三维超声心动图在小儿心脏病学中二尖瓣手术规划中的应用

摘要

在小儿心脏病学中，二尖瓣的三维超声心动图可生成完整的解剖结构重建图像，有助于改善手术管理。本文概述了在小儿心脏病学中进行二尖瓣三维图像采集及后期处理的实验方案。

摘要

在小儿心脏病学中，二尖瓣疾病较为复杂，可能涉及瓣环、瓣叶、腱索和乳头肌的多种异常。经胸二维超声心动图（2DE）仍是目前小儿外科手术规划中主要采用的诊断成像技术。然而，由于二尖瓣本身是一个三维（3D）结构，结合三维超声心动图（3DE）有助于更准确地明确狭窄和/或反流的机制，具有明显优势。随着探头技术和超声扫描仪的进步，经胸3DE技术已得到显著提升，能够生成空间分辨率良好、时间分辨率足够的图像。特别是新型小儿专用高频、小接触面积的3D探头，显著提高了儿童3DE成像质量。3DE图像采集与分析效率的提升，使得超声技师、心脏病学家和外科医生在二尖瓣评估中能够更便捷地整合三维评估。这一进步也得益于后期处理软件的优化。

在本方法学论文中，我们旨在描述儿童二尖瓣的经胸三维超声心动图（3DE）评估方法，及其在小儿二尖瓣疾病外科手术规划中的应用。首先，3DE评估需选择合适的探头，并获取二尖瓣的可视化图像。随后，应根据每位患儿的具体情况选择适当的数据采集方法。接下来，优化数据集至关重要，以在空间分辨率和时间分辨率之间实现恰当平衡。在实时扫描过程中或数据采集完成后，可利用创新性工具对数据集进行裁剪，使操作者能够快速获得无限数量的切割平面或三维重建图像。心脏病专家与外科医生可从正面观（en face）观察二尖瓣，从而准确重建其形态结构，为医学或外科治疗规划提供支持。最后，本文还回顾了一些临床应用实例，展示了该技术在儿童二尖瓣疾病管理中的具体应用案例。

引言

二尖瓣装置是一种复杂的结构，由二尖瓣环、瓣叶、腱索和左心室乳头肌组成^1,2。儿童二尖瓣疾病包括一系列与先天性和获得性心脏异常相关的形态学异常³。 对二尖瓣疾病形态及其潜在机制的描述是外科手术规划的关键参数⁴。这需要采用准确的诊断成像技术。超声心动图已被确立为儿童二尖瓣疾病的主要诊断技术之一⁵。具体而言，二维（2D）超声心动图在儿童二尖瓣疾病的诊断中仍是应用最广泛的方法。然而，由于二维成像本身的局限性，超声检查医师、心脏病学家和外科医生必须在脑海中重建这一复杂的三维结构，以确定其病理机制。

由于能够生成解剖结构准确的图像以及无限数量的切面，三维（3D）超声心动图可显著提升二尖瓣成像效果。3D 超声心动图的价值体现在其能够提供有关瓣环形态与动态变化、瓣叶小叶脱垂以及瓣叶对合区的具体信息^6,7。尽管研究表明，3D 经食管超声心动图（TEE）是识别成人二尖瓣病变最准确的超声模式⁸，但由于儿童声窗条件更佳，3D 经胸超声心动图（TTE）在儿童中更具可行性。研究已证实，3D TTE 在区分简单与复杂二尖瓣病变以及判断是否需要外科干预方面具有高度准确性⁹。此外，获取3D容积数据集可使外科医生与心脏病专家共同参与后期处理，进一步优化手术规划。

随着探头技术、超声处理能力以及后处理效率的进步，三维经胸超声心动图（3D TTE）技术持续得到改善。目前的三维矩阵探头现已能够以每秒约25个体积的速度，在单个心动周期内获取完整的容积数据集¹⁰。根据超声设备厂商、探头技术及容积优化情况，单心动周期数据集的容积率还可进一步提升至每秒25个体积以上。然而，若采用心电图门控（子容积）全容积方法，该数值可增加一倍以上，从而提供儿童所需的容积率。相较于成人，儿童的心率较高，因此需要更高的时间分辨率以确保三维成像的诊断准确性。此外，专用儿科三维探头技术的发展实现了更高的扫描频率，提供了更优的空间分辨率，这对于结构细小的二尖瓣及其装置尤为重要¹¹。尽管取得了上述技术进步，设备厂商仍成功研制出探头接触面积更小的产品，以适应小儿解剖结构，维持最佳的声窗。最后，新的后处理功能（如快速裁剪工具）也使得后处理更加高效。

