三维斑点追踪技术评估慢性肾脏病患者左心收缩功能的进展

马雨琴，张 波

(同济大学附属东方医院医学超声科，上海 200120)

慢性肾脏病(chronic kidney disease, CKD)患者预后不佳，且医疗费用较高，已成为严重的公共健康问题。流行病学调查[1]显示，心脏疾病发病率随CKD程度加重而增加[2]，即使肾功能仅有轻度减低，也与心血管风险增加存在显著相关[3]。传统超声心动图评价左心室收缩功能减低常用指标是左心室射血分数(left ventricular ejection fraction, LVEF)。研究[4]表明，部分CKD患者心血管疾病的症状不典型，且LVEF可表现为正常，故传统超声心动图较难早期、准确诊断CKD患者左心室收缩功能异常。新技术三维斑点追踪成像(3-dimensional speckle tracking imaging, 3D-STI)可准确、无创评价CKD患者左心收缩功能，有助于减少CKD患者心血管不良事件并改善预后[5]。本文对3D-STI在评估CKD患者左心室收缩功能中的应用进行综述。

1 左心室解剖基础

Torrent-Guasp等[6]提出心肌带理论，认为左心室由内中外三层心肌组成，心内膜下心肌呈右手螺旋走行，心外膜下心肌呈左手螺旋走行，中层心肌呈环形走行。不同走行排列的心肌纤维决定左心室复杂的空间运动形式：①纵向缩短，即左心室在长轴方向上的纵向运动；②左心室壁增厚，即左心室在短轴方向上的径向运动；③左心室短轴半径缩小，即左心室在短轴方向上的圆周运动；④左心室心内膜面积变化，即综合长轴应变和圆周应变(circular strain, CS)的内膜面积改变；⑤左心室扭转和解旋，为完成心脏射血，左心室在收缩期发生“拧毛巾样”扭转；从心尖向心底方向观察，左心室心尖部逆时针旋转，左心室基底部顺时针旋转；舒张期左心室反方向解旋，心室充盈[7]。

2 STI原理

STI为无创、实时的定量检查技术。由于心肌的细小结构会对入射超声波产生散射，在图像上形成散射斑点，故通过标记心动周期中某“斑点”运动轨迹，可逐帧追踪心动周期中该“斑点”对应部位心肌的形变，从而获得心肌运动速度、应变以及心肌扭转等变形情况[8]。与组织多普勒技术(tissue Doppler imaging, TDI)技术相比，STI不仅与组织多普勒频移无关、无明显角度依赖性，还对局部噪声敏感度较小，可更全面及准确评价心肌功能[9]。二维斑点追踪技术(2-dimensional speckle tracking imaging, 2D-STI)局限于二维平面内，无法完全跟踪斑点运动的空间位置[10]。3D-STI通过连续性分析心脏全容积图像，追踪心肌声学斑点在三维空间内的运动轨迹，应用纵向应变(longitudinal strain, LS)、径向应变(radial strain, RS)、CS、面积应变(area strain, AS)、旋转及扭转运动等参数来评价心肌各节段形变，从而实现定量评价心肌组织的运动情况[11]。

3 3D-STI评价CKD患者左心室收缩功能

3.1 左心室应变及应变率 CKD患者左心室由于长期压力负荷及容量负荷增加、心肌代偿性增厚、心腔扩大及心肌缺血[12]，于二维超声心动图上多表现为左心室扩大、室壁增厚，舒张功能、局部室壁运动及LVEF减低[13]。评估左心室整体收缩功能最常用的参数是LVEF，其代表心搏量占左心室舒张末期容积的比例，有重要的预后评估作用[14]，而计算LVEF有赖于图像质量、容量负荷及操作者经验。研究[15]表明，部分CKD患者已出现心功能不全症状和体征时，LVEF仍可表现为正常。3D-STI应用心肌整体或局部应变及应变率，可准确、定量评价CKD左心室心肌收缩能力。刘开薇等[16]观察LVEF正常(>55%)的早期CKD患者，发现CKD 2期和CKD 3期患者左心室整体LS较正常对照组明显减低。Sun等[17]应用3D-STI技术发现维持透析组左心室整体LS和RS明显减低，随访2年，结果显示左心室整体LS可作为心血管不良事件的独立预测因素。早期CKD患者LS减低的可能原因如下：①LS代表心内膜下心肌纵向纤维在长轴的缩短；②微血管病变，血钙沉积于心内膜，尿毒症毒素及脂质代谢障碍等因素致心内膜下心肌灌注不良，故内膜心肌层最早受累。Chen等[18]发现血液透析组和对照组心尖水平LS、RS及CS均高于基底段水平和乳头肌水平，而未行血液透析组患者则无上述变化。

