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二维斑点追踪技术在心血管疾病中的临床应用

作者:戚瑞祥,游向东,浙江大学医学院附属第二医院超声诊断科

 

二维斑点追踪技术(two-dimensional speckle tracking imaging,2D-STI)是近年来发展起来的一种超声定量分析工具,能较为准确的评价局部和整体心肌运动情况,有利于对多种心脏疾病进行诊断、随访和预后评估,在心血管领域发挥重要作用。本文就其在心血管疾病中的临床应用及研究进展作一综述。

 

1.超声二维斑点追踪技术

 

2D-STI是以高帧频二维灰阶图像为基础,把心肌组织看成无数个像素,即均匀分布于心肌内稳定的“回声斑点”。在心动周期中逐帧扫描某个像素的位置,通过自相关技术和区块匹配法,滤除随机斑点,可以在连续帧中准确的追踪每个斑点标记并计算出其运动轨迹,重建心肌组织的实时运动和形变,从而定量地检测心肌运动速度、应变、应变率及心脏扭转变形情况,对心肌病变、心脏旋转及扭转运动、心功能测定以及心脏同步性研究具有重要作用。

 

STI作为一种新技术,与传统组织多普勒技术(tissue Doppler Imaging,TDI)相比,不仅实用性强、可重复性好,而且克服了TDI的角度依赖性,并且其不受周围节段心肌及心脏整体运动的影响,可以从纵向、径向、圆周运动及旋转和扭转等多方面综合评价心肌运动,具有很大的发展潜力,一旦能够推广应用,在临床上将发挥巨大的效能。

 

2.应变和应变率

 

应变(strain)也称应变力,通常用来描述物体的形变。应变率(strainrate,SR)是指物体发生形变的速度,即单位时间内的应变。心肌应变是1973年Mirsky等率先提出用来测量心肌组织在指定时间内相对于原始形状的变形程度。应变分析不但可以直接估计心肌收缩变形程度,而且能提供关于心肌收缩起点和峰值时间等重要信息,进而评估心肌运动的协调性。Park等用STI技术测定右心室局部心肌的功能,证实径向应变和应变率可以作为右心室功能不全的一个可靠指标,并且比心脏MRI检查结果更为准确。

 

Iacoviello等通过2D-STI定量分析308例慢性心衰患者的左室收缩期整体纵向应变,发现其可作为慢性心衰患者预后的一个独立预测参数。因此,临床可以应用应变或应变率评价心肌运动情况,进而对心血管系统疾病作出更为精准的判断。

 

3.2D-STI的临床应用

 

3.1 2D-STI在冠心病中的应用

 

冠心病心肌血流量灌注不足会导致心内、外膜下心肌纤维的收缩舒张功能受损,2D-STI可对其作出半定量分析,轻中度狭窄时,心肌出现纵向应变的减低,随着狭窄程度的增加,径向应变及圆周应变也会有所减低。

 

3.1.1评价心肌缺血

 

心肌缺血时,相应心肌的舒缩功能下降,应变能力减低,且局部功能受损常发生于整体功能异常之前,2D-STI技术可以通过定量分析心肌在纵向、径向及圆周方向上的应变,检出缺血心肌范围,较目测法更为敏感而准确地识别运动异常的节段。Choi等采用2D-STI中的自动功能成像技术测量左室壁纵向收缩峰值应变,证实2D-STI技术在发现缺血性心脏病方面,较目测局部室壁运动异常更敏感,具有重要的临床应用价值。Eek等对150例非ST段抬高性急性冠脉综合征患者进行STI分析,发现急性冠脉阻塞患者,左室整体及局部功能均降低,表现为心肌形变能力的降低,2D-STI技术作为一种新的方法,能通过评价心肌应变及应变率的改变,早期发现心电图没有发现的非ST段抬高性急性冠脉综合征患者的急性冠脉阻塞,从而对患者进行早期灌注治疗。

 

Jia等运用2D-STI分析45例心肌局部急性缺血患者,发现与对照组相比,左室扭转与解旋率均有明显降低,且与左室收缩功能密切相关。证实2D-STI技术能准确评估左室功能,是一种评价心肌急性缺血的敏感工具。

 

3.1.2评价心肌梗死

 

心肌梗死(myocardial infraction,MI)患者因心肌持久而严重地急性缺血导致心肌坏死,进而发生心室重构。2D-STI能够客观评价心肌梗死后左室重构参数,准确地判断左室收缩功能并预测其重构的发生。研究表明,AMI患者左室重构后,在预测其心肌整体功能恢复方面,2D-STI与晚期钆增强心脏磁共振成像相比具有同样高的准确性。虽然在评估节段性心肌功能恢复方面不如晚期钆增强心脏磁共振成像,但可以通过心肌分层分析的方法得到改善。在预测梗死面积中,Grenne等用2D-STI技术对76例急性心梗(acute myocardial infraction,AMI)患者于入院时和血管再通后分别进行分析,发现其左室整体纵向平均应变与梗死面积密切相关,证实整体纵向平均应变较左室射血分数能更好地预测梗死面积。

