心電成像技術臨床應用展望

婁洋 周鑫斌 毛威

《中國心血管健康與疾病報告2020》指出，中國心血管病患病率處于持續上升階段，心血管疾病死亡率仍居首位，每5 例死亡患者中2 例死于心血管疾病[1]。自1887年英國科學家沃克記錄第一張心電圖以來，心電圖用于非侵入性分析和評估各類心血管疾病已逾百年，目前已成為臨床診治工作中最重要，應用最廣泛的技術之一[2]。但心電圖存在不少固有缺陷，如心電圖所提供的心臟信息空間分辨率精度不高[3]，特別是對于例如房室旁路、室性期前收縮/室性心動過速（下稱室速）等無法精確定位。心電圖對于心臟再同步化治療（cardiac resynchronization therapy，CRT）后反應性以及心電同步性的評估也嚴重受限。因此，對于心律失常的明確診斷、評估及治療，常常需要侵入性的腔內心電標測手段，而這些手段在增加風險的同時，對于心房顫動（下稱房顫）等復雜心律失常的電生理機制明確仍有不少局限性[4]。新興的心電成像技術（electrocardiographic imaging，ECGI）有效彌補了傳統心電標測以及侵入性標測的不足，特別是針對一些復雜類型心律失常，ECGI 可通過結合多導聯體表心電信息以及心臟—軀干仿真解剖模型，逆向性重建出三維可視化的心臟電活動模型，從而提供精確性的心律失常機制特征分析，為這類疾病診治提供指導[5-6]。本文對ECGI 的臨床應用進展作一述評。

1 ECGI 概述

ECGI 也被稱為心電標測技術，是通過結合多導聯（可多達252 電極）體表心電信息及心臟—軀干解剖信息，經數學計算，逆向性重建出心臟1 000 多個位點的單極電圖，構建心臟三維仿真模型上各個位置的電生理活動的時空動態信息，非侵入性地記錄并構建心電激動模式、激動序列等時線及復極化心電模式等，可有效彌補常規心電檢查對于復雜心律失常標測的局限性。ECGI 具有無創性、高分辨性、連續標測性等特點，甚至可以在1 次心搏周期內重建出整個心臟的激動信息，為心律失常的臨床評估診治以及復雜性心律失常電生理機制研究提供了更具優勢的標測手段[5-6]。

2 ECGI 的臨床應用

自1977年ECGI 技術的概念誕生以來，經過40多年的技術革新，其心電成像算法及重建技術已趨于成熟。既往不少研究將該技術應用于不同類型實驗動物，探索了其不同生理及病理狀態下的電生理特點，積累了較多證據，同時也促進了其理論技術的不斷發展。目前國內外已有40 余項臨床研究，充分評價了ECGI 作為診斷工具在不同類型心律失常，如房性心律失常、室性心律失常等診治中的作用及實際臨床使用價值[7]。

2.1 室性心律失常 室性期前收縮以及非持續性室速等是臨床常見的心律失常類型，其臨床表現差異很大，可以毫無癥狀，也可引起血流動力學障礙甚至引發心臟性猝死，同時頻發室性心律失常可導致左心功能不全及擴張型心肌病[8]。明確潛在的結構性心臟病、室性心律失常的起源位置及具體發病機制對制定有效治療方案至關重要。如前所述，心電圖檢查因其心電標測精確性不高等固有缺陷，在標測室性心律失常機制以及定位心律失常起源灶等方面受限嚴重，心電標測特異度和靈敏度都有所限制[9]。ECGI 在室性心律失常標測方面展現出了較高的精確性及有效性，尤其在室性期前收縮、室速等疾病基礎研究及臨床驗證中。國內外有不少臨床研究聚焦于ECGI 在室性心律失常基質研究、起源灶定位以及指導心律失常射頻導管消融（下稱消融）治療，做了諸多探索性工作[4]。

