斑点追踪超声心动图在心脏疾病中的应用进展

尹闯，苏雁欣

(哈尔滨医科大学附属第二医院超声医学科，哈尔滨 150086)

正确评价心功能在心脏疾病的评估中起核心作用，对指导治疗和预后至关重要。双平面Simpson法是目前推荐的量化左心室容量和收缩功能的方法，但该技术仍存在局限性，包括心内膜定义欠佳和广泛的壁运动异常[1]。组织多普勒衍生的应变和应变率成像是一种量化心肌机械功能的方法，但组织多普勒衍生的应变变量存在许多缺点，特别是角度依赖性[2]。斑点追踪超声心动图(speckle tracking echocardiography，STE)代表一种先进的、无创的超声心动图技术，且不受声波角度的影响。STE基于心肌组织与超声波束间的相互作用，产生特定的声学标志物，称为斑点，通过专用软件可以在整个心动周期内追踪斑点的位移。与组织多普勒成像相比，STE具有诸多优势。在STE前，只有心血管磁共振成像的心肌组织标志物能够评估心肌的形变且无角度依赖性，但受到高成本和有限的机器的限制[3]。STE是一种半自动化的方法，可有效降低操作者自身和操作者之间分析的变异性，同时STE还具有良好的可重复性，在多数情况下优于传统的超声心动图参数[4]。现就STE在心脏疾病中的应用进展予以综述。

1 应变的概念以及不同类型的心肌形变

“应变”表示在心脏收缩运动时心肌发生的相对于其原本形状的形变。拉格朗日应变(由希腊字母ε表示)方程式定义为：ε=(L-L0)/L0。成人左心室心肌具有复杂的结构，左心室心肌由3层心肌组成，即心内膜下的右手螺旋肌纤维、中层的环形肌纤维和心外膜下的左手螺旋肌纤维，所有这些肌束的协同收缩使左心室可以沿着不同的平面变形，包括纵向平面(收缩期缩短和舒张期伸长)、径向平面(收缩期增厚)和周向平面(心脏收缩期间的缩短和心脏舒张期间的伸长)；此外，在心脏收缩运动期间，心尖发生逆时针旋转，心底发生顺时针旋转，左心室心尖和心底以相反的方向旋转，从而引起左心室收缩期的扭转运动[5]。

纵向应变代表左心室心肌沿纵轴方向的缩短，通常选取心尖两腔、三腔、四腔心切面的图像。除了对左心室各个节段的纵向应变进行分析外，还可以获得所有区域形变的平均值，称为整体纵向应变(global longitudinal strain，GLS)。GLS是代表左心室整体功能的重要指标，GLS测值的一致性在很大程度上受操作者经验的影响，但无论图像的质量如何，左心室射血分数(left ventricular ejection fraction，LVEF)测量值的易变性均远高于GLS，纵向应变能够准确、早期地检测出可能影响心内膜下纵向肌纤维的改变(如缺血性损伤)[6]。径向应变反映了对应于收缩期增厚的径向心肌变形，并由正曲线定义，通过对在基底、乳头肌和心尖水平获得的胸骨旁短轴切面图像进行分析；周向应变表示沿圆周平面的心肌缩短，并且在径向应变的相同图像上计算，周向应变曲线通常是负的[7]。与纵向应变一样，径向应变和周向应变同样可以计算所有区域形变的平均值，称为整体径向应变和整体周向应变。

