Medicine

使用3D超声心动图对右心室进行形态学和功能评估

Published: October 28, 2020 doi: 10.3791/61214

Bálint Károly Lakatos¹, Márton Tokodi¹, Erika Kispál¹, Béla Merkely¹, Attila Kovács¹

¹Semmelweis University Heart and Vascular Center

Summary

在这里，我们为右心室的3D体积评估提供了一步一步的采集和分析方案，主要侧重于最大化该技术可行性的实际方面。

Abstract

传统上，人们认为心脏的右侧在循环中起着次要的作用;然而，越来越多的数据表明，右心室（RV）功能对各种心血管疾病具有很强的诊断和预后能力。由于其复杂的形态和功能，通过传统的二维超声心动图评估RV是有限的：日常临床实践通常依赖于简单的线性尺寸和功能测量。三维（3D）超声心动图克服了这些限制，提供了不受几何假设影响的 RV 体积定量。在这里，我们提供了一个分步指南，使用领先的商用软件获取和分析RV的3D超声心动图数据。我们将量化 3D RV 体积和射出分数。几个技术方面也可能有助于提高RV采集和分析的质量，我们以实用的方式介绍。我们回顾了该方法的当前机会和限制因素，并强调了3D RV评估在当前临床实践中的潜在应用。

Introduction

超声心动图从 1950 年代的首次临床应用开始了漫长的道路¹.第一个一维超声探头旨在提供腔室壁和腔的简单线性直径;然而，它们无疑代表了心血管成像的一个里程碑。二维（2D）超声成像的发展是另一个重要步骤，它提供了更精确的形态和功能量化，并且仍然被认为是日常临床实践中的标准方法。然而，基于2D超声心动图的评估仍然存在该技术的主要局限性：从几个断层扫描平面对给定腔室的成像不能充分表征三维（3D）结构的形态和功能。这个问题在右心室（RV）的情况下更为明显：与相对简单的子弹形左心室（LV）相比，右心室具有复杂的几何形状² ，无法使用线性直径或区域³ 充分量化。尽管有这些广为人知的事实，但RV的形态和功能通常在临床实践中通过这些简单的参数来测量。

几十年来，与左翼对应物相比，RV 被认为在流通中的作用要小得多。几篇具有里程碑意义的论文推翻了这一观点，表明RV几何形状和功能在多种疾病中的强烈预后作用⁴，⁵，⁶^，⁷。大量研究表明，即使使用相对简单的常规参数，RV测量的增量价值也突出了对具有潜在有意义的临床价值的腔室进行更精确定量的重要性和需求。

3D超声心动图克服了心腔2D评估的几个局限性。虽然在LV的情况下，没有几何假设的体积和功能参数的测量也可能引起高度关注，但在RV⁸的评估中可能变得特别重要。3D 衍生的右心室体积和射血分数（EF）在各种心血管疾病中具有显着的预后价值⁹^，¹⁰。

如今，一些供应商提供用于 3D RV 评估的半自动解决方案，并根据金标准心脏磁共振（MR）测量结果验证结果¹¹^，¹²。3D评估的技术要求是当今最先进的心血管成像部门的重要组成部分，预计它很快就会成为每个超声心动图实验室通用设备的一部分。凭借在3D采集和后处理方面的适当专业知识，3D RV分析可以很容易地实施到标准检查方案中。

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Protocol

该方案遵循该机构人类研究伦理委员会的指导方针，临床病例的患者对该研究给予书面知情同意。

1. 技术要求

对于 3D 采集和分析，请使用适当的软件和硬件。使用超声心动图设备的心电电缆;此外，对于下面描述的完整3D采集协议，这是强制性的。
对于 3D 采集，请使用 3D 超声心动图探头和兼容 3D 的超声机。对于 3D RV 体积分析，请使用专用软件。

