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1、Andreas Heimdal, M.Sc., Ph.D.GE Healthcare前言四维应变是一种可以逐帧追踪三维图像内自然声学标记的图像后处理研究技术。意大利帕多瓦大学心、胸、血管科Luigi P. Badano博士介绍“四维应变具有成为评估心肌功能，检测多种心脏疾病早期、亚临床心肌受累，以及定量评价缺血性心肌病局部心肌功能的参考方法的潜力”。现存的测量四维应变的软件技术健全、重复性高、使用方便，其临床价值有待证实。GE医疗公司以技术革新为根本开发研制了许多突破性的超声定量工具，如组织速度成像 ( TVI )、组织追踪、应变及应变率成像、组织同步性成像 ( TSI )、二维应变及自动化功
2、能成像 ( AFI ) 等。这些目前已经得到肯定的以多普勒或二维斑点追踪为基础的技术提供了局部室壁运动及功能的详细测量方法，并且增加了新的参数成像显示，主要应用范围包括整体及局部心肌功能的研究，负荷超声心动图，舒张功能的分析，心肌病，心脏再同步显像及其他各方面。单独以多普勒原理为基础的技术因具有角度依赖性而无法对某些心肌区域进行准确测量，因而其应用受到限制，如心尖切面观的心尖部以及胸骨旁切面特别是短轴切面的大部分心肌。二维斑点追踪技术克服了这些缺点，它可以追踪二维图像各个方向的组织运动，但存在因声学斑点移出追踪平面导致测量结果不准确的缺陷。四维应变可以追踪组织随时间在三维方向的运动，因此不存在
3、声学斑点移出追踪范围的问题。四维应变可以看作为二维应变的自然扩展，与MRI标记法等其他三维应变测量方法相比具有经济性，实用性，可行性等优势。( 图1 )感兴趣区测量四维应变首先要在收缩末期图像上确定感兴趣区范围。四维应变作为四维左室自动定量工具的最后一步，也包括了左室容积及重量的测量，测量这两种参数时生成的网格在确定四维应变感兴趣区时仍然适用。四维应变感兴趣区于左室舒张末期系统自动生成，由心内膜及心外膜间的网格组建而成。心内膜的网格采用的是测量舒张末期容积时生成的网格，心外膜的网格由测量左室重量时得出，由舒张末期跟踪至收缩末期。操作者通过移动感兴趣区边界至自己想要的位置而调整其范围，使其更加准
4、确。( 图2 )图1. 正常心脏的四维应变结果，图为纵向应变。四维应变:一种先进的超声心动图 定量工具图2. 在从四维数据集中获得的两腔心切面和三个短轴切面上显示四维应变感兴趣区，这种显示方法便于操作者观察感兴趣区放置合适与否并且更易评价追踪质量。四维斑点追踪运算法则四维追踪运算法则建立于三维逐帧区块匹配基础之上，需要对三维模型内的相邻两帧图像进行连续追踪匹配。包括了整个心室心肌的感兴趣区范围确定之后即可进行计算。感兴趣区所有区域内自心内膜至心外膜均被追踪，如图3所示。每一对匹配的质量要接受检测，且每项追踪结果要与相邻部位比较以检出异常值。这些异常值会在将结果平均值进行空间加权之前被剔除，之后
5、追踪结果将投射至平均心肌网格上，进而更真实地呈现出整个心肌情况，如图4所示。这样，左室网格模型的形状就会逐帧更新，由此模型便可以得出所有的定量检测值。我们发现相邻两帧时间间隔越长，组织的移动距离越大，每个区块匹配所需追踪的面积就越大。进行三维追踪时，追踪面积的增长三倍于相邻两帧之间的时间，因此，我们会观察到随着帧频的提高，处理时间却减少，这与我们直觉不相符。但是并不建议将帧频调至最大，因为这样会降低图像的线性密度。在连续帧图像里，帧频必须大于自然声学标记可以被分辨的最低帧频。首要的条件是帧频至少需达到心率的40%，例如，心率为60次/分时，帧频必须大于24帧/秒，心率为100次/分时，帧频必须
