冠心病急性心脏事件（急性冠脉综合征）发生的病理基础是动脉粥样硬化斑块破裂或内皮溃疡基础上诱发血栓形成。随着对斑块稳定性的认识，识别不稳定斑块越来越受到关注。冠状动脉造影（coronary angiography，CAG）曾被认为是诊断冠心病的“金标准”，然而它是根据造影剂充盈缺损影像来诊断，只能反映造影剂充填的管腔轮廓，提供有关血管管壁和病变形态结构的信息有限。现在临床上不仅关心冠状动脉的狭窄程度，而且越来越重视冠状动脉内斑块的形态和组成。血管内超声（intravascular ultrasound，IVUS）首次为临床提供了直接观察血管壁的动脉粥样硬化斑块和其他病理情况的工具。与冠状动脉造影相比，IVUS提供了更多潜在的信息，IVUS可以在冠状动脉内直接观察血管内膜下结构，即动脉全层（包括斑块厚度），提供管腔、管壁横截面图像，分辨出斑块的大小、组成成分、分布以及观察斑块处血管的重构情况，在斑块稳定性的诊断上具有CAG无法比拟的优势。
目前使用的IVUS系统主要包括相控阵技术和机械扫描技术。相控阵系统通过同步产生一束360°的超声束而生成图像，操作过程中需要将整个导管在血管内推送或回撤以获得图像，相对于机械扫描探头，具有更小的外径，其主要缺点是位于转换器周围有伪像。机械扫描是将装载有单晶体的转换器设计在外鞘内，利用一个灵活的转动轴带动转换器发生机械旋转，获取图像，操作时需要用生理盐水冲洗以保证转换器与外鞘间没有空气，转速可达1800r/min，获取的图像清晰度高。机械旋转型导管的近场分辨率较好，可提供清晰的支架小梁影像，且不需滤掉伪影。但机械导管因不能使影像束动态聚焦，其远场分辨率较差。另外，不均匀旋转伪像也是影响机械旋转型导管影像质量的因素。
IVUS在每个图像切面上有三个空间方向上的分辨率，通常轴向分辨率为80～120μm，侧向分辨率为200～250μm，环形切面上的分辨率主要与图像伪像有关，目前还不能量化。研究表明IVUS所显示的斑块组成和组织学检查有良好的相关性，通过与组织学对比研究，IVUS在判断粥样斑块成分方面的可信性已经得到证实，有“活体组织学”之称。
虚拟组织学成像（VH）是利用频率-范围分析的一种新兴技术，IVUS-VH是在传统灰阶IVUS采集不同组织回声信号振幅的基础上，同时收集回声信号的频率，通过射频信号的频率范围分析，可以识别5种颜色编码的4种组织学斑块类型：即钙化、坏死、纤维以及纤维脂质性斑块，可以区分动脉粥样斑块的组成，判断易损斑块，这些不同的斑块成分被赋予彩色编码。钙化、纤维化、纤维脂质混合和坏死脂质核心分别被标以白色、绿色、黄色和红色。IVUS弹力成像技术已经被用于研究血管壁的机械性质，以间接反映斑块的组织病理学成分，它是将心动周期中的心腔内压力与IVUS、图像相结合，提供血管壁的张力并反映组织学构成。
一、IVUS的图像分析
（一）IVUS的影像判断
正常动脉的动脉壁为3层结构，利用超声波遇到不同组织结构的界面时会产生强烈反射的原理，可以清晰显示冠状动脉的血液-内膜与外膜之间的分界。动脉中膜由于胶原和弹力纤维较少其回声较低，因此正常成人的冠状动脉可呈现“亮—暗—亮”的影像特点（图4-4-1）。青年人正常冠状动脉的内膜及内弹力膜的回声可能不足以形成清楚的内层。但大多数成人，其冠状动脉内膜都有足够的厚度能显示出3层结构。
1.斑块性质的判定 IVUS能够检测到冠状动脉造影显示正常的血管段的粥样硬化斑块。当内膜明显增厚时，内膜-中膜复合物的最大厚度（斑块占总血管面积的百分比）是最常用的评价粥样硬化严重程度的定量指数。根据病理学研究，斑块占总的血管面积40%以上，可发生血管腔的减少。但当血管壁内膜-中膜复合体的增厚＜0.3mm，常常难以鉴别是粥样硬化斑块，还是轻度生理性内膜增厚。
