三維斑點(diǎn)追蹤成像技術(shù)在心臟疾病中的應(yīng)用進(jìn)展

曹清瓊，郭瑞強(qiáng)

(武漢大學(xué)人民醫(yī)院超聲影像科，武漢430060)

超聲心動(dòng)圖是臨床上常用的評(píng)價(jià)心臟結(jié)構(gòu)與功能的重要工具。然而，隨著對(duì)心臟疾病認(rèn)識(shí)的不斷深入以及治療方式的不斷改進(jìn)，常規(guī)超聲心動(dòng)圖已經(jīng)不能滿足臨床需要。左心室射血分?jǐn)?shù)(left ventricular ejection fraction，LVEF)是臨床常用的左心室收縮功能評(píng)價(jià)指標(biāo)，在多種疾病的亞臨床或臨床早期階段LVEF仍維持在正常范圍，無(wú)法敏感檢測(cè)早期心肌功能損傷[1]。斑點(diǎn)追蹤技術(shù)是近年來(lái)出現(xiàn)的新興技術(shù)，其利用源自超聲探頭的入射波與人體組織內(nèi)的散射粒子作用產(chǎn)生反射、散射，并通過(guò)相互干涉產(chǎn)生不同振幅的回波信號(hào)，經(jīng)處理后顯示為亮度不同的散斑。散斑不僅可以識(shí)別特定區(qū)域的心肌組織，在追蹤心肌運(yùn)動(dòng)的同時(shí)還可維持相對(duì)位置穩(wěn)定。斑點(diǎn)追蹤技術(shù)基于散斑的獨(dú)特性和相對(duì)穩(wěn)定性采用最佳模式匹配技術(shù)使動(dòng)態(tài)追蹤心肌運(yùn)動(dòng)軌跡、定量評(píng)價(jià)心肌功能成為可能。在二維斑點(diǎn)追蹤成像(two-dimensional speckle tracking imaging，2D-STI)基礎(chǔ)上發(fā)展的三維斑點(diǎn)追蹤成像(three-dimensional speckle tracking imaging，3D-STI)技術(shù)不僅克服了傳統(tǒng)超聲技術(shù)的角度依賴性，而且實(shí)現(xiàn)了三維空間內(nèi)的心肌斑點(diǎn)追蹤，同時(shí)對(duì)心臟功能的評(píng)價(jià)也更為準(zhǔn)確，其臨床應(yīng)用價(jià)值已得到大量研究證實(shí)[2-3]。現(xiàn)就3D-STI技術(shù)在心臟疾病中的應(yīng)用進(jìn)展予以綜述。

1 3D-STI技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

3D-STI技術(shù)通過(guò)追蹤完整的左心室運(yùn)動(dòng)軌跡，并將其按縱向、徑向和圓周方向分解后分別以縱向應(yīng)變、徑向應(yīng)變、圓周應(yīng)變等參數(shù)表示。三維應(yīng)變參數(shù)的獲取主要分為圖像采集和處理兩步。與2D-STI技術(shù)不同，三維全容積探頭可以單次采集左心室圖像，無(wú)須跨心動(dòng)周期旋轉(zhuǎn)探頭獲取多切面圖像，而圖像分析也只需沿心肌邊界勾畫感興趣區(qū)域，軟件會(huì)自動(dòng)運(yùn)算得出結(jié)果，因此，3D-STI應(yīng)變參數(shù)的獲取較2D-STI更為快速、高效[4]。

3D-STI應(yīng)變參數(shù)的準(zhǔn)確性和重復(fù)性已經(jīng)得到諸多研究證實(shí)[5-10]，基本具備臨床應(yīng)用的條件。無(wú)論是基線狀態(tài)、不同藥物負(fù)荷狀態(tài)還是急性心肌缺血狀態(tài)，通過(guò)體測(cè)法獲得的綿羊心肌節(jié)段縱向應(yīng)變、徑向應(yīng)變和圓周應(yīng)變均與3D-STI獲取的對(duì)應(yīng)應(yīng)變參數(shù)具有良好的相關(guān)性[5]。面積應(yīng)變和扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)相關(guān)參數(shù)的準(zhǔn)確性也在相關(guān)研究中得到了驗(yàn)證[6,9]。與其他應(yīng)變參數(shù)相比，徑向應(yīng)變的準(zhǔn)確性則稍差[7-8]。雖然3D-STI與2D-STI存在一定差別，但兩者應(yīng)變參數(shù)的準(zhǔn)確性和重復(fù)性均較高，且3D-STI的應(yīng)變參數(shù)與2D-STI對(duì)應(yīng)的應(yīng)變參數(shù)高度相關(guān)，表明3D-STI應(yīng)變參數(shù)具有潛在的臨床應(yīng)用價(jià)值[10]。此外，由于數(shù)據(jù)獲取方式和分析軟件算法存在差異，2D-STI與3D-STI應(yīng)變參數(shù)不能直接進(jìn)行比較和替換。

