应变及应变率显像技术在心血管疾病的应用进展

王  琴  杨  娅

首都医科大学附属北京安贞医院超声心动图一部

应变及应变率显像(strain rate imaging, SRI)是显示心肌形变特性的一种无创性超声心动图新技术。应变是在外力作用下物体的相对形变,心肌应变指心肌在心动周期中的变形,可用来评价局部心肌的收缩与舒张功能、血供情况及心肌活力等。1973年Mirsky和Pamley首先应用S和SR描述心肌机械运动。心肌应变率是指单位时间内心肌变形的速率,即心室壁的增厚率或伸长率,只与相对速度有关,由于牵拉和心脏的整体位移对同一节段心肌速度影响比较相似,两者之间速度差影响不大,所以理论上说应变率更能反映局部心肌的功能状态[1-2],是心肌纤维收缩性能的指标,单位是s-1。实时直接测量心肌的形变程度及其形变速率[3-4],定量评价心肌局部功能[5-6]。本文就应变及应变率显像技术在心血管疾病的应用进展作一综述。

一、应变及应变率显像的模式

目前应变及应变率显像技术主要有三种模式;组织多普勒应变、二维应变、三维应变。

1.组织多普勒应变(tissue Doppler imaging, TDI)  TDI技术通过抑制高频率、低振幅的血流信号而获得低频率、高振幅的心肌运动信号,并通过彩色编码和全视野显像,取得组织速度通过空间和瞬间过程中产生的所有参数。TDI可以在高帧频情况下提供实时的局部速度信息,使得测量更多节段的应变及应变率成为可能[7-8]。在定量组织速度成像技术上发展起来的应变及应变率,除具有超高帧频组织速度显像特点(帧频可达190帧/秒以上,时间分辨率可小于5 ms)外,该技术还有不受邻近组织牵拉及心脏旋转运动等影响的优势,是目前评价局部心肌功能的较好方法,尤其是在冠心病患者中的应用[7,9]。但这种技术受超声声束方向与室壁运动方向间夹角的影响,所以主要用于检测心肌长轴方向的运动,因而无法全面评价心肌的应变特征。

2.二维应变即二维斑点追踪成像(two dimension speckle tracking imaging, 2D-STI)  主要是通过对高帧频二维图像的斑点回声进行逐帧追踪,每一个被追踪的斑点回声大约由20~40个像素所组成,在整个心动周期中它们可以跟随周围的心肌组织一起运动从而发生位置的改变,那么相邻两个斑点回声间距离的相对改变则反映了局部心肌的收缩和舒张(即二维应变和应变率),通过运算重建心肌组织实时运动和变形,能定性和定量地显示心肌运动速度、应变、应变率、位移,该技术为研究心脏整体和局部力学运动提供了全新的定量手段。由于STI技术是定量测量应变及应变率,是建立在二维灰阶图像基础上的,无角度依赖性,帧频高,不受周围心肌的牵拉[10-12]和心脏整体运动干扰[13],有望在科研和临床中为评价心脏力学运动提供更客观、准确的信息。该技术从心肌纤维形变的角度提供了一种新的、定量评价心肌功能的方法[14-15]。为超声心动图在心血管疾病早期心肌病变的诊断方面提供了新技术[16-17]

3.三维应变即三维追踪成像(three speckle tracking imaging, 3D-STI)  是在心脏三维成像及2D-STI基础上发展起来的新技术,是STI的一次革新,其通过连续的的心脏全容积图像进行分析,追踪心肌声学斑点在三维空间内的运动轨迹计算心肌应变、应变率、旋转和扭转角度等,进而评价心脏整体及局部功能,弥补了2D-STI局限于只能在所扫描平面内追踪斑点的不足[18-19]

