超聲新技術(shù)評估心肌僵硬度的研究進(jìn)展*

程 巧，畢小軍

華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬同濟(jì)醫(yī)院超聲影像科，武漢 430030

心肌僵硬度(myocardial stiffness，MS)是指心肌受到應(yīng)力發(fā)生應(yīng)變的能力[1]，它是心臟舒張功能障礙(diastolic dysfunction，DD)病理生理學(xué)的重要組成部分[2-4]，也是臨床評估高血壓、心肌病以及射血分?jǐn)?shù)保留性心衰(heart failure with preserved ejection fraction，HFpEF)等心血管疾病舒張功能的重要參數(shù)[5-7]。在各種病理狀態(tài)下，心肌細(xì)胞膠原含量以及膠原表型將發(fā)生改變，Ⅰ型膠原和Ⅲ型膠原比例失衡，心肌間質(zhì)纖維膠原增加和沉積，心肌出現(xiàn)纖維化從而導(dǎo)致心肌僵硬。目前，通過心臟導(dǎo)管測得的壓力-容積環(huán)是評估MS的臨床金標(biāo)準(zhǔn)[8]。但作為一種有創(chuàng)檢查，它不僅對設(shè)備有較高要求、費(fèi)用高昂，而且存在一定風(fēng)險(xiǎn)，這使其臨床應(yīng)用受到一定限制。超聲作為一種操作便捷、無創(chuàng)的檢查方式，可提供心臟結(jié)構(gòu)、功能和血流動力學(xué)的基本信息，在MS的評估中起著關(guān)鍵作用。

機(jī)械波是由心肌運(yùn)動或者外力激發(fā)產(chǎn)生的波，當(dāng)其作用于心肌組織時(shí)，由于組織自身的彈性力學(xué)等物理特性的存在，心肌組織將產(chǎn)生位移、應(yīng)變、形變等，通過對這些信息的測量，可用于評估心肌的MS。近年來，用于評估MS的機(jī)械波分為兩種：一種為利用心臟運(yùn)動產(chǎn)生的波，包括二尖瓣和主動脈瓣關(guān)閉產(chǎn)生的自然剪切波以及心肌運(yùn)動產(chǎn)生的心肌內(nèi)在伸展波；另一種則是由外力激發(fā)產(chǎn)生，基于聲輻射力(acoustic radiation force，ARF)的彈性成像方法。該方法使用ARF使組織瞬時(shí)變形，并且對這些組織的動態(tài)位移響應(yīng)進(jìn)行超聲測量，用于估計(jì)組織的機(jī)械性能，包括剪切波彈性成像技術(shù)(shear wave elastography，SWE)和聲輻射力脈沖(acoustic radiation force pulse，ARFI)。

本文將探討可直接定量評估MS的新技術(shù)，為后續(xù)臨床診斷治療以及相關(guān)研究提供可行參考依據(jù)，現(xiàn)做如下綜述。

1 內(nèi)在機(jī)械波

1.1 自然剪切波

外力機(jī)械波是通過測量外部誘導(dǎo)的剪切波在組織中的傳播速度來估計(jì)組織的硬度，但在瓣膜關(guān)閉后，心肌中也自然會產(chǎn)生類似的剪切波[9-15]，而無需外部激勵。我們將二尖瓣關(guān)閉和主動脈瓣關(guān)閉引起的沖動在心臟壁內(nèi)傳播產(chǎn)生的剪切波稱為自然剪切波。

Strachinaru等[11]在早先的研究中發(fā)現(xiàn)可以通過使用高幀頻組織多普勒成像(Doppler tissue imaging，TDI)在常規(guī)臨床模式下使用超聲系統(tǒng)測量自然剪切波。Santos等[13]在健康志愿者中檢測了自然剪切波的正常值并評估了該方法的可行性和可重復(fù)性。Strachinaru等[14]應(yīng)用高幀頻TDI(超過500 Hz)測量45例健康志愿者和43例肥厚型心肌病(hypertrophic cardiomyopathy，HCM)患者自然剪切波的傳播速度，發(fā)現(xiàn)自然剪切波正確區(qū)分病理心肌的閾值為4 m/s，靈敏度為95%，特異度為90%，表明自然剪切波可用于評估正常和病理心肌之間MS的差異。Petrescu等[12]發(fā)現(xiàn)心肌淀粉樣變性(cardiac amyloidosis，CA)患者的自然剪切波傳播速度明顯高于健康對照組(P<0.01)。同樣，不同年齡組之間的剪切波傳播速度也有顯著差異，老年志愿者的舒張末期剪切波傳播速度顯著高于年輕志愿者。此外，DD程度增高的患者，二尖瓣關(guān)閉后剪切波的傳播速度明顯更高(P<0.01)。這些發(fā)現(xiàn)均表明自然剪切波的速度可能與MS有關(guān)。