目前關(guān)于3D-STI應(yīng)變參數(shù)正常參考值的大樣本研究較少，缺乏正常參考值導(dǎo)致對(duì)應(yīng)變參數(shù)的解釋和比較相對(duì)困難。正常人群的心肌應(yīng)變參數(shù)可能與性別、年齡和不同分析軟件等因素相關(guān)。目前認(rèn)為，女性心肌應(yīng)變值普遍高于男性[11]，這與以往研究中女性LVEF稍高于男性的特征吻合[12]。隨著年齡的增長(zhǎng)，不同研究結(jié)論中正常人群心肌應(yīng)變值的變化趨勢(shì)不一致。一項(xiàng)針對(duì)兒童的研究發(fā)現(xiàn)，僅整體縱向應(yīng)變和整體圓周應(yīng)變?cè)诓煌挲g組中存在細(xì)微差別，但無(wú)明確的臨床意義[13]。在成年人中，整體縱向應(yīng)變、整體圓周應(yīng)變、整體徑向應(yīng)變和整體面積應(yīng)變均隨著年齡的增長(zhǎng)而降低，其中以整體面積應(yīng)變最為敏感[14]。也有研究認(rèn)為，應(yīng)變值與不同分析軟件有關(guān)，而與性別、年齡等人口統(tǒng)計(jì)學(xué)因素?zé)o關(guān)[15]。

2 3D-STI技術(shù)在心臟疾病中的應(yīng)用

2.1冠心病 冠心病是指冠狀動(dòng)脈粥樣硬化引起管腔狹窄或閉塞，導(dǎo)致心肌缺血、缺氧甚至壞死而引發(fā)的心臟疾病。冠狀動(dòng)脈粥樣硬化的病程進(jìn)展緩慢，但當(dāng)冠狀動(dòng)脈重度狹窄甚至閉塞時(shí)，缺少血流灌注的心肌在數(shù)十分鐘內(nèi)即可發(fā)生不可逆性壞死，引發(fā)乳頭肌功能失調(diào)(或斷裂)、心臟破裂、室壁瘤等并發(fā)癥，預(yù)后差[16](153-161)。因此，冠心病早期的診斷與治療對(duì)患者預(yù)后具有重要意義。

與冠狀動(dòng)脈造影等傳統(tǒng)檢查方法相比，3D-STI技術(shù)可以早期識(shí)別心肌缺血，從而間接評(píng)估冠狀動(dòng)脈狹窄程度，具有無(wú)創(chuàng)、無(wú)輻射、方便快捷等優(yōu)點(diǎn)。動(dòng)物研究證實(shí)，隨著冠狀動(dòng)脈血流灌注的減少，受累心肌節(jié)段的所有三維應(yīng)變參數(shù)均出現(xiàn)不同程度的降低，同時(shí)正常心肌節(jié)段應(yīng)變值呈代償性增加，以維持心臟射血功能[17]。Dogdus等[18]對(duì)冠心病患者的研究發(fā)現(xiàn)，重度冠心病組患者的所有應(yīng)變值均小于非重度冠心病組，與其他應(yīng)變參數(shù)相比，整體縱向應(yīng)變和整體面積應(yīng)變識(shí)別重度冠心病的價(jià)值更高。此外，將三維應(yīng)變參數(shù)與其他傳統(tǒng)超聲指標(biāo)相結(jié)合構(gòu)建多參數(shù)診斷模型也可顯著提高冠心病無(wú)創(chuàng)診斷的效率[19]。

