曲俊樸 綜述陳瑤 陳明 審校

1.內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)病理生理學(xué)教研室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010059；2.內(nèi)蒙古鄂爾多斯市中心醫(yī)院超聲科，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；3.同濟(jì)大學(xué)附屬東方醫(yī)院心臟醫(yī)學(xué)部，上海 200120

超聲醫(yī)學(xué)已走過(guò)50個(gè)年頭，在這半個(gè)多世紀(jì)里從儀器到相應(yīng)的軟件都得到了極大的發(fā)展，對(duì)心肌運(yùn)動(dòng)的分析也成為其發(fā)展的重中之重。超聲心動(dòng)圖（echocardiography）是最常見(jiàn)的評(píng)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(biāo)準(zhǔn)。到目前為止，根據(jù)美國(guó)超聲心動(dòng)圖學(xué)會(huì)的建議，室壁運(yùn)動(dòng)和增厚的目測(cè)方法仍然是評(píng)價(jià)左室力學(xué)的最主要方法，但只可作出一個(gè)心肌功能的主觀評(píng)價(jià)且需長(zhǎng)期訓(xùn)練。受制于臨床工作時(shí)間長(zhǎng)短及技術(shù)水平本身，不同的醫(yī)師對(duì)同一患者作出的判定也不同，對(duì)室壁厚度測(cè)量及對(duì)室壁運(yùn)動(dòng)程度減低判斷不一致，甚至在左室射血分?jǐn)?shù)（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(shì)在必行。眾多的分析手段如組織多普勒、解剖M型超聲、斑點(diǎn)追蹤技術(shù)（包括速度向量成像技術(shù)、二維及三維斑點(diǎn)追蹤技術(shù)）等新興技術(shù)相繼應(yīng)運(yùn)而生。

在對(duì)室壁運(yùn)動(dòng)的分析中，為減少因年資、技術(shù)水平等對(duì)主觀判斷的制約，一些生物力學(xué)參數(shù)被引入超聲分析中，試圖以定量數(shù)值來(lái)區(qū)分室壁運(yùn)動(dòng)異常的程度。應(yīng)變作為反映心肌材料力學(xué)的參數(shù)被較早引入分析中，并在斑點(diǎn)追蹤技術(shù)中得以廣泛應(yīng)用。然而這些方法不足導(dǎo)致的錯(cuò)誤使其分析結(jié)果不能被臨床接受，至今超聲醫(yī)師的主觀判斷仍是診斷心肌運(yùn)動(dòng)異常的最重要方法，未能被任何一種技術(shù)所取代。

在心肌運(yùn)動(dòng)中，主動(dòng)收縮即心肌細(xì)胞的主動(dòng)性興奮-收縮耦聯(lián)占主導(dǎo)地位，被廣泛接受。作為心肌被動(dòng)生物力學(xué)的反映，心肌及心肌細(xì)胞的固有屬性——黏彈性卻常常被忽視。順應(yīng)性是心肌組織和心肌細(xì)胞黏彈性的具體表現(xiàn)，分為順應(yīng)與弛張。順應(yīng)由心肌組織及心肌細(xì)胞的彈性成分即彈性勁度所決定，影響產(chǎn)生應(yīng)力的大小即影響形變發(fā)生的程度；弛張由黏性成分即黏性勁度決定，影響應(yīng)力、應(yīng)變發(fā)生變化的過(guò)程，也就是影響心肌組織及心肌細(xì)胞發(fā)生形變的速度。應(yīng)變與應(yīng)變率是黏彈性在數(shù)學(xué)上的一種反映。

應(yīng)變的定義為物體在外力作用下其中任意兩質(zhì)點(diǎn)間的距離發(fā)生的相對(duì)變化，反映了一種相對(duì)的形變，而造成這種形變過(guò)程的每一個(gè)力均有其對(duì)應(yīng)的應(yīng)變。應(yīng)變?yōu)橐粺o(wú)單位的純數(shù)，在心肌運(yùn)動(dòng)中以舒張方向定義為正方向，為正數(shù)；以收縮方向定義為負(fù)向，為負(fù)數(shù)。

斑點(diǎn)追蹤技術(shù)雖非第一個(gè)將應(yīng)變作為分析指標(biāo)的技術(shù)，但應(yīng)變因斑點(diǎn)追蹤技術(shù)而得到了更多關(guān)注。用應(yīng)變反映心肌運(yùn)動(dòng)的異常無(wú)疑是一種天才的設(shè)想，其本身也具有劃時(shí)代的意義，意味著對(duì)心肌運(yùn)動(dòng)的分析從肉眼觀察上升到對(duì)心肌的生物力學(xué)分析?，F(xiàn)就心臟的生物學(xué)特點(diǎn)以及斑點(diǎn)追蹤技術(shù)原理作一總結(jié)。

