斑点追踪技术原理及其分析局部心肌功能的作用

曲俊朴 综述陈瑶 陈明 审校

1.内蒙古医科大学病理生理学教研室，内蒙古 呼和浩特 010059；2.内蒙古鄂尔多斯市中心医院超声科，内蒙古 鄂尔多斯 017000；3.同济大学附属东方医院心脏医学部，上海 200120

超声医学已走过50个年头，在这半个多世纪里从仪器到相应的软件都得到了极大的发展，对心肌运动的分析也成为其发展的重中之重。超声心动图（echocardiography）是最常见的评估心脏功能的方法，在某些心脏疾病中甚至作为首选检查乃至于金标准。到目前为止，根据美国超声心动图学会的建议，室壁运动和增厚的目测方法仍然是评价左室力学的最主要方法，但只可作出一个心肌功能的主观评价且需长期训练。受制于临床工作时间长短及技术水平本身，不同的医师对同一患者作出的判定也不同，对室壁厚度测量及对室壁运动程度减低判断不一致，甚至在左室射血分数（ejection fraction，EF）定量中存在偏差[1]。因此，引入一种人为因素较少的方法势在必行。众多的分析手段如组织多普勒、解剖M型超声、斑点追踪技术（包括速度向量成像技术、二维及三维斑点追踪技术）等新兴技术相继应运而生。

在对室壁运动的分析中，为减少因年资、技术水平等对主观判断的制约，一些生物力学参数被引入超声分析中，试图以定量数值来区分室壁运动异常的程度。应变作为反映心肌材料力学的参数被较早引入分析中，并在斑点追踪技术中得以广泛应用。然而这些方法不足导致的错误使其分析结果不能被临床接受，至今超声医师的主观判断仍是诊断心肌运动异常的最重要方法，未能被任何一种技术所取代。

在心肌运动中，主动收缩即心肌细胞的主动性兴奋-收缩耦联占主导地位，被广泛接受。作为心肌被动生物力学的反映，心肌及心肌细胞的固有属性——黏弹性却常常被忽视。顺应性是心肌组织和心肌细胞黏弹性的具体表现，分为顺应与弛张。顺应由心肌组织及心肌细胞的弹性成分即弹性劲度所决定，影响产生应力的大小即影响形变发生的程度；弛张由黏性成分即黏性劲度决定，影响应力、应变发生变化的过程，也就是影响心肌组织及心肌细胞发生形变的速度。应变与应变率是黏弹性在数学上的一种反映。

应变的定义为物体在外力作用下其中任意两质点间的距离发生的相对变化，反映了一种相对的形变，而造成这种形变过程的每一个力均有其对应的应变。应变为一无单位的纯数，在心肌运动中以舒张方向定义为正方向，为正数；以收缩方向定义为负向，为负数。

斑点追踪技术虽非第一个将应变作为分析指标的技术，但应变因斑点追踪技术而得到了更多关注。用应变反映心肌运动的异常无疑是一种天才的设想，其本身也具有划时代的意义，意味着对心肌运动的分析从肉眼观察上升到对心肌的生物力学分析。现就心脏的生物学特点以及斑点追踪技术原理作一总结。

1 心室肌带学说

心肌纤维呈螺旋状排列，大致可分为内纵、中环和外斜3层。心内膜与心外膜面的心肌呈螺旋状排列，两者之间是大致呈水平排列的心肌，这种心肌纤维排列方式使心脏收缩时产生扭转。Torrent-Guasp等[2]认为，心室肌纤维的空间结构为一条肌肉带，即心室肌带。心室肌带理论认为心脏可视为由一根肌纤维束螺旋缠绕而成，包含基底环(basal loop, BL)和心尖环（apical loop，AL）。两者走向相反，心内膜与心外膜肌纤维走向相反。左室心肌运动呈现复杂的空间三维运动。基底环起于肺动脉，心尖环止于主动脉。基底环包绕右室和左室，在心室肌带螺旋褶处改变方向，倾斜的肌纤维在心室处形成一个心室螺旋，形成心尖螺旋的的降段和升段。在心动周期中，基底环变窄、降段缩短、升段延长、心脏变宽均参与了心室的射血和充盈。

心肌运动特点表现为：跳动的心脏包括纵向运动(缩短和延长运动)及横向运动(缩窄和增宽)，特点可通过超声心动图及MRI观察。运动按如下顺序进行：①基底环收缩所致的缩窄运动，表现为基底横径减少。②降段收缩及紧随的升段收缩所致的缩短运动，表现为心脏长轴长度缩短。③在降段收缩停止后发生的升段收缩出现心脏长轴的长度变长，此即为心脏的延长运动。④在心室快速充盈及舒张期心室缓慢的伸展过程中发生的心室壁展开，基底横径增加。这种收缩顺序的发生需收缩波沿着心肌带的4个阶段连续发生。发生的顺序为基底段收缩变窄，心尖环降段和升段变短，然后是升段延长，最后是整个心室增宽。整个心脏机械活动的顺序为基底环（由右室至左室）→心尖环（从降段至升段）；或从右到左，从降段至升段[3]。