有研究探討了3D-STI技術(shù)在評(píng)估梗死心肌面積和程度等方面的價(jià)值，但結(jié)論存在一定爭(zhēng)議。例如，Wang等[20]研究發(fā)現(xiàn)，3D-STI各參數(shù)與心肌梗死面積密切相關(guān)，且以整體縱向應(yīng)變最為顯著(r=0.728，P<0.01)，以-13.8%為截?cái)嘀?，整體縱向應(yīng)變?cè)\斷大面積心肌梗死(梗死面積≥12%)的特異度為87.5%，靈敏度為70.6%，曲線下面積為0.84。而Aly等[21]通過(guò)比較3D-STI與心臟磁共振成像發(fā)現(xiàn)，3D-STI對(duì)梗死心肌面積和程度的評(píng)價(jià)與心臟磁共振成像結(jié)果存在較大差異。因此，3D-STI對(duì)心肌梗死面積和程度的評(píng)估價(jià)值仍有待大樣本研究進(jìn)一步探索。3D-STI對(duì)經(jīng)皮冠狀動(dòng)脈介入治療患者的左心室慢性重構(gòu)和功能恢復(fù)均具有一定的預(yù)測(cè)價(jià)值，其中整體縱向應(yīng)變和整體面積應(yīng)變尤為顯著[22-24]。研究發(fā)現(xiàn)，二維整體縱向應(yīng)變和三維整體縱向應(yīng)變、整體面積應(yīng)變、整體徑向應(yīng)變均可作為對(duì)經(jīng)皮冠狀動(dòng)脈介入術(shù)后左心室重構(gòu)的獨(dú)立預(yù)測(cè)因子，其中三維整體縱向應(yīng)變預(yù)測(cè)價(jià)值最高，曲線下面積為0.82[23]。同時(shí)，三維節(jié)段縱向應(yīng)變和整體縱向應(yīng)變也可預(yù)測(cè)術(shù)后左心室節(jié)段心肌和整體功能的恢復(fù)，當(dāng)左心室節(jié)段縱向應(yīng)變截?cái)嘀禐?11.1%時(shí)，預(yù)測(cè)節(jié)段心肌功能改善的特異度和靈敏度分別為91%和92%[22]。

2.2心臟瓣膜病 主動(dòng)脈瓣狹窄、主動(dòng)脈瓣關(guān)閉不全及二尖瓣關(guān)閉不全均會(huì)導(dǎo)致左心室腔內(nèi)血流動(dòng)力學(xué)紊亂以及左心室心肌運(yùn)動(dòng)功能受損。然而，當(dāng)瓣膜重度病變甚至左心室重構(gòu)發(fā)生時(shí)，心臟瓣膜病患者的LVEF仍可維持正常且無(wú)顯著臨床癥狀。3D-STI技術(shù)在早期評(píng)估和術(shù)后隨訪瓣膜病患者左心室功能、預(yù)測(cè)心血管不良事件等方面均具有重要價(jià)值。

2.2.1主動(dòng)脈瓣狹窄 當(dāng)主動(dòng)脈瓣狹窄時(shí)，通過(guò)主動(dòng)脈瓣口的血流減少，同時(shí)進(jìn)入冠狀動(dòng)脈循環(huán)的血流也隨之減少；此外，由于左心室肥厚，供應(yīng)心肌的毛細(xì)血管網(wǎng)密度相對(duì)降低，造成心肌缺血和損傷。研究發(fā)現(xiàn)，LVEF保留的重度主動(dòng)脈瓣狹窄患者的整體縱向應(yīng)變、整體徑向應(yīng)變均顯著降低，而整體圓周應(yīng)變、心臟旋轉(zhuǎn)與扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)均增強(qiáng)[25]。其中，反映心內(nèi)膜下心肌運(yùn)動(dòng)的整體縱向應(yīng)變是提示主動(dòng)脈瓣狹窄患者早期左心室收縮功能異常的敏感指標(biāo)[26]，同時(shí)也是心臟不良事件的獨(dú)立預(yù)測(cè)因子[27]，整體縱向應(yīng)變?cè)谥鲃?dòng)脈瓣置換術(shù)后出現(xiàn)顯著升高[28-29]。

2.2.2主動(dòng)脈瓣關(guān)閉不全 主動(dòng)脈瓣關(guān)閉不全造成左心室容量負(fù)荷增加，早期左心室收縮功能呈適應(yīng)性增強(qiáng)，然而，當(dāng)左心室收縮功能受損時(shí)，臨床癥狀和LVEF則無(wú)明顯變化[16(173),30]。Broch等[31]測(cè)量31例LVEF保留的中、重度主動(dòng)脈瓣關(guān)閉不全患者的心肌應(yīng)變發(fā)現(xiàn)，左心室整體縱向應(yīng)變減小，而整體圓周應(yīng)變呈現(xiàn)代償性增加，提示在心肌縱向運(yùn)動(dòng)受損后，心臟可能通過(guò)增強(qiáng)環(huán)向運(yùn)動(dòng)的方式維持LVEF。

