三维超声心动图在心血管疾病诊断和治疗中的研究进展

1、三维超声心动图在心血管疾病诊断和治疗中的研究进展随着超声成像模式的发展，超声心动图经过M型、二维超声成像模式，现已发展为三维超声成像模式。二维超声心动图（2-dimensionalechocardiography，2DE）是常规临床实践的重要组成部分，对各种心脏疾病的评估具有重要影响，但其具有局限性，缺乏三维空间坐标、几何假设、心尖缩短和有限的边界识别，而三维可视化和分析可以更好地显示人体复杂的结构。早期的三维超声心动图（3-dimensionalechocardiography，3DE）系统采用二维图像采集和徒手扫描，图像经离线采集和重建创建三维数据集。3DE使用左心室的表面渲染重建，与心脏

2、磁共振成像（cardiacmagneticresonanceimaging，CMRI）、心室造影和放射性核素显像相比，3DE可准确测定左心室容积和左心室射血分数，且优于传统2DE成像。但3DE的数据采集技术复杂、离线数据分析时间较长，其使用受到限制。随着全采样矩阵阵列传感器的开发，三维技术发生了重大转变，3DE系统不断完善，并开发出实时3DE（real-time3DE，RT3DE）。RT3DE技术可轻松获取数据，可视化显示心脏的渲染图像，并可通过软件研发进行数据处理，应用范围广泛，在心血管疾病的诊断和治疗中具有明显优势。现就3DE在心血管疾病诊断和治疗中的研究进展予以综述。1.3DE在心室功能

3、和容积量化中的应用1.1左心室与CMRI和放射性核素显像相比，RT3DE可准确并重复测量左心室射血分数和左心室容积。研究表明，3DE优于2DE，可改善观察者内、观察者间和和测试复验的变异性。此外，3DE还可避免2DE导致的几何假设、心尖缩短和图像定位误差的局限性，但RT3DE图像质量导致的边界追踪差异可造成对左心室容积的低估。检查受试者心室大小和心力衰竭时，3DE容积会明显被低估。在窦性心律心房颤动患者中，RT3DE使用全自动心内膜小梁轮廓算法测量左心室的容积和射血分数。与CMRI相比，RT3DE采用自动校正方法可跟踪心肌致密化并消除与CMRI之间的平均容积差异，最终校正低估容积，该方法可快速

4、、准确、可重复地测量窦性心律心房颤动患者的射血分数和左心室容积。此外，使用造影剂也可避免低估RT3DE容积，从而改善对RT3DE心内膜边界的识别。3DE检查技术的实用性及其与常规临床实践的契合度是其应用于左心室功能研究的关键。3DE的应用局限性通常指获取图像时间较长（获取计算左心室容积和射血分数的三维图像时间较长）以及操作者相对缺乏三维超声经验。Tsang等对新型自动化软件（HeartModel，PhillipsHealthcare）获得的三维经胸超声心动图（transthoracicechocardiography，TTE）数据集的准确性和可行性进行测试证实，TTE在量化左心室和左心房的容积

5、以及射血分数中具有可行、可重复和省时的特点，并可与临床实践中3DE左心室和左心房测量结合。Otani等对使用相同新型全自动量化软件采集的心房颤动患者的3DTTE全容量效用的研究发现，该算法能够可靠并快速地确定多个连续搏动期间的平均左心室容积和功能，并可作为常规临床实践中量化心房颤动患者左心室的新方法。使用全自动软件亦可评估左心室内血流。Thavendiranathan等使用容积彩色多普勒数据编码的速度信息同时对二尖瓣环和左心室流出道进行实时3DTTE成像来量化同一心动周期中二尖瓣流入量和主动脉每搏量，这些自动测量值与CMRI每搏输出量之间存在相关性；该研究还发现，这种自动化技术可用于测量二尖瓣

6、流入和主动脉每搏量，具有快速可行、可重复、准确的特点，且优于基于手动操作的2DTTE测量，表明该方法可用于每搏输出量、反流量和心脏分流分数的常规测量。Stanton等对接受2DTTE和3DTTE左心室评估的455例心脏病患者的随访研究发现，3DTTE的左心室射血分数和左心室收缩末期容积是预测患者预后的指标。Gripari等研究显示，2DTTE和3DTTE可用于评估经皮二尖瓣修复术患者的心室重建及预后，且可重复操作。1.2应变分析斑点追踪超声心动图（speckletrackingechocardiography，STE）技术使用模式匹配算法，可通过心肌变形或应变参数来评估左心室功能，并可通过空间

