超声牛眼图诊断在不同心脏疾病中的应用

夏稻子，王 瑛

(1.大连医科大学附属第二医院 超声科,辽宁 大连 116027; 2.香港皇家慢病(大连)医院，辽宁 大连 116001)

1 超声牛眼图的生成原理与模式类型

斑点追踪超声心动图(speckle tracking echocardiography，STE)是在二维超声图像基础上，根据组织灰阶追踪区内不同像素的心肌组织在图像中的位置移动，来检测各节段心肌组织在指定时间内相对于原始形状的变化及其速率的一种超声定量新技术[1-2]。二维灰阶图像中小于入射超声波长的细小结构产生散射、反射、干扰等现象, 形成心肌组织中的“回声斑点” 。经过特定处理后单个回声斑点融合成功能单位核粒，核粒可以组成一系列超声指纹被软件辨认、追踪并记录。由于斑点追踪技术与组织多普勒频移无关, 不受声束方向与室壁运动方向间夹角的影响, 没有角度依赖性, 因此通过主动追踪测量心肌声学斑点的位置对比和运动轨迹，可以定量获取心肌组织运动的速度、位移、应变、应变率及旋转角度等动力学参数，清楚区分心肌主动运动和被动运动行为[3]。心肌应变(strain)是指心脏局部组织在指定时间内产生形态或体积的相对变化，也称心肌应变力；而心脏局部组织在单位时间内的应变速度，称为心肌应变率(strain rate)。在心动周期中，不同核粒单位之间的距离随着心脏的收缩与舒张发生增加与减少，从而计算出心肌的区域或总体应变，并描绘为正向或负向趋势曲线。一般根据向量方向，伸长和增厚的应变取正值，缩短或变薄的应变取负值。STE反映心肌节段自身的形变，较少受周围组织的影响，能客观、准确、快速评价心脏整体和局部心肌运动情况。心肌应变的概念最早是1973年由Mirsky等率先提出，此后逐渐应用于一些心脏疾病的超声诊断与动态评价[4]。对于评估心脏整体和局部运动协调性而言，甚至有人认为其可靠性比心脏MRI检查结果可能更为准确。

超声牛眼图(bull's eye map)又称超声靶心图(polar plot map)，系通过斑点追踪技术(STE)和计算机数字技术组合而成的心肌应变能力彩色编码图像[5-6]。超声牛眼图是左心室心肌断层图像的重建，即将不间断心肌短轴从心尖至基底部的不同的圆周剖面图像，以同心圆的方式排列,使整个左室心肌形成放射性分布图像，是一种在不同面、不同层、不同节段左室心肌影像学的直观显示图。二维牛眼图将各部位心肌分成17个节段区域，组成4个同心圆环型复合体，每个圆环对应1个左室短轴位层面。外面最大的圆环位于二尖瓣膜水平的基底部，含6个节段区域；第2个圆环为乳头肌水平的中部，含6个节段区域；第3个最小的中心圆环为乳头肌腱索终点以下的心尖部，含4个节段区域；第4个最小的中心圆环为没有心腔的心尖帽，含1个节段区域[7]。

超声牛眼图在成像工作模式上，可分为二维牛眼图和三维牛眼图。二维牛眼图通常主要用于体现各节段心肌纵向运动的峰值应变和应变曲线，三维牛眼图还可进一步用于实时完整体现各节段心肌径向运动、圆周运动及旋转运动的峰值应变和应变曲线。由于心脏的心肌细胞包括纵行和环行肌纤维，心脏收缩和舒张运动包括长轴方向上的纵向运动和短轴方向上的径向、圆周及旋转运动，因此超声应变和应变率等参数，广义上应该是包括了长轴方向上的纵向运动和短轴方向上的径向、圆周及旋转运动等一系列心脏组织动力学变化的总和，而超声牛眼图则主要是代表心脏左心室不同节段区域收缩峰值纵向应变平均值变化的直接彩色图像体现形式。由于拥有极其直观、形象、清晰、明了的特点优势，超声专业医生通过观察牛眼图颜色、部位、面积大小，根据超声牛眼图深红-粉白-深蓝的色差转变过渡变化，以及同时标识出的各节段收缩应变峰值实际数值变化，可以非常迅速、直观、明晰、准确地判定心脏不同节段区域心肌受损的严重程度和病变范围。