图4-4-1 IVUS影像判断
显示典型的血管壁3层结构，即内膜、中膜和外膜
冠状动脉钙化区的回声非常强，在导管周围有明显的致密声影，此声影影响钙化厚度的准确测量，也影响钙化以外的组织成分，钙化的另一特征是具有回声，在钙化界面以规则的轴向间距形成多重回声（图4-4-2）。纤维组织回声也较强，并可伴声影，但此种回声亮度较低，声束从初始界面穿透至组织中的距离短，声影的范围取决于纤维区的厚度及密度以及传感器的长度。脂质斑块回声弱于纤维斑块，外膜回声的亮度可作为区分以脂肪为主或是以纤维组织为主的斑块的指标，如斑块区的回声暗于外膜为脂质斑块。在影像质量好时，斑块内的暗区可判断为脂质，但并非斑块内所有的低回声区均为脂质，斑块内的伪影与脂质回声非常相似，需注意鉴别。
IVUS的灰阶图像利用内膜的回声强度与外膜进行比较，根据超声密度及是否有声影的存在对斑块的性质进行判断，将斑块分为以下几种。①软斑块：具有透声性，无回声或者相对于外膜组织中的纤维回声低，主要为脂质性斑块（图4-4-3）。②纤维性斑块：回声与外膜组织中的纤维相似，后方无声影（图4-4-4）。③钙化性斑块：病变回声更强，超过外膜组织的回声，斑块后方有声影。④混合性斑块：具有上述1种以上的回声特点的斑块，相当于“纤维钙化斑块”和“纤维脂质斑块”。由于粥样斑块的进展是非均质性的，因此很多斑块也是混合性的，包含不止一种斑块类型。
IVUS最主要的局限性是难以区分血栓和软斑块。新鲜血栓突出的特点是其为闪烁组织。血栓表面的裂隙或微孔多于软斑块。在典型病例中，随着心脏周期的跳动，血栓也随之搏动，而斑块无此表现。
图4-4-2 IVUS显示冠状动脉钙化
在1—5点、7—9点位置可见钙化区，钙化后方可见声影
图4-4-3 软斑块
斑块密度低于外膜密度，为偏心软斑块，脂质含量64%
图4-4-4 硬斑块
纤维组织密度高于外膜密度，钙化明显，其后伴有声影
2.斑块的分布 IVUS可显示斑块在管壁的程度和分布。当冠状动脉造影显示血管内有局限性狭窄时，IVUS总是能发现血管的全程均有明显的斑块。即使在冠状动脉造影显示正常或接近正常的冠状动脉中，IVUS也可检出35%～51%的节段性斑块。冠状动脉粥样斑块很少有真正的向心分布，大多数病变都有不同程度的偏心性。IVUS用偏心指数来评价粥样斑块的偏心性，偏心指数从0（真正的向心性）至1（严重偏心性）。研究显示：在冠状动脉造影判断为向心性的斑块中，有很大部分为偏心性斑块。一项对1446例自体病变的IVUS研究表明：随着偏心指数的增大冠状动脉造影对斑块偏心性的显示率逐渐升高。也就是说，只有斑块的偏心程度非常大时冠状动脉造影才能发现这种偏心性的存在。但也有冠状动脉造影判断为偏心性的斑块，而IVUS却判断为向心性，二者的一致性只有53.8%。
3.血管重构 动脉重构现象（arterial remodeling）：血管壁对于粥样斑块的聚集产生的外径增大或减少反应，增大的反应称为“正性重构”，减小的反应称为“负性重构”。病理学家Glagov首次描述了人类冠状动脉的重构现象，IVUS显像为其提供了证据。大多数冠状动脉粥样斑块在侵犯到血管腔之前呈偏心性朝向血管外膜生长，斑块对管腔空间的占据伴随着血管壁的膨胀，这种血管对粥样斑块的反应性扩张的现象即为血管重构。IVUS研究补充了这种早期描述，显示此种重构现象实际上是双向的，在管腔狭窄区域，典型的Glagov重构现象是正性重构（扩张）（图4-4-5），另一些为负性重构（缩窄）（图4-4-6）。IVUS研究是通过测量正常的参考血管内径作为判断病变段血管的标准，因此选用不同的参考血管以及血管自身逐渐变细可导致结果出现差异。从理论上讲，应用病变血管作为参考血管，而不是远端或近端与远端血管的平均值，从而避免在狭窄部位内由超声导管所引起的远端血流及压力的影响。
