心電成像技術(shù)臨床應(yīng)用展望

婁洋 周鑫斌 毛威

《中國(guó)心血管健康與疾病報(bào)告2020》指出，中國(guó)心血管病患病率處于持續(xù)上升階段，心血管疾病死亡率仍居首位，每5 例死亡患者中2 例死于心血管疾病[1]。自1887年英國(guó)科學(xué)家沃克記錄第一張心電圖以來，心電圖用于非侵入性分析和評(píng)估各類心血管疾病已逾百年，目前已成為臨床診治工作中最重要，應(yīng)用最廣泛的技術(shù)之一[2]。但心電圖存在不少固有缺陷，如心電圖所提供的心臟信息空間分辨率精度不高[3]，特別是對(duì)于例如房室旁路、室性期前收縮/室性心動(dòng)過速（下稱室速）等無法精確定位。心電圖對(duì)于心臟再同步化治療（cardiac resynchronization therapy，CRT）后反應(yīng)性以及心電同步性的評(píng)估也嚴(yán)重受限。因此，對(duì)于心律失常的明確診斷、評(píng)估及治療，常常需要侵入性的腔內(nèi)心電標(biāo)測(cè)手段，而這些手段在增加風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)，對(duì)于心房顫動(dòng)（下稱房顫）等復(fù)雜心律失常的電生理機(jī)制明確仍有不少局限性[4]。新興的心電成像技術(shù)（electrocardiographic imaging，ECGI）有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)心電標(biāo)測(cè)以及侵入性標(biāo)測(cè)的不足，特別是針對(duì)一些復(fù)雜類型心律失常，ECGI 可通過結(jié)合多導(dǎo)聯(lián)體表心電信息以及心臟—軀干仿真解剖模型，逆向性重建出三維可視化的心臟電活動(dòng)模型，從而提供精確性的心律失常機(jī)制特征分析，為這類疾病診治提供指導(dǎo)[5-6]。本文對(duì)ECGI 的臨床應(yīng)用進(jìn)展作一述評(píng)。

1 ECGI 概述

ECGI 也被稱為心電標(biāo)測(cè)技術(shù)，是通過結(jié)合多導(dǎo)聯(lián)（可多達(dá)252 電極）體表心電信息及心臟—軀干解剖信息，經(jīng)數(shù)學(xué)計(jì)算，逆向性重建出心臟1 000 多個(gè)位點(diǎn)的單極電圖，構(gòu)建心臟三維仿真模型上各個(gè)位置的電生理活動(dòng)的時(shí)空動(dòng)態(tài)信息，非侵入性地記錄并構(gòu)建心電激動(dòng)模式、激動(dòng)序列等時(shí)線及復(fù)極化心電模式等，可有效彌補(bǔ)常規(guī)心電檢查對(duì)于復(fù)雜心律失常標(biāo)測(cè)的局限性。ECGI 具有無創(chuàng)性、高分辨性、連續(xù)標(biāo)測(cè)性等特點(diǎn)，甚至可以在1 次心搏周期內(nèi)重建出整個(gè)心臟的激動(dòng)信息，為心律失常的臨床評(píng)估診治以及復(fù)雜性心律失常電生理機(jī)制研究提供了更具優(yōu)勢(shì)的標(biāo)測(cè)手段[5-6]。

2 ECGI 的臨床應(yīng)用

自1977年ECGI 技術(shù)的概念誕生以來，經(jīng)過40多年的技術(shù)革新，其心電成像算法及重建技術(shù)已趨于成熟。既往不少研究將該技術(shù)應(yīng)用于不同類型實(shí)驗(yàn)動(dòng)物，探索了其不同生理及病理狀態(tài)下的電生理特點(diǎn)，積累了較多證據(jù)，同時(shí)也促進(jìn)了其理論技術(shù)的不斷發(fā)展。目前國(guó)內(nèi)外已有40 余項(xiàng)臨床研究，充分評(píng)價(jià)了ECGI 作為診斷工具在不同類型心律失常，如房性心律失常、室性心律失常等診治中的作用及實(shí)際臨床使用價(jià)值[7]。

