超聲速度向量成像技術(shù)的應(yīng)用及展望

目前,，全世界每年約有兩千萬次的心血管影像檢查采用X射線心血管造影,、超聲心動(dòng)圖或核醫(yī)學(xué)技術(shù),。超聲心動(dòng)圖以其無創(chuàng),、便捷,、可重復(fù)操作等優(yōu)點(diǎn)成為心血管影像檢查的首選方法,。隨著超聲相關(guān)技術(shù)和計(jì)算機(jī)后處理能力的提高，發(fā)展起來一種新的技術(shù)—速度向量成像技術(shù)(Velocity Vector Imaging,，VVI),。該技術(shù)是新近推出的研究心肌結(jié)構(gòu)力學(xué)、分析局部心功能的新技術(shù),，為測(cè)量心臟扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),、應(yīng)變及應(yīng)變率、心臟再同步化的評(píng)價(jià)提供了新的方法,，使人們從一個(gè)新的視野重新認(rèn)識(shí)心臟運(yùn)動(dòng),。

一  原理

VVI技術(shù)利用超聲象素的空間相干,、斑點(diǎn)追蹤及邊界追蹤(包括二尖瓣環(huán)、組織/心腔邊界的運(yùn)動(dòng),、組織鄰近邊界的運(yùn)動(dòng)及R-R間期顯示的心臟循環(huán)運(yùn)動(dòng))等技術(shù),，采集原始的二維象素的振幅及相位信息，運(yùn)用一種實(shí)時(shí)心肌運(yùn)動(dòng)跟蹤運(yùn)算法,，計(jì)算并以矢量方式顯示二維超聲心動(dòng)圖上組織結(jié)構(gòu)的活動(dòng)方向,、速度、距離,、時(shí)相等,，對(duì)心肌組織在多個(gè)平面運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)進(jìn)行量化分析,，避免了多普勒的角度依賴性,，實(shí)現(xiàn)二維、三維的參數(shù)成像(圖1),，能更準(zhǔn)確地對(duì)心肌運(yùn)動(dòng)進(jìn)行自動(dòng)追蹤,，通過對(duì)向量大小及方向的分析得到大量反映心肌生物學(xué)特征的數(shù)據(jù)。

其技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于：
(1)采用聲學(xué)采集,，與傳統(tǒng)組織多普勒技術(shù)比較,，無角度和幀頻的依賴，并且噪音顯著減少,；
(2)無分析切面的局限,，能定量心肌在長(zhǎng)軸、短軸和圓周方向的速度,、位移,、應(yīng)變和應(yīng)變率；
(3)無需事先標(biāo)定瓣膜開放和關(guān)閉時(shí)間,；
(4)重復(fù)性較組織多普勒成像有所提高,。

二  應(yīng)用范圍及相關(guān)研究

1. 應(yīng)用
a. 揭開心肌運(yùn)動(dòng)奧秘
探索心肌原動(dòng)力，真實(shí)再現(xiàn)心臟室壁的收縮和舒張運(yùn)動(dòng),。
b. 研究心臟扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)
分析心尖部運(yùn)動(dòng)向量,，量化心肌扭轉(zhuǎn)角度，顯示心肌扭轉(zhuǎn)速度,。
c. 捕捉動(dòng)態(tài)向量
實(shí)時(shí)追蹤心肌運(yùn)動(dòng),，任意選擇取樣部位，無多普勒角度依賴,。
d. 整體及節(jié)段性運(yùn)動(dòng)評(píng)估
任意切面M型取樣,，任何二維切面取樣，心臟容積計(jì)算,，應(yīng)變,、應(yīng)變率分析,，局部與總體射血功能，心肌運(yùn)動(dòng)三維定量,，心臟同步化研究,。
e. 血管壁的運(yùn)動(dòng)

