Nichtinvasive, angiografisch abgeleitete FFR: Kommt die drahtlose Physiologie bald in Ihr Katheterlabor?

Nichtinvasive, angiografisch abgeleitete FFR: Kommt die drahtlose Physiologie bald in Ihr Katheterlabor?

Ein Kollege aus dem Bereich der interventionellen Medizin fragte: „Wie hoch ist die Zahl der reinen Diagnostik-Kath-Labore in den Vereinigten Staaten oder Nordamerika, die von der fraktionellen Flussreserve (FFR), genauer gesagt von der angiographisch abgeleiteten FFR, profitieren könnten und ihre Patienten nicht zur weiteren Untersuchung in andere Labore schicken müssten. Außerdem erreichen einige Patienten das Labor für perkutane Koronarintervention (PCI), um dann festzustellen, dass eine Behandlung nicht notwendig ist. Würden Sie uns Ihre Meinung zur angiographisch abgeleiteten FFR für reine Diagnoselabore zu diesem Zeitpunkt mitteilen?“

Als ich diese Frage an Dr. Paul Teirstein, Leiter der Kardiologie am Scripps Institute in La Jolla, Kalifornien, weitergab, berichtete er: „Ich wurde von Herzchirurgen angesprochen, die mich fragten, warum sie Überweisungen von Kardiologen erhalten, die diagnostische Angiographien durchführen, aber keine FFR. Die Chirurgen haben sich so sehr an unseren universellen Einsatz der FFR bei intermediären Läsionen gewöhnt, dass sie verärgert sind, wenn ein „reiner Diagnosekardiologe“ einen Patienten mit einer intermediären Läsion überweist. Ihre Reaktion ist: „Warum muss ich raten, ob ich einen Bypass legen soll? Wie können sie eine Diagnose stellen, wenn sie keine FFR durchführen?“ Tatsächlich ist der Nachteil für einen chirurgischen Patienten sogar noch größer als bei einer PCI, da die Umgehung einer nicht-flusslimitierenden Läsion den Bypass in Gefahr bringt. Ich nehme an, die Zeiten ändern sich, und vielleicht sollten wir uns dieses Themas annehmen.

Als starker Befürworter der FFR ist es für mich erfreulich zu sehen, dass jetzt sogar die Chirurgen die FFR und ihre Rolle in der vollständigen Angiographie schätzen. Die FFR wird zwar selten diskutiert, aber für die Chirurgen ist sie eine wichtige Entscheidungshilfe bei der Revaskularisierung. Es besteht kaum ein Zweifel daran, dass ein reines Diagnoselabor von der Hinzunahme von FFR-Operatoren oder drahtloser angiographischer FFR profitieren würde.

Was ist die Rolle der nichtinvasiven FFRCT?

Wir wissen, dass FFRCT, die Methode zur Gewinnung von FFR aus computertomographischen Angiographiebildern (CTA), von Medicare und anderen Kostenträgern genehmigt wurde. Sie wird eingesetzt, bevor die Patienten in das Katheterlabor kommen. Durch den Einsatz der FFRCT in der PLATFORM-Studie1 konnte die Zahl der unnötigen Herzkatheter, bei denen eine normale Koronarangiographie durchgeführt wurde, verringert werden, während die Zahl der Patienten, die eine PCI benötigten, gleich blieb. Bevor wir die Rolle der aus dem Angio abgeleiteten FFR erörtern, sollten wir uns ansehen, wie die FFRCT gewonnen wird (Abbildung 1). Ausgehend von einer CTA von guter Qualität werden die Bilder offline an HeartFlow Inc. gesendet.2 Zur Ableitung der FFR werden die CTA-Bilder in einen dreidimensionalen Koronarbaum rekonstruiert, der in einzelne Punkte segmentiert wird, wobei jeder Punkt durch spezielle Gleichungen (d. h. Navier-Stokes-Gleichungen) verarbeitet wird, um den Druckverlust entlang des Arterienverlaufs in Ruhe und während eines angenommenen hyperämischen Zustands zu berechnen. Diese strömungsdynamischen Berechnungsgleichungen erfordern mehrere Annahmen aus einem Populationsmodell bezüglich der myokardialen Blutflussraten als Funktion der myokardialen Arterienverzweigungen und des Widerstands des Myokards. Diese Werte werden in das CFD-Modell (Computational Flow Dynamics) eingesetzt, und mit Hilfe von Hochleistungsrechnern wird die FFR entlang des gesamten Verlaufs jedes Gefäßes generiert. Die FFRCT wurde im Vergleich zur invasiven FFR validiert und weist in mehreren Studien eine Korrelation von etwa 80 % auf.3,4 Die FFRCT weist eine bessere Korrelation mit der FFR auf als die meisten Stresstests, und auf der Grundlage der klinischen Ergebnisse wird sie wahrscheinlich die herkömmlichen Stresstests ersetzen, was zu einer Verringerung der Verfahren bei Patienten ohne signifikante Koronarerkrankung führt. Einige Anwender sind jedoch verwirrt und denken, dass die FFRCT die invasive FFR ersetzen wird. Mit der FFRCT wird eine signifikante koronare Herzkrankheit (KHK) festgestellt, bevor der Patient ins Katheterlabor kommt, und im Labor kann das Bedienpersonal dann die Signifikanz der Läsion mit der FFR bestätigen.

