Arq Bras CardiolabcArquivos Brasileiros de CardiologiaArq. Bras. Cardiol.0066-782X1678-4170Sociedade Brasileira de Cardiologia - SBCvWL8YR87N7r7jc5Bwzs93JMS0066-782X2020001100503abc.2018028310.36660/abc.20180283Artigo OriginalMedição do Fluxo Sanguíneo Coronário em Angiogramas Coronários Convencionais por um Novo Método Baseado na Detecção da Densidade de Contraste. Uma Visão Fisiológica0000-0002-3242-2967Lopez-HidalgoMiguel1Eblen-ZajjurAntonio2Universidad de CaraboboValenciaVenezuelaUniversidad de Carabobo, Valencia - VenezuelaPontificia Universidad Catolica de ChileInstituto de Ingieneria Biologica y MedicaSantiagoChilePontificia Universidad Catolica de Chile - Instituto de Ingieneria Biologica y Medica, Santiago – Chile Correspondência: Miguel Lopez-Hidalgo • Universidad de Carabobo. Facultad de Ciencias de la Salud, Area de Postgrado Valencia 2001, Venezuela E-mail: lopezh900@hotmail.com
Contribuição dos Autores
Concepção e desenho da pesquisa, Análise e interpretação dos dados, Redação do manuscrito e Revisão crítica do manuscrito quanto ao conteúdo intelectual importante: Lopez-Hidalgo M, Eblen-Zajjur A; Obtenção de dados e Análise estatística: Lopez-Hidalgo M.
Potencial Conflito de Interesses
Declaro não haver conflito de interesses pertinentes.
280920200920201153503512151020181807201910092019 This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License, which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. ResumoFundamento
O grau de fluxo TIMI e a contagem quadro a quadro TIMI corrigida (CTFC) são métodos amplamente utilizados para avaliar o fluxo sanguíneo coronariano angiográfico. A medição do fluxo sanguíneo coronariano (FSC) na coronariografia (CAG) padrão despertou grande interesse recentemente, tentando combinar o conceito de CTFC com novos métodos para pós-angioplastia e avaliação da síndrome cardíaca X. Além disso, o fluxo coronariano lento é considerado um critério importante para a angina microvascular.
Objetivo
Explorar uma nova abordagem de medição angiográfica quantitativa do FSC com base na detecção densitométrica de contraste na CAG offline, usando um software acessível para obter uma avaliação mais precisa e confiável do FSC.
Métodos
Trinta pacientes foram estudados e divididos em 2 grupos: fluxo sanguíneo coronariano normal (FN) e fluxo sanguíneo coronariano lento (FL), de acordo com a definição da CTFC. O MD foi aplicado à amostra do estudo para diferenciar entre FN e FL. A estatística não paramétrica foi usada para avaliar diferenças entre os grupos com p<0,05.
Resultados
O valor de referência normal do MD obtido para o fluxo sanguíneo coronariano foi de 9 [5–10] quadros. Os grupos FN vs. FL foi comparado e expresso como mediana [intervalo interquartil], para a artéria descendente anterior esquerda: 10 [7–11] vs. 21 [8–33]; p=0,016; artéria circunflexa: 9 [4–13] vs. 14 [11–30]; p=0,012 e artéria coronária direita: 5 [3–11] vs. 13 [8–26]; p=0,009.
Conclusão
O MD mostrou a viabilidade de medir o fluxo sanguíneo coronariano com precisão, consistência e reprodutibilidade em um angiograma coronariano padrão, mostrando a capacidade adicional de diferenciar FN de FL em pacientes com dor precordial e artérias coronárias normais. (Arq Bras Cardiol. 2020; 115(3):503-512)
Doença da Artéria CoronarianaSíndrome Cardíaca XCirculação Sanguínea/fisiopatologiaAngina estávelAngina MicrovascularAngiografia Coronária/métodosIntrodução
Atualmente, o método mais amplamente utilizado para avaliar o fluxo sanguíneo coronariano angiográfico na prática clínica é o sistema de graduação de fluxo TIMI – trombólise no infarto do miocárdio. As limitações de precisão e subjetividade da escala de fluxo TIMI resultaram em um método quantitativo mais preciso para avaliar objetivamente um índice de fluxo sanguíneo coronariano: contagem quadro a quadro TIMI corrigida (CTFC). A CTFC se mostrou um método mais reprodutível do que a graduação do fluxo TIMI coronariano e facilita as comparações dos desfechos angiográficos entre os ensaios.1,2 O desenvolvimento de um método rápido, simples e econômico para medir o fluxo sanguíneo coronariano seria de grande interesse, principalmente em pacientes com dor precordial e angiograma coronariano normal, e angina microvascular, um cenário clínico com prevalência crescente, em que o fluxo sanguíneo coronariano lento é o principal critério diagnóstico.3
Técnicas densitométricas para mensuração do fluxo sanguíneo coronariano já haviam sido aplicadas anteriormente, mas não foram bem-sucedidas devido a fatores técnicos, tornando sua utilização muito limitada.1,4 Recentemente, métodos angiográficos de medição quantitativa do fluxo sanguíneo coronariano em angiograma coronariano que não o sistema CTFC foram desenvolvidos com base em uma combinação de parâmetros anatômicos com análise coronariana quantitativa (QCA) tridimensional e dinâmica de fluidos computacional (CFD) com software dedicado que estima a avaliação funcional coronariana segmentar, atualmente validada com o padrão de referência reserva de fluxo fracionada (FFR) invasiva, entre elas: a FFR virtual (vFFR),5 a taxa de fluxo quantitativa (QFR), também conhecida como FFRQCA,6-8 e a FFRangio.9,10 Por outro lado, surgiram novas tecnologias não invasivas, como a tomografia computadorizada com múltiplos detectores e a angiografia por ressonância magnética (angio-RM), com algoritmos matemáticos complexos que detectam o fluxo sanguíneo coronariano e a reserva coronariana ainda em processo de refinamento.11,12 Tecnologias invasivas para a medição direta de pressões, fluxo e FFR coronarianos foram desenvolvidas e seu uso está em expansão, mas seu custo, maior invasividade e consumo de tempo do procedimento restringiram o número de serviços de hemodinâmica.13,14
O objetivo deste estudo foi explorar uma abordagem diferente para a medição angiográfica quantitativa do fluxo sanguíneo coronariano em um angiograma coronariano padrão (AGC), com base na detecção vídeo-densitométrica do fluxo angiográfico de contraste como substituto do fluxo sanguíneo coronariano, usando um software genérico. No presente estudo, comparamos essa abordagem com o sistema de graduação CTFC em pacientes com dor precordial e AGC normal.
Materiais e MétodosÉtica
O presente estudo foi aprovado pelo comitê de bioética institucional e utilizou a base de dados do serviço de hemodinâmica da instituição e os dados clínicos foram obtidos a partir do repositório do Hospital Metropolitano del Norte.
Desenho do Estudo
Sessenta e quatro indivíduos com histórico de dor precordial submetidos a angiografia coronariana não apresentando lesões coronarianas foram selecionados inicialmente para o estudo de janeiro de 2016 a novembro de 2017, restando apenas 30 pacientes para análise final devido a critérios de exclusão, principalmente dificuldades técnicas. A amostra do estudo foi dividida usando a definição de CTFC para fluxo sanguíneo coronariano normal, em fluxo sanguíneo normal (FN) e fluxo lento (FL).
Critérios de inclusão: Pacientes >18 anos de idade, de qualquer sexo, que apresentavam dor precordial ou necessidade de angiografia urgente, que apresentavam AGC para fins diagnósticos sem lesões coronarianas, sejam estenóticas >30% ou lesões dilatadas >1,5 vezes o diâmetro normal do vaso, focal ou difuso.
