三维超声心动图研究进展

关键词:超声心动图   进展   二维   三维   实时成像   全容积图像采集   限制         临床应用  摘要:随着技术进步及计算机处理能力的提升,三维超声心动图(3DE)将会越来越为人们所接受并成为一项常规的临床医疗工具。与传统的二维超声心动图(2DE)相比,3DE所提供的图像能够更加精确评价复杂的心脏解剖结构和心功能,同时也能与核磁共振相媲美。早期由于3DE的重复性等问题限制了其临床应用的推广。然而,近期以上许多问题随着探头换能器和后期处理软件技术的显著改进都得以解决,而且,由于最近全心实时成像技术和全自动定量功能的发展使得3DE成为越来越普遍的常规临床检查手段。实时三维超声心动图对于心脏超声的诊断和治疗评估能力有了进一步提升。一个心动周期内的无缝、实时、全容积三维成像技术克服了当前实时三维系统获取图像需要4到7个心动周期,同时存在门控选图和人工拚接。   在心脏病临床工作中,尤其是涉及到对于左室容量及功能的评价时,二维超声心动图是一种普遍的诊疗手段。然而,传统的2DE依赖于几何形态假设上的限制导致其对于容量的定量测量存在不精确性。由于三维成像消除了几何假设的不足与成像平面的位置误差,因此能够更加精确的评价复杂的心脏解剖和功能。早期人们试图通过手动由多片面的二维图像重建获取空间示踪信息从而得到三维图像,最初这些有关左室重量和射血分数的三维图像的产生是基于二维超声的结果,它和核磁共振成像有一定可比性。尽管3DE已经出现将近二十多年,但是由于早期一些技术上的局限性影响了其广泛的临床运用,而且,由于最近全心实时成像技术和全自动定量功能的发展使得3DE成为越来越普遍的常规临床检查手段。实时三维超声心动图对于心脏超声的诊断和治疗评估能力有了进一步提升。虽然心脏核磁共振成像是当前的金标准,但是该成像模式需要注射造影对比增强剂,也不适合有心脏植入装置的患者而且花费较高。  三维超声心动图的演变  心脏三维超声图像采集始于1974年。随着早期3DE技术的发展,它采用的是基于二维图像的脱机连续成像技术,然而,这些技术在图像采集及后期处理方面都存在局限性:获取的图像在空间及短时分辨率上较差,当使用此类二维图像进行三维重建时较为费时,所以只能够脱机处理。最近,矩阵排列的探头已经问世。此类探头的压电晶片的排列优于二维薄片探头,能够进行锥形扫描。矩阵排列的探头能够快速实时得获取三维图像,不需要花费太多时间进行脱机重建。最初的矩阵排列的探头能够获得60*60的实时三维锥形容量资料。早期探头相关的限制包括较差的图像质量,帧频较低和扫描平面较窄。  新一代的探头采用全信号排列从而图像质量有明显提高。矩阵排列的全信号探头包含上千个同时有效的超声发射元件,由于计算机处理能力的提高使得快速的后期处理成为可能,这样就能够提供近乎实时容量扫描。高质量的图像几乎同时采集,这种采集系统同时提供几种图像模式,包括多平面(双平面和三平面),实时三维,三维局部,全容积和三维彩色多普勒。然而,对于通过一定数量的心电图门控而获取的亚容积三维图像系统中,后两种图像模式被认为对于是最主要的限制。至少4-7个R波相关门控的心动周期的图像采集对于房室腔的可视及定量已经足够,也就能够得到全心的三维图像(见图一)。三维彩色多普勒对于评价瓣膜返流相当有效。在三维彩色多普勒模式下,获取到的是心脏的一小部分资料,这需要连续7个心动周期的记录。为了便于观看和分析,图像可以通过矩形平面或多短轴平面予以展示。实时三维图像也能够通过各种角度进行观察,极大的利于心脏超声的诊疗工作。  