Nichtinvasive, von der Angiographie abgeleitete FFR: Drahtlose FFR im Labor?

Wäre es nicht toll, die FFR aus dem Angiogramm zu erhalten, ohne einen Führungsdraht einführen zu müssen? Das ist in unserer nahen Zukunft. Die Erzeugung einer „virtuellen“ FFR, die aus der Angiographie oder anderen Modalitäten abgeleitet wird (Tabelle 1A-B, Abbildungen 2-4), wurde unter Verwendung von Computational Flow Dynamics (CFD) oder Rapid Flow Analysis vorgeschlagen, um eine kabellose bildbasierte FFR zu erhalten, die in den diagnostischen Angiographie-Workflow integriert wird. Wie zu erwarten, erfordert die Online-Implementierung der angiographisch abgeleiteten FFR neuartige Konzepte und Systeme, um die Berechnungszeit zu verkürzen und den Analyseprozess für die Funktionen im Labor akzeptabel zu machen. Erste Daten zeigen, dass die aus dem Angio abgeleitete FFR innerhalb weniger Minuten während eines regulären Koronarangiogramms ermittelt werden kann.5

Angio-FFR-ValidierungsstudienZwei Anwärter auf die Einführung in den Katheterlabors in naher Zukunft sind QFR und FFRangio. Die Validierung von QFR (Quantitative Flow Ratio, Medis Medical Imaging Systems) wurde in der FAVOR-II-Studie in China berichtet, in der die diagnostische Genauigkeit von QFR bei der Identifizierung hämodynamisch signifikanter Koronarstenosen auf Gefäßebene bei 97.7 % und die diagnostische Genauigkeit auf Patientenebene 92,4 % (P<0,001 für beide).6 Darüber hinaus zeigte die FAVOR-II-Studie in Europa und Japan, dass die QFR im Vergleich zur 2-D-QCA mit FFR als Goldstandard eine höhere Sensitivität und Spezifität aufwies: 88 % gegenüber 46 % und 88 % gegenüber 77 % (P<0,001 für beide). Die diagnostische Gesamtgenauigkeit der QFR betrug 88 %.7 Für FFRangio (CathWorks) lagen die Sensitivität, Spezifität und diagnostische Genauigkeit bei 88 %, 95 % bzw. 93 %.5 Die starke Übereinstimmung mit der invasiven, drahtbasierten FFR wird wahrscheinlich dazu führen, dass diese Methoden auf breiter Basis zur Verfügung stehen, aber natürlich müssen die ersten positiven Ergebnisse bestätigt werden. Sobald dies in größeren Studien und für ein breiteres Spektrum von Koronarläsionen bestätigt wird, sollte die angiobasierte FFR ein Routinebestandteil der diagnostischen Angiographie werden.

Die Genauigkeit bei der Berechnung der nichtinvasiven FFR beruht auf der Anwendung komplexer Berechnungsmethoden, die sich bei den verschiedenen konkurrierenden Methoden unterscheiden können. Im Gegensatz zur FFRCT, die ein vollständiges und detailliertes 3D-Modell des Koronarbaums aus CTA-Scans erstellt, konstruierten Tu et al8 die Gefäßgeometrie aus der Routineangiographie, wobei sie ein einfacheres Modell für den Fluss verwendeten, das aus der Aufteilung der Koronaräste abgeleitet wurde (im Gegensatz zu einer Schätzung des Flusses anhand der Myokardmasse)2, und eine algebraische Berechnungsmethode aus experimentellen Studien über den Fluss durch einzelne arterielle Stenosemodelle8 (im Gegensatz zu CFD-Gleichungen), um den Druckabfall und die FFR zu bestimmen (Abbildung 5). Da Tu et al8 nicht die komplizierten Navier-Stokes-Gleichungen verwenden, ist die Berechnungszeit fast augenblicklich, sobald die Geometrie in „Untersegmente“ aus dem 3D-Rendering segmentiert ist. Pellicano et al5 konstruierten die 3D-Arteriengeometrie allein aus der Routing-Angiographie und wandten eine schnelle Flussanalyse an, bei der alle Stenosen in einem pauschalen Modell in Widerstände umgewandelt werden, während Skalierungsgesetze (von Verzweigungen) zur Schätzung des Widerstands des Mikrozirkulationsbetts verwendet werden.

