應(yīng)用三維超聲測量正常胎兒與先天性心臟病胎兒全腦容積的研究

龍 璨 周啟昌 曹丹鳴 周嘉煒 曾 施 田蕾琪

先天性心臟病(CHD)是當(dāng)前新生兒中發(fā)病率最高的先天畸形，在活產(chǎn)新生兒中發(fā)病率為7‰～8‰［1］。在CHD患兒中，神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育及功能異常普遍存在［2～5］，有越來越多的影像學(xué)證據(jù)表明CHD胎兒或新生兒存在神經(jīng)系統(tǒng)功能不全［6～13］。目前國外對CHD引起神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育異常的研究主要集中在心臟手術(shù)中體外循環(huán)技術(shù)的應(yīng)用，或術(shù)中心臟停博時間對于神經(jīng)系統(tǒng)的損傷，以及術(shù)后神經(jīng)系統(tǒng)保護措施的療效等，研究方法多采用MRI對比評估大腦白質(zhì)損傷與腦室周圍白質(zhì)軟化，結(jié)合病理分析對大腦的損傷進行研究［3］，而少有關(guān)于兒童CHD術(shù)前或CHD胎兒產(chǎn)前神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育異常與損傷的研究。目前國內(nèi)對于胎兒顱腦的MRI實施難度大，尚未普及，相關(guān)研究幾近空白;且國內(nèi)外對CHD胎兒顱腦血流動力學(xué)變化的研究少有涉及;目前國內(nèi)外研究數(shù)據(jù)分析表明，CHD胎兒在發(fā)生神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)損傷的同時，多會伴有神經(jīng)系統(tǒng)功能的改變及腦血流動力學(xué)的變化［14，15］。因此，如果能運用超聲診斷技術(shù)將CHD患兒或胎兒神經(jīng)系統(tǒng)損傷情況的評估提早到術(shù)前或產(chǎn)前，將會為臨床早期干預(yù)、早期治療提供指導(dǎo)性意見，減輕出生后或術(shù)后神經(jīng)系統(tǒng)損傷的程度，甚至可以降低或預(yù)防神經(jīng)系統(tǒng)損傷的發(fā)生與進展。

1 方法

1.1 研究設(shè)計 選擇未發(fā)現(xiàn)明顯異常的胎兒(正常胎兒組)，測量雙頂徑(BPD)和頭圍(HC);選擇發(fā)現(xiàn)CHD的胎兒并測量BPD及HC，在產(chǎn)后新生兒超聲和終止妊娠胎兒尸體解剖診斷為CHD(CHD胎兒組)，初步建立正常胎兒三維全腦容積參數(shù)及其與胎兒孕周、BPD、HC變化的生長曲線及其與CHD胎兒的差異。

1.2 正常胎兒組納入和剔除標(biāo)準(zhǔn) ①孕18～36周在中南大學(xué)湘雅二院(我院)超聲科常規(guī)產(chǎn)前檢查及產(chǎn)科超聲檢查并經(jīng)本文第一作者確認(rèn)的未發(fā)現(xiàn)明顯異常的胎兒;②單胎妊娠;③孕婦在懷孕期間否認(rèn)服用致畸性藥物，孕婦無CHD等家族病史，無妊娠期糖尿病、高血壓等產(chǎn)科并發(fā)癥。剔除孕期因產(chǎn)婦因素終止妊娠胎兒。

需要說明的是，鑒于文獻(xiàn)報道，產(chǎn)前超聲篩查為正常的胎兒在產(chǎn)后經(jīng)超聲證實為CHD的概率約為0.3%［16］，本研究未對正常胎兒組行產(chǎn)后超聲檢查。

1.3 胎兒CHD的超聲診斷 運用二維超聲結(jié)合彩色多普勒超聲觀察胎兒心臟的四腔心切面(橫向、縱向)，左、右室流出道切面，三血管切面，三血管-氣管切面，大動脈短軸切面，主動脈弓切面，上、下腔靜脈匯入右心房切面等，并測量胎兒心臟各房室大小，主動脈、肺動脈的內(nèi)徑及流速;通過切面的觀察及數(shù)據(jù)的測量分析胎兒心臟是否存在結(jié)構(gòu)和節(jié)律異常，若存在異常，則需明確CHD的類型。

