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2019-07-12

ScienceTM:一种全新精准的冠心病检测工具

导读:

心肌缺血会导致中风,心梗乃至死亡。缺血性心肌病是世界上致死率最高的疾病之一,由缺血性心脏病导致的死亡人数在1990 到2015年这26年间上升了73.3%。截止2018年,据估计世界上大约有1亿1千万人患有各式缺血性心肌病,及时诊断缺血性心肌病以及评估其严重程度对后续的治疗十分重要。

近日,一支由来自劳森卫生研究院和西达赛奈医学中心的科学家队伍在《科学》杂志上发表文章,阐述了一种综合了核磁共振的新式方法,在不用抽血的情况下检测心肌氧合指标,相比于传统的血检/心电图等手段,这种方法更安全,简便,结果更详细的并且可以和人工智能相结合,潜力巨大。



心肌的供血不是一成不变的,而是始终处于一种波动的状态。这种波动经过人体自身的调节作用能达到一个相对稳定的供需平衡,保证心脏能正常工作。因此,当心脏的动脉发生病变不能向心脏输送足够的富氧血液时,导致心肌缺血,就会引发缺血性心脏病,又被称为冠状心血管病或者冠心病,是最常见多发的后天性心脏病。

在美国每年因心血管疾病死亡的人群里,大约43.8%患有冠心病。据估计,到2035年,美国将有约1,3亿的成年人(占成年人口的45.1%)将患有心血管疾病。在我国,仅2014年,城市人口冠心病死亡率就高达107.5/10万,农村人口冠心病死亡率为105.37/10万,更令人心痛的是,这两个数据是逐年上升的。

据WHO 统计,冠心病目前仍然是全球最常见的致死疾病。一般来讲冠心病好发于35岁以上人群,更偏爱男性,但是近年来,由于生活压力的增长和不健康的生活方式,年轻人群因缺血性心脏病发致死的案例也在不断增多。

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缺血性心脏病有三种主要病理型分类:阻塞性冠状动脉病,非阻塞性冠状动脉病和冠状动脉微血管病。前两种影响心脏表面的大动脉,第三种影响心肌中的微小动脉,需要注意的是这三种心脏病可能同时发生。

我们平时在生活中经常会听到这个词“动脉粥样硬化”—血液中过高的胆固醇,低密度脂蛋白等脂质会不断网血管壁内迁移,破坏血管壁的正常机构,最终脂质和坏死的组织聚集在一起形成像米粥一样粘稠的斑块。

当动脉粥样硬化发生在心脏动脉中时,聚集在一起的斑块会使动脉变窄,变硬,从而减少血液的流量,这就是冠状动脉病。

除此以外,慢性炎症,高血压,高血脂,小片斑块或者血块乃至于正常的衰老过程,都有可能引起心脏里的微小血管产生分子层面的变化,最终导致冠状动脉微血管病。

根据临床的不同表现,冠心病也经常被分为五类:隐匿型(症状不太明显),心肌梗死型,猝死型,心力衰竭型以及心绞痛型。

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▲阻塞性冠状动脉病 (4)

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吸烟,不健康的饮食习惯,压力大,加班,空气污染,家族心脏病史,肾病等很多因素会增加我们患病的风险,而这些因素在现代社会是如此的常见。

为了及时挽救病人的生命,科学家和工程师发明了很多技术来诊断冠心病。

验血:检查胆固醇,甘油三酯,血糖,水平脂蛋白和其他的一些炎症标志物。

回声超声心动图:检查心脏的泵送能力并观察其瓣膜和腔室的功能。这种成像可以显示出可能由冠状动脉狭窄或阻塞引起的血流不畅的区域。一种称为经胸多普勒超声的技术可以监测心脏小动脉对增加血流量药物的反应。回声超声心动图通常用来帮助诊断冠状动脉微血管疾病。

心电图(EKG或ECG):如果心脏某系地方出现问题,电信号也会个阵变化。确定心脏的节律是否稳定和规律对冠心病的诊断具有重要意义。

压力测试:检查心脏的抗压能力。在压力测试期间,病人被要求在跑步机上行走或跑步,或者其他的有氧运动。在运动的时候,病变的心脏不能正常的快速收缩,医生会根据病人的表现来打分。

心脏CT(计算机断层扫描):用来评估冠状动脉疾病的严重程度。

心脏MRI(磁共振成像):检测心脏的组织损伤和动脉血流问题。

心脏正电子发射断层扫描(PET):病人体内注射入放射性示踪剂,让血流更直观的显示在图片上,医生通过评估流经小动脉血流中的放射性示踪剂的参数来诊断冠状动脉微血管病。

冠状动脉造影:直观的显示病人的冠状动脉内部病变的部位和程度,是现行的金标准。医生将一根两毫米左右粗细的导管插入病人体内,深入到冠状动脉之中。通过导管往冠状动脉中注入造影剂。在X光片里, 冠状动脉堵塞或者狭窄的部分因为没有造影剂流过,会与周围正常组织形成显著的对比,对疾病评估和指导治疗有重要意义。

冠状动脉导丝传感器技术:该技术通常用于评估心脏中的微血管功能。通过心脏导管插入将配备有传感器的导丝插入心脏动脉,传感器可以检测冠状动脉血压和温度,以测量血液流过小动脉的容易程度。通常在测量之前医生会给病人施用增加血流量的药物,如果小动脉对药物没有反应,就表明了病人冠状微血管发生病变。

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▲导丝 (7)

