三維超聲心動(dòng)圖自動(dòng)定量分析左心功能的研究進(jìn)展

王江濤 吳小朋 蔡綺哲 呂秀章

左室容積、左室射血分?jǐn)?shù)（LVEF）及左房容積均是評(píng)價(jià)左心功能的重要參數(shù)，LVEF減低常提示病情的惡化，與患者預(yù)后不良密切相關(guān)。評(píng)估左心功能的影像學(xué)方法眾多，如心臟磁共振（cardiac magnetic resonance，CMR）、CT或核醫(yī)學(xué)成像和超聲心動(dòng)圖，CMR是目前評(píng)價(jià)左心結(jié)構(gòu)和功能的影像學(xué)金標(biāo)準(zhǔn)［1］，但耗時(shí)繁瑣、花費(fèi)高。超聲心動(dòng)圖具有無(wú)創(chuàng)、性?xún)r(jià)比高、便捷等眾多優(yōu)點(diǎn)，便于隨訪(fǎng)和重復(fù)檢查，其作為臨床評(píng)估左心功能最常用的方法，可為臨床醫(yī)師提供重要的診療信息。目前，二維超聲心動(dòng)圖（two-dimensional echocardiography，2DE）雙平面或三平面評(píng)估左心功能臨床最常用，但受潛在的心尖縮短和切面以外的室壁運(yùn)動(dòng)異常的限制而影響其準(zhǔn)確性。與2DE相比，三維超聲心動(dòng)圖（three-dimensional echocardiography，3DE）在測(cè)量左室容積和LVEF方面更準(zhǔn)確可靠，容積探頭的引入也加速了實(shí)時(shí)3DE在臨床實(shí)踐中應(yīng)用。本文就3DE自動(dòng)定量技術(shù)檢測(cè)左心功能的研究現(xiàn)狀和進(jìn)展進(jìn)行綜述。

一、3DE定量評(píng)價(jià)左心功能的現(xiàn)狀

目前3DE技術(shù)可獲得每秒30多個(gè)容積幀的心臟三維圖像，使對(duì)心臟功能進(jìn)行更精確的定量分析成為可能。3DE定量不依賴(lài)于幾何建模，故不存在本質(zhì)上的缺陷，測(cè)量結(jié)果更加精準(zhǔn)［2］。目前美國(guó)超聲心動(dòng)圖協(xié)會(huì)和歐洲心血管影像學(xué)會(huì)指南已不推薦使用M型超聲評(píng)價(jià)左心容積和功能，雖仍推薦使用改良Simpson法，但對(duì)具有足夠?qū)I(yè)知識(shí)的心臟中心建議進(jìn)行左、右心室的3DE測(cè)量，并鼓勵(lì)進(jìn)行建立正常值的研究［3］。3DE定量左心功能為心血管疾病的診斷、治療和預(yù)后判斷等方面帶來(lái)巨大的獲益。

二、3DE定量技術(shù)評(píng)估左心功能的應(yīng)用

（一）3DE的采集方式

3DE的采集模式直接影響其定量左心功能的準(zhǔn)確性?，F(xiàn)有的3DE全容積采集方式包括多心動(dòng)周期采集模式和單心動(dòng)周期采集模式。多心動(dòng)周期采集技術(shù)需要獲取連續(xù)多個(gè)心動(dòng)周期的錐狀三維容積，通過(guò)心電圖門(mén)控重建三維圖像，能提供最佳時(shí)間和空間分辨率，是目前測(cè)量左室容積的最佳方式［4］。研究［5］表明3DE多心動(dòng)周期采集模式的三維時(shí)間分辨率為（33±8）V/s，優(yōu)于CMR時(shí)間分辨率（24 Hz）。單心動(dòng)周期采集模式在單一心動(dòng)周期捕捉整個(gè)心臟運(yùn)動(dòng)，雖可避免多心動(dòng)周期的拼接偽影，克服了多心動(dòng)周期采集模式的局限，但其時(shí)間分辨率相對(duì)較低。研究［6］表明竇性心律患者多心動(dòng)周期模式采集的人工3DE結(jié)果與CMR結(jié)果相似，左室舒張末容積（LVEDV）偏差為（-15±27）ml，LVEF 偏差僅（-1±6）%；而單心動(dòng)周期3DE采集結(jié)果偏差增大［LVEDV為（-21±25）ml，LVEF為（-5±8）%］。因此，3DE定量需要綜合考慮和權(quán)衡時(shí)間分辨率及圖像質(zhì)量之間的比重［7］，選擇最優(yōu)的采集模式。