目前針對室性期前收縮/ 室速的藥物治療證據相對不足，且藥物治療效果因人而異，部分室性期前收縮/ 室速十分頑固，伴有明顯的臨床癥狀。近年來發展迅速的消融治療對于癥狀性室性期前收縮/ 室速充分顯示出其有效性及安全可靠性。但這一侵入性檢查及腔內標測方案也存在局限性，如術中起搏標測空間分辨率低、依賴于術中持續的自發性期前收縮或短陣室速用于起源灶定位等等，致使侵入性電生理檢查以及手術時間較長。ECGI 通過無創性標測，可以為術者在術前提供較為精確的心律失常起源位置，對于制定手術方案及術前評估風險等有重要意義[9]。如Jamil-Copley 等[10]使用ECGI 技術定位室性期前收縮起源部位，結果顯示其成功率為96%，而相對比的心電圖組定位準確率僅為37%～58%。Erkapic 等[11]采用隨機對照研究方案進一步比較了ECGI 與侵入性標測系統標測準確性，結果顯示ECGI 識別室性心律失常起源心腔及具體起源位置準確性達到95.2%，而使用心電圖診斷的準確性僅為76.2%，同時利用ECGI 指導消融有助于減少手術時間及放電次數。類似的，本團隊在既往研究中基于27 例室性期前收縮/ 室速患者比較了ECGI 與心電圖定位起源位置準確性，結果顯示ECGI 定位精確性顯著高于心電圖方案（95.5%比59.15%）[12]。

在室速標測方面，超過90%的持續性單形性室速多是由于心肌梗死后心室瘢痕區域幸存組織的折返引起[13]。消融也是目前改變瘢痕基質，治療室速的重要方法，如消融阻斷瘢痕組織內室速電傳導回路等，但對于大多數室速患者來說，即使血流動力學穩定，瘢痕的標測也存在不少困難[13]。借助ECGI 工具，可以為患者室速的機制明確及方案制定提供指導。如Cuculich 等[14]研究發現室速相關瘢痕在ECGI 上可表現為低電壓、碎裂電位以及電位延遲等特點，借此可準確地將心電異常“瘢痕”區在解剖模型上標記，其靈敏度為89%，特異度85%。同時Wang 等[13]研究發現，ECGI 可通過識別心肌瘢痕及心電信號異常區域，實現對室速相關瘢痕的精確定位。

類似的，有學者基于ECGI 研究心室顫動（下稱室顫）時“震顫中心”或室顫觸發點，探索了ECGI 技術用于研究室顫的異常基質標測的可行性。如Haissaguerre 等[15]研究了24 例特發性室顫幸存患者，發現近2/3 的特發性室顫患者具有亞臨床的局部電生理基質結構改變。Frontera 等[16]也提出了室顫異常基質的驗證，并探索了這些關鍵部位消融的可行性。ECGI 的出現為室速、室顫等基質標測提供了新的無創手段。對于室性期前收縮等患者，ECGI 能夠在術前無創性、高精確性定位起源位置，對于提高其射頻消融手術的有效性及安全性大有裨益。

2.2 房性心律失常 不少研究顯示，ECGI 對于房性心律失常的局灶起源點的標測亦或是房性心動過速（下稱房速）的折返機制研究同樣具有較高精確度，與腔內心電標測結果也有很好的相關性[17]。如Shah 等[17]基于ECGI 標測房速時大折返環機制以及精確定位局灶房速起源灶；Wang 等[18]定位肺靜脈隔離術后房速的最早起源點；以及Cakulev 等[6]基于ECGI 明確了峽部依賴性和非峽部依賴性心房撲動的不同特點及關鍵峽部位置。上述證據顯示實時標測的ECGI 在房速等基質研究及起源定位中的作用，特別是對于某些不持續、難易誘發、發作次數少的房性期前收縮及房速，ECGI 甚至可以在1 個心動周期內完成標測。