图4-4-5 血管正性重构
左图为参考血管，右图为粥样硬化斑块引起血管腔扩张，形成正性重构
（二）IVUS的定量测量指标
冠状动脉粥样硬化斑块常呈偏心性，IVUS用偏心指数（eccentricity index，EI）：EI=（斑块最厚处直径-对侧斑块最薄处直径）/斑块最厚处直径，来评价斑块的偏心性。偏心斑块：偏心指数＞0.5，向心斑块的偏心指数＜0.5。
血管重构常用重构指数（remodeling index，RI）评价，即：病变血管与参考血管面积之比，RI≥1.00为正性重构，RI＜1.00为负性重构。
图4-4-6 血管负性重构
左图为负向重构的参考血管，中图为粥样硬化斑块引起血管腔狭窄，形成负性重构，右图为VH技术显示负性重构血管的粥样硬化斑块
常用测量指标包括：管腔面积（冠状动脉内膜以内的面积）、血管面积（冠状动脉外弹力膜以内的面积，EEM面积）、斑块面积（EEM面积减去管腔面积）、斑块面积百分比［（EEM面积-管腔面积）/EEM面积×100%）］、斑块负荷（斑块面积/EEM面积）、斑块＋中膜面积（EEM面积-管腔截面积）、最大及最小腔径、平均腔径、最大及最小斑块厚度、斑块偏心指数等（图4-4-7）。
图4-4-7 IVUS定量测量指标
左图为IVUS手动描记外膜和内膜由计算机自动边缘计算系统计算外弹力膜（EEM）面积和管腔面积。右图为IVUS-VH在传统灰阶影像基础上自动结合手动描记，分析斑块组成，管腔面积/体积，血管面积/体积，斑块面积/体积，斑块负荷
二、IVUS的临床应用
（一）评价粥样硬化斑块的特征
IVUS的穿透性特征不仅可以显示血管腔，而且可以显示粥样斑块和血管壁，准确提供斑块的空间位置、斑块性质等形态学特征。斑块的稳定性主要与斑块内脂质池（为无回声区）的大小、脂质池所占斑块比例和纤维帽厚度有关。IVUS 可测定斑块纤维帽厚度、脂核或无回声带面积、无回声带与斑块比来评价斑块稳定性，其敏感性和特异性分别为81.4%和75.0%。
斑块的稳定性更多取决于斑块的组成，而非斑块的大小（图4-4-8，图4-4-9）。研究表明IVUS观察的斑块组成与斑块的组织学成分有良好的相关性，除了反映组织学成分以外，IVUS的定量研究斑块特征还与其免疫组化特性有关。IVUS在不稳定性斑块的早期识别中具有极其重要的作用。易损斑块/不稳定斑块是指有血栓倾向及有潜在快速进展可能的斑块，包括：①含有大的脂质池和薄纤维帽的有破裂倾向的斑块，多表现为斑块内无回声区面积超过1.0mm2或者占斑块面积的10%以上，而纤维帽厚度＜65μm；②破裂的斑块伴次全闭塞性早期血栓组织；③具有腐蚀倾向并在平滑肌细胞中富含蛋白多糖成分的斑块；④已经腐蚀的斑块伴次全闭塞性血栓；⑤因滋养血管渗漏导致的斑块内出血；⑥有管腔的斑块表面钙化点；⑦慢性狭窄性斑块伴严重钙化、陈旧性血栓和偏心性管腔。其中斑块破裂是引起血栓性并发症的最常见因素。IVUS研究显示ACS“罪犯”病变多存在斑块破裂和血栓形成。在尸检和IVUS研究中提示56%～95%的ACS“罪犯”病变存在斑块破裂。IVUS能够在体评价冠状动脉血栓病灶，但由于新鲜血栓和软斑块的回声均为低回声，IVUS对新鲜血栓和软斑块的鉴别有时较困难。Siegel等人观察到IVUS诊断血栓的敏感性为57%，而特异性为90%。IVUS检测血栓尚缺乏统一标准，新鲜血栓一般不定形或附于血管壁斑块或包绕IVUS导管，回声强度以低回声为主，不超过血管外膜回声的一半，呈松散的棉絮状或层片状结构，点状闪烁样均质回声，随血流局部移动，造影剂可部分穿过血栓。由于机化，陈旧血栓出现血栓回缩、分层机化、回声增强，新鲜血栓的点状闪烁样回声消失，较难与纤维斑块鉴别，此时应结合冠脉造影图像有助于鉴别。
