与男性相比，梗阻性CAD的发病率较低（65.5%对74.7%，p< 0.001）和整体FFRCT更高（0.76对0.73，p< 0.001）。尽管两组冠状动脉管腔总体积（2548 vs.3226mm3，p< 0.001）和心肌质量（99.5 vs.133.2g，p< 0.001）女性比男性低，总体V/M更高（26.2比24.8mm3/g，p < 0.001）。在多元回归分析中，女性、狭窄程度、多支血管疾病和FFRCT与V/M独立相关。重要的是，较高的V/M与90天内血运重建的可能性降低独立相关，这可能解释了女性血运重建率较低的原因。V/M的性别差异对症状和长期心血管结局的影响值得进一步调查，尤其是促进左室重构不良的情况（如高血压、肥胖和），并扰乱这种平衡，V/M降低可能是女性心血管预后较差的一个关键驱动因素，其原因是促进了微血管功能障碍的更大倾向。

同样，Ihdayhid等人对300名白种人、南亚和东亚胸痛患者的V/M进行了比较，这些患者的年龄、性别、心血管危险因素和动脉粥样硬化负荷都很匹配。有趣的是，东亚人的V/M最高（29.2mm3/g），这组患者的冠状动脉总管腔体积最高，但左室质量指数与白人相似。尽管南亚人的冠状动脉管腔总体积最低，但该组的心肌质量也相对较低，总体V/M与白人相似（25.5 vs.25.3，p= 0.98)。这些发现可以部分解释为什么相对于白种人，东亚人的心血管风险较低，而南亚人的风险较高（尤其是在肥胖、糖尿病和高血压的情况下）。与女性的研究结果相似，可能是由于疾病导致了左心室重塑，从而增加了心肌需氧量，在南亚人的心腔容积较低（即 "冠状动脉供应"）的情况下，毛细血管密度和心肌灌注相对减少。

V/M的性别和种族差异可能对冠状动脉血流的无创性估计有影响，CTCA得出的FFR也有影响。CTCA冠状动脉流量的估算基于异速生长律，该定律描述了生物参数随标度的变化。FFRCT技术通过CT衍生LV质量（冠状动脉血流）的变应原缩放得出静息冠状动脉血流∝心肌质量3/4）。众所周知，性别差异存在，侵入性和PET检查都强调女性静息心肌流量高于男性。事实上，考虑到女性平均比男性小，心脏也较小，根据¾次方标度定律，女性比男性的单位组织静息流量更高是可以预测的。总体上考虑到人类生物学的多样性；人体心脏内异速生长标度的变化可能与年龄、性别、种族和病理有关，其对CT衍生冠状动脉血流准确性的影响尚不明确。V/M的病人特异性特征有可能使冠状动脉血流的建模得到改善，从而提高FFRCT的诊断准确性。

迄今为止的临床证据总结

尽管现有的临床研究主要是回顾性、观察性病例对照分析，但它们强调了V/M作为一种容易得出的测量指标的潜在价值，这可能有助于了解在没有狭窄性冠状动脉疾病的情况下引起高血压和心绞痛的驱动因素。在CAD中，V/M与有创（FFR）和无创（FFRCT）生理学标记物相关，可能与定量MBF相关。在微血管功能障碍患者中，V/M 可能会揭示可能成为干预目标的 LV 肥大或冠状动脉腔体积减少等促成机制。V/M在阐明心肌病患者的供求不匹配方面具有真正的潜力，肥厚型心肌病已得到很好的证明。一个相对简单和直观的指标，如 V/M，可能有助于增强我们对高风险人群心血管疾病驱动因素的理解。