（二）半手動(dòng)3DE定量技術(shù)評(píng)估左心功能的應(yīng)用

1.半手動(dòng)3DE定量方法的類(lèi)型和原理。二十一世紀(jì)初，部分設(shè)備供應(yīng)商開(kāi)發(fā)了基于3DE進(jìn)行左室內(nèi)膜邊界檢測(cè)的定量算法［8-9］，包括 TomTec的 4D LV-Analysis分析系統(tǒng)、Philips QLab的3DQ-Advanced分析系統(tǒng)和GE EchoPAC中的4D LVQ分析系統(tǒng)。這些分析系統(tǒng)的原理為在快速再現(xiàn)左室內(nèi)膜立體形態(tài)的基礎(chǔ)上，測(cè)量左心容積和功能。早期3DE定量分析系統(tǒng)多為半手動(dòng)，需要手動(dòng)標(biāo)注重要的解剖標(biāo)志點(diǎn)（如二尖瓣環(huán)、心尖頂點(diǎn)等）。多項(xiàng)研究［3-4］表明，這些半手動(dòng)3DE方法雖未完全自動(dòng)化，但其測(cè)量結(jié)果與CMR測(cè)量結(jié)果具有更好的相關(guān)性，優(yōu)于2DE。

2.半手動(dòng)3DE定量評(píng)價(jià)左心功能。包洪靖等［10］研究發(fā)現(xiàn)，以CMR為標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用半手動(dòng)3DE定量評(píng)價(jià)心肌梗死患者左心功能較2DE更準(zhǔn)確。3DE與CMR兩種方法所測(cè)左室收縮末期容積（LVESV）、LVEDV、每搏輸出量（SV）、LVEF的相關(guān)性均高（r=0.81～0.87）；2DE與CMR兩種方法測(cè)量的EDV、SV相關(guān)性較高（r=0.61、0.67），而LVESV和LVEF值相關(guān)性中等或較低（r=0.41、0.33）。國(guó)外一項(xiàng)納入1198例患者的薈萃分析［11］顯示，與CMR比較，半手動(dòng)3DE測(cè)量的LVEDV和LVESV僅低估了（14±5）ml和（7±3）ml，兩種技術(shù)測(cè)得的LVEF幾乎相同；2DE容積測(cè)量顯示LVEDV和LVESV偏差更大，分別為（33±10）ml和（16±5）ml。與 2DE相比，3DE的重復(fù)性更高。另外，Thavendiranathan等［12］研究結(jié)果表明測(cè)量左室容積和LVEF時(shí)，應(yīng)用無(wú)造影劑3DE方法較常規(guī)2DE雙平面Simpson、2DE三平面方法的重復(fù)性更高。

3.半手動(dòng)3DE定量評(píng)估患者預(yù)后。研究［13］報(bào)道了3DE測(cè)量左室參數(shù)對(duì)評(píng)估患者預(yù)后具有增量?jī)r(jià)值，進(jìn)一步拓展了其臨床應(yīng)用。該研究對(duì)455例心血管高風(fēng)險(xiǎn)患者分別行2DE和3DE以評(píng)估左室功能，在長(zhǎng)達(dá)（6.6±3.4）年的隨訪(fǎng)中發(fā)現(xiàn)，3DE測(cè)得的LVEF和LVESV是患者不良預(yù)后（全因死亡率或心臟住院時(shí)間）的最強(qiáng)預(yù)測(cè)因素，其預(yù)測(cè)價(jià)值超過(guò)2DE參數(shù)。3DE定量左室功能對(duì)心肌梗死后中度左室功能障礙或心力衰竭患者可進(jìn)行準(zhǔn)確的風(fēng)險(xiǎn)分層。Gopal等［14］對(duì)心肌梗死后或充血性心力衰竭患者進(jìn)行2DE、3DE和CMR檢測(cè)，并對(duì)患者進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分層比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，以CMR為標(biāo)準(zhǔn)，3DE測(cè)量的準(zhǔn)確率和相關(guān)性?xún)?yōu)于2DE，3DE測(cè)值對(duì)患者風(fēng)險(xiǎn)分層的效能與CMR等同，表明3DE定量LVEF對(duì)心肌梗死后患者進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分層有較好的效能，優(yōu)于常規(guī)2DE。

4.半手動(dòng)3DE定量評(píng)價(jià)左房容積。左房大小是評(píng)價(jià)左室舒張功能的重要指標(biāo)，左房容積與中風(fēng)、心血管事件和心房顫動(dòng)密切相關(guān)［15］。研究［16］發(fā)現(xiàn)左房容積指數(shù)≥34 ml/m2是心力衰竭、心房顫動(dòng)及缺血性腦卒中、死亡不良臨床事件的獨(dú)立預(yù)測(cè)因子。Tanaka等［17］研究結(jié)果表明從嬰兒至成人進(jìn)行半手動(dòng)3DE定量評(píng)估左房容積的可行性為93%，與CMR比較，半手動(dòng)3DE測(cè)量的左房容積較2DE更準(zhǔn)確，且左房容積在預(yù)測(cè)心血管不良事件發(fā)生率時(shí)，3DE方法具有增量的預(yù)測(cè)價(jià)值［18］。

5.局限性：目前半手動(dòng)3DE定量方法仍存在不足，僅限于科研［2，4］，其臨床應(yīng)用和普及受制于對(duì)高級(jí)別訓(xùn)練要求、對(duì)圖像質(zhì)量的嚴(yán)重依賴(lài)和相對(duì)復(fù)雜的操作。

