超声心动图新技术在左心室收缩功能评价中的应用进展

陈利明，钱凤文

(天津市滨海新区汉沽医院，天津300480)

随着科学技术的飞速发展，评价左心室(以下简称左室)收缩功能的方法也日新月异，出现了实时三维超声心动图技术(RT-3DE)、超声斑点追踪成像(STI)及二尖瓣环位移(MAD)等新技术，为准确客观地评价左室收缩功能提供了更加便捷有效的手段。现将超声心动图新技术在左室收缩功能评价中的应用进展作一综述。

1 左室室壁运动力学原理

心肌带理论学说中认为，在解剖上心室肌的排列结构呈一条纵形带状，起自肺动脉后方呈螺旋形绕主动脉至心尖，形成了两个螺旋，即基底环和尖端环。基底环包绕着左、右室心底部，而尖端环先呈螺旋性下降，到心尖位置后再扭转向上，形成了尖端环的降段与升段。在整个心动周期中，基底环和尖端环的协调运动是心脏整体射血和充盈的力学基础。Torrent-Guasp等［1］发现，左室壁心肌纤维呈多重交织层叠，心外膜下层心肌纤维呈左手螺旋状环绕心室腔，而心内膜下心肌纤维则呈右手螺旋状环绕心室腔，室壁中层纤维走向则呈环形。这种三维的心肌纤维结构决定了左室在收缩、舒张的同时也在做扭转、解旋运动。扭转运动把左室收缩、舒张紧密联系在一起，在收缩期心脏利用扭转运动完成机体泵血，在舒张期心脏通过扭转完成解旋，并在左室的顺应性及抽吸力作用下完成心室肌舒张，紧接着会进入下一个心动周期，这样循环往复运动。扭转与解旋是左室运动的重要组成部分，在左室射血和充盈中起着决定性的作用。这也就使我们更加清楚地认识到，心肌具有三种运动方式，即纵向运动、径向运动及旋转运动。

2 RT-3DE的应用

2.1 工作原理 RT-3DE是近年来兴起的一项新技术，它采用了3种先进技术，即超矩阵探头、高通量数据处理系统和三维空间定位系统。成像所用探头由3 600～6 400个微小阵元组成，频率在2～4 MHz，按相控阵方式发射声束，探测时虽探头固定不动，但所发射的声束能自动转向到达靶区内的区域。当发射的声束沿预定方向X轴前进时可形成一条扫描线，按相控阵方式沿Y轴进行方位转向形成扇形二维图像，再使二维图像沿Z轴方向进行扇形移动，再立体仰角转向，形成金字塔形三维图像数据库，可直接采集并同步显示三维立体图像。

2.2 优越性 用M型或Simpson法等测量左室容积，均依赖于几何假设，准确性较差，尤其在左室解剖结构发生改变时误差更大。而RT-3DE定量检测左室容积较二维超声心动图(2DE)有明显的优势，它不受左室形变的影响，即不依赖于几何假设，便可对左室进行定量分析，同时可动态直观地显示左室的立体形态结构，准确检测左室容积并评价其收缩功能。大量研究［2］证实，RT-3DE测量左室舒末容积、缩末容积及射血分数与心脏磁共振的测量结果呈良好相关性，明显优于2DE。包洪靖等［3］以MRI检查结果为标准，将临床诊断为心梗的33例患者行MRI、RT-3DE及2DE检查，测量左室舒末、缩末容积及LVEF并进行比较，结果发现RT-3DE较2DE能更准确、可靠地定量评价左室的收缩功能。Corsi等［4］报道，RT-3DE在评价左室整体收缩功能时，与心脏磁共振亦具有很高的相关性和很好的一致性，而在评价左室局部收缩功能时，RT-3DE所测心尖部局部容积及室壁运动较心脏磁共振测值更为准确，原因是心脏磁共振采用固定厚度的层面测定，无法实现左室收缩时的纵向缩短率的测量，故不能准确反映心尖部的收缩功能，而RT-3DE容积测定则是采集真实的立体动态信息，可更好地测量局部室壁的收缩功能。因此，据此研究结果认为RT-3DE在评价左室局部收缩功能的准确性上优于心脏磁共振成像。

2.3 局限性 RT-3DE在评价左室收缩功能上明显优于2DE，但目前仍存在一定的局限性。首先，RT-3DE费时，易受患者呼吸及心脏的移位影响，视野较局限;其次，分辨率不及二维图像，图像质量有待提高，并受患者自身条件的影响(如肥胖、胸廓畸形等)，且由于帧频较低而导致细微结构的分辨力不够;最后RT-3DE“金字塔”容积的扇角为60°，对心腔明显扩大者易出现室壁残缺现象，特别是左室心尖部的心内膜常难以清晰显示，并且RT-3DE还不能直接对左室进行三维距离与容积测量。