图4-4-8 稳定型心绞痛患者
左图为冠状动脉造影，箭头所指为非罪犯右冠状动脉狭窄40%～50%，中图为IVUS示斑块负荷45.6%，右图为VH分析斑块成分：纤维 72%，纤维脂肪混合 25%，钙化1%，坏死核心2%的纤维斑块
图4-4-9 不稳定型心绞痛患者
左图为冠状动脉造影示罪犯回旋支中段狭窄85%，中图为IVUS示斑块负荷75.6%，右图为VH分析斑块成分：纤维36%，纤维脂肪混合5%，钙化16%，坏死核心43%（贴近管腔），为薄纤维帽样斑块
IVUS是检查斑块钙化的敏感方法，斑点状钙化可作为识别易损斑块的特征之一。Ehars等人对病变节段（10mm）横截面血管的IVUS图像的钙化情况进行分析发现ACS的“罪犯”病变节段更多地表现为斑点状钙化，即多处存在钙化，但角度均未超过90°。斑块发生破裂或溃疡时，在IVUS图像上表现为血管壁空洞，内膜中断，斑块空洞中可见血流（图4-4-10）。斑块破裂在IVUS上表现各异，特别是在有多层血栓重叠时。
图4-4-10 斑块破裂
左图为急性心肌梗死患者破裂的软斑块，脂质含量丰富；右图中可见斑块内空洞，为破裂的斑块
（二）评价血管重构
血管重构的具体机制尚不明确。重构指数（病变血管与参考血管面积之比）是连续变量，提示动脉重构也是一个连续性生物学过程。在慢性稳定性心绞痛患者中重构指数呈正态分布。研究发现，ACS患者病变以正性重构多见，而且具有较大的斑块面积，稳定性心绞痛患者的病变多以负性重构多见。正性重构可以代偿由于粥样硬化病变生长而导致的管腔丢失，能够延缓管腔的狭窄，在维持心肌有效供血方面是有力的因素，但同时它似乎又是斑块不稳定的标志，正性重构可能使斑块易于破裂。病理学证实了正性重构的病变含有更多的脂质成分和巨噬细胞，而富含脂质和大量巨噬细胞浸润是斑块易损的标志。
血管重构不仅会影响冠状动脉管腔的大小，而且与粥样斑块的稳定性以及介入治疗后再狭窄的发生密切相关。冠状动脉造影无法显示和评价血管重构现象，IVUS 可以根据病变部位和参考血管段的外弹力膜面积的比值界定血管重构类型。有研究显示软斑块的重构指数明显高于纤维性斑块和钙化斑块，即在软斑块中较多发生正性重构；钙化斑块较多发生负性重构。
（三）评价冠状动脉病变程度
冠状动脉造影在评估狭窄病变时是在假定参照血管“正常”的情况下进行的，反映的是充满造影剂的血管腔二维平面图，而且与不同的投照体位有关。在弥漫性病变、开口病变、严重偏心和扭曲病变检测中，常会低估狭窄的严重程度，对于血管的正性重构常常漏诊或低估。IVUS可以显示血管360°横截面图像，在评估弥漫性病变、开口病变、分叉病变及临界病变中突显其优势。
1. IVUS对左主干病变的评价 左主干内动脉粥样硬化斑块的分布与左主干的长度相关。左主干的长度＜10mm 者，斑块多发生于开口部；左主干长度在10mm 以上者，斑块多发生于远端分叉处。这种分布特点与局部血流动力学相关。冠状动脉造影常低估或漏诊部分左主干病变，尤其是病变程度50%～70%病变以及累及到前降支开口的分叉病变。IVUS显示：开口部的病变多为偏心斑块，斑块负荷小，钙化少，病变较短，血管外径面积小，而管腔面积相对较大；远端分叉部位的病变相对较长，钙化严重，斑块负荷大。左主干开口部位病变负性重构概率较左主干远端显著增高，这可能与开口部位的血管壁弹力纤维较多，斑块组织钙化较少等因素相关。有关研究表明与评价左主干病变程度、治疗和预后密切相关的是最小管腔面积（MLA）或最小管腔直径（MLD）（图4-4-11）。
