超声斑点追踪技术在评估心脏功能中的临床应用及进展

郑哲岚 蒋冰倩

超声心动图对左心室收缩功能的评估最常用的参数是左心室射血分数（left-ventricular ejection fraction,LVEF），但LVEF对于心脏早期损伤并不敏感。通过斑点追踪技术（speckle tracking imaging,STI）测量心肌应变是定量观察左心室功能的一个新方法。有研究发现，应变是检测早期心室功能障碍的敏感工具，可以检测心肌功能的细微变化，对多种心血管疾病的预后有预测意义[1]。因此，STI评估左心室功能为早期临床决策和实施更有效的治疗提供可能，从而改善各种疾病的预后。STI又包括二维斑点追踪技术（2D-STI）、三维斑点追踪技术（3D-STI）、分层应变，以及结合后负荷评估心肌作功的新参数压力-应变环（pressurestrain loop,PSL）。本文就上述新技术在心血管疾病中的临床应用及研究进展作一述评。

1 心肌应变的概念

应变是物体在一定方向内相对于其基线长度的变化，并以百分比表示，应变（%）=（Lt-L0）/L0，其中 Lt是当t时间时的物体长度，L0是物体初始的长度[2]。应变率是应变的时间导数，它提供了关于应变发生的速度。应变是一个矢量，对心肌复杂变形的完整描述需要3个正常应变分量和6个剪切应变分量。由于实际应用原因，临床首选的正常应变是沿着左心室坐标轴排列的，描述了径向增厚、变薄以及圆周和纵向缩短、延长。延长或增厚由正应变值表示，而缩短或变薄由负应变值表示。应变可以量化局部心肌功能，同时随着STI的应用，可以对总体左心室功能进行评估，其中最常用的参数是左心室整体纵向应变（left-ventricular global longitudinal strain,LV-GLS），在 GLS上，从 3个心尖视图的测量值结合起来得到一个平均GLS值[3]，同时心肌应变也跟LVEF一样受到心率、负荷的影响，在测量时应考虑上述因素的干扰。

2 斑点追踪超声心动图

左心室心肌应变对左心室功能的评估最早是通过组织多普勒成像（tissue doppler imaging,TDI）来实现的，TDI有非常好的时间分辨率，可以快速的定性功能评估，直接显示测量数据，但通过TDI方法测量应变需依赖角度，要测量的变形分量必须与超声波束对准，同时想要使用TDI方法来评估整个左心室功能还是比较困难的。由于心肌不均匀的声学特性可以引起干涉模式，从而形成“斑点”。斑点并不代表组织结构，但已经被证明可以在有限的时间和距离内与组织一起移动，因此可以作为追踪的对象。STI由于其不需要依赖角度，能够在不同的空间方向上（纵向、径向和圆周）评估心肌力学，并且较TDI有更高的空间分辨率、再现性等优点，已成为目前临床上最广泛使用的心肌应变分析方法[4]。

2.1 2D-STI及3D-STI2D-STI克服了传统组织多普勒的角度依赖性，可以定量分析左心室纵向、径向和圆周的心肌应变，评价左心室整体及局部功能，目前临床上已广泛应用，部分超声中心已将其纳入常规检测项目。但2D-STI虽然克服了传统TDI的角度依赖性，其测量是基于二维平面追踪的结果，而由于心肌是由3个不同的心肌层组成，它们同时向不同的方向收缩，导致心肌的运动并不局限在一个平面上，这使得2D-STI测量结果并不完全准确。因此准确的评估可能需要进行三维分析。

与2D-STI比较，3D-STI是在斑点追踪原理的基础上发展起来的，不受心肌运动方向限制，可以在三维容积内客观、准确地追踪心肌的运动轨迹，弥补了2D-STI局限于所扫描的平面内追踪心肌运动斑点的不足，可以对复杂的心肌运动进行评价[5-6]。其次，3DSTI除了纵向、径向、圆周应变，还引入了一个新的参数-面积应变[7]，反映了纵向和圆周缩短影响的相对面积变化，是GLS和圆周应变结合的结果，也有部分研究证实了其应用价值。同时，3D-STI采集和分析时间更快，2D-STI需要采集多个心动周期的多个2D图像，包括3个短轴视图来测量整体圆周应变和整体径向应变，以及3个心尖切面来测量整体GLS，导致更长的数据采集时间，相比之下，3D-STI分析只需要进行一次心尖图像采集，从而缩短了采集时间，并能从单个心脏周期中测量所有的3D应变成分[7-9]。

