三維斑點追蹤成像技術的臨床應用及研究進展

謝 冰，許 迪，姚 靜

(南京醫科大學第一附屬醫院心臟科，江蘇 南京 210029)

1 三維斑點追蹤成像技術的基本概念

三維斑點追蹤成像技術(3-dimensional Speckle Tracking Imaging，3D-STI)是在實時三維超聲心動圖及斑點追蹤技術基礎上發展起來的一項新技術。斑點追蹤技術是通過識別心肌回聲斑點來追蹤心肌的運動軌跡，自動逐幀追蹤感興趣區內心肌組織像素的位置和運動，并與第一幀圖像中的位置相比較，計算整個感興趣區內的心肌的形變，從而從機械力學角度來評價心肌的收縮及舒張運動［1］。既往應用的二維斑點追蹤技術(2-dimensional Speckle Tracking Imaging，2D-STI)是通過識別二維圖像的心肌回聲斑點來追蹤心肌的運動軌跡，無角度依賴性，可從多個方向對心肌節段應變進行評價，在臨床上得到較廣泛的應用［2～4］。心肌的運動是在三維空間的運動，局限于二維平面的回聲斑點跟蹤，不能完全跟蹤斑點運動的空間位置。3D-STI技術通過采集心臟實時三維圖像，從三維空間上追蹤回聲斑點的運動，因此較2D-STI能更準確評價心臟的運動。

2 3D-STI的臨床應用現狀

2.1 左心室壁運動同步性分析 既往臨床研究分析左室壁機械同步性，多采用二維斑點追蹤，但由于僅僅局限于二維平面的追蹤，并不能完全反映心臟在實際三維空間上的變化。Tanaka等［5］首次采用3D-STI從徑向應變角度分析了左室壁運動的不同步性。Li等［6］應用3D-STI分析左心室電學失同步(QRS＞120ms)患者及正常對照組縱向位移的達峰時間，發現前者16節段縱向位移達峰時間標準差明顯大于后者［(117±57)ms vs(34±19)ms，P＜0.001］。Tanaka等［7］用3D-STI技術分析發現，右室起搏的心力衰竭患者與合并左束支傳導阻滯的心力衰竭患者具有左心室收縮失同步程度相似。Thebault等［8］采用3D-STI技術分析了60例接受心臟再同步化治療(CRT)患者的右室起搏及優化雙室起搏狀態，結果發現優化的雙室起搏較右室起搏在左室射血分數、三維縱向應變、三維徑向應變等方面有顯著的升高(P＜0.01)，所有節段的應變不同步指數均具有顯著的下降(P＜0.01)。面積應變，是一個整合了縱向及環周應變的應變指數，與徑向應變成反比例，能反映心內膜面積的變化率，在兩種起搏狀態下也有顯著差異，優化的雙室起搏狀態較右室起搏顯著升高(14.2±4.8%對11.5±5.0%)，不同步指數顯著下降［(12.2±5.1)%對(9.5±4.5)］%。Tatsumi等［9］選取了15名符合條件植入CRT的患者［射血分數(27±7)%，QRS間期(172±30)ms］，在植入前及術后6個月分別采集超聲心動圖圖像。面積應變不同步指數(ASDI)，是反映峰值收縮面積應變與收縮末面積應變差值的指標。研究發現，ASDI≥3.8%是提示患者術后對CRT良好反映的指標，這個應用三維斑點追蹤顯像的最新參數可以顯示環向及縱向的不同步性及殘余心內膜的收縮性，對于了解CRT病人的預后具有很好的參考價值。

2.2 定量評價左心室容積和功能 心功能是診斷心力衰竭患者不可缺少的指標，心臟核磁共振(CMR)是評價心功能的影像學金指標，但因其價格昂貴以及部分患者(如起搏器植入、心臟瓣膜置換)無法進行檢查而限制了其臨床應用。超聲心動圖因其簡便、無創、廉價、患者易于接受等有利條件而成為臨床評價心功能的首選指標。

Nesser等［10］以CMR為對照，分別采用3D-STI、2D-STI觀察左心室收縮末和舒張末的容積變化，評價左心室的功能。結果發現2D-STI雖然與CMR有較好的相關性(r=0.72～0.88)，但是因其有相對較大的偏差(10～30 ml)和較寬的一致性范圍(SD:36～51 ml)可低估左室的容積;而3D-STI的測量結果不僅與CMR有更好的相關性(r=0.87～0.92)，且偏差小(1～16 ml)及一致性范圍較窄(SD:28～37 ml)。除此之外，3D-STE結果較2D-STE組間和組內差異小。因此3D-STI較2D-STI能更準確、重復性更好地評價左室的容積和射血分數，且它能夠應用于在CMR無法完成的場所，如心導管室及手術室內及時的對心功能進行很好的評估［11］。覃小娟等［12］應用3D-STI分析慢性心力衰竭(CHF)患者左心室整體縱向、環向、徑向收縮期應變的特征，發現CHF患者左心室射血分數、左心室整體縱向收縮期峰值應變(GLS)、左心室整體環向收縮期峰值應變(GCS)、左心室整體徑向收縮期峰值應變(GRS)均較正常對照組減低(P＜0.05)，且左室GLS、GCS、GRS與左室射血分數具有很好的相關性(P＜0.01)