未来方向

尽管V/M理论并不新鲜，但在无创检测中准确量化它的能力确是新的。这为我们提供了许多未来临床应用的潜在途径，以改进非梗阻性和梗阻性CAD的诊断、预后和管理，并补充了目前从CTCA、FFRCT和CT心肌灌注中获得的解剖和功能信息。缺血性无阻塞性冠状动脉疾病（INOCA）是与冠状微血管功能障碍和痉挛有关的一种越来越被认识的疾病。INOCA并非没有风险，它与不良预后、严重症状限制和生活质量受损有关。考虑到内皮功能与心外膜冠状动脉反应性以及管腔尺寸之间的关系，CCTA结合V/M数据可以为无明显或非梗阻性CAD患者提供进一步的个性化风险评估。改进的风险评估可以增强管理策略，例如加强现有治疗（低强度-高强度他汀类药物）、监测药物治疗的生理反应（如血管紧张素转换酶抑制剂）或改进患者的选择和使用昂贵疗法（PCSK9抑制剂）的成本效益。同样，在梗阻性CAD患者中，将V/M与其他新出现的CTCA指标（如斑块形态、FFRCT、壁剪应力和风险心肌区域）相结合，也可以提高患者的识别率，与单独药物治疗相比，这些患者将从血运重建策略中获得最大益处。

V/M的报告仍然局限于对每名患者的冠状动脉管腔总体积和左室心肌总质量的测量。鉴于动脉粥样硬化和高血压等疾病状态是系统性过程，通常认为微血管功能障碍会影响心肌。然而，微血管功能障碍的整体测量可能无法确定冠脉内冠脉流量、内皮功能和心肌灌注的日益公认的变化。例如，局限于右冠状动脉的弥漫性冠状动脉粥样硬化患者可能仍然具有正常的总体冠状动脉血流储备，尽管内皮功能障碍和右冠状动脉区域的灌注减少。因此，就目前而言，V/M的整体测量在识别“血管健康”的区域异质性方面有限。

由于缺乏有效的CT技术来量化与患者特定冠状动脉解剖相关的心肌质量分数，因此确定局部V/M的能力受到限制。建立这种关系的关键步骤在于努力验证心肌质量与心肌灌注成比例的假设。之前已经提出了几种方法，但仅限于动物研究或单血管人体验证。最近，Keulards等人对所有三个主要冠状动脉区域的心肌灌注进行了侵入性测量，并证明与CT得出的相对灌注区域的质量分数高度一致。这些发现为未来量化心肌质量分数和V/M的技术的发展提供了重要的基础。了解V/M区域差异的能力可能会改善患者的特定诊断、风险分层和疾病监测（图5）。

图5 非侵入性评估心肌缺血负荷的未来。左：微血管网络的生成，用于测量心肌的阻生灌注。右图：每一区域心肌质量和V/M的分解，以评估特定血管的健康状况。

未来对V/M的修改也将扩展到细化冠状动脉管腔容积的量化。常规硝酸甘油和心率控制改善CTCA图像质量，以及成像后数据分析的进展，对于优化冠状动脉管腔容积的计算非常重要。然而，CTCA的空间分辨率仍然是一个固有的限制，并阻碍了冠脉系统的完全可视化。最近，已开发出算法，允许生成从心外膜血管分段到微血管微动脉的合成患者特定冠状血管网络。这不仅有助于提高V/M的量化，而且有助于推进冠脉血流、微血管功能和心肌灌注的无创CT建模。

结论

冠状动脉体积质量比是一项很有前途的研究指标，它可以深入了解血管健康和异常生理机制。V/M已经在许多临床场景中进行了研究。随着概念的确立，未来的研究将需要探索V/M是否可以通过医疗管理和心脏康复的改变而改变，以及V/M的改善是否与临床结果的改善相关。

要点

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文献原文：Ihdayhid AR, Fairbairn TA, Gulsin GS, Tzimas G, Danehy E, Updegrove A, Jensen JM, Taylor CA, Bax JJ, Sellers SL, Leipsic JA, Nørgaard BL. Cardiac computed tomography-derived coronary artery volume to myocardial mass. J Cardiovasc Comput Tomogr. 2022 May-Jun;16(3):198-206. doi: 10.1016/j.jcct.2021.10.007. 仅供专业人士交流目的，不用于商业用途。