李林，張平洋

南京醫(yī)科大學附屬南京醫(yī)院（南京市第一醫(yī)院）心血管超聲科，江蘇 南京210006

三維斑點追蹤超聲成像的臨床應用及研究進展

李林，張平洋

南京醫(yī)科大學附屬南京醫(yī)院（南京市第一醫(yī)院）心血管超聲科，江蘇 南京210006

三維斑點追蹤技術是在實時三維超聲心動圖及斑點追蹤技術基礎上發(fā)展起來的一項新技術，可從三維立體空間來追蹤心肌運動軌跡，能夠更準確、真實地評價心臟功能。本文闡述了三維斑點追蹤成像技術的基本概念及結構學基礎，總結并討論了其主要的臨床應用價值、存在的局限性和應用發(fā)展前景。

超聲心動圖；三維斑點追蹤；應變

三維斑點追蹤成像技術（Three-dimensional Speckle Tracking Imaging，3D-STI）是評估心臟容積和心肌功能的新方法，通過追蹤心肌回聲中穩(wěn)定的聲學斑點來獲取心臟的三維運動信息，在心臟功能的評估、疾病的診斷及預后評價方面發(fā)揮著重要作用。本文對三維斑點追蹤成像技術的特點、臨床應用及研究進展進行綜述。

1 三維斑點追蹤成像的心臟結構學基礎及其顯像特點

左心室的室壁由三層交織重疊的心肌纖維構成：心內膜下心肌纖維在縱軸方向上呈順時針斜行排列；中層心肌近似呈環(huán)形排列；心外膜下心肌纖維在縱軸方向上呈逆時針斜行排列[1]。不同部位的心肌纖維在心室壁內的排列方向不盡相同：在長軸方向上，心尖部心肌從心內膜至心外膜向尾端傾斜，基底部心肌從心內膜至心外膜向頭側傾斜[2]。這種獨特的排列結構形成了心臟的多元化運動：縱向運動，表示心臟長軸方向的收縮運動；徑向運動，表示心臟短軸方向的收縮運動；環(huán)形運動，表示心臟短軸方向的環(huán)形圓周運動。

左室的旋轉運動由收縮期左室的扭轉和舒張期左室的解扭轉構成。在心室收縮期，心外膜下心肌纖維收縮引起心尖部的逆時針轉動和心底部的順時針轉動，而心內膜下心肌纖維的運動方向則相反，故形成左心室的扭轉；左室等容舒張期主要是解扭轉運動，將扭轉時所儲存的彈性勢能快速釋放，導致舒張期心室與心房間的壓力差增大而形成抽吸作用。扭轉與解扭轉是左室功能的重要組成部分，對于左室射血與充盈起著重要作用[3]。

斑點追蹤技術是通過識別心肌回聲中穩(wěn)定的聲學斑點來追蹤心肌的運動軌跡，計算出整體或局部心肌形變，從而從機械力學角度來評價心肌的收縮及舒張運動[4]。二維斑點追蹤成像（Two-dimensional Speckle Tracking Imaging，2D-STI），能夠在二維平面內多方向的評估心肌的運動[5]，由于心肌運動在空間上是三維立體的，所以局限于二維平面內的2D-STI不能很準確地評價心臟運動[6]。

三維斑點追蹤成像技術是在斑點追蹤技術及實時三維超聲心動圖基礎上發(fā)展起來的一項新技術，能夠在三維立體空間內追蹤心肌聲學斑點的運動，并以此獲得心肌的全部運動信息。軟件能夠自動計算出各節(jié)段及整體的縱向應變（LS）、徑向應變（RS）、環(huán)形應變（CS）、面積應變（AS）及三維應變，從而對左室的局部或整體收縮功能進行量化評價，能夠更全面、準確地分析評價心臟的三維運動。

2 臨床應用及研究進展

2.1 對缺血性心臟病的研究

眾所周知，缺血性心臟病最初多表現為節(jié)段性功能障礙，但是常規(guī)的超聲心動圖往往難以發(fā)現。正常心肌節(jié)段中，3D-STI技術不僅較2D-STI技術呈現出更均一的色彩分布，更能反映正常室壁運動的一致性，而且應用3D-STI更容易進行肉眼識別及空間定位，利用獲得應用時間曲線也能更直觀地對正常及異常心肌進行定量辨別，特別是在對于輕微節(jié)段運動異常的室壁功能分析上，3D-STI則呈現出更多的優(yōu)勢。

