三维斑点追踪技术

第十二节　三维斑点追踪技术

一、三维斑点追踪显像技术的基本概念

三维斑点追踪显像技术（three-dimensional speckle tracking imaging，3D-STI）是建立在实时三维超声心动图及斑点追踪显像技术基础上，从机械力学的角度对心肌组织的收缩及舒张运动进行评价的新技术。三维斑点追踪技术通过逐帧识别追踪心肌回声斑点来追踪感兴趣区域心肌组织的运动轨迹，并与第一帧图像中心肌组织的位置进行比较，计算评估感兴趣区域心肌组织的形变。从理论上来说，三维斑点追踪技术较二维斑点追踪能更准确地评价心脏运动。在三维斑点追踪图上，可显示各个方向心肌的运动，获得三维应变曲线（图165，见插页），也可以以牛眼图显示绘制心肌节段运动分布情况。

二、三维斑点追踪技术的原理

三维斑点追踪技术是在实时全容积扫描的基础上，将心肌整体区域的回声离散为若干个大小约10mm×10mm×10mm范围容积的心肌声学斑点，通过在空间上构建容积数据库，并以心肌像素斑点为单位在三维空间上进行追踪，获得斑点运动位移的信息。通过将不同范围内相邻的斑点在节点处连接起来组成斑点的集合体为求解节段，可以提供心肌的三维图像，可对多个心肌生物力学指标进行测定，从而在极短时间内实现对心肌功能的全面评估。

目前，三维斑点追踪技术仍然在相对较低的帧频下进行追踪，其特点在于仅利用一个全容积的数据集就可完整地表达整个心肌运动的追踪结果，可用于评价心肌在一个心动周期中的各个方向的应变及其所对应的达峰时间，从而评价三维空间内的实时运动与心肌节段运动的同步性。

二维斑点追踪的准确性依赖于较高的帧频，其中主要原因之一是像素斑点在平面内移动，较高的帧频可使斑点的移动被连续地追踪。当使用低帧频时，斑点在两帧之间无法连续，并在下一帧的时候完全脱离平面从而无法追踪。三维斑点成像技术是建立在三维立体空间上的追踪系统，追踪的不再是二维平面内的斑点而是斑点容积，包含了斑点运动轨迹中的所有区域。鉴于此原因，可以说较低的帧频也可满足三维斑点成像的需要。Harris等指出：三维超声斑点追踪技术适用于所有的检测深度，同时在斑点运动较小的位移范围内（2mm）获得比较高的测量精度（< 0.4mm）。三维斑点成像测定心肌组织运动的准确性和可靠性已被采用计算机模拟模型和MRI作为参考技术方法所证实。

三、三维斑点追踪测量心肌应变能力的准确性与临床应用

多项研究已验证了三维斑点追踪评价左心室局部收缩功能的价值。在动物实验中，研究者在左心室心内膜及心外膜的不同部位中植入超声微晶体，分别在基础水平、药物负荷状态下和阻断冠状动脉血流引发心肌缺血的情况下验证三维斑点技术的可靠性，观察到三维斑点追踪所测应变与超声微晶体所测结果均有较好的相关性，证明三维斑点技术能敏感检测药物负荷和心肌缺血所致局部心肌功能的改变。三维斑点追踪的可靠性也经MRI的验证，有报道应用MRI划分出正常志愿者和不同程度心功能不全患者心肌的正常节段和异常节段，发现在所有的异常心肌节段中三维斑点所测心肌应变均明显小于正常节段，证实通过三维应变可敏感检测出运动异常的心肌节段。这些研究结果均提示三维斑点追踪技术在定量评价心肌运动异常和判断心肌存活性方面有一定的临床应用价值。

四、三维斑点追踪技术评价左心室扭转运动

Zhou等将新鲜的猪心固定于一个旋转模型上，此模型可人为进行速度调控，心尖部固定、心底部则可以旋转，分别于0°，15°，20°，25°四个角度采集心脏三维空间运动图像，利用三维斑点技术分析左心室心尖部、中间部、基底部三个水平上的旋转，观察到随着心脏整体扭转角度的增加，左心室心尖部扭转角度的增加值小于基底部和中间部扭转角度的增加值，且三个水平的整体旋转角度与心脏的整体扭转具有良好的相关性（r=0.82～0.93），证实三维斑点追踪技术可准确跟踪左心室扭转运动。Urbano Moral等运用三维斑点技术检查评估肥厚型心肌病的左心室扭转，观察到肥厚型心肌病患者左心室扭转峰值（16.5°±4.7°）较对照组（12.0°±3.9°）显著增加（P<0.001）。三维斑点技术可评价肥厚型心肌病扭转有助于检测与了解心肌的收缩与舒张特性。