2.1 室性心律失常 室性期前收縮以及非持續(xù)性室速等是臨床常見的心律失常類型，其臨床表現(xiàn)差異很大，可以毫無癥狀，也可引起血流動(dòng)力學(xué)障礙甚至引發(fā)心臟性猝死，同時(shí)頻發(fā)室性心律失?？蓪?dǎo)致左心功能不全及擴(kuò)張型心肌病[8]。明確潛在的結(jié)構(gòu)性心臟病、室性心律失常的起源位置及具體發(fā)病機(jī)制對(duì)制定有效治療方案至關(guān)重要。如前所述，心電圖檢查因其心電標(biāo)測(cè)精確性不高等固有缺陷，在標(biāo)測(cè)室性心律失常機(jī)制以及定位心律失常起源灶等方面受限嚴(yán)重，心電標(biāo)測(cè)特異度和靈敏度都有所限制[9]。ECGI 在室性心律失常標(biāo)測(cè)方面展現(xiàn)出了較高的精確性及有效性，尤其在室性期前收縮、室速等疾病基礎(chǔ)研究及臨床驗(yàn)證中。國(guó)內(nèi)外有不少臨床研究聚焦于ECGI 在室性心律失常基質(zhì)研究、起源灶定位以及指導(dǎo)心律失常射頻導(dǎo)管消融（下稱消融）治療，做了諸多探索性工作[4]。

目前針對(duì)室性期前收縮/ 室速的藥物治療證據(jù)相對(duì)不足，且藥物治療效果因人而異，部分室性期前收縮/ 室速十分頑固，伴有明顯的臨床癥狀。近年來發(fā)展迅速的消融治療對(duì)于癥狀性室性期前收縮/ 室速充分顯示出其有效性及安全可靠性。但這一侵入性檢查及腔內(nèi)標(biāo)測(cè)方案也存在局限性，如術(shù)中起搏標(biāo)測(cè)空間分辨率低、依賴于術(shù)中持續(xù)的自發(fā)性期前收縮或短陣室速用于起源灶定位等等，致使侵入性電生理檢查以及手術(shù)時(shí)間較長(zhǎng)。ECGI 通過無創(chuàng)性標(biāo)測(cè)，可以為術(shù)者在術(shù)前提供較為精確的心律失常起源位置，對(duì)于制定手術(shù)方案及術(shù)前評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)等有重要意義[9]。如Jamil-Copley 等[10]使用ECGI 技術(shù)定位室性期前收縮起源部位，結(jié)果顯示其成功率為96%，而相對(duì)比的心電圖組定位準(zhǔn)確率僅為37%～58%。Erkapic 等[11]采用隨機(jī)對(duì)照研究方案進(jìn)一步比較了ECGI 與侵入性標(biāo)測(cè)系統(tǒng)標(biāo)測(cè)準(zhǔn)確性，結(jié)果顯示ECGI 識(shí)別室性心律失常起源心腔及具體起源位置準(zhǔn)確性達(dá)到95.2%，而使用心電圖診斷的準(zhǔn)確性僅為76.2%，同時(shí)利用ECGI 指導(dǎo)消融有助于減少手術(shù)時(shí)間及放電次數(shù)。類似的，本團(tuán)隊(duì)在既往研究中基于27 例室性期前收縮/ 室速患者比較了ECGI 與心電圖定位起源位置準(zhǔn)確性，結(jié)果顯示ECGI 定位精確性顯著高于心電圖方案（95.5%比59.15%）[12]。