Seo等[7]將聲納微測量晶片置于麻醉羊心臟的左室短軸心尖段、中間段及基底段的前壁及側壁，在基礎狀態(tài)下、多巴胺及普萘洛爾負荷實驗、急性心肌缺血狀態(tài)下分別通過3D-STI與聲納微測量法測得心肌縱向、徑向及環(huán)形應變。結果顯示：3D-STI所測各應變均與超聲微晶體所測結果具有良好的相關性，證明3D-STI能夠敏感檢測藥物負荷和心肌缺血所致局部羊心肌功能的改變。Crosby等[8]在應用3D-STI技術對心肌梗死患者局部心肌功能的研究中發(fā)現，3D-STI技術能夠準確識別存在局部收縮功能障礙的心肌。Maffessanti等[9]用3D-STI檢測23例不同程度心功能不全的患者和9例正常志愿者左心室的應變及位移，以心臟磁共振為金標準區(qū)分正常節(jié)段和異常節(jié)段，發(fā)現所有異常節(jié)段中3D-STI測得各方向的應變、位移均較正常節(jié)段明顯減小，證實通過3D-STI技術可以敏感檢測出運動異常的缺血或梗死心肌。另外，Kleijn等[10]應用3D-STI評價冠心病左室整體功能的報道顯示：在EDV及ESV的測量中，3D-STI與MRI相關性良好，但3D-STI所測值均有低估趨勢并有較大的偏倚和較寬的一致性范圍；在LVEF的測量中3D-STI與MRI有良好的相關性、較小的偏倚及較窄的一致性范圍。此研究表明，盡管3D-STI在測量左室容積上有低估趨勢，但對于LVEF的測量有其優(yōu)勢，可在臨床中便捷測量左心心肌應變以及心功能變化。另外，3D-STI在心肌存活性方面具有較為顯著的臨床應用價值。冉紅等[11]應用3D-STI技術分別檢測患者各節(jié)段所有應變指標，結果顯示：存活組與非存活組間LS、RS及3D應變、AS值顯著降低。此外，張佳佳等[12]利用3D-STI技術結合腺苷負荷來評價心肌存活性，結果顯示：腺苷負荷后，存活組的RS、LS、3D strain（三維應變）、AS與靜息狀態(tài)下相比有顯著差異，存活組與非存活組間的RS、LS、3D strain、AS差異有統計學意義。此研究表明3D-STI技術能夠成為臨床提供有效區(qū)分存活與非存活心肌的新途徑。

2.2 對心肌病的研究

（1）肥厚型心肌?。悍屎裥托募〔。℉ypertropic Cardiomyopathy，HCM）是一種由于遺傳基因異常所致的，以左心室及室間隔不對稱性肥厚為基本特征的原發(fā)性心肌病，是青少年和運動員心源性猝死的最常見原因。Urbano等[13]對40例HCM患者（其中，22例伴流出道梗阻及18例流出道不梗阻）及40例對照組進行3D-STI研究，結果顯示：與對照組比較，HCM患者左室扭轉峰值增加，這可能與左室流出道梗阻的肥厚型心肌病患者心尖部扭轉增強有關，此外，HCM患者舒張早期解旋完成率下降、解旋峰值速度延遲出現。Aly等[14]對23例HCM遺傳基因攜帶者、28例臨床HCM患者及29例正常對照組采用3D-STI檢測，結果發(fā)現：HCM遺傳基因攜帶者與正常對照組相比，左房縱向應變峰值顯著減低，但左室應變兩組間無顯著性差異；臨床HCM患者與遺傳攜帶者相比，左房射血分數及左房縱向應變峰值均顯著性減低，左室縱向應變及面積應變均顯著性減低。從以上研究中可以看出，3D-STI不僅有助于肥厚型心肌病的早期診斷，還可以為評價患者左室扭轉及左房、左室心肌特性的改變提供新方法，增進對肥厚型心肌病患者左室高動力收縮及舒張性降低的理解。

（2）擴張型心肌?。簲U張型心肌病是以左心室或雙心室明顯擴張，左室收縮功能減退為特征的一類心肌病，患者常伴有心率失常，其病因未明，預后不良。Duan等[15]對擴張性心肌病患者及正常對照組進行3D-STI檢測，結果顯示，正常人收縮期峰值應變在不同的平面存在相應規(guī)律：RS在中間段最大，在心尖段最小，而LS及CS從基底段到心尖段逐漸增大。擴張型心肌病患者RS、CS、LS均較對照組顯著下降。故3D-STI技術可以在臨床上可靠地評價非缺血性擴張性心肌病患者左室心肌特性的改變。