房顫是臨床上最常見的心律失常之一，基于肺靜脈電隔離的消融策略是房顫消融治療的基石，但其長期成功率仍并不理想，究其原因是房顫根本的電生理機制并不明確，并且經驗性的消融也存在很強的致心律失常作用，目前尚缺乏理想的心電標測手段[19]。ECGI 技術的出現為房顫的全局標測帶來了希望，其非侵入性、可持續性、高密度且左右心房可同步全局標測的特點解決了傳統標測方法的不足，是其電生理機制研究的強有力的武器。Cuculich 等[20]探究了26 例患者房顫的機制，并展現了房顫電激動的復雜性。房顫驅動子中有局灶及折返小波活動的存在，同時研究發現房顫的復雜程度與房顫持續時間以及房顫類型相關。Haissaguerre 等[21]團隊研究了103 例持續性房顫患者心電活動特點，表明局灶電活動和折返活動是房顫的主要機制。同時有研究也顯示，房顫的復雜性隨其持續時間的增加而增加，隨著陣發性房顫變為持續性房顫，驅動子可彌漫分布至雙側心房；折返驅動子大多位于肺靜脈口及其周圍結構[22]。Cochet 等[5]研究描述了心外膜上的轉子活動特點并準確檢測了其軌跡的核心位置。上述研究結果也在本團隊近期相關研究中得以證實。ECGI 的出現不僅為房顫機制標測提供了更加優化的無創工具，也讓臨床對房顫發生、發展及維持機制有了更加深入的認識。更重要的是，通過ECGI 辨別房顫患者電生理機制特點及復雜程度，有助于房顫患者危險分層、篩選合適消融治療的患者并且指導個體化的基于電生理機制的射頻消融策略，進一步提高其成功率。

2.3 CRT 作為心力衰竭非藥物治療的組成部分，CRT 是對射血分數降低型心力衰竭的有效干預，可改善其心力衰竭癥狀、提高生活質量及生存率[23]。然而多項研究表明，臨床上仍有30%左右的患者表現為CTR 無應答[24]，對心臟電活動不同步程度的模糊識別及判斷，可能是引起CRT 成功率較低的主要原因[25]。

通過QRS 波群持續時間可評估心室激動同步化程度，然而窄QRS 波群也可存在明顯心室不同步收縮，甚至部分患者對CRT 應答效果優于寬QRS波群患者，而心電圖無法區別上述患者，對于心臟局部區域內或者不同區域之間的激動關系亦無法評估。ECGI 則可通過評估局部及整體激動時間的空間離散度，評估心室同步化程度。如Silva 等[26]借助ECGI 研究患者心電活動不同步化參數，發現CRT響應的患者參數值明顯低于無響應患者，基于數據可有效評估哪些患者將從CRT 中受益。Revishvili等[27]及Ploux 等[28]進一步引入心室電解耦（ventricular electrical uncoupling，VEU）的概念，并研究發現通過VEU 評估CRT 植入指征有著極高的靈敏度與特異度，可以更有效地篩選適合CRT 植入的患者。

ECGI 的另一大優勢是可通過無創性標測，明確局部的電生理基質信息，確定最遲激動區域位置及其基質特點，提供更多細節信息，從而引導心室導線的放置[29]，使得每例患者均能獲得最適合導線放置位置及最有效的設備編程，充分實現了患者個性化方案制定，有助于提高CRT 響應率[30]。

2.4 其他心律失常 除了房性及室性心律失常，國內外不少研究者也將ECGI 用于其他及特殊類型心律失常的電生理機制分析及評估，如Vijayakumar等[31]利用ECGI 標測長QT 綜合征（long QT syndrome，LQTS）患者電生理基質特點，發現LQTS 中電生理基質的特征之一是心室心外膜復極離散度增加以及局部動作電位時程延長。該結果進一步支持折返理論作為LQTS 的主要機制，提示ECGI 可用于該類患者風險評估及危險分層。同時對于Brugada 綜合征（brugada syndrome,BrS），研究顯示BrS 患者在ECGI中可顯示出特征性電生理學異常如異常傳導及復極化共存等[32]。Zhang 等[33]研究發現ECGI 還可基于上述電生理基質異常區分具有相似體表心電圖的BrS患者和非BrS 右束支傳導阻滯患者，對于患者的診治及預后判斷具有重要價值。

