應用2種三維超聲心動圖定量分析軟件在不同圖像幀頻下評價左心室收縮功能和同步性

孔凡鑫，李光源，王永槐，馬春燕，楊軍

（中國醫(yī)科大學附屬第一醫(yī)院心血管超聲科，遼寧省影像醫(yī)學臨床醫(yī)學研究中心，沈陽 110001）

準確評價左心室容積和收縮功能可為診斷心臟疾病、評價病變程度、指導治療和判斷預后提供重要依據(jù)，是超聲心動圖工作中一個常規(guī)且重要的部分，對心臟病患者有重要的臨床意義［1］。與二維超聲心動圖（two-dimensional echocardiography，2DE）相比，三維超聲心動圖（three-dimensional echocardiography，3DE）分析左心室容積和收縮功能無需依賴對左心室形態(tài)的幾何學假設，具有更高的準確性和臨床預后價值［2-3］，且最新指南也推薦盡可能使用3DE評估左心室容積和收縮功能［4］。

3DE具有相對較低的幀頻是限制其廣泛應用的原因之一，可能導致無法獲得心動周期內(nèi)所有階段心肌運動，造成測量結(jié)果存在一定誤差［5-6］。但不同圖像幀頻是否導致測量結(jié)果存在差異，目前尚不明確。臨床上現(xiàn)有多種3DE定量分析軟件，如QLAB和TomTec，可量化評估左心室容積、收縮功能和同步性，這些軟件對左心室容積和左心室射血分數(shù)（left ventricular ejection fraction，LVEF）定量評估的準確性已被廣泛驗證。但不同軟件間是否存在差異，目前研究較少。本研究探討了2種3DE分析軟件QLAB和TomTec以及同一軟件不同圖像幀頻下測量的左心室容積、收縮功能和同步性是否存在差異。

1 材料與方法

1.1 研究對象和分組

收集2019年4月至6月于門診就診的受試者73例。其中，男43例，女30例；年齡25～74歲，平均（52.1±15.1）歲；正常人13例，高血壓患者10例，冠狀動脈粥樣硬化性心臟病患者10例，陣發(fā)性心房顫動患者9例，左束支傳導阻滯患者16例，擴張型心肌病患者9例，心臟再同步化治療患者6例。本研究通過我院倫理委員會批準，所有患者均簽署知情同意書。

納入標準：臨床狀態(tài)穩(wěn)定，可以配合屏氣數(shù)秒檢測者；經(jīng)胸超聲心動圖透聲清晰，可清晰顯示左心室心內(nèi)膜。排除標準：孕婦，非竇性心律者，左心室室壁瘤或其他心腔形狀無法被識別者，左心室心肌16節(jié)段中有3節(jié)段以上顯示不清者。

根據(jù)LVEF是否減低，將受試者分為2組：LVEF正常組（LVEF≥53%）和LVEF減低組（LVEF＜53%）。

1.2 儀器和方法

采用Philips iE33型超聲診斷儀，配有S5-1二維超聲探頭和X3-1三維超聲探頭，頻率分別為1～5 MHz和1～3 MHz。

1.2.1 圖像采集：每位受試者2DE和3DE圖像的采集均由同一位具有至少3年超聲心動圖診斷經(jīng)驗的醫(yī)生獲取。檢查時受試者均取左側(cè)臥位，連接體表心電圖。

1.2.1.1 2DE圖像采集 應用S5-1探頭留取各切面標準圖像，在機采用Simpson’s法，通過手動勾畫心尖四腔心和二腔心切面舒張末期和收縮末期心內(nèi)膜，獲取左心室舒張末期容積（left ventricular enddiastolic volume，LVEDV）、左心室收縮末期容積（left ventricular end-systolic volume，LVEDV）和LVEF。

1.2.1.2 3DE圖像采集 應用X3-1探頭獲取心尖四腔心切面，選擇full-volume程序。在調(diào)整圖像對比度、深度和扇區(qū)大小后，囑咐患者屏氣，采集3DE圖像，注意將整個左心室包含在三維掃描體積內(nèi)。為獲取2種不同幀頻的3DE圖像，分別采集4個和6個心動周期全容積圖像，幀頻分別為（17±2）fps（低幀頻）和（22±3）fps（高幀頻）。存圖用于分析。

1.2.2 3DE圖像分析：

1.2.2.1 QLAB定量分析 應用QLAB 13.0軟件3DQA插件對圖像脫機分析，于心尖四腔心、二腔心和左心室短軸參考切面上手動校正平面，分別在舒張末期和收縮末期標記參考點，運行程序，獲得LVEDV、LVESV、LVEF和左心室收縮不同步指數(shù)（systolic dyssynchrony index，SDI，即左心室各節(jié)段達最小容積時間的標準差）。見圖1A。