1 心室肌帶學(xué)說(shuō)

心肌纖維呈螺旋狀排列，大致可分為內(nèi)縱、中環(huán)和外斜3層。心內(nèi)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(shí)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)。Torrent-Guasp等[2]認(rèn)為，心室肌纖維的空間結(jié)構(gòu)為一條肌肉帶，即心室肌帶。心室肌帶理論認(rèn)為心臟可視為由一根肌纖維束螺旋纏繞而成，包含基底環(huán)(basal loop, BL)和心尖環(huán)（apical loop，AL）。兩者走向相反，心內(nèi)膜與心外膜肌纖維走向相反。左室心肌運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)復(fù)雜的空間三維運(yùn)動(dòng)?；篆h(huán)起于肺動(dòng)脈，心尖環(huán)止于主動(dòng)脈。基底環(huán)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(gè)心室螺旋，形成心尖螺旋的的降段和升段。在心動(dòng)周期中，基底環(huán)變窄、降段縮短、升段延長(zhǎng)、心臟變寬均參與了心室的射血和充盈。

心肌運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)表現(xiàn)為：跳動(dòng)的心臟包括縱向運(yùn)動(dòng)(縮短和延長(zhǎng)運(yùn)動(dòng))及橫向運(yùn)動(dòng)(縮窄和增寬)，特點(diǎn)可通過(guò)超聲心動(dòng)圖及MRI觀察。運(yùn)動(dòng)按如下順序進(jìn)行：①基底環(huán)收縮所致的縮窄運(yùn)動(dòng)，表現(xiàn)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(yùn)動(dòng)，表現(xiàn)為心臟長(zhǎng)軸長(zhǎng)度縮短。③在降段收縮停止后發(fā)生的升段收縮出現(xiàn)心臟長(zhǎng)軸的長(zhǎng)度變長(zhǎng)，此即為心臟的延長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)。④在心室快速充盈及舒張期心室緩慢的伸展過(guò)程中發(fā)生的心室壁展開(kāi)，基底橫徑增加。這種收縮順序的發(fā)生需收縮波沿著心肌帶的4個(gè)階段連續(xù)發(fā)生。發(fā)生的順序?yàn)榛锥问湛s變窄，心尖環(huán)降段和升段變短，然后是升段延長(zhǎng)，最后是整個(gè)心室增寬。整個(gè)心臟機(jī)械活動(dòng)的順序?yàn)榛篆h(huán)（由右室至左室）→心尖環(huán)（從降段至升段）；或從右到左，從降段至升段[3]。

心肌帶的特點(diǎn)使心臟的運(yùn)動(dòng)為空間上的運(yùn)動(dòng)，可簡(jiǎn)單分為3個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)：①縱向（longitudinal）運(yùn)動(dòng)：收縮時(shí)，在長(zhǎng)軸方向上二尖瓣環(huán)向心尖方向運(yùn)動(dòng)，心肌纖維縱向縮短；②徑向（radial）運(yùn)動(dòng)：收縮時(shí)，左室壁呈向心運(yùn)動(dòng)，室壁增厚；③環(huán)向（circumferential）運(yùn)動(dòng)：收縮時(shí)，左室圓周運(yùn)動(dòng)致使環(huán)向心肌縮短[4]。

由于3個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)所致空間上的合運(yùn)動(dòng)呈螺旋形，表現(xiàn)為左室心底部和心尖部在收縮期呈反方向旋轉(zhuǎn)，形成“擰毛巾”樣運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)與扭轉(zhuǎn)。

2 斑點(diǎn)追蹤的基礎(chǔ)

斑點(diǎn)也稱(chēng)為散斑，是因體內(nèi)大量直徑小于入射波波長(zhǎng)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(dāng)散射波的波峰與波峰交匯時(shí)，因相長(zhǎng)增益使之呈現(xiàn)出強(qiáng)回聲斑紋；而當(dāng)散射波的波峰與波谷交匯時(shí)，則因相消使其呈現(xiàn)出低暗色斑紋。因此，斑點(diǎn)的成因可視同于在一取樣容積內(nèi)諸多散射子散射超聲聲束信號(hào)所產(chǎn)生的干涉，并形成隨機(jī)分布的強(qiáng)弱不等的回聲效果[5]。