2 STE在心脏疾病中的应用

2.1在高血压性心脏病中的应用 高血压是充血性心力衰竭发生率增加的因素之一，在高血压患者中发现的结构性和功能性心肌异常均可导致心功能障碍，是可以从无症状状态发展为具有显著临床症状的心脏疾病。由于后负荷增加，左心室发生重构，导致心肌肥大和纤维化，这也直接影响左心室收缩功能。当LVEF维持在正常范围内时，收缩和舒张功能异常在高血压患者的早期阶段就已经出现，Kosmala等[8]按照纽约心脏病协会(New York Heart Association，NYHA)分级对高血压患者进行分组研究，结果发现，纵向应变在心功能早期阶段(即NYHA Ⅰ级)就出现相应节段降低，而且随着心功能的恶化，纵向收缩功能也逐渐降低，而周向应变和径向应变在晚期阶段才出现显著降低，NYHAⅠ级的患者甚至还出现某些节段的升高，可能与主要负责纵向收缩功能的心内膜下心肌纤维受损有关，因为这些纤维更易受高血压导致的室壁应力和缺血损伤的影响，早期阶段保留的径向和周向收缩功能在维持LVEF方面发挥了作用。尽管通过常规超声心动图评估的LVEF正常，但通过STE可以早期检测到心功能异常，并且可能识别出高血压所致的心肌受累程度。高血压对左心室的影响已经被人们熟知，但高血压导致的后负荷增加对右心室的影响很少为人所关注。Pedrinelli等[9]利用STE分析轻度增加的收缩期血压对右心室功能的影响，通过STE在右心室中部游离壁和室间隔上发现了纵向应变参数降低，室间隔厚度随血压增高而增厚，但右心室壁却无显著增厚，应变参数与室间隔厚度呈显著负相关，这与室间隔的结构有关，室间隔与左、右心室共享心肌纤维，室间隔的这种结构有助于右心室的射血和充盈以及左、右心室的相互依赖性，即力从一个心室传递到另一心室，而不受神经、体液或血液循环的影响，这些在常规超声心动图上并没有体现，反映了STE在检测高血压所致的右心室功能障碍方面的重要价值。STE在高血压所致的心房功能障碍中也具有重要价值，其用于左心房研究的可行性已经得到了验证[10]。Mondillo等[11]在左心房大小正常的高血压和糖尿病患者中发现了心房应变参数的降低，而常规指标与对照组比较则无差异，由于排除了左心房大小对结果的影响，左心房功能障碍可能在自身体积扩张前就已经出现。由于左心房应变在同时有糖尿病和高血压的患者中进一步降低，且两种疾病之间并无显著的相互作用，因此糖尿病和高血压对左心房的损伤可能是累积的，STE在识别糖尿病和高血压对左心房功能的损伤中具有显著优势。

2.2在糖尿病所致的心脏损害中的应用 即使没有并存的冠状动脉疾病，糖尿病也与心力衰竭的发展有关，且不依赖冠状动脉疾病和高血压而独立影响心脏的结构和功能，因此早期发现糖尿病导致的亚临床心功能损害至关重要。Nakai等[12]利用STE对60例无症状糖尿病患者进行研究，结果发现，与对照组相比，患者出现了不同程度的纵向应变、周向应变和径向应变降低，这在LVEF改变前就已经出现，尽管左心室舒张功能障碍在糖尿病的早期阶段就已出现，但多伴随亚临床收缩功能障碍，应变降低可以反映早期收缩功能障碍，且与糖尿病病程独立相关，同时也反映了长期高血糖状态对心脏的潜在损伤，为糖尿病患者的管理提供了重要信息。与2型糖尿病不同的是，1型糖尿病很少伴随高血压和肥胖，更多的有害因素是高胰岛素血症和胰岛素抵抗。Jdrzejewska等[13]的研究不仅发现了1型糖尿病患者不同程度纵向应变和径向应变降低，还发现了低密度脂蛋白胆固醇与应变参数之间的相关性，这与Vitarelli等[14]的研究结果相似，原因可能与高胆固醇血症对心肌细胞的直接影响有关，表明即使无临床症状，1型糖尿病患者的心功能仍可发生改变。Ringle等[15]研究发现，糖尿病患者的GLS降低，且应变参数降低与患者的代谢状态无显著的联系，说明糖尿病本身可能对心脏产生直接影响，但整体径向应变和整体周向应变与对照组相比并无差异，相反，在6年的随访期间还出现了增高的趋势。由此可见，糖尿病对心肌的影响可能最先开始于心内膜下，保留的周向和径向应变作为一种补偿机制来维持左心室收缩功能。

