實時三維超聲心動圖研究進(jìn)展

1、實時三維超聲心動圖研究進(jìn)展中國人民解放軍總醫(yī)院 作者：智光 2010-8-2 23:55:21 點擊： 次 發(fā)表評論文字大?。捍笾行∥恼绿枺篧039525關(guān)鍵詞  經(jīng)典2010，超聲心動圖，進(jìn)展，二維，三維，實時成像，全容積圖像采集，限制，臨床應(yīng)用摘要 隨著技術(shù)進(jìn)步及計算機處理能力的提升，三維超聲心動圖（3DE）將會越來越為人們所接受并成為一項常規(guī)的臨床醫(yī)療工具。與傳統(tǒng)的二維超聲心動圖(2DE)相比，3DE所提供的圖像能夠更加精確評價復(fù)雜的心臟解剖結(jié)構(gòu)和心功能，同時也能與核磁共振相媲美。早期由于3DE的重復(fù)性等問題限制了其臨床應(yīng)用的推廣。然而，近期以上許多問題隨著探頭換能器和后期處理

2、軟件技術(shù)的顯著改進(jìn)都得以解決，而且，由于最近全新實時成像技術(shù)和全自動定量功能的發(fā)展使得3DE成為越來越普遍的常規(guī)臨床檢查手段。實時三維超聲心動圖對于心臟超聲的診斷和治療評估能力有了進(jìn)一步提升。一個心動周期內(nèi)的無縫、實時、全容積三維成像技術(shù)克服了當(dāng)前實時三維系統(tǒng)獲取圖像需要4到7個心動周期，同時存在選圖及人為干擾的局限性。 在心臟病臨床工作中，尤其是涉及到對于左室容量及功能的評價時，二維超聲心動圖是一種普遍的診療手段。然而，傳統(tǒng)的2DE依賴于幾何形態(tài)假設(shè)上的限制導(dǎo)致其對于容量的定量測量存在不精確性。由于三維成像消除了幾何假設(shè)的不足與成像平面的位置誤差，因此能夠更加精確的評價復(fù)雜的心臟解剖和功能。

3、早期人們試圖通過手動由多片面的二維圖像重建獲取空間示蹤信息從而得到三維圖像，最初這些有關(guān)左室重量和射血分?jǐn)?shù)的三維圖像的產(chǎn)生是基于二維超聲的結(jié)果，它和核磁共振成像有一定可比性。盡管3DE已經(jīng)出現(xiàn)將近二十多年，但是由于早期一些技術(shù)上的局限性影響了其廣泛的臨床運用，而且，由于最近全心實時成像技術(shù)和全自動定量功能的發(fā)展使得3DE成為越來越普遍的常規(guī)臨床檢查手段。實時三維超聲心動圖對于心臟超聲的診斷和治療評估能力有了進(jìn)一步提升。雖然心臟核磁共振成像是當(dāng)前的金標(biāo)準(zhǔn)，但是該成像模式需要注射造影對比增強劑，也不適合有心臟植入裝置的患者而且花費較高。 1 三維超聲心動圖的演變 心臟三維超聲圖像采集始于1974年

4、。隨著早期3DE技術(shù)的發(fā)展，它采用的是基于二維圖像的脫機連續(xù)成像技術(shù)，然而，這些技術(shù)在圖像采集及后期處理方面都存在局限性：獲取的圖像在空間及短時分辨率上較差，當(dāng)使用此類二維圖像進(jìn)行三維重建時較為費時，所以只能夠脫機處理。最近，矩陣排列的探頭已經(jīng)問世。此類探頭的壓電晶片的排列優(yōu)于二維薄片探頭，能夠進(jìn)行錐形掃描。矩陣排列的探頭能夠快速實時得獲取三維圖像，不需要花費太多時間進(jìn)行脫機重建。最初的矩陣排列的探頭能夠獲得60×60的實時三維錐形容量資料。早期探頭相關(guān)的限制包括較差的圖像質(zhì)量，幀頻較低和掃描平面較窄。 新一代的探頭采用全信號排列從而圖像質(zhì)量有明顯提高。矩陣排列的全信號探頭包含上千個

5、同時有效的超聲發(fā)射元件，由于計算機處理能力的提高使得快速的后期處理成為可能，這樣就能夠提供近乎實時容量掃描。高質(zhì)量的圖像幾乎同時采集，這種采集系統(tǒng)同時提供幾種圖像模式，包括多平面（雙平面和三平面），實時三維，三維局部，全容積和三維彩色多普勒。然而，對于通過一定數(shù)量的心電圖門控而獲取的亞容積三維圖像系統(tǒng)中，后兩種圖像模式被認(rèn)為對于是最主要的限制。至少47個R波相關(guān)門控的心動周期的圖像采集對于房室腔的可視及定量已經(jīng)足夠，也就能夠得到全心的三維圖像（見圖1）。三維彩色多普勒對于評價瓣膜返流相當(dāng)有效。在三維彩色多普勒模式下，獲取到的是心臟的一小部分資料，這需要連續(xù)7個心動周期的記錄。為了便于觀看和分析