在室速標(biāo)測(cè)方面，超過90%的持續(xù)性單形性室速多是由于心肌梗死后心室瘢痕區(qū)域幸存組織的折返引起[13]。消融也是目前改變瘢痕基質(zhì)，治療室速的重要方法，如消融阻斷瘢痕組織內(nèi)室速電傳導(dǎo)回路等，但對(duì)于大多數(shù)室速患者來說，即使血流動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定，瘢痕的標(biāo)測(cè)也存在不少困難[13]。借助ECGI 工具，可以為患者室速的機(jī)制明確及方案制定提供指導(dǎo)。如Cuculich 等[14]研究發(fā)現(xiàn)室速相關(guān)瘢痕在ECGI 上可表現(xiàn)為低電壓、碎裂電位以及電位延遲等特點(diǎn)，借此可準(zhǔn)確地將心電異?！榜：邸眳^(qū)在解剖模型上標(biāo)記，其靈敏度為89%，特異度85%。同時(shí)Wang 等[13]研究發(fā)現(xiàn)，ECGI 可通過識(shí)別心肌瘢痕及心電信號(hào)異常區(qū)域，實(shí)現(xiàn)對(duì)室速相關(guān)瘢痕的精確定位。

類似的，有學(xué)者基于ECGI 研究心室顫動(dòng)（下稱室顫）時(shí)“震顫中心”或室顫觸發(fā)點(diǎn)，探索了ECGI 技術(shù)用于研究室顫的異?；|(zhì)標(biāo)測(cè)的可行性。如Haissaguerre 等[15]研究了24 例特發(fā)性室顫幸存患者，發(fā)現(xiàn)近2/3 的特發(fā)性室顫患者具有亞臨床的局部電生理基質(zhì)結(jié)構(gòu)改變。Frontera 等[16]也提出了室顫異常基質(zhì)的驗(yàn)證，并探索了這些關(guān)鍵部位消融的可行性。ECGI 的出現(xiàn)為室速、室顫等基質(zhì)標(biāo)測(cè)提供了新的無創(chuàng)手段。對(duì)于室性期前收縮等患者，ECGI 能夠在術(shù)前無創(chuàng)性、高精確性定位起源位置，對(duì)于提高其射頻消融手術(shù)的有效性及安全性大有裨益。

2.2 房性心律失常 不少研究顯示，ECGI 對(duì)于房性心律失常的局灶起源點(diǎn)的標(biāo)測(cè)亦或是房性心動(dòng)過速（下稱房速）的折返機(jī)制研究同樣具有較高精確度，與腔內(nèi)心電標(biāo)測(cè)結(jié)果也有很好的相關(guān)性[17]。如Shah 等[17]基于ECGI 標(biāo)測(cè)房速時(shí)大折返環(huán)機(jī)制以及精確定位局灶房速起源灶；Wang 等[18]定位肺靜脈隔離術(shù)后房速的最早起源點(diǎn)；以及Cakulev 等[6]基于ECGI 明確了峽部依賴性和非峽部依賴性心房撲動(dòng)的不同特點(diǎn)及關(guān)鍵峽部位置。上述證據(jù)顯示實(shí)時(shí)標(biāo)測(cè)的ECGI 在房速等基質(zhì)研究及起源定位中的作用，特別是對(duì)于某些不持續(xù)、難易誘發(fā)、發(fā)作次數(shù)少的房性期前收縮及房速，ECGI 甚至可以在1 個(gè)心動(dòng)周期內(nèi)完成標(biāo)測(cè)。