7、和时间数据追踪超声心动图图像的所有解剖特征。3DSTE克服了2DSTE中难以跟踪斑点移入和移出情况的限制。与2DSTE相比，3DSTE评估左心室容积更准确且可重复。此外，3DSTE还可通过区域分析和新3D参数方法评估左心室收缩功能，如整体面积应变参数是由纵向和周向应变向量定义的左心室心内膜表面积变形的百分比。研究表明，在局部区域分析时，可重复评价整体面积应变参数，且该参数较其他参数更准确。整体面积应变参数与左心室射血分数密切相关，当正常心脏功能逐渐下降到D期时，整体面积应变参数逐渐下降。对冠状动脉疾病患者的研究表明，3DSTE定量评估缺血心肌区域应变与透壁坏死的严重程度相关，当心肌坏死程度75

8、%时，3D应变矢量才下降。Zhou等使用一种新的全自动3DSTE算法测量旋转力学发现，与标记的CMRI和特征跟踪CMRI应变评估相比，该算法可行且可重复。尽管上述量化左心室心肌性能的新参数和算法具有很好的应用前景，但需要解决专有算法的差异和仪器供应商的变异性，以将这些指标用于诊断或预后的考虑因素。1.3左心室质量左心室质量升高是心脏状况和死亡的独立预测因素。与截断椭球和子弹算法相比，体内解剖学验证为三维超声重建提供了最佳结果。研究证实，3DE与左心室质量的CMRI测量值具有良好的相关性。通过3DE重建进行的左心室质量测定在接受心脏移植人体的解剖学验证中也得到证实，使用移植心脏左心室的真实质量作

9、为参考标准，并与M模式、2DE面积长度及截短椭球算法进行比较，结果表明，3DE重建是一种准确度高和可重复的方法，3DE重建精度较2DE高4倍，较M模式超声心动图高9倍。此外，RT3DE在计算左心室质量方面亦具有可行性。研究表明，RT3DE可用于评估肥厚型心肌病患者左心室质量，且较M型、二维超声成像更准确。但对25项研究的荟萃分析表明，与CMRI相比，3DE仍低估了左心室质量。与CMRI相比，3DTTE对健康受试者左心室质量的测量更准确。对美国和日本人群的研究观察发现，3DE无种族、年龄和性别依赖性，该研究还提供了3DE衍生的左心室质量指数的正常参考值。1.4左心室重构、球形度和局部功能除左心室

10、质量外，3DE重建还可用于评估左心室重构，如分析左心室心内膜表面积、梗死表面积、梗死容积以及容积/质量比，通过计算三维表面积/体积比并将其引用到球体表面积/容积比来实现。随着左心室重构，左心室球形指数增加。左心室体积可以进一步细分为1617个区域段，并且可以在整个心动周期中跟踪每个区域段的体积以生成时间容积曲线，还可以制作从整个左心室表面生成的时间容积曲线的靶心图，这些时间容积曲线和图可以用颜色编码，以显示不同区域段的收缩，正常为蓝色，后期收缩为红色。比较同一天接受3DE评估和CMRI检查患者的3DE局部容积与CMRI检查结果发现，心脏基底和中段的一致性水平较高，但在心尖部附近一致性水平较低，

11、这种差异可能由于3DE和CMRI对心尖部附近心内膜界定受限所致，且受到该区域部分容积伪影的影响。RT3DE还提供了评估局部左心室壁运动的不同方法，可用于描述应力超声心动图。RT3DE可以在多层截面中显示整个心肌体积，允许全面评估局部壁运动，而不是在常规短轴和心尖图像中观察左心室，但在这些图像中只能观察到心肌的局部。1.5连续测量测量和复测可变性是以串行方式评估参数的效用的度量，与2DE相比，3DE的测量和复测可变性较低。在癌症化疗期间，以最低时间变异性可获得准确、连续左心室射血分数和容积量化的定量测量值，并可重复操作，对临床决策至关重要。Thavendiranathan等研究发现，3DE是心功