 

Ersbll等采用2D-STI评估了89例心衰合并AMI患者,发现其纵向应变显著受损,可作为评估AMI左室血流动力学恶化的一个可靠标志。这可早期鉴别出AMI后左室功能不能恢复的患者,从而为积极干预左室重构、心衰等的发生提供依据。Antoni等采用2D-STI对407例行经皮冠状动脉介入治疗的AMI患者进行随访,发现左房重构会导致左心房功能恶化,且AMI后左房最大容积和左房应变是左房重构的独立预测因子。由此可见,2D-STI作为一种新的技术,不但可以准确评估左室重构,而且可以评价AMI患者的左房功能,在临床诊断中具有重要应用。

 

3.2 2D-STI在高血压中的应用长期高血压患者心肌细胞肥大,间质纤维化,心功能进行性下降。常规超声心动图可发现心脏舒张功能的改变,但对收缩功能的评价敏感性较差,而STI则可敏感评价其收缩舒张功能的改变。Xu等分析了124例高血压患者不同时相左房应变和SR的变化及其与左室舒张功能的关系,发现与正常对照组相比,高血压组左房舒张早期应变及总体应变显著减低,且左室舒张功能障碍越严重,其应变及SR测量值越小,说明随着左室舒张功能障碍进展,左房舒张功能进行性减低。因此,我们可以采用STI技术早期预测左房舒张功能的变化。有些高血压患者未表现出相应的临床症状,且暂未出现结构方面的改变,可以采用2D-STI测量其心肌应变,评估左室收缩功能障碍。

 

Hensel等发现联合应用STI和TDI可以检测到在高血压患者早期左室应变和SR的下降,表明STI在高血压的早期诊断及一些亚临床方面的变化有较高的敏感性。Cameli等总结了STI在高血压患者左房功能评价中的应用,发现其可以准确快速的获得左房心肌形变的量化参数,在高血压的临床应用方面有着重要的作用,为相应疾病的预防和治疗提供更有效的策略。

 

3.32D-STI在心肌病中的应用

 

3.3.1评价扩张性心肌病

 

扩张型心肌病(dilated cardiomyopathy,DCM)常规超声心动图表现为心脏不同程度扩大,心室收缩功能减低,弥漫性室壁运动减弱。Guler等通过2D-STI技术分析了49例非缺血性DCM患者左房舒张和收缩过程中的纵向应变,发现其可作为评价左室充盈压的一个可靠手段,从而为DCM的前期诊断提供重要线索。

 

另有研究发现与缺血性扩张型心肌病相比,特发性扩张型心肌病患者左心房收缩功能受损更为严重。且经CRT治疗后,对CRT有反应的患者中,仅缺血性扩张型心肌病患者左房收缩功能显著提高,这对临床筛查适合CRT治疗的扩张型心肌病患者具有重要的指导作用。Gürel等应用2D-STI分析35例DCM患者心肌各节段应变、应变率及纵向扭转角度等参数,发现DCM患者径向收缩期峰值应变以及收缩期、舒张早期、舒张晚期径向峰值应变率均明显低于对照组,证实DCM患者心脏存在着一定角度的纵向顺时针扭转,DCM患者左室侧壁基底段、中间段与室间隔基底段扭转达峰时间差可能是形成其心脏纵向扭转的一个原因,而运用2D-STI可以定量衡量其心尖摆动情况,说明2D-STI在检测左心室收缩不同步性方面也有着重要的临床应用价值。

 

3.3.2评价肥厚性心肌病

 

肥厚型心肌病(hypertrophic cardiomyopathy,HCM)患者左室舒张功能受损、顺应性降低,伴左房扩大、功能受损,其房颤的发生不但与左房大小有关,还与左房心肌纤维化有关,而心肌纤维化与左室纵向应变降低有关。因此,采用2D-STI评价左房纵向形变能对预测HCM患者房颤发生及对治疗的反应上提供帮助。此外,STI还可以评价心脏扭转情况,从力学角度识别心肌病患者心功能的改变,HCM患者运动后其左室形变和扭转减弱,这可能与其舒缩功能改变有关。

 

Pacileo等采用STI分析了67例HCM患者,发现与正常受试者相比其纵向、径向和圆周应变均显著降低,且心肌病组左室扭转峰值较对照组明显增大,解旋率下降,解旋减半时间延长,导致亚临床收缩的机械改变和早期舒张功能异常。这对早期评价心肌病患者收缩和舒张功能具有重要作用。