除了需要耗费时间的脱机后期资料处理以外,早期的三维系统依赖于手动评估的定量评价心功能。此过程操作性差,需要一定的经验和训练。新近发展的定量分析软件程序可以克服以上局限性。这些软件程序不仅直接定量分析心脏容量和质量,射血分数和收缩的不同步性,而且评估静息和负荷时的局部室壁运动。后期处理软件的另一项进步就是加入了边界探测法,通过对心内膜的探测能够半自动的分析左室而无需进行几何假设。硬件能力的提升使得能够储存更大的资料。与早期技术相比,探头的改善和计算机软硬件的提升使得我们大幅度缩短的时间,改变工作流程。  目前实时三维超声心动图临床应用  目前实时三维超声心动图能够提供全心的近似实时容积图像便于心腔解剖和功能的评价,包括心肌运动同步性,瓣膜病和先心病等。  左室评估  左室评估是心脏超声心动图最普遍和重要的临床适应症。一系列的临床研究显示实时三维超声心动图对左室评估结果的精确性和重复性同当前的金标准核磁共振成像具有一致性。RT3DE也可用于评估左室功能。传统上,左室射血分数的评估是通过视觉图像的判读来进行估测的,其来源于二维左室容量并含有主观因素,可重复性较差。相比之下,RT3DE就能够提供更为精确且重复性好的左室射血分数的定量测量。该定量测量对于临床决策的选择具有重要意义。关于左室形态的评估,RT3DE也提供了三维球形指数,该指数能够较为精确的反映左室形态,并且能够作为一项预测急性心梗后左室重构的独立因素。  RT3DE同时也能够对于左室其他相关内容进行评估和测量。它也可用于心脏超声负荷试验(多巴酚丁胺,血管扩张剂甚至运动试验)。早期资料显示二维和三维超声心动图对此具有相同的敏感度和特异度,但是后者大大减少扫描时间,节省处理时间从而提高了工作效率。RT3DE用于负荷超声能够进行多个轴线视角的分析,包括标准的长轴和多个平行的短轴切面。时间分辨率对于负荷试验特别重要,目前RT3DE能够比二维超声更好的分辨率。最近几年,心室运动的同步性评估对于适应患者的选择和心脏再同步化治疗(CRT)的预后评估相当重要。越来越多的证据显示可以通过从三维资料得到左室局部容积改变来分析左室内部的不同步性.由三维全容积资料可获得收缩同步指数(SDI),可以用来作为评估CRT治疗是否成功的预测因素。SDI值取6.4%作为截断点具有较高的敏感度和特异度(分别为88%和85%),同时具有较好的重复性。  右室评估  RT3DE也可以用于右室的评价。在几种心脏疾病中的检测结果显示精确的左室大小和功能的评估对于诊断和预后有重要相关价值。既往由于右室复杂的几何形态和在心脏胸腔的位置使得右室的评估相当困难。复杂的解剖结构经常造成基于传统的二维几何假设而进行的右室容量计算失败。目前的RE3DE则能够进行更为精确和重复性好的右室容量定量测量。此功能是基于装备了后期处理软件的RT3DE系统能够按右室的数学管型模型公式计算右室容量和右室射血分数,同时也可能是因为取消了几何假设。与二维成像相比,三维成像能够提供更为精确和重复性好的右室评估,结果与核磁共振成像相关性好。  瓣膜结构评估  人们一直感兴趣于RT3DE作为对像二尖瓣(MV)这样的复杂结构的可视化评估的潜在应用价值。通过对三维资料处理后能够得到瓣膜两边的实时独特的“前位像”。通过后处理软件的运用可以对二尖瓣进行任意方位平面的观测。一系列有效的观测平面对于二尖瓣瓣口面积的测量至关重要。测量单一切面的返流狭径会造成有效瓣口返流面积的估测不足。最新的后期处理软件也能进行二尖瓣环附件的定量测量。通过三维手段来评估二尖瓣器有助于更好地理解心脏瓣膜的解剖和功能,对于二尖瓣相关狭窄和返流的病理生理机制的理解提供了新的视点。