1.4 CHD胎兒組納入標(biāo)準(zhǔn) ①孕18～36周在我院超聲科產(chǎn)前常規(guī)超聲檢查并經(jīng)本文第一作者確認(rèn)的胎兒CHD;②新生兒期行心臟超聲檢查或經(jīng)胎兒父母同意并簽署授權(quán)書后終止妊娠行胎兒尸體解剖，證實CHD的胎兒。

1.5 CHD胎兒組排除標(biāo)準(zhǔn) ①胎兒染色體異常及合并其他超聲檢查可識別的心外畸形;②孕中多次超聲檢查提示胎兒宮內(nèi)發(fā)育遲緩;③合并可能導(dǎo)致胎兒宮內(nèi)缺氧的危險因素，如:通過超聲確定胎盤功能不全，胎兒臍帶繞頸等;④母親患有可能會影響妊娠期胎兒血流動力學(xué)的疾病(妊娠期糖尿病、妊娠期高血壓、甲狀腺功能亢進等);⑤母親末次月經(jīng)時間不詳，無法準(zhǔn)確判斷孕齡;⑥雙胎妊娠;⑦未引起明顯血流動力學(xué)改變的CHD或心臟先天性腫瘤。

1.6 診斷胎兒CHD后的處理原則 產(chǎn)前超聲診斷為CHD的胎兒，均向孕婦及其家屬告知胎兒目前在宮內(nèi)的生長發(fā)育情況、可能的發(fā)育趨勢、預(yù)后、產(chǎn)后治療的可能性以及超聲檢查的局限性等。根據(jù)胎兒父母的意愿，選擇繼續(xù)妊娠的胎兒，每隔4～6周行超聲檢查直至分娩，新生兒期行彩色多普勒心臟超聲復(fù)查;選擇引產(chǎn)終止妊娠者行胎兒尸體解剖，確定CHD類型。

1.7 胎兒孕周的確定 胎兒孕周的主要依據(jù)孕婦的末次月經(jīng)時間，并在孕早期進行超聲檢查時測量胚胎的頭臀長估測實際孕周來進行校正。

1.8 測量指標(biāo)及方法 采用GE Voluson Expert E8彩色多普勒超聲診斷儀，二維腹部凸陣探頭(頻率為3.0～6.0 MHz)測量胎兒BPD和HC，RAB 4-8-D三維容積探頭(頻率為4～8 MHz)測量胎兒三維全腦容積。

1.8.1 BPD和HC測量方法 取丘腦水平的橫切面。圖像清楚明確地顯示透明隔腔、雙側(cè)丘腦以及丘腦間的第三腦室，且兩側(cè)丘腦對稱，顱骨光環(huán)連續(xù)完整呈橢圓形且左右對稱。BPD的標(biāo)準(zhǔn)測量是垂直于腦中線測量從近場顱骨骨板的外側(cè)緣至遠(yuǎn)場顱骨骨板的內(nèi)側(cè)緣之間的距離;HC的標(biāo)準(zhǔn)測量是測量曲線恰好完整包繞顱骨光環(huán)的外側(cè)緣長度。

1.8.2 胎兒三維全腦容積計算方法 使用三維容積探頭獲取胎兒顱腦的三維全腦容積圖像，孕婦取仰臥位，調(diào)節(jié)增益、深度及聚焦等，將二維圖像質(zhì)量調(diào)整到最佳且能較清晰顯示胎兒顱腦結(jié)構(gòu)時啟動3D模式，根據(jù)胎頭的大小調(diào)整取樣框的大小，使胎頭占取樣框面積的3/4左右，掃查角度設(shè)為80°，掃查的質(zhì)量獲取設(shè)置為高質(zhì)量，在胎兒沒有胎動時囑孕婦屏氣以BPD切面(即丘腦水平切面)采集胎兒顱腦的三維圖像，所獲取的三維圖像要求能包含整個胎頭。在獲取胎兒顱腦三維容積圖像后檢查橫切面、冠狀切面和矢狀切面，在橫切面及冠狀切面的圖像均能清晰顯示，未出現(xiàn)扭曲及模糊的圖像即認(rèn)為該三維容積圖像有效，以DICOM模式存儲于儀器硬盤中。使用GE Kretz 4D View軟件(version 7.0)采用虛擬器官計算機輔助分析技術(shù)(VOCAL技術(shù))進行三維全腦容積分析。測量起始切面為丘腦水平橫切面，即BPD和HC的標(biāo)準(zhǔn)測量切面。圖像描

