使用3D超声心动图评估左心室结构和功能

Summary

在本文中，我们为通过3D超声心动图对左心室进行容量评估和斑点跟踪分析提供了分步采集和分析方案，特别关注最大化该技术可行性的实用方面。

Abstract

左心室 （LV） 的三维 （3D） 定量在诊断准确性和各种心脏疾病的精确风险分层方面提供了显著的附加值。最近，3D超声心动图在常规心脏病学实践中变得可用;然而，高质量的图像采集和后续分析具有陡峭的学习曲线。本文旨在通过提供提示和技巧以及强调潜在的陷阱来引导读者通过详细的3D协议，以促进有关LV的这一重要技术的广泛但技术上合理的使用。首先，我们展示了以最佳空间和时间分辨率获取的高质量3D数据集。然后，我们通过使用应用最广泛的内置软件之一，介绍了对LV进行详细定量的分析步骤。我们将通过测量射血分数和心肌变形（纵向和圆周应变）来量化左心室体积，球形度，质量和收缩功能。我们将讨论并提供临床示例，说明强烈建议从传统的超声心动图方法过渡到基于3D的定量的基本场景。

Introduction

评估左心室 （LV） 形态和功能是心脏病学中一般甚至更具体检查的主要目的¹。广泛可用的无创经胸超声心动图（TTE）可以提供大量信息，是方便，快速且具有成本效益的评估的首选方法。

低压质量、容量和随后的射血分数的测量具有重要的诊断价值和预后价值²。给定的度量值越准确，其值就越高。与金标准心脏磁共振（CMR）成像衍生值更好的相关性是对超声心动图技术的持续追逐。通常，临床实践指南推荐双平面辛普森方法测量左心室体积和射血分数³。然而，左心室是一种三维（3D）结构，其形状通常不规则，因此，在某些临床场景中，几个断层扫描平面无疑无法准确描绘左心室形态和功能。超声波硬件和软件技术的最新进展允许实时3D成像的发展，这彻底改变了超声心动图方案。

此外，需要对壁运动异常进行定量方法，导致变形成像的兴起⁴。应变和应变速率参数可以通过使用标准灰度图像的斑点跟踪来计算。3D 超声心动图还可以克服二维应变评估的几个缺点⁵。从昂贵的科学工具，3D超声心动图开始成为日常临床实践中使用的一种强大技术，而LV的定量无疑是这一突破的第一线。

本文旨在通过提供提示和技巧以及强调潜在的陷阱来引导读者通过详细的3D协议，以促进有关LV的这一重要技术的广泛但技术上合理的使用。

Protocol

该协议遵循塞梅尔威斯大学科学与研究伦理区域和机构委员会的指导方针。本协议适用于特定供应商。尽管无论使用超声机和后处理软件，某些步骤仍然有效，但如果使用其他供应商的解决方案，则可能存在重要差异。

1. 技术要求

1. 利用能够进行3D成像的超声心动图机。
2. 连接具有 3D 经胸超声心动图功能的相控阵换能器。
3. 应用超声系统的内置3导联心电图，使系统能够将记录和分析同步到心脏周期。

2. 采集3D超声心动图图像

1. 将患者置于左侧侧卧位（患者躺在左侧，左臂伸展到头顶上方）。
2. 确保屏幕上的心电图追踪质量良好。
   注意：这是后处理的先决条件，因为软件将根据ECG信号检测心脏周期的不同点。
3. 解冻图像，并开始用换能器检查患者。可视化传统的顶点四腔视图。
4. 通过将扇区宽度调整为左心宽，降低深度以截断左心房以及使用轻微的过度加气来优化图像质量。
   注意：确保整个左心室内膜和心外膜表面可见。
5. 按 4D 按钮切换到 3D 模式。
   注意：通过按触摸屏上的" 多切片..." 按钮，将有四个选项（5、7、8、12 切片）使用标准的短轴和长轴切割来概览 3D 数据集。如果需要，可以校正探头定位，以确保将整个左心室壁厚度从顶端到二尖瓣水平纳入金字塔3D数据集。建议使用 12 个切片（具有 9 个可调节的短轴视图）。
6. 使用多拍或单拍模式采集 3D 图像。
   1. 使用 Multi Beat 模式实现更高的空间和时间分辨率，其中数据集将从 2、3、4 或 6 个心脏周期重建（可在屏幕上设置） - 患者呼气结束呼吸和稳定的换能器定位，以最大限度地减少拼接伪影。
      注： 单拍 采集的空间和时间分辨率较低。然而，大多数现代传感器具有更好的质量，因此可用于获取适当的3D数据集，而无需重建以进行进一步分析。作为一般建议，建议使用每秒超过 15 卷的音量率进行进一步分析。
   2. 当从子卷重建全卷并且整个LV可见时，冻结图像。使用"周期选择"和"循环次数"旋钮，选择获得最佳获得的心脏周期，然后按"图像存储"。
      注：拼接伪像在空间上或暂时未对齐的子卷彼此相邻。具有显著左心室壁凹陷或具有拼接伪影的数据集通常不适合进一步分析。可以使用多切片模式仔细检查已获取的 3D 数据集的质量。