6、，圖像可以通過矩形平面或多短軸平面予以展示。實時三維圖像也能夠通過各種角度進(jìn)行觀察，極大的利于心臟超聲的診療工作。 除了需要耗費時間的脫機后期資料處理以外，早期的三維系統(tǒng)依賴于手動評估的定量評價心功能。此過程操作性差，需要一定的經(jīng)驗和訓(xùn)練。通過現(xiàn)有軟件程序?qū)τ谌S資料的分析已經(jīng)得到驗證。這些軟件程序不僅直接定量分析心臟容量和質(zhì)量，射血分?jǐn)?shù)和收縮的不同步性，而且評估靜息和負(fù)荷時的局部室壁運動。后期處理軟件的另一項進(jìn)步就是加入了邊界探測法，通過對心內(nèi)膜的探測能夠半自動的分析左室而無需進(jìn)行幾何假設(shè)。硬件能力的提升使得能夠儲存更大的資料。與早期技術(shù)相比，探頭的改善和計算機軟硬件的提升使得我們能在較短的

7、時間增加更大的工作量。 2 目前實時三維超聲心動圖臨床適應(yīng)征 目前實時三維超聲心動圖能夠提供全心的近似實時容積圖像便于心腔解剖和功能的評價，包括心肌運動同步性，瓣膜病和先心病等。 3 左室功能評估 左室評估是心臟超聲心動圖最普遍和重要的臨床適應(yīng)癥。一系列的臨床研究顯示實時三維超聲心動圖對左室評估結(jié)果的精確性和重復(fù)性同當(dāng)前的金標(biāo)準(zhǔn)核磁共振成像具有一致性。RT3DE也可用于評估左室功能。傳統(tǒng)上，左室射血分?jǐn)?shù)的評估是通過視覺圖像的判讀來進(jìn)行估測的，其來源于二維左室容量并含有主觀因素，可重復(fù)性較差。相比之下，RT3DE就能夠提供更為精確且重復(fù)性好的左室射血分?jǐn)?shù)的定量測量。該定量測量對于臨床決策的選擇具

8、有重要意義。關(guān)于左室形態(tài)的評估，RT3DE也提供了三維球形指數(shù)，該指數(shù)能夠較為精確的反映左室形態(tài)，并且能夠作為一項預(yù)測急性心梗后左室重構(gòu)的獨立因素。 RT3DE同時也能夠?qū)τ谧笫移渌嚓P(guān)內(nèi)容進(jìn)行評估和測量。它也可用于心臟超聲負(fù)荷試驗（多巴酚丁胺，血管擴張劑甚至運動試驗）。早期資料顯示二維和三維超聲心動圖對此具有相同的敏感度和特異度，但是后者大大減少掃描時間，節(jié)省處理時間從而提高了工作量。RT3DE用于負(fù)荷超聲能夠進(jìn)行多個軸線視角的分析，包括標(biāo)準(zhǔn)的長軸和多個平行的短軸切面。時間分辨率對于負(fù)荷試驗特別重要，目前RT3DE能夠比二維超聲更好的分辨率。最近幾年，心室運動的同步性評估對于適應(yīng)患者的選擇和

9、心臟再同步化治療（CRT）的預(yù)后評估相當(dāng)重要。越來越多的證據(jù)顯示可以通過從三維資料得到左室局部容積改變來分析左室內(nèi)部的不同步性.由三維全容積資料可獲得收縮同步指數(shù)（SDI），可以用來作為評估CRT治療是否成功的預(yù)測因素。SDI值取6.4作為截斷點具有較高的敏感度和特異度（分別為88和85），同時具有較好的重復(fù)性。 4 右室功能評估 RT3DE也可以用于右室的評價。在幾種心臟疾病中的檢測結(jié)果顯示精確的左室大小和功能的評估對于診斷和預(yù)后有重要相關(guān)價值。既往由于右室復(fù)雜的幾何形態(tài)和在心臟胸腔的位置使得右室的評估相當(dāng)困難。復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu)經(jīng)常造成基于傳統(tǒng)的二維幾何假設(shè)而進(jìn)行的右室容量計算失敗。目前的RE

