Die Bedeutung KI-basierter Analyse fraktioneller Flussreserven computertomografisch nachgewiesener Coronararterienstenosen im Hinblick auf deren hämodynamische Relevanz

Keywords

hemodynamics/flow dynamics - angiocardiography - heart

Einleitung

Die koronare Herzkrankheit (KHK) zählt zu den häufigsten Todesursachen der Gruppe kardiovaskulärer Todesfälle, im Jahr 2020 war sie die häufigste Todesursache in Deutschland überhaupt [1] [2]. Die technische Weiterentwicklung der Computertomografie des Herzens [3] [4] [5] insbesondere der letzten 10 Jahre hat dazu geführt, dass diese den invasiven Linksherzkatheter mit seinen für die Patienten erhöhten gesundheitlichen Risiken [6] [7] [8] als anerkannten Goldstandard zur Evaluation vorliegender Coronararterienstenosen befundabhängig abgelöst und gemäß aktueller Leitlinien nun eine Klasse-1-Empfehlung bei Patienten mit unklaren Brustschmerzen und Verdacht auf eine stabile KHK in Abhängigkeit der Vortestwahrscheinlichkeit (15–50 %) für eine stenosierende KHK erlangt hat [9]. Obwohl die cCTA als morphologisches Verfahren an sich einen hohen negativ-prädiktiven Wert von 97–99 % [10] aufweist, ergeben sich Einschränkungen in der Beurteilbarkeit des physiologischen Aspektes, nämlich bezüglich der Frage, ob die CT-morphologisch abgebildete Koronararterienstenose überhaupt von klinischer Relevanz ist, also eine Ischämie aufweist, und wenn ja, in welchem Ausmaß. Um die funktionelle Relevanz der CT-grafisch beschriebenen Stenosen mit der sich daraus ableitenden weiterführenden Therapie mit allen für den Patienten belastenden und einschränkenden Konsequenzen und auch dem sich daraus ergebenden wirtschaftlichen Aspekt besser einschätzen zu können, bietet sich das Verfahren der Bestimmung fraktioneller Flussreserven (FFR) an. Dieses kann nun auch KI-basiert als nicht-invasives Verfahren (FFR_ct) durchgeführt werden [11]. Mit Hilfe dieses Verfahrens kann die Spezifität der alleinigen cCTA erhöht werden und trägt so in der Gesamtschau mit den klinischen Aspekten sowie der anatomisch-morphologischen Befunde der cCTA entscheidend zur Evaluation der Relevanz von Stenosen, nämlich der eigentlichen Ischämie und damit zum therapieentscheidenden Kriterium, bei [12]. Der Verzicht auf einen initialen Herzkatheter zugunsten der cCTA birgt dabei kein erhöhtes Risiko für MACE (Major adverse cardiac events) bei gleichzeitig niedrigerem Risiko für prozedurale Majorkomplikationen [13]. Entsprechende Studien aus dem amerikanischen Raum liegen bereits vor, sodass die FFR_ct bereits Bestandteil amerikanischer Leitlinien ist [14] und in den ESC-Guidelines zumindest erwähnt wird [15].

Ziel unserer Arbeit war es, anhand retrospektiver KI-basierter Analyse der fraktionellen Flussreserve basierend auf Volumen- Computertomografien des Herzens, die Möglichkeit zu untersuchen, CT-morphologisch gesicherte Koronararterienstenosen von Patienten mit stabiler KHK im Bereich von Stenosegraden zwischen 40–90 % unter Hinzunahme von FFR_ct im Hinblick auf deren hämodynamische Relevanz einschätzen zu können, um Anhand ihrer Einordnung mögliche zusätzliche unmittelbare (invasive) Untersuchungen vermeiden und das sich anschließende therapeutische Prozedere anpassen und optimieren zu können.