2.3在冠状动脉疾病中的应用 心血管疾病，尤其是急性冠状动脉综合征是导致死亡的主要原因之一，在因急性发作性胸痛而接受急诊的患者中，有很多患者被诊断为非ST段抬高型心肌梗死(non-ST-elevation myocardial infarction，NSTEMI)，LVEF是评估左心室收缩功能的指标，并且仍是急性心肌梗死(acute myocardial infarction，AMI)患者预后的良好预测指标，但与LVEF相比，STE测量的应变参数更具优势，在及早识别心肌功能障碍、预测心肌梗死后左心室重构以及患者的预后方面均具有重要价值。对于慢性完全闭塞的冠状动脉，其供血区域内的心肌可能是有功能的，也可能是发生功能障碍但存活的或不能存活的，对于这类患者监测经皮冠状动脉介入治疗(percutaneous coronary intervention，PCI)后心功能的恢复情况很关键。Wang等[16]对接受PCI的慢性完全闭塞患者进行了1 d、3个月、6个月的随访研究，结果发现，LVEF在PCI后的3个月才出现改善，而运用STE在术后1 d就可以检测出GLS改善，说明术后第1天左心室功能就开始恢复，STE在监测接受PCI患者的心肌功能恢复方面早于常规超声心动图。Ersbøll等[17]研究发现，随着患者Killip分级的增加，左心室GLS逐渐恶化，说明患者发生的血流动力学恶化可以通过减少的GLS反映出来，STE可以用来预测患者的院内心力衰竭。Wdowiak-Okrojek等[18]对首次入院的AMI患者研究发现，在接受PCI的第1天和第2天收缩期纵向应变参数发生显著改善，舒张期纵向应变参数在1周内也出现好转，并且分别在第3天和第7天达到最高水平，说明STE可以发现AMI再灌注治疗后心肌功能的恢复情况。另一项针对首次AMI并接受PCI患者的研究发现，入院时GLS中位数>-15%的患者在3个月和6个月随访期间表现出了更多的左心室容积扩张，表明STE在预测AMI后左心室重构方面具有重要价值[19]。一项对1例NSTEMI患者的研究发现，患者入院时血压平稳，心电图显示轻度的ST段压低，症状发作后的3 h内肌钙蛋白T也未增加，按照目前的指南患者只需要在72 h内行冠状动脉造影，但对患者进行STE检测后发现GLS显著异常，冠状动脉造影后发现左前降支起始段完全闭塞，患者接受了介入治疗，术后5个月随访时显示左心室容积正常，LVEF为68%，无室壁运动异常，同时STE分析显示纵向应变参数恢复[20]。NSTEMI患者的血运重建时间至关重要，运用STE可以早期发现这类患者的心肌运动异常，有助于患者及时接受介入治疗并挽救存活的心肌，以减小最终的梗死面积，改善患者的预后。

2.4在心脏瓣膜病与心脏移植中的应用 获得性瓣膜疾病常累及主动脉瓣和二尖瓣，导致瓣膜狭窄或关闭不全。瓣膜狭窄导致心腔压力负荷增加，关闭不全则导致容量负荷增加，最常见的表现形式是主动脉瓣狭窄和二尖瓣反流。随着年龄的增长，主动脉瓣狭窄的发生率也随之增加，部分患者甚至需要手术干预治疗。在65岁以上的人群中，二尖瓣反流的发生率也随着年龄的增长而急剧上升[21]。这一系列改变必然对心脏产生不利影响，这时就需要对心功能进行正确的评估，STE是评估心肌功能的有效方法。目前，无症状的重度主动脉瓣狭窄患者是否需要进行主动脉瓣置换仍然存在争议。Carstensen等[22]通过对104例无症状的中至重度主动脉瓣狭窄患者的研究发现，尽管患者的LVEF≥50%，但左心室基底节段的纵向应变参数显著降低，而且在随访期间有43例患者达到了主动脉瓣置换指征，说明STE可以正确识别无症状主动脉瓣狭窄患者的亚临床心肌功能障碍，并且在决定是否进行主动脉瓣置换中发挥一定作用，这为主动脉瓣狭窄患者的早期诊疗提供了帮助。心房颤动是主动脉瓣狭窄术后常见且严重的并发症，Cameli等[23]研究发现，与术后未发生心房颤动的患者相比，心房颤动患者的左心房峰值纵向应变显著降低，应变参数在预测术后心房颤动方面的灵敏度为86%，特异度为91%，这说明左心房固有功能的应变参数在预测主动脉瓣狭窄患者术后发生心房颤动方面具有一定价值。患者术后发生心房颤动可能与氧化应激、炎症及左心房纤维化有关，STE测量的左心房应变值降低很好地反映了左心房的功能障碍，为术后患者的护理提供了参考。Kamperidis等[24]对扩张型心肌病导致的继发性二尖瓣反流患者进行了研究，结果发现，与轻度或无二尖瓣反流的患者相比，重度继发性二尖瓣反流患者的前向射血分数和GLS均显著降低，但两组间LVEF比较差异无统计学意义，尽管LVEF是评估二尖瓣反流患者左心室功能状态的指标之一，但重度二尖瓣反流患者左心室血液在收缩期会有一部分排入左心房，这时如果仍用LVEF作为衡量指标就会高估左心室的功能，STE在重度二尖瓣反流患者中发现了更差的GLS，说明心肌功能状态比想象中的更差。正确评价患者的心肌功能直接决定了手术的风险，因此STE在评价重度二尖瓣反流患者心肌功能状态方面更加敏感。

