實時三維超聲心動圖測量左心室容積與射血分數的應用價值

快速準確地評估左心室收縮功能對心血管疾病的早期診斷、治療決策、判斷預后及療效評價等具有重要臨床意義。左心室舒張末期容積(left ventricular end-diastolic volume，LVEDV)、左心室收縮末期容積(left ventricular end-systolic volume，LVESV)及左心室射血分數(left ventricular ejection fraction，LVEF)是評價左心室收縮功能指標，二維超聲心動圖是目前臨床常用的測量方法，已作為指南指導臨床決策[1]，由于其依賴于超聲圖像質量、檢查醫師的個人經驗、幾何形態假設、容積計算及負荷狀態等，圖像易截短切面及心內膜表面勾畫的主觀性，影響測量的準確性和重復性。核素顯影、心導管左心室造影可準確測量左心室容積和射血分數，但這些方法具有創傷性、價格昂貴、操作費時等局限性，難以在臨床廣泛應用。磁共振(magnetic resonance imaging，MRI)對軟組織解剖形態學及組織特征顯示有較高的空間分辨力，可立體顯示心臟結構，對心室容積測量具有較高的準確性，是無創測量心室容積的“金標準”[2]，但成本較高、操作復雜、耗時，體內有金屬置入物及患有幽閉癥、心律失常等病人應用受限。三維超聲心動圖(three-dimensional echocardiography，3DE)測量左心室容積無須幾何學假設，主觀依賴性小[3]。但以往3DE需要心電門控多心動周期采集亞容積進行拼接，由專業醫師操作，采集時探頭必須穩定，要求病人心律齊并屏氣配合，否則易造成拼接錯位。隨著計算機技術的發展，新型單心動周期全容積實時三維超聲心動圖(single-beat full-volume real-time three-dimensional echocardiographic，sRT-3DE)可在單個心動周期內采集完整的心臟三維立體結構圖像，全自動識別并勾畫左心室心內膜表面計算左心室容積。本研究以MRI心室容積測量做參考標準，評價sRT-3DE測量左心室容積與射血分數的應用價值。

1 資料與方法

1.1 研究對象 選取2014年3月—2016年2月山西醫科大學附屬太鋼總醫院收治的住院病人86例，男51例，女35例，年齡31～84(60±14)歲，均為竇性心律。排除帶有心臟起搏器、神經刺激器、人工心臟瓣膜、眼球異物及動脈瘤夾等置入物病人；妊娠期婦女；危重病人需要采用生命支持系統病人；癲癇病人；幽閉恐懼癥病人[4]。于同一天內完成MRI及sRT-3DE檢查。經臨床診斷及常規超聲檢查將病人分為心臟形態結構正常組(A組)37例和心臟形態結構異常組(B組)49例，其中高血壓性心臟病16例，冠心病20例及肺源性心臟病13例；2例病人因超聲圖像質量差分析失敗排除。本研究經本院倫理委員會審核通過，所有病人均簽署知情同意書。

1.2 研究儀器與方法

1.2.1 儀器 超聲心動圖檢查采用Siemens Acuson SC2000型超聲診斷儀，配置4V1c及4Z1c超聲探頭，探頭頻率分別為1～4 MHz、1.75～4.25 MHz，儀器配有LVA自動分析軟件。心臟磁共振成像(cardiac magnetic resonance imaging，cMRI)檢查采用GE 1.5T超導型MRI，梯度場強40 mT/m，梯度切換率150 T/ms，采用GE ADW4.1工作站，Argus軟件及Mass Analysis軟件進行測量與計算。

1.2.2 超聲心動圖檢查 由專業超聲醫師進行超聲心動圖檢查，受檢者取平臥位或左側臥位，連接心電圖。以心電圖R波峰頂點確定為舒張末幀(二尖瓣關閉的第一幀圖像)，T波降支確定為收縮末幀(緊接著二尖瓣開放之前的一幀圖像)。首先常規采集二維及頻譜多普勒圖像，采用4V1c探頭分別采集標準心尖四腔和兩腔切面，采用雙平面Simpson’s法測量LVEDV、LVESV及LVEF，并對采集和分析過程分別計時。采用4Z1c探頭心尖部獲得標準心尖四腔心切面，調節探頭頻率、圖像對比度、掃描深度及角度等顯示左心室最佳圖像，之后啟動三維成像，即獲得實時三維全容積數據，連續采集3個心動周期并儲存。點擊“LVA”，系統自動分析左心室容積，自動分析識別不滿意手動調整使輪廓線與心內膜吻合。分析完成得到LVEDV、LVESV及LVEF(見圖1)，取3次平均值，并對采集與分析過程分別計時。