10、3DE則能夠進(jìn)行更為精確和重復(fù)性好的右室容量定量測量。此功能是基于裝備了后期處理軟件的RT3DE系統(tǒng)能夠按右室的數(shù)學(xué)管型模型公式計算右室容量和右室射血分?jǐn)?shù)，同時也可能是因為取消了幾何假設(shè)。與二維成像相比，三維成像能夠提供更為精確和重復(fù)性好的右室評估，結(jié)果與核磁共振成像相關(guān)性好。 5 瓣膜結(jié)構(gòu)評估 人們一直感興趣于RT3DE作為對像二尖瓣（MV）這樣的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的可視化評估的潛在應(yīng)用價值。通過對三維資料處理后能夠得到瓣膜兩邊的實時獨特的“前位像”。通過后處理軟件的運用可以對二尖瓣進(jìn)行任意方位平面的觀測。一系列有效的觀測平面對于二尖瓣瓣口面積的測量至關(guān)重要。測量單一切面的反流狹徑會造成有效瓣口返流面

11、積的估測不足。最新的后期處理軟件也能進(jìn)行二尖瓣環(huán)復(fù)合體的定量測量。通過三維手段來評估二尖瓣有助于更好地理解心臟瓣膜的解剖和功能，對于二尖瓣相關(guān)狹窄和返流的病理生理機制的理解提供了新的視點。RT3DE對二尖瓣的術(shù)前評估為二尖瓣修復(fù)術(shù)的制定提供有價值的信息。研究表明RT3DE對于風(fēng)心二尖瓣狹窄的病人估測二尖瓣面積具有可行性，精確度較高且重復(fù)性好；同金標(biāo)準(zhǔn)如超聲多普勒方法相比，與侵入性的導(dǎo)管檢查結(jié)果一致性好。與作為金標(biāo)準(zhǔn)的二維經(jīng)食道超聲心動圖相比，三維經(jīng)胸超聲是一項較好的術(shù)前無創(chuàng)評估二尖瓣的方法。通過RT3DE取得的彩色多普勒血流結(jié)合三維形態(tài)學(xué)資料也用來作為臨床相關(guān)的二尖瓣補充材料。特別是在瓣膜返流

12、的病人中，彩色多普勒血流對于噴射點起源和瓣周毗鄰結(jié)構(gòu)的界定相當(dāng)有用。 6 三維超聲心動圖與先天性心臟病 與二維超聲相比，RT3DE能夠提供更為全面的全心實時圖像資料，這項技術(shù)為先天性心臟病的檢查開辟了新的途徑。研究顯示，在先天性心臟病病人中，左室和右室容量的三維測量同核磁共振成像檢查有良好的相關(guān)性。RT3DE對于主動脈二葉瓣、法洛氏四聯(lián)癥、動脈導(dǎo)管未閉、主動脈竇瘤、艾伯斯坦畸形、瓣下瓣以及其他復(fù)雜的先心病的解剖結(jié)構(gòu)的闡述具有良好的可信度。作為一項無創(chuàng)的心血管檢查手段，對于需要行導(dǎo)管檢查的病人越來越多的選擇RT3D。例如在主動脈瓣置換術(shù)時，RT3DE能夠通過精確的、近乎實時的心臟容積圖像來測量瓣

13、口面積，給心臟科醫(yī)生作為瓣膜置換決策的指導(dǎo)。其在臨床運用上與二維超聲相比的情況見表一。7 當(dāng)前實時三維超聲心動圖的局限性 不可否認(rèn)，超聲探頭和后期處理軟件已經(jīng)取得了顯著進(jìn)步，但對于RT3DE的臨床廣泛應(yīng)用仍然存在一些不足。目前，要取得心臟全容積三維圖像至少需要連續(xù)記錄由心電圖R波門控的4個甚至更多心動周期的資料。尤其是在心律失?；蚝粑环€(wěn)的患者中，心電圖門控及縫接所取得的全容積圖像可能出現(xiàn)人工干擾。這些病人中，三維資料精確性和可用度降低。無論是心電圖門控的掃描技術(shù)，還是實時得圖像獲取都需要操作者具備一定的操作技術(shù)和經(jīng)驗，對于結(jié)果的定量闡述，檢測者必須依賴于來源于二維圖像資料的后期處理。另一不足

14、就是雖然與傳統(tǒng)的二維超聲相比，RT3DE能過大大減少掃描所花費的時間，但最終圖像的空間和時間分辨率仍需要進(jìn)一步提高。后期處理軟件只能夠半自動定量測量房室腔容量，對于資料的處理，仍需相當(dāng)?shù)慕?jīng)驗和訓(xùn)練。其重要性已經(jīng)由一項研究證實，如果由一些有經(jīng)驗的醫(yī)生操作，就能夠消除三維檢測結(jié)果與核磁共振成像不一致的現(xiàn)象。 8 三維超聲心動圖最新進(jìn)展 三維超聲心動圖經(jīng)過近二十多年的發(fā)展，一直都在不斷進(jìn)步之中。最新的革新已經(jīng)遠(yuǎn)離傳統(tǒng)的線線采集，而到達(dá)同時多束采集從而得到一個心動周期內(nèi)無縫、實時、全容積的三維圖像的階段。在較高的幀頻（大于20幀/秒）下快速獲取大量容積資料使得我們能夠在一個心動周期內(nèi)獲取全心的實時同步