2.2.3二尖瓣關(guān)閉不全 二尖瓣關(guān)閉不全對(duì)左心室的影響與主動(dòng)脈瓣關(guān)閉不全相似，主要通過(guò)增加容量負(fù)荷引起左心室心肌運(yùn)動(dòng)功能受損。越來(lái)越多的研究顯示，二尖瓣重度關(guān)閉不全患者的心臟功能在LVEF降低前就已經(jīng)出現(xiàn)了損傷[32-33]，且左心室收縮功能的儲(chǔ)備與心臟不良事件的發(fā)生獨(dú)立相關(guān)[34]。Casas-Rojo等[33]運(yùn)用3D-STI技術(shù)隨訪無(wú)癥狀LVEF保留的二尖瓣重度關(guān)閉不全患者，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，面積應(yīng)變是心力衰竭事件唯一的獨(dú)立預(yù)測(cè)因子，以面積應(yīng)變>-41.6 %為截?cái)嘀?，預(yù)測(cè)心力衰竭事件的靈敏度和特異度分別為93%和78%，曲線下面積為0.74。

2.3心肌病

2.3.1肥厚型心肌病 肥厚型心肌病是一種常染色體顯性遺傳病，常表現(xiàn)為心室肌不對(duì)稱性肥厚。肥厚型心肌病患者的心肌細(xì)胞常異常肥大、排列紊亂，隨著病情進(jìn)展出現(xiàn)纖維化，從而導(dǎo)致心臟功能受損。與左心室肥厚的高血壓患者相比，肥厚型心肌病患者的整體縱向應(yīng)變受損更嚴(yán)重，這一點(diǎn)有助于鑒別高血壓所致左心室肥厚與肥厚型心肌病[35]。此外，Orta Kilickesmez等[36]通過(guò)對(duì)LVEF保留的肥厚型心肌病患者的研究發(fā)現(xiàn)，縱向應(yīng)變和徑向應(yīng)變均出現(xiàn)降低，而周向應(yīng)變和扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)則呈現(xiàn)代償性增強(qiáng)。該研究提示，在疾病早期肥厚型心肌病患者的心肌收縮功能可先于LVEF出現(xiàn)損傷。

2.3.2擴(kuò)張型心肌病 擴(kuò)張型心肌病是一種常見的心肌病，隨著病情進(jìn)展，心肌拉伸變薄，心肌細(xì)胞凋亡、纖維化，最終導(dǎo)致左心室功能障礙。一項(xiàng)針對(duì)兒童擴(kuò)張型心肌病的研究發(fā)現(xiàn)，左心室整體縱向應(yīng)變、整體圓周應(yīng)變和整體徑向應(yīng)變均出現(xiàn)不同程度降低，而整體縱向應(yīng)變、整體圓周應(yīng)變則與左心室功能更為密切，常先于左心室扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)發(fā)生改變[37]。此外，3D-STI技術(shù)還可用于評(píng)估疾病的嚴(yán)重程度。Sveric等[38]對(duì)45例經(jīng)3D-STI超聲心動(dòng)圖和心肺運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)的擴(kuò)張型心肌病患者進(jìn)行觀察，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，左心室扭轉(zhuǎn)角度與峰值攝氧量呈顯著正相關(guān)(r=0.76，P<0.001)，左心室扭轉(zhuǎn)角度是峰值攝氧量的獨(dú)立預(yù)測(cè)因子；以左心室扭轉(zhuǎn)角度<0.61°/cm為截?cái)嘀担A(yù)測(cè)心肺功能受損的靈敏度為91%，特異度為81%，曲線下面積為0.88。

2.3.3尿毒癥性心肌病 內(nèi)環(huán)境及代謝紊亂、心臟容量和壓力負(fù)荷增加以及多種心血管危險(xiǎn)因素均可造成尿毒癥患者嚴(yán)重的心血管損害，心血管疾病也是尿毒癥患者死亡的主要原因。據(jù)研究報(bào)道，尿毒癥患者心臟收縮與舒張功能在LVEF降低前就已受損[39]。3D-STI技術(shù)可以準(zhǔn)確反映尿毒癥患者早期左心室收縮功能的變化，且以整體縱向應(yīng)變和整體面積應(yīng)變較敏感[40]。Sun等[41]報(bào)道，整體縱向應(yīng)變是維持性血液透析患者心血管事件的重要預(yù)測(cè)指標(biāo)，以-17.2%為整體縱向應(yīng)變截?cái)嘀?，預(yù)測(cè)心血管事件的靈敏度和特異度分別為87.0%和79.1%。說(shuō)明3D-STI技術(shù)不僅可以早期識(shí)別尿毒癥患者的心臟損害，對(duì)預(yù)后評(píng)估及危險(xiǎn)分層也具有重要價(jià)值。

