三维超声心动图研究进展

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摘要心脏病，尤其是涉及对左室容量及功能评价时，二维超声心动图(two-dimensional echocardiography,2DE)是一种普遍的诊断手段。然而，传统的2DE受几何形态假设的限制，对容量定量测量不精确。由于三维成像消除了几何假设的不足与成像平面的位置误差，因而能够更加精确地评价复杂的心脏解剖和功能。临床上早期试图通过手动由多片面的二维图像重建获取空间示踪信息，从而得到三维图像，最初这些有关左室重量和射血分数的三维图像的产生是基于二维超声的结果，它和磁共振成像有一定可比性［1］。最近，由于全心实时成像技术和全自动定量功能的发展，使三维超声心动图(real-time three-dimensional echocardiography,RT-3DE)成为越来越普遍的常规临床检查手段。实时三维超声心动图对于心脏超声的诊断和治疗评估能力有了进一步提升。 1 三维超声心动图的演变心脏三维超声图像采集始于1974年。最近，矩阵排列的探头已经问世，此类探头的压电晶片的排列优于二维薄片探头，能够进行锥形扫描。矩阵排列的探头能够快速实时地获取三维图像，不需要花费太多时间进行脱机重建。早期探头相关的限制，包括较差的图像质量、帧频较低和扫描平面较窄［2］。新一代的探头采用全信号排列，从而使图像质量明显提高。三维彩色多普勒对评价瓣膜反流相当有效，在三维彩色多普勒模式下，获取的是心脏的一小部分资料，这需要连续记录7个心动周期。为了便于观看和分析，图像可以通过矩形平面或多短轴平面予以展示。实时三维图像也能够通过各种角度进行观察，极大地促进了心脏超声的诊断工作。除了需要耗费时间的脱机后期资料处理以外，早期的三维系统依赖于手动评估心功能。此过程操作性差，需要一定的经验和训练。新近发展的定量分析软件程序可以克服以上局限性。这些软件程序不仅直接定量分析心脏容量和质量、射血分数和收缩的不同步性，而且能够评估静息和负荷时的局部室壁运动。后期处理软件的另一项进步就是加入了边界探测法，通过对心内膜的探测，能够半自动地分析左室而无需进行几何假设。与早期技术相比，探头的改善和计算机软硬件的提升能够大幅度缩短检查时间，改变工作流程。2 临床应用价值2.1 左室功能评估是心脏超声心动图最普遍和重要的临床适应证。一系列的临床研究显示，实时三维超声心动图对左室评估结果的精确性和重复性同当前的金标准磁共振成像具有一致性。RT3DE也可用于评估左室功能。传统上，左室射血分数是通过视觉图像的判读估测的，其来源于二维左室容量并含有主观因素，可重复性较差。相比之下，RT3DE能够提供更为精确，且重复性好的左室射血分数的定量测量，该定量测量对临床决策的选择具有重要意义。关于左室形态的评估，RT3DE也提供了三维球形指数，该指数能够较为精确地反映左室形态，并且能够作为一项预测急性心肌梗死后左室重构的独立因素。RT3DE同时也能够对左室其他相关内容进行评估和测量，也可用于心脏超声负荷试验（多巴酚丁胺、血管扩张剂甚至运动试验）。早期资料显示，二维和三维超声心动图对此具有相同的敏感度和特异度［3-5］，但是后者大大减少了扫描时间和处理时间，从而提高了工作效率。时间分辨率对于负荷试验特别重要，目前RT3DE有比二维超声更好的分辨率。最近几年，心室运动的同步性评估对于患者的适应证选择和心脏再同步化治疗(cardiac resynchronization therapy，CRT)的预后评估相当重要［6］。越来越多的证据显示，可以从三维资料得到左室局部容积改变，以分析左室内部的不同步性，由三维全容积资料可获得收缩同步指数（SDI），可以用来作为评估CRT治疗是否成功的预测因素。SDI值取6.4%作为截断点具有较高的敏感度和特异度（分别为88%和85%），同时具有较好的重复性。 2.2 右室功能评估 RT3DE也可以用于右室的评价。