繪時以BPD測量徑線為旋轉(zhuǎn)軸，測量的兩個頂點分別置于胎兒顱骨的內(nèi)側(cè)面。旋轉(zhuǎn)角度為30°，共計生成6個在空間上相互關(guān)聯(lián)的獨立描繪測量切面，在每個切面上使用Sphere法進行描繪，描繪時盡可能使每個描繪切面上胎兒的顱骨能較為完整的顯示，描繪曲線沿顱骨的內(nèi)側(cè)面進行，通過軟件包整合每一個獨立切面的數(shù)據(jù)信息并重建出三維數(shù)據(jù)模型，計算出胎兒全腦的三維體積。

1.9 統(tǒng)計學(xué)方法 研究過程中取得的所有數(shù)據(jù)采用SPSS 17.0統(tǒng)計軟件包進行統(tǒng)計學(xué)分析。計算正常胎兒組各孕周三維全腦容積的范圍、中位數(shù)和±s。對正常胎兒組三維全腦容積與孕周、BPD及HC關(guān)系采用曲線回歸及多項式回歸模型，采用復(fù)相關(guān)系數(shù)R評價兩者間的相關(guān)性，R值越大，證明兩者間的相關(guān)性越好;采用決定系數(shù)R2評價曲線的擬合程度，R2值越大，證明曲線的擬合程度越好。對于正常胎兒組與CHD胎兒組三維全腦容積、BPD和HC的比較采用t檢驗。(P＜0.05)為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 一般情況 2013年2月至2014年2月在我院超聲科進行產(chǎn)前常規(guī)超聲檢查的孕婦，符合本文正常胎兒組的納入標(biāo)準(zhǔn)172例胎兒，剔除4例因胎膜早破等其他原因終止妊娠胎兒，正常胎兒組168例數(shù)據(jù)進入本文分析，孕20～36(27.8±4.5)周。符合本文CHD胎兒組納入標(biāo)準(zhǔn)86例胎兒，剔除2例合并心外畸形，4例母親患有妊娠期糖尿病、妊娠期高血壓、甲狀腺功能亢進等疾病，7例新生兒期未行心臟超聲檢查或終止妊娠未行尸體解剖的胎兒，CHD胎兒組73例進入本文分析，孕20～36(27.6±4.1)周，其中28例經(jīng)尸體解剖證實為CHD，余為經(jīng)由產(chǎn)后超聲檢查證實為CHD。CHD類型:左心發(fā)育不良綜合征15例、主動脈弓發(fā)育不良12例、主動脈弓離斷2例、右心發(fā)育不良綜合征3例、法洛氏四聯(lián)癥9例、肺動脈狹窄6例、完全型大動脈轉(zhuǎn)位11例、永存動脈干5例、完全型房室間隔缺損6例、大室間隔缺損(類似單心室)4例。

2.2 正常胎兒組三維全腦容積 表1顯示，20～36孕周三維全腦容積范圍、中位數(shù)和±s。胎兒三維全腦容積隨著孕周的增加而增大。

2.3 正常胎兒組三維全腦容積與孕周、BPD和HC相關(guān)性

將正常胎兒組三維全腦容積與孕周的關(guān)系進行曲線擬合，在常用的數(shù)字模型中，S曲線、二次方程和三次方程模型的曲線擬合R2較高，分別為0.976、0.973和0.973。胎兒三維全腦容積與孕周關(guān)系的S曲線方程式為:胎兒三維全腦容積=e8.321-85.031/孕周，其擬合曲線圖如圖1A所示。

胎兒三維全腦容積隨著BPD的增加而增大，將胎兒三維全腦容積與BPD的關(guān)系進行曲線擬合，S曲線、冪函數(shù)模型具有較高的曲線擬合R2，分別為0.970和0.968;胎兒三維全腦容積與BPD關(guān)系的S曲線方程式為:胎兒三維全腦容積=e8.006-19.425/BPD，擬合曲線如圖1B所示。