3. 后处理以量化左心室形态和功能

1. 选择适合进一步分析的 3D 数据集。
   注意：该协议的这一部分需要先前获取和保存的高质量3D图像，并且可以在超声机器和单独的工作站上执行。
2. 单击" 测量|音量，然后选择 "4D 自动 LVQ"。
3. 在四屏（三个顶面视图：四个、两个和三个腔室视图，以及一个短轴视图，后者可以通过长轴视图上的水平平面进行调整）上，软件会要求 修改顶点切片与标准视图的对齐方式。如果需要，通过倾斜和旋转手动校正顶点视图以显示相应的标准视图，从而消除透视收缩。设置倾斜以通过在长轴视图上拖动和移动卡钳来将卡钳与LV的长轴对齐。通过机床上相应的或 "全部旋转" 旋钮或通过调整短轴图像上的卡钳来设置旋转。
   注：可通过按下 "自动对齐 "按钮重置软件建议。
4. 完成视图对齐后，单击下一步 EDV。舒张末期 （ED） 帧使用心电图信号自动检测，但如有必要，可以手动校正。
5. 左心室内膜和心外膜表面的半自动检测
   1. 在任何顶点视图上手动选取两个地标点。首先，在任何顶点视图中识别左心室顶点，然后确定左心室基底的中间（二尖瓣环空水平）。该算法将自动勾勒整个左心室的心内膜边界。
      注意：还有两个选项： 手动，这意味着在每个顶点视图中应设置两个基础和一个顶点，以及 自动初始化，它将自动勾勒左心室轮廓，而无需任何用户交互。
   2. 检查三个顶点视图、三个不同级别的短轴视图和第四个用户控制的短轴中的等值线可信度，以便对检测到的表面进行视觉验证。通过手动添加点，可以进行等值线校正，然后将这些点合并到等值线中。
      注意：使用 "撤消"时，可以删除以前添加的点。 "重置 "按钮可重置轮廓，以从头开始整个部分。可以调整轮廓可见性，以便在灰度图像上欣赏心内膜表面。心内膜和心外膜轮廓应以准确和一致的方式进行。有关详细建议，请查看以下参考资料⁶。
   3. 选择下一步，即 ESV。
   4. 重复上述相同的程序（3.5.1-3.5.2），以识别和纠正收缩末期框架上的心内膜轮廓。
      注：收缩末期（ES）框架使用ECG信号自动检测，但如有必要，可以手动校正。舒张末期体积 （EDV）、收缩末期体积 （ESV）、射血分数 （EF）、心率 （HR）、每搏量 （SV）、心输出量 （CO） 和球形指数 （SpI） 的值已显示在屏幕上。
   5. 按 音量波形 进行下一步。该软件显示左心室的动态3D模型以及时间体积曲线，因为它在整个心脏周期中逐帧跟踪心内膜表面（图1）。
      注意：在这里，可以在任何帧处编辑心内膜边界。
   6. 对于下一步，按 左心室质量。该软件自动勾勒舒张末期框架上的左心室外膜轮廓，并计算左心室肿块（EDMass）。
      注意：如有必要，通过添加点以在任何短轴或长轴平面中包括（与前面描述的方法相同）来编辑心外膜表面的轮廓。可以选择要调整的轮廓：Endo，Epi或Endo + Epi。
   7. 按 4D 应变 ROI 进行下一步。该软件自动勾勒收缩末期框架上的左心室外膜轮廓，并计算左心室收缩末期质量（ESMass）。
      注意：如有必要，编辑心外膜表面的收缩末期轮廓，方法是添加点以在任何短轴或长轴平面中包括（与前面描述的方法相同）。ESMass 应具有与 EDMass 相似的价值。此步骤对于通过斑点跟踪计算 3D 应变值至关重要。
   8. 按 4D 应变结果 进行下一步。该软件可逐帧可视化多个短轴和长轴平面上的 3D 心肌跟踪，以及整个心脏周期中 17 个标准左心室段的相应应变值。还显示了时间应变曲线和牛眼图。计算并可以演示以下参数：纵向应变，圆周应变，径向应变，面积应变，旋转和扭转。
      注意：如果通过对图像的目视观察或基于时间应变曲线认为特定左心室段具有低跟踪质量，则有可能将其从分析中排除。但是，默认情况下，软件建议在段批准或拒绝时进行审批或拒绝。通过更改"布局"，可以在LV的动态3D模型上可视化颜色编码的应变值。
6. 要终止分析，请按 批准并退出。

