三维斑点追踪超声成像的临床应用及研究进展李林，张平洋 南京医科大学附属南京医院（南京市第一医院）心血管超声科，江苏 南京210006 [摘 要]三维斑点追踪技术是在实时三维超声心动图及斑点追踪技术基础上发展起来的一项新技术，可从三维立体空间来追踪心肌运动轨迹，能够更准确、真实地评价心脏功能。本文阐述了三维斑点追踪成像技术的基本概念及结构学基础，总结并讨论了其主要的临床应用价值、存在的局限性和应用发展前景。 [关键词]超声心动图；三维斑点追踪；应变 三维斑点追踪成像技术（Three-dimensional Speckle Tracking Imaging，3D-STI）是评估心脏容积和心肌功能的新方法，通过追踪心肌回声中稳定的声学斑点来获取心脏的三维运动信息，在心脏功能的评估、疾病的诊断及预后评价方面发挥着重要作用。本文对三维斑点追踪成像技术的特点、临床应用及研究进展进行综述。 1 三维斑点追踪成像的心脏结构学基础及其显像特点左心室的室壁由三层交织重叠的心肌纤维构成：心内膜下心肌纤维在纵轴方向上呈顺时针斜行排列；中层心肌近似呈环形排列；心外膜下心肌纤维在纵轴方向上呈逆时针斜行排列[1]。不同部位的心肌纤维在心室壁内的排列方向不尽相同：在长轴方向上，心尖部心肌从心内膜至心外膜向尾端倾斜，基底部心肌从心内膜至心外膜向头侧倾斜[2]。这种独特的排列结构形成了心脏的多元化运动：纵向运动，表示心脏长轴方向的收缩运动；径向运动，表示心脏短轴方向的收缩运动；环形运动，表示心脏短轴方向的环形圆周运动。 左室的旋转运动由收缩期左室的扭转和舒张期左室的解扭转构成。在心室收缩期，心外膜下心肌纤维收缩引起心尖部的逆时针转动和心底部的顺时针转动，而心内膜下心肌纤维的运动方向则相反，故形成左心室的扭转；左室等容舒张期主要是解扭转运动，将扭转时所储存的弹性势能快速释放，导致舒张期心室与心房间的压力差增大而形成抽吸作用。扭转与解扭转是左室功能的重要组成部分，对于左室射血与充盈起着重要作用[3]。 斑点追踪技术是通过识别心肌回声中稳定的声学斑点来追踪心肌的运动轨迹，计算出整体或局部心肌形变，从而从机械力学角度来评价心肌的收缩及舒张运动[4]。二维斑点追踪成像（Two-dimensional Speckle Tracking Imaging，2D-STI），能够在二维平面内多方向的评估心肌的运动[5]，由于心肌运动在空间上是三维立体的，所以局限于二维平面内的2D-STI不能很准确地评价心脏运动[6]。 三维斑点追踪成像技术是在斑点追踪技术及实时三维超声心动图基础上发展起来的一项新技术，能够在三维立体空间内追踪心肌声学斑点的运动，并以此获得心肌的全部运动信息。软件能够自动计算出各节段及整体的纵向应变（LS）、径向应变（RS）、环形应变（CS）、面积应变（AS）及三维应变，从而对左室的局部或整体收缩功能进行量化评价，能够更全面、准确地分析评价心脏的三维运动。 2 临床应用及研究进展2.1 对缺血性心脏病的研究 众所周知，缺血性心脏病最初多表现为节段性功能障碍，但是常规的超声心动图往往难以发现。正常心肌节段中，3D-STI技术不仅较2D-STI技术呈现出更均一的色彩分布，更能反映正常室壁运动的一致性，而且应用3D-STI更容易进行肉眼识别及空间定位，利用获得应用时间曲线也能更直观地对正常及异常心肌进行定量辨别，特别是在对于轻微节段运动异常的室壁功能分析上，3D-STI则呈现出更多的优势。 Seo等[7]将声纳微测量晶片置于麻醉羊心脏的左室短轴心尖段、中间段及基底段的前壁及侧壁，在基础状态下、多巴胺及普萘洛尔负荷实验、急性心肌缺血状态下分别通过3D-STI与声纳微测量法测得心肌纵向、径向及环形应变。结果显示：3D-STI所测各应变均与超声微晶体所测结果具有良好的相关性，证明3D-STI能够敏感检测药物负荷和心肌缺血所致局部羊心肌功能的改变。