Critérios de exclusão: pacientes com histórico de infarto do miocárdio, revascularização cirúrgica ou endovascular. Pacientes com cardiomiopatia dilatada, disfunção ventricular esquerda com fração de ejeção inferior a 50% por ecocardiografia 2D, cardiopatia valvular, cardiopatia congênita e doença ou anomalias coronarianas não ateroscleróticas, hipertensão resistente, cardiomiopatia hipertrófica, acidente vascular cerebral prévio, doença arterial periférica, doença renal, infecções, doença autoimune, doenças malignas e dificuldades técnicas, como AGC com gravação incompleta de imagens da fase de washout, ramos sobrepostos e movimentos do paciente ou da mesa que limitariam as medições densitométricas para análise.
Desfechos e Definições
O desfecho primário foi explorar a viabilidade de medir quantitativamente o fluxo sanguíneo coronariano em um AGC pelo método densitométrico (DM) baseado na detecção densitométrica do fluxo angiográfico de contraste nas artérias coronarianas epicárdicas como substituto do fluxo sanguíneo coronariano, utilizando, pela primeira vez para esse fim, o ImageJ, um software genérico do North American National Institute of Health (NIH) para análise de imagens clínicas.
O desfecho secundário foi avaliar a capacidade do MD de discriminar o fluxo sanguíneo coronariano normal do fluxo lento.
A determinação dos valores normais do fluxo sanguíneo coronariano pelo método densitométrico foi realizada em pacientes estáveis, utilizando AGC do o grupo de FN, tendo a CTFC como referência.1 De acordo com a CTFC, o fluxo sanguíneo arterial coronário normal foi definido como uma média de 21 ± 3 quadros. O fluxo coronário lento foi definido como um fluxo médio de CTFC > 2 DP limite superior a partir do fluxo normal definido ou ≥ 27 quadros. Todas as principais artérias coronárias foram avaliadas em cada paciente. O critério para inclusão dos pacientes no grupo FL foi a presença de pelo menos um vaso importante com fluxo lento.15 Após a obtenção da faixa normal do MD, ambos os métodos, tanto o MD quanto a CTFC, foram aplicados ao AGC de toda a amostra para avaliar a capacidade de discriminar os pacientes com FN e FL predefinidos pela CTFC.
Coronariografia
Realizada pela técnica padrão de Judkins com administração usual de trinitrato de gliceril na dose de 75 a 100 µg.16 Duas projeções ortogonais ideais sem ramos sobrepostos e boa opacificação dos vasos e contraste da imagem foram selecionadas e o volume médio injetado por caso foi de 53 [42–61] ml. Todos os procedimentos foram realizados via acesso femoral, utilizando cateteres 6F. A taxa de aquisição de imagem foi de 30 quadros por segundo, resultando em uma resolução temporal de 33,3 ms. As imagens foram salvas no formato DICOM bruto e transferidas para DVD.17
Processamento das Imagens
Os angiogramas coronários foram processados offline para análise densitométrica do contraste coronário em um laptop i5 executando o software ImageJ de acesso livre do NIH, v1.50i.18 O procedimento de medição foi realizado com a sonda digital ImageJ, que detectou densidades de fundo e contraste em uma área de 2x2 pixels quadrados, posicionada no lúmen no ponto médio entre as bordas dos vasos e nos segmentos proximal e médio de cada artéria coronária principal, começando a medição e o registro das densidades antes do aparecimento do contraste angiográfico (de fundo) e conforme sua passagem pela coronária desde a fase inicial de enchimento, passando pelo pico e após o final da fase de washout, quando não há mais detecção de contraste. Os valores densitométricos medianos (2x2 pixels) foram medidos para cada quadro angiográfico em unidades densitométricas arbitrárias (UDA) e expressos em uma escala de 256 níveis de cinza (preto=0 a branco=255).
Convencionalmente, os pesquisadores usaram a fase de enchimento de contraste para determinar o fluxo coronariano, como ocorre com o grau de fluxo TIMI e o sistema de CTFC. No entanto, no presente estudo, decidimos usar a fase de washout para melhorar a precisão e a confiabilidade do MD, com base em fatores fisiológicos que podem alterar e influenciar a real avaliação do fluxo sanguíneo coronariano durante a fase de enchimento, como a variabilidade do operador em relação ao volume, pressão e taxa de injeção manual de contraste. Considerou-se que a fase de washout era mais representativa e confiável do fluxo sanguíneo coronariano, porque depende absolutamente da eliminação do contraste pelo fluxo sanguíneo, o que é independente da intervenção do operador. Parte dessa abordagem exploratória é avaliar o comportamento da fase de washout para medir o fluxo sanguíneo coronariano. Embora não seja validado por outros estudos, esse parâmetro está metodologicamente relacionado à fase de preenchimento e fisiologicamente mais representativo como substituto do fluxo sanguíneo, conforme afirmado no artigo original sobre a CTFC, por Gibson et al.,1
Para determinar os valores de referência do fluxo sanguíneo normal, foram utilizados os pacientes estáveis e o AGC do grupo de fluxo normal. O valor de referência do MD para o fluxo coronariano normal foi calculado a partir do intervalo de tempo mediano composto dos valores densitométricos medianos da fase de washout de cada vaso coronariano do grupo FN, pré-especificado pela CTFC. Aplicando o fator de correção de 1,7 para a DAE, como no sistema CTFC original.
Etapas de obtenção dos valores de referência do fluxo sanguíneo coronariano com o método densitométrico
Seleção do AGC ideal de pacientes estáveis para avaliação densitométrica.
Classificação de AGC em FN e FL usando o sistema CTFC e selecionando o AGC do grupo de FN.
Execução do software ImageJ, carregamento do AGC e colocação da sonda de medição no segmento proximal do lúmen de cada artéria coronária principal.
Detecção da densidade de contraste, quadro a quadro, nos locais de medição.
Dados densitométricos salvos no formato .txt para Excel ou qualquer software estatístico (Past).
Traçar a curva dinâmica mediana do fluido de contraste global [25–75p] para o grupo FN de cada vaso principal.
A partir das curvas da etapa 6, seleção da fase de washout de cada vaso principal, filtragem da parte final da curva quanto ao ruído de fundo e cálculo da curva mediana da fase de washout.
Cálculo das contagens medianas compostas de quadros da fase de washout dos 3 principais vasos
Na etapa 8, o valor de referência normal do MD é obtido como um intervalo mediano e interquartil nas contagens de quadros (resolução: 33.3 ms).
Etapas na aplicação do método densitométrico a um paciente específico:
Seleção do AGC ideal para avaliação densitométrica.
Execução do software ImageJ, carregamento do AGC e colocação da sonda de medição de forma intraluminal no segmento proximal de cada artéria coronária epicárdica principal.
Detecção da densidade de contraste, quadro a quadro, nos locais de medição.
Dados densitométricos salvos no formato .txt para Excel ou qualquer software estatístico (Past).
Traçar as curvas de contraste medianas da fase de washout, unidades densitométricas arbitrárias (UDA) versus tempo (quadros), para cada vaso principal, filtragem da parte final da curva para minimizar o ruído de fundo.
Cálculo da contagem média de quadros da fase de washout para cada vaso principal, aplicando o fator de correção para a DAE.
Comparação dos valores obtidos na etapa 6 para cada vaso principal com os valores de referência do MD.
Classificação do AGC como FN ou FL, de acordo com os valores de referência estabelecidos pelo MD.