3.2 左心室旋转和扭转 左心室扭转为左心室心尖水平与心底水平旋转角度的差值。王淑珍等[19]应用2D-STI发现尿毒症患者心底部旋转角度达峰早于主动脉瓣关闭，而心尖部旋转角度达峰及扭转角度达峰迟于主动脉瓣关闭。左心室扭转和解旋是在三维空间内的变形运动，不仅影响心脏的正常收缩功能，还可促进舒张早期心室充盈。MRI可无创、准确地测量心肌旋转角度[20]，但时间及空间分辨率较低，获取信息量相对较少，后期数据处理繁琐，检查耗时较长且费用较贵，使其临床应用受限。3D-STI运用左心室基底段、中间段及心尖段平均旋转角度、整体扭转度、整体扭力及旋转或扭转角度达峰时间等参数评价左心室旋转及扭转[21]。Andrade等[22]发现采用3D-STI技术测得的左心室扭转角度较2D-STI小，但二者左心室扭转角度的达峰时间差异无统计学意义，可能由于2D-STI技术不能完全跟踪斑点运动的空间位置，故从三维角度可更加准确和全面地观察扭转运动。Pai等[23]运用3D-STI技术研究发现，与正常对照组相比，维持透析的CKD患者左心室整体旋转、扭转角度及基底段和局部扭力均降低，可能由于心肌间质纤维化、缺血、血钙沉积及微血管病变等因素使心肌僵硬，从而导致心肌收缩力减弱；左心室容积扩张使心内膜纤维角度倾斜度变小，减弱心外膜相对于心内膜旋转的运动优势。3D-STI技术可通过评价CKD患者左心室旋转及扭转运动，从而在机械力学角度发现CKD患者左心室收缩功能减低。

3.3 左心室同步性运动 CKD患者左心室压力及容量负荷长期增加可引起左心室构型改变，导致左心室收缩不同步，进一步影响左心室收缩功能及局部心肌代谢和灌注[24]。研究[25]发现，左心室收缩不同步是充血性心力衰竭患者发生严重心脏不良事件的独立预测因子。Murata等[26]应用2D-STI技术发现，未透析终末期肾病组LS及RS不同步指数较对照组升高，而两组CS不同步指数间差异无统计学意义；透析后，RS不同步指数较透析前下降，提示RS对前负荷改变较为敏感。Kobayashi等[27]应用实时三维超声心动图观察27例终末期肾病患儿，发现病例组左心室不同步指数易受前负荷及左心室厚度影响，且数值高于正常对照组。3D-STI技术结合了实时三维超声与2D-STI技术的优势，能更准确地评价左心室收缩的同步性。3D-STI技术可应用左心室壁两节段应变达峰值时间最大差值(前室间隔和左心室侧壁应变达峰时间差)、各节段应变达峰值时间标准差(左心室不同步指数)以及AS不同步指数等参数来定量评价左心室收缩同步性[28-29]：上述参数值越高，提示左心室收缩不同步越严重。此外，3D-STI技术在评价心脏同步化治疗(cardiac resynchronisation therapy, CRT)后疗效中具有重要作用。Thebault等[30]采用3D-STI观察接受CRT治疗的慢性心力衰竭患者左心室同步性，发现双腔起搏患者LS、RS及AS绝对值均大于右心室起搏患者，且LS、RS及AS左心室不同步指数均小于右心室起搏患者。Sun等[17]发现维持透析组左心室不同步指数较正常对照组升高。

3.4 血液透析前后左心收缩功能变化 作为有效的肾脏替代治疗，血液透析能减轻水钠潴留，排出毒素(如尿素氮、肌酐及甲状旁腺素等)，纠正电解质、酸碱平衡紊乱，改善内环境及减轻心脏前负荷，从而改善心脏功能。Chen等[18]观察LVEF正常的尿毒症患者，发现规律血液透析组各方向的三维整体应变及不同心肌水平RS均优于非透析组，提示坚持规律血液透析能够改善左心室收缩功能。Kovács等[31]发现，单次血液透析后，终末期肾病患者左心室整体LS、RS、CS及AS均增加。相反，Wu等[32]发现维持性血液透析患者单次血液透析后左心室整体LS、RS、CS、旋转角度、扭转角度及整体扭力较透析前无显著变化，仅左心室局部扭力短期增加。胡科丹等[33]发现左心室整体AS随透析时间延长而呈升高—降低—缓慢升高的趋势，随着透析时间推移，提示尿毒症患者左心室心功能呈现“减低—好转—再减低”的规律。上述研究表明，3D-STI技术可及时反映尿毒症患者血液透析前后左心功能变化情况，但单次血透后左心室应变的变化情况尚未明确，仍需进一步研究。

4 局限性及发展前景

3D-STI技术的局限性：①可由于肥胖、肺气肿等患者因素或操作者水平所致图像质量较差，从而影响结果准确性；②获取的图像帧频较低，易出现拼接错位，且部分CKD患者室壁增厚、心室扩大，为包络整个心室，需调大扇角，故帧频进一步减低，图像质量进一步变差，从而影响结果准确性；③要求被检者心电图存在规则的R-R间期，且需被检者屏气达数个心动周期，以减小呼吸运动对图像的干扰；对于心律失常及呼吸困难者，无法获得理想的全容积图像，从而影响结果准确性。

虽然存在局限性，但目前3D-STI技术仍是重复性相对可靠的超声定量分析技术，采集和分析图像较2D-STI技术更简便和省时[34]；可依靠准确的心脏解剖空间定位，通过量化分析左心室应变结果，客观评价左心室整体及局部心肌功能[35]。

5 小结

早期诊断及治疗CKD患者心脏损伤能减少心脏不良事件。超声心动图可实时定性、定量评价心功能，而超声新技术可发现CKD患者心脏结构的改变及与其相关的心脏整体及心肌节段功能异常。正确认识3D-STI技术的优缺点，联合应用传统超声心动图和3D-STI技术，可为临床早期、准确诊断CKD心脏病变提供重要参考。

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