6、大于40帧/秒。多心动周期采集有利于使帧频达到上述要求。图4. 左心室平均心肌网格模型的说明。追踪质量精确计算应变值的关键在于准确的追踪到组织。影响组织追踪准确性的因素包括图像质量，帧频及线性密度。因此采用了可以使操作者肉眼判断追踪结果正确与否的显示方法，操作者可以根据判断人为的通过或者拒绝某些节段的测量结果。四维数据集被分割为三个长轴及三个短轴切面，以便于观察长轴及短轴各平面每个节段的追踪情况。同样可按近距离观察法显示切面，并可获得应变曲线并评估其形状。操作者在操作界面可以拒绝追踪不佳的节段，这些节段的结果就会被删除，并且不纳入整体应变值的计算。如果有超过三个节段因追踪质量不佳而被拒绝，那么
7、将无法计算整体应变值。偏移由于心脏运动具有周期性，因此，在一个心动周期的开始与结束时应变值应该相同，出现偏移则意味着错误的追踪，运算法则会自动拒绝那些偏移大于12%的节段，如图5所示，之所以进行这样的限制是因为倘若假设追踪错误平均分布于整个心动周期中，那么偏移大于12%就意味着收缩末期至少存在4%的追踪错误。 图3. 左心室某一节段从心内膜至心外膜范围内的所有心肌区域的追踪结果，箭头代表某点心肌从某一帧至下一帧时发生的位移，红色箭头代表 不正确匹配而导致的异常值。图5. 偏移大于12%的纵向应变曲线的说明，在这个例子中，我们可能无法确定+11%的收缩末期应变值是该节段心肌的真实变形结果还是一个
8、伪 像，但是通过观察心动周期末期的应变值即可确定这是一个伪像，这个 节段会在分析过程中总被自动剔除。但操作者仍可不顾偏移而将其人为 通过并纳入分析。一般来讲，操作者应该检查整个曲线及切面图像上感兴趣区与组织的拟合程度以决定是否要剔除该节段。参数通过四维应变追踪结果可以得到数个参数，包括纵向应变 ( 图1 ) ，圆周应变、径向应变及面积应变。( 图6 )图6. 正常心脏的四维应变结果，显示的是圆周应变 ( 左 ) ，面积应变 ( 中 ) 及径向应变 ( 右 )。在每个画面上，上部分以黄色曲线表示的是17个节段 中每一节段的应变曲线，白色曲线为总体应变；下部分为瞬时应变值的彩色编码靶心图，瞬时总体
9、应变大小在靶心图的左下方以“G:”标出。纵向及圆周应变应变是对一个物体变形能力的测量，对于左室心肌，可以测量不同方向的应变，包括纵向及圆周方向。纵向应变定义为 SL= 100*(L-L0)/L0，其中L为心肌节段在某一时间的纵向长度，L0为舒张末期初始长度 ( QRS ) ，长度为节段室壁中部纵向长度的均值。圆周应变，SC,与SL定义相同，仅仅是用节段的圆周长度代替纵向长度。面积应变面积应变结合了纵向应变与圆周应变两个方向应变的影响，测量的是相对面积的改变。与MRI心肌标记法为参考证实，面积应变区分正常心肌与缺血心肌的准确性优于其他大部分应变参数。面积应变定义为SA=100*(A-A0)/A0
10、, 其中A为在某一时间的节段面积，A0为舒张末期初始面积 ( QRS ) ，换言之，面积应变就是节段面积的相对改变 ( 图7 ) 。图7. 说明某一心肌节段随时间的面积改变。我们发现面积减小时心肌厚度 增加，假设体积守恒，那么径向应变就可以由面积应变计算得出。径向应变假设体积守恒径向应变由面积应变估算得出，计算需假设节段体积恒定。径向应变定义为SR = 100*(R-R0)/R0, 其中 R = V/A 为节段的径向长度，A为节段面积，R0为舒张末期初始径向长度 ( QRS ) ,替换后，径向应变计算公式还可以写成SR = -100*SA/(SA+100)，其中SA为面积应变。整体应变四维应变
11、的总体应变值为各节段应变值的加权平均值，以初始节段面积A0作为权重。计算四维应变的总体应变时，不包括被拒绝的节段。如果同时有多于三个节段被拒绝，则无法计算总体应变值。四维总体应变值对所有的四个参数均适用，包括纵向、圆周向、径向及面积应变。靶心图左下方以“G:”标记的即为瞬时总体应变值。如图8所示，总体应变值在用红线标记的时间处追踪曲线上值为-23%。测量总体纵向应变时还可以测量峰值应变。这意味着在测量结果窗口上我们除了可以测量瞬时值，典型的舒张末期值外，紧邻着靶心图还可以得到总体纵向峰值应变 ( GPSL ) 。我们发现如果当前显示帧不在总体纵向应变曲线的峰值时，总体纵向应变值与总体纵向应变峰