本文介绍了在儿童中应用经胸超声心动图（3D TTE）对二尖瓣进行三维评估的技术，该技术可适用于任何具备3D TTE功能的超声系统。此外，本文将回顾三维数据的后期处理方法及其在手术规划中的价值。最后，我们将讨论三维成像在儿童中的一些临床应用，并提供若干实例。

方案

本方案遵循本机构人类研究伦理委员会的指导方针。

注意：本方案的实施使用通用电气（GE）Vivid E95 或飞利浦 Epiq 7C 超声系统。在 GE Vivid E95 系统上，用户可选择 4Vc-D（成人探头）或 6Vc-D（儿童探头）。在飞利浦 Epiq 7C 系统上，用户可选择 X5-1（成人探头）或 X7-2（儿童探头）。见图1。

1. 患者体位设置与探头选择

1. 尽可能将患者置于左侧卧位。参见图1，步骤A。
2. 根据患者体型及成像窗质量，选择合适的3D矩阵探头（儿童型或成人型）。对于大多数十岁以下的儿科患者，由于二尖瓣位置较近，经胸骨旁成像窗进行成像时可使用高频（儿童型）探头。十岁以上患者可尝试使用儿童型探头，但对于成像质量良好的较大儿童，成人型探头更为理想。参见图1，步骤B。
   ​注意：若操作者仅具备成人用3D矩阵探头，对于体型较小的儿科患者，可提高扫描频率以获得最佳空间分辨率。

2. 探针定位与二维图像优化

1. 将足量的耦合剂涂抹于选定的3D矩阵探头上。
   注意：进行3D二尖瓣评估时，最佳成像窗口为改良的低位胸骨旁长轴切面。在此切面中，二尖瓣装置靠近探头，且二尖瓣瓣叶与超声束相对垂直。此外，低位胸骨旁长轴切面可完整显示整个二尖瓣装置。参见图1，步骤C。
2. 为获得改良的低位胸骨旁长轴切面，先将探头置于标准的胸骨旁长轴超声心动图位置。
   1. 在胸壁上将探头向侧方移动，直至二尖瓣瓣叶与超声束更加垂直，且2D成像窗口达到最佳（此位置介于标准胸骨旁切面与标准心尖切面之间）。
      ​注意：若患者无法获得理想的改良低位胸骨旁切面，联合使用标准胸骨旁切面和心尖切面亦可完整显示二尖瓣解剖结构。
   2. 通过摆动探头使二尖瓣位于超声扇区中心。摆动探头是指以固定点为中心，沿探头长轴方向改变声束入射角度（偏离90度）。在3D成像中，应将感兴趣区域置于超声扇区中心，以获得更窄的容积图像，从而提高时间分辨率。

3. 三维体积采集方法

1. 首先激活超声控制台上的3D按钮（某些厂商可能将其标记为4D），以进入全容积显示模式。全容积显示应以实时全容积模式开始。
   注意：也可使用3D Zoom获取二尖瓣的3D数据集，但由于其感兴趣区域有限，不推荐使用，因为包含周围结构对于外科治疗决策可能具有重要意义。
2. 如果患者配合且能够屏住呼吸，请使用心电图门控的全容积采集模式（见图1，步骤E）。选择用于采集的子容积（心动周期）数量；在大多数超声系统上，子容积数量可设置为2至6之间（见图1，步骤H）。采集过程中使用的子容积数量越多，容积帧率越高（时间分辨率增加），但在拼接子容积时可能因呼吸或运动而产生拼接伪影。
3. 如果患者不配合或无法屏住呼吸，则应采用实时3D全容积采集模式，以避免出现"拼接"伪影（见图1，步骤F）。然而，较低的时间分辨率在儿童中并不理想，用户需通过牺牲容积大小（感兴趣区域）或空间分辨率来进行补偿（两者将在下一步中讨论）。

