斑點追蹤技術原理及其分析局部心肌功能的作用

曲俊樸 綜述陳瑤 陳明 審校

1.內蒙古醫科大學病理生理學教研室，內蒙古 呼和浩特 010059；2.內蒙古鄂爾多斯市中心醫院超聲科，內蒙古 鄂爾多斯 017000；3.同濟大學附屬東方醫院心臟醫學部，上海 200120

超聲醫學已走過50個年頭，在這半個多世紀里從儀器到相應的軟件都得到了極大的發展，對心肌運動的分析也成為其發展的重中之重。超聲心動圖（echocardiography）是最常見的評估心臟功能的方法，在某些心臟疾病中甚至作為首選檢查乃至于金標準。到目前為止，根據美國超聲心動圖學會的建議，室壁運動和增厚的目測方法仍然是評價左室力學的最主要方法，但只可作出一個心肌功能的主觀評價且需長期訓練。受制于臨床工作時間長短及技術水平本身，不同的醫師對同一患者作出的判定也不同，對室壁厚度測量及對室壁運動程度減低判斷不一致，甚至在左室射血分數（ejection fraction，EF）定量中存在偏差[1]。因此，引入一種人為因素較少的方法勢在必行。眾多的分析手段如組織多普勒、解剖M型超聲、斑點追蹤技術（包括速度向量成像技術、二維及三維斑點追蹤技術）等新興技術相繼應運而生。

在對室壁運動的分析中，為減少因年資、技術水平等對主觀判斷的制約，一些生物力學參數被引入超聲分析中，試圖以定量數值來區分室壁運動異常的程度。應變作為反映心肌材料力學的參數被較早引入分析中，并在斑點追蹤技術中得以廣泛應用。然而這些方法不足導致的錯誤使其分析結果不能被臨床接受，至今超聲醫師的主觀判斷仍是診斷心肌運動異常的最重要方法，未能被任何一種技術所取代。

在心肌運動中，主動收縮即心肌細胞的主動性興奮-收縮耦聯占主導地位，被廣泛接受。作為心肌被動生物力學的反映，心肌及心肌細胞的固有屬性——黏彈性卻常常被忽視。順應性是心肌組織和心肌細胞黏彈性的具體表現，分為順應與弛張。順應由心肌組織及心肌細胞的彈性成分即彈性勁度所決定，影響產生應力的大小即影響形變發生的程度；弛張由黏性成分即黏性勁度決定，影響應力、應變發生變化的過程，也就是影響心肌組織及心肌細胞發生形變的速度。應變與應變率是黏彈性在數學上的一種反映。

應變的定義為物體在外力作用下其中任意兩質點間的距離發生的相對變化，反映了一種相對的形變，而造成這種形變過程的每一個力均有其對應的應變。應變為一無單位的純數，在心肌運動中以舒張方向定義為正方向，為正數；以收縮方向定義為負向，為負數。

斑點追蹤技術雖非第一個將應變作為分析指標的技術，但應變因斑點追蹤技術而得到了更多關注。用應變反映心肌運動的異常無疑是一種天才的設想，其本身也具有劃時代的意義，意味著對心肌運動的分析從肉眼觀察上升到對心肌的生物力學分析。現就心臟的生物學特點以及斑點追蹤技術原理作一總結。

1 心室肌帶學說

心肌纖維呈螺旋狀排列，大致可分為內縱、中環和外斜3層。心內膜與心外膜面的心肌呈螺旋狀排列，兩者之間是大致呈水平排列的心肌，這種心肌纖維排列方式使心臟收縮時產生扭轉。Torrent-Guasp等[2]認為，心室肌纖維的空間結構為一條肌肉帶，即心室肌帶。心室肌帶理論認為心臟可視為由一根肌纖維束螺旋纏繞而成，包含基底環(basal loop, BL)和心尖環（apical loop，AL）。兩者走向相反，心內膜與心外膜肌纖維走向相反。左室心肌運動呈現復雜的空間三維運動?；篆h起于肺動脈，心尖環止于主動脈?；篆h包繞右室和左室，在心室肌帶螺旋褶處改變方向，傾斜的肌纖維在心室處形成一個心室螺旋，形成心尖螺旋的的降段和升段。在心動周期中，基底環變窄、降段縮短、升段延長、心臟變寬均參與了心室的射血和充盈。