在几种心脏疾病中的检测结果显示，精确的右室大小和功能的评估对于诊断和预后有重要价值。既往由于右室复杂的几何形态和在心脏胸腔的位置使得右室的评估相当困难。复杂的解剖结构经常造成基于传统的二维几何假设而进行的右室容量计算失败。目前的RE3DE则能够进行更为精确和重复性好的右室容量定量测量。此功能是基于装备了后期处理软件的RT3DE系统，该系统能够按右室的数学管型模型公式计算右室容量和右室射血分数，与二维成像相比，三维成像能够提供更为精确和重复性好的右室评估，其结果与磁共振成像相关性好［7］。2.3 瓣膜结构评估临床一直关注RT3DE对二尖瓣可视化评估的潜在应用价值。通过对三维资料处理，RT3DE能够得到瓣膜两边的实时独特的“前位像”，通过后处理软件的运用可以对二尖瓣进行任意方位平面的观测，而一系列有效的观测平面对于二尖瓣瓣口面积的测量至关重要。最新的后期处理软件也能进行二尖瓣环附件的定量测量，通过三维手段评估二尖瓣器有助于更好地了解心脏瓣膜的解剖和功能，为二尖瓣相关狭窄和反流的病理生理机制的阐述提供了新的视点。RT3DE对二尖瓣的术前评估为二尖瓣修复术的制定提供有价值的信息。研究表明，RT3DE对于风心病二尖瓣狭窄的患者，估测二尖瓣面积具有可行性，精确度较高且重复性好；同金标准，如超声多普勒方法，以及侵入性的导管检查结果一致性好。与作为金标准的二维经食管超声心动图相比，三维经胸超声是一项较好的术前无创评估二尖瓣的方法。特别是在瓣膜反流的患者中，彩色多普勒血流对于喷射点起源和瓣周毗邻结构的界定有重要价值［8］。 2.4 三维超声心动图与先天性心脏病与二维超声相比，RT3DE能够提供更为全面的全心实时图像资料，这项技术为先天性心脏病的检查开辟了新的途径。研究显示，在先天性心脏病患者中，左室和右室容量的三维测量同磁共振成像检查有良好的相关性。RT3DE对主动脉二叶瓣、法洛四联症、动脉导管未闭、主动脉窦瘤、艾伯斯坦畸形、瓣下瓣，以及其他复杂的先心病的解剖结构的阐述具有良好的可信度。例如，在主动脉瓣置换术时，RT3DE能够通过精确的、近乎实时的心脏容积图像来测量瓣口面积，给心外科医师提供瓣膜置换决策的依据［9］。其在临床运用上与二维超声比较的情况见表1。表1 RT3DE较传统二维超声心动图的优势临床应用[]优势（与二维超声心动图相比）[JP3]左室容量、质量指数和射血分数的评估[JP][]无需几何假设，无透视缩小等错误左室室壁运动异常的评估[]包含全部的左室收缩动力学信息：[JP2]图像采集更迅速（负荷试验更适用）；[JP]对室壁运动异常的判定更加精确；左室运动同步化的评估[]单一图像就能分析16阶段运动；半自动化的处理（重复性更好）；无角度依赖性；[JP3]同时结合左室容量和功能的定量测量[JP]瓣膜功能和疾病的评估[]不受图像平面位置的限制，对瓣膜结构的诠释更加形象和全面：二尖瓣和主动脉瓣狭窄-“前位像”更加精确的瓣口面积测量；二尖瓣脱垂-精确的形态学定义；二尖瓣和主动脉瓣反流-通过彩色多普勒对反流狭径精确测量；指导外科和介入手术操作先天性心脏病的评估[]更加清晰地阐述复杂的心脏结构；指导外科手术操作2.5 实时三维超声心动图的局限性不可否认，超声探头和后期处理软件已经取得了显著进步，但对于RT3DE的临床广泛应用仍然存在一些不足。目前，要取得心脏全容积三维图像至少需要连续记录与心电图R波门控的4个甚至更多心动周期的资料，尤其是在心律失常或呼吸不稳的患者中，心电图门控及缝接所取得的全容积图像可能出现人工干扰。这些患者中，三维资料精确性和可用度降低。无论是心电图门控的扫描技术，还是实时的图像获取，都需要操作者具备一定的操作技术和经验，而对于结果的定量阐述，检测者必须依赖于来源于二维图像资料的后期处理。另一不足就是，虽然与传统的二维超声相比，RT3DE能够明显减少扫描所花费的时间，但最终图像的空间和时间分辨率仍需要进一步提高。