在人體內(nèi)，紅細(xì)胞為最主要的散射體之一。廣泛存在于心肌與心腔內(nèi)的眾多紅細(xì)胞與其他微小粒子分別散射入射波后，大量無(wú)規(guī)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(gè)像素的亮斑，即為斑點(diǎn)[6]。

因人體內(nèi)不同組織、不同器官之間散射體的分布不一致，導(dǎo)致不同組分有分別與其相對(duì)應(yīng)的斑點(diǎn)。在同一組分內(nèi)，因散射體數(shù)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(diǎn)即便在同一組分內(nèi)也不相同。因此，斑點(diǎn)具有唯一性[7]。

在很短的時(shí)間間隔內(nèi)，心肌可被認(rèn)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(diǎn)與斑點(diǎn)之間的相對(duì)位置保持不變，此為斑點(diǎn)的穩(wěn)定性。

斑點(diǎn)的唯一性與穩(wěn)定性是斑點(diǎn)追蹤技術(shù)的基礎(chǔ)，由于這些聲學(xué)斑點(diǎn)穩(wěn)定且唯一分布于心肌內(nèi)，其運(yùn)動(dòng)與組織運(yùn)動(dòng)同步，且相鄰兩幀之間形態(tài)無(wú)明顯差異[8]。根據(jù)公式計(jì)算可得出，在30 Hz的幀頻下，相鄰兩幀之間斑點(diǎn)的位移不超過(guò)5個(gè)像素，使對(duì)斑點(diǎn)移動(dòng)的追蹤成為可能[9]。

斑點(diǎn)追蹤的本質(zhì)是一種基于邊界識(shí)別技術(shù)及數(shù)學(xué)有限元思想而產(chǎn)生的利用二維灰階超聲圖像上的特定回聲像素斑點(diǎn)進(jìn)行的一種追蹤，不受角度影響，為一種先進(jìn)的心肌運(yùn)動(dòng)追蹤方式，但其追蹤效果受二維超聲心動(dòng)圖質(zhì)量及幀頻影響較大[10]。斑點(diǎn)追蹤有賴(lài)于對(duì)斑點(diǎn)形狀的追蹤，準(zhǔn)確定位心肌結(jié)構(gòu)及心肌回聲像素斑點(diǎn)本身的邊界可使斑點(diǎn)追蹤更準(zhǔn)確。

心臟是一個(gè)空間上的幾何體，形狀并不規(guī)整，因此很難用一般方法來(lái)構(gòu)建心臟模型。斑點(diǎn)追蹤多采用有限元方法，將心肌解離為若干節(jié)段，并將每一個(gè)節(jié)段解離成更多的區(qū)塊。應(yīng)用區(qū)塊匹配法，在相鄰兩幀間尋找與上一幀區(qū)塊形狀及其內(nèi)斑點(diǎn)最為匹配的區(qū)塊，并以此作為斑點(diǎn)追蹤最核心的思維。將所有被連續(xù)追蹤到的區(qū)塊整合可得到整個(gè)心肌的移動(dòng)情況，確定心肌位置及其長(zhǎng)度變化，由此可得到應(yīng)變、應(yīng)變率、扭轉(zhuǎn)等一系列心肌生物力學(xué)參數(shù)，從而反映心肌生物力學(xué)屬性。

3 二維斑點(diǎn)追蹤技術(shù)

3.1 二維斑點(diǎn)追蹤技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

二維斑點(diǎn)追蹤技術(shù)是基于二維灰階超聲圖像進(jìn)行的一種斑點(diǎn)追蹤，為一種新型的無(wú)創(chuàng)檢查手段。與組織多普勒不同，其無(wú)角度限制，亦無(wú)需角度校正，可進(jìn)行多切面追蹤，可更好地反映心肌的運(yùn)動(dòng)情況。

二維斑點(diǎn)追蹤技術(shù)有賴(lài)于幀頻的提高[9]，然而幀頻與圖像的分辨率存在動(dòng)態(tài)平衡，一味提高幀頻則會(huì)降低圖像分辨率，進(jìn)而對(duì)斑點(diǎn)追蹤的準(zhǔn)確性形成負(fù)反饋。如何把握好幀頻是斑點(diǎn)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(diǎn)追蹤技術(shù)的不足

首先，據(jù)心室肌帶理論可知，心臟的運(yùn)動(dòng)為空間范圍中的運(yùn)動(dòng)，而非單一平面上的運(yùn)動(dòng)，因此以二維平面的追蹤來(lái)反映心臟三維空間的運(yùn)動(dòng)是不完整的，據(jù)此會(huì)產(chǎn)生一系列的追蹤脫失，乃至斑點(diǎn)“莫名其妙”地飛出平面。