2.4其他心臟相關(guān)疾病

2.4.1腫瘤治療相關(guān)心臟損傷 作為腫瘤治療的兩種重要方式，化療和放療均可造成不同程度的心臟損傷。其中，化療相關(guān)心臟損傷近年來(lái)受到越來(lái)越多的關(guān)注。《2016年歐洲心臟病學(xué)會(huì)腫瘤治療與心血管毒性聲明》[42]指出，LVEF是識(shí)別腫瘤治療所致心力衰竭的可靠指標(biāo)。而與傳統(tǒng)二維超聲心動(dòng)圖相比，三維超聲心動(dòng)圖測(cè)量LVEF的時(shí)間變異性更低，重復(fù)性更好[43]。在隨訪過(guò)程中，使用同一機(jī)器和分析軟件有助于提高診斷的準(zhǔn)確性[44]。除LVEF外，3D-STI技術(shù)所提供的應(yīng)變參數(shù)對(duì)化療相關(guān)心臟損傷的識(shí)別也具有重要價(jià)值。Song等[45]通過(guò)對(duì)比蒽環(huán)類化療藥物治療前、后心臟功能的變化，發(fā)現(xiàn)3D-STI可先于2D-STI在4個(gè)化療周期檢測(cè)到左心室整體縱向應(yīng)變、整體圓周應(yīng)變和右心室整體縱向應(yīng)變均顯著降低；以-20.4%為截?cái)嘀?，左心室三維整體縱向應(yīng)變區(qū)分化療后患者的靈敏度和特異度分別為80%和70%，曲線下面積為0.81。該研究提示，3D-STI能更早識(shí)別化療相關(guān)心臟損傷，其中以整體縱向應(yīng)變的診斷價(jià)值最大。有研究提示，由于右心室心肌菲薄，右心室對(duì)化療藥物的敏感性可能較左心室更高[46]。

2.4.2心臟再同步化治療 3D-STI技術(shù)不僅可以準(zhǔn)確評(píng)估心臟運(yùn)動(dòng)的同步性和心臟功能，在篩選心臟再同步化治療有反應(yīng)患者、預(yù)測(cè)和評(píng)估心臟再同步化治療療效等方面也具有重要價(jià)值。研究提示，基線整體縱向應(yīng)變和整體圓周應(yīng)變水平與心臟再同步化治療后的長(zhǎng)期預(yù)后顯著相關(guān)，具有重要的預(yù)后價(jià)值[47]。趙盈潔等[48]通過(guò)對(duì)比41例患者心臟再同步化治療前、后的心臟收縮功能和同步性，發(fā)現(xiàn)二維和三維縱向應(yīng)變及其達(dá)峰時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)心臟再同步化治療的療效均有一定的預(yù)測(cè)價(jià)值，其中三維縱向應(yīng)變達(dá)峰時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)差預(yù)后價(jià)值最高，曲線下面積為0.845。

3 問(wèn)題與展望

作為一種新興的超聲診斷技術(shù)，3D-STI不僅能克服組織多普勒的角度依賴性，還能快速獲取心臟三維圖像資料，顯著縮短應(yīng)變參數(shù)的獲取時(shí)間，提高重復(fù)性和可靠性。3D-STI技術(shù)可以準(zhǔn)確評(píng)估常見心臟疾病的心肌運(yùn)動(dòng)功能，在疾病的鑒別診斷、風(fēng)險(xiǎn)分層以及不良事件的預(yù)測(cè)方面均具有重要價(jià)值。然而，目前3D-STI技術(shù)在臨床廣泛應(yīng)用仍存在一定的局限性：①高度依賴圖像質(zhì)量，且需要患者屏氣配合，因而限制了其在大部分患者中的常規(guī)應(yīng)用；②需要足夠的時(shí)間分辨率，幀頻過(guò)低會(huì)顯著降低分析結(jié)果的可信度；③各公司的分析軟件仍存在不足，算法和參考值等仍存在差異。相信隨著超聲技術(shù)的不斷發(fā)展以及分辨率和取樣容積的不斷提高，3D-STI有望在未來(lái)廣泛地應(yīng)用于臨床。