五、三维斑点追踪技术的临床应用

（一）分析左心室机械同步性

利用三维斑点技术可探测到心力衰竭患者左心室各节段收缩期达峰应变时间差增大，可参考最大应变达峰时间及各节段到应变达峰值时间的标准差等参数，定量评价心室收缩不同步，可为临床判断是否需要心脏再同步治疗（CRT）提供一定的参考作用，并用于估测患者CRT治疗后的效果。Tanaka等把三维斑点追踪左心室16个节段径向应变的面积追踪达峰时间标准差（AT-SD）和相对室壁达峰时间最大差值作为左心室不同步指数，发现心力衰竭患者的左心室不同步性较正常对照组明显增大，CRT治疗以后左心室的同步性有一定的改善。Thebault等报道，应用三维斑点追踪研究双心室起搏与右心室起搏对左心室16个节段不同步性的影响，观察到双心室起搏后左心室面积应变不同步性指数从12.2%±5.1%下降到9.5%±4.5%，且其起搏状态较右心室起搏明显升高。证明三维斑点追踪可作为量化CRT后左心室不同步的新手段。Li等运用三维斑点追踪比较QRS时间正常的对照组和QRS时间>120ms的心力衰竭患者，发现心力衰竭组纵向位移达峰时间较对照组显著延迟（117±57ms），对照组仅34±19ms（P<0.001）。Tatsumi等应用三维斑点追踪技术研究了14名EF<35%，QRS间期=（172±30）ms的心力衰竭患者，分析CRT治疗前后三维斑点追踪面积应变的不同步应变指数（ASDI）的变化，提出不同步应变指数≥3.8%是预测CRT最佳指标，灵敏度可达78%，特异度为100%，曲线下面积（AUC）为0.93（P<0.001）。采用三维斑点追踪计算得出的不同步应变指数还可用于预测CRT治疗后的左心室重构。以环向和纵向心肌运动参数对CRT患者进行随访观察。

（二）评估局部心肌节段的功能

左心室局部室壁心肌运动的分析在各类心脏病诊断治疗中有很重要的意义。因三维斑点追踪技术在评估局部心肌节段功能方面具有一定的优势，其应用价值高于组织多普勒及二维斑点追踪技术。Crosby等应用三维斑点追踪技术研究局部心肌功能，得出三维斑点追踪能准确识别存在局部收缩功能障碍心肌的结论。Seo等将麻醉羊心脏作为研究对象，把声纳微测量晶片放置于左心室短轴心尖段的前壁与侧壁、中间段以及基底段，通过三维斑点法和声纳微测量法分别测量基础状态及急性心肌缺血状态、普萘洛尔及多巴胺负荷状态下心肌的径向、纵向和环向应变；结果发现两种方法的相关性很好。说明在急性心肌缺血和药物负荷试验状态下，三维斑点追踪技术能较好地评估局部心肌收缩性功能。

（三）评价心力衰竭患者的左心室功能

有报道应用三维斑点追踪分析慢性心力衰竭患者左心室整体收缩期纵向、径向、环向应变，发现慢性心力衰竭患者EF、左心室整体纵向收缩期峰值应变（LVGLS）、左心室整体环向收缩期峰值应变（LVGCS）、左心室整体径向收缩期峰值（LVGRS）均较正常组减低（P<0.05），提示三维斑点追踪技术能客观地评价左心室整体收缩功能。

（四）评价高血压左心室功能

高血压病是临床的常见心血管病，大部分高血压患者室壁发生肥厚性改变。常规超声虽然可发现早期左心室舒张功能异常，但很难检出早期收缩功能异常。近年来，二维斑点追踪技术虽然可以用于评价心脏功能，但是它依赖二维灰阶图像，尚不能准确反映心脏复杂的三维空间运动。应用三维斑点追踪研究左心室几何构型正常的原发性高血压，结果见高血压早期左心室心肌整体三维形变能力降低，三维斑点追踪技术可发现高血压患者早期心功能的变化。

（五）评估冠状动脉疾病

三维斑点追踪技术对于接受了冠状动脉旁路搭桥术的冠心病患者预后的监测也有一定的临床价值。Ren等应用三维斑点追踪测量了冠脉旁路搭桥术后6个月冠心病患者的左心室三维应变数据，发现几乎所有心肌节段术后收缩期应变及应变率均明显改善，而且与左心室EF值的增高有良好的相关性。另外，三维斑点追踪所获应变对于术后冠状动脉再狭窄的预测也有较高的准确性。