Material und Methoden

Patientenkollektiv

Das Patientenkollektiv unserer retrospektiven Analyse umfasst die pseudonymisierten Daten von 63 Patienten in unserem Krankenhaus am Standort Köln, darunter 13 Frauen (20,6 %) und 50 Männer (79,4 %), bei denen im Zeitraum von März bis Oktober 2022 eine FFR_ct durchgeführt worden war. Die Indikation hierzu war entsprechend der Klasse-2a-Empfehlung der amerikanischen Leitlinien (2021 AHA/ACC Chest Pain Guideline [9]) gestellt worden für Patienten, bei denen im Rahmen der Abklärung unklarer Brustschmerzen und Verdacht auf eine stabile KHK mittels cCTA mindestens an einer der drei großen Koronararterien LAD, CX oder RCA eine mittel- bis höhergradige (40–90 %) Stenose detektiert worden war, wobei wir die Stenosegrade analog zur Einteilungsempfehlung der AHA nach 0 = keine Stenose (< 25 %), 1 = leichtgradige Stenose (25–50 %), 2 = mittelgradige Stenose (50–75 %), 3 = hochgradige Stenose (75–90 % und > 90 %) und 4 = kompletter Gefäßverschluss (100 %) einteilten. Patienten mit Hinweis auf eine instabile Angina oder ein akutes Koronarsyndrom wurden ausgeschlossen und leitlinienkonform zum Krankheitsbild [9] weiterbehandelt. Da es sich bei der FFR_ct wie auch bei der Herz-CT im Rahmen der Diagnostik bei stabiler KHK (noch) um keine Kassenleistung handelt, umfasst unser Patientenkollektiv nur Selbstzahler und Privatpatienten.

Der Computertomograf

Die cCTA-Datensätze wurden gemäß klinischer Routine mit DLIR (TrueFidelity.GE Healthcare) auf hohen (DLIR-H) Niveaus (unter Verwendung von HD-kennels) rekonstruiert. Die Scanparameter waren wie folgt: 100 kVp Röhrenspannung, ein Rauschindex von 37,8, eine 256 × 0,625 mm große Detektorkollimation mit dynamischer Brennfleckbildgebung und eine Gantry-Rotationszeit von 230 ms. Das Protokoll der KM-Gabe wurde wie folgt durchgeführt: 70 ml KM mit einem Flow von 6 ml/s, gefolgt von 40 ml NaCl mit einem Flow von 3,5 ml/s.

Die Software

Die Technologie zur Gewinnung der FFR_ct wurde über die Firma HeartFlow aus Mountain View, Californien, bereitgestellt, die auf dem neuesten Stand der KI-Technik im Bereich Bildanalyse arbeitet. Unter Bezugnahme auf die multizentrische Studie von Nørgaard et al. von 2014 [12], bei der die aus der cCTA gewonnenen Berechnungen der FFR als FFR_ct mit der als Referenzstandard herangezogenen invasiven FFR verglichen wurden, gibt der Hersteller für seine Berechnungen der FFR_ct eine Genauigkeit von 86 % an [11]. Der Ablauf ist standardisiert. Anhand vorbeschriebener Algorithmen wird ein digitales individuelles Modell der Koronararterien des jeweiligen Patienten erstellt, das dann von entsprechend ausgebildeten Analysten überprüft und ggf. überarbeitet wird. Als Endergebnis erhält man ein farbiges digitales 3-D-Modell der Koronarien, anhand dessen die Relevanz von Stenosen durch die Einschränkungen des Blutflusses sichtbar gemacht wird.

Ein FFR-Wert < 0,75 deutet laut Studienlage verlässlich auf eine hämodynamisch relevante Stenose hin, während ein Wert > 0,8 eine relevante Stenose ausschließt [16]. Etabliert hat sich ein Cut-off-Wert von 0,8. Dies gilt sowohl für die invasive Messung wie auch für die KI-basierte Bestimmung: Bei gleichen Referenzwerten findet die Druckmessung 2 cm distal der vorbeschriebenen Läsion statt, basierend auf KI-nutzender Technik, die es erlaubt, aus der cCTA den physiologischen Aspekt und damit den koronaren Blutfluss in den Gefäßen zu simulieren [17].

