应用2种三维超声心动图定量分析软件在不同图像帧频下评价左心室收缩功能和同步性

孔凡鑫，李光源，王永槐，马春燕，杨军

（中国医科大学附属第一医院心血管超声科，辽宁省影像医学临床医学研究中心，沈阳 110001）

准确评价左心室容积和收缩功能可为诊断心脏疾病、评价病变程度、指导治疗和判断预后提供重要依据，是超声心动图工作中一个常规且重要的部分，对心脏病患者有重要的临床意义［1］。与二维超声心动图（two-dimensional echocardiography，2DE）相比，三维超声心动图（three-dimensional echocardiography，3DE）分析左心室容积和收缩功能无需依赖对左心室形态的几何学假设，具有更高的准确性和临床预后价值［2-3］，且最新指南也推荐尽可能使用3DE评估左心室容积和收缩功能［4］。

3DE具有相对较低的帧频是限制其广泛应用的原因之一，可能导致无法获得心动周期内所有阶段心肌运动，造成测量结果存在一定误差［5-6］。但不同图像帧频是否导致测量结果存在差异，目前尚不明确。临床上现有多种3DE定量分析软件，如QLAB和TomTec，可量化评估左心室容积、收缩功能和同步性，这些软件对左心室容积和左心室射血分数（left ventricular ejection fraction，LVEF）定量评估的准确性已被广泛验证。但不同软件间是否存在差异，目前研究较少。本研究探讨了2种3DE分析软件QLAB和TomTec以及同一软件不同图像帧频下测量的左心室容积、收缩功能和同步性是否存在差异。

1 材料与方法

1.1 研究对象和分组

收集2019年4月至6月于门诊就诊的受试者73例。其中，男43例，女30例；年龄25～74岁，平均（52.1±15.1）岁；正常人13例，高血压患者10例，冠状动脉粥样硬化性心脏病患者10例，阵发性心房颤动患者9例，左束支传导阻滞患者16例，扩张型心肌病患者9例，心脏再同步化治疗患者6例。本研究通过我院伦理委员会批准，所有患者均签署知情同意书。

纳入标准：临床状态稳定，可以配合屏气数秒检测者；经胸超声心动图透声清晰，可清晰显示左心室心内膜。排除标准：孕妇，非窦性心律者，左心室室壁瘤或其他心腔形状无法被识别者，左心室心肌16节段中有3节段以上显示不清者。

根据LVEF是否减低，将受试者分为2组：LVEF正常组（LVEF≥53%）和LVEF减低组（LVEF＜53%）。

1.2 仪器和方法

采用Philips iE33型超声诊断仪，配有S5-1二维超声探头和X3-1三维超声探头，频率分别为1～5 MHz和1～3 MHz。

1.2.1 图像采集：每位受试者2DE和3DE图像的采集均由同一位具有至少3年超声心动图诊断经验的医生获取。检查时受试者均取左侧卧位，连接体表心电图。

1.2.1.1 2DE图像采集 应用S5-1探头留取各切面标准图像，在机采用Simpson’s法，通过手动勾画心尖四腔心和二腔心切面舒张末期和收缩末期心内膜，获取左心室舒张末期容积（left ventricular enddiastolic volume，LVEDV）、左心室收缩末期容积（left ventricular end-systolic volume，LVEDV）和LVEF。

1.2.1.2 3DE图像采集 应用X3-1探头获取心尖四腔心切面，选择full-volume程序。在调整图像对比度、深度和扇区大小后，嘱咐患者屏气，采集3DE图像，注意将整个左心室包含在三维扫描体积内。为获取2种不同帧频的3DE图像，分别采集4个和6个心动周期全容积图像，帧频分别为（17±2）fps（低帧频）和（22±3）fps（高帧频）。存图用于分析。