12、能稳定乳腺癌化疗患者随访1年内重复测定左心室容积和射血分数的方法。此外，3DE还显示出最佳的观察者内、观察者间和测量和复测的可变性。1.6心肌梗死后风险分层3DE左心室量化还在心肌梗死或心力衰竭风险分层方面具有潜在的临床应用价值，可根据射血分数指导患者心肌梗死后的治疗。Gopal等对心肌梗死或充血性心力衰竭患者的研究发现，3DE较2DE的偏差更小，分类错误率更低。基于方差分析的研究表明，3DE对心肌梗死后射血分数的风险分层效果较好，且3DE的重复测试变异性较2DE低，可应用于连续测量。1.7右心室右心室大小和功能对于判断疾病（如先天性心脏病、肺动脉高压、心肌梗死、心力衰竭和肺栓塞）的病情非常重

13、要，因此准确且易重复非侵入性成像模式的连续评估对患者至关重要。由于右心室由复杂的新月形形状（由流入道、漏斗部和心尖组成），二维成像技术较难准确评估右心室结构和功能，且胸骨后位置图像质量欠佳；此外，右心室心肌纤维的排列与左心室不同，故两者最适合的超声呈现方法亦不同。右心室扩张和功能对判断预后十分重要，在不同成像方式中，CMRI能够量化右心室射血分数和容积，且不需考虑几何假设，故成为评估右心室功能的金标准。已建立的右心室功能二维超声心动图参数（包括三尖瓣环平面收缩偏移、基础右心室游离壁组织速度和部分面积变化）仍存在技术局限性。早期3DTTE研究显示，与CMRI相比，3DE低估了右心室容积和射血分数

14、，较2DE无明显优势。研究表明，3DE评估的右心室容积和射血分数较准确，且具有可行性和可重复性。使用基于右心室聚焦3DE采集的新软件和新方法已被用于更好地评估右心室，表明其可以准确且可重复地估计右心室大小和功能。Addetia等开发了一种量化右心室形状的方法，并测试了其区分正常受试者和压力超负荷右心室肺动脉高压患者的效能，结果显示，使用3DE进行曲率分析可以定量评估肺动脉高压患者的右心室重构，并可通过跟踪局部右心室形状的差异变化来评估疾病状态。Nagata等发现，3DTTE测定的右心室舒张末期容积、收缩末期容积和右心室射血分数与CMRI相关，经随访发现，3DTTE测定的右心室射血分数与心血管疾

15、病患者的预后相关，其中右心室射血分数35%与心脏死亡独立相关，右心室射血分数41%与主要不良心血管事件独立相关。2.3DE在评估瓣膜性心脏病中的应用超声心动图是诊断和治疗瓣膜性心脏病的主要成像方式。在评估原发性和人工瓣膜性心脏病时，3DE优于2DE。RT3DE经食管超声心动图具有高空间分辨率，可以在任何方向对瓣膜及其周围结构的解剖细节进行极好的可视化，还可为评估瓣膜病的严重程度提供有价值的定量分析。2.1二尖瓣二尖瓣的结构复杂，由瓣叶、瓣环、腱索和乳头肌组成。3DE可用于了解正常功能和功能失调病理状态的二尖瓣解剖学和动力学特征。实时三维经食管超声心动图（real-timethree-dimen

16、sionaltransesophagealechocardiography，RT-3D-TEE）在定位和量化病变、确定二尖瓣反流机制，即变性、功能性、缺血性和量化二尖瓣反流严重性、改善术中和术后评估及治疗决策方面具有优势。使用RT-3D-TEE对二尖瓣结构和功能的研究提供了更多的信息。Zeng等使用RT-3D-TEE评估中度缺血性二尖瓣反流患者的二尖瓣几何形状，以确定其疾病严重性。Yuan等发现，RT-3D-TEE可快速简便地识别二尖瓣裂口。Obase等利用RT-3D-TEE指导二尖瓣修复或经皮二尖瓣手术所需的干预类型发现，经胃视图可准确测量腱索长度。另有研究显示，弦长与左心室大小之间无关联，

17、左心室增大时，功能性二尖瓣反流的弦长并未延长；与退行性二尖瓣反流相比，二尖瓣关闭不全的弦长延长，并与瓣叶表面积和二尖瓣环的周长呈正相关。Hung等的研究显示，若缺血性二尖瓣反流的二尖瓣瓣环成形术后存在二尖瓣环外乳头肌移位，导致受限的二尖瓣后叶运动受限，故仍存在二尖瓣反流。Iwataki等对主动脉瓣狭窄的研究发现，钙化增多二尖瓣瓣叶可导致非风湿性二尖瓣狭窄明显，瓣叶开口和二尖瓣环面积减小。另有研究显示，利用RT-3D-TEE新型半自动算法（即超声智能解剖）可提高定位二尖瓣脱垂的准确性和效率。Aquila等利用新的全自动软件进行RT-3D-TEE二尖瓣环解剖和功能分类显示，与正常对照组相比，功能性

