三维斑点追踪成像技术在心脏疾病中的应用进展

曹清琼，郭瑞强

(武汉大学人民医院超声影像科，武汉430060)

超声心动图是临床上常用的评价心脏结构与功能的重要工具。然而，随着对心脏疾病认识的不断深入以及治疗方式的不断改进，常规超声心动图已经不能满足临床需要。左心室射血分数(left ventricular ejection fraction，LVEF)是临床常用的左心室收缩功能评价指标，在多种疾病的亚临床或临床早期阶段LVEF仍维持在正常范围，无法敏感检测早期心肌功能损伤[1]。斑点追踪技术是近年来出现的新兴技术，其利用源自超声探头的入射波与人体组织内的散射粒子作用产生反射、散射，并通过相互干涉产生不同振幅的回波信号，经处理后显示为亮度不同的散斑。散斑不仅可以识别特定区域的心肌组织，在追踪心肌运动的同时还可维持相对位置稳定。斑点追踪技术基于散斑的独特性和相对稳定性采用最佳模式匹配技术使动态追踪心肌运动轨迹、定量评价心肌功能成为可能。在二维斑点追踪成像(two-dimensional speckle tracking imaging，2D-STI)基础上发展的三维斑点追踪成像(three-dimensional speckle tracking imaging，3D-STI)技术不仅克服了传统超声技术的角度依赖性，而且实现了三维空间内的心肌斑点追踪，同时对心脏功能的评价也更为准确，其临床应用价值已得到大量研究证实[2-3]。现就3D-STI技术在心脏疾病中的应用进展予以综述。

1 3D-STI技术的发展现状

3D-STI技术通过追踪完整的左心室运动轨迹，并将其按纵向、径向和圆周方向分解后分别以纵向应变、径向应变、圆周应变等参数表示。三维应变参数的获取主要分为图像采集和处理两步。与2D-STI技术不同，三维全容积探头可以单次采集左心室图像，无须跨心动周期旋转探头获取多切面图像，而图像分析也只需沿心肌边界勾画感兴趣区域，软件会自动运算得出结果，因此，3D-STI应变参数的获取较2D-STI更为快速、高效[4]。

3D-STI应变参数的准确性和重复性已经得到诸多研究证实[5-10]，基本具备临床应用的条件。无论是基线状态、不同药物负荷状态还是急性心肌缺血状态，通过体测法获得的绵羊心肌节段纵向应变、径向应变和圆周应变均与3D-STI获取的对应应变参数具有良好的相关性[5]。面积应变和扭转运动相关参数的准确性也在相关研究中得到了验证[6,9]。与其他应变参数相比，径向应变的准确性则稍差[7-8]。虽然3D-STI与2D-STI存在一定差别，但两者应变参数的准确性和重复性均较高，且3D-STI的应变参数与2D-STI对应的应变参数高度相关，表明3D-STI应变参数具有潜在的临床应用价值[10]。此外，由于数据获取方式和分析软件算法存在差异，2D-STI与3D-STI应变参数不能直接进行比较和替换。

目前关于3D-STI应变参数正常参考值的大样本研究较少，缺乏正常参考值导致对应变参数的解释和比较相对困难。正常人群的心肌应变参数可能与性别、年龄和不同分析软件等因素相关。目前认为，女性心肌应变值普遍高于男性[11]，这与以往研究中女性LVEF稍高于男性的特征吻合[12]。随着年龄的增长，不同研究结论中正常人群心肌应变值的变化趋势不一致。一项针对儿童的研究发现，仅整体纵向应变和整体圆周应变在不同年龄组中存在细微差别，但无明确的临床意义[13]。在成年人中，整体纵向应变、整体圆周应变、整体径向应变和整体面积应变均随着年龄的增长而降低，其中以整体面积应变最为敏感[14]。也有研究认为，应变值与不同分析软件有关，而与性别、年龄等人口统计学因素无关[15]。

2 3D-STI技术在心脏疾病中的应用

2.1冠心病 冠心病是指冠状动脉粥样硬化引起管腔狭窄或闭塞，导致心肌缺血、缺氧甚至坏死而引发的心脏疾病。冠状动脉粥样硬化的病程进展缓慢，但当冠状动脉重度狭窄甚至闭塞时，缺少血流灌注的心肌在数十分钟内即可发生不可逆性坏死，引发乳头肌功能失调(或断裂)、心脏破裂、室壁瘤等并发症，预后差[16](153-161)。因此，冠心病早期的诊断与治疗对患者预后具有重要意义。

与冠状动脉造影等传统检查方法相比，3D-STI技术可以早期识别心肌缺血，从而间接评估冠状动脉狭窄程度，具有无创、无辐射、方便快捷等优点。动物研究证实，随着冠状动脉血流灌注的减少，受累心肌节段的所有三维应变参数均出现不同程度的降低，同时正常心肌节段应变值呈代偿性增加，以维持心脏射血功能[17]。Dogdus等[18]对冠心病患者的研究发现，重度冠心病组患者的所有应变值均小于非重度冠心病组，与其他应变参数相比，整体纵向应变和整体面积应变识别重度冠心病的价值更高。此外，将三维应变参数与其他传统超声指标相结合构建多参数诊断模型也可显著提高冠心病无创诊断的效率[19]。