2 超声应力牛眼图的参数采集和观察分析

二维牛眼图是在二维工作模式下，分别采集心尖四腔、左心室两腔及左心室三腔切面连续心律稳定的3个心动周期的二维灰阶(帧频 >80帧/s) 的动态图像，启动2D-STE模式，选取左右两侧瓣环和心尖的左室心内膜，利用斑点追踪技术自动勾画出心内膜曲线生成感兴趣区，当心内膜勾画的曲线不理想时，可手动调整感兴趣区宽度使其与心肌厚度一致，将每个切面室壁等分为基底段、中间段和心尖段6节段，并准确选取主动脉瓣关闭时间点，获得左心室各节段心肌收缩期峰值纵向应变(longitudinal peak systolic strain, LPSS)。并计算基底部、中间部、心尖部LPSS平均值，软件自动将左室心肌17节段全部的收缩期纵向应变值参数共同生成牛眼图。三维超声牛眼图是在三维工作模式下，采集1个切面可同步获得3个切面3个心动周期的动态图像，分别记录左心室各节段室壁心肌纵向、径向、圆周及旋转运动的峰值应变和应变曲线，软件自动得出16个节段三维超声牛眼图[5-6]。

心脏的收缩和舒张运动包括4个部分：纵向(longitudinal)运动，表示心脏长轴方向的运动；径向(radial)运动，表示心脏短轴方向心肌厚度的变化；圆周(circumferential)运动，表示心脏短轴方向的环形运动变化；旋转(rotational)角度，表示心脏短轴方向的旋转角度变化[8]。在最为理想的状态下，能够在牛眼图上显示的功能测量有舒张末期壁厚、收缩末期壁厚、(绝对和相对的)壁加厚、壁运动、最大收缩时间、最大壁厚等；可在牛眼图上显示的与灌注相关的测量包括峰值强度时间、最大上升时间、静息/运动上升斜率等；可在牛眼图上显示的与存活性相关的测量为活组织的百分比、活组织的厚度、透壁指数等[2,5]。

牛眼图识别取决于该节段区域左心室收缩峰值纵向应变(LPSS)的平均值，主要分为两部分：(1)颜色识别：每一心肌节段区域的颜色根据应变值参数梯度由高到低变化，形成由深红-粉-白-深蓝色差转变。其中深红色节段区域表示LPSS平均值较高，细胞应变能力良好，应变值正常，视为正常心肌；深蓝色节段区域表示LPSS平均值极低，细胞应变能力严重下降消失，视为死亡心肌；介于红蓝两色阶之间浅红色至浅蓝色的节段区域，则表示LPSS平均值不同程度减低，细胞应变能力呈轻度、中度或重度下降，可视为不同程度受损心肌。(2)左室收缩期应变峰值识别：纵向应变曲线为负向，达峰时间方向一致，正常时收缩期应变峰值心尖(-30±)>远段(-25±)>近段(-20±)> 基底段(-15±)，可疑性缺血：-14～-11，缺血：<-10(图1)。美国超声心动图学会(2015年)和中国超声学会(2016年)对成人心脏定量测量指南进行了更新,都推介强调二维斑点追踪牛眼图与常规心脏彩超相比，能提供更好、更多、更准确、更完整、更全面的超声功能参数，能早于传统超声心动图发现心肌功能的亚临床表现，而且无损伤、无痛苦、易重复、易量化，目前已在国内外各大医院逐渐推广并常规应用。

图1 心肌正常牛眼图:显示均匀一致红色Fig 1 Myocardial normal bull's eye map: the myocardial segments showed a uniform red color