Análise Estatística
As variáveis categóricas são apresentadas como contagens e porcentagens. Para detectar diferenças nas variáveis categóricas, utilizou-se o teste do qui quadrado. Os valores não paramétricos livres de distribuição da mediana e seus percentis 25–75 foram estimados para os valores densitométricos. O teste U de Mann Whitney foi utilizado para a análise das diferenças entre os grupos nas variáveis contínuas. Considerou-se um valor de p unicaudal <0,05 como estatisticamente significativo devido ao nosso interesse em detectar valores de fluxo sanguíneo lento localizado em um lado da distribuição. O coeficiente de correlação não paramétrico de Spearman (R) e o índice de determinação (R2) entre os valores do MD e as contagens de quadros foram calculados. Além disso, realizou-se regressão não paramétrica com uma otimização inicial de Levenberg-Marquardt, seguida pela regressão de Kriging e estimação da curva pelo modo de suavização por meio de splines.19 Os valores de referência da faixa temporal ou os critérios de corte para definir o fluxo normal com o novo MD foram feitos de forma semelhante ao método CTFC, que utilizou erro médio e padrão da contagem de quadros para cada vaso. Em vez disso, decidimos usar a faixa mediana e interquartil da curva da fase de washout do grupo FN pelos critérios do CTFC, excluindo os pacientes instáveis e, em seguida, calculamos a contagem de quadros densitométricos medianos e do intervalo interquartil composto das três principais artérias coronárias como um limiar para estabelecer o valor de referência para o fluxo sanguíneo coronariano normal para o MD. Foram utilizados testes não paramétricos, pois a distribuição da fase de washout não é normal, sendo esta a principal variável do estudo. A análise estatística foi realizada com o software Past v3.16.19,20
Resultados
De um total de 64 pacientes selecionados inicialmente, sobraram 30 pacientes para o estudo, 10 no grupo FN e 20 no grupo FL. Os outros 34 pacientes foram excluídos, 29 devido a dificuldades técnicas durante a aquisição das imagens, 2 pacientes com cardiomiopatia dilatada, 2 com cardiopatias valvulares e 1 com doença autoimune (lúpus). Apenas um paciente teve aumento de troponina. Os demais não apresentavam enzimas cardíacas elevadas e seus angiogramas não apresentavam lesões obstrutivas, nem irregularidades, nem lesões de aparência difusa ou aparência de vasos finos médios e distais.
A idade mediana foi de 65 [53–67] anos. Houve maior prevalência de pacientes do sexo feminino, hipertensos e estáveis. O grupo FL apresentou maior proporção de fumantes. Setenta e três por cento dos pacientes eram clinicamente estáveis, e o procedimento foi realizado de forma eletiva. Oito pacientes foram diagnosticados com síndromes coronarianas agudas sem supradesnivelamento do segmento ST: 7 pacientes com angina instável e um com infarto do miocárdio sem supradesnivelamento do segmento ST sendo do grupo FL. Nenhum apresentava infarto do miocárdio com supradesnivelamento do segmento ST (Tabela 1). Dos 22 pacientes estáveis, 13 foram submetidos ao teste ergométrico em esteira, 7 apresentaram isquemia miocárdica, dois sendo do grupo FL.
– Características clínicas da amostra e dos grupos pré-especificados de acordo com escala da contagem quadro a quadro TIMI corrigida do fluxo sanguíneo coronariano normal.
Total n=30
FN: n=10 (33%)
FL n=20 (67%)
p
Idade, anos*
65 [53–67]
54 [41–67]
61[48–67]
0,33
Sexo: S
18 (60%)
7 (70%)
11 (55%)
0,34
Suspeita de DAC†
22 (73%)
6 (60%)
16 (80%)
0,20
AI/IAMSSST‡
8 (27%)
2 (20%)
6 (30%)
0,55
Hipertensão
19 (64%)
7 (70%)
12 (60%)
0,59
Dislipidemia
11 (37%)
4 (40%)
7 (35%)
0,78
Diabetes
6 (21%)
1 (10%)
5 (25%)
0,33
Tabagismo
10 (32 %)
1 (09%)
9 (45%)
0,05
Histórico familiar de DAC
6 (21%)
2 (20%)
4 (20%)
1,00
Histórico de IM
0
-
-
-
Fonte: Registro do laboratório de hemodinâmica. *Mediana [percentil 25 e 75], † DAC: Coronariopatia. AI/IAMSSST: ‡Angina instável/Infarto do miocárdio sem supradesnivelamento do segmento ST. FN: Grupo de fluxo coronariano normal; FL: Grupo de fluxo coronariano lento.
A curva dinâmica do fluido densitométrico obtida com este MD mostra uma inclinação descendente para a fase de enchimento de contraste e uma inclinação ascendente para a fase de washout. Seu sistema de escala densitométrica se baseia em uma escala de 256 níveis de cinza, onde o maior valor de densidade é 0 (preto=0 a branco=255).
A dinâmica dos fluidos densitométricos do contraste angiográfico que passa pelas coronárias está representada na figura 1 para a artéria descendente anterior esquerda, mostrando as fases de enchimento e washout; a análise dos valores medianos da fase de enchimento dos três vasos principais mostrou maior variabilidade e inconsistência, particularmente ao comparar o comportamento matemático entre os grupos FN e FL definido pelos critérios da CTFC, mostrando cruzamentos frequentes entre os dois grupos. A avaliação dos valores medianos para a fase de washout dos grupos FN e FL foi mais consistente. Não houve cruzamento entre os grupos, fornecendo dados mais precisos, o que confirma nossa suposição inicial. Portanto, decidimos usar a fase de washout para a análise.
– Curva da dinâmica dos fluidos de contraste densitométrico registrada para a artéria coronária descendente anterior esquerda obtida a partir do grupo de fluxo sanguíneo normal (n=10), expressa como mediana e seus percentis 25 e 75, mostrando a curva global com uma fase de enchimento descendente e uma fase de washout ascendente.
A fase mediana de washout mostrada como inclinações ascendentes para os grupos FN e FL é mostrada na Figura 2 para cada um dos três principais vasos, mostrando atraso estatisticamente significativo no grupo FL com a inclinação deslocada para baixo e para a direita em comparação com o grupo FN. Os dados são apresentados na tabela 2. A análise de regressão não paramétrica mostrou uma correlação positiva altamente significativa entre os valores de tempo e densidade de contraste em todas as artérias coronárias principais para os grupos FN e FL. As equações correspondentes são apresentadas na Tabela 3 para cada artéria, tanto para o grupo FN quanto para o grupo FL. Para a análise, a parte final de cada curva foi filtrada para minimizar o ruído de fundo, obtendo dados mais precisos.
– Valores medianos e de dispersão das curvas densitométricas da fase de washout do contraste da artéria coronária descendente anterior esquerda (DAE), artéria coronária circunflexa (CX) e artéria coronária direita (ACD) para o grupo de fluxo sanguíneo normal (FN) e o grupo de fluxo sanguíneo lento (FL) após os critérios do método CTFC. P<0,0001; UDA: Unidades Densitométricas Arbitrárias. Para as equações de regressão, ver Tabela 3.
– Valores densitométricos da fase de washout dos três principais vasos coronários para o grupo de fluxo sanguíneo normal (FN) e grupo de fluxo sanguíneo lento (FL), de acordo com a definição do método CTFC, apresentados como unidades densitométricas arbitrárias (UDA) em medianas (Md) e sua faixa de percentil 25–75
Vaso
FN
FL
p
DAE
UDA Md [p25–p75]
Pacientes (n)
Medições de quadros (n)
116 [99–122]
17
39
90 [79–90]
13
39
0,00001
CX
UDA Md [p25–p75]
Pacientes (n)
Medições de quadros (n)
95 [86–99]
15
28
86 [74–90]
15
28
0,00025
ACD
UDA Md [p25–p75]
Pacientes (n)
Medições de quadros (n)
104 [98–107]
16 ,
30
86 [78–91]
14
30
0,00001
DAE: Artéria descendente anterior esquerda; CX: Artéria circunflexa; ACD: Artéria coronária direita; Valor de p (teste U de Mann-Whitney).