有研究探讨了3D-STI技术在评估梗死心肌面积和程度等方面的价值，但结论存在一定争议。例如，Wang等[20]研究发现，3D-STI各参数与心肌梗死面积密切相关，且以整体纵向应变最为显著(r=0.728，P<0.01)，以-13.8%为截断值，整体纵向应变诊断大面积心肌梗死(梗死面积≥12%)的特异度为87.5%，灵敏度为70.6%，曲线下面积为0.84。而Aly等[21]通过比较3D-STI与心脏磁共振成像发现，3D-STI对梗死心肌面积和程度的评价与心脏磁共振成像结果存在较大差异。因此，3D-STI对心肌梗死面积和程度的评估价值仍有待大样本研究进一步探索。3D-STI对经皮冠状动脉介入治疗患者的左心室慢性重构和功能恢复均具有一定的预测价值，其中整体纵向应变和整体面积应变尤为显著[22-24]。研究发现，二维整体纵向应变和三维整体纵向应变、整体面积应变、整体径向应变均可作为对经皮冠状动脉介入术后左心室重构的独立预测因子，其中三维整体纵向应变预测价值最高，曲线下面积为0.82[23]。同时，三维节段纵向应变和整体纵向应变也可预测术后左心室节段心肌和整体功能的恢复，当左心室节段纵向应变截断值为-11.1%时，预测节段心肌功能改善的特异度和灵敏度分别为91%和92%[22]。

2.2心脏瓣膜病 主动脉瓣狭窄、主动脉瓣关闭不全及二尖瓣关闭不全均会导致左心室腔内血流动力学紊乱以及左心室心肌运动功能受损。然而，当瓣膜重度病变甚至左心室重构发生时，心脏瓣膜病患者的LVEF仍可维持正常且无显著临床症状。3D-STI技术在早期评估和术后随访瓣膜病患者左心室功能、预测心血管不良事件等方面均具有重要价值。

2.2.1主动脉瓣狭窄 当主动脉瓣狭窄时，通过主动脉瓣口的血流减少，同时进入冠状动脉循环的血流也随之减少；此外，由于左心室肥厚，供应心肌的毛细血管网密度相对降低，造成心肌缺血和损伤。研究发现，LVEF保留的重度主动脉瓣狭窄患者的整体纵向应变、整体径向应变均显著降低，而整体圆周应变、心脏旋转与扭转运动均增强[25]。其中，反映心内膜下心肌运动的整体纵向应变是提示主动脉瓣狭窄患者早期左心室收缩功能异常的敏感指标[26]，同时也是心脏不良事件的独立预测因子[27]，整体纵向应变在主动脉瓣置换术后出现显著升高[28-29]。

2.2.2主动脉瓣关闭不全 主动脉瓣关闭不全造成左心室容量负荷增加，早期左心室收缩功能呈适应性增强，然而，当左心室收缩功能受损时，临床症状和LVEF则无明显变化[16(173),30]。Broch等[31]测量31例LVEF保留的中、重度主动脉瓣关闭不全患者的心肌应变发现，左心室整体纵向应变减小，而整体圆周应变呈现代偿性增加，提示在心肌纵向运动受损后，心脏可能通过增强环向运动的方式维持LVEF。

2.2.3二尖瓣关闭不全 二尖瓣关闭不全对左心室的影响与主动脉瓣关闭不全相似，主要通过增加容量负荷引起左心室心肌运动功能受损。越来越多的研究显示，二尖瓣重度关闭不全患者的心脏功能在LVEF降低前就已经出现了损伤[32-33]，且左心室收缩功能的储备与心脏不良事件的发生独立相关[34]。Casas-Rojo等[33]运用3D-STI技术随访无症状LVEF保留的二尖瓣重度关闭不全患者，结果发现，面积应变是心力衰竭事件唯一的独立预测因子，以面积应变>-41.6 %为截断值，预测心力衰竭事件的灵敏度和特异度分别为93%和78%，曲线下面积为0.74。

2.3心肌病

2.3.1肥厚型心肌病 肥厚型心肌病是一种常染色体显性遗传病，常表现为心室肌不对称性肥厚。肥厚型心肌病患者的心肌细胞常异常肥大、排列紊乱，随着病情进展出现纤维化，从而导致心脏功能受损。与左心室肥厚的高血压患者相比，肥厚型心肌病患者的整体纵向应变受损更严重，这一点有助于鉴别高血压所致左心室肥厚与肥厚型心肌病[35]。此外，Orta Kilickesmez等[36]通过对LVEF保留的肥厚型心肌病患者的研究发现，纵向应变和径向应变均出现降低，而周向应变和扭转运动则呈现代偿性增强。该研究提示，在疾病早期肥厚型心肌病患者的心肌收缩功能可先于LVEF出现损伤。

