三维斑点追踪成像技术的临床应用及研究进展

谢 冰，许 迪，姚 静

(南京医科大学第一附属医院心脏科，江苏 南京 210029)

1 三维斑点追踪成像技术的基本概念

三维斑点追踪成像技术(3-dimensional Speckle Tracking Imaging，3D-STI)是在实时三维超声心动图及斑点追踪技术基础上发展起来的一项新技术。斑点追踪技术是通过识别心肌回声斑点来追踪心肌的运动轨迹，自动逐帧追踪感兴趣区内心肌组织像素的位置和运动，并与第一帧图像中的位置相比较，计算整个感兴趣区内的心肌的形变，从而从机械力学角度来评价心肌的收缩及舒张运动［1］。既往应用的二维斑点追踪技术(2-dimensional Speckle Tracking Imaging，2D-STI)是通过识别二维图像的心肌回声斑点来追踪心肌的运动轨迹，无角度依赖性，可从多个方向对心肌节段应变进行评价，在临床上得到较广泛的应用［2～4］。心肌的运动是在三维空间的运动，局限于二维平面的回声斑点跟踪，不能完全跟踪斑点运动的空间位置。3D-STI技术通过采集心脏实时三维图像，从三维空间上追踪回声斑点的运动，因此较2D-STI能更准确评价心脏的运动。

2 3D-STI的临床应用现状

2.1 左心室壁运动同步性分析 既往临床研究分析左室壁机械同步性，多采用二维斑点追踪，但由于仅仅局限于二维平面的追踪，并不能完全反映心脏在实际三维空间上的变化。Tanaka等［5］首次采用3D-STI从径向应变角度分析了左室壁运动的不同步性。Li等［6］应用3D-STI分析左心室电学失同步(QRS＞120ms)患者及正常对照组纵向位移的达峰时间，发现前者16节段纵向位移达峰时间标准差明显大于后者［(117±57)ms vs(34±19)ms，P＜0.001］。Tanaka等［7］用3D-STI技术分析发现，右室起搏的心力衰竭患者与合并左束支传导阻滞的心力衰竭患者具有左心室收缩失同步程度相似。Thebault等［8］采用3D-STI技术分析了60例接受心脏再同步化治疗(CRT)患者的右室起搏及优化双室起搏状态，结果发现优化的双室起搏较右室起搏在左室射血分数、三维纵向应变、三维径向应变等方面有显著的升高(P＜0.01)，所有节段的应变不同步指数均具有显著的下降(P＜0.01)。面积应变，是一个整合了纵向及环周应变的应变指数，与径向应变成反比例，能反映心内膜面积的变化率，在两种起搏状态下也有显著差异，优化的双室起搏状态较右室起搏显著升高(14.2±4.8%对11.5±5.0%)，不同步指数显著下降［(12.2±5.1)%对(9.5±4.5)］%。Tatsumi等［9］选取了15名符合条件植入CRT的患者［射血分数(27±7)%，QRS间期(172±30)ms］，在植入前及术后6个月分别采集超声心动图图像。面积应变不同步指数(ASDI)，是反映峰值收缩面积应变与收缩末面积应变差值的指标。研究发现，ASDI≥3.8%是提示患者术后对CRT良好反映的指标，这个应用三维斑点追踪显像的最新参数可以显示环向及纵向的不同步性及残余心内膜的收缩性，对于了解CRT病人的预后具有很好的参考价值。

2.2 定量评价左心室容积和功能 心功能是诊断心力衰竭患者不可缺少的指标，心脏核磁共振(CMR)是评价心功能的影像学金指标，但因其价格昂贵以及部分患者(如起搏器植入、心脏瓣膜置换)无法进行检查而限制了其临床应用。超声心动图因其简便、无创、廉价、患者易于接受等有利条件而成为临床评价心功能的首选指标。

Nesser等［10］以CMR为对照，分别采用3D-STI、2D-STI观察左心室收缩末和舒张末的容积变化，评价左心室的功能。结果发现2D-STI虽然与CMR有较好的相关性(r=0.72～0.88)，但是因其有相对较大的偏差(10～30 ml)和较宽的一致性范围(SD:36～51 ml)可低估左室的容积;而3D-STI的测量结果不仅与CMR有更好的相关性(r=0.87～0.92)，且偏差小(1～16 ml)及一致性范围较窄(SD:28～37 ml)。除此之外，3D-STE结果较2D-STE组间和组内差异小。因此3D-STI较2D-STI能更准确、重复性更好地评价左室的容积和射血分数，且它能够应用于在CMR无法完成的场所，如心导管室及手术室内及时的对心功能进行很好的评估［11］。覃小娟等［12］应用3D-STI分析慢性心力衰竭(CHF)患者左心室整体纵向、环向、径向收缩期应变的特征，发现CHF患者左心室射血分数、左心室整体纵向收缩期峰值应变(GLS)、左心室整体环向收缩期峰值应变(GCS)、左心室整体径向收缩期峰值应变(GRS)均较正常对照组减低(P＜0.05)，且左室GLS、GCS、GRS与左室射血分数具有很好的相关性(P＜0.01)