但是2D-STI及3D-STI都受到图像质量的影响，尤其是3D-STI，时间和空间分辨率都相对较低。此外由于不同供应商之间软件及图像后处理的差异，导致在不同仪器上获得的数值有所不同，这使得STI的临床应用受到一定限制。

2.2 分层应变 过去研究多以心室壁的整体平均应变GLS作为研究对象，而忽视了心室壁是由三层心肌纤维通过不同结构和走向组成，心内膜和心外膜心肌为纵行心肌，主要负责左心室长轴方向功能，而中层心肌为环形心肌，负责径向和圆周功能。不同疾病可以导致不同心肌层受损，从而出现各不相同的分层应变表现。通过分层应变分析也可以评估心肌损伤的累及深度[10]，但是分层应变也存在局限性，首先对图像质量要求更高，需要清晰地追踪三层心肌的活动轨迹，其次三层心肌并非完全独立，存在各层之间的相互影响，导致分析结果不能完全代表单层的功能[11-12]。

2.3 左心室心肌应变的正常值设定 由于圆周应变、径向应变及分层应变目前的研究数据还不充分，尚无对其统一标准正常值设定的方法。2D-GLS由于其稳定性和对心肌微小损伤的敏感性，成为当前应用最为广泛的应变参数。但供应商图像后处理软件及干预之间的差异，导致大多数健康个体的正常2D-GLS值波动在-18%～-25%[13]。尽管实验室和软件供应商之间存在可变性，美国超声心动图学会认为2D-GLS值在-20%±2%是比较合适的正常值范围[14]。也有研究认为，2D-GLS绝对值≥18%为正常，16%～18%为边界异常，≤16%为异常[15]。研究发现，3D-GLS的平均值为-19.1%，绝对值波动在15.8%～23.4%，总体上3D-GLS的平均值为-18.1%，与2D-GLS的正常值大致相同[7]。目前应变在许多心脏疾病中有重要作用，然而对于正常值和疾病相关应变值的定义仍有差异，临床需要进一步标准化。因此建议同一例患者在随访中使用相同供应商的软件进行应变分析，以减少差异，增加前后可比性。

2.4 STI测量心肌应变的临床应用

2.4.1 射血分数保留的心力衰竭（heart failure with preserved ejection fraction,HFpEF） 研究发现，约在50%～60%HFpEF患者中发现应变异常，尤其是LV-GLS由于各种病因引起的左心室间质纤维化，主要先影响左心室心内膜下层，心内膜下左心室功能（即左心室的纵向功能）对左心室性能起关键作用，而对心肌中部和心外膜下左心室纤维（即左心室环向、径向和横向收缩和舒张功能）的影响较小[16]。有研究认为保留的左心室扭转功能是抵消HFpEF患者左心室纵向收缩功能障碍的主要代偿机制，从而维持正常的LVEF，HF－pEF不应再被认为是孤立性左心室舒张功能障碍的病理生理过程，而应被认为是LV-GLS异常的疾病[17]。LV-GLS绝对值＜16%被推荐作为诊断HFpEF的次要标准，受损的LV-GLS已被证明是HFpEF患者心源性死亡和全因死亡的风险标志[18]。

2.4.2 肿瘤治疗相关的心功能障碍（cancer therapeutics related cardiac dysfunction,CTRCD） 肿瘤治疗中最具破坏性的不良反应之一是CTRCD。CTRCD的传统定义是LVEF从基线下降＞5%低至55%以下，同时伴有心力衰竭的症状或体征，或即使没有症状或体征，LVEF从基线下降＞10%低至55%以下[19]。但是通过二维超声心动图评估LVEF的可靠性有限，并且只能检测到变化＞10%的LVEF差异，更重要的是LVEF的下降是CTRCD的晚期事件，只有在发生严重的心脏损伤之后才能检测到明显下降。对于分层应变的研究证实，随着化疗时间的延长，左心室收缩功能损伤逐步加深，最先影响内层、中层心肌，最后影响至外层[12]，因此LV-GLS是最早出现改变的参数，可以发现早期心脏损伤，不同研究所得到预测预后的临界值有所不同，波动在-10%～-15%[20]。在美国超声心动图学会和欧洲心血管影像协会的共识文件中，认为LVGLS是发现化疗患者亚临床左心室功能障碍的推荐应变参数，认为LV-GLS相对于基线降低＞15%是异常和早期左心室亚临床功能障碍的标志，而与基线相比降低＜8%则可能没有临床意义[21]。治疗前的基线LV-GLS值对于化疗后是否会出现CTRCD也有预测作用。Araujo-Gutierrez等[22]研究发现，LVEF正常但基线LV-GLS减少的患者更有可能在蒽环类药物化疗后出现CTRCD，同时增加心血管相关的死亡风险。基线LV-GLS绝对值＜18%与CTRCD风险增加4倍以上相关。Shehata等[19]认为对于既往接受过抗肿瘤治疗的患者，进行外科手术前需要进行LV-GLS检查，早期识别CTRCD可能有助于降低手术过程中可能遇到风险，如术中低血压。术前发现CTRCD可能会影响诱导药物的选择，以及需要考虑维持血流动力学稳定的药物和减少总剂量。LV-GLS在肿瘤患者中的临床应用具有广泛性，包括治疗前基线LV-GLS的评估，治疗后长期随访，以及一些手术前的风险评估。

