心肌应变及应变率定量分析方法研究

心肌应变及应变率定量分析方法研究王婷婷【摘要】Strain and strain rate as new objective, noninvasive, convenient, accurate, and quantitative parameters can be used to reflect the ability and speed of deformation of the global and regionalmyocardium,consequently can be used to assess the function of the global and regional myocardium,then to identify the sub-clinical cardiac disease. Strain and strain rate has important value for clinical diagnosis, treatment and prognosis evaluation of cardiac diseases. Currently, noninvasive imaging methods for quantitative measurement of myocardial strain and strain rate are mainly ultrasound imaging, cardiac magnetic resonance imaging, and cardiac computer tomography.The aim of this paper wasto review various noninvasive imaging methods of quantitatively analyzing myocardial strain and strain rate.%心肌应变及应变率作为一种客观、无创、方便、准确乃至可定量反映整体和局部心肌发生形变能力及速度的新参数,能够用于评估整体和局部心肌运动及功能,进而检测出处于亚临床状态的心脏早期疾病,对于临床上心脏疾病的早期诊断、及时治疗和预后评估都具有重要价值.目前定量测量心肌应变及应变率的无创性影像方法主要有超声成像、心脏MR成像、心脏CT成像,就心肌应变及应变率定量分析的无创性影像方法的研究进行综述.【期刊名称】《国际医学放射学杂志》【年(卷),期】2017(040)003【总页数】5页(P277-281)【关键词】心肌应变;特征追踪;心脏形变分析;多模态组织追踪【作者】王婷婷【作者单位】南京医科大学第一附属医院放射科,南京 210029【正文语种】中文【中图分类】R541;R445心血管疾病严重威胁着人们的生命健康，准确地评价心肌功能对于心血管疾病的早期诊断、及时治疗及预后评估至关重要。

传统评估整体心肌功能的参数主要是左心室射血分数，但心肌运动是三维立体模式，单一维度的参数不能全面评估整体心肌功能，更不能精确地反映局部心肌的舒缩运动，而许多常见的心血管疾病对心肌的损害往往是由局部到整体渐进性的过程。

心肌运动与心肌纤维走向有很大相关性，以致不同心室、同一心室不同层面、同一层面的不同节段的局部心肌运动均具有特异性，使得局部和整体评价心功能显得同样重要。

心肌应变及应变率能够定量评估整体及局部心肌发生形变的能力和速度，不受邻近心肌运动及周围组织运动牵拉的影响，也不受探测角度的影响，进而能够客观、准确地评估心肌整体及局部功能。

目前定量测定心肌应变及应变率的无创性影像方法主要有超声成像、心脏MR成像，心脏CT成像[1]。

本文就心肌应变及应变率定量分析的无创性影像方法的研究予以综述。

心肌应变（myocardial strain，MS）[2]是指心肌在心动周期中发生的形变，指相对于起始心肌长度或没有应力状态时心肌长度的百分数变化，可用于诠释心肌的伸长或缩短，增厚或变薄。

心肌应变率（strain rate，SR）反映了心肌发生形变的速度。

应变是应变率的时间积分，是无量纲参数；应变率是应变的时间导数，单位为s-1。

在一个心动周期中，收缩期应变反映的是心肌在心脏长轴和圆周上缩短的百分数及在径向上增厚的百分数，舒张期应变反映的是心肌在心脏长轴和圆周上伸长的百分数及在径向上变薄的百分数[3]。

心肌应变受局部心肌的舒缩运动以及前后负荷等因素影响，是心肌形变的多维测量值。

分析心肌应变这个综合向量时一般将其分解为3个方面，即纵向应变（longitudinal strain，LS）、径向应变（radial strain，RS）和环周应变（circumferential strain，CS）。

不同的应变参数判断局部或整体心肌运动的敏感性不一，应用时要参照心肌纤维的走向。

心脏超声是应变及应变率定量分析最先采用的影像技术。

与心脏MR成像和心脏CT成像相比，超声成像费用低廉、实施方便且具有较高的时间和空间分辨力，能实时、动态、精准地量化心肌整体及局部的运动和功能，可用于临床心血管疾病预后评估及心脏亚临床疾病的早期诊断[1]。

超声成像在心肌应变及应变率的定量分析应用中主要有组织多普勒（doppler tissue imaging，DTI）技术、速度向量成像（velocity vector imaging，VVI）技术、超声斑点追踪（speckle tracking echocardiography，STE）技术等，目前STE的临床应用价值最大。

