定量组织速度成像技术评价正常人膈肌收缩运动的研究

景红霞,肖 飞,胡 培,武文斌,郑光美,许 涛

膈肌是人体最主要的呼吸肌,承担着60%～80%的通气需要,膈肌功能是决定病人通气功能的重要因素。目前,M型超声可以用来评价膈肌运动的收缩功能,已广泛用于慢性阻塞性肺疾病(COPD)、重症肌无力以及需要无痛检查、神经阻滞等病人中,能对这些病人呼吸运动进行直接、准确、客观的量化评价。与M型超声相比,定量组织速度成像技术(quantitative tissue velocity imaging,QTVI)可获取同一呼吸运动周期内膈肌不同点的位移-时间曲线,本文在M型超声的基础上,研究了QTVI用于定量评价健康人群膈肌运动的可行性,旨在为后续QTVI定量评价病理状态下的膈肌运动提供客观依据。

1 资料与方法

1.1 研究对象 选取2018年5月至2019年12月在我院超声科体检的43名健康成年人为研究对象,其中男22名,女21名,年龄(37.5±4.3)岁,体质量指数(21.6±2.2)kg/m2,均无吸烟史,既往无慢性支气管炎和/或肺气肿病史,无胸腔脏器手术史,无慢性代谢性疾病,未使用过影响肌肉结构的药物,肺功能检测:第1秒用力呼气量(forced expiratory volume in one second,FEV1)/用力肺活量(forced vital capacity,FVC)>70%及FEV1>80%预计值。本研究经湖北省十堰市人民医院伦理委员会批准,并获得所有入选人的知情同意。

1.2 仪器与方法

1.2.1 仪器 采用GE Vivid E9型彩色多普勒超声诊断仪和Easy-One肺功能检测仪,超声探头频率为3.5 MHz。

1.2.2 肺功能测定 受测试者取坐位,头保持自然水平或稍微上仰,室温条件下,加鼻夹,牙齿咬紧口器,嘴唇包住口罩,不能漏气,避免过紧的腰带、胸带和衣服,均测试FEV1、FVC,测试重复3次,并记录最佳值,入选标准为:FEV1/FVC>70%及FEV1>80%预计值。

1.2.3 M型超声测量膈肌运动幅度、收缩持续时间及收缩强度 病人取仰卧位,双下肢稍屈曲,将探头放置于右锁骨中线与右肋缘下连线交点的位置,在二维超声清晰显示膈肌后,再将M型采样线垂直于膈肌,嘱受检者平静平稳呼吸,获取受检者膈肌运动的M型曲线图,选呼吸深度相近的3组波型,分别测量波谷至波峰的距离,取平均值,获得膈肌运动幅度即膈肌活动度;分别测得3组波谷至波峰所需的时间,获得膈肌收缩持续时间,取平均值;膈肌收缩强度用测定的膈肌收缩距离与持续时间乘积表示;按同样方法获得深呼吸状态下膈肌的运动幅度、收缩持续时间及收缩强度。

1.2.4 组织多普勒测量膈肌运动幅度、膈肌收缩持续时间及收缩强度 在M型超声的同一采取点,嘱受检者平静呼吸,在二维超声显示清晰的膈肌后,启用QTVI,通过Q-analgy得到膈肌位移-时间曲线图,当出现比较平稳的波型时,可暂停图像,在膈肌位移-时间曲线图中测量3个波谷至波峰的距离,并取平均值,即膈肌的运动幅度,分别测得3组波谷至波峰所需的时间,获得膈肌收缩持续时间,取平均值,膈肌收缩强度用测定的膈肌收缩距离与持续时间乘积表示;用同样方法嘱病人深呼吸,获得膈肌的运动幅度、收缩持续时间及收缩强度。

1.2.5 组织多普勒超声观测同一呼吸运动周期内膈肌运动的同步性 嘱受检者平静呼吸,二维超声清晰显示膈肌,将膈肌平均分成三等分(分别为右侧膈肌脚、右膈顶及右侧肋缘),启用QTVI及Q-analgy,分别取膈肌三等分的中点得到同一呼吸运动周期该三点的膈肌位移-时间曲线图。

1.2.6 观察指标 平静呼吸及深呼吸状态下,M型超声分别测得的膈肌的运动幅度、膈肌收缩持续时间及收缩强度;平静呼吸及深呼吸状态下,QTVI分别测得的膈肌的运动幅度、膈肌收缩持续时间及收缩强度;膈肌三等分的中点同一呼吸运动周期内运动的同步性。