2.4.3 冠状动脉粥样硬化性心脏病 应变成像可通过显示收缩峰值应变降低来诊断心肌缺血，但更重要的是收缩延长和收缩后缩短，这是心肌缺血功能障碍的特征。收缩期后的显著缩短可能导致接近正常的峰值应变，因此收缩功能应该使用收缩末期应变而不是峰值应变来评估[13]。早期收缩延长、收缩后缩短或与冠状动脉供应区域相对应的应变减少是诊断缺血的GLS特征[23]。同时LV-GLS可以预测梗死面积；LV-GLS绝对值＜15%可独立预测梗死质量≥30 g，其灵敏度和特异度分别为0.83和0.93[16]。分层应变可以分析心肌梗死的透壁程度，有研究表明与无心肌梗死对照组相比，非透壁性心肌梗死的心内膜层损伤大于心外膜层，透壁性心肌梗死对各层的影响结果相似，因此分层应变能更精确地区分心肌梗死类型和心肌损伤程度[24]。而3D-STI不仅在评估左心室的整体收缩功能方面优于2D-STI，还能更准确识别缺血所致局部收缩功能障碍的心肌节段，3D-STI的新参数面积应变综合了纵向和圆周两个方向的应变来进行定量计算局部室壁运动，评价局部心肌形变更准确[25]。

2.4.4 心肌病 心肌应变在鉴别诊断各种原因引起的心肌肥厚中有重要意义。心肌淀粉样变性是一种具有肥厚性表型的心肌病，在应变协助诊断前，被误诊为特发性肥厚性心肌病。心脏淀粉样蛋白浸润通常会导致心肌增厚、限制性充盈和进行性心力衰竭。相对心尖保留的LV-GLS是其特征性改变，即左心室基底和中间节段的应变比心尖节段受损更严重。心尖相对保留的GLS模式对心脏淀粉样变的诊断既敏感又具有特异性。心尖相对保留的应变比[RRSR=平均心尖GLS/（平均基底段GLS+平均中段GLS）]≥1对心脏淀粉样变性诊断的灵敏度为0.93，特异度为0.82[1]。应变减少的模式可以帮助区分心肌肥厚的病因，不同于淀粉样变性患者的心尖保留，经典的肥厚型心肌病患者表现为室间隔应变减少[16]。同时LV-GLS还有助于预测肥厚型心肌病患者的预后，在最近一项对400例肥厚型心肌病患者随访3年的研究中发现，LV-GLS是预后（室性心律失常、心力衰竭、移植和全因死亡）最强的独立预测因子，并可能有助于确定哪些患者将受益于干预措施，如心肌切除、消融等[26]。

2.4.5 心脏瓣膜病 对于心脏瓣膜疾病，决定合适的手术时机十分重要，最好在影响左心室功能前进行手术干预，因此需要早期识别心肌的损伤。LV-GLS功能受损与主动脉瓣狭窄患者手术后恢复不良甚至恶化相关[16]。一项大样本Meta分析发现，LVEF＞50%的无症状严重主动脉瓣狭窄患者，LV-GLS值低于-14.7%，与较高的死亡风险相关[27]。Vollema等[28]研究了无症状严重主动脉瓣狭窄同时LVEF保留的患者，发现基线受损（绝对值＜18.2%）预示症状恶化，需要主动脉瓣干预治疗。