Crosby等[8]在应用3D-STI技术对心肌梗死患者局部心肌功能的研究中发现，3D-STI技术能够准确识别存在局部收缩功能障碍的心肌。Maffessanti等[9]用3D-STI检测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应变及位移，以心脏磁共振为金标准区分正常节段和异常节段，发现所有异常节段中3D-STI测得各方向的应变、位移均较正常节段明显减小，证实通过3D-STI技术可以敏感检测出运动异常的缺血或梗死心肌。另外，Kleijn等[10]应用3D-STI评价冠心病左室整体功能的报道显示：在EDV及ESV的测量中，3D-STI与MRI相关性良好，但3D-STI所测值均有低估趋势并有较大的偏倚和较宽的一致性范围；在LVEF的测量中3D-STI与MRI有良好的相关性、较小的偏倚及较窄的一致性范围。此研究表明，尽管3D-STI在测量左室容积上有低估趋势，但对于LVEF的测量有其优势，可在临床中便捷测量左心心肌应变以及心功能变化。另外，3D-STI在心肌存活性方面具有较为显著的临床应用价值。冉红等[11]应用3D-STI技术分别检测患者各节段所有应变指标，结果显示：存活组与非存活组间LS、RS及3D应变、AS值显著降低。此外，张佳佳等[12]利用3D-STI技术结合腺苷负荷来评价心肌存活性，结果显示：腺苷负荷后，存活组的RS、LS、3D strain（三维应变）、AS与静息状态下相比有显著差异，存活组与非存活组间的RS、LS、3D strain、AS差异有统计学意义。此研究表明3D-STI技术能够成为临床提供有效区分存活与非存活心肌的新途径。 2.2 对心肌病的研究 （1）肥厚型心肌病：肥厚型心肌病（Hypertropic Cardiomyopathy，HCM）是一种由于遗传基因异常所致的，以左心室及室间隔不对称性肥厚为基本特征的原发性心肌病，是青少年和运动员心源性猝死的最常见原因。Urbano等[13]对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例对照组进行3D-STI研究，结果显示：与对照组比较，HCM患者左室扭转峰值增加，这可能与左室流出道梗阻的肥厚型心肌病患者心尖部扭转增强有关，此外，HCM患者舒张早期解旋完成率下降、解旋峰值速度延迟出现。Aly等[14]对23例HCM遗传基因携带者、28例临床HCM患者及29例正常对照组采用3D-STI检测，结果发现：HCM遗传基因携带者与正常对照组相比，左房纵向应变峰值显著减低，但左室应变两组间无显著性差异；临床HCM患者与遗传携带者相比，左房射血分数及左房纵向应变峰值均显著性减低，左室纵向应变及面积应变均显著性减低。从以上研究中可以看出，3D-STI不仅有助于肥厚型心肌病的早期诊断，还可以为评价患者左室扭转及左房、左室心肌特性的改变提供新方法，增进对肥厚型心肌病患者左室高动力收缩及舒张性降低的理解。 （2）扩张型心肌病：扩张型心肌病是以左心室或双心室明显扩张，左室收缩功能减退为特征的一类心肌病，患者常伴有心率失常，其病因未明，预后不良。Duan等[15]对扩张性心肌病患者及正常对照组进行3D-STI检测，结果显示，正常人收缩期峰值应变在不同的平面存在相应规律：RS在中间段最大，在心尖段最小，而LS及CS从基底段到心尖段逐渐增大。扩张型心肌病患者RS、CS、LS均较对照组显著下降。故3D-STI技术可以在临床上可靠地评价非缺血性扩张性心肌病患者左室心肌特性的改变。 （3）结节性心肌病：结节性心肌病为原因不明的多系统非干酪性肉芽肿病累及心脏所致，多以心肌损害最常见，左室受累明显，多从心外膜向心内膜发展，常因临床表现与扩张型心肌病相似而被误诊。