房顫是臨床上最常見的心律失常之一，基于肺靜脈電隔離的消融策略是房顫消融治療的基石，但其長(zhǎng)期成功率仍并不理想，究其原因是房顫根本的電生理機(jī)制并不明確，并且經(jīng)驗(yàn)性的消融也存在很強(qiáng)的致心律失常作用，目前尚缺乏理想的心電標(biāo)測(cè)手段[19]。ECGI 技術(shù)的出現(xiàn)為房顫的全局標(biāo)測(cè)帶來了希望，其非侵入性、可持續(xù)性、高密度且左右心房可同步全局標(biāo)測(cè)的特點(diǎn)解決了傳統(tǒng)標(biāo)測(cè)方法的不足，是其電生理機(jī)制研究的強(qiáng)有力的武器。Cuculich 等[20]探究了26 例患者房顫的機(jī)制，并展現(xiàn)了房顫電激動(dòng)的復(fù)雜性。房顫驅(qū)動(dòng)子中有局灶及折返小波活動(dòng)的存在，同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)房顫的復(fù)雜程度與房顫持續(xù)時(shí)間以及房顫類型相關(guān)。Haissaguerre 等[21]團(tuán)隊(duì)研究了103 例持續(xù)性房顫患者心電活動(dòng)特點(diǎn)，表明局灶電活動(dòng)和折返活動(dòng)是房顫的主要機(jī)制。同時(shí)有研究也顯示，房顫的復(fù)雜性隨其持續(xù)時(shí)間的增加而增加，隨著陣發(fā)性房顫變?yōu)槌掷m(xù)性房顫，驅(qū)動(dòng)子可彌漫分布至雙側(cè)心房；折返驅(qū)動(dòng)子大多位于肺靜脈口及其周圍結(jié)構(gòu)[22]。Cochet 等[5]研究描述了心外膜上的轉(zhuǎn)子活動(dòng)特點(diǎn)并準(zhǔn)確檢測(cè)了其軌跡的核心位置。上述研究結(jié)果也在本團(tuán)隊(duì)近期相關(guān)研究中得以證實(shí)。ECGI 的出現(xiàn)不僅為房顫?rùn)C(jī)制標(biāo)測(cè)提供了更加優(yōu)化的無創(chuàng)工具，也讓臨床對(duì)房顫發(fā)生、發(fā)展及維持機(jī)制有了更加深入的認(rèn)識(shí)。更重要的是，通過ECGI 辨別房顫患者電生理機(jī)制特點(diǎn)及復(fù)雜程度，有助于房顫患者危險(xiǎn)分層、篩選合適消融治療的患者并且指導(dǎo)個(gè)體化的基于電生理機(jī)制的射頻消融策略，進(jìn)一步提高其成功率。

2.3 CRT 作為心力衰竭非藥物治療的組成部分，CRT 是對(duì)射血分?jǐn)?shù)降低型心力衰竭的有效干預(yù)，可改善其心力衰竭癥狀、提高生活質(zhì)量及生存率[23]。然而多項(xiàng)研究表明，臨床上仍有30%左右的患者表現(xiàn)為CTR 無應(yīng)答[24]，對(duì)心臟電活動(dòng)不同步程度的模糊識(shí)別及判斷，可能是引起CRT 成功率較低的主要原因[25]。

通過QRS 波群持續(xù)時(shí)間可評(píng)估心室激動(dòng)同步化程度，然而窄QRS 波群也可存在明顯心室不同步收縮，甚至部分患者對(duì)CRT 應(yīng)答效果優(yōu)于寬QRS波群患者，而心電圖無法區(qū)別上述患者，對(duì)于心臟局部區(qū)域內(nèi)或者不同區(qū)域之間的激動(dòng)關(guān)系亦無法評(píng)估。ECGI 則可通過評(píng)估局部及整體激動(dòng)時(shí)間的空間離散度，評(píng)估心室同步化程度。如Silva 等[26]借助ECGI 研究患者心電活動(dòng)不同步化參數(shù)，發(fā)現(xiàn)CRT響應(yīng)的患者參數(shù)值明顯低于無響應(yīng)患者，基于數(shù)據(jù)可有效評(píng)估哪些患者將從CRT 中受益。Revishvili等[27]及Ploux 等[28]進(jìn)一步引入心室電解耦（ventricular electrical uncoupling，VEU）的概念，并研究發(fā)現(xiàn)通過VEU 評(píng)估CRT 植入指征有著極高的靈敏度與特異度，可以更有效地篩選適合CRT 植入的患者。