3 STI的应用

3.1 二维斑点追踪成像技术(2D-STI)2D-STI是近年出现的对心功能可定量分析的一种新手段。2D-STI是通过逐帧追踪高帧频二维灰阶超声图像中小于入射波长的微小结构产生的背向散射、反射以及干扰等现象所形成的斑点信息，采用最佳模式匹配技术跟踪心肌内声学斑点的空间运动，标测出不同帧频间同一位置的心肌运动轨迹，从而得到纵向、径向、环向及旋转等多个运动参数，再在高分辨率的二维声像图中利用时域程序分析声学斑点的运动轨迹对上述运动参数进行计算，可定量计算各节段心肌在各方向上的收缩期峰值应变，以此测算出心肌的形变。心肌应变是反映心肌收缩性的直接而客观的指标，不同节段心肌的峰值收缩期应变反映的是局部心肌收缩功能，将所有节段室壁收缩期峰值应变取平均值则反映的是左室的整体收缩功能。由于2D-STI采用的不是多普勒原理，故无角度依赖性，且帧频高，因此2D-STI能更加准确地反映心肌的运动，客观有效地评价左室整体或局部室壁的收缩功能［5］。文献［6］报道，左室心肌收缩期峰值应变能够准确地反映左室的收缩功能。刘昕等［7］应用2D-STI测定扩张性心肌病、高血压肥厚性心脏病及同期健康志愿者左室整体纵向、径向、环向应变及左室扭转角度，并同时应用RT-3DE测定左室LVEF，对照分析心肌应变与扭转参数和LVEF之间的相互关系，结果显示，纵向、环向应变是扩张性心肌病LVEF的独立预测因子，而纵向、环向应变及左室扭转角度是高血压肥厚性心脏病的LVEF独立预测因子，由此可见纵向应变是评估在不同病理状态下左室收缩功能的整体变化情况的主要参数。左室心肌主要由纵、横、斜三层心肌纤维组成，心内膜层主要由纵行心肌纤维构成，虽射血过程主要依靠短轴上的环形纤维，但心内膜下心肌缺血更易引起纵向收缩功能的损害，因此纵向收缩功能失调的出现早于轴向收缩并且比轴向更为敏感，故通过测算左室整体纵向收缩功能即可早期发现左心功能是否受损。刘娟娟等［8］应用 STI评价脓毒症兔左室收缩功能变化，发现常规超声心动图与2DSTI均能有效地评价血流动力学高动力阶段左室功能的异常，但STI能更早、更敏感地检出心肌的异常形变。因此2D-STI不仅能够无创、客观、有效地评价不同病理状态下整体心肌的收缩功能，而且也能准确地反映心肌各节段的收缩功能，在疾病的亚临床期即能发现异常，为早期心脏疾患的临床治疗提供可靠的诊断依据。

3.2 三维斑点追踪成像技术(3D-STI)3D-STI技术在评价左室整体和局部收缩功能及协调性方面较2D-STI更具研究价值。2D-STI仅可追踪二维平面上的运动信息，而心肌运动实际上是在三维空间进行的，应用二维斑点跟踪时，斑点粒子可能会移动到扫描平面外，造成斑点缺失而不能全面真实的反应心肌的运动情况。而新近发展起来的基于2D-STI与RT-3D技术的3D-STI克服了前两种的缺点，通过测量左室各节段纵向、径向与环向收缩期峰值应变与扭转、旋转角度并求得平均值，从而得以定量评价左室心肌的机械形变能力及整体收缩功能［9］。王庆慧等［10］在利用3D-STI技术评价先天性心脏病左室收缩功能的研究显示，纵向、径向及环向收缩峰值应变与LVEF呈正相关。国外学者［11］应用 3D-STI与MRI进行对比的研究表明，该技术能够准确地评价左室整体及局部的射血分数。Saito等［12］研究显示，利用3D-STI对左室16节段测得的各纵向应变峰值均值显著低于2D-STI测得的结果，而环向应变峰值均值远远高于2D-STI，原因是3D-STI评价的是各个节段整体的应变值，而2D-STI评价的是各个节段某一平面的应变值，从而出现对节段应变值的低估或者高估，但两种方法测得的径向应变峰值均值差异却无统计学意义，这就说明了3D-STI是一种便捷且重复性强的一种评价左室心肌纵向、径向和环向应变的新办法。段利科等［13］研究也证实了上述观点，即3D-STI与2DSTI测得左室心肌纵向和环向应变的不同可能是由于2D-STI只能在平面内追踪心肌运动的斑点信息的局限性所致。Andrade等［14］发现，3D-STI测量左室心肌扭转及旋转角度时可行性最佳，其临床实用性将会得到广泛的应用。

3.3 局限性 虽然STI在评价左室收缩功能时具有独特的优势，但仍存在不足。首先，STI对超声图像质量的要求很高，只有在心内外膜均清晰显示的情况下才能确保测量的精确性，而对于诸如肥胖、肺气肿等所致不能清晰显示二维图像心内外膜时，则测量的准确性就受到较大影响;其次，2D-STI需要较高的帧频才能准确反映局部心肌瞬时的运动信息，且它的时间与空间分辨力均不够理想;最后，全容积三维的最大取样角仅为60°，对于左室明显扩大病例斑点追踪效果不佳则会出现测量准确性不高的现象，况且该技术是在拼接的全容积声图像上进行斑点追踪，当有心率不齐出现时，就会出现拼接错位而影响检测结果［15］。