Tsuji等[16]等利用3D-STI技术对23例结节性心肌病患者和16例射血分数相匹配的扩张型心肌病患者进行检查分析，结果显示，与扩张型心肌病组相比，结节性心肌病组尽管CS和LS差异无统计学意义，但RS显著减低，径向应变曲线偏低。故3D-STI技术有助于在临床上对结节性心肌病的诊断及鉴别诊断。 （4）特殊性心肌病：又名应激性心肌病，临床表现为一过性左心室功能障碍，但无明显冠状动脉阻塞。Baccouche等[17]应用3D-STI技术研究了一位79岁的老年女性患者，常规超声心动图上显示为心尖部的反向运动以及前间隔基底段运动增强，经3D-STI分析后发现左室整体径向应变率减低，数字化的径向应变曲线表现为心尖部的运动减弱及基底部运动增强。在患者重建的三维金字塔模型中，可以清晰的看到运动异常区域的立体构象。6周后复查发现，患者的收缩功能较之前明显好转。本研究表明3D-STI技术可以快速、准确的评价Tako-Tsubo心肌病室壁运动异常。 2.3 对左室起搏同步化的研究 3D-STI技术能够通过测量左室壁各节段应变的达峰时间来获得对左室收缩同步性的评价，与左室壁心肌的二维应变等参数相比，三维应变能更准确反映心肌生物力学特征，是评价左心室壁同步化功能的可靠指标[18]。陆景等[19]通过3D-STI技术测量10只健康比格犬在基础状态及左室侧壁、左室心尖、右室心尖起搏状态下的数个参数，以此来评价不同心脏起搏位点对健康比格犬左室机械同步性以及左心功能的影响，结果显示：在左室心尖或侧壁起搏状态下，左室壁各节段心肌的径向应变不同步程度较右室心尖起搏状态明显，径向应变峰值显著减低的心肌节段数多于右室心尖起搏状态，整体径向应变峰值、左室射血分数（Left Ventricular Ejection Fractions，LVEF）、心输出量（Cardiac Output，CO）均低于右室心尖起搏状态。此外，Tanaka等[20-21]还首次通过3D-STI技术从径向应变角度分析了左室壁运动的不同步性，发现合并左束支传导阻滞的心力衰竭患者的左心室收缩失同步程度与右室起搏的心力衰竭患者相似。此外，Li等[22]分析比较15例左心室电学失同步（QRS＞120 ms）患者及13例正常对照组（QRS＜120 ms）纵向位移的达峰时间的离散程度，发现左室失同步患者16个节段纵向位移达峰时间标准差明显大于正常对照组，本研究表明3D-STI技术能够检测出左心室的失同步化，并为临床选择同步化治疗方案提供术前参考意见。与此同时，3D-STI还能评价心力衰竭患者起搏器植入后的疗效，江佩等[23]对接受心脏再同步治疗（Cardiac Resynchronization Therapy，CRT）的心力衰竭患者于起搏器植入术前及术后进行检查分析，发现随着时间的进展，与术前比较，术后各指标逐步改善。此外，该研究还就3D-STI能否预测CRT短期疗效进行了研究，对接受CRT治疗的心力衰竭患者分别于于术前及术后分析左心室16节段面积应变达峰时间最大差（A-Max-TS）和标准差（A-TS-SD）进行分析。将术后LVESV缩小≥15%定义为CRT短期治疗有效。18例患者中，CRT短期治疗有效组11例，CRT短期治疗无效组7例。结果与术前比较，有效组术后LVEDV和LVESV较无效组减小，LVEF增高，A-Max-TS和A-TS-SD缩短（P＜0.05）。A-TS-SD是预测LVESV≥15%的独立因素，A-TS-SD为48.2 ms时预测CRT短期疗效的敏感性和特异性分别为100%和83.3%。这两个研究表明CRT可较明显改善心力衰竭患者的心功能，3D-STI技术能有效观察左心室功能的变化，并可用于评价及预测CRT治疗的短期效果[24]。 2.4 对瓣膜病的研究 风湿性二尖瓣狭窄（Mitral stenosis，MS）患者除存在瓣膜狭窄所导致的血流动力学改变外，还存在慢性风湿性心肌炎和慢性微动脉病变，继发引起心肌纤维化。