RT3DE对二尖瓣的术前评估为二尖瓣修复术的制定提供有价值的信息。研究表明RT3DE对于风心二尖瓣狭窄的病人估测二尖瓣面积具有可行性,精确度较高且重复性好;同金标准如超声多普勒方法相比,与侵入性的导管检查结果一致性好。与作为金标准的二维经食道超声心动图相比,三维经胸超声是一项较好的术前无创评估二尖瓣的方法。通过RT3DE取得的彩色多普勒血流结合三维形态学资料也用来作为临床相关的二尖瓣补充材料。特别是在瓣膜返流的病人中,彩色多普勒血流对于喷射点起源和瓣周毗邻结构的界定相当有用。  三维超声心动图与先天性心脏病  与二维超声相比,RT3DE能够提供更为全面的全心实时图像资料,这项技术为先天性心脏病的检查开辟了新的途径。研究显示,在先天性心脏病病人中,左室和右室容量的三维测量同核磁共振成像检查有良好的相关性。RT3DE对于主动脉二叶瓣、法洛氏四联症、动脉导管未闭、主动脉窦瘤、艾伯斯坦畸形、瓣下瓣以及其他复杂的先心病的解剖结构的阐述具有良好的可信度。作为一项无创的心血管检查手段,对于需要行导管检查的病人越来越多的选择RT3D。例如在主动脉瓣置换术时,RT3DE能够通过精确的、近乎实时的心脏容积图像来测量瓣口面积,给心脏科医生作为瓣膜置换决策的指导。其在临床运用上与二维超声相比的情况见表一。  当前实时三维超声心动图的局限性不可否认,超声探头和后期处理软件已经取得了显著进步,但对于RT3DE的临床广泛应用仍然存在一些不足。目前,要取得心脏全容积三维图像至少需要连续记录与心电图R波门控的4个甚至更多心动周期的资料。尤其是在心律失常或呼吸不稳的患者中,心电图门控及缝接所取得的全容积图像可能出现人工干扰。这些病人中,三维资料精确性和可用度降低。无论是心电图门控的扫描技术,还是实时得图像获取都需要操作者具备一定的操作技术和经验,对于结果的定量阐述,检测者必须依赖于来源于二维图像资料的后期处理。另一不足就是虽然与传统的二维超声相比,RT3DE能过大大减少扫描所花费的时间,但最终图像的空间和时间分辨率仍需要进一步提高。后期处理软件只能够半自动定量测量房室腔容量,对于资料的处理,仍需相当的经验和训练。其重要性已经由一项研究证实,如果由一些有经验的医生操作,就能够消除三维检测结果与核磁共振成像不一致的现象。  三维超声心动图最新进展  三维超声心动图经过近二十多年的发展,一直都在不断进步之中。最新的革新已经远离传统的线线采集,而到达同时多束采集从而得到一个心动周期内无缝、实时、全容积的三维图像的阶段。在较高的容频(大于20容/秒)下快速获取大量容积资料使得我们能够在一个心动周期内获取全心的实时同步情况,而不需要心电图门控和多心动周期的拼接。(见图二)这种图像获取速度,解决了人工拼接的问题,包括在一些非正常心动周期(如伴有心衰或心律失常)的病人中,采集图像的可信度,图像的质量和精确性都有很大程度的提高。并且,在采集图像的过程中,全心图像都能够实时显示,其优化的容积定位远远超过由心电图门控的方法。  其他的一些技术革新,例如基于智能化工作流程和识别模式软件相结合的工作模式,能够全自动的提取和定量测量所需的全部资料。全自动定量识别模式能够帮助人们更好的理解解剖学结构。全自动的提取、测量和分析将更大的增加工作效率,减少操作所需花费的时间,减少观察者之间和同一观察者多次检查的误差。形态学评估和三维负荷超声试验将得益于后期处理软件的提高,它能够快速,简便的搜索全部的三维资料,从而提供一个分析室壁运动的标准界面。多普勒对于诊断瓣膜关闭不全和分流至关重要,RT3DE的又一大进步就是为三维超声加上彩色多普勒信息更加清晰地阐述血流情况。