Statistische Verfahren

Die statistischen Auswertungen erfolgten mittels IBM-SPSS-Software Version 29.0. Kategoriale Variablen wurden als relative und absolute Häufigkeiten dargestellt, ordinale und schief verteilte numerische Variablen in Form von Quartilen. Die unabhängigen Subgruppen dieser Variablen wurden mit einem Mann-Whitney-U-Test verglichen. Um den Zusammenhang ordinaler mit metrischen Variablen darzustellen, erfolgte die Berechnung mittels einer nichtparametrischen Korrelation nach Spearman. Normalverteilte metrische Variablen wurden als Mittelwert ± Standardabweichung angezeigt. Mittels t-Test für unabhängige Stichproben wurden je 2 Gruppen intervallskalierter Variablen auf Mittelwertunterschiede getestet. Um den Zusammenhang metrischer Variablen zu untersuchen, wurde die Korrelation nach Pearson angewendet. Ein p-Wert ˂ 5 % (0,05) gilt als signifikant, ein p-Wert von 1 % (0,01) und kleiner wird als hochsignifikant betrachtet.

Ergebnisse

Wir untersuchten 63 Patienten, darunter 13 Frauen (20,6 %) und 50 Männer (79,4 %). Das durchschnittliche Alter der Patienten betrug 70 Jahre mit einer Standardabweichung von 8,8 Jahren. Die Männer waren mit 70,5 Jahren im Median [63–77] deskriptiv jünger als die Frauen, deren Altersdurchschnitt bei 76 Jahren lag [63,5–78,0]. Mit einem medianen BMI von 26,3 [24,1–27,8] waren die männlichen Patienten signifikant schwerer (p < 0,001), und auch die Analyse des Kalkscores zeigte eine Signifikanz hinsichtlich der Geschlechterverteilung. Der Kalkscore war bei Männern signifikant höher (p = 0,041). Zusammengefasst dargestellt sind die demografischen Daten in [Tab. 1].

Tab. 1 Demografie und Risikofaktoren der Patienten.

	Männer (n = 50)	Frauen (n = 13)	Gesamt (n = 63)
Alter	70,5 [63,0–77,0]	76,0 [63,5–78,0]	71 [63–77]
BMI	26,8 [25,3–28,1]	22,7 [22,4–24,9]	26,3 [24,1–27,8]
Kalkscore	440 [163–982]	130 [65–521]	389 [108–827]

Männer hatten im Vergleich zu Frauen deskriptiv häufiger mindestens mittelgradige Stenosen (≥ 50 %), und das an allen drei Gefäßen. Die in der cCTA gefundenen Stenosegrade der Koronararterien und der maximale Grad im Geschlechtervergleich sind in [Tab. 2] nach dem Chi-Quadrat-Test aufgeführt.

Tab. 2 Stenosegrade in der cCTA unterteilt nach Geschlecht.

Stenosegrad cCTA		f	m	total
LAD
	0 (< 25 %)	0 (0 %)	3 (6,0 %)	3 (4,8 %)
	1 (25–50 %	4 (30,8 %)	15 (30,0 %)	19 (30,2 %)
	2 (50–75 %)	8 (61,5 %)	15 (30,0 %)	23 (36,5 %)
	3 (75–90 % und > 90 %)	1 (7,7 %)	16 (32,0 %)	17 (27,0 %)
	4 (100 %)	0 (0 %)	1 (2,0 %)	1 (1,6 %)
CX
	0 (< 25 %)	7 (46,2 %)	14 (29,2 %)	20 (32,8 %)
	1 (25–50 %)	6 (46,2 %)	13 (27,1 %)	19 (31,1 %)
	2 (50–75 %)	1 (7,7 %)	13 (27,1 %)	14 (23,0 %)
	3 (75–90 % und > 90 %)	0 (%)	8 (16,7 %)	8 (13,1 %)
	4 (100 %)	0 (0 %)	0 (0 %)	0 (0 %)
RCA
	0 (< 25 %)	8 (61,5 %)	18 (36,0 %)	26 (41,3 %)
	1 (25–50 %)	0 (0 %)	11 (22,0 %)	11 (17,5 %)
	2 (50–75 %)	4 (30,8 %)	16 (32,0 %)	20 (31,7 %)
	3 (75–90 % und > 90 %)	1 (7,7 %)	5 (10,0 %)	6 (9,5 %)
	4 (100 %)	0 (0 %)	0 (0 %)	0 (0 %)
MaxCoro
	0 (< 25 %)	0 (0 %)	2 (4,0 %)	2 (3,2 %)
	1 (25–50 %)	3 (23,1 %)	8 (16,0 %)	11 (17,5 %)
	2 (50–75 %)	8 (61,5 %)	19 (38,0 %)	27 (42,9 %)
	3 (75–90 % und > 90 %)	2 (15,4 %)	20 (40,0 %)	22 (34,9 %)
	4 (100 %)	0 (0 %)	1 (2,0 %)	1 (1,6 %)

Die in der cCTA beschriebenen Stenosen der LAD und der CX waren bei den Männern deskriptiv hochgradiger als bei den Frauen, jedoch nicht signifikant.