3 超声牛眼图的临床应用和诊断价值

3.1 冠心病

心肌缺血时舒缩功能下降，应变能力减低，表现为受累心肌纵向、径向及圆周方向上的应变指标参数普遍降低，由此可早期发现心电图没有发现的非ST段抬高性急性冠脉综合征患者的急性冠脉阻塞[9]。心肌局部急性缺血时与对照组相比，左室扭转与解旋率均有明显降低。作为能评价左室重构的重要参数，应变指标参数可准确判断心肌梗死左室后的收缩功能并预测其重构的发生，与晚期同位素钆增强心脏磁共振成像相比，对于预测其心肌整体功能恢复具有很好的准确性。已有研究发现，左室整体纵向平均应变与梗死面积密切相关，整体纵向平均应变较之左室射血分数，能更好地预测心肌梗死的受累面积[10]。急性心梗后左房重构会导致左心房功能恶化，此时超声检查左房最大容积和左房应变变化，可以作为左房重构的独立预测因子。

心肌缺血时，超声牛眼图显示相应缺血部位收缩期纵向应变降低，降低的幅度与缺血心肌的受累面积及程度成正比。出现透壁性心肌梗死时，节段区域纵向、径向、圆周应变值明显下降、应变率的标准时间均升高，提示心肌梗死患者存在左心室收缩不同步。超声牛眼图显示心肌收缩期峰值应变值有节段性减低或消失，与支配心肌的冠状动脉分支走行相对应，可识别缺血心肌(心肌冬眠、心肌顿抑)、梗死心肌和瘢痕形成[11](图2、3)。此外值得注意的是，心肌梗死后除了闭塞血管支配的区域左心室节段收缩功能减低外，相邻区域左心室节段收缩功能以及整体收缩功能亦有所减低[12]。经皮冠状动脉成形术治疗后，心肌梗死患者的心尖、心底短轴切面左心室心内膜旋转角度、心外膜旋转角度及跨室角度梯度均较术前显著增加(图4、5)。

图2 冠心病心肌缺血:侧壁后壁心肌缺血部位呈浅红色和粉白色Fig 2 Myocardial ischemia in coronary heart disease: the ischemic segments of the posterior and lateral walls were light red and pink white in color

图3 冠心病心肌梗死:心尖部室壁瘤形成，受累区域呈深蓝色Fig 3 Myocardial infarction of coronary heart disease: aneurysm formation located in apical left ventricle, the involved area was deep blue

图4 心肌梗死治疗前:蓝色为梗死区Fig 4 Before treatment of myocardial infarction:the infarct area was blue

图5 心肌梗死治疗后:蓝色区域基本消失，红色区域明显扩大Fig 5 After treatment of myocardial infarction: the blue area basically disappeared, the red area obviously expanded

3.2 高血压心脏病

高血压病随着病程进展，出现心肌细胞肥大、心内膜下心肌纤维化和心肌纤维重排等病理改变，进而影响心脏腔室结构与功能。除少数节段心肌外，高血压左心室肥厚患者的长轴心内膜下心肌纵向收缩期峰值应变普遍有所降低[5,13]。高血压患者早期左室应变和应变率的下降，对高血压早期诊断及亚临床变化有较高敏感性。高血压心脏病心室重构时，二维超声牛眼图显示以基部心肌(尤其室间隔)峰值应变值下降为特点，其程度与左心室肥厚程度一致[14](图6)。分析高血压患者不同时相左房应变和应变率的变化与左室舒张功能的关系发现，高血压病左房舒张早期应变及总体应变都显著减低，且左室舒张功能障碍越严重，其应变及应变率测量值也越低下。因此STE可以准确快速获得左房心肌形变的量化参数，在高血压患者左房功能评价方面也有着重要作用。

图6 高心病:牛眼图以基部室间隔改变为主Fig 6 Hypertension heart disease: the change of basal ventricular septum was dominant in bull's eye map