Der Wettbewerb um eine erfolgreiche Methode der angiographisch abgeleiteten FFR ist im Gange, wobei verschiedene Unternehmen unterschiedliche Modelle und unterschiedliche Annahmen bezüglich der Fluss- und Widerstandseingaben verwenden (Tabelle 1A-B). Ein Beispiel ist die QFR, bei der mehrere Annahmen in Bezug auf Flussvariablen verwendet werden. fQFR ist der spezifizierte hyperämische Inflow unter der Annahme einer konstanten Inflow-Geschwindigkeit von 0,35 m/s. cQFR ist der „virtuelle“ hyperämische flow, der anhand eines Modells auf der Grundlage der TIMI-Frame-Zählung bestimmt wird, das den gemessenen flow unter Ausgangsbedingungen mit dem hyperämischen flow in Beziehung setzt. Schließlich ist aQFR die Variable des direkt gemessenen hyperämischen flow. Unter diesen Annahmen liefert die QFR sehr vergleichbare Ergebnisse wie die invasive FFR.

Vorteile der angiographisch abgeleiteten FFR

Die laborinternen Berechnungen der angiographisch abgeleiteten FFR sind schnell und haben das Potenzial, bei jedem angiographischen Verfahren eine drahtlose FFR-Läsionsbewertung zu ermöglichen. Weitere Vorteile der angiographisch abgeleiteten FFR liegen auf der Hand. Es ist nicht erforderlich, einen Druckführungsdraht einzuführen. Eine pharmakologische Hyperämie ist nicht erforderlich. Sie ist nahezu bedienerunabhängig. Die aus dem Angio abgeleitete FFR wird ebenfalls auf dem Angiogramm registriert und liefert genaue und reproduzierbare Ergebnisse. Darüber hinaus kann die 3D-Rekonstruktion des Koronarbaums die Identifizierung von Referenzgefäßdurchmessern für die Auswahl der Stentgröße verbessern und letztendlich anatomische und physiologische Ergebnisse vorhersagen.5

Grenzen der angiobasierten FFR

Die Anforderungen an die Bilderfassung und die Benutzeroberfläche eines bildbasierten FFR-Systems sollten nahtlos in die Standardarbeit des Katheterlabors integriert werden. Die Datenerfassung sollte die Routineangiographie so wenig wie möglich stören. Für die angiobasierte FFR sollten nur 2 bis 3 konventionelle Röntgenprojektionen erforderlich sein, in denen die Läsionen deutlich zu erkennen sind. Es ist wichtig, den gesamten Koronarbaum auf dem Bildschirm darzustellen und die Gefäßtransparenz zu optimieren. Schlechte Bilder oder überlappende Segmente schränken die Genauigkeit der aus dem Angio abgeleiteten FFR ein. Die für die angioderivative FFR erforderlichen Bildaufnahmewinkel sind die gleichen wie bei Routineverfahren. Es werden hochauflösende Bilder mit >10 Bildern/Sek. benötigt.5

Auf der technischen Seite ist der koronare mikrovaskuläre Widerstand (CMV) eine grundlegende Annahme zur Berechnung des Drucks aus dem Fluss. In einer Studie wurde der CMV aus invasiven Messungen abgeleitet, was die künftige Akzeptanz einschränkt.9 Es besteht die Hoffnung, dass mit zunehmender Datenmenge kein invasiver CMV mehr erforderlich sein wird. Eine von Angio abgeleitete FFR-Methode, die vFFR9,10, erfordert eine Rotationsangiographie, die noch nicht allgemein verfügbar ist und zu asymmetrischen Koronarsegmenten führen kann – ein Problem für eine genaue Analyse.