2. 相關(guān)研究

a. 心臟扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的研究

心臟的運(yùn)動(dòng)較復(fù)雜，除沿心臟長(zhǎng)軸和短軸運(yùn)動(dòng)外,，還伴隨扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),。心動(dòng)周期中心臟的扭轉(zhuǎn)對(duì)正常心功能很重要，可能還促進(jìn)舒張?jiān)缙谛氖页溆?。因此?duì)扭轉(zhuǎn)角度的測(cè)量能為臨床提供一個(gè)非常有價(jià)值的診斷方法,。我們應(yīng)用Sequoia 512超聲診斷儀，以VVI技術(shù)觀察了32名健康志愿者的左室扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),。結(jié)果發(fā)現(xiàn)32名健康志愿者左室扭轉(zhuǎn)角度為(6.10±2.93)度,，男性左室扭轉(zhuǎn)角度為(5.45±2.46)度，女性左室扭轉(zhuǎn)角度為（7.04±3.31)度,，男女之間差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05),。左室扭轉(zhuǎn)方向規(guī)定從心尖向心底部觀察逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正方向，反之為負(fù),。我們的結(jié)果顯示心底與心尖均為正占34%,，均為負(fù)占13%，心底正心尖負(fù)占25%,，心底負(fù)心尖正占28%,，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。早在1628年Harvey W就發(fā)現(xiàn)了在心臟收縮與舒張過程中的心室扭轉(zhuǎn),，之后許多學(xué)者也發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象,，但由于當(dāng)時(shí)技術(shù)的限制，左室扭轉(zhuǎn)程度很難測(cè)量,。最早人們以X射線電影成像技術(shù)檢測(cè)心室扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),。隨著超聲心動(dòng)圖技術(shù)的發(fā)展，為檢測(cè)心臟扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)提供了一種無創(chuàng)方法,。MRI也可用來測(cè)量心室扭轉(zhuǎn),，但目前尚沒有評(píng)價(jià)左室扭轉(zhuǎn)的金標(biāo)準(zhǔn)。VVI技術(shù)應(yīng)用象素的空間相干及追蹤技術(shù)(Pixel Tracking),，通過一種實(shí)時(shí)心肌運(yùn)動(dòng)跟蹤運(yùn)算法,，跟蹤每幀圖像上的象素點(diǎn)，能在二維的高幀頻灰階圖像上得到其運(yùn)動(dòng)速度和方向的變化曲線,，且該技術(shù)與以往多普勒組織成像技術(shù)比較克服了角度依賴性,，故可用來研究心臟的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

目前,，有關(guān)心臟扭轉(zhuǎn)的研究所得出的扭轉(zhuǎn)角度和方向尚不完全一致,。本研究中左室扭轉(zhuǎn)角度與應(yīng)用超聲技術(shù)的研究結(jié)果相似,，且男女之間差異無顯著性，但與其它技術(shù)如MRI測(cè)量的正常人左室扭轉(zhuǎn)角度相比偏小,，這可能與采用的方法不同有關(guān),。由于樣本量小，尚未發(fā)現(xiàn)明顯的心臟扭轉(zhuǎn)規(guī)律,，還需要更大樣本量進(jìn)一步研究,。總之,，VVI技術(shù)是一種方便,、無創(chuàng)的測(cè)量心臟扭轉(zhuǎn)的方法，這一技術(shù)還可進(jìn)行各種心臟病扭轉(zhuǎn)方面的研究,。

b. 心臟整體與節(jié)段性功能評(píng)估

左室整體功能是各節(jié)段局部功能的總和,，任何一部分局部功能降低均會(huì)影響左室的整體功能。室壁節(jié)段性運(yùn)動(dòng)異常是心肌缺血最早的特征性表現(xiàn)之一,，也是超聲心動(dòng)圖診斷冠心病的主要依據(jù),，正確地評(píng)定心臟功能對(duì)臨床醫(yī)生很重要。