3.3 糖尿病性心脏病

糖尿病患者由于代谢紊乱及冠状动脉微血管病变，常导致心肌间质纤维化，早期可无症状，晚期随病情进展可发展为心力衰竭。无症状的2型糖尿病患者，左室心肌整体和节段纵向应变及达峰时间均降低。多重线性回归分析显示，糖尿病是影响左室心肌纵向应变、收缩期和舒张早期应变率的独立预测因子。可通过测量心肌的应变及应变率，及时发现无症状糖尿病心肌收缩功能的降低，从而能早期检测糖尿病的心肌病变[15]。左心室射血分数正常的糖尿病患者即可发现有心肌纵向收缩功能障碍，其纵向应变的降低与患病时间的长短正相关。二维超声牛眼图显示，糖尿病患者左心室基底段、中间段、心尖段收缩期纵向平均应变值及左心室整体应变值均可明显降低，但各节段收缩期峰值应变值改变间缺乏明确规律性(图7)。通过计算心肌应变评价心肌收缩的不同步，可以预测对糖尿病CRT的治疗反应。径向应变不同步甄别值≥130 ms时，显示对治疗反应较为敏感；不同步的面积在治疗后则明显下降。

3.4 桥本甲状腺炎心脏损伤

图7 糖尿病心脏损害:牛眼图变化缺乏明确节段规律性Fig 7 Diabetic heart damage: there was no clear segmental regularity in changes of bull's eye map

桥本甲状腺炎又称桥本病，好发于中老年妇女，早期会出现甲亢症状，晚期又会出现甲低症状，同一患者也可能出现亢进、减低或正常反复交替的情况，可分别被诊断为“桥本病伴甲亢”或“桥本病伴甲低”，两者都可以引发心脏腔室结构和舒缩功能异常，分别称之为甲状腺功能亢进性或减低性心脏病，以后者更为常见，且几乎均由桥本甲状腺炎所引起。病程较长的甲状腺功能低下病人，有超过半数者会发生心脏损害，如心肌收缩性、心输出量、心肌耗氧量、体循环或肺循环阻力等，在心律失常和心脏增大的基础上也可致心力衰竭。在二维超声牛眼图表现上，虽大多数桥本甲状腺炎的心肌收缩期峰值应变值均可有改变，但其最突出特点是主要以心尖的峰值应变值减低为主，但牛眼图各节段颜色往往却无明显变化，这不仅提示其心肌病变的隐匿、早期、轻微和局限，同时也表明超声牛眼图诊断方法本身的高敏感性、高精确性和高定位性(图8)。

图8 桥本病:心肌损伤主要以心尖的峰值应变值减低为主，但牛眼图各节段颜色往往却无明显变化Fig 8 Hashimoto disease: myocardial injury mainly induced apical peak strain values to be decreased, but the bull's-eye map segments often had no obvious color changes

3.5 原发性心肌病

扩张型心肌病早期主要表现为心室扩张和心室收缩功能减退，晚期逐渐发展为充血性心力衰竭。超声牛眼图发现，扩张型心肌病患者收缩期左心室心尖位最大纵向应变明显低于正常组，短轴二尖瓣、乳头肌、心尖水平的径向应变、圆周应变及旋转角度也明显低于正常人。非缺血性扩张型心肌病左房舒张和收缩过程中，纵向应变可作为评价左室充盈压的一个可靠手段。扩张型心肌病心肌各节段应变、应变率参数，如径向收缩期峰值应变以及收缩期、舒张早期、舒张晚期径向峰值应变率，纵向扭转角度等，均明显低于对照组。其中左室侧壁基底段、中间段与室间隔基底段扭转达峰时间差，可能是形成其心脏纵向顺时针扭转的一个原因。肥厚性心肌病左室舒张功能受损、顺应性降低，其房颤的发生不但与左房大小有关，还与左房心肌纤维化与左室纵向应变降低有关。肥厚性心肌病左室形变和扭转减弱，纵向、径向和圆周应变均显著降低，且左室扭转峰值较对照组明显增大，解旋率下降，解旋减半时间延长，导致亚临床收缩的机械改变和早期舒张功能异常。牛眼图显示肥厚型心肌病节段心肌收缩期峰值应变值明显下降[13](图9)。

图9 肥厚性心肌病(心尖型):心尖部心肌收缩期峰值应变值明显下降Fig 9 Hypertrophic cardiomyopathy (apical type): peak systolic strain of the apical myocardium decreased significantly