在过去的几十年中，心脏移植已成为晚期心力衰竭的标准治疗方法，准确评价患者的心功能对术后的健康管理至关重要。Moivas等[25]对接受心脏移植的患者进行研究，结果发现，移植术后尽管LVEF维持在正常范围，但早期GLS显著降低，在随访过程中，GLS逐渐改善，直至2年后才恢复正常，可见，LVEF只能反映心动周期中心腔大小的变化，仅可间接评估心功能，且对于早期心肌功能障碍不敏感，而STE可以在早期检测出心脏移植患者心功能降低，并且可以监测患者术后的心功能恢复情况，有利于对患者的随访观察。Sarvari等[26]研究证实，心脏移植后左心室GLS是临床不良预后的敏感指标，而且是患者1年病死率的唯一且非侵入性独立预测因子，灵敏度和特异度均高于LVEF。

2.5在自身免疫性疾病对心脏损伤中的应用 自身免疫性疾病与多种心血管合并症的风险增加有关，其中部分原因在于存在心血管危险因素(年龄、性别、家族史、吸烟、久坐不动的生活方式及血脂异常等)，除了这些危险因素，自身免疫性疾病导致的心血管疾病还涵盖了不同的病理生理过程(如内皮功能障碍、心肌和血管炎症以及无临床症状的加速的动脉粥样硬化)，这些均可导致心肌功能障碍，最终导致心力衰竭。在疾病早期，LVEF通常在正常范围，因此早期识别患者心功能损伤尤为重要。Fine等[27]研究发现，虽然类风湿关节炎(rheumatoid aarthritis，RA)患者的LVEF在正常范围内，但左心室和右心室的应变值显著降低，说明STE可以早期发现RA患者的亚临床心肌损害，这可能与炎症导致的加速的冠状动脉粥样硬化有关，与基底段和中间段相比，RA患者的心尖段纵向应变降低更显著，这与高血压导致的基底段应变降低和肥厚型心肌病导致的间隔应变降低显著不同，有助于将RA导致的心肌损害与其他疾病鉴别开来。Midtbø等[28]对RA的疾病活动性进行了研究，结果发现，与缓解期的患者相比，处于活动期的RA患者左心室GLS显著降低，说明较高的疾病活动度与心肌功能恶化有关，这可能是活动期的高炎症状态导致的。在一项运用白细胞介素抑制剂治疗RA患者的研究中发现，白细胞介素抑制剂治疗后左心室GLS显著改善，这更加支持了疾病活动性与心肌功能降低有关[29]。Leal等[30]对儿童期发病的系统性红斑狼疮患者进行了研究，结果发现，纵向应变和径向应变均降低，且应变参数与患者的心血管危险因素及疾病活动性均显著相关，这可能与SLE伴发的心肌炎和纤维化有关。因此，临床上控制SLE患者的疾病活动和心血管危险因素格外重要。

2.6在心肌病中的应用 肥厚型心肌病(hypertrophic cardiomyopathy，HCM)的特征是左心室心肌壁增厚。HCM的病理是心肌肥大和纤维紊乱导致舒张功能受限，通过常规超声测得的收缩功能并没有变化，不能很好地反映心肌功能的真正变化。Huang等[31]对37例HCM患者进行了研究，结果发现，与正常受试者相比，HCM患者的前间隔以及前壁心内膜层、中层、心外膜层的周向应变均显著降低，而后壁的心内膜层和中层的周向应变较正常人增大，径向应变较对照组均显著降低，虽然HCM患者的LVEF维持正常，但在肥大心肌中出现了应变值降低，这可能与HCM患者左心室肥大、心肌纤维化以及左心室心肌纤维紊乱有关，一旦左心室肥大，心内膜层、中层和心外膜层心肌纤维的正常解剖结构就会改变，收缩功能必然受损，为了维持正常的左心室收缩功能，非肥厚的心肌代偿性增强了周向应变以维持正常的LVEF；同时还发现，室间隔三层心肌的周向应变与舒张末期室间隔厚度具有良好的相关性，室间隔厚度的增加可能加重了心肌损伤。这些发现有助于了解HCM带来的早期心脏损害，为临床治疗提供帮助。