– Equações de regressão não paramétrica para as artérias descendente anterior esquerda, circunflexa e coronária direita dos grupos de pacientes com fluxo sanguíneo normal (NF) ou fluxo sanguíneo lento (FL) classificados segundo os critérios do método CTFC. (UDA: Unidades Densitométricas Arbitrárias). Coeficiente de correlação de Spearman (R), coeficiente de determinação (R2) e níveis de significância (*p<0,0001)
Comparamos os grupos FN e FL com o modelo CTFC, definido pelos critérios da CTFC para fluxo lento e, como esperado, mostrou-se que suas diferenças foram estatisticamente significantes nos dois grupos (Tabela 4).
– Contagem quadro a quadro TIMI corrigida nos grupos FN e FL para cada vaso coronário principal, expressa em mediana e intervalo interquartil [ ], de acordo com a definição do método CTFC de fluxo normal e lento
Vaso
FN n=10
FL n=20
p
CTFC:
Quadros
Quadros
DAE
23 [18–26]
n=17
44 [36–50]
n=13
0,00001
CX
21 [18–28]
n=15
41 [35–51]
n=15
0,00001
ACD
23 [18–28]
n=16
41 [33–51]
n=14
0,00001
NF: Grupo de fluxo normal; FL: Grupo de fluxo lento; DAE: Artéria descendente anterior esquerda; CX: Artéria circunflexa; ACD: Artéria coronária direita: CTFC: Critério da contagem quadro a quadro TIMI corrigida para pacientes com fluxo coronariano lento: pelo menos um vaso principal com fluxo lento; Valor de p (teste U de Mann-Whitney).
O valor de referência do MD para o intervalo de tempo de fluxo coronariano normal foi de 9 [5–10] quadros (33 ms cada). Aplicando o fator de correção de 1,7 para a DAE, ou seja, dividindo o MD mediano da DAE: 16,9 por 1,7 = 10. Utilizando esse critério, a amostra de pacientes foi segregada, como FN ou FL para DAE, CX ou ACD (Tabela 5), esses grupos diagnósticos foram estatisticamente diferentes para os três vasos coronarianos, mostrando maiores valores de dispersão para FL do que os pacientes com FN (Figura 3).
– Valores normais de referência do fluxo sanguíneo coronariano para os três principais vasos coronários pelo método densitométrico no grupo FN vs. FL, expresso em mediana [percentis 25–75], de acordo com a definição do método CTFC para fluxo normal. A DAE é suavizada por 3 pontos e corrigida pelo fator 1.7
Vaso
FN
FL
p
DAE, n
Quadros-MD
16
10 [7–11]
13
21 [08–33]
0,016
CX, n
Quadros-MD
14
9 [4–13]
15
14 [11–30]
0,012
ACD, n
Quadros-MD
15
5 [3–11]
14
13 [8–26]
0,009
NF: Grupo de fluxo coronariano normal; FL: Grupo de fluxo coronário lento; DAE: Artéria descendente anterior esquerda; CX: Artéria circunflexa; ACD: Artéria coronária direita; MD: Método Densitométrico; Valor de p (teste U de Mann-Whitney).
– Intervalos densitométricos medianos e intervalos interquartil para o tempo em contagens de quadros, obtidos a partir das medições densitométricas medianas da fase mediana de washout do grupo FN. Comparação entre os grupos FN e FL, pré-especificados pelo método CTFC. As diferenças são estatisticamente significantes na DAE: Artéria descendente anterior esquerda; CX: Artéria circunflexa; ACD: Artéria coronária direita; FN: Grupo de fluxo coronariano normal; FL: Grupo de fluxo coronariano lento.
Discussão
Quando pacientes com suspeita de DAC cujo AGC não mostra artérias coronárias obstrutivas e aparentemente apresentam fluxo sanguíneo coronário lento, a escala de fluxo TIMI é usada para diagnosticar os fenômenos de fluxo lento, mas sendo uma medida semiquantitativa, sua precisão é baixa, principalmente para casos limítrofes. Portanto, a CTFC foi desenvolvida para uma quantificação mais precisa do fluxo sanguíneo coronariano. No entanto, uma desvantagem importante é a sobreposição entre o fluxo TIMI de grau 2 e 3, particularmente na reperfusão pos-infarto, na síndrome cardíaca X ou isquemia miocárdica e coronariopatia não-obstrutiva (INOCA), angina microvascular e nos fenômenos de fluxo lento.1,3,21 O desenvolvimento de novos métodos simples e práticos para a avaliação do fluxo sanguíneo coronariano na coronariografia de rotina é de extrema importância, particularmente para a avaliação da síndrome cardíaca X e da disfunção microvascular, que atualmente é um tema importante de pesquisa devido à sua significância prognóstica.22,23
A detecção do fluxo sanguíneo coronariano em imagens angiográficas despertou grande interesse nos últimos anos, tentando combinar o conceito de CTFC com os novos métodos de estimação da FFR a partir da coronariografia de rotina, usando uma combinação de análise coronariana quantitativa tridimensional (3D-QCA) e dinâmica computacional dos fluidos complexa.6-8 O uso da CTFC isoladamente não é tão prático como era no passado e a área passou a incorporar a 3D-QCA com medições de fluxo, denominada taxa quantitativa de fluxo coronariano (QFR),6 FFRangio9 estando pronta para competir com técnicas como a reserva de fluxo fracionada por tomografia computadorizada (CTFFR).11-24
O software ImageJ havia sido utilizado em diversas modalidades de imagem. No entanto, não havia sido utilizado anteriormente para medições hemodinâmicas. O presente estudo compara uma aplicação simples desse software validado pelo NIH com o sistema angiográfico coronário CTFC, amplamente utilizado.
Avaliamos o AGC padrão de pacientes com síndrome cardíaca X (INOCA) usando um novo método densitométrico digital, o software ImageJ, capaz de medir o fluxo sanguíneo coronariano com base na dinâmica dos fluidos de contraste que passam pelas principais artérias coronárias epicárdicas. Esse método detectou diferenças estatisticamente significativas nos intervalos de tempo do fluxo sanguíneo coronariano entre os grupos FN e FL, conforme definido pelo sistema CTFC.
A amostra do estudo apresentou maior prevalência de pacientes do sexo feminino, como visto na literatura.3,25-27 De acordo com alguns estudos, pacientes com fenômeno de fluxo lento coronariano apresentam características distintas de pacientes sem lesões obstrutivas angiográficas e com fluxo normal, são predominantemente do sexo masculino, fumantes e com DAC instável.21 No nosso estudo, observou-se maior tendência para fumantes no grupo FL, mas os outros aspectos, como sexo e apresentação instável, não diferiram do grupo FN, provavelmente devido ao tamanho da amostra e ao processo de seleção.