图4-4-11 不稳定性心绞痛患者
左图为冠状动脉造影示罪犯左主干狭窄80%，中图为IVUS示斑块负荷80.6%，右图为VH分析斑块成分：纤维53%，纤维脂肪混合9%，钙化15%，坏死核心23%，为厚纤维帽斑块
利用多普勒测定的冠状动脉血流储备分数（fractional flow reserve，FFR）是反映血管病变的生理学指标。一般认为，当FFR＜0.75时表示存在能引起临床缺血事件的器质性狭窄，是采用血管再通治疗的生理学标准，也是预测总体生存率和无事件发生率的指标。通过IVUS 测定的左主干MLD或MLA与左主干的FFR 具有很强的相关性（r=0.79，r=0.74）。MLD为2.8mm 或MLA 为5.9mm2相对于FFR为0.75，敏感性和持异性均在90%以上。
2. IVUS对临界病变评价 目前IVUS尚无诊断冠状动脉临界病变的统一标准。当以FFR＜0.75作为判断冠状动脉病理性狭窄的参照标准时发现，在IVUS检查中当面积狭窄率＞60%（敏感性92%，特异性88.5%）和＞70%（敏感性100%，特异性68%）最小管腔面积≤4.0mm2 时，冠状动脉临界病变有病理性意义。Abizaid等人以冠状动脉血流储备（CFR）≤2.0为参照标准，发现最小管腔面积≤4.0mm2 是IVUS 判断冠状动脉临界病变有病理性意义的标准。
3. IVUS对于分叉病变的评价 IVUS显示分支血管的斑块主要位于主支对侧。Kimura等人研究了位于前降支近段的病变，发现斑块位于回旋支开口对侧，并且在分叉后很长一段内仍然保持这种相对分布，相当于分流器的分叉部位100%没有病变。近来研究表明，分支血管从主支分出的角度也影响分叉处病变的分布，斑块集中于垂直分出的边支血管对侧，对于非垂直分出的边支血管，主支斑块也位于边支对侧，但是倾向于集中在主支与边支之间的锐角侧，而远离钝角侧。因此，利用IVUS对分支病变进行分类，需要对主支和分支血管均进行成像，研究认为，利用IVUS从主支判断分支血管病变是可行的（图4-4-12）。
图4-4-12 IVUS对分叉病变的评价
左图为主支血管（MV）偏心性斑块，斑块最大厚度位于边支血管（SB）开口对侧，右图为MV偏心性斑块，斑块最大厚度位于SB开口同侧，病变包绕SB开口
（四）IVUS在冠状动脉内支架置入中的应用
IVUS能确定斑块负荷的程度和真正的血管大小，因此被认为是准确选择合适大小的介入治疗器械的基础。IVUS 应用于指导择期PCI时，能够改善支架置入后血管的急性获益，降低再狭窄率，从而改善治疗效果和再住院率。
Stone等人研究显示，尽管有粥样硬化性重构的存在，IVUS指导选择的以往认为过大的球囊，所得到的管腔内径显著增大，而夹层或者其他缺血性并发症并未相应增加。大量的关于IVUS和冠状动脉造影指导下的PCI对照研究显示出在IVUS指导下进行PCI的获益。IVUS能够准确判断术前血管内病变的程度和范围，使术者能够更好地选择支架的直径和长度，使支架和血管匹配得更好，病变被覆盖得更完全。在支架置入后即使冠状动脉造影非常理想的情况下，经IVUS检查仍可发现部分支架扩张不完全、支架贴壁不良及支架扩张不对称（图4-4-13）。同时，IVUS研究发现了其他与支架有关的有意义的形态学特征：①在10%～15%的患者中存在支架边缘撕裂现象。目前尚无资料证实支架边缘撕裂与亚急性血栓形成存在相关性。而且，不影响血流的支架边缘小夹层可能与冠状动脉造影显示的晚期支架内再狭窄无关。②IVUS检查发现置入支架可引起斑块纵向突入至管腔。在非钙化斑块的支架置入期间，斑块从病变处沿纵轴被挤压至毗邻的参考血管段，形成显著的再分布（图4-4-14，图4-4-15）。③支架周围重构现象。