后期处理软件只能够半自动定量测量房室腔容量，而对于资料的处理，仍需操作者相当的经验和训练，只有由一些有经验的医师操作，才能够消除三维检测结果与磁共振成像不一致的现象［10］。3 最新研究进展三维超声心动图经过20多年的发展，一直都在不断进步之中。最新的革新已经远离传统的线线采集，达到同时多束采集从而得到一个心动周期内无缝、实时、全容积的三维图像阶段。在较高的容频（大于20容/s）下快速获取大量容积资料，使临床医师能够在一个心动周期内获取全心的实时同步情况，而不需要心电图门控和多心动周期的拼接（图1）。这种图像获取速度，解决了人工拼接的问题，包括在一些非正常心动周期（如伴有心力衰竭或心律失常）的患者中，采集图像的可信度、图像的质量和精确性都有很大程度的提高。另外，在采集图像过程中，全心图像都能够实时显示，其优化的容积定位远远超过由心电图门控的方法。图1 瞬时全容积图像获取心脏信息无需心电图门控其他的一些技术革新，如基于智能化工作流程和识别模式软件相结合的工作模式，能够全自动地提取和定量测量所需的全部资料。全自动定量识别模式能够帮助医师更好地理解解剖学结构。全自动的提取、测量和分析将更大地增加工作效率，减少操作所需时间，减少观察者之间和同一观察者多次检查的误差。形态学评估和三维负荷超声试验将得益于后期处理软件的进步，能够快速、简便地搜索全部的三维资料，从而提供一个分析室壁运动的标准界面。多普勒对诊断瓣膜关闭不全和分流至关重要，RT3DE的又一大进步就是为三维超声加上彩色多普勒信息，可以更加清晰地阐述血流情况（图2）。从而能够更加全面地评估病情，尤其是在瓣膜病中，能够更加精密和准确地分析瓣膜情况。图2 瞬时全容积图像加上彩色血流信息能够实时显示瓣膜的形态、功能和血流动力学状态基于智能库和全自动定量识别模式软件相结合的工作模式使得RT3DE能够克服目前的限制，为常规临床实践服务。在不久的将来，RT3DE将整合到心脏影像检查中，甚至可能取代部分二维超声检测而进一步减少检查时间。4 结论RT3DE技术取得了显著的进步，其后期处理及分析能力已经能够很好地说明其作为常规临床检查手段的运用价值。目前的RT3DE系统能够快速获取心脏的全容积的图像，半自动的后期处理软件能够快速定量分析和评估房室腔的容量和功能。另外，RT3DE与作为金标准的的三维心脏磁共振成像相比，在心脏容量和功能评估上具有良好的可比性。尽管如此，当前的RT3DE仍然存在一些不足之处。要取得心脏全容积三维图像至少需要连续记录与心电图R波门控的4个甚至更多心动周期的资料。目前的人工拼接需要延长憋气时间，多心动周期图像的获取可能导致图像质量和定量测量结果的不准确。该项技术可能特别不适合伴有呼吸困难或者不规则心动周期的患者。由于后期处理只是半自动的，因此需要有经验和训练过的专业人士使用。随着三维技术的不断进步，RT3DE必将整合到多模式的影像工作当中。一个心动周期内无缝、实时、全容积的三维图像技术消除了憋气延长及拼接采集的不利因素。基于智能库和全自动定量识别模式软件相结合的后期处理将对当前的工作模式产生巨大影响。随着技术的不断进步，检查时间和图像质量将得以改善，能够加速和简化心脏的定量测量评估，最终使三维技术运用到日常的临床工作中。

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关键词 ：超声心动图, 三维, 实时成像, 全容积图像采集

收稿日期: 2011-11-05

引用本文:

智光. 三维超声心动图研究进展[J]. 武警医学, 2012, 23(3): 1-1.

链接本文:

http://journal08.magtechjournal.com/Jwk_wjyx/CN/ 或 http://journal08.magtechjournal.com/Jwk_wjyx/CN/Y2012/V23/I3/1

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