1.2.2 3DE图像分析：

1.2.2.1 QLAB定量分析 应用QLAB 13.0软件3DQA插件对图像脱机分析，于心尖四腔心、二腔心和左心室短轴参考切面上手动校正平面，分别在舒张末期和收缩末期标记参考点，运行程序，获得LVEDV、LVESV、LVEF和左心室收缩不同步指数（systolic dyssynchrony index，SDI，即左心室各节段达最小容积时间的标准差）。见图1A。

1.2.2.2 TomTec定量分析 应用TomTec（Image-Arena 4.6）软件对图像脱机分析，软件自动从3DE图像中切割出3个心尖参考平面，利用旋转功能使心室达到最佳显示方位，调节对比度使心内膜显示最佳，软件自动勾画舒张末期和收缩末期左心室心内膜，对勾画不佳处进行手动校正，运行程序，获得LVEDV、LVESV、LVEF和SDI。见图1B。

图1 3DE左心室容积、LVEF和同步性的测量Fig.1 3DE measurement of the left ventricular volume，LVEF，and synchronization

1.3 统计学分析

采用SPSS 19.0软件进行统计分析。计量资料用表示，2组间比较采用t检验，多组间比较采用单因素方差分析和配伍组设计方差分析。计数资料用百分数表示，采用χ2检验进行比较。相关性分析采用Pearson相关分析；一致性分析采用Bland-Altman法，90%以上的点落在95%可信区间认为一致性较高。P＜ 0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 一般临床参数的比较

LVEF正常组与LVEF减低组比较，受试者的年龄、性别、体表面积、心率、QRS时限、收缩压和舒张压的差异均无统计学意义（P＞ 0.05）。见表1。

表1 受试者一般临床参数的比较Tab.1 Comparison of general clinical characteristics of the participants

2.2 同一3DE 分析软件在2种图像帧频下测量结果的比较

在所有受试者中，应用同一3DE 分析软件（QLAB或TomTec），在低帧频和高帧频下测量的LVEDV、LVESV和LVEF均无统计学差异（P＞ 0.05），但高帧频图像测量的SDI显著大于低帧频图像（P＜0.05）。见表2。

表2 同一3DE 分析软件2种图像帧频下测量结果的比较Tab.2 Comparison of 3DE data taken at two frame rates

2.3 2种3DE分析软件测量结果的比较

因高帧频图像测量的SDI更高，所以本研究选取所有受试者的高帧频图像进行QLAB和TomTec测量结果的比较。

在所有受试者、LVEF正常组和LVEF减低组中，QLAB和TomTec测量的LVEDV、LVESV和LVEF均无统计学差异（P＞ 0.05），而TomTec测量的SDI显著大于QLAB（P＜ 0.01），所有受试者中2种软件测量的SDI差值为（2.91±3.19）ms。2DE Simpson’s法测量的LVEDV和LVESV显著低于2种3DE软件，测量的LVEF高于2种3DE软件（均P＜ 0.001）。见表3。

表3 所有受试者、LVEF正常组和LVEF减低组中2种3DE分析软件和2DE Simpson’s法测量结果的比较Tab.3 Comparison of Simpson’s method in two-dimensional echocardiography with the two 3DE applications in all participants and in the normal and decreased LVEF groups

2.4 2种3DE分析软件测量结果的相关性和一致性分析

QLAB和TomTec测量的LVEDV、LVESV和LVEF呈高度正相关（r=0.939，0.969，0.963，均P＜ 0.001），SDI呈中度正相关（r=0.628，P＜ 0.001）。见图2。

图2 QLAB和TomTec测量左心室容积、收缩功能和同步性的相关性分析Fig.2 Correlation of the left ventricular volume，systolic function，and synchrony parameter detected by QLAB and TomTec

Bland-Altman图像显示，QLAB与TomTec测量的LVEDV、LVESV、LVEF和SDI一致性均良好，仅约5%～7%的点位于95%一致性界限外，在临床可接受范围内。见图3。

图3 QLAB和TomTec测量左心室容积、收缩功能和同步性的一致性分析Fig.3 The Bland-Altman plot showing the measurements of left ventricular volume，systolic function，and synchrony parameter detected by QLAB and TomTec