翁育娟等[25]选取MS患者120例，其中轻度狭窄患者36例（A组），中度狭窄患者41例（B组），重度狭窄患者43例（C组），健康人40例（D组）。用3D-STI技术分析获得左室心肌16节段收缩期纵向峰值应变（LS）。结果发现，各组LVEF值之间比较差异无统计学意义，A、B、C组与D组比较，LS值均显著性减低。伴随MS程度的加重，LS呈现逐步减低的趋势。本研究表明三维斑点追踪技术可用于评价风湿性二尖瓣狭窄患者左室心肌病变。 2.5 对先天性心脏病的研究 先天性心脏病是临床常见的心脏病之一，手术前左心室整体功能评估非常重要，直接关系到手术预后。王庆慧等[26]应用3D-STI技术测量并比较82例先天性心脏病患者及55例正常对照组的LS、RS及CS，结果显示：先天性心脏病组的LS、RS及CS较对照组均明显增高，并且均与LVEF呈正相关，其中，以动脉导管未闭组的RS及房间隔缺损组的CS增高最为显著。本研究表明，先天性心脏病患者早期左室三维形变能力增强，并且3D-STI能够发现先天性心脏病患者早期心功能的变化。 2.6 对原发性高血压左心功能评价 长期高血压会引起心肌结构发生改变，导致左室壁肥厚，致使心肌功能受损，甚至可以发展至充血性心率衰竭。常规超声心动图虽然可以检测出早期左心室舒张功能障碍，但由于多数高血压患者左室射血分数（LVEF）尚在正常范围内，因此很难检测出早期收缩功能改变。Saeki等[27]对80例高血压患者及60例血压正常对照组进行3D-STI检查，并将高血压患者根据左室形态分为4组：正常组、向心性重构组、向心性肥大组及离心性肥大组。研究结果显示：向心性肥大组及离心性肥大组与对照组相比，心内膜应变率显著减低，而射血分数及心外膜应变率无明显变化；左室形态正常组心内膜径向应变率明显减低，且向心性肥大及离心性肥大组心内膜径向应变率显著减低。本研究表明，3D-STI技术能够早期发现高血压患者左室收缩功能的变化并且预测左室形态的改变。陈炫嘉等[28]应用3D-STI技术定量评价正常构型原发性高血压患者左心室扭转运动，结果显示：与对照组比较，高血压组旋转和扭转参数（左室基底段、中间段和心尖段旋转角度峰值）以及位移参数（左室整体最大径向位移、纵向位移和三维位移）均显著增加。本研究表明应用3D-STI评价左室扭转运动能够反映几何构型正常的高血压患者左室收缩功能的改变，有望为临床早期定量评价左室功能异常提供一种新方法。 2.7 对糖尿病的评价 长期糖尿病可引起全身多器官功能的损害，当对心脏造成损害时即为糖尿病性心肌病，是一种较为严重的糖尿病并发症，如不能早期发现并预防控制，可引起心力衰竭，最终导致患者死亡[29]。Wang等[30]对46例糖尿病患者、36例糖尿病合并高血压患者及40例正常对照组进行3D-STI检查，结果表明，尽管3组受检者的LVEF无明显差异，糖尿病合并高血压组的左室长轴应变显著小于糖尿病组及正常对照组，糖尿病组的左室整体长轴应变明显小于正常对照组，多重回归分析显示空腹血糖水平及左室舒张末期容积是左室长轴应变的显著影响因子。本研究表明，尽管血糖和血压得到良好的控制，早期糖尿病患者合并高血压后会加重对左室应变值的减低，3D-STI技术能够有助于检查与这些亚临床改变。 2.8 对肺动脉高压右心功能的评价 肺动脉压力增高可引起患者右室后负荷增加，长期肺动脉高压可导致右室收缩功能受损，致右室射血分数降低。Atsumi等[31]应用3D-STI技术评价肺动脉高压患者右心功能，结果表明：肺动脉高压组右心室收缩期面积应变峰值较正常对照组降低；此外3D-STI技术还可以检测出右心室各节段心肌收缩幅度以及时相的差异性。Vitarelli等[32]发现肺动脉高压患者右室三维整体长轴应变显著性减低，三维整体长轴应变是肺动脉高压患者死亡率的独立性影响因子，ROC曲线结果显示，三维整体长轴应变为-17%（曲线下面积为0.88）时诊断右室衰竭的敏感性及特异性为佳。