Representative Results

左心室的 3D 分析在大多数患者中是可行的。病例1是一名健康的志愿者，心室容积和功能正常（图1）。病例 2（图 2）是一名 64 岁男性患者，伴有扩张型心肌病和宽 QRS 复合体（160 ms）左束支传导阻滞形态。黄金标准CMR测量值如下：舒张末期体积：243 mL，收缩末期体积：160 mL，射血分数：34%，左心室质量：163g。传统的线性超声心动图测量显著低估了左心室体积（舒张末期：139 mL，收缩末期：76 mL）和高估的射血分数（45%）和左心室质量（469 g）。然而，3D超声心动图测量更接近黄金标准，如图 2所示。此外，通过3D斑点跟踪对心肌力学的分析提供了有关不同步收缩和节段功能障碍的有意义的数据。患者后来接受了成功的心脏再同步治疗。

图1：一名18岁女性志愿者的3D LV分析，没有任何心血管疾病。 当前图像是指 体积波形 （步骤 3.5.5）。在屏幕左侧，可以看到三个不同的LV长轴和一个短轴视图;绿色轮廓代表舒张末期心内膜表面。在右上角，主要结果可见，显示了正常的左心室体积，形状和功能。在此之下，可以看到整个心脏周期中的3D左心内膜心内膜表面模型（红色）和时间体积曲线。 ED：舒张末期，ES：收缩末期，EDMass：左心室肿块，EDV：舒张末期体积，ESV：收缩末期体积，EF：射血分数，心率：心率，BPM：每分钟搏动次数，SV：每搏量，CO：心输出量，SpI：球形指数。 请点击此处查看此图的放大版本。

图2：扩张型心肌病患者的3D左心室分析。 当前图像是指 4D应变结果 （步骤3.5.8）。在屏幕的左侧，颜色编码的纵向应变值在LV的3D模型上可视化，显示侧壁上的应变减少（蓝色）。定量上，收缩末应变值显示在17个标准左心室段的靶心图的右下角。在右上角，在整个心脏周期的时间 - 应变曲线上可以看到全局和节段纵向应变值。 ED：舒张末期，ES：收缩末期，EDV：舒张末期体积，ESV：收缩末期体积，EF：射血分数，G：全局，心率：心率，BPM：每分钟心跳次数，SV：每分钟搏动量，CO：心输出量，SpI：球形指数。 请点击此处查看此图的放大版本。

Discussion

左心室形态学和功能测量是心脏病诊断、管理和随访的基石。此外，它们是结果的强大预测因素。通常，现行实践指南建议对左心室进行基于二维超声心动图的评估。然而，3D超声心动图已被证明更准确，因为它没有关于LV形状的几何假设^7，8。通过斑点跟踪进行变形成像是评估心肌应变不同方向的可靠方法，可以更灵敏地量化壁运动异常⁵。与射血分数相比，纵向菌株具有优越的预后价值⁹。

通常，左心室是从经胸顶端窗口获取的，使用在呼气末屏气期间从4至6个心脏周期重建的全体积3D数据集，然后，子体积自动缝合在一起以实现最佳的空间和时间分辨率。正确3D数据集的先决条件是通过调整换能器频率，深度和使用轻微的过载来优化2D图像。目标是将整个左心室内膜和心外膜表面纳入高质量的金字塔数据集，这可以通过在采集前检查几个短轴和长轴视图来确保：机器的用户界面提供了这种多平面视图。与用于2D测量的传统视图相比，可以使用不同的传感器定位来优化可视化，因为在后处理过程中可以校正透视收缩。还可以进行额外的呼吸操作。