2.3 局部心肌節段的功能及形變 左心室局部室壁運動分析一直是心臟超聲研究的熱點之一，在各種類型心臟疾病診斷治療中具有很重要的作用。常用的評價局部心肌節段功能的方法有:組織多普勒技術(TDI)、速度向量成像技術(VVI)、2D-STI等。3D-STI技術因其自身優勢，對局部心肌節段功能評估價值估于上述技術。Seo等［13］將聲納微測量晶片置于麻醉羊心臟的左室短軸基底段、中間段及心尖段的前壁及側壁，比較了3D-STI與聲納微測量法兩種方法測量基礎狀態、多巴胺及普奈洛爾負荷實驗、急性心肌缺血三種狀態下的心肌縱向、徑向及環向應變。發現兩者具有很好的相關性(LS:r=0.89，P＜0.001;RS:r=0.84，P＜0.001;CS:r=0. 90，P＜0.001)，而且在不同狀態(基礎狀態、藥物負荷試驗狀態、急性心肌缺血狀態)下，應變的三個組成部分也具有很好的相關性(LS:r=0.65～0.68，P＜0.001;RS:r=0.59～0.70，P＜0.001;CS:r=0.71～0.78，P＜0.001)。3D-STI能夠很好的評估在藥物負荷試驗及急性心肌缺血狀態下局部心肌收縮性的改變，但是在這項研究中，僅僅只分析了左室前壁及側壁的縱向及徑向應變，左室前壁的環向應變，并沒有對其他節段進行評估。Crosby等［14］應用該項技術對局部心肌功能的研究中表明，3D-STI技術能準確識別存在局部收縮功能障礙的心肌。

2.4 評價左室旋轉及扭轉運動 左室的旋轉運動是由收縮期左室的扭轉和舒張期左室的解扭轉構成。從整體上觀察(心尖向心底方向)，收縮期左室基底部順時針旋轉，心尖部逆時針旋轉，扭轉定義為心尖部相對于基底部的旋轉，即心尖部和基底部的旋轉角度絕對值之和。左室的解扭轉主要發生在等容舒張期，其迅速的彈性回縮釋放了扭轉時儲存的彈性勢能，使舒張期心室內的壓力梯度和心房心室間的壓力梯度增加，造成抽吸作用，從而引起左室早期充盈［15］。Andrade等［16］應用2D-STI及3D-STI技術，比較二者在健康志愿者中左室扭轉角度測量中的差異，發現3D-STI測量的收縮期峰值扭轉角度小于2D-STI測量值，但是二者收縮期扭轉角度達峰時間并沒有顯著差異。Zhou等［17］利用一個可以控制速度的旋轉模型，可以使心臟旋轉不同的角度。將新鮮獲得的豬心固定于這個旋轉模型上，心底部可旋轉，心尖部固定，在0°、15°、20°、25°分別獲取三維全容積圖像，利用3D-STI分析左室基底、中間及心尖部三個水平上的旋轉，發現隨著心臟整體扭轉角度的增加，左室基底部及中間部較心尖部扭轉角度增加的多一些，且三個水平的整體旋轉角度與心臟的整體扭轉相關性較好。

2.5 不同心臟起搏狀態對心臟功能的影響 不同心臟起搏方式的人工電信號傳導通路與左室壁機械運動同步性密切相關，不恰當的人工心臟起搏方式將導致醫源性心臟結構及功能損傷。陸景等［18］應用3D-STI技術評價不同心臟起搏位點對健康犬左室機械同步性和左心室功能的影響。分別采集了10只健康開胸比格犬基礎狀態和右室心尖、左室心尖、左室側壁起搏狀態下1個完整心動周期的左心室實時三維全容積圖像，利用分析軟件分別提取不同狀態左室壁收縮期徑向應變峰值及左室收縮末期容積、舒張末期容積、射血分數、心輸出量等相關參數進行分析，發現左室心尖或側壁起搏狀態左室壁各節段心肌的徑向應變不同步程度較右室心尖起搏狀態明顯，左室心尖或側壁起搏狀態左室壁徑向應變峰值顯著減低的心肌節段數多于右室心尖起搏狀態，左室心尖或側壁起搏狀態左室壁整體徑向應變峰值、左室射血分數、心輸出量均低于右室心尖起搏狀態，不同起搏狀態下左室壁整體徑向應變峰值分別與左室每搏量、射血分數、心輸出量呈線性正相關(r=0.781～0.984，P＜0.05)。左室心尖或側壁起搏狀態對健康犬左心室壁機械同步性、左心室節段和整體收縮功能的損害較右室心尖起搏狀態顯著。

