心肌结构力学分析定量参数及其进展

   心脏泵血过程涉及三种生理活动:心电活动、心肌运动、心腔流场变化。这三种生理活动相辅相成,环环相扣。其中心肌运动作为心脏的电-机械-流场电活动的中间环节,可反映心电扩布状态、心肌原发性或继发性病变等各种生理及病理状态下心肌整体及局部功能,因此对心肌机械运动力学的评价一直受到广泛关注。随着计算机技术及心脏基础研究的进展,心肌运动力学评价手段也在不断进展。从上个世纪90年代出现的组织多普勒技术,至近十年来应用于临床的二维斑点追踪成像技术,上述技术均可获得目标分析区域心肌的运动速度-时间曲线、位移-时间曲线、应变-时间曲线、应变率-时间曲线,在上述曲线上可获得任意时间点的参数值及各参数的变化时序,从而使心肌运动的定量分析成为可能,综合不同节段心肌曲线分布特点,可对心肌运动模式进行全面评估。
   组织多普勒技术的分析原理使之地存在角度依赖性的弊端,故对上述参数的分析均局限于朝向探头方向,从而较大程度地限制了该技术的发展及应用。二维斑点追踪成像技术从超声灰度图像上斑点的特征性、稳定性两个特性着手,根据斑点大小、形状进行逐帧追踪,从而最大限度地减少了角度依赖性、相邻节段运动影响以及运动伪像等组织多普勒的局限性。因此二维斑点追踪技术对心肌运动速度、位移、应变、应变率等参数的分析从组织多普勒的纵向参数扩展到纵向、环周方向、径向,参数更加全面、繁复,并增加了心肌扭转角度及其衍生参数的分析。
   众所周知,心肌纤维独特的结构与走行方式造就了心脏运动的复杂性。因此基于二维灰阶图像的斑点追踪在评价实时运动的三维心脏结构时,不可避免地存在被跟踪的斑点“飞出”所分析的二维切面的问题,就是所谓的“out of plane”现象。因此对实时运动的心肌机械运动力学的研究应建立在高帧容积的三维图像的分析基础上。
   随着超声探头技术的不断进展与更新,动态三维心脏超声图像质量、帧容积数及图像定量分析能力不断完善。目前基于三维动态心脏超声图像的分析技术主要包括两个方面,一是三维全容积参数分析,可获得各节段及整体容积-曲线时间,从而计算反映心功能的容积参数及反映收缩\舒张同步性的容积时间变化参数。但心腔容积变化是介于心肌机械运动和心腔流场分布之间的中间环节,且心腔容积是一个整体,人为划分的各节段容积之间必然相互影响,因此节段容积的改变时序无法直接反映心肌机械运动模式。二是三维斑点追踪,获取较高帧容积的动态三维心脏超声图像,通过逐帧追踪三维灰阶图像的上“nature acoustic makers”,可获得左心室各节段及整体的纵向应变-时间曲线、环周应变-时间曲线、径向应变-时间曲线及面积应变-时间曲线,并以牛眼图的形式显示上述各项参数在各帧的数值。在三维斑点追踪中分析数据仍包括纵向、环周、径向应变,这些参数在二维斑点追踪技术亦可获得,但基于三维心脏解剖结构空间定位基础上获取的三维参数,从根本上避免了“out of plane”的问题,因此在评估心肌机械运动模式上的准确性及重复性较前提高。此外,三维斑点追踪技术尚可获取面积应变参数。面积应变在心脏超声领域是一项用于评估心脏整体及局部功能的新参数。在左心室收缩时,由于心肌在纵向、环周、径向上的运动,导致左心室内膜面的面积缩小,面积应变就是反映所分析节段或整体心内膜面积改变的程度,与其他应变参数一样其单位为百分率。由于心肌在纵向、环周、径向上的运动均参与了心内膜面积的改变,因此该参数在一定程度上可更加直观、综合地反映节段及整体心肌运动模式。磁共振研究显示,面积应变在评估正常及缺血心肌中的价值优于其他应变参数。

A

B

C

D

图为三维斑点追踪分析结果图,分别为纵向应变(A)、环周应变(B)、径向应变(C)、面积应变(D)。每幅图上部均为17条节段应变-时间曲线(黄色)及1条左室整体-应变时间曲线(白色),下部均以牛眼图形式显示瞬时节段应变值

   综上所述,近年来心脏超声领域硬件、软件不断更新,对心肌运动力学参数的测量日臻完善,并出现了新的定量参数,为完整、深入阐释生理及各种病理状态下心肌结构力学模式及功能的分析提供了丰富的手段。


    2013/6/6 23:13:49     访问数:1316
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