1.2.2.2 TomTec定量分析 應用TomTec（Image-Arena 4.6）軟件對圖像脫機分析，軟件自動從3DE圖像中切割出3個心尖參考平面，利用旋轉(zhuǎn)功能使心室達到最佳顯示方位，調(diào)節(jié)對比度使心內(nèi)膜顯示最佳，軟件自動勾畫舒張末期和收縮末期左心室心內(nèi)膜，對勾畫不佳處進行手動校正，運行程序，獲得LVEDV、LVESV、LVEF和SDI。見圖1B。

圖1 3DE左心室容積、LVEF和同步性的測量Fig.1 3DE measurement of the left ventricular volume，LVEF，and synchronization

1.3 統(tǒng)計學分析

采用SPSS 19.0軟件進行統(tǒng)計分析。計量資料用表示，2組間比較采用t檢驗，多組間比較采用單因素方差分析和配伍組設計方差分析。計數(shù)資料用百分數(shù)表示，采用χ2檢驗進行比較。相關性分析采用Pearson相關分析；一致性分析采用Bland-Altman法，90%以上的點落在95%可信區(qū)間認為一致性較高。P＜ 0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結(jié)果

2.1 一般臨床參數(shù)的比較

LVEF正常組與LVEF減低組比較，受試者的年齡、性別、體表面積、心率、QRS時限、收縮壓和舒張壓的差異均無統(tǒng)計學意義（P＞ 0.05）。見表1。

表1 受試者一般臨床參數(shù)的比較Tab.1 Comparison of general clinical characteristics of the participants

2.2 同一3DE 分析軟件在2種圖像幀頻下測量結(jié)果的比較

在所有受試者中，應用同一3DE 分析軟件（QLAB或TomTec），在低幀頻和高幀頻下測量的LVEDV、LVESV和LVEF均無統(tǒng)計學差異（P＞ 0.05），但高幀頻圖像測量的SDI顯著大于低幀頻圖像（P＜0.05）。見表2。

表2 同一3DE 分析軟件2種圖像幀頻下測量結(jié)果的比較Tab.2 Comparison of 3DE data taken at two frame rates

2.3 2種3DE分析軟件測量結(jié)果的比較

因高幀頻圖像測量的SDI更高，所以本研究選取所有受試者的高幀頻圖像進行QLAB和TomTec測量結(jié)果的比較。

在所有受試者、LVEF正常組和LVEF減低組中，QLAB和TomTec測量的LVEDV、LVESV和LVEF均無統(tǒng)計學差異（P＞ 0.05），而TomTec測量的SDI顯著大于QLAB（P＜ 0.01），所有受試者中2種軟件測量的SDI差值為（2.91±3.19）ms。2DE Simpson’s法測量的LVEDV和LVESV顯著低于2種3DE軟件，測量的LVEF高于2種3DE軟件（均P＜ 0.001）。見表3。

表3 所有受試者、LVEF正常組和LVEF減低組中2種3DE分析軟件和2DE Simpson’s法測量結(jié)果的比較Tab.3 Comparison of Simpson’s method in two-dimensional echocardiography with the two 3DE applications in all participants and in the normal and decreased LVEF groups

2.4 2種3DE分析軟件測量結(jié)果的相關性和一致性分析

QLAB和TomTec測量的LVEDV、LVESV和LVEF呈高度正相關（r=0.939，0.969，0.963，均P＜ 0.001），SDI呈中度正相關（r=0.628，P＜ 0.001）。見圖2。

圖2 QLAB和TomTec測量左心室容積、收縮功能和同步性的相關性分析Fig.2 Correlation of the left ventricular volume，systolic function，and synchrony parameter detected by QLAB and TomTec

Bland-Altman圖像顯示，QLAB與TomTec測量的LVEDV、LVESV、LVEF和SDI一致性均良好，僅約5%～7%的點位于95%一致性界限外，在臨床可接受范圍內(nèi)。見圖3。

圖3 QLAB和TomTec測量左心室容積、收縮功能和同步性的一致性分析Fig.3 The Bland-Altman plot showing the measurements of left ventricular volume，systolic function，and synchrony parameter detected by QLAB and TomTec