2.3 局部心肌节段的功能及形变 左心室局部室壁运动分析一直是心脏超声研究的热点之一，在各种类型心脏疾病诊断治疗中具有很重要的作用。常用的评价局部心肌节段功能的方法有:组织多普勒技术(TDI)、速度向量成像技术(VVI)、2D-STI等。3D-STI技术因其自身优势，对局部心肌节段功能评估价值估于上述技术。Seo等［13］将声纳微测量晶片置于麻醉羊心脏的左室短轴基底段、中间段及心尖段的前壁及侧壁，比较了3D-STI与声纳微测量法两种方法测量基础状态、多巴胺及普奈洛尔负荷实验、急性心肌缺血三种状态下的心肌纵向、径向及环向应变。发现两者具有很好的相关性(LS:r=0.89，P＜0.001;RS:r=0.84，P＜0.001;CS:r=0. 90，P＜0.001)，而且在不同状态(基础状态、药物负荷试验状态、急性心肌缺血状态)下，应变的三个组成部分也具有很好的相关性(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能够很好的评估在药物负荷试验及急性心肌缺血状态下局部心肌收缩性的改变，但是在这项研究中，仅仅只分析了左室前壁及侧壁的纵向及径向应变，左室前壁的环向应变，并没有对其他节段进行评估。Crosby等［14］应用该项技术对局部心肌功能的研究中表明，3D-STI技术能准确识别存在局部收缩功能障碍的心肌。

2.4 评价左室旋转及扭转运动 左室的旋转运动是由收缩期左室的扭转和舒张期左室的解扭转构成。从整体上观察(心尖向心底方向)，收缩期左室基底部顺时针旋转，心尖部逆时针旋转，扭转定义为心尖部相对于基底部的旋转，即心尖部和基底部的旋转角度绝对值之和。左室的解扭转主要发生在等容舒张期，其迅速的弹性回缩释放了扭转时储存的弹性势能，使舒张期心室内的压力梯度和心房心室间的压力梯度增加，造成抽吸作用，从而引起左室早期充盈［15］。Andrade等［16］应用2D-STI及3D-STI技术，比较二者在健康志愿者中左室扭转角度测量中的差异，发现3D-STI测量的收缩期峰值扭转角度小于2D-STI测量值，但是二者收缩期扭转角度达峰时间并没有显著差异。Zhou等［17］利用一个可以控制速度的旋转模型，可以使心脏旋转不同的角度。将新鲜获得的猪心固定于这个旋转模型上，心底部可旋转，心尖部固定，在0°、15°、20°、25°分别获取三维全容积图像，利用3D-STI分析左室基底、中间及心尖部三个水平上的旋转，发现随着心脏整体扭转角度的增加，左室基底部及中间部较心尖部扭转角度增加的多一些，且三个水平的整体旋转角度与心脏的整体扭转相关性较好。

2.5 不同心脏起搏状态对心脏功能的影响 不同心脏起搏方式的人工电信号传导通路与左室壁机械运动同步性密切相关，不恰当的人工心脏起搏方式将导致医源性心脏结构及功能损伤。陆景等［18］应用3D-STI技术评价不同心脏起搏位点对健康犬左室机械同步性和左心室功能的影响。分别采集了10只健康开胸比格犬基础状态和右室心尖、左室心尖、左室侧壁起搏状态下1个完整心动周期的左心室实时三维全容积图像，利用分析软件分别提取不同状态左室壁收缩期径向应变峰值及左室收缩末期容积、舒张末期容积、射血分数、心输出量等相关参数进行分析，发现左室心尖或侧壁起搏状态左室壁各节段心肌的径向应变不同步程度较右室心尖起搏状态明显，左室心尖或侧壁起搏状态左室壁径向应变峰值显著减低的心肌节段数多于右室心尖起搏状态，左室心尖或侧壁起搏状态左室壁整体径向应变峰值、左室射血分数、心输出量均低于右室心尖起搏状态，不同起搏状态下左室壁整体径向应变峰值分别与左室每搏量、射血分数、心输出量呈线性正相关(r=0.781～0.984，P＜0.05)。左室心尖或侧壁起搏状态对健康犬左心室壁机械同步性、左心室节段和整体收缩功能的损害较右室心尖起搏状态显著。