ECGI 的另一大優(yōu)勢(shì)是可通過無創(chuàng)性標(biāo)測(cè)，明確局部的電生理基質(zhì)信息，確定最遲激動(dòng)區(qū)域位置及其基質(zhì)特點(diǎn)，提供更多細(xì)節(jié)信息，從而引導(dǎo)心室導(dǎo)線的放置[29]，使得每例患者均能獲得最適合導(dǎo)線放置位置及最有效的設(shè)備編程，充分實(shí)現(xiàn)了患者個(gè)性化方案制定，有助于提高CRT 響應(yīng)率[30]。

2.4 其他心律失常 除了房性及室性心律失常，國(guó)內(nèi)外不少研究者也將ECGI 用于其他及特殊類型心律失常的電生理機(jī)制分析及評(píng)估，如Vijayakumar等[31]利用ECGI 標(biāo)測(cè)長(zhǎng)QT 綜合征（long QT syndrome，LQTS）患者電生理基質(zhì)特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)LQTS 中電生理基質(zhì)的特征之一是心室心外膜復(fù)極離散度增加以及局部動(dòng)作電位時(shí)程延長(zhǎng)。該結(jié)果進(jìn)一步支持折返理論作為L(zhǎng)QTS 的主要機(jī)制，提示ECGI 可用于該類患者風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及危險(xiǎn)分層。同時(shí)對(duì)于Brugada 綜合征（brugada syndrome,BrS），研究顯示BrS 患者在ECGI中可顯示出特征性電生理學(xué)異常如異常傳導(dǎo)及復(fù)極化共存等[32]。Zhang 等[33]研究發(fā)現(xiàn)ECGI 還可基于上述電生理基質(zhì)異常區(qū)分具有相似體表心電圖的BrS患者和非BrS 右束支傳導(dǎo)阻滯患者，對(duì)于患者的診治及預(yù)后判斷具有重要價(jià)值。

臨床方面，研究者將ECGI 用于預(yù)激綜合征旁路定位，如Cakulev 等[34]及Berger 等[35]利用ECGI 準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)心室預(yù)激旁路部位，并且經(jīng)腔內(nèi)心電標(biāo)測(cè)得到驗(yàn)證。對(duì)于早期復(fù)極綜合征（early repolarization syndrome，ERS）患者，Nademanee 等[36-37]借助ECGI的高密度雙心室心內(nèi)膜和心外膜標(biāo)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)該類患者早期復(fù)極模式起源的精確定位，并給予消融治療，在中位隨訪37 個(gè)月后，發(fā)現(xiàn)消融阻止了81%的ERS 患者復(fù)發(fā)[22]，展現(xiàn)了ECGI 在一些傳統(tǒng)標(biāo)測(cè)無法明確的特殊類型心律失?；颊咧械呐R床價(jià)值。

3 ECGI 存在的缺陷及技術(shù)進(jìn)展

自1977年ECGI 技術(shù)首次提出以來，從基礎(chǔ)算法研究到大型動(dòng)物模型研究，以及目前廣泛開展的臨床研究，ECGI 技術(shù)更新及研究進(jìn)展的步伐從未停止[22]。盡管如此，ECGI 技術(shù)的推廣及應(yīng)用仍存在眾多難點(diǎn)。其中最重要是ECGI 重建中，體表心電逆向投射至心臟的逆向重建算法的構(gòu)建。目前大多數(shù)逆向重建算法將心臟軀干視作均質(zhì)容積導(dǎo)體，其假設(shè)人體是均勻而同向性的，胸廓表面電位僅取決于胸廓和心外膜表面的幾何形狀及他們之間的幾何關(guān)系[38]。然而真實(shí)人體心臟軀干模型受到內(nèi)臟、脂肪、肌肉等復(fù)雜因素影響，這也直接導(dǎo)致ECGI 心電逆向重建算法的病態(tài)特性[39]。