4 三維斑點(diǎn)追蹤技術(shù)

4.1 三維斑點(diǎn)追蹤技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

三維斑點(diǎn)追蹤技術(shù)為近年來(lái)研發(fā)的超聲新技術(shù)，為三維超聲心動(dòng)圖技術(shù)與斑點(diǎn)追蹤技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，在心臟病評(píng)估和研究方面具有許多優(yōu)點(diǎn)，因而出現(xiàn)被許多超聲心動(dòng)圖實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用于日常臨床檢查。

三維斑點(diǎn)追蹤技術(shù)是基于實(shí)時(shí)全容積掃描的基礎(chǔ)，以有限元的思想，在90°×90°范圍金字塔形實(shí)時(shí)心臟全容積灰階圖像中，將心肌整體區(qū)域的回聲離散為若干個(gè)大小約10 mm×10 mm×10 mm的心肌回聲斑點(diǎn)，通過(guò)在空間上構(gòu)建容積數(shù)據(jù)庫(kù)，并以心肌像素斑點(diǎn)為單位在三維空間上進(jìn)行追蹤[12]，可獲得斑點(diǎn)運(yùn)動(dòng)位移情況；另外通過(guò)將不同范圍內(nèi)相鄰的斑點(diǎn)在節(jié)點(diǎn)處連接起來(lái)組成斑點(diǎn)的集合體為求解節(jié)段，可提供心肌的三維圖像，從而在極短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)心肌功能的全面評(píng)估。

三維斑點(diǎn)追蹤技術(shù)是在一個(gè)相對(duì)較低的幀頻下于全容積狀態(tài)進(jìn)行的追蹤，評(píng)估的是三維空間內(nèi)的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)，是一種三維技術(shù)。其特點(diǎn)在于僅利用一個(gè)數(shù)據(jù)集即可完整表達(dá)整個(gè)心肌運(yùn)動(dòng)的追蹤結(jié)果，并可評(píng)價(jià)心肌在一個(gè)心動(dòng)周期內(nèi)各個(gè)方向的應(yīng)變及其所對(duì)應(yīng)的達(dá)峰時(shí)間，從而較好地評(píng)價(jià)心肌節(jié)段運(yùn)動(dòng)的同步性[13]。

二維斑點(diǎn)追蹤技術(shù)的準(zhǔn)確性有賴(lài)于較高的幀頻，主要原因之一是像素斑點(diǎn)在平面內(nèi)移動(dòng)。較高的幀頻可連續(xù)追蹤斑點(diǎn)的移動(dòng)。當(dāng)使用低幀頻時(shí)，斑點(diǎn)在兩幀之間無(wú)法連續(xù)，并在下一幀完全脫離平面，從而無(wú)法追蹤。相對(duì)二維斑點(diǎn)追蹤而言，三維斑點(diǎn)追蹤技術(shù)是一種空間上的三維立體追蹤系統(tǒng)，所追蹤的不再是二維平面內(nèi)的斑點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，而是某一空間區(qū)域內(nèi)的斑點(diǎn)容積（包含斑點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡中的所有區(qū)域）。因此，較低的幀頻即可滿(mǎn)足三維斑點(diǎn)追蹤技術(shù)的需要。Harris等[14]指出，三維超聲斑點(diǎn)追蹤技術(shù)適用于所有的檢測(cè)深度，同時(shí)在斑點(diǎn)運(yùn)動(dòng)較小的位移范圍內(nèi)（2 mm）獲得比較高的測(cè)量精度(＜0.4 mm)。三維斑點(diǎn)追蹤技術(shù)測(cè)定心肌組織運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性和可靠性已用計(jì)算機(jī)模擬模型和MRI作為參考技術(shù)所證實(shí)。

4.2 三維斑點(diǎn)追蹤技術(shù)的不足

三維斑點(diǎn)追蹤技術(shù)是基于三維超聲圖像所進(jìn)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(jìn)行的追蹤，幀與幀之間的間隔相對(duì)較長(zhǎng)，致使追蹤過(guò)程具有一定的變異性。

5 展望

目前的計(jì)算機(jī)技術(shù)正日新月異地發(fā)展，使得基于計(jì)算機(jī)圖像處理的斑點(diǎn)追蹤技術(shù)的發(fā)展有了更為廣闊的前景。在不遠(yuǎn)的將來(lái)，更高幀頻的三維超聲有望實(shí)現(xiàn)，而基于三維灰階圖像的三維斑點(diǎn)追蹤技術(shù)將更準(zhǔn)確，在對(duì)心肌的分析中將會(huì)起更大作用。

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