Schließlich ist der Zeitaufwand für die Erfassung und Verarbeitung der Daten zur Erstellung der aus dem Angio abgeleiteten FFR wahrscheinlich länger als die 3-Minuten-Berechnungszeit. Die Erfassungszeit sollte realistischerweise die Zeit für die Überwindung der Schwierigkeiten bei der Abbildung komplexer Anatomie, die Beseitigung von Artefakten, das Hochladen der Studie für die CFD-Analyse und die Erstellung des volumetrischen Netzes beinhalten. Darüber hinaus wird es wahrscheinlich patientenspezifische Fehler im Zusammenhang mit einer abnormalen Koronarphysiologie geben, die Ausreißer in den Korrelationen zwischen angiographisch abgeleiteten und invasiven FFR-Messungen erklären können.11

Angio-abgeleitete FFR wird derzeit für Offline-Ergebnisse berichtet, aber kürzlich wurden auch Online-Anwendungen vorgestellt. Bei der Flussberechnung ist nur eine minimale Interaktion des Bedieners erforderlich, was zu einer geringen Variabilität zwischen den Bedienern führt.

Das Fazit

Wenn die FFRCT und die von Angio abgeleitete FFR-Technologie schließlich in größerem Umfang zur Verfügung stehen, werden sie die Art und Weise, wie die diagnostische Angiographie durchgeführt wird, ebenso radikal verändern wie die invasive FFR die Art und Weise, wie wir an Patienten herangehen, die eine PCI benötigen.

1. Douglas PS, De Bruyne B, Pontone G, et al. 1-Year Outcomes of FFRCT-Guided Care in Patients With Suspected Coronary Disease: Die PLATFORM-Studie. J Am Coll Cardiol. 2016 Aug 2; 68(5): 435-445. doi: 10.1016/j.jacc.2016.05.057.
2. Taylor CA, Fonte TA, Min JK. Computational fluid dynamics applied to cardiac computed tomography for noninvasive quantification of fractional flow reserve: scientific basis. J Am Coll Cardiol. 2013; 61(22): 2233-2241.
3. Norgaard BL, Leipsic J, Gaur S, et al. Diagnostic performance of noninvasive fractional flow reserve derived from coronary computed tomography angiography in suspected coronary artery disease. J Am Coll Cardiol. 2014; 63: 1145-1155.
4. Min JK, Leipsic J, Pencina MJ, et al. Diagnostic accuracy of fractional flow reserve from anatomic CT angiography. JAMA. 2012; 308: 1237-1234.
5. Pellicano M, Lavi I, Bruyne B, et al. Validation study of image-based fractional flow reserve during coronary angiography. Circ Cardiovasc Interv. 2017; 10: e005259. doi: 10.1161/CIRCINTERVENTIONS.116.005259.
6. Xu B, Tu S, Qiao S, et al. Diagnostic accuracy of angiography-based quantitative flow ratio measurements for online assessment of coronary stenosis. J Am Coll Cardiol. 2017 Dec 26; 70(25): 3077-3087. doi: 10.1016/j.jacc.2017.10.035.
7. Westra J. Late-Breaking Clinical Trials 2. Presented at: TCT Scientific Symposium; Oct. 29-Nov. 2, 2017; Denver, Colorado.
8. Tu S, Westra J, Yang J, et al. Diagnostic accuracy of fast computational approaches to derive fractional flow reserve from diagnostic coronary angiography: the international multicenter FAVOR pilot study. J Am Coll Cardiol Intv. 2016; 9: 2024-2035.
9. Morris PD, van de Vosse FN, Lawford PV, et al. „Virtual“ (computed) fractional flow reserve: current challenges and limitations. JACC Cardiovasc Interv. 2015; 8: 1009-1017. doi: 10.1016/j.jcin.2015.04.006.
10. Morris PD, Ryan D, Morton AC, et al. Virtual fractional flow reserve from coronary angiography: modeling the significance of coronary lesions: results from the VIRTU-1 (VIRTUal Fractional Flow Reserve From Coronary Angiography) study. JACC Cardiovasc Interv. 2013; 6: 149-157. doi: 10.1016/j.jcin.2012.08.024.
11. Papafaklis MI, Muramatsu T, Ishibashi Y, et al. Fast virtual functional assessment of intermediate coronary lesions using routine angiographic data and blood flow simulation in humans: comparison with pressure wire – fractional flow reserve. EuroIntervention. 2014; 10: 574-583. doi: 10.4244/EIJY14M07_01
12. Tu S, Barbato E, Köszegi Z, et al. Fractional flow reserve calculation from 3-dimensional quantitative coronary angiography and TIMI frame count: a fast computer model to quantify the functional significance of moderately obstructed coronary arteries. JACC Cardiovasc Interv. 2014 Jul; 7(7): 768-777. doi: 10.1016/j.jcin.2014.03.004.

Disclosure: Dr. Kern ist ein Berater für Abiomed, Merit Medical, Abbott Vascular, Philips Volcano, ACIST Medical, Opsens Inc. und Heartflow Inc.