心电成像技术临床应用展望

娄洋 周鑫斌 毛威

《中国心血管健康与疾病报告2020》指出，中国心血管病患病率处于持续上升阶段，心血管疾病死亡率仍居首位，每5 例死亡患者中2 例死于心血管疾病[1]。自1887年英国科学家沃克记录第一张心电图以来，心电图用于非侵入性分析和评估各类心血管疾病已逾百年，目前已成为临床诊治工作中最重要，应用最广泛的技术之一[2]。但心电图存在不少固有缺陷，如心电图所提供的心脏信息空间分辨率精度不高[3]，特别是对于例如房室旁路、室性期前收缩/室性心动过速（下称室速）等无法精确定位。心电图对于心脏再同步化治疗（cardiac resynchronization therapy，CRT）后反应性以及心电同步性的评估也严重受限。因此，对于心律失常的明确诊断、评估及治疗，常常需要侵入性的腔内心电标测手段，而这些手段在增加风险的同时，对于心房颤动（下称房颤）等复杂心律失常的电生理机制明确仍有不少局限性[4]。新兴的心电成像技术（electrocardiographic imaging，ECGI）有效弥补了传统心电标测以及侵入性标测的不足，特别是针对一些复杂类型心律失常，ECGI 可通过结合多导联体表心电信息以及心脏—躯干仿真解剖模型，逆向性重建出三维可视化的心脏电活动模型，从而提供精确性的心律失常机制特征分析，为这类疾病诊治提供指导[5-6]。本文对ECGI 的临床应用进展作一述评。

1 ECGI 概述

ECGI 也被称为心电标测技术，是通过结合多导联（可多达252 电极）体表心电信息及心脏—躯干解剖信息，经数学计算，逆向性重建出心脏1 000 多个位点的单极电图，构建心脏三维仿真模型上各个位置的电生理活动的时空动态信息，非侵入性地记录并构建心电激动模式、激动序列等时线及复极化心电模式等，可有效弥补常规心电检查对于复杂心律失常标测的局限性。ECGI 具有无创性、高分辨性、连续标测性等特点，甚至可以在1 次心搏周期内重建出整个心脏的激动信息，为心律失常的临床评估诊治以及复杂性心律失常电生理机制研究提供了更具优势的标测手段[5-6]。

2 ECGI 的临床应用

自1977年ECGI 技术的概念诞生以来，经过40多年的技术革新，其心电成像算法及重建技术已趋于成熟。既往不少研究将该技术应用于不同类型实验动物，探索了其不同生理及病理状态下的电生理特点，积累了较多证据，同时也促进了其理论技术的不断发展。目前国内外已有40 余项临床研究，充分评价了ECGI 作为诊断工具在不同类型心律失常，如房性心律失常、室性心律失常等诊治中的作用及实际临床使用价值[7]。

2.1 室性心律失常 室性期前收缩以及非持续性室速等是临床常见的心律失常类型，其临床表现差异很大，可以毫无症状，也可引起血流动力学障碍甚至引发心脏性猝死，同时频发室性心律失常可导致左心功能不全及扩张型心肌病[8]。明确潜在的结构性心脏病、室性心律失常的起源位置及具体发病机制对制定有效治疗方案至关重要。如前所述，心电图检查因其心电标测精确性不高等固有缺陷，在标测室性心律失常机制以及定位心律失常起源灶等方面受限严重，心电标测特异度和灵敏度都有所限制[9]。ECGI 在室性心律失常标测方面展现出了较高的精确性及有效性，尤其在室性期前收缩、室速等疾病基础研究及临床验证中。国内外有不少临床研究聚焦于ECGI 在室性心律失常基质研究、起源灶定位以及指导心律失常射频导管消融（下称消融）治疗，做了诸多探索性工作[4]。