3 討論

準確評價心臟血管結(jié)構和功能對臨床診斷和治療具有重要意義，超聲心動圖是臨床首選的影像學檢查方法［1，7］，常用成像技術包括2DE和3DE。2DE受聲束方向和聲學窗口限制，且只能通過單一切面對心腔結(jié)構進行幾何假設，存在一定的誤差［2，8］。而3DE利用時間信息和空間特征編制信息，與常規(guī)2DE相比，能夠更準確地評價心腔結(jié)構和功能，且與MRI相關性較好，得到臨床一致認可［8-9］，并被美國超聲心動圖學會心腔定量指南推薦測量左心室容積和LVEF［4］。此外，3DE可同時顯示左心室各心肌節(jié)段容積-時間曲線，評價左心室收縮同步性［10］。

心臟是一個不斷運動的器官，實時顯示心臟運動狀態(tài)是準確評價心臟結(jié)構和功能的重要前提，低幀頻可導致心動周期內(nèi)部分時間點心肌運動信息丟失，造成測量誤差，而3DE圖像幀頻較低是其目前無法避免的局限性［11］。因此，采集3DE圖像時，在保證圖像完整性和高質(zhì)量的前提下，超聲醫(yī)生會盡可能提高幀頻，但不同幀頻是否對心臟功能和同步性測量產(chǎn)生影響，目前尚不明確。本研究在保證軟件可以分析的情況下，采集了4個和6個心動周期全容積3DE，得到幀頻分別為（17±2）fps和（22±3）fps的圖像。結(jié)果顯示，不同幀頻下同一軟件測量的左心室容積和收縮功能無統(tǒng)計學差異；而高幀頻圖像測量的收縮同步性參數(shù)SDI明顯大于低幀頻圖像。SDI是通過計算左心室各節(jié)段心肌達最小容積的時間標準差來反映收縮同步性，對軟件心內(nèi)膜緣追蹤的準確性要求更高，高幀頻可以提供更多的心肌運動時間信息，而低幀頻可能錯過某個心肌節(jié)段達到最小容積的時間點，造成較大誤差。

臨床現(xiàn)有多個可以測量心臟容積和功能的3DE分析軟件，它們具有多種后處理選項和不同優(yōu)點［12］，其中TomTec和QLAB是臨床常用軟件，二者測量方法均可結(jié)合手動標注的特定參考點（心尖、二尖瓣環(huán)等），進行心室腔三維立體構建，自動追蹤心動周期內(nèi)心內(nèi)膜邊界變化，從而計算心室容積和射血分數(shù)。但TomTec和QLAB的使用方法和分析存在一定差別：TomTec需要對心內(nèi)膜邊界進行三平面手動勾畫，生成左心室?guī)缀文Ｐ?，追蹤結(jié)果不符合實際時可對每個平面逐幀進行手動校正；而QLAB不需要手動勾畫心內(nèi)膜邊界，定義舒張末期和收縮末期幀后，只需要標定5個參考點（1個心尖，4個二尖瓣環(huán)），即可識別左心室?guī)缀文Ｐ停?3-14］，但僅可在舒張末期和收縮末期手動校正心內(nèi)膜緣。本研究對所有受試者應用TomTec和QLAB測量的左心室容積和收縮功能無顯著差異。進一步將受試者分為LVEF正常組和LVEF減低組，結(jié)果顯示，無論LVEF是否減低，2種軟件測量的左心室容積和收縮功能亦無顯著差異，并且2種軟件測量的左心室容積和收縮功能均呈高度正相關，一致性良好。但2種軟件在測量左心室收縮同步性時，無論LVEF是否減低，TomTec測量的SDI均明顯大于QLAB。SDI測量要求軟件對心內(nèi)膜緣追蹤的準確性很高，而QLAB自動識別心內(nèi)膜，僅在收縮末期和舒張末期可以手動調(diào)整，對每個節(jié)段達最小容積的時間和心內(nèi)膜緣不能實時校正，因此可能不能反映室壁實際的機械活動，尤其對于左心室收縮不同步的患者可能存在較大誤差。而TomTec可逐幀矯正心內(nèi)膜緣，對左心室各節(jié)段心肌機械收縮運動的實時檢測更敏感。

本研究的局限性：樣本量??；未與MRI金標準對比；未納入心內(nèi)膜圖像欠清晰者。

綜上所述，不同3DE分析軟件在不同圖像幀頻下測量的左心室容積和LVEF無顯著差異，測量的左心室同步性有顯著差異，提示超聲醫(yī)生采集3DE圖像時要盡可能提高圖像幀頻，以免丟失重要信息；在分析3DE圖像時，盡可能采用同一種軟件，從而減少人為測量誤差。