1.3 统计学方法 采用t检验和Pearson相关分析。

2 结果

2.1 M型超声与QTVI测得的膈肌运动幅度比较 平静呼吸及深呼吸状态下,M型与QTVI测得的膈肌运动幅度比较差异均无统计学意义(P>0.05)(见图1～4、表1)。

表1 M型与QTVI测得的膈肌运动幅度比较

2.2 M型超声与QTVI测得的膈肌收缩持续时间、收缩强度比较 平静呼吸及深呼吸状态下,M型与QTVI测得的膈肌收缩持续时间及收缩强度比较差异均无统计学意义(P>0.05)(见表2)。

表2 M型与QTVI测得的膈肌收缩持续时间、收缩强度比较

2.3 深呼吸状态下2种方法所得膈肌运动幅度、收缩强度与肺功能的相关性 深呼吸状态下M型与QTVI所测得的膈肌运动幅度、收缩强度与肺功能具有较强的正相关(P<0.01)(见表3)。

表3 深呼吸状态下2种方法所得膈肌运动幅度、收缩强度与肺功能相关系数(r)

2.4 同一呼吸运动周期膈肌运动的同步性 正常人膈肌不同点在同一呼吸运动周期内具有同步性(见图5)。

3 讨论

膈肌是重要的呼吸肌,吸气时膈肌收缩,膈穹窿下降,胸腔容积扩大,压力减少,以助吸气;呼气时,膈肌松弛,膈穹窿上升恢复原位,胸腔容积减少,压力增大,以助呼气,临床主要依据膈肌运动的改变来判断膈肌的受损程度。评价膈肌运动功能的方法主要有肺功能指标、电生理检查和影像学检查等。肺功能检查时部分病人配合差,检查结果不够准确,临床不推荐使用;颤搐性跨膈压是评价膈肌功能较为准确的方法,但需要通过留置监测食管压和胃内压的导管才能获得,操作复杂,病人会感到痛苦;影像学检查主要指X线、CT、磁共振成像和超声,X线、CT均有放射线,不适合重复多次检查,磁共振成像检查耗时多,氧气等设备不能进入,限制了其使用[1]。

由于膈肌是一种肌性结构,在超声图像上可被辨识,其右侧部分与肝脏相贴,左外侧与脾脏相邻,肝脏与脾脏均可提供良好的声窗,为膈肌的超声探查奠定了基础。超声具有非放射性、非侵入性、快速、简便、可重复多次操作等优点,在测定膈肌功能方面具有较好的应用前景,对于急危重症病人,超声可实时床旁操作,床旁超声与标准超声比较,在评价膈肌功能方面效能相似[2]。目前临床上M型超声已广泛用于评估COPD病人及重症肌无力病人膈肌的功能,评价需要无痛检查、神经阻滞病人的膈肌运动,指导机械通气病人撤机等。检测指标主要包括膈肌厚度、膈肌运动幅度、膈肌的收缩持续时间及收缩强度等。M型超声和QTVI均可测量膈肌的运动幅度及收缩持续时间,有报道[3]超声对膈肌头尾向运动评估是研究膈肌动力学的有效指标,本文选取了膈肌头尾向运动的运动幅度以及与其相关的收缩持续时间、收缩强度作为观测指标。因为受左侧胃内气体干扰,加上脾脏声窗范围小,使左侧膈肌测量较为有限[4],超声对左侧膈肌的检测成功率最低时仅为21.5%[5],超声对右侧膈肌的检测准确性更高[6-7],所以本研究均检测受检者右侧膈肌的运动情况,检查时需嘱受检者平静平稳呼吸,尽量取波型相近的几组取平均值,否则不同呼吸运动周期所测得数值将会有较大的差异。

QTVI现已广泛用于心肌的运动,它是应用多普勒效应对心肌组织的多普勒频移信息进行彩色编码,并删除高速血流信号,仅显示心肌的低速运动信号,从而获得有关心肌运动的位移、速度的定量资料,能更直接、准确地评价左心室收缩舒张功能。QTVI图像完全依赖于心肌运动所产生的多普勒频移信号,而不受组织回声信号振幅大小的影响,因此,即使常规超声图像显示欠清晰的病人,QTVI仍能较好地用于心肌运动显像和进行定量分析。QTVI可同时获取多个部位心肌组织运动的位移-时间曲线图和速度-时间曲线图,并可用于心肌节段运动同步性评估。而膈肌的运动类似心肌,也为低速运动,可用QTVI将膈肌多普勒频移信息进行彩色编码,获得有关膈肌运动的位移的定量资料,同样,对于部分肥胖病人即便常规二维超声膈肌显示欠清晰,QTVI仍能较好地用于膈肌运动显像和进行定量分析。