15、情況，而不需要心電圖門控和多心動周期的拼接。（見圖2）這種圖像獲取速度，解決了人工拼接的問題，包括在一些非正常心動周期（如伴有心衰或心律失常）的病人中，采集圖像的可信度，圖像的質(zhì)量和精確性都有很大程度的提高。并且，在采集圖像的過程中，全心圖像都能夠?qū)崟r顯示，其優(yōu)化的容積定位遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過由心電圖門控的方法。 其他的一些技術(shù)革新，例如基于知識庫和全自動定量識別模式軟件相結(jié)合的工作模式，能夠全自動的提取和定量測量所需的全部資料。全自動定量識別模式能夠幫助人們更好的理解解剖學(xué)結(jié)構(gòu)。全自動的提取、測量和分析將更大的增加工作量，減少操作內(nèi)外所需花費的時間。形態(tài)學(xué)評估和三維負(fù)荷超聲試驗將得益于后期處理軟件的提高

16、，它能夠快速，簡便的搜索全部的三維資料，從而提供一個分析室壁運動的標(biāo)準(zhǔn)界面。多普勒對于診斷瓣膜關(guān)閉不全和分流至關(guān)重要，RT3DE的又一大進(jìn)步就是為三維超聲加上彩色多普勒信息更加清晰地闡述血流情況。（見圖3）這樣就能夠更加全面的評估病情，尤其是在瓣膜病中，能夠更加精密和準(zhǔn)確的分析瓣膜情況。 基于知識庫和全自動定量識別模式軟件相結(jié)合的工作模式使得RT3DE能夠克服目前的限制為常規(guī)臨床實踐服務(wù)成為可能。在不遠(yuǎn)的將來，RT3DE將整合到心臟影像檢查中，甚至可能取代部分二維超聲檢測而進(jìn)一步減少檢查時間。 9 結(jié)論 RT3DE技術(shù)取得了顯著的進(jìn)步，其后期處理及分析能力已經(jīng)能夠很好的說明其作為常規(guī)臨床檢查手

17、段的運用價值。目前的RT3DE系統(tǒng)能夠快速獲取心臟的全容積的圖像。半自動的后期處理軟件能夠快速定量分析和評估房室腔的容量和功能。而且，RT3DE與作為金標(biāo)準(zhǔn)的的三維心臟核磁共振成像相比，在心臟容量和功能評估上具有良好的可比性。盡管如此，當(dāng)前的RT3DE仍然存在一些不足之處。要取得心臟全容積三維圖像至少需要連續(xù)記錄與心電圖R波門控的4個甚至更多心動周期的資料。目前的人工拼接需要延長憋氣時間，多心動周期圖像的獲取可能導(dǎo)致圖像質(zhì)量和定量測量結(jié)果的不準(zhǔn)確。該項技術(shù)可能特別不適合伴有呼吸困難或者不規(guī)則心動周期的病人。由于后期處理只是半自動的，因此需要有經(jīng)驗和訓(xùn)練過的專業(yè)人士使用。 隨著三維技術(shù)的不斷進(jìn)步

18、，RT3DE必將整合到多模式的影像工作當(dāng)中。一個心動周期內(nèi)無縫、實時、全容積的三維圖像技術(shù)消除了憋氣延長及拼接采集的不利因素?；谥R庫和全自動定量識別模式軟件相結(jié)合的后期處理將對當(dāng)前的工作模式產(chǎn)生巨大影響。它提前證明了技術(shù)的不斷進(jìn)步將改善檢查時間、工作和圖像質(zhì)量，提高圖像的精確性，加速和簡化心臟的定量測量評估，最終使三維技術(shù)運用到日常的臨床工作當(dāng)中。 另附圖標(biāo)資料： 圖1 由于掃描速度的限制，至少需要連續(xù)記錄由心電圖門控的一定數(shù)量心動周期的資料加以拼接才能夠完成心臟全容積三維圖像重建 表1 與傳統(tǒng)的二維超聲心動圖相比，目前的RT3DE的一些臨床運用上的優(yōu)勢臨床適應(yīng)癥優(yōu)勢（與二維超聲心動圖相比）左室容量、質(zhì)量指數(shù)和射血分?jǐn)?shù)的評估無需幾何假設(shè)，無透視縮小等錯誤左室室壁運動異常的評估包含全部的左室收縮動力學(xué)信息： 圖像采集更迅速（負(fù)荷試驗更適用）； 對室壁運動異常的判定更加精確左室運動同步化的評估單一圖像就能分析16階段運動； 半自