（曲俊朴　董金杭）

六、斑点追踪技术的争议

斑点追踪技术是超声心动图的新技术之一，尽管大量实验研究与临床试用报告均肯定了其作用，目前斑点追踪技术的主要临床作用是诊断心肌节段运动异常，即它仅仅是为解决超声诊断节段运动异常的工具而设计的。超声影像学技术自问世以来开启了无创伤性诊断各种心血管疾病的纪元，但是却对冠心病等疾病的诊断有很大的局限性。超声观察心肌缺血的重要依据之一就是节段运动异常，通常经肉眼观察或超声图像软件分析心内膜面移动，也可进一步分析心肌的增厚率。近年来国际超声设备的研发焦点多集中于分析节段运动，一度造成超声新技术的停滞不前，斑点追踪技术似乎能突破对节段运动分析的瓶颈，不过目前尚无定论，仍存较大争议。

一般地说，静息状态发现患者的节段运动异常多提示患者在记录图像的当时出现了较明显的心肌缺血、可能存在慢性心肌缺血或冬眠心肌、有心肌梗死史，但心电图无Q波或既往为非Q波心肌梗死；其他心肌病变（非冠心病）；也可能使患者的心肌运动发生正常的变异，诸如室间隔基底段运动方向正常状态下可能发生的变异、老年人静息状态的心肌；负荷试验后该心肌运动呈现正常；正常人左心室下壁基部段的室壁增厚率略低，其运动也常受到邻近纤维支架的牵制。

超声仪器即使探测到心肌节段运动异常，仍然不能提示患有心肌缺血，原因就是节段运动异常缺乏诊断特异性。心肌节段运动异常可见于各种心肌病、心肌炎、慢性心力衰竭等。尽管动物实验、人体研究均证实了斑点追踪分析软件的准确性与实用价值，对临床患者分组中也能获得统计学上的显著性差异，但是有时斑点追踪技术却难以判断单个患者是否患病，反映了临床医学实践与计算机科学理论之间的矛盾。这显现出千篇一律的计算机图像设计无法像自动照相机那样，适应人体复杂生理与病理状态的差异性与复杂性。迄今为止，包括斑点追踪技术在内的所有节段运动分析软件均存在类似的缺陷，尚未达到设计者以图像软件取代医师丰富经验即能检出心肌节段运动异常的初衷。

首先，究其原因是节段运动异常本身尚不能反映真实的冠状动脉灌流，从理论上说，冠状动脉缺血致心肌节段运动异常源于相关血管的狭窄，但是实际上并非所有狭窄的动脉都能引起室壁异常运动。若狭窄冠脉血管并未完全阻塞，静息状态心肌供血仍可维持正常，只有在负荷加压之后，方能显示节段运动减低。即便是相关冠脉严重狭窄甚至堵塞，仍然可能经丰富的侧支循环供血，以维持心肌的基本活动。心肌节段运动的这些变异均与计算机图像之间无内在的关系。

从力学角度来看，斑点追踪计算应变尚未考虑残余应力的因素。研究证实，残余应力是跨壁分布的，当展开角增大、室壁增厚时，应变增加；当心肌容积增加时，跨心壁应力分布是均匀一致的。实验证实忽略残余应力可造成左心室应力的测量误差，造成对心室变形的错误解释。超声应变与应变率因无法测得残余应力，故测量误差是不可避免的。在斑点追踪技术应用过程中，往往会遇到数据出现“方向出乎意料、完全颠倒的测量结果”。作者分析斑点追踪同一观察者组内与不同观察者组间的差异（intraobserver and interobserver variabilities），观察者组内测量误差达15.52%，不同观察者组间测量误差达16.5%，存在一定的假阳性与假阴性。