As técnicas densitométricas para mensuração do fluxo sanguíneo coronariano já haviam sido tentadas sem sucesso com a aplicação da densitometria, restrita às artérias coronárias proximais e não ramificadas, com traços perpendiculares ao feixe de raios X, resultando em técnicas pouco práticas.4,28
O MD não se baseia em referências anatômicas distais como na CTFC, tornando-o mais prático e preciso, porque essa possível variabilidade intraobservador e interobservador é eliminada da análise. Uma dificuldade frequente na CTFC é determinar o primeiro quadro inicial para a contagem, gerando um possível viés, pois depende de três critérios subjetivos de alguma forma: 1. Uma coluna de corante quase cheia ou totalmente concentrada deve se estender por toda a largura da origem da artéria; 2) O corante deve tocar as duas bordas da artéria e 3. O corante deve ter movimento anterógrado.1 Essa dificuldade não é contabilizada no MD. Uma vantagem importante do MD é que ele pode fornecer uma representação gráfica, o que é muito fácil de interpretar. Usando a fase de washout do contraste angiográfico em vez da fase de enchimento, nosso estudo mostra que essa poderia ser uma abordagem válida e mais confiável.
A densidade de contraste depende de vários fatores. A metodologia aplicada no presente estudo tenta reduzir a influência desses fatores na principal causa de alterações de contraste, que é o fluxo sanguíneo. As descrições originais do método CTFC1 minimizam a contribuição dos fatores propostos para as medições finais dos resultados, mas centralizam a discussão na correlação entre obstrução do fluxo coronariano e imagens de contraste em movimento. De fato, não houve correlação entre a CTFC de 90 minutos e a frequência cardíaca, pressão arterial sistólica ou diastólica, pressão atrial direita, diferença entre pressão arterial diastólica e pressão atrial direita, pressão de oclusão da artéria pulmonar, débito cardíaco ou índice cardíaco, mesmo após a correção da localização da artéria infartada.1 Outros fatores como pacientes com doença valvar aórtica, presença de fístulas, geometria anormal dos vasos ou pressão venosa central patológica foram excluídos do estudo. Fatores relevantes, como microvasculatura, e massa perfusão miocárdica, são objetivos indiretos de nossas medições.
Utilizamos o sistema de contagem quadro a quadro TIMI corrigida com base na fase de enchimento de corante de contraste das artérias coronárias como um fator de comparação, por ser a escala validada mais próxima disponível para comparação com o CTFC. No entanto, uma observação clara deve ser feita sobre as diferenças metodológicas entre a contagem quadro a quadro TIMI convencional e nossas medidas pelo MD. Escolhemos a fase de washout da dinâmica dos fluidos de contraste e encontramos resultados mais estáveis e constantes para a coronariografia clínica de rotina do que a fase de enchimento. Esse parâmetro está metodologicamente relacionado à fase de enchimento e, fisiologicamente, é mais representativo como substituto do fluxo sanguíneo, conforme descrito no estudo original do método CTFC, em que a eliminação do corante pode ser mais independente da taxa de injeção e merece uma investigação mais aprofundada.1 Nosso estudo mostra que essa poderia ser uma abordagem válida e mais confiável.
No presente estudo exploratório, os valores de referência do fluxo sanguíneo normal para o MD foram calculados usando apenas os AGCs normais do fluxo sanguíneo pelo método CTFC e em pacientes estáveis. O estudo original do método CTFC relatou valores normais de fluxo sanguíneo em pacientes submetidos a cateterismo com fluxo sanguíneo de aparência normal, sem especificar o diagnóstico ou a condição dos pacientes, com exceção do fato de que eles não apresentavam infarto do miocárdio.1 Para a comparação entre FN e FL, usamos toda a amostra, excluindo apenas o paciente com IAMSSST, assim como feito no estudo sobre o método CTFC e em outros estudos.1,21
Limitações: com o MD, todas as imagens do angiograma tiveram que ser adquiridas até a fase final de washout, de acordo com o que deveria ser a técnica padrão para a coronariografia; caso contrário, os dados coletados serão insuficientes para aplicar a análise densitométrica. Infelizmente, alguns operadores não realizam o procedimento de acordo com os padrões de uma técnica angiográfica adequada. É por isso que 45% da população inicial pretendida foi excluída. Este foi um estudo retrospectivo com pacientes não consecutivos e muitos pacientes foram excluídos por não atenderem aos critérios técnicos para análise do AGC. Outras limitações resultam do uso de um software genérico não dedicado que não permite a detecção de contorno e as restrições impostas às imagens bidimensionais. No entanto, essas limitações, também presentes no método CTFC convencional, não minimizaram a aplicação diagnóstica do MD descrita aqui, que foi capaz de detectar um fluxo sanguíneo coronariano confiável e lento.
O MD proposto leva cerca de 4 a 8 minutos por paciente usando um algoritmo semiautomatizado. Esse tempo pode ser drasticamente reduzido com a aplicação de um algoritmo totalmente automatizado. Estamos desenvolvendo um script ImageJ, tornando esse método mais rápido, mais prático e mais amigável. Esse novo método proposto pode ser útil se validado com uma amostra maior em um estudo prospectivo em pacientes estáveis e em outros cenários.
Conclusões
Essa nova abordagem com o MD mostrou a viabilidade de medir o fluxo sanguíneo coronário com precisão, consistência e reprodutibilidade em um angiograma coronário padrão, mostrando a capacidade adicional de diferenciar FN e FL em pacientes com dor precordial sem obstruções coronarianas.
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Vinculação Acadêmica
Este artigo é parte de tese de doutorado em Ciências Médicas de Miguel Lopez-Hidalgo pela Universidad de Carabobo.
Fontes de Financiamento
O presente estudo não teve fontes de financiamento externas.
Original ArticleCoronary Blood Flow Measurement in Conventional Coronary Angiograms by a New Method Based on Contrast Density Detection. A Physiological Insight0000-0002-3242-2967Lopez-HidalgoMiguel1Eblen-ZajjurAntonio2VenezuelaUniversidad de Carabobo, Valencia - VenezuelaChilePontificia Universidad Catolica de Chile - Instituto de Ingieneria Biologica y Medica, Santiago – ChileMailing Address: Miguel Lopez-Hidalgo • Universidad de Carabobo. Facultad de Ciencias de la Salud, Area de Postgrado Valencia 2001, Venezuela E-mail: lopezh900@hotmail.com
Author Contributions
Conception and design of the research, Analysis and interpretation of the data, Writing of the manuscript and Critical revision of the manuscript for intellectual content: Lopez-Hidalgo M, Eblen-Zajjur A; Acquisition of data and Statistical analysis: Lopez-Hidalgo M.
Potential Conflict of Interest
No potential conflict of interest relevant to this article was reported.
AbstractBackground
TIMI flow grade and corrected TIMI frame count (CTFC) are widely used methods to evaluate angiographic coronary blood flow. Measurement of coronary blood flow (CBF) on standard coronary angiography (CAG) has aroused great interest recently, trying to combine the CTFC concept with new methods for post-angioplasty and for cardiac syndrome X assessment. Additionally, coronary slow flow it is now considered a major criterion for microvascular angina.
Objective
Explore a new approach of quantitative angiographic measurement of CBF based on densitometric contrast detection in CAG off-line, using an accessible software to obtain a more precise and reliable CBF assessment.
Methods
Thirty patients were studied and divided in 2 groups, normal coronary blood flow (NF) and slow coronary blood flow (SF), according to CTFC definition. The DM was applied to the study sample to differentiate between NF and SF. Non-parametric statistics was used to assess differences between groups at p<0.05.
Results
The DM normal reference value obtained for coronary blood flow was 9 [5–10] frames. NF vs SF group were compared and expressed as median [interquartile range], for the left anterior descending: 10 [7-11] vs 21 [8-33];p= 0.016; circumflex: 9 [4-13] vs 14 [11-30]; p= 0.012 and right coronary artery: 5 [3-11] vs 13 [8-26]; p=0.009.