當(dāng)然隨著目前ECGI 的不斷研發(fā)迭代，這一誤差正逐步縮小。如Bacoyannis 等[40]將人工智能與ECGI 相結(jié)合，開發(fā)出β-CVAE 系統(tǒng)，進(jìn)一步提高了成像準(zhǔn)確性。本研究團(tuán)隊(duì)既往研究提出的逆向重建算法也展現(xiàn)出較高重建精確性[39]。另一方面，ECGI目前大多聚焦于心外膜電位的反演重建，因受心肌厚度、瘢痕等影響，心外膜與心內(nèi)膜激動(dòng)往往存在差異，也導(dǎo)致某些特殊類型心律失常的標(biāo)測(cè)不準(zhǔn)確性，依賴于腔內(nèi)的心電標(biāo)測(cè)。更重要的是，ECGI 采集、重建、分析等過程較為復(fù)雜，需要團(tuán)隊(duì)協(xié)作參與，而不同國(guó)家、不同團(tuán)隊(duì)間使用的采集設(shè)備、體表電極數(shù)量、模型重建算法及心電反演算法等均存在差異。盡管2014年成立的心電成像聯(lián)盟提出了ECGI 研究的國(guó)際統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和框架，但目前不同研究間結(jié)果仍存在難以比較及驗(yàn)證的情況，一定程度上限制了其結(jié)果的臨床推廣應(yīng)用[41]。國(guó)內(nèi)外已經(jīng)進(jìn)行或進(jìn)行中的40 余項(xiàng)ECGI 臨床研究，大多數(shù)為小樣本臨床人體試驗(yàn)，其研究結(jié)果仍需更多大型的多中心臨床隨機(jī)對(duì)照研究來加以證實(shí)及推廣應(yīng)用。

從近幾年發(fā)展趨勢(shì)看，隨著ECGI 心電成像算法以及重建技術(shù)趨于成熟，其臨床試驗(yàn)的同質(zhì)性及質(zhì)量也不斷提高，因此ECGI 技術(shù)在心血管疾病診治領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究及臨床中的應(yīng)用仍有很大提升空間，如針對(duì)不同類型心律失常風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及分層、用于房顫左心房功能評(píng)價(jià)、構(gòu)建基于ECGI 心房基質(zhì)特點(diǎn)的房顫復(fù)發(fā)及預(yù)后評(píng)分體系等，并且有望利用ECGI 制定個(gè)體特異度的、基于心律失?；|(zhì)特點(diǎn)的導(dǎo)管消融策略，以輔助或指導(dǎo)復(fù)雜心律失常的臨床治療。上述研究結(jié)果的問世，也有望突破目前在如房顫等復(fù)雜性心律失常診治中的一系列技術(shù)瓶頸問題，為其臨床干預(yù)及研究提供新技術(shù)、新方案。

4 總結(jié)及展望

ECGI 作為一種非侵入性心電標(biāo)測(cè)技術(shù)，具有無創(chuàng)性、高分辨性、連續(xù)標(biāo)測(cè)性等特點(diǎn)，有效彌補(bǔ)了12導(dǎo)聯(lián)心電圖以及侵入性心電生理檢查不足。盡管目前ECGI 系統(tǒng)及算法存在一定的缺陷，但是隨著時(shí)代的發(fā)展以及各類研究的不斷深入，這些缺陷終將逐漸完善。國(guó)內(nèi)外越來越多臨床證據(jù)表明，ECGI 在探究包括房性、室性等各類心律失常的發(fā)生機(jī)制以及指導(dǎo)臨床治療方面的巨大作用，有助于實(shí)現(xiàn)患者個(gè)性化的、基于電生理機(jī)制特點(diǎn)的治療方案，從而提高診治效果，在未來的臨床及科研過程中均有著巨大的應(yīng)用前景。