4. 三维体积优化（见图1，步骤G）

1. 尽可能优化全容积大小，以包含完整的二尖瓣瓣环、腱索、乳头肌以及主动脉瓣。
   注意：使用心电图门控采集时，由于通过子容积技术提高了容积帧率，因此可采集更大范围的数据容积。
   1. 为保持合理的帧率，实时采集时需要较小的数据容积。可通过缩小方位平面，并在胸骨旁短轴切面成像，以实现对二尖瓣瓣叶及瓣环的完整显示（见图2）。
2. 在可能的情况下，通过增加超声线密度来优化三维信噪比（图像质量）。增加超声线密度将导致容积帧率下降。不同厂商对该功能的命名有所不同。在GE Vivid E95超声系统上，使用帧率旋钮调节线密度；在Philips Epiq 7C超声系统上，使用图像质量触摸屏按钮优化线密度。
   1. 使用心电图门控采集时，可提高三维容积的线密度，因为子容积技术的使用可维持良好的容积帧率。
   2. 进行实时采集时，应根据患者心率，在三维容积线密度与可接受的容积帧率之间取得平衡。
3. 将三维增益设置得高于二维增益，以尽量减少二尖瓣瓣叶的信号丢失。如有需要，可在后期处理过程中降低增益，以进一步优化裁剪后的图像。

5. 存储三维全容积采集数据（见图1，步骤I）

1. 若使用心电门控采集，请患者屏住呼吸并保持静止。然后启动所选数量的子容积（心跳次数）。在按下存储之前，至少等待与所选子容积数量相同的心跳次数（选择的子容积越多，存储过程所需时间越长）
   1. 确保存储最终容积前，3D 容积中无"拼接"伪影存在，且整个二尖瓣均可见。
2. 若使用实时采集，在完成所有优化后存储最终容积。

6. 三维彩色多普勒采集

1. 分别获取彩色多普勒三维容积图像，方法是添加彩色多普勒，并按照方案中的步骤3-5进行操作。在包含整个二尖瓣瓣环的前提下，将彩色多普勒取样框调整至尽可能窄的范围。将彩色多普勒速度标尺设置在60–80 cm/s之间。
2. 采用心电图门控采集，以保持足够的容积帧率。按照步骤5.1存储三维彩色多普勒容积图像。
   ​注意：在三维容积成像中加入彩色多普勒会显著降低时间分辨率，因此在儿童中应用较为困难。

7. 二尖瓣的后期处理与裁剪

注意：二尖瓣的后期处理和剪裁可直接在超声系统上进行，以获得即时结果。然而，GE 公司也提供专用软件（EchoPAC），飞利浦公司提供 QLAB 软件，均可在回顾工作站上实现相同功能。此外，TomTec 提供了一款通用软件，可用于对上述两家厂商的 3D 数据集进行后期处理和剪裁。

1. 在三面板多平面显示（2D 侧平面、2D 升高平面和 3D 重建）中加载二尖瓣的存储 3D 容积数据，并激活快速裁剪工具。快速裁剪工具需要两次点击，允许用户在任意平面上进行裁剪。
   注意：不同厂商对快速裁剪工具的命名可能不同。在 GE Vivid E95 超声系统上，该裁剪工具标记为 "2 Click Crop"。在 Philips Epiq 7C 超声系统上，该裁剪工具标记为 "Quick Vue"。
2. 为获得从左心房侧观察二尖瓣的正面观（外科医生视角），请按以下步骤操作（见 图 3，步骤 E）。
   1. 从 2D 侧平面（本方案中为低位胸骨旁长轴切面）开始操作，在左心房内、二尖瓣环上方放置第一个光标。设定第一个位置后，将光标拖动穿过二尖瓣至心室侧，并使裁剪线与二尖瓣环平行。将第二个光标置于左心室内，确保二尖瓣瓣叶位于裁剪线范围内，并确定该点（见 图 3 步骤 B）。
   2. 推荐的二尖瓣正面观显示方向为前方位于上方¹²。使用轨迹球旋转 3D 二尖瓣图像，使主动脉瓣位于屏幕顶部。
3. 为获得从左心室侧观察二尖瓣的正面观，只需将上一步裁剪后的图像翻转 180 度（某些厂商系统中具有“翻转裁剪”功能，可快速实现此操作）（见 图 3，步骤 F）。
   1. 以与步骤 7.3 相同的方向对二尖瓣的彩色多普勒 3D 容积数据进行裁剪。
4. 获取包含腱索和乳头肌的二尖瓣下瓣装置的图像。
   1. 从 2D 侧平面（本方案中为低位胸骨旁长轴切面）开始操作，将第一个光标置于左心室中部。设定第一个位置后，将光标向左心室后壁方向拖动，并使裁剪线与左心室长轴平行。将第二个光标置于后壁下方并确定该点（见 图 4）。
5. 优化 3D 增益和压缩设置。
   1. 在保持二尖瓣瓣叶几乎无信号丢失的前提下，将 3D 增益设置调整至最低水平。
   2. 优化 3D 压缩设置，以包含更宽或更窄范围的色彩灰阶。3D 压缩可改善 3D 深度感知。在 Philips Epiq 7 系统上，通过旋转 Compression 旋钮来调节 3D 压缩。在 GE Vivid E95 系统上，通过旋转 Active Mode 增益旋钮来调节 3D 压缩。
6. 将优化后的裁剪 3D 二尖瓣图像作为独立的动态图像片段存储。