12、值是不一样的。并且应注意到自动化功能成像时整体应变的计算方法与此处略有不同。End Diastole End Systole 牛眼图计算出来的参数可以通过不同的方法显示出来，包括彩色编码的靶心图。左室被分为17个节段，整个心动周期的瞬时应变值在靶心图上用数字标注并且用颜色编码。比较二维自动功能成像与四维应变时应当注意，在二维自动功能成像时应变值为收缩期峰值应变，包括正向峰值，而在四维应变时所得为当前帧的应变值，通常以收缩末期帧为代表。示例图8显示的是下壁心肌梗死患者的左室面积应变。图8. 下壁心肌梗死病人的四维面积应变值。左室下壁中部节段以高亮显示。数据由帕多瓦大学Badano博士提供。研究工
13、具所有参数的数值资料包括用数字表示的追踪资料均可用HDF5格式文件导出以供进一步分析，HDF5 ( 层次型数据格式 ) 为一种基于多个后处理工具之上的免费数据格式，HDF格式文件阅读器可以从下面的网址下载http:/www.hdfgroup.org/hdf-java-html/hdfview/验证四维应变工具已经通过验证，验证的方法为对已知形变能力的22个模拟数据集进行四维应变值的测量，四维应变值与用Bland -Altman分析得出的理论值的比较于表1列出，结果表明四维应变测量值与所有参数的预计值有很好的一致性。注: 感谢华中科技大学同济医学院附属同济医院孙杰，汤乔颖，邓又斌教授的编译！Bi
14、as and limt (1.96 std)Correlation RGlobal Strain n=22 Longitudinal0.200.780.998 Circumferential0.571.620.992 Area0.961.560.997 Segmental Strain n=374Longitudinal0.242.370.982Circumferential0.593.850.953 Area0.983.750.984GE Healthcare 9900 Innovation Drive Wauwatosa, WI 53226 U.S.Aimagination at work
15、References1. Sutherland, G.R., Di Salvo, G., Claus, P., Dhooge, J., Bijnens, B. “Strain and strain rateimaging: a new clinical approach to quantifying regional myocardial function.” J AmSoc Echocardiogr. 2004 Jul; 17(7): 788802.2. Voigt, J.U., Flachskampf, F.A. “Strain and strain rate: New and clini
16、cally relevant echoparameters of regional myocardial function”. Z Kardiol. 2004 Apr; 93(4): 24958.3. Yip, G., Abraham, T., Belohlavek, M., Khandheria, B.K. “Clinical applications of strainrate imaging.” J Am Soc Echocardiogr. 2003 Dec; 16(12): 133442.4. Pislaru, C., Abraham, T.P., Belohlavek, M., “Strain and strain rate echocardiography”. Curr Opin Cardiol. 2002 Sep; 17(5): 44354.5. Dhooge, J., Heimdal, A., Jamal, F., Kukulski, T., Bijnens, B.,