Conclusion
The DM showed the feasibility of measuring coronary blood flow with precision, consistency and reproducible in a standard coronary angiogram, showing the additional capability to differentiate between NF and SF in chest pain patients with normal coronary arteries. (Arq Bras Cardiol. 2020; 115(3):503-512)
Currently, the most widely use method to assess angiographic coronary blood flow in clinical practice is the thrombolysis in myocardial infarction (TIMI) flow grade scale. Precision and subjectivity limitations of the TIMI flow grade scale derived to a more precise quantitative method to objectively assess an index of coronary blood flow; this was the corrected TIMI frame count (CTFC).The CTFC showed a more reproducible method than the coronary TIMI flow grade and facilitates comparisons of angiographic end points between trials.1,2 The development of a fast, simple and cost-effective method to measure coronary blood flow would be of great interest, especially in patients with chest pain with normal coronary angiogram and patients with microvascular angina a clinical scenario with an increasing prevalence where coronary slow blood flow is a major diagnostic criterion.3
Densitometric techniques for coronary blood flow measurements had been applied before but were unsuccessful due to technical factors, making them very limited for their use.1,4 Recently angiographic methods of quantitative measurement of coronary blood flow on coronary angiogram other than the CTFC system had been developed based on a combination of anatomic parameters with three dimensional quantitative coronary analysis (QCA) and computational fluid dynamics (CFD) with dedicated software that estimates a segmental coronary functional assessment currently validated with the reference standard invasive coronary fractional flow reserve (FFR), among these are: the virtual FFR (vFFR),5 the quantitative flow ratio (QFR) also known as FFRQCA,6-8 and the FFRangio.9,10 On the other hand, new non-invasive technologies have emerged such as the multidetector computerized tomography and angiographic magnetic resonance imaging (angio-MRI) with complex mathematical algorithms that detects coronary blood flow and coronary reserve which are still under refinement.11,12 Invasive technologies for the direct measurement of coronary pressures, flow and FFR had been developed successfully and its use is expanding, but their cost, further invasiveness and time consumption of the procedure have been restricted to fewer catheterization facilities.13,14
The objective of this study was to explore a different approach for quantitative angiographic measurement of coronary blood flow in a standard coronary angiogram (CAG), based on video-densitometric detection of angiographic contrast flow as a surrogate of coronary blood flow, using a generic software. In the present report we compare this approach with the CTFC grading system in patients with chest pain and normal CAG.
Materials and MethodsEthics
The present study was approved by the institutional bioethics committee and used the institution catheterization laboratory database and clinical data obtained from the repository of the Hospital Metropolitano del Norte.
Study Design
Sixty-four subjects with history of chest pain who underwent coronary angiography and showed no coronary lesions were initially selected for the study from January 2016 to November 2017, only 30 patients remained for final analysis due to exclusion criteria mainly technical pitfalls. Patient sample was divided using the CTFC definition for normal coronary blood flow, into a normal blood flow (NF) and a slow flow group (SF).
Inclusion criteria: patients > 18 years old of any gender who had chest pain or the need for urgent angiography, who had CAG for diagnostic purposes without coronary lesions, either stenotic > 30% or dilated lesions > 1.5 times normal vessel diameter, focal or diffuse.
Exclusion criteria: Patients with previous myocardial infarction, revascularization either surgical or endovascular. Patients with dilated cardiomyopathy, left ventricular dysfunction with ejection fraction of less than 50 % by 2D-echocardiography, valvular heart disease, congenital heart disease and non-atherosclerotic coronary disease or anomalies, resistant hypertension, hypertrophic cardiomyopathy, previous stroke, peripheral arterial disease, kidney disease, infections, autoimmune disease, malignancy and technical pitfalls such as CAG with incomplete image saving of the washout phase, overlapping branches and patient or table motion that would limit densitometric measurements for analysis.
End Points and Definitions
The primary end point was to explore the feasibility of measuring coronary blood flow quantitatively in a CAG, with a densitometric method (DM) based on densitometric detection of angiographic contrast flow in epicardial coronary arteries as a surrogate of coronary blood flow, using for the first time for this purpose the ImageJ software, from the North American National Institute of Health (NIH) for medical image analysis.
A secondary endpoint was to assess the capability of the DM to discriminate between normal coronary blood flow and slow flow.
Determination of normal coronary blood flow values for the densitometric method was done with stable patients using the NF group CAG taking the CTFC as a reference.1 According to the CTFC, normal coronary artery blood flow was defined as a mean of 21 ± 3 frames. Coronary slow flow was defined as a CTFC mean flow > 2 SD upper limit from the defined normal flow or ≥ 27 frames. All major coronary arteries were assessed in each patient. The criterion for patients inclusion in the SF group was that they had at least one major vessel with slow flow.15 After obtaining the DM normal range, both methods to asses the capability to discriminate between DM and the CTFC were applied to CAG of the whole sample NF and SF patients pre-defined by CTFC.
Coronary Angiography
Performed by the standard Judkins technique with routine administration of glyceryl trinitrate at a dose of 75 to 100 µg.16 Two optimal orthogonal projections with no overlapping branches, good vessel opacification and image contrast were selected and the injected median volume per case was 53 [42–61] ml. All the procedures were performed via femoral access, using 6F catheters. Image acquisition rate was 30 frames per seconds, resulting in a 33.3 ms temporal resolution. The images were saved in raw DICOM format and transferred to DVD.17
Image Processing
Coronary angiograms were processed off-line for coronary contrast densitometric analysis in a i5 laptop running the open access ImageJ software from NIH, v1.50i.18 The measurement procedure was performed using the ImageJ digital probe that detected background and contrast densities in an area of 2x2 square pixels, placed in the lumen in a midpoint between the vessel borders and at the proximal and middle segments of each major coronary artery, starting to measure and record densities before the appearance of the angiographic contrast (background) and as it passes through the coronary from the initial filling phase, the peak and after the end of the washout phase when there was no more contrast detected. Median (2x2 pixels) densitometric values were measured for every angiographic frame in densitometric arbitrary units (DAU) and expressed in a 256 gray level scale (black=0 to white=255).
Conventionally, investigators have used the contrast filling phase to determine the coronary flow, as is with the TIMI flow grade and the CTFC system. However, in the present study we decided to use the washout phase to improve the DM precision and reliability, based on physiologic factors that can alter and bias the true coronary blood flow assessment during the filling phase, such as operator’s variability related to volume, pressure and rate of manual injection of contrast. It was considered that the washout phase was more representative and reliable of coronary blood flow because it depends absolutely on the frontline of blood washing the contrast, which is independent of operator intervention. Part of this exploratory approach is to assess the behavior of the washout phase to measure the coronary blood flow. Although not validated by other studies, this parameter is methodologically closely related to the filling phase and physiologically more representative as a surrogate of blood flow, as stated in the original CTFC paper by Gibson et al.1
To determine the normal blood flow reference values, we used the stable patients and the normal flow group CAG. The DM reference value for normal coronary flow was calculated from the compounded median time range of the median densitometric values of washout phase of each coronary vessels from NF group, pre-specified by the CTFC. Applying the correction factor of 1.7 for the LAD, as with the original CTFC system.
Steps to obtain coronary blood flow reference values with the densitometric method:
Selection of optimal CAG of stable patients for densitometric assessment.
Classifying CAG for NF and SF using CTFC system, and selecting NF group CAG.
Running ImageJ, load the CAG and place the measurement probe at the proximal segment of the lumen of each major coronary artery.
Contrast density detection frame by frame at measurement sites.
Densitometric data saved in .txt format for excel or any statistical software (Past).
Plot median [25-75p] global contrast fluid dynamic curve for NF group for each major vessel.
From the curves in step 6, select the washout phase (WOP) of each major vessel, filter out the final portion of the curve for background noise and calculate the median WOP curve.