此外，陸景等［19］評價了心室單點雙極起搏對急性心肌缺血犬左心室壁心肌力學和左心室功能的影響。分別采集基礎狀態、急性心肌缺血狀態和缺血后右心室心尖、左心室心尖、左心室側壁單點雙極起搏狀態一個完整心動周期的左心室實時三維全容積圖像。發現急性心肌缺血后心室起搏狀態左心室壁機械運動不同步程度較基礎狀態和急性心肌缺血狀態明顯，應用3D-STI研究發現心室單點雙極起搏能夠增強心肌缺血狀態下左心室壁心肌收縮力，但同時導致左心室壁機械性運動不同步程度加重，不能有效改善因急性心肌缺血受損的左心室整體功能。

2.6 個案病例分析 3D-STI技術也可用來評價特殊心臟疾病的預后情況。Baccouche等［20］報道了應用該技術評價Tako-Tsubo心肌病的臨床轉歸過程。本病例是一位79歲的老年女性，采集實時三維圖像，二維圖像上基底部運動增強及心尖部的反向運動，利用3D-STI分析發現，數字化的徑向應變曲線說明基底部運動增強及心尖部的反向運動。6周之后復查，發現患者的收縮功能較前好轉。說明三維斑點追蹤可以作為一種快速準去的評價Tako-Tsubo心肌病室壁運動異常的技術。

3 3D-STI的局限性

3D-STI是一項無創性定量評價局部心肌運動及功能的新技術。基于實時三維全容積超聲心動圖的3D-STI可以同步顯示左室壁不同節段在三維方向的運動和形變，克服了2D-STI“跨平面失追蹤”的局限性，是評價左心室壁機械運動同步性及左心室功能的有力工具［14，21］。

3D-STI雖然能更好的反映心臟在三維空間上的運動，但是由于現階段技術發展的限制，這項技術仍有一定的不足之處。主要表現在以下幾個方面:①該技術是在拼接的全容積圖像上進行追蹤，當有心率不齊時，會出現拼接錯位而影響分析結果，新近出現的單心動周期全容積成像技術可克服上述缺點;②現階段三維斑點追蹤幀頻相對較小，而在數據分析時幀頻越高，圖像質量越好，則數據準確性越高;③不管是二維還是三維斑點追蹤，都需要手動追蹤或調整心內膜邊界，因此具有一定的主觀性，且對操作者的經驗有一定依賴性;④目前應用于臨床的大部分超聲診斷儀三維全容積最大取樣角度是60°，當左心室顯著增大時，無法采集完整的左心室，從而限制了該技術在左心室增大的患者中的應用［12］。隨著科技的迅速發展，實時三維全容積成像技術時間、空間分辨力的提高，3D-STI將成為臨床無創準確評價心臟功能的可靠方法。

4 3D-STI的發展前景

綜上所述，3D-STI技術是一種新發展的超聲定量分析技術，可以對左室容積和功能進行客觀評價，是一個完善左室功能評估標準化的最新方法，能為各種心臟疾病的診斷治療提供重要的信息，有很好的應用價值。利用3D-STI技術在同一個心動周期分析左室功能，可以同時分析三個方向的應變，是一個簡單、方便、簡潔、可重復性的評價左室同步性的方法，較二維能更快速、綜合的評價可以評估心肌各節段達收縮最大峰值位移的離散程度，這些信息不僅有利于優化已安裝CRT患者的各項參數指標，同時也可以選擇最適合接受CRT的人群，使其最大程度獲益。3D-STI技術能識別局部運動異常的心肌，利用此項技術可以評估冠心病已有節段室壁運動障礙的患者接受治療后心肌運動的恢復情況。除此之外，因超聲心動圖簡便可行，所以較CMR有更廣泛的臨床應用價值，比如在心導管室及手術室中，CMR使用條件有限，無法快速得到所需結果。3DSTI技術可以更直接快速的分析，對左室功能有著最直接的反饋，不需要離線分析，能在術中快速提供所需結果。但是因為其未大規模臨床應用，且三維超聲心動圖時間及空間分辨力還有待于進一步提高，所以3D-STI有待進一步的發展，相信在不久的將來可以有更廣泛的臨床應用價值。

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