表1 正常胎兒組各孕周三維全腦容積(mL)范圍、中位數(shù)和均值、標(biāo)準(zhǔn)差Tab 1Thedistribution of 3D brain volume in normal fetuses by gestational week

圖1 正常胎兒組三維全腦容積與孕周、BPD和HC關(guān)系的散點圖及擬合曲線Fig 1The scattergram of fetal 3D brain volume versus gestational age，biparietaldiameter andhead circumference，and the fitting curve

胎兒三維全腦容積隨著HC的增加而增大，將胎兒三維全腦容積與HC的關(guān)系進行曲線擬合，冪函數(shù)、二次方程和三次方程模型的曲線擬合R2較高，分別為0.992、0.990和0.990;胎兒三維全腦容積與HC關(guān)系的冪函數(shù)方程式為:胎兒三維全腦容積=0.005×HC3.211，擬合曲線如圖1C所示。

2.4 CHD胎兒組與正常胎兒組BPD、HC和三維全腦容積測值的結(jié)果比較 表2顯示，兩組全樣本和＜30孕周樣本的BPD和HC差異均無統(tǒng)計學(xué)意義;而在≥30孕周樣本中，CHD胎兒組的BPD和HC均小于正常胎兒組，差異有統(tǒng)計學(xué)意義((P＜0.05))。兩組全樣本和≥30孕周樣本中，

CHD胎兒組的三維全腦容積均小于正常胎兒組，差異有統(tǒng)計學(xué)意義((P＜0.05));而＜30孕周樣本三維全腦容積差異無統(tǒng)計學(xué)意義。圖2顯示，CHD胎兒組和正常胎兒組三維全腦容積均隨孕周增加而增大，但隨著孕周增加，兩組三維全腦容積的差距呈逐漸增大趨勢。

表2 正常胎兒組與CHD胎兒組測量參數(shù)的比較Tab 2 3D ultrasound measurements between normal group and CHD group

圖2 CHD胎兒組與正常胎兒組三維全腦容積與孕周關(guān)系散點圖Fig 2The scattergram of fetal 3D brain volume and gestational age in normal group and CHD group

3 討論

現(xiàn)有研究表明胎兒在胎盤功能不全、宮內(nèi)生長受限［17］以及患有嚴(yán)重CHD［18～20］等導(dǎo)致胎兒宮內(nèi)缺氧的情況下會出現(xiàn)“腦保護效應(yīng)”［21］，即胎兒在缺血缺氧的病理狀態(tài)下會導(dǎo)致心輸出量的重新分布、心率調(diào)節(jié)和大動脈壓升高等一系列應(yīng)激反應(yīng)［22，23］，腦部、心臟等重要器官的血管擴張，而腎臟、肢體等相對次要器官的血管收縮，從而使得心、腦等重要系統(tǒng)的血液供應(yīng)能夠得到最大限度的保證，形成對胎兒整體發(fā)育限制而對腦發(fā)育保證的模式［24］。在CHD胎兒中，類似的“腦保護效應(yīng)”也會發(fā)生，通過調(diào)整腦/臍血管比值從而保證腦部的血流量。運用超聲對于腦血流動力學(xué)的研究最早見于2001年，Meise等［25］對CHD胎兒的血流動力學(xué)及大腦中動脈的頻譜研究，提示患有CHD的胎兒大腦中動脈搏動指數(shù)(MCA-PI)及臍動脈搏動指數(shù)(UA-PI)與正常胎兒組差異無統(tǒng)計學(xué)意義。但隨后Kaltman等［20］和Modena等［26］的研究表明CHD胎兒腦血流阻力降低，MCA-PI低于正常胎兒。2009年周啟昌等［14］對于CHD胎兒腦血流動力學(xué)根據(jù)CHD的類型進行了更加詳細(xì)的分組研究，研究結(jié)果表明各種類型的宮內(nèi)CHD胎兒均出現(xiàn)MCA-PI下降、UA-PI升高和腦/臍血管比值(CPR)降低等一系列血流動力學(xué)改變。而在其他影像學(xué)檢查手段方面，Licht等［267］于2004年的研究表明，在具有左心發(fā)育不良綜合征及大動脈轉(zhuǎn)位的復(fù)雜CHD的新生兒中應(yīng)用MRI技術(shù)，測量所得的腦血流量降低，且這一部分CHD新生兒的HC也低于正常新生兒，提示可能新生兒大腦生長與發(fā)育的受損［16］。這與在本研究中CHD胎兒三維全腦容積較正常胎兒減小的結(jié)論相一致。