18、二尖瓣反流和器质性二尖瓣反流患者的收缩期和舒张期二尖瓣环增大；与器质性二尖瓣反流患者和正常对照组相比，功能性二尖瓣反流患者二尖瓣环的收缩性降低。利用3DE、彩色多普勒超声和解剖性反流孔面积可评价反流病变的严重程度，提高诊断的准确性。此外，有研究使用自动3D彩色多普勒超声的新方法和软件对二尖瓣反流进行了更好的量化。Heo等的研究表明，与CMRI相比，使用3D全容积彩色多普勒TTE的自动定量优于2D全容积彩色多普勒TTE。动物模型实验表明，基于场优化方法的新型三维彩色多普勒超声算法可准确并重复计算有效反流口面积。2.2主动脉瓣主动脉瓣是主动脉根部结构之一，包括主动脉窦。RT-3D-TEE在主动脉瓣

19、疾病的诊断和治疗中发挥着重要作用，可准确、重复地测量主动脉瓣环的直径以及主动脉瓣环与冠状动脉口之间的距离，与多层螺旋CT的检测结果具有良好的相关性，有助于判断主动脉瓣狭窄时主动脉根部的几何形状，并可采用平面测量法准确测量主动脉瓣和左心室流出道的面积。既往研究表明，通过将三维参数（即平面化左室流出道面积和三维导出的每搏输出量定量）代入连续性方程，3DE可间接用于主动脉瓣面积的测量，避免对主动脉瓣面积基于几何假设的二维估计。Caballero等研究表明，许多主动脉瓣狭窄患者的椭圆形和漏斗形左心室流出道较环形平面更加突出，RT-3D-TEE的测量更接近于环形平面的2D左心室流出道尺寸。Mehrotr

20、a等比较主动脉瓣狭窄患者与正常对照组左心室流出道的几何结构和动力学的研究显示，主动脉瓣狭窄的2DTTE和3DTEE中，左心室流出道发生重构；与对照组相比，收缩峰值时左心室流出道更接近椭圆形，并且更不易扩张。由于二尖瓣和主动脉瓣的解剖结构，二尖瓣和主动脉瓣的动力学之间存在耦合，其中二尖瓣疾病可影响主动脉瓣的功能，反之亦然。有研究显示，行导管主动脉瓣膜置换术的严重主动脉二尖瓣钙化患者的二尖瓣结构无改善。至今，许多研究对2DSTE成像在主动脉瓣狭窄中的作用进行了评估，已有研究对3DSTE进行研究。一项对104例严重主动脉瓣狭窄患者随访373d的研究显示，3D整体纵向应变是预测未来心脏不良状况的最强指

21、标。2.3三尖瓣在评估三尖瓣结构和功能时，3DE优于2DE。三尖瓣的标准2D视图（右心室流入、胸骨旁短轴、心尖四腔和右心室聚焦视图）只能观察到两张三尖瓣图像（一共有3张）。Addetia等使用3D多平面重建方法发现了非标准的2D视图，可以更好地识别三尖瓣图像。在起搏器导联设置中，3DE可用于识别导联穿过三尖瓣的位置，并有助于评估三尖瓣反流的情况。Addetia等研究了植入式经静脉装置导联位置对三尖瓣反流严重程度的影响，发现3DTTE识别导联干扰优于2DTTE，表明应首先采用3DTTE评估铅放置后患有三尖瓣反流患者可能的铅干扰。此外，使用3D彩色多普勒超声缩流面积量化三尖瓣反流是可行的，并与2D彩色多普勒超声具有良好的相关性。RT-3D-TEE在判断心房颤动患者功能性三尖瓣反流的病理生理状态方面优于2DE，其中三尖瓣环形面积的增加与三尖瓣反流的严重程度密切相关。2.4人工瓣膜RT-3D-TEE可以准确评估人工瓣膜的功能，并能更好地显示人工瓣膜解剖结构以及瓣膜周围反流。因此，RT-3D-TEE在经导管介入治疗瓣膜旁反流或生物假体功能障碍中起重要作用。在评估心内膜炎时，人工瓣膜的RT-3D-TEE正面视图能够较好地观察植入物和瓣膜开裂以