1.2.3 CMRI檢查 心臟專用8通道相控陣線圈，指脈心電門控和呼吸門控技術，首先實時定位確定四腔心層面，再以標準四腔心層面為定位像，確定垂直于左心室長軸(二尖瓣中點至心尖的連線)和左心室短軸層面，范圍覆蓋心底至心尖，于呼氣末屏氣進行掃描，每次屏氣9～15 s，獲得8～12層短軸位電影圖像。每個心動周期采集20幀電影圖像。將圖像傳輸至工作站進行分析。采用GE ADW 4.1工作站，Argus軟件及Mass Analysis軟件進行測量及計算。應用半自動描繪短軸位左心室心內膜和心外膜輪廓。得出左心室容積-時間變化曲線，計算出左心室心功能參數：LVEDV、LVESV及LVEF(見圖2)。

1.2.4 重復性檢驗 隨機抽取30例病人，間隔4周后由同一位超聲醫師再次分析圖像，觀察病人的重復性檢驗。由另一位醫師在不明分析結果情況下，分析相同圖像，用于觀察者之間的重復性檢驗。

2 結 果

2.1 Simpson’s、sRT-3DE及MRI 3種方法測量LVEDV、LVESV及LVEF指標比較 Simpson’s法測量LVEDV和LVESV低于MRI，差異有統計學意義(P<0.01)。詳見表1。

方法 LVEDV(mL)LVESV(mL)LVEF(%)MRI 96.45±32.5242.65±26.1957.95±9.93sRT-3DE 94.38±29.8141.18±21.1357.68±8.07Simpson’s法90.68±24.771)38.08±16.881)59.01±7.59F值0.8600.9950.579P0.4240.3710.561

與MRI比較，1)P<0.01

2.2 sRT-3DE和Simpson’s法測值與MRI的相關性分析和一致性檢驗 sRT-3DE測量LVEDV、LVESV和LVEF與MRI的相關性均高于Simpson’s法(見圖3～圖8)；Bland-Altman一致性檢驗分析結果顯示：sRT-3DE測量左心室容積和射血分數與MRI測值之間一致性高于Simpson’s法(見表2、表3，圖9～圖14)。

圖3 Simpson’s法與MRI測量LVEDV的相關性分析 圖4 sRT-3DE與MRI測量LVEDV的相關性分析

圖5 Simpson’s法與MRI測量LVESV的相關性分析 圖6 sRT-3DE與MRI測量LVESV的相關性分析

圖7 Simpson’s法與MRI測量LVEF的相關性分析 圖8 sRT-3DE與MRI測量LVEF的相關性分析

表2 sRT-3DE和Simpson’s法與MRI的相關性分析

表3 sRT-3DE和Simpson’s法與MRI的一致性檢驗

圖9 Simpson’s法與MRI測量LVEDV的一致性檢驗 圖10 sRT-3DE與MRI測量LVEDV的一致性檢驗

圖11 Simpson’s法與MRI測量LVESV的一致性檢驗 圖12 sRT-3DE與MRI測量LVESV的一致性檢驗

圖13 Simpson’s法與MRI測量LVEF的一致性檢驗 圖14 sRT-3DE與MRI測量LVEF的一致性檢驗

2.3 A組和B組sRT-3DE和Simpson’s法測量結果與MRI的相關性分析 A組Simpson’s法和sRT-3DE所測各值與MRI比較，差異無統計學意義(P>0.05)。B組Simpson’s法LVEDV與LVESV低于MRI，LVEF高于MRI，差異有統計學意義(P<0.01)。A組和B組sRT-3DE所測各值與MRI相關性和一致性均高于Simpson’s法。A組和B組sRT-3DE所測各值與MRI相近，B組Simpson’s法所測各值與MRI相關性略低于A組。B組sRT-3DE和Simpson’s法所測各值與MRI一致性均低于A組，且Simpson’s法明顯降低。詳見表4、表5。

表4 A組和B組sRT-3DE和Simpson’s法測值與MRI的相關性分析(r值)

組別 sRT-3DE LVEDVLVESVLVEF Simpson’s法 LVEDVLVESVLVEFA組0.9390.9360.8990.8750.8370.797B組0.9250.9520.9120.8050.9070.726

注：P均<0.01

表5 A組和B組sRT-3DE和Simpson’s法測值與MRI的一致性檢驗

2.4 采用sRT-3DE測量的重復性檢驗 采用sRT-3DE兩次測量和兩位不同醫師采用sRT-3DE測量的LVEDV、LVESV和LVEF比較，差異無統計學意義(P>0.05)，且均有較好的相關性和一致性。詳見表6～表9。

項目第1次第2次t值PLVEDV(mL)95.43±25.2997.24±22.15-1.4090.170LVESV(mL)43.93±17.4544.88±16.28-1.5200.139LVEF(%)55.12±7.49 54.90±7.59 0.8120.424