3.6 肺心病

超声斑点追踪技术可用于评价肺动脉高压时的右心室功能和其它原因所致的右心室病变(右心室梗死、心律失常性右心室发育异常等)。肺动脉高压患者存在右心室机械运动不同步现象，追踪右室游离壁纵向应变，测定其收缩期峰值应变和收缩后应变指数，证实其可以作为一种有效的无创性肺动脉高压筛查手段[16]。超声应变牛眼图显示，肺动脉高压患者有心室整体、右心室游离壁及基底段和中段的收缩期峰值应变及应变率降低，且应变及应变率降低的幅度与肺动脉高压的程度正相关。肺动脉高压患者收缩期应变可与心肌收缩功能和收缩同步性进行评估。

3.7 心力衰竭

定量分析慢性心衰患者的左室收缩期整体纵向应变，可作为慢性心衰患者预后的一个独立预测参数[17]。超声牛眼图表现为心肌收缩期峰值应变值弥漫性下降，峰值应变曲线的达峰时间不同步，在收缩末期显示不和谐不均质的彩色(图10)。在左束支传导阻滞的心力衰竭患者，伴有间隔段峰值应变提早出现及后壁和侧壁段峰值应变延迟出现。

图10 心力衰竭:应变值弥漫减低, 显示不和谐不均质的彩色Fig 10 Heart failure:the strain value was diffusely reduced, showing disharmony and uneven color

3.8 其他原因心脏损害

酒精性、贫血性、肥胖性、心律不齐性等收缩期峰值应变值，在超声牛眼图均有改变。STE还可以早期发现无症状性二尖瓣关闭不全患者左房顺应性及收缩功能损害, 为二尖瓣成形的术前筛查和术后评估提供参考依据，预测并指导临床在患者心律失常发生前开始抗凝治疗，可以发现某些无症状心肌损害，如心肌淀粉样变性、系统性硬化症、进行性肌营养不良症等导致的心脏损害等，对早期诊断化疗药物对心肌的损害敏感性也较高[18]。

3.9 评价心脏的再同步化治疗

心肌运动同步性是保证正常泵血功能的重要因素，心脏再同步化治疗是治疗心室心肌非协调性运动的一项重要技术，旨在提高纵向运动协调性，改善径向和圆周运动。慢性心力衰竭患者普遍存在心肌运动径向应变收缩舒张不同步，心脏再同步化治疗后，前间隔和左室后壁心肌的活动恢复情况与心肌再同步化效果正相关(图11、12)。再同步化患者在射血分数尚未发生变化前，其径向、环向及纵向应变均已显著降低，左心室短轴乳头肌水平、室间隔、左心室后壁应变达峰时间后值加大，梗阻性患者较非梗阻性患者左心室不同步性更加明显，非对称性患者乳头肌水平旋转角度趋向于逆时针方向[19]。

图11 心脏再同步化治疗前:心肌运动径向应变收缩舒张不同步Fig 11 Before cardiac resynchronization therapy: there were radial strain contraction and diastolic dyssynchrony in cardiac muscle movement

图12 心脏再同步化治疗后:心肌活动恢复情况与心肌再同步化效果正相关Fig 12 After cardiac resynchronization therapy: the recovery of myocardial activity was positively related to the effect of cardiac resynchronization

综上所述，在常规二维超声心动图/心脏彩色多普勒血流显像主要可对心血管结构/血流状况进行评估，M超声曲线、Simpson、TDI等方法则主要用来反映收缩容积变化率及舒张功能改变，作为近年来发展起来的超声斑点追踪定量分析技术，能较为准确评价心脏整体和不同节段局部运动能力，有利于对多种心脏疾病的心肌状态进行诊断、随访和预后评估。二维应变牛眼图特征能早于传统超声手段直观形象反映心肌改变的亚临床现象, 为判断不同病因导致的心脏疾患提供了新的选择。但二维STE也存在不少局限性：主要表现为其要求采集高帧频清晰的二维图像，节段性室壁运动异常会影响不同切面图像应变与应变率的测量。二是对于左室功能不全的患者，其追踪成功率会明显减低，如正常节段的追踪成功率98%，而心梗节段只有80%。 三维STE克服了二维STE存在的一些技术局限性，不受心肌运动方向的限制，可以更好追踪心肌的运动轨迹，更好评价左室整体纵向、环向、径向及面积收缩期峰值应变的特征[20]。

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