在实际应用过程中，操作医师往往会产生斑点追踪存在“不可克服的局限性和不可控制因素”的质疑之声。甚至有学者断言斑点追踪“无法准确实现三维心肌力学测量，必然导致不同方法间较低的观察结果可重复性和较低的量化评价结果准确性”。斑点追踪技术诊断心肌节段运动变异的技术原因可能是：①二维超声心动图质量：部分患者的心脏图像质量较差，无法追踪到真实心肌像素（肺气干扰、肥胖、呼吸）。②采集斑点追踪时的帧频：帧频过低导致追踪心肌运动像素数据的失落。③图像软件对左心室心肌节段追踪失败，不能予以色彩标识。在屏幕上出现追踪心肌节段未获成功的提示。④噪声干扰（noise interference）：曾有人认为噪声是造成被追踪斑点“飞出”观察平面的主因，尤其是在二维斑点追踪过程中，经常采集到莫名其妙的方向颠倒的数据。然而，若是噪声影响所致，应当每次检测都出现斑点“飞出”，作者通过重复性实验发现，心肌外的回声可能是产生上述方向颠倒结果的原因。⑤过度追踪：因心内膜面与心室腔交界、心外膜面与胸腔交界，其间存在明显的界面，据此进行心内膜面与心外膜面运动的追踪，并由此求得应变值。可以说，这是一种忽视心内膜下心肌层与心外膜下心肌层厚度的理想化追踪方式；依心肌带理论以及心脏三维空间结构可知，心肌的运动并非在一个平面内进行的运动，而是一种螺旋上升或下降的过程。这也就决定了二维斑点追踪所追踪的过程并非心肌的同一个部分的收缩、舒张过程，仅为这一过程在平面上的投影，所测得的应变值也并非对心肌本身材质、性能的真实反映。在室壁均匀增厚时的追踪数据有一定的意义，然而当心内膜下心肌层、心外膜下心肌层以及心肌中层三者不均匀的增厚时，一部分的投影应变将不足以反映这种变化与正常心肌之间的差异，如肥厚型心肌病时环向应变与正常人无统计学差异。追踪心肌运动的方法不科学，尤其当非超声专业人员操作软件时，对心肌范围定位欠精确，取样范围超出了心肌范围，含心腔内的血液成分。

其次，需要追问斑点追踪分析软件本身设计理论上有无限制，应当客观地承认目前超声波图像的分辨力仍很有限，难于测量细微的心肌薄片；几乎所有文献都将斑点追踪分析软件称作以力学原理测量心脏的活动，且按照力学概念计算应变与应变率。其实在超声方法之前，已有多种测量心肌应变和应变率的实验方法。从力学理论来说，应变与应变率并不是心肌特有的力学参数，几乎世界上任何物体均具备内在的力学性质（mechanical properties），它是由物体自身的黏弹性（viscoelasticity）所决定的，所有物体均具备自身的应变和应变率。通常可采用被动牵拉的力学测试测得，并且以数学模型的形式显现其具体数据。心肌与其他生物体组织的区别是心肌组织自身会产生膨胀，这种由肌肉收缩造成的心肌体积周期性变化，与通常概念上物体的应变和应变率很不相同；如本书第一章所述，应变和应变率反映的是物体的黏弹性，而实验研究已证实影响心肌黏弹性的主要成分是肌联蛋白（connectin）和心肌微管（myocardial microtubule）。肌联蛋白是肌小节的骨架成分，肌联蛋白为肌小节的组装提供了分子支架；聚合状态的心肌微管以及胞外胶原纤维数量均能影响心肌的黏弹性。因此，从力学理论上看，应变和应变率与心肌的收缩能力并无理论上的因果关系，以斑点追踪为代表的超声软件实际测量的并非生物力学中的应变和应变率，而是心肌体积的节律性变化，斑点追踪技术的实际作用系测定心肌的节段运动。

除此之外，心脏运动的复杂性也给斑点追踪技术带来测定困难，斑点追踪技术诊断心肌节段运动变异的生理学原因，除了前述的包括三维方向的心肌运动之外，还包含：①心肌的切应变（shear strain）与切应力（shear stress）；②心肌的蠕动（creeping）；③牵张（stretch）；④心脏的移动（translation）：采用固定轴参考系统或浮动轴参考系统也会影响分析结果。

尽管目前斑点追踪技术逐渐为超声医学业内人±所接受，但是尚未得到心脏科临床医学界的完全认可。综合斑点追踪技术的发展近况，可以确认的是斑点追踪的实用性是经过微晶体植入动物心肌、MRI证实的；斑点追踪的重复性略高于组织多普勒，故斑点追踪的临床价值也就更好一些。但是也须承认斑点追踪有时不能采样完整的心肌图像素，而造成了应变或应变率曲线变异的事实。三维斑点追踪技术测量的面积应变是心内膜下心肌面积的形变，较二维斑点追踪更加准确地测定心肌功能，是分析心肌缺血更为有用的无创伤性检查手段。目前认为二维与三维斑点追踪可应用于负荷超声、检测心肌缺血状态、应用于心室同步化测定。理论上，面积应变能获得由两个不同纵向变量组成的表面测量，故在检查心内膜下异常时其灵敏度应更高，但作为一种问世不久的新兴超声技术，仍需更多相关研究来验证斑点追踪的可靠性。

（曲俊朴　韩　勇）

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