心肌運動特點表現為：跳動的心臟包括縱向運動(縮短和延長運動)及橫向運動(縮窄和增寬)，特點可通過超聲心動圖及MRI觀察。運動按如下順序進行：①基底環收縮所致的縮窄運動，表現為基底橫徑減少。②降段收縮及緊隨的升段收縮所致的縮短運動，表現為心臟長軸長度縮短。③在降段收縮停止后發生的升段收縮出現心臟長軸的長度變長，此即為心臟的延長運動。④在心室快速充盈及舒張期心室緩慢的伸展過程中發生的心室壁展開，基底橫徑增加。這種收縮順序的發生需收縮波沿著心肌帶的4個階段連續發生。發生的順序為基底段收縮變窄，心尖環降段和升段變短，然后是升段延長，最后是整個心室增寬。整個心臟機械活動的順序為基底環（由右室至左室）→心尖環（從降段至升段）；或從右到左，從降段至升段[3]。

心肌帶的特點使心臟的運動為空間上的運動，可簡單分為3個方向上的運動：①縱向（longitudinal）運動：收縮時，在長軸方向上二尖瓣環向心尖方向運動，心肌纖維縱向縮短；②徑向（radial）運動：收縮時，左室壁呈向心運動，室壁增厚；③環向（circumferential）運動：收縮時，左室圓周運動致使環向心肌縮短[4]。

由于3個方向上的運動所致空間上的合運動呈螺旋形，表現為左室心底部和心尖部在收縮期呈反方向旋轉，形成“擰毛巾”樣運動，從而產生了旋轉與扭轉。

2 斑點追蹤的基礎

斑點也稱為散斑，是因體內大量直徑小于入射波波長的微小粒子散射入射波，致使散射波與散射波之間形成干涉。在心肌灰階圖像中，當散射波的波峰與波峰交匯時，因相長增益使之呈現出強回聲斑紋；而當散射波的波峰與波谷交匯時，則因相消使其呈現出低暗色斑紋。因此，斑點的成因可視同于在一取樣容積內諸多散射子散射超聲聲束信號所產生的干涉，并形成隨機分布的強弱不等的回聲效果[5]。

在人體內，紅細胞為最主要的散射體之一。廣泛存在于心肌與心腔內的眾多紅細胞與其他微小粒子分別散射入射波后，大量無規則分布的散射波相互干涉，形成了反映在心肌灰階圖像中20～40個像素的亮斑，即為斑點[6]。

因人體內不同組織、不同器官之間散射體的分布不一致，導致不同組分有分別與其相對應的斑點。在同一組分內，因散射體數目與位置不同及與入射聲束之間夾角不同等諸多因素，斑點即便在同一組分內也不相同。因此，斑點具有唯一性[7]。

在很短的時間間隔內，心肌可被認為是一種剛性體，即心肌是不可壓縮的。這也決定了散射體之間位置保持不變，從而使斑點與斑點之間的相對位置保持不變，此為斑點的穩定性。

斑點的唯一性與穩定性是斑點追蹤技術的基礎，由于這些聲學斑點穩定且唯一分布于心肌內，其運動與組織運動同步，且相鄰兩幀之間形態無明顯差異[8]。根據公式計算可得出，在30 Hz的幀頻下，相鄰兩幀之間斑點的位移不超過5個像素，使對斑點移動的追蹤成為可能[9]。

斑點追蹤的本質是一種基于邊界識別技術及數學有限元思想而產生的利用二維灰階超聲圖像上的特定回聲像素斑點進行的一種追蹤，不受角度影響，為一種先進的心肌運動追蹤方式，但其追蹤效果受二維超聲心動圖質量及幀頻影響較大[10]。斑點追蹤有賴于對斑點形狀的追蹤，準確定位心肌結構及心肌回聲像素斑點本身的邊界可使斑點追蹤更準確。

心臟是一個空間上的幾何體，形狀并不規整，因此很難用一般方法來構建心臟模型。斑點追蹤多采用有限元方法，將心肌解離為若干節段，并將每一個節段解離成更多的區塊。應用區塊匹配法，在相鄰兩幀間尋找與上一幀區塊形狀及其內斑點最為匹配的區塊，并以此作為斑點追蹤最核心的思維。將所有被連續追蹤到的區塊整合可得到整個心肌的移動情況，確定心肌位置及其長度變化，由此可得到應變、應變率、扭轉等一系列心肌生物力學參數，從而反映心肌生物力學屬性。