在新近的研究中，Strachinaru等[16]對健康志愿者(第1組)、未經(jīng)任何心臟干預(yù)的HCM患者(第2組)和進(jìn)行治療的HCM患者(第3組)通過Philips iE33系統(tǒng)(Philips Medical，Best，The Netherlands)進(jìn)行高幀頻TDI超聲心動圖檢查。在非治療心肌節(jié)段中測量時(shí)，兩個HCM組的剪切波速度相似[分別為(5.3±1.0)和(5.3±0.7)m/s，P=0.9]，并且顯著高于健康對照組[(3.6±0.4)m/s，均P<0.01]。在8/10名經(jīng)治療的HCM患者中，心肌內(nèi)層的速度變化比外層更明顯。該結(jié)果表明，可以通過在心臟中使用自然剪切波顯示心肌組織局部僵硬度變化。

由于自然剪切波無需高能聲輻射力來誘導(dǎo)機(jī)械波產(chǎn)生，對掃描儀的功率要求也較低，在臨床實(shí)踐中更容易實(shí)現(xiàn)。Keijzer等[17]在動物模型中將自然剪切波直接與SWE作比較，認(rèn)為自然剪切波在評估MS方面具有更高的可行性以及便于臨床應(yīng)用的優(yōu)勢。

目前，自然剪切波的應(yīng)用仍面臨著挑戰(zhàn)。瓣膜關(guān)閉引起剪切波時(shí)心臟并沒有完全松弛，因此，自然剪切波可能不僅反映舒張期被動心肌僵硬，還包含部分收縮期信息；由于生物材料的非線性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，在舒張末期測量時(shí)，心室的充盈狀態(tài)將影響剪切波的測量；自然剪切波波長較長，而單波長波只能在室間隔數(shù)厘米的有限長度內(nèi)被追蹤，這將影響自然剪切波檢測的準(zhǔn)確性[17]。

隨著技術(shù)的發(fā)展和數(shù)據(jù)處理的進(jìn)步，我們可以使用更高的幀速率以減少測量誤差，這將使自然剪切波在檢測心肌組織的局部硬度變化、定量評估MS的應(yīng)用中有更好前景。

1.2 心肌內(nèi)在伸展波

左房收縮引起左室心肌從基底部開始伸展，產(chǎn)生的伸展波以與心肌彈性模量(R2=0.80)成正比的速度向心尖傳播，該伸展波的傳導(dǎo)速度即為心肌內(nèi)在伸展波的內(nèi)在傳導(dǎo)速度(intrinsic velocity propagation，IVP)。

Voigt等[18]通過高幀頻應(yīng)變率成像，觀察到在舒張?jiān)缙诤托姆渴湛s中都可以看到從基底部到心尖心肌舒張時(shí)間存在延遲。Pislaru等[19]在動物模型中首次證實(shí)了在心房收縮后左室充盈開始時(shí)，會產(chǎn)生以與心肌壁的彈性成比例的速度從基底部向心尖傳播的波，并且波速越高，MS越高。這些發(fā)現(xiàn)為評估MS提供了一種新的技術(shù)，即通過測量IVP反映MS。

以此為基礎(chǔ)，系列研究在主動脈瓣狹窄、二尖瓣關(guān)閉不全[20-21]、CA[22-23]等各種心血管疾病中論證了IVP評估MS的可操作性以及臨床價(jià)值。Pislaru等[23]在CA患者中發(fā)現(xiàn)IVP的測值顯著高于健康志愿者[(3.2±1.0)m/svs.(1.6±0.2)m/s，P<0.01]。CA將導(dǎo)致心肌僵硬度增加，左心充盈受限，隨著CA患者的舒張功能受損程度增加，IVP測值變高，這反映IVP與MS之間存在很強(qiáng)的相關(guān)性。