Auch die fraktionelle Flussreserve in der FFR_ct war bei den weiblichen Patienten durchschnittlich höher, wie der Mann-Whitney-U-Test zeigt. Hier fand sich der signifikante Unterschied nicht nur in der CX (p = 0,002), sondern auch in der LAD (p = 0,005), und ebenso bei MinFFR_ct (p = 0,021), [Tab. 3].

Tab. 3 Mittlere Flussreserve bei Koronargefäßen im Geschlechtervergleich.

Arterie	Geschlecht	N	Mittelwert	SD
LAD (FFR CT)	weiblich	13	0,84	0,07
	männlich	50	0,76	0,14
CX (FFR CT)	weiblich	13	0,92	0,06
	männlich	50	0,85	0,09
RCA (FFR CT)	weiblich	13	0,89	0,07
	männlich	49	0,88	0,09
MinFFR	weiblich	13	0,82	0,07
	männlich	50	0,75	0,14

Des Weiteren fand sich in der nichtparametrischen Korrelation nach Spearman eine hochsignifikante positive Korrelation zwischen der Ausprägung der Stenosegrade und dem jeweiligen Kalkscore ([Tab. 4]).

Tab. 4 Zusammenhang der Stenosegrade und dem Kalkscore in der Korrelation nach Spearman.

CT Kalkscore	LAD (CTA)	CX (CTA)	RCA (CTA)	MaxCoro (CTA)
Korrelationskoeffizient ρ	0,348[**]	0,599[**]	0,566[**]	0,388[**]
Sig. (2-seitig)	0,005	0,000	0,000	0,002

^** signifikant auf dem Niveau von 1 %.

Die Korrelationskoeffizienten zeigten einen negativen mittelstarken hochsignifikanten Zusammenhang der Werte der FFR_ct mit den Werten der jeweiligen Stenosegrade der cCTA, was bedeutet, dass die FFR_ct die Ergebnisse der cCTA grundsätzlich gut widerspiegelt ([Tab. 5]).

Tab. 5 Zusammenhang cCTA und FFR_ct.

		LAD (FFR CT)	CX (FFR CT)	RCA (FFR CT)	MinFFR (Minimum der FFRct-Werte)
LAD (CoroCT)	Korrelationskoeffizient	–0,542[**]	–0,394[**]	–0,394[**]	–0,540[**]
	Sig. (2-seitig)	0,000	0,001	0,002	0,000
CX (CoroCT)	Korrelationskoeffizient	–0,399[**]	–0,540[**]	–0,511[**]	–0,572[**]
	Sig. (2-seitig)	0,001	0,000	0,000	0,000
RCA (CoroCT)	Korrelationskoeffizient	–0,102	–0,274*	–0,604[**]	–0,344[**]
	Sig. (2-seitig)	0,428	0,030	0,000	0,006
MaxCoro (Maximum der CoroCT-Werte)	Korrelationskoeffizient	–0,433[**]	–0,530[**]	–0,615[**]	–0,596[**]
	Sig. (2-seitig)	0,000	0,000	0,000	0,000

^** signifikant auf dem Niveau von 1 %.

Die in der cCTA gefundenen Stenosegrade zeigten in der FFR_ct für die einzelnen Koronargefäße folgende hämodynamische Relevanz ([Tab. 6]):

Tab. 6 Hämodynamische Relevanz der Stenosegrade nach cCTA je Koronargefäß.