Calculate the compounded median frame counts of the WOP of the 3 major vessels.
From step 8, the normal DM reference value is obtained as a median and interquartile range in frame counts (resolution: 33,3 ms).
Steps in the application of the densitometric method to a specific patient
Selection of optimal CAG for densitometric assessment.
Running ImageJ, load the CAG and place the measurement probe intra-luminally in the proximal segment of each major epicardial coronary artery.
Contrast density detection frame by frame at measurement sites.
Densitometric data saved in .txt format for excel or any statistical software (Past).
Plot of the median contrast curves of the WOP, density (DAU) versus time (frames), for each major vessel, filter out the final portion of the curve to minimize background noise.
Calculate the median frame count of the WOP for each major vessel, applying the correction factor for the LAD.
Compare the obtained values in step 6 for each major vessel with the DM reference values.
Classification of CAG as NF or SF, according to the DM established reference values.
Statistics
Categorical variables are presented as counts and percentages. To detect differences in categorical variables, Chi square test was used. Distribution free, non-parametrical values of median and its 25-75 percentiles were estimated for densitometric values. The Mann Whitney U test was used for the analysis of differences between groups in continuous variables. A one tailed p<0.05 was considered statistically significant due to our interest to detect slow blood flow values that is located on one side of the distribution. Non-parametric Spearman correlation coefficient (R) and the determination index (R2) between DM values and time frame counts were calculated. Additionally, a non-parametric regression was performed with an initial Levenberg-Marquardt optimization followed by the Kriging regression and curve estimation by its smoothing splines mode.19 Temporal range reference values or cut-off criteria to define normal flow with the new DM was done similarly to CTFC method which used mean and standard error of the frame count for each vessel, instead we decided to use the median and interquartile range of the washout phase curve of the NF group by the CTFC criteria excluding the unstable patients and then calculated the compounded median and interquartile range densitometric frame count of the three major coronary arteries as a threshold to establish the reference value for normal coronary blood flow for the DM. Non-parametric tests were used since the washout phase distribution is not normal, which is the main variable of the study. Statistical analysis was done with Past software v3.16.19,2
Results
From a total of 64 patients initially selected, 30 patients were left for the study, 10 were in the NF and 20 in the SF group. The other thirty-four patients were excluded, 29 patients due to technical pitfalls during the acquisition of images, 2 patients had dilated cardiomyopathy, 2 valvular heart disease and 1 had autoimmune disease (lupus). Only one patient had increased troponin. The others did not have elevated cardiac enzymes and their angiograms had no obstructive lesions or irregularities, and had no diffuse appearing lesions or mid and distal fine vessel appearance.
The median age was 65 [53–67] years. There was a greater prevalence of female, hypertensives and stable patients. The SF group had a higher proportion of smokers. Seventy-three percent of the patients were clinically stable, and the procedure was performed electively and 8 were diagnosed as non-ST elevation acute coronary syndromes: 7 patients with unstable angina and one with non-ST segment elevation myocardial infarction being from the SF group, none had ST elevation MI (Table 1). From the 22 stable patients, 13 were submitted to treadmill stress test, 7 were positive for myocardial ischemia, two were from the SF group.
– Clinical Characteristics of the patient sample and the pre-specified groups according to the corrected TIMI frame count scale definition of coronary normal blood flow.
The densiometric fluid dynamic curve obtained with this DM shows a downward slope for the contrast filling phase and an upward slope for the washout phase, its densitometric scale system is based in a 256 gray level scale were the higher density value is 0, (black=0 to white=255).
The densitometric fluid dynamics of the angiographic contrast passing through the coronaries is represented in figure 1 for the left anterior descending showing the filling and washout phases, analysis of the median values for the filling phase for the 3 major vessels showed greater variability and inconsistency, particularly when comparing the mathematical behavior between NF and SF groups defined by the CTFC criteria, showing frequent cross-over between the 2 groups. Assessment of the median values for the washout phase from NF and SF groups was more consistent, there was no cross-over between the groups giving a more precise data, which confirms our initial assumption. Therefore, we decided to use the washout phase for the analysis.
– Densitometric contrast fluid dynamics curve recorded for the left anterior descending coronary obtained from the normal blood flow group (n=10), expressed as median and its 25th and 75th percentiles, showing the global curve with a downward filling phase and an upward washout phase.
The median washout phase shown as ascending slopes for the NF and SF, are shown in Figure 2 for each of the three major vessels, showing statistically significant delay in the SF group with the slope shifted downward and to the right comparing to NF group. Data is displayed in table 2. Non-parametric regression analysis showed a highly significant positive correlation between time and contrast density values in all major coronary arteries for NF and SF groups. The corresponding equations are presented in Table 3 for each artery either for NF and SF groups. For the analysis, the final portion of each curve was filtered out to minimize background noise, thus getting more precise data.
– Median and dispersion values of contrast washout phase densitometric curves of left anterior descending coronary artery (LAD), circumflex coronary artery (CX) and right coronary artery (RCA) for normal blood flow (NF) and slow blood flow (SF) groups after CTFC criteria. P < 0.0001; DAU: Densitometric Arbitrary Units. See Table 3 for regression equations.
– Washout phase densitometric values of the three major coronary vessels for normal blood flow group (NF) and slow blood flow group (SF), according to the CTFC definition, presented as Densitometric arbitrary units (DAU) in medians (Md) and its 25th and 75th percentile range
Vessel
NF
SF
p
LAD
DAU Md [25p-75p]
Patients n
Measured frames n
116 [99–122]
17
39
90 [79–90]
13
39
0.00001
CX
DAU Md [25p-75p]
Patients n
Measured frames n
95 [86–99]
15
28
86 [74–90]
15
28
0.00025
RCA
DAU Md [25p-75p]
Patients n
Measured frames n
104 [98-107]
16
30
86 [78-91]
14
30
0.00001
LAD: Left anterior descending; CX: Circumflex artery; RCA: Right coronary artery; p value (Mann-Whitney U test).
– Non-parametric regression equations for left anterior descending, circumflex and right coronary arteries from normal (NF) or slow blood flow (SF) patient groups classified after CTFC criteria. (DAU: Densitometric Arbitrary Units). Spearman correlation coefficient (R), coefficient of determination (R2) and significance levels (* p < 0.0001)
We compared the NF and SF groups with the CTFC model, defined by the CTFC criteria for slow flow, and as expected, it showed that their differences were statistically significant in both groups (Table 4).
– Corrected TIMI frame count in NF and SF for each major coronary vessel, expressed as median and interquartile range [ ], according to the CTFC definition of normal and slow flow
Vessel
NF n=10
SF n=20
p
CTFC:
Frames
Frames
LAD
23 [18–26] n=17
44 [36–50] n=13
0.00001
CX
21 [18–28] n=15
41 [35–51] n=15
0.00001
RCA
23 [18–28] n=16
41 [33–51] n=14
0.00001
NF: Normal flow group; SF: Slow flow group; LAD: Left anterior descending artery; CX: Circumflex artery; RCA: Right coronary artery; CTFC: Corrected TIMI frame count criterion for patients with coronary slow flow: at least one major vessel with slow flow; p value (Mann-Whitney U test).
The DM reference value for normal coronary flow time range was 9 [5-10] frames (33 ms each) by applying the correction factor of 1.7 for the LAD; that is, dividing the LAD median DM: 16,9 by 1.7 = 10. Using this criterion, the patient sample was segregated such as NF or SF for LAD, CX or RCA (Table 5), these diagnostic groups were statistically different for the three coronary vessels, showing higher dispersion values for SF than the NF patients (Figure 3).