（3）結節(jié)性心肌?。航Y節(jié)性心肌病為原因不明的多系統非干酪性肉芽腫病累及心臟所致，多以心肌損害最常見，左室受累明顯，多從心外膜向心內膜發(fā)展，常因臨床表現與擴張型心肌病相似而被誤診。Tsuji等[16]等利用3D-STI技術對23例結節(jié)性心肌病患者和16例射血分數相匹配的擴張型心肌病患者進行檢查分析，結果顯示，與擴張型心肌病組相比，結節(jié)性心肌病組盡管CS和LS差異無統計學意義，但RS顯著減低，徑向應變曲線偏低。故3D-STI技術有助于在臨床上對結節(jié)性心肌病的診斷及鑒別診斷。

（4）特殊性心肌?。河置麘ば孕募〔?，臨床表現為一過性左心室功能障礙，但無明顯冠狀動脈阻塞。Baccouche等[17]應用3D-STI技術研究了一位79歲的老年女性患者，常規(guī)超聲心動圖上顯示為心尖部的反向運動以及前間隔基底段運動增強，經3D-STI分析后發(fā)現左室整體徑向應變率減低，數字化的徑向應變曲線表現為心尖部的運動減弱及基底部運動增強。在患者重建的三維金字塔模型中，可以清晰的看到運動異常區(qū)域的立體構象。6周后復查發(fā)現，患者的收縮功能較之前明顯好轉。本研究表明3D-STI技術可以快速、準確的評價Tako-Tsubo心肌病室壁運動異常。

2.3 對左室起搏同步化的研究

3D-STI技術能夠通過測量左室壁各節(jié)段應變的達峰時間來獲得對左室收縮同步性的評價，與左室壁心肌的二維應變等參數相比，三維應變能更準確反映心肌生物力學特征，是評價左心室壁同步化功能的可靠指標[18]。陸景等[19]通過3D-STI技術測量10只健康比格犬在基礎狀態(tài)及左室側壁、左室心尖、右室心尖起搏狀態(tài)下的數個參數，以此來評價不同心臟起搏位點對健康比格犬左室機械同步性以及左心功能的影響，結果顯示：在左室心尖或側壁起搏狀態(tài)下，左室壁各節(jié)段心肌的徑向應變不同步程度較右室心尖起搏狀態(tài)明顯，徑向應變峰值顯著減低的心肌節(jié)段數多于右室心尖起搏狀態(tài)，整體徑向應變峰值、左室射血分數（Left Ventricular Ejection Fractions，LVEF）、心輸出量（Cardiac Output，CO）均低于右室心尖起搏狀態(tài)。此外，Tanaka等[20-21]還首次通過3D-STI技術從徑向應變角度分析了左室壁運動的不同步性，發(fā)現合并左束支傳導阻滯的心力衰竭患者的左心室收縮失同步程度與右室起搏的心力衰竭患者相似。此外，Li等[22]分析比較15例左心室電學失同步（QRS＞120 ms）患者及13例正常對照組（QRS＜120 ms）縱向位移的達峰時間的離散程度，發(fā)現左室失同步患者16個節(jié)段縱向位移達峰時間標準差明顯大于正常對照組，本研究表明3D-STI技術能夠檢測出左心室的失同步化，并為臨床選擇同步化治療方案提供術前參考意見。與此同時，3D-STI還能評價心力衰竭患者起搏器植入后的療效，江佩等[23]對接受心臟再同步治療（Cardiac Resynchronization Therapy，CRT）的心力衰竭患者于起搏器植入術前及術后進行檢查分析，發(fā)現隨著時間的進展，與術前比較，術后各指標逐步改善。此外，該研究還就3D-STI能否預測CRT短期療效進行了研究，對接受CRT治療的心力衰竭患者分別于于術前及術后分析左心室16節(jié)段面積應變達峰時間最大差（A-Max-TS）和標準差（A-TS-SD）進行分析。將術后LVESV縮小≥15%定義為CRT短期治療有效。18例患者中，CRT短期治療有效組11例，CRT短期治療無效組7例。結果與術前比較，有效組術后LVEDV和LVESV較無效組減小，LVEF增高，A-Max-TS和A-TS-SD縮短（P＜0.05）。A-TS-SD是預測LVESV≥15%的獨立因素，A-TS-SD為48.2 ms時預測CRT短期療效的敏感性和特異性分別為100%和83.3%。這兩個研究表明CRT可較明顯改善心力衰竭患者的心功能，3D-STI技術能有效觀察左心室功能的變化，并可用于評價及預測CRT治療的短期效果[24]。