2. 收购

在绝大多数情况下，使用顶点视图对 RV 进行 3D 采集。与以左心室为中心的观点相反，建议采用不同的患者体位。如果通过在正确的顶点视图上切换到一个肋间空间可以实现更好的图像质量，则这种透视缩短的视图可以实现更好的3D图像质量。透视收缩可以在 3D 分析过程中进行校正。
1. 与建议使用左侧卧位（患者躺在左侧，左臂伸展在头部上方）的标准根尖超声心动图采集相比，患者稍微向后倾斜，以使换能器的位置更侧。
2. 选择仅包含 RV 的图像深度。不必要的大深度可能会降低采集帧速率，同时对 RV 体积分析缺乏有益的影响。
从 2D 超声心动图图像中确认正确的右心室聚焦视图。如果即使从这个角度看，RV的自由壁也很难看到，那么预期的3D图像质量将无法成为进一步分析的最佳选择。
使用 4D 按钮切换到实时 3D 成像，可以对 RV 视图进行进一步校正。
虽然 3D 实时 模式在美学上可能非常令人愉悦，但对 3D 视图使用 12 Slice 模式，该模式显示感兴趣区域的三平面图像以及可以自由修改的 9 个横截面平面。通过旋转和正确定位切割平面，确认整个 RV 自由壁（包括流出道和顶端段）的可见性。
通过使用扇区的左倾（触摸屏上的第二页）进一步调整图像，以改善 RV 可视化。
使用两种 3D 采集模式进行 RV 体积分析：多拍和单拍模式。在每位患者中使用这两种方法，但在某些情况下（例如，某些心律失常，患者的严重呼吸困难），只有后一种方法可能是可行的。
使用单拍模式，在图像质量和帧速率之间实现权衡。选择最佳图像深度、宽度和帧速率（触摸屏的下面板），无需任何进一步操作即可获得 RV 的 3D 循环。这种方法在大多数患者中是可行的;但是，与多拍方法相比，它产生的图像质量和帧速率通常较低。
1. 在平均（60-70/分钟）心率的情况下，保持 16 帧/秒的帧速率下限，以便进行充分的 RV 分析;但是，如果存在心动过速，则建议使用更高的帧速率。
使用多拍模式，从可在触摸屏上选择的给定数量的心跳周期重建获取的 3D 循环（可以使用 2、3、4 和 6 拍模式）。与单拍采集相比，通常期望更好的图像质量和帧速率;然而，由于强制性屏气动作，它需要相对恒定的心动周期长度以及患者的依从性。该操作对于避免所谓的拼接伪影至关重要：当将获取的3D体积缝合在一起时，不相等的心动周期长度和/或由于呼吸引起的运动可能会导致这种现象。
1. 正确定位探头并设置机器后（类似于“单拍”模式），要求患者深呼吸并屏住呼吸。在这种情况下，扩张的肺通常覆盖整个图像。
2. 要求患者在指导下缓慢呼气。在肺部放气的同时，RV 再次变得可见。
3. 当整个RV（游离壁和隔膜）再次出现时，要求患者在这种状态下屏住呼吸。
4. 通过在屏幕上单击多拍，开始采集，3D循环在给定的心动周期内建立。
5. 当采集准备就绪（整个房车可视化）时，要求患者再次自由呼吸。
6. 检查获得的循环以确保没有拼接或丢失伪影。

3. 4D 房车分析

使用专用软件对RV进行3D体积分析。从患者库中选择以 RV 为中心的 3D 循环后，从“卷”文件夹中的“测量”窗口中打开软件。
打开软件后，将 RV 定向到四个预定义的切割平面上。
1. 将两个标记（电视中心）放在左上和左下长轴平面的三尖瓣中心。使用旋转工具将图像的长轴调整为 RV 的实际长轴。右上角的参考图像显示了正确方向的显示方式。
2. 在右上和右下面板上，通过旋转将短轴图像对齐到正确的位置。与上一步类似，参考图像也有助于此过程。
完成后，单击 设置地标 以执行下一步分析。在两个图像中设置地标。
1. 在左侧，在自由壁（电视自由壁）和隔膜（电视隔）处标记三尖瓣环，并在先前定向的顶端四室视图上标记 RV 顶点。
2. 在右侧，设置右心室后部（左心室/右心室后部）和前插入点（左心室/右心室前部）和右心室游离壁（右心室游离壁）。与上一个窗口类似，右上角的参考图像有助于正确设置。设置所有地标后，软件会自动跳转到下一个窗口（查看）。
在此窗口（查看）中，如有必要，查看并手动纠正整个心动周期中的自动心内膜边界检测。默认情况下，可以看到 9 个面板：左侧是 3 个移动环（1 个长轴和 2 个短轴），中间是相同图像的舒张末期帧，右侧是收缩末期帧。
1. 在错误跟踪的情况下，通过单击它们自由纠正心内膜边界（绿线），跟踪边界。使用短轴上的旋转工具，查看沿 RV 整个圆周跟踪的图像。通过选择右侧面板上的笔大小来调整校正幅度。如果认为跟踪正确，请单击同一面板中的结果。
在最后一部分中，查看右上角的最终 3D 体积数据和其他计算参数（“工作表 ”面板）。除了 RV 体积和射出分数外，该软件还显示 2D 参数，例如线性（中轴、基轴和长轴）直径，以及从预定义的顶端四腔室视图得出的 FAC 和 TAPSE 值。该软件还显示了RV的长轴和短轴（左侧），RV的3D实时模型（中上）和腔室的体积-时间曲线（右下）。
1. 如果需要进一步调整跟踪，可以通过单击右侧面板上的每个先前步骤进行更正。如果跟踪和 3D 参数被视为有效，请单击同一面板上的“批准并退出”来保存结果。