二、应变及应变率显像技术在心血管领域的应用

1.冠心病  在心脏的运动中,正常心肌节段的速度是由局部纤维的缩短和周围区域的牵拉共同产生。当局部心肌缺血时,可导致局部心肌的运动异常。STI通过追踪图像上感兴趣区(ROI)内小于入射超声波长的细小结构在心动周期中产生的散射斑点的位置和运动,从而反映整个ROI内各节段心肌的变形,因此可以更加敏感、准确地识别异常心肌节段运动。目前对冠心病患者左室缺血心肌功能的早期评价已经从二维向三维发展。Ternacle等[20]应用3D-STI评估缺血心肌应变。在一个全容积视图使用三维和二维(四腔心、两腔心、三腔心)图像,记录心肌梗死前壁运动异常。测量纵向、径向、圆周应变。得出结论3D-STI可以发现心肌缺血相关变形的变化。Maffessanti等[21]用2D-STI和3D-STI研究缺血性心脏病患者左心室局部功能障碍时发现,3D-STI得出的位移-时间曲线能识别出2D-STI不能检出的节段性室壁运动异常,显示出3D-STI评价左心室心肌局部功能的巨大优势。Altiok[22]也应用2D-STI评价心肌梗死后心肌局部及整体的功能。急性心肌梗死(acute myocardial infarction,AMI)后与心脏磁共振(cardiac magnetic resonance,CMR)比较,2D-STI能够预测整体功能恢复以及左心室重构。而预测透壁节段功能恢复2D-STI不如CMR,但可提高心内膜的变形分析。因此无论是2D-STI还是3D-STI目前对冠心病心肌病变的评价是一种可靠的新方法。

2.高血压  Liu等[23]应用应变和应变率成像和体积参数评价有或无糖尿病的高血压患者左心房功能。测量以下参数:左心房纵向峰值应变(LAS-S)、舒张早期心房纵向应变(LAS-E)和舒张末期心房纵向应变(LAS-A)、收缩期应变率(LASR-S)、舒张早期应变率(LASR-E)和舒张末期应变率(LASR-A)。得出2D-STI是一种评价高血压患者左心房各时相功能的敏感方法。林美燕等[24]应用2D-STI观察高血压不同左心室构型患者收缩期心肌各种方向上的应变和心室扭转。发现正常构型组和向心性重构组只出现左心室纵向应变降低,向心性肥厚和离心性肥厚各项应变指标无明显变化。Mizuguchi等[25]应用2D-STI对高血压左心室肥厚的患者心室扭转进行研究,发现高血压各构型组左心室扭转角度与对照组无明显差异。早期高血压患者左心室局部心肌收缩功能减低[26],尤其是以心内膜下心肌功能减低明显。这可能与血流动力学等发生异常有关,在高血压发生的早期,周围血管阻力增加,心脏压力负荷过重,刺激了心肌纤维蛋白合成:随着血管阻力增加,血管内膜组织和弹力纤维增生,管腔变窄,包括冠状动脉亦出现硬化,造成局部心肌供血的缺乏,导致节段心肌的形变能力减弱。而随着病程延长,心肌细胞生长与冠脉阻力血管不合比例加剧了心肌微循环的紊乱,造成心肌灌流不足,收缩蛋白脱失和间质的进一步纤维化[27]。左心室质量的增加,亦加大了心肌耗氧量,加剧了肥厚心肌的供血不足,导致局部心肌收缩功能进一步下降。

3.糖尿病  Roos[28]应用2D-STI随访112例左心室射血分数正常的2型糖尿病患者,检测无症状的2型糖尿病患者圆周应变(CS)[(-19.7±4.0)% vs (-18.9±3.8)%,P<0.001],纵向应变(LS)[(-17.2±2.3)% vs (16.9±2.7)%,P=0.022]和舒张早期应变率(SRE)[(1.02±0.28)s-1 vs (0.94±0.25)s-1P<0.001]。发现CS、LS、SRAE均减低,在调整了左心室质量指数的变化后,只剩下CS和SR E的变化显著(P<0.001,P=0.013)。因而得出无症状的2型糖尿病患者存在轻度亚临床的进展左室功能降低。这些轻微变化将会影响未来预后的评估。Zoroufian[29]使用二维斑点追踪超声心动图(2D-STI)评估糖尿病患左心室亚临床心脏收缩功能障碍和早期左心室纵向应变或收缩同步的变化。发现在有正常冠状动脉和射血分数的糖尿病患者中,节段性和整体收缩期纵向应变降低。这些结果表明2D-STI可以检查出糖尿病早期收缩功能的变化。有研究[30]应用二维应变率成像评价不同病程糖尿病患者的左心舒张功能,结果显示糖尿病患者的舒张期心肌峰值应变率均下降,并随着病程的增长,心肌受损越明显。提示二维应变成像可早期预测糖尿病心肌舒张功能的受损。糖尿病是由于胰岛素分泌绝对或相对不足所引起的内分泌代谢障碍性疾病。它会造成心肌结构的改变,肌丝蛋白数量减少,线粒体肿胀及心肌内微血管病变。在心肌损害的早期,血红蛋白糖化后氧解离能力下降,心肌不同程度的缺氧,从而使患者心肌局部收缩功能受到损害[31-32]。而纵向心肌舒缩的活动对维持心脏功能正常又起着重要的作用[33],其主要危害是心脏的不良重构,这种重构的病理生理过程必然导致靶器官结构与功能改变,其心血管事件发生率也会明显升高。