本研究结果显示正常健康人群在平静呼吸及深呼吸状态下,QTVI与M型超声所测得的膈肌运动幅度比较差异均无统计学意义(P>0.05),说明QTVI检测膈肌运动幅度能用于评价膈肌运动功能。有研究[8]显示,M型超声评估膈肌功能的准确性与颤搐性跨膈压相关性良好,约为86%,其中膈肌的运动幅度与最大跨膈压具有很好的相关性。有报道[4]膈肌运动位移≥10 mm可作为脱机拔管很好的预测指标。在神经阻滞及无痛检查病人中膈肌运动位移下降≥50%诊断为膈肌部分麻痹;膈肌运动位移下降≥75%诊断为膈肌完全麻痹[9]。在COPD病人中,急性加重期无呼吸衰竭时病人膈肌运动幅度略高于正常水平,可能与病人呼吸代偿增强有关,当合并呼吸衰竭时因呼吸肌疲劳,膈肌运动幅度降低。

本研究中在正常健康人群平静呼吸及深呼吸状态下,QTVI与M型超声所测得的膈肌收缩持续时间、收缩强度比较差异也均无统计学意义(P>0.05),说明QTVI检测膈肌收缩持续时间和收缩强度也能很好地用于评价膈肌运动功能。膈肌收缩持续时间、收缩强度是评价膈肌运动功能的另一有价值的参数,研究[1,10]显示在机械通气病人中因呼吸机输送的压力会导致膈肌被动移位,对于这部分病人仅用膈肌运动幅度这一参数来评价并不能真实反映病人膈肌本身的运动功能,膈肌收缩强度及膈肌收缩持续时间可以反映这部分病人膈肌力量,能更准确地评估这部分病人膈肌功能。超声检测膈肌运动幅度简易快速,适用于COPD、重症肌无力、神经阻滞、无痛检查等大部分病人及急危症病人,超声检测膈肌收缩持续时间及收缩强度所需时间相对长,不适合急危症病人,但在机械通气病人中应为首选。

本研究中,M型超声和QTVI技术测得的健康成年人右侧膈肌运动幅度及收缩强度与肺功能均具有很好的相关性,进一步提示可以应用QTVI来观察膈肌的运动功能,以此来判断肺功能情况,具有潜在的临床价值。有研究[11-12]也显示健康成年人膈肌的运动幅度与肺功能的结果具有良好的相关性,在COPD病人中,膈肌的运动幅度与肺功能也具有良好的相关性。

本研究中观察了QTVI应用于正常人膈肌不同点在同一呼吸运动周期内的位移-时间曲线图,发现在右侧膈肌脚、右膈顶及右侧肋缘三者运动具有同步性。这是QTVI相比M型超声的优势所在。膈肌运动特性为持续节律性的主动运动,其正常工作依赖完整神经支配、充分血液供应和足够糖原储备。有研究[13]在COPD病人中膈肌功能障碍的发生机制主要包括氧化应激、肌纤维蛋白降解/合成失衡、膈肌细胞增殖/凋亡失衡、相对中枢呼吸驱动不足4种,这4种机制均可导致膈肌内在病变,最终引起膈肌形态学的改变。在呼吸系统慢性疾病中随着病情进展,膈肌受到慢性缺氧、营养不良及炎症反应等因素的影响,会发生结构和功能的改变[14-16]。膈肌各部位中这些形态学、结构及功能的改变是否存在差异性,是否会导致膈肌各部位对膈神经的反应存在差异性,膈肌本身的运动是否存在着不同步性,如果存在不同步性是否会影响到病人的肺功能?这些正是笔者后续要观察的内容,并尝试着用QTVI去发现并且去解决这些问题,本研究为后续将要做的研究奠定了基础,提供了客观的依据及方法。

综上所述,QTVI能很好地反映正常健康人膈肌的运动情况,为评价病理状态下的膈肌运动提供了可行性的基础。与M型超声相比,QTVI的优势在于它更适用于超声图像质量差的病人,并可对膈肌在同一呼吸运动周期中的同步性进行评估,具有潜在的临床应用价值。