 

3.3.3评价糖尿病心肌病糖尿病(Diabetes Mellitus)患者由于代谢紊乱及冠状动脉的微血管病变,常可导致心肌间质纤维化,早期可无症状,随病情进展可发展为心力衰竭。STI可较为敏感地发现无症状心肌病变,评价糖尿病患者左室局部和整体收缩功能的改变。研究发现,左室射血分数正常糖尿病患者即可检出其纵向收缩功能障碍,与患病时间相关。Zoroufian等运用2D-STI技术追踪检测37例无症状的2型糖尿病患者,对其左室心肌纵向应变和收缩期应变达峰时间分析发现,与对照组相比,糖尿病患者左室心肌整体和节段纵向应变及达峰时间均降低,多重线性回归分析显示糖尿病是影响其纵向应变、收缩期和舒张早期应变率的独立预测因子。进一步说明2D-STI能够早期识别糖尿病患者的心功能异常变化。

 

3.4评价心肌运动同步性及心脏再同步化治疗

 

心肌运动同步性是保证正常泵血功能的重要因素之一,心脏再同步化治疗(cardiac resynchronization therapy,CRT)是治疗心室内心肌非协调性运动的一项重要技术,不仅要提高纵向运动的协调性,还要改善径向和圆周运动。在慢性心力衰竭患者,普遍存在着心肌运动不同步。Bakos等应用STI评价慢性心衰患者心肌运动同步性,发现慢性心衰患者径向应变收缩舒张不同步,这对研究相应阶段的心肌活性具有重要的应用价值。

 

Auger等使用2D-STI测定接受CRT治疗的292例心衰患者左室心肌短轴六个节段的径向应变,计算左室非同步心肌的前间隔和后壁的峰值径向应变之间的时间差,并进行6个月的追踪随访,发现CRT治疗后,左室心肌后壁和前间隔的活动恢复情况与心肌再同步化呈正相关,说明二维径向应变可用于评估CRT治疗后心肌不同节段的机械运动情况,为临床治疗提供重要线索。

 

3.5 2D-STI的其他应用

 

肺动脉高压患者存在右心室机械运动不同步现象,Ikeda等采用2D-STI追踪右室游离壁的纵向应变,测定其收缩期峰值应变和收缩后应变指数,证实STI可以作为一种有效的无创性肺动脉高压筛查手段。另外,2D-STI还可以评价心脏瓣膜病患者的左心房功能。Cameli分析了116例无症状、不同程度二尖瓣关闭不全患者,证实2D-STI能早期发现无症状性二尖瓣关闭不全患者左房顺应性及收缩功能损害,有利于早期指导临床治疗。2D-STI还可以评估左房的应变和应变率,从而为二尖瓣成形的术前筛查和术后评估提供参考依据。

 

二尖瓣狭窄患者左房充盈阶段的SR受损更严重,容易发生多种危险事件,如房颤、肺动脉高压等,因此,可以应用2D-STI测量左房整体纵向应变值来预测房颤的发生,并指导临床在患者心律失常发生前开始抗凝治疗,预防栓塞事件的发生。随着STI技术的广泛应用,我们发现使用STI可以发现某些无症状心肌损害,如心肌淀粉样变性,系统性硬化症累及心脏病变,Duchenne型进行性肌营养不良症导致的心脏损害等。而且有研究发现,STI对早期诊断化疗药物对心肌的损害敏感性也较高。因此,临床应用2D-STI对心血管系统疾病进行诊断,不但可以早期发现病变,而且能定量分析病变情况,具有其独有的诊断价值。

 

4.2D-STI的局限性及应用前景

 

目前,2D-STI可以广泛应用于心血管疾病的诊断评估,虽然它克服了传统TDI的角度依赖性,但仍有一定的局限性。一方面,2D-STI对图像的质量要求比较高,不符合追踪评分的图像不能进行后续分析,而且,只有高帧频的二维图像才能准确追踪各时间点心肌节段的运动。另一方面,心肌运动实际上是在三维空间上的复杂形态改变,但目前应变率成像仅能检测心肌纵向或径向的二维形变。相信随着技术的进步,这些局限会越来越少,不断发展的超声成像技术将会为临床提供更为丰富的信息。

 

综上所述,2D-STI技术不仅可以测量左室心肌局部和整体的形变,还可测量左房收缩和舒张功能,进而评价心功能状态,对心血管系统疾病的诊断和预后评估具有重要的临床应用价值。将来,随着三维超声和三维斑点追踪技术的发展,将更真实、全面地反映心肌的运动情况,为临床评价和治疗心血管疾病提供更准确的信息。

 

来源:医学影像学杂志2016年第26卷第3期


 

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