目前针对室性期前收缩/ 室速的药物治疗证据相对不足，且药物治疗效果因人而异，部分室性期前收缩/ 室速十分顽固，伴有明显的临床症状。近年来发展迅速的消融治疗对于症状性室性期前收缩/ 室速充分显示出其有效性及安全可靠性。但这一侵入性检查及腔内标测方案也存在局限性，如术中起搏标测空间分辨率低、依赖于术中持续的自发性期前收缩或短阵室速用于起源灶定位等等，致使侵入性电生理检查以及手术时间较长。ECGI 通过无创性标测，可以为术者在术前提供较为精确的心律失常起源位置，对于制定手术方案及术前评估风险等有重要意义[9]。如Jamil-Copley 等[10]使用ECGI 技术定位室性期前收缩起源部位，结果显示其成功率为96%，而相对比的心电图组定位准确率仅为37%～58%。Erkapic 等[11]采用随机对照研究方案进一步比较了ECGI 与侵入性标测系统标测准确性，结果显示ECGI 识别室性心律失常起源心腔及具体起源位置准确性达到95.2%，而使用心电图诊断的准确性仅为76.2%，同时利用ECGI 指导消融有助于减少手术时间及放电次数。类似的，本团队在既往研究中基于27 例室性期前收缩/ 室速患者比较了ECGI 与心电图定位起源位置准确性，结果显示ECGI 定位精确性显著高于心电图方案（95.5%比59.15%）[12]。

在室速标测方面，超过90%的持续性单形性室速多是由于心肌梗死后心室瘢痕区域幸存组织的折返引起[13]。消融也是目前改变瘢痕基质，治疗室速的重要方法，如消融阻断瘢痕组织内室速电传导回路等，但对于大多数室速患者来说，即使血流动力学稳定，瘢痕的标测也存在不少困难[13]。借助ECGI 工具，可以为患者室速的机制明确及方案制定提供指导。如Cuculich 等[14]研究发现室速相关瘢痕在ECGI 上可表现为低电压、碎裂电位以及电位延迟等特点，借此可准确地将心电异常“瘢痕”区在解剖模型上标记，其灵敏度为89%，特异度85%。同时Wang 等[13]研究发现，ECGI 可通过识别心肌瘢痕及心电信号异常区域，实现对室速相关瘢痕的精确定位。

类似的，有学者基于ECGI 研究心室颤动（下称室颤）时“震颤中心”或室颤触发点，探索了ECGI 技术用于研究室颤的异常基质标测的可行性。如Haissaguerre 等[15]研究了24 例特发性室颤幸存患者，发现近2/3 的特发性室颤患者具有亚临床的局部电生理基质结构改变。Frontera 等[16]也提出了室颤异常基质的验证，并探索了这些关键部位消融的可行性。ECGI 的出现为室速、室颤等基质标测提供了新的无创手段。对于室性期前收缩等患者，ECGI 能够在术前无创性、高精确性定位起源位置，对于提高其射频消融手术的有效性及安全性大有裨益。

2.2 房性心律失常 不少研究显示，ECGI 对于房性心律失常的局灶起源点的标测亦或是房性心动过速（下称房速）的折返机制研究同样具有较高精确度，与腔内心电标测结果也有很好的相关性[17]。如Shah 等[17]基于ECGI 标测房速时大折返环机制以及精确定位局灶房速起源灶；Wang 等[18]定位肺静脉隔离术后房速的最早起源点；以及Cakulev 等[6]基于ECGI 明确了峡部依赖性和非峡部依赖性心房扑动的不同特点及关键峡部位置。上述证据显示实时标测的ECGI 在房速等基质研究及起源定位中的作用，特别是对于某些不持续、难易诱发、发作次数少的房性期前收缩及房速，ECGI 甚至可以在1 个心动周期内完成标测。