目前,，評(píng)價(jià)心臟功能的方法，如心搏量,、射血分?jǐn)?shù)(EF)等都是估測(cè)心室的整體功能,。觀察室壁的節(jié)段性運(yùn)動(dòng)雖然可以了解心臟的局部功能，但為半定量性,，而且要有一定的經(jīng)驗(yàn),。 同位素左室造影雖然可以評(píng)價(jià)局部心功能，得到節(jié)段的EF值,，但因其有創(chuàng)傷,、價(jià)格相對(duì)昂貴、患者無法接受等原因無法廣泛應(yīng)用于臨床,。而VVI技術(shù)能夠準(zhǔn)確計(jì)算心室各節(jié)段的收縮及舒張末期容積,，進(jìn)而得到節(jié)段EF值，可定量評(píng)價(jià)心臟節(jié)段功能,。這是對(duì)以往超聲技術(shù)只能研究整體EF值新的突破,，且方法簡(jiǎn)便可行(圖2)。曹鐵生等應(yīng)用VVI技術(shù)研究了高血壓患者的心臟功能,，發(fā)現(xiàn)四腔切面的高血壓病組除室間隔基底段外余各節(jié)段EF值均小于對(duì)照組相應(yīng)節(jié)段,，且有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

c. 應(yīng)變,、應(yīng)變率分析

應(yīng)變及應(yīng)變率反映的是局部心肌發(fā)生的形變及速率,，不受周圍心肌牽拉的影響,，因此在超聲診斷研究中備受關(guān)注。以往對(duì)應(yīng)變及應(yīng)變率的研究是基于多普勒組織成像,，受到角度限制,，對(duì)與聲束夾角大于20度的心肌組織及短軸方向上心肌的形變難以進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估。操鐵生等利用VI技術(shù)對(duì)高血壓病患者及正常對(duì)照組不僅進(jìn)行了長(zhǎng)軸方向上的應(yīng)變率分析,，而且還做了短軸方向上的應(yīng)變率分析,，發(fā)現(xiàn)高血壓病組的應(yīng)變率無論在長(zhǎng)軸方向還是短軸方向均小于對(duì)照組。我們的研究還發(fā)現(xiàn)肥厚型心肌病與缺血性心肌病患者的應(yīng)變及應(yīng)變率均小于正常人,。以VVI技術(shù)測(cè)量應(yīng)變及應(yīng)變率不受角度限制,，且重復(fù)性較好。
d. 心肌運(yùn)動(dòng)三維定量

VVI技術(shù)不但在二維圖像上采集數(shù)據(jù),，使數(shù)據(jù)形象化,，觀察更準(zhǔn)確，還可形成速度,、應(yīng)變及應(yīng)變率的三維圖,，直觀顯示心肌立體活動(dòng)狀態(tài)(圖3~5)。

e. 心臟同步化研究

隨著對(duì)終末期充血性心力衰竭患者進(jìn)行心臟再同步化治療的開展,，如何判斷心室內(nèi)心肌運(yùn)動(dòng)的不同步已成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn),。且終末期充血性心力衰竭，并左末支傳導(dǎo)阻滯的患者,，左室各節(jié)段可出現(xiàn)不同程度的收縮延遲,。目前，對(duì)用哪種方法,、采用哪些參數(shù)作為判斷心室內(nèi)不同步的標(biāo)準(zhǔn)尚無定論,。VVI技術(shù)為直觀、客觀地反映左室失同步現(xiàn)象提供了新的方法,。該技術(shù)能定量觀察,，結(jié)合左室功能的測(cè)定，可以綜合評(píng)價(jià)左心室內(nèi)收縮的失同步,。

舒先紅等利用VVI技術(shù)對(duì)正常人和心力衰竭患者的同步性進(jìn)行了研究,。正常人不論在長(zhǎng)軸還是短軸，同一切面上各室壁節(jié)段的速度向量大小相近,，方向同步,。心力衰竭患者，在CRT治療(Cardiac Resynchronization Therapy,，CRT)前,，病變心肌的速度向量明顯減低，方向不同步。經(jīng)CRT治療后,，長(zhǎng)軸,、短軸和圓周方向的同步性得到改善，達(dá)峰時(shí)間顯著縮短,。

謝明星等應(yīng)用VVI技術(shù)探察束支傳導(dǎo)阻滯,、室性早搏和顯性預(yù)激引起的室間和室內(nèi)心肌運(yùn)動(dòng)延遲和不協(xié)調(diào)。結(jié)果顯示8例完全性左束支傳導(dǎo)阻滯患者左室心肌出現(xiàn)顯著收縮延遲與不同步,，側(cè)壁收縮尤其顯著,。室早患者在早搏周期內(nèi)，異位起搏點(diǎn)處心肌收縮明顯早于其余室壁,，心室收縮不協(xié)調(diào),。預(yù)激患者則出現(xiàn)特征性局部心肌收縮早期提前收縮，收縮中,、晚期收縮同步性并無明顯影響,，徑向收縮峰值應(yīng)變達(dá)峰時(shí)間基本一致。