图4-4-13 PCI术后IVUS评价支架贴壁情况
左图示支架贴壁良好；右图示支架扩张不完全、支架贴壁不良
支架置入术后再狭窄一直是冠状动脉介入治疗中棘手的问题，应用IVUS 可以了解再狭窄的原因和类型，对防治再狭窄有重要意义。研究显示IVUS测量的最小支架面积（MSA）是支架置入后发生冠状动脉造影或临床再狭窄的强有力预测因素，特别是在MSA＜6～7mm2时发生再狭窄的风险显著增加（图4-4-16）。根据再狭窄的严重程度将支架内再狭窄分为4 型：Ⅰ型，局限性狭窄（病变长度＜10mm）；Ⅱ型，弥漫性狭窄（病变长度＞10mm）；Ⅲ型，增殖性狭窄（病变长度＞10mm，并超出支架两端）；Ⅳ型，完全闭塞（支架内再狭窄造成血管完全闭塞）。IVUS可明确区分支架内再狭窄的不同类型，以指导临床选择合理的干预措施。一项对108例患者的IVUS与冠状动脉造影指导下的PCI的随机对比研究显示，IVUS指导下的PCI术后再狭窄率和心绞痛复发率低于冠状动脉造影指导组，但是6个月的靶血管重建率并无差异，长期随访中IVUS指导组的无事件生存率高于冠脉造影组。
图4-4-14 PCI术前、后斑块位置变化
左图示PCI术前SB开口无病变，MV偏心性软斑块位于SB开口对侧；右图示MV置入支架后SB开口侧壁上出现低密度组织影（箭头）
图4-4-15 PCI术前、术后对比
左图示PCI术前回旋支开口轻度偏心性软斑块，斑块最大厚度位于左前降支开口对侧，右图示左主干-前降支支架置入后，回旋支开口明显变形，趋于椭圆形
在SIRIUS研究中IVUS显示金属裸支架（bare metal stent，BMS）的内膜增生明显高于药物涂层支架（drug elating stent，DES），并且BMS增生的内膜位于支架中段或者呈均匀分布，而DES增生的内膜主要位于支架两端，同样的结果在TAXUS-IV/VI研究中得到证实，DES可显著降低内膜增生发生率，从而使其支架内再狭窄率显著降低，但DES的边缘效应是其突出的远期并发症。DES造成支架后再狭窄的主要因素为机械性因素，如支架膨胀不全、支架贴壁不良等。
图4-4-16 支架置入术后再狭窄
左图为冠脉造影示罪犯血管支架内再狭窄80%；中图为IVUS示斑块负荷66.4%；右图为VH分析斑块成分：纤维22%，纤维脂肪混合4%，钙化36%，坏死核心38%
IVUS研究能预测支架内亚急性和晚期血栓，支架内血栓的病例中应用IUVS检查时90%的患者支架置入不理想，而冠状动脉造影发现率仅25%。IVUS发现支架膨胀不良时支架内血栓发生率明显升高，因此，IVUS指导下的PCI在DES年代显得更加重要。
治疗支架内再狭窄时，冠状动脉造影很难发现支架间存在缝隙，而IVUS可以测得的长度＜1mm。IVUS提示DES治疗支架内再狭窄病变时支架膨胀不良占80%，另外，支架没有完全重叠时再狭窄发生率高于支架重叠组，因此提示支架内再狭窄的病变用DES治疗时，支架完全扩张和病变完全覆盖非常重要。
在冠状动脉介入治疗中，IVUS的独特临床应用价值日益受到重视，同时也使成千上万的患者从中受益，但IVUS也存在局限性，只能对某段病变血管进行精确测量，而冠状动脉造影可显示冠状动脉病变全貌，故IVUS与冠状动脉造影两种技术互补可以更全面评价冠状动脉病变。
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