2.4 對瓣膜病的研究

風濕性二尖瓣狹窄（Mitral stenosis，MS）患者除存在瓣膜狹窄所導致的血流動力學改變外，還存在慢性風濕性心肌炎和慢性微動脈病變，繼發(fā)引起心肌纖維化。翁育娟等[25]選取MS患者120例，其中輕度狹窄患者36例（A組），中度狹窄患者41例（B組），重度狹窄患者43例（C組），健康人40例（D組）。用3D-STI技術分析獲得左室心肌16節(jié)段收縮期縱向峰值應變（LS）。結果發(fā)現，各組LVEF值之間比較差異無統計學意義，A、B、C組與D組比較，LS值均顯著性減低。伴隨MS程度的加重，LS呈現逐步減低的趨勢。本研究表明三維斑點追蹤技術可用于評價風濕性二尖瓣狹窄患者左室心肌病變。

2.5 對先天性心臟病的研究

先天性心臟病是臨床常見的心臟病之一，手術前左心室整體功能評估非常重要，直接關系到手術預后。王慶慧等[26]應用3D-STI技術測量并比較82例先天性心臟病患者及55例正常對照組的LS、RS及CS，結果顯示：先天性心臟病組的LS、RS及CS較對照組均明顯增高，并且均與LVEF呈正相關，其中，以動脈導管未閉組的RS及房間隔缺損組的CS增高最為顯著。本研究表明，先天性心臟病患者早期左室三維形變能力增強，并且3D-STI能夠發(fā)現先天性心臟病患者早期心功能的變化。

2.6 對原發(fā)性高血壓左心功能評價

長期高血壓會引起心肌結構發(fā)生改變，導致左室壁肥厚，致使心肌功能受損，甚至可以發(fā)展至充血性心率衰竭。常規(guī)超聲心動圖雖然可以檢測出早期左心室舒張功能障礙，但由于多數高血壓患者左室射血分數（LVEF）尚在正常范圍內，因此很難檢測出早期收縮功能改變。Saeki等[27]對80例高血壓患者及60例血壓正常對照組進行3D-STI檢查，并將高血壓患者根據左室形態(tài)分為4組：正常組、向心性重構組、向心性肥大組及離心性肥大組。研究結果顯示：向心性肥大組及離心性肥大組與對照組相比，心內膜應變率顯著減低，而射血分數及心外膜應變率無明顯變化；左室形態(tài)正常組心內膜徑向應變率明顯減低，且向心性肥大及離心性肥大組心內膜徑向應變率顯著減低。本研究表明，3D-STI技術能夠早期發(fā)現高血壓患者左室收縮功能的變化并且預測左室形態(tài)的改變。陳炫嘉等[28]應用3D-STI技術定量評價正常構型原發(fā)性高血壓患者左心室扭轉運動，結果顯示：與對照組比較，高血壓組旋轉和扭轉參數（左室基底段、中間段和心尖段旋轉角度峰值）以及位移參數（左室整體最大徑向位移、縱向位移和三維位移）均顯著增加。本研究表明應用3D-STI評價左室扭轉運動能夠反映幾何構型正常的高血壓患者左室收縮功能的改變，有望為臨床早期定量評價左室功能異常提供一種新方法。

2.7 對糖尿病的評價

長期糖尿病可引起全身多器官功能的損害，當對心臟造成損害時即為糖尿病性心肌病，是一種較為嚴重的糖尿病并發(fā)癥，如不能早期發(fā)現并預防控制，可引起心力衰竭，最終導致患者死亡[29]。Wang等[30]對46例糖尿病患者、36例糖尿病合并高血壓患者及40例正常對照組進行3D-STI檢查，結果表明，盡管3組受檢者的LVEF無明顯差異，糖尿病合并高血壓組的左室長軸應變顯著小于糖尿病組及正常對照組，糖尿病組的左室整體長軸應變明顯小于正常對照組，多重回歸分析顯示空腹血糖水平及左室舒張末期容積是左室長軸應變的顯著影響因子。本研究表明，盡管血糖和血壓得到良好的控制，早期糖尿病患者合并高血壓后會加重對左室應變值的減低，3D-STI技術能夠有助于檢查與這些亞臨床改變。