心肌带的特点使心脏的运动为空间上的运动，可简单分为3个方向上的运动：①纵向（longitudinal）运动：收缩时，在长轴方向上二尖瓣环向心尖方向运动，心肌纤维纵向缩短；②径向（radial）运动：收缩时，左室壁呈向心运动，室壁增厚；③环向（circumferential）运动：收缩时，左室圆周运动致使环向心肌缩短[4]。

由于3个方向上的运动所致空间上的合运动呈螺旋形，表现为左室心底部和心尖部在收缩期呈反方向旋转，形成“拧毛巾”样运动，从而产生了旋转与扭转。

2 斑点追踪的基础

斑点也称为散斑，是因体内大量直径小于入射波波长的微小粒子散射入射波，致使散射波与散射波之间形成干涉。在心肌灰阶图像中，当散射波的波峰与波峰交汇时，因相长增益使之呈现出强回声斑纹；而当散射波的波峰与波谷交汇时，则因相消使其呈现出低暗色斑纹。因此，斑点的成因可视同于在一取样容积内诸多散射子散射超声声束信号所产生的干涉，并形成随机分布的强弱不等的回声效果[5]。

在人体内，红细胞为最主要的散射体之一。广泛存在于心肌与心腔内的众多红细胞与其他微小粒子分别散射入射波后，大量无规则分布的散射波相互干涉，形成了反映在心肌灰阶图像中20～40个像素的亮斑，即为斑点[6]。

因人体内不同组织、不同器官之间散射体的分布不一致，导致不同组分有分别与其相对应的斑点。在同一组分内，因散射体数目与位置不同及与入射声束之间夹角不同等诸多因素，斑点即便在同一组分内也不相同。因此，斑点具有唯一性[7]。

在很短的时间间隔内，心肌可被认为是一种刚性体，即心肌是不可压缩的。这也决定了散射体之间位置保持不变，从而使斑点与斑点之间的相对位置保持不变，此为斑点的稳定性。

斑点的唯一性与稳定性是斑点追踪技术的基础，由于这些声学斑点稳定且唯一分布于心肌内，其运动与组织运动同步，且相邻两帧之间形态无明显差异[8]。根据公式计算可得出，在30 Hz的帧频下，相邻两帧之间斑点的位移不超过5个像素，使对斑点移动的追踪成为可能[9]。

斑点追踪的本质是一种基于边界识别技术及数学有限元思想而产生的利用二维灰阶超声图像上的特定回声像素斑点进行的一种追踪，不受角度影响，为一种先进的心肌运动追踪方式，但其追踪效果受二维超声心动图质量及帧频影响较大[10]。斑点追踪有赖于对斑点形状的追踪，准确定位心肌结构及心肌回声像素斑点本身的边界可使斑点追踪更准确。

心脏是一个空间上的几何体，形状并不规整，因此很难用一般方法来构建心脏模型。斑点追踪多采用有限元方法，将心肌解离为若干节段，并将每一个节段解离成更多的区块。应用区块匹配法，在相邻两帧间寻找与上一帧区块形状及其内斑点最为匹配的区块，并以此作为斑点追踪最核心的思维。将所有被连续追踪到的区块整合可得到整个心肌的移动情况，确定心肌位置及其长度变化，由此可得到应变、应变率、扭转等一系列心肌生物力学参数，从而反映心肌生物力学属性。

3 二维斑点追踪技术

3.1 二维斑点追踪技术的优势

二维斑点追踪技术是基于二维灰阶超声图像进行的一种斑点追踪，为一种新型的无创检查手段。与组织多普勒不同，其无角度限制，亦无需角度校正，可进行多切面追踪，可更好地反映心肌的运动情况。

二维斑点追踪技术有赖于帧频的提高[9]，然而帧频与图像的分辨率存在动态平衡，一味提高帧频则会降低图像分辨率，进而对斑点追踪的准确性形成负反馈。如何把握好帧频是斑点追踪成功的前提[11]。既往研究表明：50～75 Hz的帧频最适宜。

3.2 二维斑点追踪技术的不足

首先，据心室肌带理论可知，心脏的运动为空间范围中的运动，而非单一平面上的运动，因此以二维平面的追踪来反映心脏三维空间的运动是不完整的，据此会产生一系列的追踪脱失，乃至斑点“莫名其妙”地飞出平面。

4 三维斑点追踪技术

4.1 三维斑点追踪技术的优势

三维斑点追踪技术为近年来研发的超声新技术，为三维超声心动图技术与斑点追踪技术的有机结合，在心脏病评估和研究方面具有许多优点，因而出现被许多超声心动图实验室应用于日常临床检查。

三维斑点追踪技术是基于实时全容积扫描的基础，以有限元的思想，在90°×90°范围金字塔形实时心脏全容积灰阶图像中，将心肌整体区域的回声离散为若干个大小约10 mm×10 mm×10 mm的心肌回声斑点，通过在空间上构建容积数据库，并以心肌像素斑点为单位在三维空间上进行追踪[12]，可获得斑点运动位移情况；另外通过将不同范围内相邻的斑点在节点处连接起来组成斑点的集合体为求解节段，可提供心肌的三维图像，从而在极短时间内实现对心肌功能的全面评估。