(见图三)这样就能够更加全面的评估病情,尤其是在瓣膜病中,能够更加精密和准确的分析瓣膜情况。  基于智能库和全自动定量识别模式软件相结合的工作模式使得RT3DE能够克服目前的限制为常规临床实践服务成为可能。在不远的将来,RT3DE将整合到心脏影像检查中,甚至可能取代部分二维超声检测而进一步减少检查时间。  结论  RT3DE技术取得了显著的进步,其后期处理及分析能力已经能够很好的说明其作为常规临床检查手段的运用价值。目前的RT3DE系统能够快速获取心脏的全容积的图像。半自动的后期处理软件能够快速定量分析和评估房室腔的容量和功能。而且,RT3DE与作为金标准的的三维心脏核磁共振成像相比,在心脏容量和功能评估上具有良好的可比性。尽管如此,当前的RT3DE仍然存在一些不足之处。要取得心脏全容积三维图像至少需要连续记录与心电图R波门控的4个甚至更多心动周期的资料。目前的人工拼接需要延长憋气时间,多心动周期图像的获取可能导致图像质量和定量测量结果的不准确。该项技术可能特别不适合伴有呼吸困难或者不规则心动周期的病人。由于后期处理只是半自动的,因此需要有经验和训练过的专业人士使用。  随着三维技术的不断进步,RT3DE必将整合到多模式的影像工作当中。一个心动周期内无缝、实时、全容积的三维图像技术消除了憋气延长及拼接采集的不利因素。基于智能库和全自动定量识别模式软件相结合的后期处理将对当前的工作模式产生巨大影响。它提前证明了技术的不断进步将改善检查时间、工作和图像质量,提高图像的精确性,加速和简化心脏的定量测量评估,最终使三维技术运用到日常的临床工作当中。   另附图标资料:                
图一:由于扫描速度的限制,至少需要连续记录由心电图门控的一定数量心动周期的资料加以拼接才能够完成心脏全容积三维图像重建。  表一:与传统的二维超声心动图相比,目前的RT3DE的一些临床运用上的优势
临床应用优势(与二维超声心动图相比)
左室容量、质量指数和射血分数的评估无需几何假设,无透视缩小等错误
左室室壁运动异常的评估包含全部的左室收缩动力学信息:图像采集更迅速(负荷试验更适用);对室壁运动异常的判定更加精确
左室运动同步化的评估单一图像就能分析16阶段运动;半自动化的处理(重复性更好);无角度依赖性;同时结合左室容量和功能的定量测量
瓣膜功能和疾病的评估不受图像平面位置的限制,对瓣膜的结构更加形象和全面的理解:二尖瓣和主动脉瓣狭窄-“前位像”更加精确的瓣口面积测量;二尖瓣脱垂-精确的形态学定义;二尖瓣和主动脉瓣反流-通过彩色多普勒对反流狭径精确测量;指导外科和介入手术操作
先天性心脏病的评估更加清晰地阐述复杂的心脏结构;指导外科手术操作
图二:瞬时全容积图像获取心脏信息无需心电图门控
图三:瞬时全容积图像加上彩色血流信息能够实时显示瓣膜的形态、功能和血流动力学状态。  
 图四:一个心动周期的实时三维超声心动图对于工作流程的影响 

二维图像采集
彩色多普勒图像采集
三维图像
分析和阐述结果
测量
多普勒频谱采集
容量资料采集
多普勒频谱采集
彩色多普勒容量资料采集
自动测量
分析和结果阐述
传统二维超声花费的时间
一个心动下图像采集节省的时间

       
    2010/4/25 9:57:57     访问数:1222
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2010/4/25 16:13:21
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