Stenosegrade cCTA		FFRct > 0,8 (hämodynamisch nicht-relevant)	FFRct ≤ 0,8 (hämodynamisch relevant)
LAD
	0 (< 25 %)	3 (100 %)	0 (0 %)
	1 (25–50 %)	17 (89,5 %)	2 (10,5 %)
	2 (50–75 %)	15 (65,2 %)	8 (34,8 %)
	3 (75–90 % und > 90 %)	5 (29,4 %)	12 (70,6 %)
	4 (100 %)	0 (0 %)	1 (100 %)
CX
	0 (< 25 %)	20 (100 %)	0 (0 %)
	1 (25–50 %)	19 (100 %)	0 (0 %)
	2 (50–75 %)	10 (71,4 %)	4 (28,6 %)
	3 (75–90 % und > 90 %)	4 (50,0 %)	4 (50,0 %)
	4 (100 %)	0 (0 %)	0 (0 %)
RCA
	0 (< 25 %)	26 (100 %)	0 (0 %)
	1 (25–50 %)	11 (100 %)	0 (0 %)
	2 (50–75 %)	17 (85,0 %)	3 (15,0 %)
	3 (75–90 % und > 90 %)	2 (33,3 %)	4 (66,7 %)
	4 (100 %)	0 (0 %)	0 (0 %)

Bei der LAD zeigten sich 65,2 % der in der cCTA beschriebenen mittelgradigen Stenosen (Grad 2) in der FFR_ct als hämodynamisch nicht relevant, in den als hochgradig vorbeschriebenen Stenosen (Grad 3) waren es 29,4 % ([Abb. 1]). Die [Abb. 1], [2], [3] veranschaulichen den Anteil der mittels FFR_ct als hämodynamisch relevant oder nicht-relevant eingestuften Stenosen der jeweiligen Stenosegrade nach cCTA.

Abb. 1 Stenosegrade und hämodynamische Relevanz der fraktionellen Flussreserve im Ramus interventrikularis anterior (left anterior descending, LAD).

Abb. 2 Stenosegrade und hämodynamische Relevanz der fraktionellen Flussreserve im Ramus circumflexus (CX).

Abb. 3 Stenosegrade und hämodynamische Relevanz der fraktionellen Flussreserve in der Arteria coronaria dextra (right coronary artery, RCA).

In der CX fand sich bei 28,6 % der Patienten mit mittelgradigen Stenosen eine hämodynamische Relevanz, während diese bei 71,4 % ausgeschlossen wurde. Bei den hochgradigen Stenosen zeigten sich 50 % hämodynamisch relevant, bei den anderen 50 % konnte eine hämodynamische Relevanz ausgeschlossen werden ([Abb. 2]).

Auch bei der RCA stimmte die Beurteilung der mittels cCTA beschriebenen Stenosegrade 0 (nicht stenosiert) und 1 (leichtgradige Stenose) überein, und eine hämodynamische Relevanz wurde jeweils ausgeschlossen. Bei den mittelgradigen Stenosen zeigten sich in der FFR_ct 85 % als nicht-relevant und 15 % als hämodynamisch relevant. Bei den hochgradigen Stenosen wurde bei 33,3 % keine hämodynamische Relevanz nachgewiesen ([Abb. 3]).

Exemplarisch ist die invasive Bestätigung bei nicht nachgewiesener Stenose in [Abb. 4] sowie nachgewiesener Stenose in [Abb. 5] dargestellt.

Abb. 4 Invasive Bestätigung des Ergebnisses der FFRct durch invasive FFR am Beispiel einer nicht-relevanten Koronararterienstenose.

Abb. 5 Invasive Bestätigung des Ergebnisses der FFRct durch invasive FFR am Beispiel einer relevanten Koronararterienstenose.

Schlussfolgerung

In unserer Arbeit konnte nachgewiesen werden, dass die Werte der FFR_cr hochsignifikant mit denen der cCTA korrelieren, die FFR_ct also die Ergebnisse der cCTA grundsätzlich gut widerspiegelt.

Weiterhin wurde nachgewiesen, dass gefäßabhängig in gut einem Drittel aller computertomografisch als hochgradig beschriebenen Stenosen die Beurteilung der hämodynamischen Relevanz durch FFR_ct vom Schweregrad der in der cCTA diagnostizierten Stenose abwich. Diese Abweichungen waren für alle 3 Gefäße am größten im Bereich der mittel- bis hochgradigen Stenosen, während die Ergebnisse in den Randbereichen „keine Stenose/Gefäßverschluss“ jeweils zu 100 % übereinstimmten.