此研究表明，3D-STI技术能更好的评价肺动脉高压患者右室功能。 2.9 对肾病的评价 心血管并发症是终末期肾病维持血液透析患者的主要并发症及死亡原因，近年来透析技术的改进明显提高了尿毒症患者的存活率，但心血管并发症并未减少。左室肥大和其诱导因子之一的成纤维细胞生长因子（FGF-23）与终末期肾病的不良预后息息相关。Kovacs等[33]利用3D-STI技术研究血透、FGF-23对左室形态的影响，血透后各个3D-STI参数值均增大，左室心肌质量指数（Left Ventricular Mass Index，LVMI）也均显著增大，LVMI与血透前整体周向应变（GCS）水平及血透后GCS、整体面积应变（GAS）、整体径向应变（GRS）水平相关性良好，血清FGF-23水平与血透后GAS及GRS水平相关性良好。此研究表明，3D-STI技术能很好的评价终末期肾病患者血透前后心肌特性的改变。 3 技术局限性及改进方向3D-STI是一项无创性定量评价心肌运动的新技术，其优势已经被多项研究所证实，但作为一项仍处于发展中的新技术，该技术必然存在一些局限性：① 三维斑点追踪要求较高的帧频，较低的帧频会降低空间及时间分辨率，使得对心内膜的追踪效率明显降低；② 超声三维图像的分辨力低于二维图像，会因图像质量不佳而无法准确识别心内膜边界，影响斑点追踪的准确性；③ 不管是二维还是三维斑点追踪，都需要手动追踪或调整心内膜边界，因此对操作者的经验有一定的依赖性；④ 目前所进行的小样本研究还未排除受检者地域性、个体差异性等特异性因素，研究结果可靠性仍需大量临床实践与统筹分析支撑。 4 前景展望综上所述，三维斑点追踪技术作为一项最新发展起来的超声定量分析技术，能够对左室容积和功能进行客观评价，是一种能完善左室局部及整体心肌功能评估标准化的最新方法，能为各种心脏疾病的诊断、疗效评估及预后提供重要的信息和依据。因此，该技术在临床上的广泛应用将有助于提高心脏功能评价的准确性，具有广阔的应用前景和发展空间。 [参考文献] [1] Sengupta PP, Krishnamoorthy VK, Korinek J,et al.Left ventricular form and function revisited: applied translational science to cardiovascular ultrasound imaging[J].J Am Soc Echo cardiogr,2007,20(5):539-551. 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Clinical Application and Research Progress of Three-dimensional Speckle Tracking Ultrasound Imaging Technology LI Lin, ZHANG Ping-yang Abstract：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. Key words：echocardiography; three-dimensional speckle tracking; strain [中图分类号]R455.1 [文献标识码]A doi：10.3969/j.issn.1674-1633.2016.07.020 [文章编号]1674-1633(2016)07-0066-05 收稿日期：2015-08-27 基金项目：南京市卫生青年人才培养经费资助（QRX11034）。 通讯作者：张平洋，主任医师，教授，博士生导师，主要研究方向为心血管超声。 |