（三）全自動(dòng)3DE定量技術(shù)評(píng)估左心功能的應(yīng)用

1.全自動(dòng)3DE定量方法的類(lèi)型和原理。由于半手動(dòng)3DE定量方法的不足，促進(jìn)時(shí)效更高的3DE定量新方法的研發(fā)和實(shí)現(xiàn)。全自動(dòng)3DE左心功能分析技術(shù)，僅需簡(jiǎn)單培訓(xùn)就能操作，無(wú)需人為干預(yù)即可獲得定量結(jié)果。目前有兩家供應(yīng)商已發(fā)布了全自動(dòng)3DE定量分析系統(tǒng)，包括基于輪廓繪制概率算法［19］和自適應(yīng)分析的算法［20］的兩種新分析系統(tǒng)。西門(mén)子醫(yī)療公司將左室分析系統(tǒng)整合到Acuson SC 2000 Prime超聲診斷儀，采用專(zhuān)家知庫(kù)技術(shù)進(jìn)行邊界檢測(cè)［17］。隨后，飛利浦醫(yī)療公司在EPIQ 7設(shè)備應(yīng)用Heart Model分析系統(tǒng)，采用心臟模型的大數(shù)據(jù)和自適應(yīng)性分析算法，無(wú)需人為干預(yù)自動(dòng)識(shí)別舒張末期和收縮末期，創(chuàng)建初步的心臟模型，與現(xiàn)有的三維心臟模型的大數(shù)據(jù)庫(kù)尋找并創(chuàng)建體積、形狀匹配的心臟立體模型［18］。

2.全自動(dòng)3DE定量評(píng)價(jià)左心功能。全自動(dòng)3DE方法無(wú)需調(diào)整左室內(nèi)膜邊緣，省時(shí)便捷，測(cè)量的結(jié)果與CMR測(cè)量結(jié)果具有高度的一致性。Tsang等［20］使用全自動(dòng)3DE與CMR同時(shí)對(duì)65例患者進(jìn)行左心容積和功能定量對(duì)比研究，結(jié)果表明，全自動(dòng)3DE平均分析時(shí)間約為76 s，幾乎是半手動(dòng)3DE所需時(shí)間（144 s）的一半；全自動(dòng)3DE定量和CMR測(cè)量竇性心律患者LVEF的偏差和相關(guān)系數(shù)分別為2%和0.91，具有極高的相關(guān)性與一致性，優(yōu)于半手動(dòng)3DE。Yang等［21］發(fā)現(xiàn)全自動(dòng)3DE與CMR測(cè)得心房顫動(dòng)患者的LVEDV、LVESV及LVEF測(cè)值具有良好的相關(guān)性和一致性（相關(guān)系數(shù)分別為0.91、0.93和0.92，偏差分別為-31.8 ml、-28.5 ml和 6.4%）。Medvedofsky等［22］研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)全自動(dòng)3DE和半手動(dòng)3DE的測(cè)值幾乎相同，且全自動(dòng)3DE有具更高的可重復(fù)率，表明全自動(dòng)3DE可能是能替代半手動(dòng)3DE更精確的方法。研究［23］表明使用全自動(dòng)3DE隨機(jī)選取6～9個(gè)心動(dòng)周期所測(cè)心房顫動(dòng)患者LVEDV、LVEF和最大左房容積的平均值足以接近“真實(shí)值”，且分析時(shí)長(zhǎng)不足5 min。由此可見(jiàn)，全自動(dòng)3DE可能有助于在臨床常規(guī)工作中推廣3DE定量技術(shù)。

3.局限性：首先，3DE圖像質(zhì)量差或患者呼吸或心律不齊引起數(shù)據(jù)采集錯(cuò)誤時(shí)［24］，輪廓算法的可行性會(huì)降低（成功率僅70%）［21，25］。其次，現(xiàn)有的自動(dòng)算法三維數(shù)據(jù)庫(kù)尚不能分析大動(dòng)脈瘤、復(fù)雜先天性心臟病等疾病情況，測(cè)值存在較大誤差［23］。最后，不同技術(shù)的供應(yīng)商不能共享其他超聲儀器采集的3DE數(shù)據(jù)，限制了其在臨床應(yīng)用中的進(jìn)一步普及［25］。未來(lái)開(kāi)發(fā)獨(dú)立的通用供應(yīng)商分析系統(tǒng)，可能會(huì)有利于全自動(dòng)分析的進(jìn)一步推廣。

三、展望

超聲心動(dòng)圖已成為評(píng)價(jià)LVEF和左室容積的首選方法。3DE具有較好的準(zhǔn)確率和重復(fù)性，但其仍然相對(duì)耗時(shí)費(fèi)力且需要3DE相關(guān)專(zhuān)業(yè)知識(shí)。全自動(dòng)3DE定量分析系統(tǒng)的出現(xiàn)給未來(lái)常規(guī)3DE的廣泛臨床應(yīng)用帶來(lái)了希望。