臨床方面，研究者將ECGI 用于預激綜合征旁路定位，如Cakulev 等[34]及Berger 等[35]利用ECGI 準確地預測心室預激旁路部位，并且經腔內心電標測得到驗證。對于早期復極綜合征（early repolarization syndrome，ERS）患者，Nademanee 等[36-37]借助ECGI的高密度雙心室心內膜和心外膜標測，實現了對該類患者早期復極模式起源的精確定位，并給予消融治療，在中位隨訪37 個月后，發現消融阻止了81%的ERS 患者復發[22]，展現了ECGI 在一些傳統標測無法明確的特殊類型心律失常患者中的臨床價值。

3 ECGI 存在的缺陷及技術進展

自1977年ECGI 技術首次提出以來，從基礎算法研究到大型動物模型研究，以及目前廣泛開展的臨床研究，ECGI 技術更新及研究進展的步伐從未停止[22]。盡管如此，ECGI 技術的推廣及應用仍存在眾多難點。其中最重要是ECGI 重建中，體表心電逆向投射至心臟的逆向重建算法的構建。目前大多數逆向重建算法將心臟軀干視作均質容積導體，其假設人體是均勻而同向性的，胸廓表面電位僅取決于胸廓和心外膜表面的幾何形狀及他們之間的幾何關系[38]。然而真實人體心臟軀干模型受到內臟、脂肪、肌肉等復雜因素影響，這也直接導致ECGI 心電逆向重建算法的病態特性[39]。

當然隨著目前ECGI 的不斷研發迭代，這一誤差正逐步縮小。如Bacoyannis 等[40]將人工智能與ECGI 相結合，開發出β-CVAE 系統，進一步提高了成像準確性。本研究團隊既往研究提出的逆向重建算法也展現出較高重建精確性[39]。另一方面，ECGI目前大多聚焦于心外膜電位的反演重建，因受心肌厚度、瘢痕等影響，心外膜與心內膜激動往往存在差異，也導致某些特殊類型心律失常的標測不準確性，依賴于腔內的心電標測。更重要的是，ECGI 采集、重建、分析等過程較為復雜，需要團隊協作參與，而不同國家、不同團隊間使用的采集設備、體表電極數量、模型重建算法及心電反演算法等均存在差異。盡管2014年成立的心電成像聯盟提出了ECGI 研究的國際統一標準和框架，但目前不同研究間結果仍存在難以比較及驗證的情況，一定程度上限制了其結果的臨床推廣應用[41]。國內外已經進行或進行中的40 余項ECGI 臨床研究，大多數為小樣本臨床人體試驗，其研究結果仍需更多大型的多中心臨床隨機對照研究來加以證實及推廣應用。

從近幾年發展趨勢看，隨著ECGI 心電成像算法以及重建技術趨于成熟，其臨床試驗的同質性及質量也不斷提高，因此ECGI 技術在心血管疾病診治領域的基礎研究及臨床中的應用仍有很大提升空間，如針對不同類型心律失常風險評估及分層、用于房顫左心房功能評價、構建基于ECGI 心房基質特點的房顫復發及預后評分體系等，并且有望利用ECGI 制定個體特異度的、基于心律失常基質特點的導管消融策略，以輔助或指導復雜心律失常的臨床治療。上述研究結果的問世，也有望突破目前在如房顫等復雜性心律失常診治中的一系列技術瓶頸問題，為其臨床干預及研究提供新技術、新方案。

4 總結及展望

ECGI 作為一種非侵入性心電標測技術，具有無創性、高分辨性、連續標測性等特點，有效彌補了12導聯心電圖以及侵入性心電生理檢查不足。盡管目前ECGI 系統及算法存在一定的缺陷，但是隨著時代的發展以及各類研究的不斷深入，這些缺陷終將逐漸完善。國內外越來越多臨床證據表明，ECGI 在探究包括房性、室性等各類心律失常的發生機制以及指導臨床治療方面的巨大作用，有助于實現患者個性化的、基于電生理機制特點的治療方案，從而提高診治效果，在未來的臨床及科研過程中均有著巨大的應用前景。