4.心肌病  熊润青等应用组织多普勒应变评价肥厚性心肌病局部心肌功能,研究发现肥厚性心肌病组较对照组各节段应变均降低,室间隔中段应变最低,且室间隔中段应变与室间隔厚度相关(=0.83),得出肥厚性心肌病各阶段均有收缩功能降低,且肥厚节段最明显,应变率显像技术可对其进行准确评价。Urbano-Moral[34]应用3D-STI研究肥厚性心肌病患者肥厚心肌功能,得出在肥厚性心肌病患者中肥大和纤维化是导致局部心肌缩短损伤的原因。肥大的程度是决定整体心肌力学改变的主要因素。圆周心肌缩短似乎直接参与保护肥厚性心肌病的左心室收缩性能。杨行安等[35]应用二维应变评价肥厚性心肌病左心室纵向心肌应变及应变率,发现肥厚性心肌病患者较对照组左心室整体纵向应变及应变率明显降低,达峰时间延长,左心房收缩期整体纵向应变增大(但无统计学意义),得出二维应变是一种更准确评价肥厚性心肌病的左心室功能的定量分析工具。汤冬梅等[36]也应用应变率成像技术评价扩张性心肌病左心室功能,发现扩张性心肌病各室壁的收缩期最大峰值应变率、舒张早期最大峰值应变率、舒张晚期最大峰值应变率较对照组在前壁、侧壁、前间隔、后间隔、下壁、后壁均明显降低,得出二维应变为准确评价扩张性心肌病左心室功能提供了新方法。

5.代谢综合征  Tadic等[37]应用2D-STI评价代谢综合征患者左心室力学特征。发现代谢综合征组整体纵向和周向应变明显降低,而径向应变、扭转角度与对照组相似、左心室解旋显著增加。代谢综合征危险因素的多变量分析表明,24 h平均血压、腰围和空腹血糖水平分别与纵向和周向心肌应变和左心室解旋率有关。中央型肥胖是代谢综合征的一个重要的潜在病理生理因素,其可能的机制[38-41]是与炎症的不同病理生理的作用、胰岛素抵抗及脂肪因子[42-43]有关。其他的研究也表明,内脏肥胖与舒张功能不全有关,影响可能是由肥胖引起的促炎状态和(或)通过抑制脂联素的表达。有报道[44]早期就有舒张功能的减退,到达一定程度可能会引起心肌病变,患者的心肌及心功能受损将可能导致生活质量明显下降。应变率成像技术可以很好地评价代谢综合征患者左心室早期心肌功能的改变。

三、技术的局限性

超声斑点追踪成像要求有清晰的二维图像,在肺气肿、肥胖等二维图像欠清晰的患者,成像的准确性受到限制。因受扫查宽度影响,存在心尖部室壁瘤及心室显著扩张的患者无法完成该检测。此外帧频有待进一步增大,较低的帧频,亦造成追踪斑点的丢失,影响评价的准确性。

四、结论

左心室的射血分数不能够探查心肌功能。在过去的十年中,超声斑点追踪成像已经成为临床研究局部及整体心肌功能的新的诊断工具[45]。其最主要的优点是无创性定量评价局部心肌功能,可于整体功能改变前先发现节段功能异常。相对于传统的测量局部心肌功能有较好的敏感性,它可以提供心肌纵向、径向及轴向三个方向的应变及心室扭转等多项力学参数。相信随着超声成像技术和计算机技术的不断发展,为心血管疾病的基础研究、临床诊断及治疗效果评价等提供一种全新的手段,具有广阔的应用前景。

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