目前衡量和判斷胎兒神經(jīng)系統(tǒng)生長與發(fā)育的主要超聲指標(biāo)是胎兒的BPD、小腦橫徑和HC，存在較大的局限性，有研究表明胎兒的顱腦容積值比徑線值能更準(zhǔn)確的反映胎兒顱腦發(fā)育的水平。本研究通過采集正常胎兒顱腦的三維圖像建立在各個孕周的三維全腦容積的參考值范圍，建立胎兒三維全腦容積與孕周的關(guān)系曲線;測量CHD胎兒的三維全腦容積，與相同孕周正常胎兒進行對比。本研究發(fā)現(xiàn)正常胎兒的顱腦容積隨著胎兒孕周的增長而增長，并得到了胎兒三維全腦容積隨孕周、BPD及HC增長的增長曲線，各孕周胎兒三維全腦容積測量的范圍、中位數(shù)、±s參考值，為后續(xù)對胎兒神經(jīng)系統(tǒng)生長發(fā)育情況、分析與對比提供了一定的參考數(shù)據(jù)。而對≥30孕周CHD胎兒的三維全腦容積的研究表明，其三維全腦容積＜同孕周正常胎兒，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。這表明，CHD對于胎兒神經(jīng)系統(tǒng)的生長發(fā)育有影響，將會導(dǎo)致胎兒神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育較同孕周正常胎兒減慢。

本研究存在一定局限性:①樣本量相對較少，疾病種類不夠全面，未能根據(jù)胎兒CHD的類型、血流動力學(xué)改變的特點進行更為詳細(xì)的分類及統(tǒng)計學(xué)分析，只對于患有CHD的胎兒與正常胎兒的三維全腦容積關(guān)系進行了概況的研究;②本研究不同孕周胎兒的三維全腦容積為橫斷面數(shù)據(jù);③目前應(yīng)用三維超聲進行胎兒三維全腦容積測量的方法國內(nèi)外尚無公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)，對于測量方法的準(zhǔn)確性及可靠性仍需進一步的研究驗證，以期確立一個可重復(fù)性強、可操作性高、可信度高的測量方法。

［1］Allan LD， Crawford DC， Chita SK，et al.Prenatal screening for congenital heart disease.Br Med J(Clin Res Ed)，1986，292(6537):1717-1719

［2］Dittrich H， Buhrer C， Grimmer I， et al.Neurodevelopment at 1 year of age in infants with congenital heart disease.Heart，2003，89(4):436-441

［3］Ballweg JA， Wernovsky G， Gaynor JW.Neurodevelopmental outcomes following congenital heart surgery.Pediatr Cardiol，2007，28(2):126-133

［4］Massaro AN，El-Dib M，Glass P，et al.Factors associated with adverse neuro developmental outcomes in infants with congenital heart disease.Brain Dev，2008， 30(7):437-446

［5］Tabbutt S， Nord AS， Jarvik GP， et al.Neurodevelopmental outcomes after staged palliation for hypoplastic left heart syndrome.Pediatrics， 2008， 121(3):476-483

［6］Te Pas AB， van Wezel-Meijler G， Bokenkamp-Gramann R， et al.Preoperative cranial ultrasound findings in infants with major congenital heart disease.Acta Paediatr， 2005， 94(11):1597-1603

［7］Hinton RB， Andelfinger G， Sekar P， et al.Prenatal head growth and white matter injury in hypoplastic left heart syndrome.Pediatr Res， 2008， 64(4):364-369

［8］Limperopoulos C，Tworetzky W，McElhinney DB，et al.Brain volume and metabolism in fetuses with congenital heart disease:evaluation with quantitative magnetic resonance imaging and spectroscopy.Circulation，2010，121(1):26-33