總之,，VVI技術(shù)克服了組織多普勒(Tissue Doppler Imaging,，TDI)的不足，對(duì)定量判斷心臟收縮和舒張同步性,、異位起搏點(diǎn)的標(biāo)測(cè),、預(yù)測(cè)和隨訪CRT療效具有重要的臨床價(jià)值。

f. 其它

VVI技術(shù)還在外周大動(dòng)脈及胎兒心臟等方面顯示了其優(yōu)越性,。有研究顯示正常人外周大動(dòng)脈壁VVI特點(diǎn)為：動(dòng)脈壁運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào),，符合彈性腔理論；動(dòng)脈前壁應(yīng)變及應(yīng)變率比后壁稍大,；主干應(yīng)變及應(yīng)變率比分叉處大。動(dòng)脈粥樣硬化斑塊血管VVI特點(diǎn)：粥樣斑塊處運(yùn)動(dòng)速度,、應(yīng)變及應(yīng)變率比無斑塊處低,；斑塊基底部應(yīng)變率比斑塊表面低；動(dòng)脈粥樣硬化血管各壁存在運(yùn)動(dòng)不協(xié)調(diào),，斑塊處達(dá)峰時(shí)間提前,。該技術(shù)還使胎兒心律失常的評(píng)價(jià)變得容易，其解剖M型可解決進(jìn)行胎兒應(yīng)變率成像時(shí)無法獲取胎兒心電信號(hào)問題,。對(duì)心律失常時(shí)心肌結(jié)構(gòu)力學(xué)的變化,、心功能等提供精確指標(biāo)。

三  存在的問題

VVI技術(shù)問世不久,，即取得了一系列的成就,，但在臨床實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)仍存在一些問題：

1. VVI技術(shù)雖能在2~4 cm范圍內(nèi)進(jìn)行邊界跟蹤，并通過對(duì)二尖瓣環(huán)運(yùn)動(dòng)的跟蹤對(duì)心內(nèi)膜邊界進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別辨認(rèn)，但心內(nèi)膜的清晰勾畫將直接影響分析結(jié)果,，因此選擇的基礎(chǔ)圖像應(yīng)盡量清晰,，必要時(shí)在留取二維圖像時(shí)應(yīng)囑患者屏氣以保證圖像的穩(wěn)定性。
2. 心內(nèi)膜的應(yīng)變率較心肌層和心外膜偏大,，因此為保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性,、可比性，應(yīng)盡量對(duì)每一患者及每一次勾畫均在心內(nèi)膜或同一心肌層,。

3. 探頭作為參照物,，放置位置不同將會(huì)影響分析結(jié)果，在長(zhǎng)軸方向軟件自動(dòng)默認(rèn)的位置在心尖部,，如無特殊要求應(yīng)將探頭放置在四腔心切面及二腔心切面的心尖部,。

四  前景展望

雖然VVI軟件仍在繼續(xù)研發(fā)階段，還有不完善的地方,，但其重復(fù)性好,，無多普勒角度依賴的優(yōu)點(diǎn)將為超聲評(píng)價(jià)心臟運(yùn)動(dòng)及功能提供新方法。

該技術(shù)特有的二維超聲切面上直觀顯示心肌的運(yùn)動(dòng)速度和方向,，能提供獨(dú)特的心肌運(yùn)動(dòng)成像方式,，客觀精確地展現(xiàn)出心臟收縮與扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，更完整地表達(dá)心臟射血?jiǎng)恿?，?zhǔn)確定量心臟容積及射血功能,，也是心律失常、心衰等非同步運(yùn)動(dòng)定量分析及其同步化治療的可靠依據(jù),。該項(xiàng)最新技術(shù)將從超聲角度對(duì)臨床和科研工作產(chǎn)生重大影響,，為心血管疾病診斷與治療開辟了最新途徑，具有廣闊的應(yīng)用前景,。