房颤是临床上最常见的心律失常之一，基于肺静脉电隔离的消融策略是房颤消融治疗的基石，但其长期成功率仍并不理想，究其原因是房颤根本的电生理机制并不明确，并且经验性的消融也存在很强的致心律失常作用，目前尚缺乏理想的心电标测手段[19]。ECGI 技术的出现为房颤的全局标测带来了希望，其非侵入性、可持续性、高密度且左右心房可同步全局标测的特点解决了传统标测方法的不足，是其电生理机制研究的强有力的武器。Cuculich 等[20]探究了26 例患者房颤的机制，并展现了房颤电激动的复杂性。房颤驱动子中有局灶及折返小波活动的存在，同时研究发现房颤的复杂程度与房颤持续时间以及房颤类型相关。Haissaguerre 等[21]团队研究了103 例持续性房颤患者心电活动特点，表明局灶电活动和折返活动是房颤的主要机制。同时有研究也显示，房颤的复杂性随其持续时间的增加而增加，随着阵发性房颤变为持续性房颤，驱动子可弥漫分布至双侧心房；折返驱动子大多位于肺静脉口及其周围结构[22]。Cochet 等[5]研究描述了心外膜上的转子活动特点并准确检测了其轨迹的核心位置。上述研究结果也在本团队近期相关研究中得以证实。ECGI 的出现不仅为房颤机制标测提供了更加优化的无创工具，也让临床对房颤发生、发展及维持机制有了更加深入的认识。更重要的是，通过ECGI 辨别房颤患者电生理机制特点及复杂程度，有助于房颤患者危险分层、筛选合适消融治疗的患者并且指导个体化的基于电生理机制的射频消融策略，进一步提高其成功率。

2.3 CRT 作为心力衰竭非药物治疗的组成部分，CRT 是对射血分数降低型心力衰竭的有效干预，可改善其心力衰竭症状、提高生活质量及生存率[23]。然而多项研究表明，临床上仍有30%左右的患者表现为CTR 无应答[24]，对心脏电活动不同步程度的模糊识别及判断，可能是引起CRT 成功率较低的主要原因[25]。

通过QRS 波群持续时间可评估心室激动同步化程度，然而窄QRS 波群也可存在明显心室不同步收缩，甚至部分患者对CRT 应答效果优于宽QRS波群患者，而心电图无法区别上述患者，对于心脏局部区域内或者不同区域之间的激动关系亦无法评估。ECGI 则可通过评估局部及整体激动时间的空间离散度，评估心室同步化程度。如Silva 等[26]借助ECGI 研究患者心电活动不同步化参数，发现CRT响应的患者参数值明显低于无响应患者，基于数据可有效评估哪些患者将从CRT 中受益。Revishvili等[27]及Ploux 等[28]进一步引入心室电解耦（ventricular electrical uncoupling，VEU）的概念，并研究发现通过VEU 评估CRT 植入指征有着极高的灵敏度与特异度，可以更有效地筛选适合CRT 植入的患者。

ECGI 的另一大优势是可通过无创性标测，明确局部的电生理基质信息，确定最迟激动区域位置及其基质特点，提供更多细节信息，从而引导心室导线的放置[29]，使得每例患者均能获得最适合导线放置位置及最有效的设备编程，充分实现了患者个性化方案制定，有助于提高CRT 响应率[30]。

2.4 其他心律失常 除了房性及室性心律失常，国内外不少研究者也将ECGI 用于其他及特殊类型心律失常的电生理机制分析及评估，如Vijayakumar等[31]利用ECGI 标测长QT 综合征（long QT syndrome，LQTS）患者电生理基质特点，发现LQTS 中电生理基质的特征之一是心室心外膜复极离散度增加以及局部动作电位时程延长。该结果进一步支持折返理论作为LQTS 的主要机制，提示ECGI 可用于该类患者风险评估及危险分层。同时对于Brugada 综合征（brugada syndrome,BrS），研究显示BrS 患者在ECGI中可显示出特征性电生理学异常如异常传导及复极化共存等[32]。Zhang 等[33]研究发现ECGI 还可基于上述电生理基质异常区分具有相似体表心电图的BrS患者和非BrS 右束支传导阻滞患者，对于患者的诊治及预后判断具有重要价值。