– Coronary blood flow normal reference values for the three major coronary vessels by the densitometric method in the NF vs SF group, expressed as median [25-75 percentiles], according to the CTFC definition for normal flow. LAD its smoothed by 3 points and corrected by factor 1.7
Vessel
NF
SF
p
LAD, n
Frames-DM
16
10 [7–11]
13
21 [8–33]
0.016
CX, n
Frames-DM
14
9 [4–13]
15
14 [11–30]
0.012
RCA, n
Frames-DM
15
5 [3–11]
14
13 [8–26]
0.009
NF: Normal coronary flow group; SF: Slow coronary flow group; LAD: Left anterior descending artery; CX: Circumflex artery; RCA: Right coronary artery; DM: Densitometric Method; p value (Mann-Whitney U test).
– Densitometric median and interquartile ranges for time in frame counts obtained from the median densitometric measurements of the median washout phase of the NF group. Comparison between NF and SF groups, pre-specified by the CTFC. Differences are statistically significant at LAD (p = 0.016); CX (p = 0.012) and RCA (p = 0.001; Mann-Whitney U test). LAD: Left anterior descending; CX: Circumflex artery; RCA: Right coronary artery; NF: Normal coronary flow group; SF: Slow coronary flow group.
Discussion
When patients suspected of having CAD whose CAG shows no obstructive coronary arteries and apparently have slow coronary blood flow, the TIMI flow grade scale is used to diagnose the slow flow phenomena; but being a semi-quantitative measurement, its precision is low especially for borderline cases. Therefore, the CTFC was developed for a more precise quantification of coronary blood flow. However, an important disadvantage is the overlapping between TIMI flow grade 2 and 3 particularly in post-myocardial infarction reperfusion, in the cardiac syndrome X or myocardial ischemia and no obstructive coronary artery disease (INOCA), microvascular angina and in the slow flow phenomena.1,3,21 Development of new simple and practical methods for coronary blood flow assessment in routine coronary angiography is of utmost importance particularly for the evaluation of cardiac syndrome X and microvascular dysfunction which currently is a hot topic of research due to its prognostic significance.22,23
Detection of coronary blood flow on angiographic images has aroused great interest over the last years trying to combine the CTFC concept with the new methods of FFR estimation from routine coronary angiography using a combination of three-dimensional quantitative coronary analysis (3D-QCA) and complex computational fluid dynamics.6-8 Using CTFC alone is not as practical as it was in the past and the area has grown to incorporate 3D-QCA with flow measurements termed quantitative coronary flow ratio (QFR),6 FFRangio9 and is now set to compete with the likes of computer tomography fractional flow rate CT-FFR.11-24
ImageJ had been used in several medical imaging modalities, however, it has not previously been used for hemodynamic measurements. The present study compares a simple application of this NIH´s supported software with the widely used coronary angiographic CTFC system.
We evaluated standard CAG from patients with cardiac syndrome X (INOCA) using a new digital densitometric method, the ImageJ software, which was able to measure coronary blood flow based on contrast fluid dynamics that passes through major epicardial coronary arteries. This method detected statistically significant differences in coronary blood flow time ranges between NF and SF groups as defined by the CTFC system.
The patient sample showed a higher prevalence of female patients as seen in the literature.3,25-27 According to some studies, patients with coronary slow flow phenomenon have distinct features from patients without angiographic obstructive lesions and with normal flow, they are predominantly male, smokers, and with unstable CAD.21 Here there was a higher tendency for smokers in the SF group, but the other features such as gender and unstable presentation were not different from the NF group, probably because of the sample size and selection process.
Densitometry techniques for coronary blood flow measurements had been tried before without success applying densitometry, restricted to proximal, non-branching coronary arteries with traces perpendicular to the X ray beam, resulting in impractical techniques.4,28
The DM does not rely on distal anatomic landmarks as for the CTFC, making it more practical and precise because that potential intra-observer and inter-observer variability is eliminated from the analysis. A frequent pitfall in the CTFC is determining the initial first frame for counting; this gives a potential bias, because it depends in three somehow subjective criteria: 1. A column of nearly full or fully concentrated dye must extend across the entire width of the origin of the artery; 2. The dye must touch both borders of the artery, and 3. The dye must have antegrade motion,1 this pitfall is not accounted for in the DM. An important advantage of the DM is that it can give a graphical representation, which is very easy to interpret. Using the washout phase of angiographic contrast instead of the filling phase, our study shows that this could be a valid and more reliable approach.
The contrast density relies on several factors, the methodology applied in the present study try to reduce the influence of these factors to the main cause of contrast changes, that is blood flow. Original descriptions for the CTFC method1 minimize the contribution of proposed factors to the final output measurements but centers the discussion to the correlation between coronary flow obstruction and moving contrast imaging. In fact, there was no correlation between the 90-minute CTFC and heart rate, systolic or diastolic blood pressure, right atrial pressure, difference between diastolic arterial blood pressure and right atrial pressure, pulmonary capillary wedge pressure, cardiac output, or cardiac index, even after corrections for infarct-artery location was made.1 Other factors, such as patients with valvular aortic disease, presence of fistulas, vessel abnormal geometry or pathological central venous pressure were excluded in the study. Relevant factors such as microvasculature, myocardial mass and perfusion, are indirect aims of our measurements.
We used the corrected TIMI frame count system based on the contrast dye filling phase of coronary arteries as a comparator because it is the closest validated scale available to compare to CTFC. However, a clear remark should be made about methodological differences between conventional TIMI frame count score and our reported DM measurements. We choose the washout phase of the contrast fluid dynamics and find more stable and constant results for routine clinical coronary angiography than the filling phase, this parameter is methodologically closely related to the filling phase and physiologically more representative as a surrogate of blood flow, as clearly stated in the original CTFC report where the washout of dye may be more independent of the rate of injection and warrants further investigation.1 Our study shows that this could be a valid and more reliable approach.
In the present exploratory study, the normal blood flow reference values for the DM were calculated using only the normal blood flow CAGs by CTFC, and stable patients. The original CTFC study reported normal blood flow values from patients who underwent catheterization with normal appearing blood flow, without specifying the diagnosis or status of the patients, only that they didn’t had myocardial infarct.1 For the comparison between NF and SF we used the whole sample excluding only the patient with NSTEMI as the original CTFC and other studies did.1,21
Limitations: with the DM all the images of the angiogram had to be acquired until the final washout phase according to what should be the standard technique for coronary angiography, otherwise collected data will be insufficient to apply the densitometric analysis. Unfortunately, some operators do not perform the procedure according to the standards of a proper angiographic technique. That is why 45% of the initial intended population was excluded. This was a retrospective study with nonconsecutive patients and many patients were exclude because they did not comply with technical criteria for CAG analysis. Other limitations derive from the use of a non-dedicated generic software that does not allow for contour detection and the restrictions imposed on 2-D images. However, these limitations, also present on conventional CTFC, did not minimize the diagnostic application of the DM described here which was able to detect reliably slow coronary blood flow.
The proposed DM takes about 4 to 8 minutes per patient using a semi-automatized algorithm. This time can be dramatically reduced applying a fully automatized algorithm. We are developing an ImageJ script, making this method faster more practical and friendlier. This newly proposed method could prove to be useful, if validated with a greater sample in a prospective trial in stable patients and other scenarios.
Conclusions
This new approach with the DM showed the feasibility of measuring coronary blood flow with precision, consistency and reproducible in a standard coronary angiogram, showing the additional capability to differentiate between NF and SF in chest pain patients with no coronary obstructions.
Study Association
This article is part of a doctoral thesis in medical sciences submitted by Miguel Lopez-Hidalgo, from Universidad de Carabobo.
Sources of Funding
There were no external funding sources for this study.