項目甲醫師乙醫師t值PLVEDV(mL)95.43±25.2997.33±21.35-1.4090.170LVESV(mL)43.93±17.4544.86±15.02-1.5200.139LVEF(%)55.12±7.49 54.81±6.96 0.8120.424

表8 采用sRT-3DE兩次測量和兩位不同醫師采用sRT-3DE測量的相關性分析

表9 采用sRT-3DE兩次測量和兩位不同醫師采用sRT-3DE測量的一致性檢驗

2.5 sRT-3DE和Simpson’s法采集時間、分析時間和總時長比較 sRT-3DE采集時間、分析時間和總時長均少于Simpson’s法，差異均有統計學意義[(24.50±1.84)s與(39.47±3.82)s、(90.26±47.46)s與(127.94±8.19)s、(114.76±47.25)s與(167.41±8.68)s，P<0.01]。

3 討 論

傳統二維超聲心動圖(two-dimensional echocardiography，2DE)測量心臟功能方便快捷，具有一定的準確性，已在臨床廣泛應用，但2DE測量具有局限性：測量依賴于幾何學假設，假設與實際心腔形態存在差異，如心室腔形態發生改變、室壁運動異常等情況，實際心腔形態與2DE用于計算而假設的心腔幾何學形態存在較大差異，測量誤差較大；所測兩個平面不是同一心動周期所得；易造成截短切面低估左心室容積；依賴醫師的經驗。因此難以準確評估心室實際容積。sRT-3DE可在一個心動周期獲取心臟的三維立體容積數據，無須拼接，避免截短切面，測量無須幾何學假設，在線軟件自動測量左心室容積與射血分數[5-8]。

本研究結果顯示：sRT-3DE所測左心室容積和射血分數與MRI測值具有良好的相關性和一致性，均高于Simpson’s法，且sRT-3DE測量具有較高的觀察者間與觀察者內的重復性，與相關實驗和臨床試驗研究[9-13]結果一致。

心臟形態結構異常組sRT-3DE和Simpson’s法測值與MRI測值一致性均降低，且Simpson’s法降低更明顯，說明依賴幾何學假設測量的Simpson’s法測量心腔變形時準確性下降。本研究結果顯示，sRT-3DE采集和分析時間明顯短于Simpson’s法。

sRT-3DE具有超聲心動圖檢查優點：方便、快捷、無創傷、無輻射，可用于床旁檢查危急重病人、重復檢查隨訪、適用范圍廣。sRT-3DE可快速準確測量左心室容積和射血分數，準確性高于傳統Simpson’s法。對臨床心血管病病人心臟功能的及時評估和多次重復檢測具有重要意義。

sRT-3DE具有特定優勢，但仍有局限性：sRT-3DE可采集一個心動周期內完成心臟全容積，速度較快，無須拼接，因此受呼吸心搏運動影響小，尤其心律不齊病人[14]。由于采集幀頻偏低，本研究所用幀頻(8±2)容積/s，因此采集一幀容積數據時間(約125 ms)長于等容收縮或舒張時間，圖像時間分辨率較低，采集時可能漏掉容積最大和最小的左心室運動狀態[15]。sRT-3DE可全自動完成分析，用時(15.00±0.75)s，簡單省時。本研究中17例病人全自動分析滿意，其余需手動調節，尤其圖像質量差和心腔變形嚴重時候心內膜識別準確性差，手動調節相對費時，且一定程度上依賴于醫師主觀經驗；sRT-3DE圖像分析依賴于圖像質量。雖然本研究選取病人均為竇性心律，仍有部分病人心電圖識別標記的舒張末期和收縮末期不是左心室容積最大和最小狀態，需要手動調節，此現象在心律不齊病人中更嚴重。本研究結果顯示，心臟形態結構異常時，sRT-3DE測量左心室容積準確性有一定程度降低，且sRT-3DE法所測左心室容積略低于MRI測值，可能是由于sRT-3DE法對部分心內膜邊界尤其是向外突出或向內突入等不規則形室壁及乳頭肌和肌小梁難以識別，左心室流入道和流出道界面難以確定[16-19]。MRI采集時需要心律齊且較好的屏氣配合，分析時自動識別心內膜表面及對左心室流入道和流出道的界面判斷均不佳，需逐幀手動調節，具有一定的主觀性，因此對左心室容積測量存在誤差。

隨著科學技術進步，sRT-3DE可在時間和空間分辨力及分析技術等方面進一步提高，有望成為臨床評價心功能的常規工具。由于本研究樣本量有限，關于sRT-3DE的臨床適用性評價，仍需擴大樣本量進行深入廣泛研究。