2.3.2扩张型心肌病 扩张型心肌病是一种常见的心肌病，随着病情进展，心肌拉伸变薄，心肌细胞凋亡、纤维化，最终导致左心室功能障碍。一项针对儿童扩张型心肌病的研究发现，左心室整体纵向应变、整体圆周应变和整体径向应变均出现不同程度降低，而整体纵向应变、整体圆周应变则与左心室功能更为密切，常先于左心室扭转运动发生改变[37]。此外，3D-STI技术还可用于评估疾病的严重程度。Sveric等[38]对45例经3D-STI超声心动图和心肺运动试验的扩张型心肌病患者进行观察，结果发现，左心室扭转角度与峰值摄氧量呈显著正相关(r=0.76，P<0.001)，左心室扭转角度是峰值摄氧量的独立预测因子；以左心室扭转角度<0.61°/cm为截断值，预测心肺功能受损的灵敏度为91%，特异度为81%，曲线下面积为0.88。

2.3.3尿毒症性心肌病 内环境及代谢紊乱、心脏容量和压力负荷增加以及多种心血管危险因素均可造成尿毒症患者严重的心血管损害，心血管疾病也是尿毒症患者死亡的主要原因。据研究报道，尿毒症患者心脏收缩与舒张功能在LVEF降低前就已受损[39]。3D-STI技术可以准确反映尿毒症患者早期左心室收缩功能的变化，且以整体纵向应变和整体面积应变较敏感[40]。Sun等[41]报道，整体纵向应变是维持性血液透析患者心血管事件的重要预测指标，以-17.2%为整体纵向应变截断值，预测心血管事件的灵敏度和特异度分别为87.0%和79.1%。说明3D-STI技术不仅可以早期识别尿毒症患者的心脏损害，对预后评估及危险分层也具有重要价值。

2.4其他心脏相关疾病

2.4.1肿瘤治疗相关心脏损伤 作为肿瘤治疗的两种重要方式，化疗和放疗均可造成不同程度的心脏损伤。其中，化疗相关心脏损伤近年来受到越来越多的关注。《2016年欧洲心脏病学会肿瘤治疗与心血管毒性声明》[42]指出，LVEF是识别肿瘤治疗所致心力衰竭的可靠指标。而与传统二维超声心动图相比，三维超声心动图测量LVEF的时间变异性更低，重复性更好[43]。在随访过程中，使用同一机器和分析软件有助于提高诊断的准确性[44]。除LVEF外，3D-STI技术所提供的应变参数对化疗相关心脏损伤的识别也具有重要价值。Song等[45]通过对比蒽环类化疗药物治疗前、后心脏功能的变化，发现3D-STI可先于2D-STI在4个化疗周期检测到左心室整体纵向应变、整体圆周应变和右心室整体纵向应变均显著降低；以-20.4%为截断值，左心室三维整体纵向应变区分化疗后患者的灵敏度和特异度分别为80%和70%，曲线下面积为0.81。该研究提示，3D-STI能更早识别化疗相关心脏损伤，其中以整体纵向应变的诊断价值最大。有研究提示，由于右心室心肌菲薄，右心室对化疗药物的敏感性可能较左心室更高[46]。

2.4.2心脏再同步化治疗 3D-STI技术不仅可以准确评估心脏运动的同步性和心脏功能，在筛选心脏再同步化治疗有反应患者、预测和评估心脏再同步化治疗疗效等方面也具有重要价值。研究提示，基线整体纵向应变和整体圆周应变水平与心脏再同步化治疗后的长期预后显著相关，具有重要的预后价值[47]。赵盈洁等[48]通过对比41例患者心脏再同步化治疗前、后的心脏收缩功能和同步性，发现二维和三维纵向应变及其达峰时间标准差对心脏再同步化治疗的疗效均有一定的预测价值，其中三维纵向应变达峰时间标准差预后价值最高，曲线下面积为0.845。

3 问题与展望

作为一种新兴的超声诊断技术，3D-STI不仅能克服组织多普勒的角度依赖性，还能快速获取心脏三维图像资料，显著缩短应变参数的获取时间，提高重复性和可靠性。3D-STI技术可以准确评估常见心脏疾病的心肌运动功能，在疾病的鉴别诊断、风险分层以及不良事件的预测方面均具有重要价值。然而，目前3D-STI技术在临床广泛应用仍存在一定的局限性：①高度依赖图像质量，且需要患者屏气配合，因而限制了其在大部分患者中的常规应用；②需要足够的时间分辨率，帧频过低会显著降低分析结果的可信度；③各公司的分析软件仍存在不足，算法和参考值等仍存在差异。相信随着超声技术的不断发展以及分辨率和取样容积的不断提高，3D-STI有望在未来广泛地应用于临床。