3 二維斑點追蹤技術

3.1 二維斑點追蹤技術的優勢

二維斑點追蹤技術是基于二維灰階超聲圖像進行的一種斑點追蹤，為一種新型的無創檢查手段。與組織多普勒不同，其無角度限制，亦無需角度校正，可進行多切面追蹤，可更好地反映心肌的運動情況。

二維斑點追蹤技術有賴于幀頻的提高[9]，然而幀頻與圖像的分辨率存在動態平衡，一味提高幀頻則會降低圖像分辨率，進而對斑點追蹤的準確性形成負反饋。如何把握好幀頻是斑點追蹤成功的前提[11]。既往研究表明：50～75 Hz的幀頻最適宜。

3.2 二維斑點追蹤技術的不足

首先，據心室肌帶理論可知，心臟的運動為空間范圍中的運動，而非單一平面上的運動，因此以二維平面的追蹤來反映心臟三維空間的運動是不完整的，據此會產生一系列的追蹤脫失，乃至斑點“莫名其妙”地飛出平面。

4 三維斑點追蹤技術

4.1 三維斑點追蹤技術的優勢

三維斑點追蹤技術為近年來研發的超聲新技術，為三維超聲心動圖技術與斑點追蹤技術的有機結合，在心臟病評估和研究方面具有許多優點，因而出現被許多超聲心動圖實驗室應用于日常臨床檢查。

三維斑點追蹤技術是基于實時全容積掃描的基礎，以有限元的思想，在90°×90°范圍金字塔形實時心臟全容積灰階圖像中，將心肌整體區域的回聲離散為若干個大小約10 mm×10 mm×10 mm的心肌回聲斑點，通過在空間上構建容積數據庫，并以心肌像素斑點為單位在三維空間上進行追蹤[12]，可獲得斑點運動位移情況；另外通過將不同范圍內相鄰的斑點在節點處連接起來組成斑點的集合體為求解節段，可提供心肌的三維圖像，從而在極短時間內實現對心肌功能的全面評估。

三維斑點追蹤技術是在一個相對較低的幀頻下于全容積狀態進行的追蹤，評估的是三維空間內的實時運動，是一種三維技術。其特點在于僅利用一個數據集即可完整表達整個心肌運動的追蹤結果，并可評價心肌在一個心動周期內各個方向的應變及其所對應的達峰時間，從而較好地評價心肌節段運動的同步性[13]。

二維斑點追蹤技術的準確性有賴于較高的幀頻，主要原因之一是像素斑點在平面內移動。較高的幀頻可連續追蹤斑點的移動。當使用低幀頻時，斑點在兩幀之間無法連續，并在下一幀完全脫離平面，從而無法追蹤。相對二維斑點追蹤而言，三維斑點追蹤技術是一種空間上的三維立體追蹤系統，所追蹤的不再是二維平面內的斑點運動，而是某一空間區域內的斑點容積（包含斑點運動軌跡中的所有區域）。因此，較低的幀頻即可滿足三維斑點追蹤技術的需要。Harris等[14]指出，三維超聲斑點追蹤技術適用于所有的檢測深度，同時在斑點運動較小的位移范圍內（2 mm）獲得比較高的測量精度(＜0.4 mm)。三維斑點追蹤技術測定心肌組織運動的準確性和可靠性已用計算機模擬模型和MRI作為參考技術所證實。

4.2 三維斑點追蹤技術的不足

三維斑點追蹤技術是基于三維超聲圖像所進行的追蹤，受三維超聲圖像本身制約，為一種在較低幀頻下進行的追蹤，幀與幀之間的間隔相對較長，致使追蹤過程具有一定的變異性。

5 展望

目前的計算機技術正日新月異地發展，使得基于計算機圖像處理的斑點追蹤技術的發展有了更為廣闊的前景。在不遠的將來，更高幀頻的三維超聲有望實現，而基于三維灰階圖像的三維斑點追蹤技術將更準確，在對心肌的分析中將會起更大作用。

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