测量左心室形态和功能的常规2D方法具有固有的局限性。它们严重依赖于正确的换能器定位和左心室心内膜表面的手动轮廓。此外，目前推荐的双翼辛普森方法仅考虑了两个断层扫描平面，而忽略了子弹形LV结构的剩余大表面。为了量化低压体积，使用了关于左心室形状的几何假设³。非 3D 方法显著低估了低压体积¹⁰。这些缺点在左心室形状不规则和不常见的壁运动异常模式的患者中更加夸张¹¹。左心室质量也是结果的强大预测因子，尽管当前的M模式或2D技术具有许多局限性。广泛使用的Devereux公式使用线性测量低估了左心室质量的正常范围;然而，当存在明显的肥大时，它明显高估^了12，13。基于3D超声心动图的测量更具可重复性，并且与金标准CMR具有更好的相关性。球形指数是左心室形状的传统但性能良好的测量方法，使用3D超声心动图进行测量更具代表性。应变和应变速率测量由于其卓越的灵敏度和附加的预后价值，正在成为研究和临床实践的重要组成部分^14，15。纵向和圆周缩短甚至旋转力学都可以通过3D斑点跟踪进行量化，而数据正在积累证明其价值¹⁶。3D分析消除了面外运动（2D方法的已知局限性）;但是，应考虑3D数据集较低的时间和空间分辨率以及软件算法的差异。

虽然3D左心室定量的速度和稳健性吸引了临床医生在每位患者中使用它，但应牢记一些局限性。尽管图像质量有了所有改进，但仍有一定比例的患者的超声心动图窗口不足以进行半自动甚至手动测量。临床经验可能会促使临床医生查看测量值并开始考虑替代技术，例如造影超声心动图或CMR。虽然不鼓励"盯着眼睛"，但我们可能会寻求专家预期和测量值之间的相关性。软件算法在自动心内膜和心外膜轮廓期间应用左心室形状的学习模型;因此，即使在那些实际上不在成像体积的区域中，我们也会看到轮廓。我们必须尝试将整个左心室内膜和心外膜表面纳入获得性体积，以尽量减少这种插值。尽管作出了种种努力，但这种辍学现象依然存在，因此应谨慎解释结果。在多节拍重建期间，拼接伪影非常频繁，这是由于不规则的节律，不需要的换能器或患者在采集过程中的运动（无法屏住呼吸），甚至是技术问题引起的。尽管有这些伪影，但3D重建通常是可行的，但结果应该受到质疑，并且应该使用另一个没有拼接的循环来启动新的分析。大多数现代传感器允许足够的空间和时间分辨率（每秒>20体积），而无需多拍采集，这当然消除了这个问题。对于适当的图像采集和软件后处理，稳定、高质量的心电图跟踪的作用怎么强调都不过分。在后处理过程中放置地标至关重要，可显著影响最终值和整体跟踪质量。目前，几乎每个患者都需要手动校正自动轮廓。但是，我们必须记住，我们互动的次数越多，引入的人为错误就越多，这会使可重复性恶化。应设置适当的权衡来处理与软件相关的轮廓错误。这个问题将在学习过程中进行微调，并将随着体验的增长而改进。重要的是，在3D应变值的测量方面存在显着的供应商差异，并且目前还没有标准化，这已经通过2D斑点跟踪对全球纵向应变进行了¹⁷。关于2D斑点跟踪，跟踪质量和结果的可信度更高，最好在撰写本文时将3D应变测量放置在研究领域。

总之，基于3D超声心动图的软件解决方案提供了有关左心室形态和功能的最准确的超声心动图结果。它们经过CMR验证，并证明与传统的2D技术相比，它们更具可重复性，甚至更省时。它们在研究和临床生活中的应用将继续发展。使用人工智能的进一步改进可以为无需人工交互的自动量化铺平道路。

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
3V-D/4V-D/4Vc-D	General Electric	n.a.	ultrasound probe
4D Auto LVQ	General Electric	n.a.	software for analysis
E9/E95	General Electric	n.a.	ultrasound machine
EchoPac v203	General Electric	n.a.	software for analysis