主动脉瓣关闭不全在没有左心室扩大的无症状患者中，观察等待手术时机仍然是常态。然而，换瓣术后恢复情况取决于左心室功能受损的持续时间。一项无症状的严重主动脉瓣关闭不全、LVEF保留、左心室腔大小正常患者的5年随访中发现，LV-GLS低于-19.5%的长期死亡率显著高于LV-GLS高于-19.5%的患者，未接受主动脉瓣置换术的LV-GLS异常患者生存率显著降低，而未接受主动脉瓣置换术的LV-GLS正常患者的生存曲线与接受手术患者相似[29]。也有研究发现术后GLS低于-19%的患者长期死亡率也明显高于GLS正常的患者[30]。

二尖瓣关闭不全无症状患者也需要在左心室功能障碍发生前进行干预。随着疾病的进展，慢性容量超负荷时的血流动力学补偿，仍可以保留LVEF，尽管此时心肌收缩功能已经出现下降。因此，LVEF是检测心肌功能障碍的一个相对滞后的标志物。术前LVGLS损伤（绝对值＜18%）是预测术后左心室功能障碍（LVEF＜50%）的一个强有力指标，且与术前LVEF无关[16]。Namazi等[31]发现在继发性二尖瓣关闭不全的患者中，LV-GLS受损与全因死亡风险增加独立相关，而LVEF则没有。目前已经有很多研究证实LV-GLS是术后预后的独立预测因子，但阈值有所不同，波动在-17.9%～-21.7%[32]。

这些研究数据表明，在LV-GLS确定亚临床左心室功能障碍出现之前进行瓣膜干预，可能有助于更好地确定瓣膜置换术的最佳时机，并可能改善长期预后。

2.4.6 左心室同步化治疗评估 应变成像可以评估左心室变形不同步的情况，与2D-STI相比，3D-STI通过显示整个左心室应变分布的时间变化，为分析左心室非同步壁运动提供了更容易获得的图像。最近开发的一种新3D-STI系统可视化机械激活，称为“激活成像”，有助于确定最佳的左心室导联位置，以及量化左心室的不同步性[33]。

3 PSL

STI已逐渐成为评价心脏应变的可靠方法，尤其是2D-STI，目前已经有大量的研究结果支持。但STI具有负荷依赖性，前后负荷的改变，会影响应变值，后负荷的增高会造成应变值的降低，导致左心室功能评估结果存在偏差[34]。基于这一原因，Russell等[35]提出PSL来评价心肌做功这一新方法，结合STI与无创估测左心室压力技术得到左心室从二尖瓣闭合到二尖瓣开放期间的心肌各节段及整体的作功，能够客观定量地评估心肌局部及整体功能。心肌作功等于节段应变值（%）与瞬时左心室压力（mmHg）的乘积（mmHg%）。PSL包括整体作功指数（GWI）、整体有用功（GCW）、整体无用功（GWW）、整体作功效率（GWE）等参数。其中GWI为心肌17节段做功指数加权平均数；GCW为收缩期心肌缩短或舒张期心肌延长所做正功，即有助于左心室射血的功：GWW为收缩期心肌延长或舒张期心肌缩短所做负功，即对抗左心室射血的功；GWE＝GCW/（GCW＋GWW）×100%[36]。

目前已有部分研究证实了PSL在临床应用中的价值。GWI可以预测冠心病，并且在冠心病早期诊断方面较GLS可能更为敏感。在心肌病患者中也有研究发现心肌做功的参数能够敏感地反映心肌功能受损情况，在肥厚型心肌病患者中可能为预后评估提供新的危险分层方法，还可以对同步化治疗进行疗效评估[34，37-38]。通过超声心动图对心肌作功进行无创的评估具有很好的应用前景，可以评估多种心脏血管疾病。但PSL也存在很多局限性，首先受STI的影响，PSL对图像质量要求也较高，其次压力是通过袖带血压计测量的肱动脉收缩压，非实际测量值，可能并不精确，此外当存在一些疾病状态导致动脉压力与左心室压力不一致时，结果会不准确，如主动脉瓣狭窄、流出道梗阻等[36]。

4 小结

STI在临床上的应用十分广泛，尤其是LV-GLS，目前已经有大量研究证明其在临床应用中的价值。而3D-STI、分层应变及PSL等斑点追踪的新技术虽然可以提供许多增量价值，但目前的研究数据还不够充分，仍需要未来更多的大样本研究来证实，并且需要进一步的标准化，制定正常参考值，从而使这些技术可以更广泛地应用于心血管疾病的诊治中。