此外，陆景等［19］评价了心室单点双极起搏对急性心肌缺血犬左心室壁心肌力学和左心室功能的影响。分别采集基础状态、急性心肌缺血状态和缺血后右心室心尖、左心室心尖、左心室侧壁单点双极起搏状态一个完整心动周期的左心室实时三维全容积图像。发现急性心肌缺血后心室起搏状态左心室壁机械运动不同步程度较基础状态和急性心肌缺血状态明显，应用3D-STI研究发现心室单点双极起搏能够增强心肌缺血状态下左心室壁心肌收缩力，但同时导致左心室壁机械性运动不同步程度加重，不能有效改善因急性心肌缺血受损的左心室整体功能。

2.6 个案病例分析 3D-STI技术也可用来评价特殊心脏疾病的预后情况。Baccouche等［20］报道了应用该技术评价Tako-Tsubo心肌病的临床转归过程。本病例是一位79岁的老年女性，采集实时三维图像，二维图像上基底部运动增强及心尖部的反向运动，利用3D-STI分析发现，数字化的径向应变曲线说明基底部运动增强及心尖部的反向运动。6周之后复查，发现患者的收缩功能较前好转。说明三维斑点追踪可以作为一种快速准去的评价Tako-Tsubo心肌病室壁运动异常的技术。

3 3D-STI的局限性

3D-STI是一项无创性定量评价局部心肌运动及功能的新技术。基于实时三维全容积超声心动图的3D-STI可以同步显示左室壁不同节段在三维方向的运动和形变，克服了2D-STI“跨平面失追踪”的局限性，是评价左心室壁机械运动同步性及左心室功能的有力工具［14，21］。

3D-STI虽然能更好的反映心脏在三维空间上的运动，但是由于现阶段技术发展的限制，这项技术仍有一定的不足之处。主要表现在以下几个方面:①该技术是在拼接的全容积图像上进行追踪，当有心率不齐时，会出现拼接错位而影响分析结果，新近出现的单心动周期全容积成像技术可克服上述缺点;②现阶段三维斑点追踪帧频相对较小，而在数据分析时帧频越高，图像质量越好，则数据准确性越高;③不管是二维还是三维斑点追踪，都需要手动追踪或调整心内膜边界，因此具有一定的主观性，且对操作者的经验有一定依赖性;④目前应用于临床的大部分超声诊断仪三维全容积最大取样角度是60°，当左心室显著增大时，无法采集完整的左心室，从而限制了该技术在左心室增大的患者中的应用［12］。随着科技的迅速发展，实时三维全容积成像技术时间、空间分辨力的提高，3D-STI将成为临床无创准确评价心脏功能的可靠方法。

4 3D-STI的发展前景

综上所述，3D-STI技术是一种新发展的超声定量分析技术，可以对左室容积和功能进行客观评价，是一个完善左室功能评估标准化的最新方法，能为各种心脏疾病的诊断治疗提供重要的信息，有很好的应用价值。利用3D-STI技术在同一个心动周期分析左室功能，可以同时分析三个方向的应变，是一个简单、方便、简洁、可重复性的评价左室同步性的方法，较二维能更快速、综合的评价可以评估心肌各节段达收缩最大峰值位移的离散程度，这些信息不仅有利于优化已安装CRT患者的各项参数指标，同时也可以选择最适合接受CRT的人群，使其最大程度获益。3D-STI技术能识别局部运动异常的心肌，利用此项技术可以评估冠心病已有节段室壁运动障碍的患者接受治疗后心肌运动的恢复情况。除此之外，因超声心动图简便可行，所以较CMR有更广泛的临床应用价值，比如在心导管室及手术室中，CMR使用条件有限，无法快速得到所需结果。3DSTI技术可以更直接快速的分析，对左室功能有着最直接的反馈，不需要离线分析，能在术中快速提供所需结果。但是因为其未大规模临床应用，且三维超声心动图时间及空间分辨力还有待于进一步提高，所以3D-STI有待进一步的发展，相信在不久的将来可以有更广泛的临床应用价值。

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