临床方面，研究者将ECGI 用于预激综合征旁路定位，如Cakulev 等[34]及Berger 等[35]利用ECGI 准确地预测心室预激旁路部位，并且经腔内心电标测得到验证。对于早期复极综合征（early repolarization syndrome，ERS）患者，Nademanee 等[36-37]借助ECGI的高密度双心室心内膜和心外膜标测，实现了对该类患者早期复极模式起源的精确定位，并给予消融治疗，在中位随访37 个月后，发现消融阻止了81%的ERS 患者复发[22]，展现了ECGI 在一些传统标测无法明确的特殊类型心律失常患者中的临床价值。

3 ECGI 存在的缺陷及技术进展

自1977年ECGI 技术首次提出以来，从基础算法研究到大型动物模型研究，以及目前广泛开展的临床研究，ECGI 技术更新及研究进展的步伐从未停止[22]。尽管如此，ECGI 技术的推广及应用仍存在众多难点。其中最重要是ECGI 重建中，体表心电逆向投射至心脏的逆向重建算法的构建。目前大多数逆向重建算法将心脏躯干视作均质容积导体，其假设人体是均匀而同向性的，胸廓表面电位仅取决于胸廓和心外膜表面的几何形状及他们之间的几何关系[38]。然而真实人体心脏躯干模型受到内脏、脂肪、肌肉等复杂因素影响，这也直接导致ECGI 心电逆向重建算法的病态特性[39]。

当然随着目前ECGI 的不断研发迭代，这一误差正逐步缩小。如Bacoyannis 等[40]将人工智能与ECGI 相结合，开发出β-CVAE 系统，进一步提高了成像准确性。本研究团队既往研究提出的逆向重建算法也展现出较高重建精确性[39]。另一方面，ECGI目前大多聚焦于心外膜电位的反演重建，因受心肌厚度、瘢痕等影响，心外膜与心内膜激动往往存在差异，也导致某些特殊类型心律失常的标测不准确性，依赖于腔内的心电标测。更重要的是，ECGI 采集、重建、分析等过程较为复杂，需要团队协作参与，而不同国家、不同团队间使用的采集设备、体表电极数量、模型重建算法及心电反演算法等均存在差异。尽管2014年成立的心电成像联盟提出了ECGI 研究的国际统一标准和框架，但目前不同研究间结果仍存在难以比较及验证的情况，一定程度上限制了其结果的临床推广应用[41]。国内外已经进行或进行中的40 余项ECGI 临床研究，大多数为小样本临床人体试验，其研究结果仍需更多大型的多中心临床随机对照研究来加以证实及推广应用。

从近几年发展趋势看，随着ECGI 心电成像算法以及重建技术趋于成熟，其临床试验的同质性及质量也不断提高，因此ECGI 技术在心血管疾病诊治领域的基础研究及临床中的应用仍有很大提升空间，如针对不同类型心律失常风险评估及分层、用于房颤左心房功能评价、构建基于ECGI 心房基质特点的房颤复发及预后评分体系等，并且有望利用ECGI 制定个体特异度的、基于心律失常基质特点的导管消融策略，以辅助或指导复杂心律失常的临床治疗。上述研究结果的问世，也有望突破目前在如房颤等复杂性心律失常诊治中的一系列技术瓶颈问题，为其临床干预及研究提供新技术、新方案。

4 总结及展望

ECGI 作为一种非侵入性心电标测技术，具有无创性、高分辨性、连续标测性等特点，有效弥补了12导联心电图以及侵入性心电生理检查不足。尽管目前ECGI 系统及算法存在一定的缺陷，但是随着时代的发展以及各类研究的不断深入，这些缺陷终将逐渐完善。国内外越来越多临床证据表明，ECGI 在探究包括房性、室性等各类心律失常的发生机制以及指导临床治疗方面的巨大作用，有助于实现患者个性化的、基于电生理机制特点的治疗方案，从而提高诊治效果，在未来的临床及科研过程中均有着巨大的应用前景。