4 MAD的应用

4.1 解剖学基础 许多研究证实，LVEF不能检测出早期左室心肌收缩功能的下降，而MAD却可敏感地反映早期左室收缩功能改变，这源于二尖瓣环的解剖学基础。二尖瓣环作为“心脏纤维骨架”结构，有着大量附着于骨架的心肌纤维呈纵向排列，贯穿于心尖与心底之间，纵向心肌纤维缩短致心脏沿长轴缩短，这种缩短可以通过二尖瓣环位移来体现，并予以准确测定。有文献显示，MAD＜10 mm时即提示LVEF存在异常。

4.2 测定技术

4.2.1 M型超声 现在多数人采用将M型取样线分别放置在心尖四腔心切面的后间隔与左室侧壁瓣环处、左室两腔心切面的左室前壁及下壁瓣环处、左室长轴切面的左室后壁和前间隔房室环处，测得各点二尖瓣环收缩期位移后并取其平均值。有研究显示，应用M型超声测得MAD与LVEF之间存在较好的相关性，以MAD=12 mm作为评价LVEF＜50%的临界值，其敏感性90%，特异性为88%，准确性在89%［16］。M型测量MAD由于受声束方向及左室结构变化的影响，仅适用于正常和一些左室未发生重构状态下的人群，虽然新的解剖M型技术解决了常规M型取样线受声速扫查方向的限制，但在心内膜的清晰度显示上明显低于常规M型，且操作复杂，受人为因素影响较大。

4.2.2 组织多普勒成像 采用组织多普勒成像测量MAD来评价左室收缩功能时，以二尖瓣环的运动速度＜8 cm/s作为评价LVEF＜50%的临界点，其敏感性94%，特异性为93%，准确性为94%［17］。Mohamed等［18］采用M型超声心动图联合组织多普勒成像测量MAD的方法来评价左心衰竭患者的左室纵轴功能，发现两种方法测定MAD均是无创评价左室功能的较为实用的方法，但组织多普勒测定法的准确性、敏感性及可重复性均明显高于M型测定法。但组织多普勒成像操作费时，且受角度依赖性较强，对一些心脏位置较偏的患者测量准确度不高。

4.2.3 组织跟踪成像 组织跟踪成像是基于组织多普勒上的一种新的超声心动图技术，它通过借助心肌组织运动速度积分来计算左室所有心肌纤维朝向心尖方向的收缩期位移，并可用7种颜色或不同的位移曲线表现出来。所以，利用组织跟踪成像技术测定MAD的方法简便、易行、直观，且不再受图像质量差的影响。国外研究［19］证实，利用组织跟踪成像技术测定的MAD能够客观的反映左室心肌在纵轴方向上的运动，从而准确评价左室的收缩功能。但其也有不足，不适用于节段性室壁运动异常和二尖瓣环钙化患者，两者均可导致低估收缩期MAD;且组织跟踪是组织多普勒显像的衍生技术，具有一定的角度依赖性，在测量中需克服声束与室壁夹角＜20°这一限制。

4.2.4 2D-STI技术 基于2D-STI技术测量的收缩期MAD时，仅需在心尖四腔心切面标记室间隔、左室侧壁二尖瓣瓣环及心尖三个部位，2D-STI便能自动计算出室间隔、左室侧壁二尖瓣瓣环位移及二尖瓣瓣环中点位移，同时因其无角度依赖、准确性高、重复性好、简便易行，较前述技术测定MAD评价左室收缩功能更加准确、可靠，是临床评价左心收缩功能的最新手段。张晶等［20］利用斑点追踪二尖瓣环位移技术评价心肌淀粉样变性患者左室收缩功能中测得MAD参数与LVEF进行相关性分析，发现左室室间隔瓣环插入点最大位移、侧壁瓣环插入点最大位移、瓣环连线中点的最大位移占舒张期左室长径的百分比均与LVEF呈正相关，其中瓣环连线中点的最大位移占舒张期左室长径的百分比与LVEF的相关系数最大，相关性最好。说明STI测定二尖瓣环位移是评价左室收缩功能的一种新的有效方法。由于其对图像质量要求较低，所以尤其适应于肥胖，肺气肿等心内膜不清晰的患者，在临床上有着广阔的应用前景。斑点追踪技术测定MAD虽具优势，但仍受STI局限性的影响，有望通过完善STI来提高对二尖瓣环位移测定的准确性。

综上所述，超声心动图各项新技术的迅速发展均能实现对左室收缩功能的评价。但各项技术都有一定的局限性，这有待于进一步完善并继续探索研究，超声工作者在实际工作中可根据具体的情况对评价方法进行选择，或采用多种方法联合应用，对左室收缩功能的评价将会更加准确。相信随着计算机图像处理功能的日益加强，会不断推进超声设备及诊断技术的发展，使这些新技术变得更加简便、实用、有效，对左室收缩功能的检测更加准确，进一步在心脏疾患早期即可为临床提供可靠的诊断信息。

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