综述 超声心动图实时心脏全容积成像
朱天刚
首次获得三维心脏超声图像应该追溯到1974年[1],早期三维超声心动图的获得是脱机对二维超声心动图进行连续重构,这些方法在图像获取和后处理方面存在一些局限性[2 4]。二维数据重构三维图像的过程中费时,而且只能脱机进行处理。近年来,全容积矩阵探头的研发成功使其阵列压电元件具有锥体容积的扫描能力,可以进行联机重构三维图像,目前可以获取90 !90的阵列锥体容积数据,从而实时获取三维图像[5,6]。
全容积矩阵探头由数千个同时激活的压电元件构成,由于先进的计算机处理能力,使得他们能够一起快速进行后处理,提供近似于实时的容积扫描,这些图像几乎是瞬时获得,具有很高的质量。实时心脏全容积成像系统能够提供不同的成像模式,包括多平面成像、实时三维成像、三维放大、全容积和三维彩色多普勒。后两种成像临床应用价值较大,由于需要获得足够大的心室,因此至少需要获取带心电图R波门控的4~7个心动周期图像。实时三维全容积成像(real ti m e t hree di m ensi onal echocard i ography,RT3DE)系统可能会显示表面绘制、正交平面或多个短轴切面,以便观察和分析。RT3DE也可以从任何可能的角度显示,从而有利于心脏疾病的超声诊断和临床治疗决策。
目前实时心脏全容积成像系统不仅能够直接定量评价心室腔的容量和质量、左心室射血分数(left ventricu l ar ejecti on fraction,LVEF)以及收缩同步性,而且可以评价静息和负荷状态下的左心室局部室壁运动。后处理软件引入边界检测的算法,能够进行心内膜边界检测,同时不需要对心腔的几何形态进行假设,就可以对左心室进行半自动分析,因此,实时心脏全容积成像具有以下临床应用价值。
一、精确评价左心室整体收缩功能
左心室射血分数是临床评估患者心脏功能,了解心脏状态和评价治疗效果的重要指标。左心室造影是评价左心室射血分数的金指标,由于其具有创伤性而无法成为常规评估手段;心脏核磁共振可以评价左心室射血分数,但由于价格昂贵也不适合常规检查;超声心动图是临床评价左心室射血分数的常用方法,二维超声心动图是目前评估左心室射血分数的常规手段,但其存在的局限性影响了测量结果的精确性。很多研究已经显示实时三维超声心动图评价左心室容积和左心室射血分数的精确性和可重复性与心脏核磁共振相同[7 12]。实时心脏全容积成像为左心室射血分数的精确测定提供了可靠的评价方法。
作者单位:100044 北京大学人民医院心脏中心
二、有效评价心脏运动协调性
近年来,心脏运动失同步性对心脏功能影响的认识日益深刻,而超声心动图
在评价心脏运动失同步性的作用和重要性已经得到大家的共识[13]。但是目前无
论是组织多普勒,还是斑点追踪成像都不能全面有效地评价左心室的同步运动。实时心脏全容积成像通过计算收缩期左心室16或17节段局部心肌最小容积达峰时间,而得到左心室收缩期失同步指数(systo li c fa il ure co i nci dent i n dex ,S D I),该指数是评估心脏再同步化治疗是否有效的预测因子,SD I 的截点为6.4%时,其
敏感性和特异性分别为88%和85%,并且具有很好的重复性[14,15]。
实时心脏全容积成像评价心脏运动协调性,其主要的优点体现在以下4方面:(1)1次一个心动周期图像获取,可以进行16或17节段分析;(2)半自动定量分析失同步性,具有较好的重复性;(3)能够综合评价心脏的纵向,径向和环周收缩;(4)能够结合左心室容量和左心室功能进行综合评估。
三、左心室收缩和舒张时间顺序
实时心脏全容积成像能够显示左心室16或17节段局部心肌最小容积达峰时间,通过计算各节段最小容积达峰时间差,与心电图相结合,可以实时显示左心室收缩最小容积达峰时间顺序,并以曲线或牛眼图的模式显示(图1)。相反,通过计算各节段舒张期最大容积达峰时间差,与心电图相结合,可以实时显示左心室舒张最大容积达峰时间顺序(图2)。了解左心室收缩和舒张时间顺序(动态图1,2),对于研究心脏电机械收缩偶联和电机械做功有非常重要的临床价值,在容积显示模式上可以是单节段显示,还可以是多节段显示(动态图3,4)
。
图1 实时心脏全容积成像能够显示左心室16或17
节段局部心肌最小容积达峰时间,通过计算各节段
最小容积达峰时间差,与心电图相结合,可以实时显
示左心室收缩最小容积达峰时间顺序,并以曲线或
牛眼图的模式显示图2 实时心脏全容积成像与心电图相结合,可以实时显示左心室16节段舒张最大容积达峰时间顺序
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动态图3 显示单节段容量变化
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动态图4 显示多节段容量变化
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四、右心室容量和功能
长期以来一直令人困惑的是没有一种很好的方法,能够帮助临床有效地无创
评估右心室容量和功能。实时心脏全容积成像打破了传统基于形态学假设的容积模型计算形式,通过后处理软件,可以制定一个数学模型来计算右心室容量和右心室射血分数(ri ght ventri cular ejecti on fracti on,RVEF)。三维超声心动图测量右心室容量和功能较二维超声心动图更为精确,并与心脏核磁共振结果有很好的相关性[16,17]。
五、改变整个超声心动图工作流程
实时心脏全容积成像可在每一个心动周期内获得整个心脏的实时容积图像采集,每秒可采集40帧以上90!90、16c m深度的容积图像(图3)。通过调节合适的参数,在深度12c m时,可以获取60帧以上容积图像(动态图5)最快的容积图像采集率和图像采集标准化、数据分析自动化、报告工作流程化,不仅使心律失常、肥胖和呼吸对超声心动图图像质量的影响显著减少,同时将会使超声心动图的工作流程发生巨大的改变。这种工作流程的变化可能表现在以下面4个方面:(1)一个心动周期的实时心脏全容积成像将大大缩短患者的检查时间和图像采集时间;(2)三维数据分析自动化,能够快速获得临床所需的心室容量、心室功能和心室同步性等参数(图3,动态图6);(3)能够快速获取负荷超声心动图图像,准确评估负荷状态下的心肌机械做功;(4)一个心动周期的实时心脏全容积结构成像与三维容量血流成像相结合,能够实时评价瓣膜的形态、功能和血流动力学[18,19]。
动态图5 12c m深度可以获取63vps图像
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图3 实时心脏全容积成像可在每一个心动周期内获得整个心脏的实时容积图像采集,每秒可采集49帧90!90、16c m深度的容积图像
动态图6 定量分析左心室容量,左心室收缩功能以及左心室同步性
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实时心脏全容积成像在改变着传统超声心动图的检查方式,它可在每一个心动周期内完成整个心脏的实时全容积图像采集,能够帮助临床全面、准确地评估心脏结构、心内血流和心脏功能以及心脏运动的同步性。
尽管实时心脏全容积成像具有成像速度快、半自动分析和重复性好等优点,但由于其存储的数据量巨大,联机分析相对耗时,在评价左心室收缩和舒张容量变化的同时,不能对室壁运动进行半定量和定量分析。我们相信经过不断的改进和更新,实时心脏全容积成像将逐步成为临床常规诊断工具[20]。
参 考 文 献
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(本文编辑:杨咏莉) 朱天刚.超声心动图实时心脏全容积成像[J/CD].中华医学超声杂志:电子版,2010,7(2):238 244.