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Representative Results

RV 的 3D 分析在各种心血管疾病中是可行的。病例1是一名健康的志愿者，心室容量和功能正常（图1）。病例 2 是一名二尖瓣修复术后患者，他是传统 2D 评估结果相互矛盾的典型示例：虽然 TAPSE 明显降低，但患者未表现出任何右心室功能障碍的迹象，并且 3D RV EF 正常证实右心室整体收缩功能维持（图 2）。两位患者都有出色的超声心动图窗口，因此跟踪质量很好。病例3为扩张型心肌病的半职业运动员（图3）。只能达到中等图像质量（流出道可视化效果差）;然而，3D RV分析是成功的，显示出与心脏MR结果的良好一致性。

图 1：健康志愿者的 3D RV 分析。 在左侧面板上，可以看到RV的长轴（上图）和短轴（下图）图像。绿线代表心内膜边界。中央上图是基于当前分析的RV的3D模型。除了 RV 体积和射出分数之外，该软件还显示 2D 参数，例如线性（中轴、基轴和长轴）直径，以及从预定义的顶端四腔室视图（右上图）得出的 FAC 和 TAPSE 值，并生成体积-时间曲线（右下图）。请点击此处查看此图的大图。

图 2：二尖瓣修复术后患者的 3D RV 分析。 虽然 3D RV 体积和 EF 在正常范围内，但 TAPSE 明显较低。心脏手术后右心室纵向缩短减少是一种常见现象，然而，这些患者中的大多数没有表现出右心室衰竭的迹象。3D EF 评估证实，尽管 TAPSE 值显著降低，但整体收缩功能仍保持不变。请点击此处查看此图的大图。

图3：一名运动员患有扩张型心肌病的病例。 3D RV 体积增加，而 3D RV EF 略有减少。请注意，图像质量欠佳，右心室流出道可视化不佳。尽管超声心动图窗口较差，但考虑到与金标准心脏 MR （RVEDV：168 mL;RVESV： 99 毫升;RVEF：41%）。请点击此处查看此图的大图。

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Discussion

RV 的 3D 分析是日常心脏病学实践中的重要一步。随着人们对以前被忽视的心腔的形态和功能的兴趣日益浓厚，这些新颖的解决方案提供了有关心脏右侧的临床有意义的信息。虽然3D采集有几个方面与2D超声心动图成像明显不同，但通过特别注意关键点并使用全面的协议，3D RV分析可以从科学工具发展成为超声心动图检查的重要步骤。凭借最佳的图像质量和适当的专业知识，使用超声心动图进行RV体积分析从采集到获得具有高可行性的结果仅需几分钟¹³。显着降低成本和更短的手术时间使其成为几种情况下黄金标准心脏MR检查的有吸引力的替代方案。

然而，3D分析可能并非在所有情况下都可行。最重要的限制因素是超声心动图图像质量：在2D超声心动图窗口较差的患者中，很少能达到可接受的3D图像质量。尽管如此，值得一提的是，各种操作（探头的横向定位、透视缩短、适当的预设）可能会提高 3D 图像质量。RV 流出道的次优可视化并不少见，但提供可靠结果的 RV 分析解决方案通常耐受性良好。强烈建议不要使用带拼接的3D循环，因此强烈建议记录多个循环和采集后控制。

RV 的 3D 检查开启了 3D RV 变形分析和腔室区域评估的可能性¹⁴.众所周知，维持EF并不排除RV力学4的重大^变化。右心室变形的评估揭示了各种人群中右心室收缩模式的明显变化，例如心脏手术后患者 15、16、¹⁷、先天性心脏病¹⁸、肺动脉高压 ¹⁹、²⁰^、²¹ 和精英运动员²².此外，节段形态和功能的测量在预期RV区域重塑的疾病中可能引起高度关注，例如致心律失常性心肌病²³或先天性心脏病患者²⁴。总之，3D RV数据的后处理可能为腔室提供具有增量诊断和预后价值的新参数。

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Acknowledgments

项目编号NVKP_16-1-2016-0017（“国家心脏计划”）已在匈牙利国家研究，发展和创新基金的支持下实施，该基金由NVKP_16资助计划资助。该研究由匈牙利创新与技术部的主题卓越计划（2020-4.1.1.-TKP2020）在塞梅尔威斯大学的治疗开发和生物成像主题计划的框架内资助。

Materials

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