Die vorliegenden Zahlen veranschaulichen, dass die durch die Studienlage [13] [18] [19] entsprechend in der Literatur als validierte Methode angesehene FFR_ct als Ergänzung zur cCTA gemäß den nationalen und internationalen Leitlinien für die Therapie der KHK einen entscheidenden Beitrag zur weiteren Therapieplanung leisten kann.

Diskussion

Die rasanten technischen Weiterentwicklungen insbesondere der letzten 10–15 Jahre erforderten ein Umdenken gerade auch in der Diagnostik der KHK. Parallel zu den Möglichkeiten, die die Einführung der Volumen-Computertomografie boten [20], änderten sich mit der Zeit auch die Empfehlungen der Leitlinien, national wie international [9] [14] [15]. Auf Basis von Studienergebnissen bei entsprechender Datenlage wechselten die Empfehlungen in der Diagnostik von Patienten mit unklaren Brustschmerzen und dem Verdacht auf eine stabile KHK bei niedriger bis mittlerer Vortestwahrscheinlichkeit langsam, aber stetig. Mit einer Sensitivität von 93 % und einer Spezifität von 86 % [21] hat sich die Herz-CT auch aufgrund der zunehmend geringeren Strahlenbelastung [4] als echte Alternative zur Herzkatheteruntersuchung entwickelt. Als rein morphologisches Verfahren fehlt ihr jedoch der physiologische Aspekt, also die Beurteilung der eigentlichen hämodynamischen Relevanz einer detektierten Stenose. Hier rückte die FFR_ct als nicht-invasives Verfahren zur KI-basierten Bestimmung der hämodynamischen Relevanz immer mehr in den Fokus. Durch Berechnung der fraktionellen Flussreserve aus den erhobenen Daten der Herz-CT kann sie die hämodynamische Relevanz einer Stenose nachweisen und in Folge entsprechend den Leitlinienempfehlungen entscheidend zur weiteren Therapieplanung beitragen.

Auch wenn der einstige Goldstandard, die Herzkatheteruntersuchung, in der Nationalen Versorgungsleitlinie der Chronischen KHK als invasives Verfahren nur noch eine Empfehlung im therapeutischen, nicht mehr im diagnostischen Bereich findet [5], ist bis jetzt nur der Herzkatheter eine Kassenleistung. Die Herz-CT nicht. Dabei besteht auf medizinisch-fachlicher Ebene breiter Konsens, und sowohl der Zugang zu High-End-Geräten als auch die Gewährleistung der erforderlichen fachlichen Expertise durch in diesem Fachgebiet qualifizierte Radiologen und Kardiologen ist deutschlandweit mittlerweile flächendeckend sichergestellt [22].

Die breite Studienlage [13] [18] [19] hat schließlich dazu geführt, dass die FFR_ct in den amerikanischen Leitlinien von 2021 bereits eine Klasse-2a-Empfehlung in der Diagnostik von Patienten mit unklaren Brustschmerzen und dem Verdacht auf eine stabile KHK erhalten hat, und in den Europäischen Leitlinien von 2019 immerhin bereits erwähnt wird. In der Nationalen Versorgungsleitlinie von 2022 gibt es (noch) keine Empfehlung [9] [14] [15].

Die Ergebnisse unserer Arbeit zeigen vor dem Hintergrund der Studienlage [13] [18] [19] und der jeweiligen Leitlinienempfehlungen [9] [14] [15] den Nutzen einer Kombination von cCTA und FFR_ct, und somit die Optimierung der Befunde durch Ergänzung des morphologischen um den physiologischen Aspekt, um in der Diagnostik unklarer Brustschmerzen und dem V. a. eine stabile KHK bei einer Vortestwahrscheinlichkeit von 15–50 % auf unnötige invasive, risikobehaftete und kostenintensive Verfahren verzichten und trotzdem eine hohe Sensitivität als auch Spezifität erreichen zu können bei gleichzeitig nachgewiesen nicht erhöhtem Risiko für die Patienten [13] [23] [24] [25].

Die abschließende Beurteilung dieser auf höchstem Qualitätsniveau erhobenen Befunde obliegt qualifizierten Fachärzten aus dem Bereich Radiologie und Kardiologie, die im interdisziplinären Konsens für jeden Patienten individuell das weitere Procedere festlegen.

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