结果

在小儿超声心动图检查中，高质量的二尖瓣三维数据集应具备适当的容积率，以准确评估瓣叶运动，同时具有优异的空间分辨率，并利用更高的轴向分辨率。为评估三维心电图门控采集方案的成功与否，首先需判断是否存在明显的“拼接”伪影。若无伪影产生，且采集时采用了高质量的二维低位胸骨旁长轴切面，则该三维数据集可提供关于整个二尖瓣复合体的诊断信息。

如果由于患者呼吸和/或运动导致明显的“拼接”伪影而无法使用心电门控全容积成像，则应采用实时三维超声。尽管该方法可能无法提供完整的二尖瓣复合体单一容积图像，但采用窄容积（在 elevation 平面）的实时三维采集可获得更好的时间分辨率。在实时三维采集过程中，二尖瓣瓣环和瓣叶的最佳可视化通常通过胸骨旁短轴切面实现，而二尖瓣腱索和乳头肌的最佳可视化则通常通过心尖两腔心切面实现（见 图5，病例1C）。

在二尖瓣三维全容积采集过程中加入彩色多普勒，可增强对二尖瓣反流的评估。从左心室视角观察时，三维彩色多普勒可提供有关二...

讨论

对于操作者/超声技师而言，三维超声心动图常常面临诸多挑战。首先，由于小儿超声心动图检查过程中患者体型、心率以及配合程度存在显著个体差异，这些因素导致难以建立标准化的三维成像操作流程，从而使三维图像采集高度依赖操作者的经验。此外，目前对超声技师的培训通常主要集中于二维成像，导致其在三维图像采集与解读方面的知识存在不足。同时，与二维成像相比，三维成像的时间分辨率较低；而在部分儿童中无法使用心电图门控（子容积）采集方式来提高容积帧率，进一步增加了该技术的应用难度。对于心率较快的儿童，保持高时间分辨率对于准确观察二尖瓣瓣叶的实时运动至关重要。儿童三维成像面临的另一挑战是缺乏适用于小儿的高频探头（以获得最佳空间分辨率）。尽管现有的成人用三维探头具有较宽的频率带宽，但其探头尺寸较大且频率较低，通常并不适合体型较小的儿童使用。

在儿童中，使用同一个超声探头进行二维和三维评估，可显著提高三维评估过程的效率。新型三维超声探头可提供优异的二维图像、彩色多普勒及三维容积图像质量。在检查过程中能够随时快速获取三维容积图像，这一点在儿童检查中尤为重要。其次，操作者需通过持续培训，充分理解何种因素构成高质量的...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
4Vc-D 探头	General Electric		超声探头 (GE)
6Vc-D 探头	General Electric		超声探头 (GE)
Epiq 7C	Philips		超声系统
Vivid E95	General Electric		超声系统
X5-1	Philips		超声探头 (Philips)
X7-2	Philips		超声探头 (Philips)