扩张型心肌病(dilated cardiomyopathy，DCM)是一种与心肌有关的疾病，其特征是心室扩张并逐渐损害1个或2个心室的收缩功能。DCM患者通常在早期无症状，但随着年龄的增长，症状逐渐出现，心脏功能开始降低，尽管大多数DCM病例是特发性的，但仍有一部分患者具有遗传特征，称为家族性DCM。Verdonschot等[32]研究发现，与对照组相比，DCM患者亲属的左心室GLS异常，并且在基因突变的亲属中发现了更差的GLS，但经过多变量分析发现，基因突变与GLS无显著相关性，而年龄、冠状动脉疾病、慢性阻塞性肺疾病等传统心血管危险因素与GLS有很好的相关性；在随后的随访中发现，具有异常GLS的患者亲属也更容易出现LVEF恶化，且这部分患者的住院率和病死率也更高。由此可见，DCM患者家属左心室GLS降低主要受心血管危险因素和DCM家族史的影响，与基因突变关系不大，这对于识别和治疗具有高风险的DCM亲属、降低病死率和住院率具有重要的临床意义。此外，STE在鉴别缩窄性心包炎和限制性心肌病方面也有重要价值。Sengupta等[33]研究发现，缩窄性心包炎患者的周向应变降低，纵向应变变化不大，而限制性心肌病患者的周向应变改变不显著，纵向应变显著降低，虽然心外膜下和心内膜下心肌分别以左、右手螺旋形式相互移行，但心内膜下心肌主要引起纵向应变的改变，而心外膜下肌纤维主要对周向应变贡献最大，缩窄性心包炎以心包增厚、钙化为主，因此主要累及心外膜下区域，而限制性心肌病以心内膜下纤维化和沉积物浸润为主，因此主要引起纵向应变的改变。运用STE可以帮助鉴别缩窄性心包炎和限制性心肌病。

2.7在接受化疗的乳腺癌患者心脏损伤中的应用 与癌症治疗相关的心脏功能障碍是蒽环类药物的常见并发症，这可能会对患者的预后产生重大影响，因此需要在接受蒽环类药物治疗后早期监测心脏功能，但传统的方法尚不足以检测出潜在的心肌损伤，而STE可通过分析心肌应变检测出亚临床心脏功能障碍。Anqi等[34]对使用蒽环类药物化疗的40例乳腺癌患者进行了研究，结果发现，随着化疗药物剂量的增加，左心室GLS逐渐降低，且在分层应变分析中发现，心内膜下应变降低最显著，这可能与心内膜下肌纤维对化疗药更敏感有关；而对各个节段进行分析发现，在前室间隔和前壁的不同节段中应变降低最显著，这些节段又是左前降支冠状动脉的供血区域，表明左前降支冠状动脉供血的心肌节段对蒽环类药物化疗更敏感。Luo等[35]运用斑点追踪分层应变技术同样在接受表柔比星化疗的乳腺癌患者中发现了左心室GLS降低，且这种改变只发生在心内膜下心肌中，这可能与心内膜下心肌收缩期增厚率最大、更容易检出有关。

3 STE的局限性

解决STE的一些主要局限性是非常必要的。首先，对超声心动图图像质量和帧频的依赖性导致STE并不能适合每一例患者，尤其是体位不佳者；其次，即使获得了最佳图像，在纵向分析期间，左心室侧壁的分辨率也可能会降低，有时前壁也是如此。另外，由于肋骨的混响伪像，径向应变的重复性不如纵向应变和周向应变[36]。除了这些技术困难外，STE还需要离线分析，这无疑会延长检查时间，因此需要综合考虑。

4 小 结

作为一种评估心功能的新技术，STE从首次应用于临床到目前已经取得了很大进展，并且已经应用于不同的临床环境，不仅弥补了常规超声技术的不足，还提供了很多额外的诊断信息，为临床疾病的评估和治疗提供了很大的帮助。应变参数也已经开始包含在指南和共识文件中，如在美国超声心动图学会和欧洲心血管成像协会关于超声心动图心腔量化的共识文件中应变被视为左心室功能的重要指标[1]，表明了应变参数在左心室功能分析中的重要价值。同时，STE还具有良好的可行性和可重复性，在心脏疾病中具有较高的应用价值。