三维斑点追踪技术是在一个相对较低的帧频下于全容积状态进行的追踪，评估的是三维空间内的实时运动，是一种三维技术。其特点在于仅利用一个数据集即可完整表达整个心肌运动的追踪结果，并可评价心肌在一个心动周期内各个方向的应变及其所对应的达峰时间，从而较好地评价心肌节段运动的同步性[13]。

二维斑点追踪技术的准确性有赖于较高的帧频，主要原因之一是像素斑点在平面内移动。较高的帧频可连续追踪斑点的移动。当使用低帧频时，斑点在两帧之间无法连续，并在下一帧完全脱离平面，从而无法追踪。相对二维斑点追踪而言，三维斑点追踪技术是一种空间上的三维立体追踪系统，所追踪的不再是二维平面内的斑点运动，而是某一空间区域内的斑点容积（包含斑点运动轨迹中的所有区域）。因此，较低的帧频即可满足三维斑点追踪技术的需要。Harris等[14]指出，三维超声斑点追踪技术适用于所有的检测深度，同时在斑点运动较小的位移范围内（2 mm）获得比较高的测量精度(＜0.4 mm)。三维斑点追踪技术测定心肌组织运动的准确性和可靠性已用计算机模拟模型和MRI作为参考技术所证实。

4.2 三维斑点追踪技术的不足

三维斑点追踪技术是基于三维超声图像所进行的追踪，受三维超声图像本身制约，为一种在较低帧频下进行的追踪，帧与帧之间的间隔相对较长，致使追踪过程具有一定的变异性。

5 展望

目前的计算机技术正日新月异地发展，使得基于计算机图像处理的斑点追踪技术的发展有了更为广阔的前景。在不远的将来，更高帧频的三维超声有望实现，而基于三维灰阶图像的三维斑点追踪技术将更准确，在对心肌的分析中将会起更大作用。

[1]陈明, 刘怡, 余源, 等.肺动脉高压的肺动脉血管超声生物力学研究 [J].医用生物力学, 2007, 22(2): 165-170.

[2]TORRENT-GUASP F, KOCICA M J, CORNO A F,et al.Towards new understanding of the heart structure and function [J].Eur J Cardiothorac Surg, 2005, 27(2):191-201.

[3]高长青, 张涛, 李力兵, 等.心肌带解剖结构的实验研究[J].中华胸心血管外科杂志, 2006, 22(6): 410-412.

[4]司效东.心脏生物力学无创分析应用的新进展[J].医学综述, 2011, 17(2): 170-172.

[5]王晓婧.散斑跟踪技术在超声心动图图像分析处理中的应用研究 [M].济南: 山东大学出版社, 2007.

[6]MAFFESSANTI F, NESSER H J, WEINERT L, et al.Quantitative evaluation of regional left ventricular function using three-dimensional speckle tracking echocardiography in patients with and without heart disease [J].Am J Cardiol, 2009, 54(2): 1503-1512.

[7]URBANO MORAL J A, ARIAS GODINEZ J A,MARON M S, et al.Left ventricular twist mechanics in hypertrophic cardiomyopathy assessed by threedimensional speckle tracking echocardiography [J].Am J Cardiol, 2011, 108: 1788-1795.

[8]SEO Y, ISHIZU T, ENOMOTO Y, et al.Validationof 3-dimensional speckle imaging to quantify regional myocardial deformation[J].Circ Cardiovasc Imaging,2009, 2(2): 451-459.

[9]TANAKA H, HARA H, SABA S, et al.Usefulness of three-dimensional speckle tracking strain to quantify dyssynchrony and the site of latest mechanical activation [J].Am J Cardiol, 2010, 105(38): 235-242.

[10]YU C M, LIN H, ZHANG Q, et al.High prevalence of left ventricular systolic and diastolic asynchrony in patients with congestive heart failure and normal QRS duration [J].Heart, 2003, 89(2): 54-60.

[11]覃小娟, 谢明星,吕清, 等.超声三维斑点追踪成像技术评价慢性心力衰竭患者左心室整体应变的初步研究[J].中华医学超声杂志(电子版), 2010, 7(8): 1332-1337.

[12]TATSUMI K, TANAKA H, TSUJI T, et al.Strain dyssynchrony index determined by three-dimensional speckle area tracking can predict response to cardiac resynchronization therapy[J].Cardiovasc Ultrasound,2011, 9(5):11.

[13]LI CH, CARRERAS F, LETA R, et a1.Mechanical left ventricular dyssynchrony detection by endocardium displacement analysis with 3D speckle tracking technology[J].Int J Cardiolvasc Imaging, 2010,26(8):867-870.

[14]HARRIS E J, MILLER N R, BAMBER J C, et al.The effect of object speed and direction on the performance of 3D speckle tracking using a 3D swept-volume ultrasound probe [J].Phys Med Biol, 2011,56(22):717-726.