2.8 對肺動脈高壓右心功能的評價

肺動脈壓力增高可引起患者右室后負荷增加，長期肺動脈高壓可導致右室收縮功能受損，致右室射血分數降低。Atsumi等[31]應用3D-STI技術評價肺動脈高壓患者右心功能，結果表明：肺動脈高壓組右心室收縮期面積應變峰值較正常對照組降低；此外3D-STI技術還可以檢測出右心室各節(jié)段心肌收縮幅度以及時相的差異性。Vitarelli等[32]發(fā)現肺動脈高壓患者右室三維整體長軸應變顯著性減低，三維整體長軸應變是肺動脈高壓患者死亡率的獨立性影響因子，ROC曲線結果顯示，三維整體長軸應變?yōu)?17%（曲線下面積為0.88）時診斷右室衰竭的敏感性及特異性為佳。此研究表明，3D-STI技術能更好的評價肺動脈高壓患者右室功能。

2.9 對腎病的評價

心血管并發(fā)癥是終末期腎病維持血液透析患者的主要并發(fā)癥及死亡原因，近年來透析技術的改進明顯提高了尿毒癥患者的存活率，但心血管并發(fā)癥并未減少。左室肥大和其誘導因子之一的成纖維細胞生長因子（FGF-23）與終末期腎病的不良預后息息相關。Kovacs等[33]利用3D-STI技術研究血透、FGF-23對左室形態(tài)的影響，血透后各個3D-STI參數值均增大，左室心肌質量指數（Left Ventricular Mass Index，LVMI）也均顯著增大，LVMI與血透前整體周向應變（GCS）水平及血透后GCS、整體面積應變（GAS）、整體徑向應變（GRS）水平相關性良好，血清FGF-23水平與血透后GAS及GRS水平相關性良好。此研究表明，3D-STI技術能很好的評價終末期腎病患者血透前后心肌特性的改變。

3 技術局限性及改進方向

3D-STI是一項無創(chuàng)性定量評價心肌運動的新技術，其優(yōu)勢已經被多項研究所證實，但作為一項仍處于發(fā)展中的新技術，該技術必然存在一些局限性：① 三維斑點追蹤要求較高的幀頻，較低的幀頻會降低空間及時間分辨率，使得對心內膜的追蹤效率明顯降低；② 超聲三維圖像的分辨力低于二維圖像，會因圖像質量不佳而無法準確識別心內膜邊界，影響斑點追蹤的準確性；③ 不管是二維還是三維斑點追蹤，都需要手動追蹤或調整心內膜邊界，因此對操作者的經驗有一定的依賴性；④ 目前所進行的小樣本研究還未排除受檢者地域性、個體差異性等特異性因素，研究結果可靠性仍需大量臨床實踐與統籌分析支撐。

4 前景展望

綜上所述，三維斑點追蹤技術作為一項最新發(fā)展起來的超聲定量分析技術，能夠對左室容積和功能進行客觀評價，是一種能完善左室局部及整體心肌功能評估標準化的最新方法，能為各種心臟疾病的診斷、療效評估及預后提供重要的信息和依據。因此，該技術在臨床上的廣泛應用將有助于提高心臟功能評價的準確性，具有廣闊的應用前景和發(fā)展空間。

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Clinical Application and Research Progress of Three-dimensional Speckle Tracking Ultrasound Imaging Technology

LI Lin, ZHANG Ping-yang
Department of Cardiovascular Ultrasound, Nanjing Hospital Affiliated to Nanjing Medical University (Nanjing First Hospital), Nanjing Jiangsu 210006, China

Three-dimensional speckle tracking imaging technology (3D-STI) was developed based on techniques of real-time three-dimensional echocardiography and speckle tracking imaging. This technology could track the movement of myocardium in three dimensions, and made the evaluation of cardiac function more accurate and real. This paper introduced the basic concept and structural basis of this new technology, and its clinical application, limitations and development prospects.

echocardiography; three-dimensional speckle tracking; strain

R455.1

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.07.020

1674-1633(2016)07-0066-05

2015-08-27

南京市衛(wèi)生青年人才培養(yǎng)經費資助（QRX11034）。

張平洋，主任醫(yī)師，教授，博士生導師，主要研究方向為心血管超聲。

通訊作者郵箱：zhpy28@hotmail.com