最近，國內(nèi)學(xué)者Zhang等[24]通過Vivid E95數(shù)字超聲檢查系統(tǒng)(GE Healthcare，Horten，Norway)以及EchoPac(GE Healthcare)離線分析系統(tǒng)測量心肌伸展得到的IVP評估高血壓患者M(jìn)S，并探討其與心臟收縮功能和舒張功能的相關(guān)性。發(fā)現(xiàn)高血壓患者的IVP測值高于健康對照組[(1.53±0.39)m/svs.(1.40±0.19)m/s，P=0.031]，說明IVP可用于評估MS。此外，通過IVP測值還有可能早期發(fā)現(xiàn)高血壓患者舒張功能異常。這種新型的評估MS的方法可操作性強(qiáng)，減少了因外力激勵產(chǎn)生的干擾，在臨床實(shí)踐中具有很大的應(yīng)用潛力。

IVP的應(yīng)用有一定局限性，準(zhǔn)確的IVP測量需要高幀頻；由于多普勒角度依賴性和狹窄的成像范圍，IVP不適用于左室球狀擴(kuò)大的患者[24]；IVP也不適用于患有房性心律不齊(例如心房顫動)或心動過速的患者。

2 外力機(jī)械波

2.1 剪切波彈性成像技術(shù)(SWE)

SWE是一種新穎的基于超聲的彈性成像技術(shù)，其基礎(chǔ)是利用聚焦超聲束的輻射力遠(yuǎn)程感應(yīng)產(chǎn)生的剪切波[25]，可以定量、局部和無創(chuàng)地測量組織的硬度[26-27]。目前，SWE已廣泛應(yīng)用于評估肝臟[28]、甲狀腺[29]、乳腺[30]和其他器官的組織硬度。

在早年的研究中，使用SWE評估心臟MS的研究都是通過開胸動物實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的[31-33]。Pernot等[34]在Langendorff灌注大鼠心臟中證明SWE可在心動周期上實(shí)時(shí)測量MS。Vejdani-Jahromi等[35]證明了對Langendorff灌注兔心臟的SWE評估能夠測量松弛時(shí)間常數(shù)(τ)，這是對DD和MS的重要評估。Pernot等[36]將壓力導(dǎo)管測得的舒張末期左室壓力和節(jié)段應(yīng)變獲得的舒張末期應(yīng)變-應(yīng)力關(guān)系作為金標(biāo)準(zhǔn)，以開放胸腔法在10只缺血性心肌病的綿羊模型中進(jìn)行SWE，結(jié)果顯示無創(chuàng)SWE評估舒張期MS可以區(qū)分僵硬梗死和非梗死室壁。但由于心臟位置位于胸廓深處且肋骨間隙聲窗有限，使經(jīng)胸產(chǎn)生和檢測剪切波受到限制，這導(dǎo)致早期的實(shí)驗(yàn)局限于體外心臟實(shí)驗(yàn)或開胸動物實(shí)驗(yàn)，臨床研究較少。

近年來，Song等[37-38]開發(fā)了一種新型技術(shù)，使用梳狀推擠超聲剪切波彈性技術(shù)提高剪切波產(chǎn)生能力，使用脈沖反轉(zhuǎn)諧波成像和時(shí)間對齊順序跟蹤提高剪切波的檢測能力(Verasonics Vantage系統(tǒng))，首次通過經(jīng)胸SWE無創(chuàng)性定量評估成人(P4-2；Philips Healthcare，Andover，MA，USA)和兒童(P7-4；Philips Healthcare)局部MS。Song等[37]先后對10名健康成年人和20名健康兒童在3個不同時(shí)間進(jìn)行心臟SWE檢測，發(fā)現(xiàn)正常成人胸骨旁心尖水平短軸切面左室后壁剪切波檢出率達(dá)到80%，并發(fā)現(xiàn)剪切波傳播具有各向異性。隨后Song等[38]又對5名臨床上確診為HFpEF的患者進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)這些患者心肌剪切波的各向異性有不同程度降低，而MS有不同程度上升。