3 讨论

准确评价心脏血管结构和功能对临床诊断和治疗具有重要意义，超声心动图是临床首选的影像学检查方法［1，7］，常用成像技术包括2DE和3DE。2DE受声束方向和声学窗口限制，且只能通过单一切面对心腔结构进行几何假设，存在一定的误差［2，8］。而3DE利用时间信息和空间特征编制信息，与常规2DE相比，能够更准确地评价心腔结构和功能，且与MRI相关性较好，得到临床一致认可［8-9］，并被美国超声心动图学会心腔定量指南推荐测量左心室容积和LVEF［4］。此外，3DE可同时显示左心室各心肌节段容积-时间曲线，评价左心室收缩同步性［10］。

心脏是一个不断运动的器官，实时显示心脏运动状态是准确评价心脏结构和功能的重要前提，低帧频可导致心动周期内部分时间点心肌运动信息丢失，造成测量误差，而3DE图像帧频较低是其目前无法避免的局限性［11］。因此，采集3DE图像时，在保证图像完整性和高质量的前提下，超声医生会尽可能提高帧频，但不同帧频是否对心脏功能和同步性测量产生影响，目前尚不明确。本研究在保证软件可以分析的情况下，采集了4个和6个心动周期全容积3DE，得到帧频分别为（17±2）fps和（22±3）fps的图像。结果显示，不同帧频下同一软件测量的左心室容积和收缩功能无统计学差异；而高帧频图像测量的收缩同步性参数SDI明显大于低帧频图像。SDI是通过计算左心室各节段心肌达最小容积的时间标准差来反映收缩同步性，对软件心内膜缘追踪的准确性要求更高，高帧频可以提供更多的心肌运动时间信息，而低帧频可能错过某个心肌节段达到最小容积的时间点，造成较大误差。

临床现有多个可以测量心脏容积和功能的3DE分析软件，它们具有多种后处理选项和不同优点［12］，其中TomTec和QLAB是临床常用软件，二者测量方法均可结合手动标注的特定参考点（心尖、二尖瓣环等），进行心室腔三维立体构建，自动追踪心动周期内心内膜边界变化，从而计算心室容积和射血分数。但TomTec和QLAB的使用方法和分析存在一定差别：TomTec需要对心内膜边界进行三平面手动勾画，生成左心室几何模型，追踪结果不符合实际时可对每个平面逐帧进行手动校正；而QLAB不需要手动勾画心内膜边界，定义舒张末期和收缩末期帧后，只需要标定5个参考点（1个心尖，4个二尖瓣环），即可识别左心室几何模型［13-14］，但仅可在舒张末期和收缩末期手动校正心内膜缘。本研究对所有受试者应用TomTec和QLAB测量的左心室容积和收缩功能无显著差异。进一步将受试者分为LVEF正常组和LVEF减低组，结果显示，无论LVEF是否减低，2种软件测量的左心室容积和收缩功能亦无显著差异，并且2种软件测量的左心室容积和收缩功能均呈高度正相关，一致性良好。但2种软件在测量左心室收缩同步性时，无论LVEF是否减低，TomTec测量的SDI均明显大于QLAB。SDI测量要求软件对心内膜缘追踪的准确性很高，而QLAB自动识别心内膜，仅在收缩末期和舒张末期可以手动调整，对每个节段达最小容积的时间和心内膜缘不能实时校正，因此可能不能反映室壁实际的机械活动，尤其对于左心室收缩不同步的患者可能存在较大误差。而TomTec可逐帧矫正心内膜缘，对左心室各节段心肌机械收缩运动的实时检测更敏感。

本研究的局限性：样本量小；未与MRI金标准对比；未纳入心内膜图像欠清晰者。

综上所述，不同3DE分析软件在不同图像帧频下测量的左心室容积和LVEF无显著差异，测量的左心室同步性有显著差异，提示超声医生采集3DE图像时要尽可能提高图像帧频，以免丢失重要信息；在分析3DE图像时，尽可能采用同一种软件，从而减少人为测量误差。