［9］ Berman JI， Hamrick SE， McQuillen PS， et al.Diffusionweighted imaging in fetuses with severe congenital heart defects.AJNR Am J Neuroradiol， 2011， 32(2):E21-22

［10］Clouchoux C， du Plessis AJ， Bouyssi-Kobar M， et al.Delayed cortical development in fetuses with complex congenital heart disease.Cereb Cortex，2013， 23(12):2932-2943

［11］Mahle WT， Tavani F， Zimmerman RA， et al.An MRI study of neurological injury before and after congenital heart surgery.Circulation，2002，106(12 S 1):109-114

［12］ Hoffman J， Kaplan S.The incidence of congenital heart disease.J Am Coll Cardiol， 2002， 39(12):1890-1900

［13］McQuillen PS， Hamrick SE， Perez MJ， et al.Balloon atrial septostomy is associated with preoperative stroke in neonates with transposition of the great arteries.Circulation，2006，113(2):280-285

［14］Tan Y(譚宜)， Xu GX，Zhou QC， et al.Clinical study of cerebrovascular blood flow dynamics in fetus with congenital heart disease.Chin J Ultrasonogr(中華超聲影像學(xué)雜志)，2010，19(2):148-152

［15］Benavides-serralde A，Hernandez-Andrade E，F(xiàn)ernandez-Delgado J，et al.Three-dimensional sonographic calculation of the volume of intracranial structures in growth-restricted and appropriate-for-gestational age fetuses.Ultrasound Obstet Gynecol， 2009， 33(5):530-537

［16］Jie LL(接連利)，Liu QH， Wu NS， et al.Study of fetal congenital heart disease diagnosed by color Doppler echocardiography.Chin J Ultrasonogr(中華超聲影像學(xué)雜志)，2002，11(2):98-100

［17］Barbu D， Mert I， Kruger M， et al.Evidence of fetal central nervous system injury in isolated congenital heart defects:microcephaly at birth.Am J Obstet Gynecol， 2009， 201(1):43.e1-7

［18］Jouannic JM，Benachi A，Bonnet D，et al.Middle cerebral artery Doppler in fetuses with transposition of the great arteries.Ultrasound Obstet Gynecol， 2002， 20(2):122-124

［19］Donofrio MT，Bremer YA，Schieken RM，et al.Autoregulation of cerebral blood flow in fetuses with congenital heart disease:the brain sparing effect.Pediatr Cardiol， 2003，24(5):436-443

［20］Kaltman JR， Di H， Tian Z， et al.Impact of congenital heart disease on cerebrovascular blood flow dynamics in the fetus.Ultrasound Obstet Gynecol， 2005， 25(1):32-36

［21］Rizzo Q，Capponi A，Arduini D，et al.The value of fetal arterial，cardiac and venous flows in predicting pH and blood gases measured in umbilical blood at cordocentesis in growth retarded fetuses.Br J Obstet Gynaecol， 1995， 102(12):963-969

［22］Cohn H，Sacks E，Heymann M，et al.Cardiovascular responses to hypoxaemia in fetal lambs.Am J Obstet Gynecol，1974，120(6):817-824

［23］Arbeille P， Maulik D， Fignon A， et al.Assessment of the fetal p02 changes by cerebral and umbilical Doppler on lamb fetuses during acute hypoxia.Ultrasound Med Biol， 1995， 21(7):861-870

［24］Groenenberg IA， Wladimiroff JW，Hop WC.Fetal cardiac and peripheral arterial flow velocity waveforms in intrauterine growth retardation.Circulation，1989，80(6):1711-1717

［25］Meise C，Germer U， Gembruch U， et al.Arterial Doppler ultrasound in 115 second-and third-trimester fetuses with congenital heart disease.Ultrasound Obstet Gynecol， 2001， 17(5):398-402

［26］Modena A， Horan C， Visintine J， et al.Fetuses with congenital heart disease demonstrate signs of decreased cerebral impedance.AAm J Obstet Gynecol， 2006， 195(3):706-710

［27］Licht DJ， Wang J， Silvestre DW， et al.2004.Preoperative cerebral blood flow is diminished in neonates with severe congenital heart defects.J Thorac Cardiovasc， 2004， 128(6):841-849