近期，Villemain等[8]首次定量和無創(chuàng)地評估了健康成人和患有心力衰竭并保留射血分?jǐn)?shù)的肥厚型心肌病患者的MS，發(fā)現(xiàn)SWE能夠測量健康人群與HCM患者的MS值，在正常心臟中MS隨年齡的增長而顯著增加，并且病例組的MS明顯高于健康人群[平均MS=(12.68±2.91)kPa與(4.47±1.68)kPa；P<0.01]。

目前，SWE尚存在一定的局限性。首先，心臟在時(shí)刻進(jìn)行快速多維運(yùn)動，且心臟壁是彎曲的幾何形狀，使其很難在較大角度上跟蹤傳播的剪切波；其次，剪切波在較硬且高度衰減的介質(zhì)中難以追蹤。上述情況會在剪切波速度計(jì)算中引入噪聲或產(chǎn)生偏差。此外，SWE只能提供局部定量的硬度測量。因此，它僅可用于整體性心臟病或已知疾病部位的靶向成像[38]。

盡管存在這些挑戰(zhàn)，近年來的眾多研究已證明心肌剪切波速度[31-33，39]以及彈性值[31，34，40]可用來評估MS。在健康成人、小兒以及HCM患者等各類人群的MS比較與評估中，SWE均表現(xiàn)出較好的可行性。這種新技術(shù)有望成為臨床評估MS的一項(xiàng)可靠手段。

2.2 聲輻射力脈沖(ARFI)

ARFI成像使用高強(qiáng)度脈沖將局部力作用于組織，獲得組織橫向振動和縱向位移，誘導(dǎo)組織內(nèi)產(chǎn)生微小形變，以量化組織硬度[41]。對于固定的聲強(qiáng)和脈沖持續(xù)時(shí)間，ARFI引起的位移大小與組織硬度呈反比[42]。與SWE相比，ARFI成像使用更高的振幅產(chǎn)生縱向位移，并且用相對較短的持續(xù)時(shí)間來計(jì)算硬度估算值。因此，ARFI可用于克服經(jīng)胸心臟成像固有的一些技術(shù)障礙。

在早先的研究中，Hsu等[43]在犬心臟上獲取ARFI圖像，結(jié)果顯示了心臟周期中心肌局部僵硬度的變化，病變組織和周圍組織之間的MS差異很大。Vejdani-Jahromi等[35]指出基于ARFI的相對硬度測量與SWE絕對硬度測量密切相關(guān)。Kakkad等[44]在此基礎(chǔ)上通過經(jīng)胸聲窗對健康志愿者進(jìn)行了ARFI成像，追蹤胸骨旁長軸和短軸切面中室間隔僵硬度變化，證明使用M型ARFI經(jīng)胸測量整個心動周期MS隨時(shí)間的變化趨勢是可行的。

由于ARFI依賴于對微米級位移的精確跟蹤，所以患者呼吸或探頭輕微移動都會導(dǎo)致大量偽像；此外，心肌纖維取向、高階材料特性(例如粘彈性)、血液動力學(xué)參數(shù)和心肌機(jī)械特性的空間均勻性(在心外膜到心內(nèi)膜段之間以及從心尖到基底部)可能會導(dǎo)致ARFI衍生的MS指標(biāo)測量變化[44]。這些在未來的研究中需要進(jìn)一步的技術(shù)支持。

3 展望

本文總結(jié)了自然剪切波、心肌內(nèi)在伸展波、剪切波彈性成像技術(shù)以及聲輻射力脈沖在評估心肌僵硬度中的研究進(jìn)展。由心肌自身運(yùn)動產(chǎn)生的內(nèi)在波，在測量中不受外力干擾，可操作性強(qiáng)，但對幀頻有較高要求，目前在評估心肌僵硬度中的應(yīng)用仍在探索階段。由聲輻射力激勵產(chǎn)生的剪切波以及聲輻射力脈沖研究領(lǐng)域眾多且技術(shù)已逐漸成熟，已有較多研究支持其在局部、定量評估心肌硬度中的價(jià)值，但心肌組織運(yùn)動對其測量仍存在一定干擾。隨著超聲設(shè)備的不斷更新和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的不斷積累，這些無創(chuàng)、直接、準(zhǔn)確評估MS的最新技術(shù)有望幫助各種心血管疾病的臨床診斷，在未來的臨床實(shí)踐中具有巨大的應(yīng)用潛力。