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因为缺少最直接的评估病人心脏内部的氧气使用状况,医生们只能通过收集心肌内的血液流量,心电图,乃至评估身体运动机能来侧面的诊断冠心病。但是,最近的一项技术突破可能给全世界的冠心病患者带来福音。

日前,一只由劳森卫生研究所和西达赛奈医学中心的科学家领导的国际团队首次证明磁共振成像(MRI)可用于测量心脏的氧气使用情况,研究成果发表在《science translational medicine》上。该团队的研究人员来自世界各地的多个研究机构; 劳森卫生研究院(西安大略大学),西达赛奈医学中心,加州大学,英国国王学院,爱丁堡大学,多伦多大学以及西门子医疗研发部。

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他们开发出了一套安全可靠的无创心脏功能磁共振成像(cfMRI)技术,该技术无需电离辐射,无需针头,无需注射造影剂便可以检测心肌的氧合状况,在患者无需运动的状态下进行高效的全心脏成像,用以诊断缺血性心脏病。

目前,撇除动脉造影技术在病理学层面的局限性不谈,可用于测量到心脏内血流状况的手段仍然靠需要注射放射性化学物质,造影剂乃至病人高强度压力测试来增强MRI信号从而检测动脉病变程度。虽然经过无数次的测试这些技术被证明对大多数病人的风险相当小,但是对某些患有慢性肾病和身体虚弱的患者来说,使用现有的技术,仍然会对他们的身体产生很大的负担。

“这种新方法,心脏功能磁共振成像(cfMRI),不需要将针头或化学物质注入体内” 劳森中心成像部门助理总监Frank Prato博士说。

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 ▲该系统用电脑控制二氧化碳投放量,实时监测二氧化碳分压

“我们的发现表明,可以使用MRI来研究心肌活动,” Prato博士解释说, “我们已成功使用临床前动物模型,现在我们正准备证明这技术可以用来准确地检测患者的心脏病。”

研究人员采用一种不断重复的对组织投放二氧化碳的方法来测试心脏血管向肌肉输送氧气的效率。呼吸机改变血液中二氧化碳的浓度,在健康的心脏里,这种变化会改变心脏血流量。也就是说当血管病变以后心脏血流量不会很明显的变化。

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▲系统检测到的 狗心脏内的血氧浓度相依对比信号

早在2008年,其他院校的研究人员已经开发了监测心肌氧合敏感度的磁共振技术,但是他们只得到了一些模糊的图像和很多的噪音。项目负责人和合作伙伴西达赛奈医疗中心生物医学影像研究所副所长Rohan Dharmakumar博士认为,噪声实际上是心脏氧合作用时的产生的变化,据此他设计了一种平均这种变化以摆脱噪音的算法。

Dharmakumar博士还说:“我们发现了一种全新的识别缺血性心脏病的方法, 这种方法克服了目前所有方法的局限性和风险 , 病人再也不需要注射药物和在跑步机上跑步了。” 此外,该技术安全性较高,可以在患者身上反复使用,相对于现存的手段,这也是一个显著的优势。

当然,这项技术也不是全无劣势。第一,这一套系统要求介入二氧化碳,所以需要一名额外的气体操作员。第二,因为病人会被投放二氧化碳,某些哮喘或者肺病患者使用这项技术会有风险。第三,目前这项系统对硬件的要求很高,采购成本在目前不可避免的居高不下;但是随着技术的改进和市场扩大,成本一定会降下来。

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笔者认为,统合了算法的cfMR技术比现存的手段更快速,更高效,提供的信息也更全面更直观。一旦FDA审核通过,这项技术就会在几年之内跟患者见面。

可喜的是除了用于研究冠状动脉疾病之外,cfMRI还可用研究于其他心脏血流受影响的疾病,比如心脏病发作和化疗。

可以预见cfMR还会在病理学研究领域发挥更大的作用,深度的探索氧气在人体内扮演的角色。



参考资料:

1.“New Imaging Tool for Diagnosing Heart Disease.” ScienceDaily, ScienceDaily, 30 May 2019, www.sciencedaily.com/releases/2019/05/190530101200.htm.

2.Finegold, Judith A., et al. “Mortality from Ischaemic Heart Disease by Country, Region, and Age: Statistics from World Health Organisation and United Nations.” International Journal of Cardiology, vol. 168, no. 2, 2013, pp. 934–945., doi:10.1016/j.ijcard.2012.10.046.

3.Melvyn Rubenfire. “Heart Disease and Stroke Statistics-2018 Update.” American College of Cardiology, www.acc.org/latest-in-cardiology/ten-points-to-remember/2018/02/09/11/59/heart-disease-and-stroke-statistics-2018-update.

4.Benjamin, Emelia, et al. “Heart Disease and Stroke Statistics— 2018 Update A Report From the American Heart Association.” Circulation, vol. 137, no. 12, 20 Mar. 2018, doi:DOI: 10.1161/CIR.0000000000000558.

5.“Ischemic Heart Disease.” National Heart Lung and Blood Institute, U.S. Department of Health and Human Services, www.nhlbi.nih.gov/health-topics/ischemic-heart-disease.

6.Yang, Hsin-Jung, et al. “Accurate Needle-Free Assessment of Myocardial Oxygenation for Ischemic Heart Disease in Canines Using Magnetic Resonance Imaging.” Science Translational Medicine, vol. 11, no. 494, 2019, doi:10.1126/scitranslmed.aat4407.

7.导丝3. Digital Image. Tyco Electronics Ltd (TE Connectivity). //www.te.com.cn/chn-zh/industries/medical-healthcare/our-focus/interventional/guidewire-manufacturing.html



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