STE是指通过超声波的反射及散射形成的声学斑点或声学标志追踪心动周期中心肌特定组织，利用特定的计算机软件半自动监测和分析声学斑点的活动轨迹来获取心肌运动信息，进而定量评估心脏整体或局部舒缩功能。

这些“回声斑点”由大小为20~40像素构成，均匀地分散在心肌组织内并紧随心肌运动而同步移动。

在选定兴趣区中，逐帧地追踪兴趣区内不同像素斑点在每一帧图像中的位置变化，利用模块匹配技术，与前一帧图像中的位置比较，可定量计算整个兴趣区内各节段心肌的位移、运动速度、心肌应变和应变率以及旋转角度等参数[2]。

STE根据测量维度的不同分为二维超声斑点追踪（2D-STE）和三维超声斑点追踪（3D-STE）。

2D-STE在高帧频二维灰阶影像基础上，自动追踪心肌内声学斑点在整个心动周期中的运动轨迹，定量测定心肌应变及应变率不受周围心肌牵拉及心脏整体运动的干扰，克服了角度依赖性，是无创性评价整体和局部心肌运动及功能的新技术。

然而，2D-STE定量测量心肌应变及应变率的精确性受多种因素影响，主要有二维影像的质量、帧频的高低等。

若影像质量不佳则无法进行识别和对目标斑点的精确追踪，甚至发生在选定的层面上追踪的斑点逃逸，相应的数据也就无法采集；高帧频会导致扫描线密度和影像分辨力降低，低帧频导致目标斑点不稳定甚至遗失。

另外，组织形变、信噪比值、空间运动的混叠、假象以及影像的饱和度等均会对2D-STE影像质量产生一定的影响。

无论心肌整体或局部运动均为三维立体的，2D-STE基于二维水平进行评估不可避免会产生误差。

而3D-STE技术基于实时全容积扫描，以心肌像素立体斑点为单位进行追踪构建全容积三维数据库，无声波角度依赖性，不仅不受心肌运动方向的限制，还在一定程度上避免了追踪斑点逃逸现象的发生，心肌舒缩运动准确性和可重复性得以提高。

3D-STE较2D-STE可定量测量用于分析局部或整体心腔表面积改变程度的新参数——面积应变（area strain，AS）[4]。

然而，3D-STE影像时间分辨力和空间分辨力均相对较低，且单一心动周期容积成像的帧频较低，使得追踪的目标斑点不稳定，从而对测量值的精确性影响较大。

无论二维或三维STE追踪的斑点都并非真实存在于心肌组织中，而是由于探头发出的超声波产生的，这就使得所追踪的斑点会受超声波的影响，而超声波的变化与操作者的经验、探头的类型、仪器设置、声窗调节及图像数据分析处理软件等都有直接的关系，故难以实现所测值在不同机型间交互使用。

心脏MR成像作为一种无创性评估心脏形态学和功能变化的方式一直备受推崇，其不仅能够实现整个心动周期的采集且无声窗限制，还能用于测量心脏径线，计算心肌质量，具有较高的准确性和可重复性。

它对于早期检测心脏整体或局部心肌功能变化非常敏感。

目前可用于分析心肌应变及应变率的MR技术主要有心脏MR 标记成像、相位对比MR成像（phase-contrast MRI，PC-MRI）、刺激回波的位移编码成像（displacement encoding with stimulated echoes，DENSE）、应变编码成像（strain encoding，SENC）和心脏MR特征追踪成像（cardiacMR feature tracking，CMR-FT）等[5]，但目前常用的在平衡稳态自由进动序列上定量测量心肌应变及应变率技术的算法大多都是基于最小离均差平方和（sumof squares of deviations，SSD）[6]准则发展的。

通过在心动周期中校准匹配每一帧频中的特定组织，计算出心肌运动速度、应变及应变率。

这些技术普遍需要冗长的图像采集时间，特定的数据分析工具及繁杂的后处理程序。

现有算法的主要局限性在于无法完全克服相邻帧频间心肌特定组织由于运动发生形变而难以准确描记，甚至用于描记的心肌特定组织消失无法追踪而造成心肌运动信息的丢失。

心脏形变分析（heart deformation analysis,HDA）[7]是一种新近发展起来的追踪心动周期中心肌运动的新技术，其仍基于MR传统平衡稳态自由进动序列，但采用不同于CMR-FT的算法。

HDA是基于图像变形配准算法在传统平衡稳态自由进动序列上追踪心肌运动，运用持续反图像变形配准算法恢复选定区域发生形变的后处理方法[8]。

HDA可实时评估目标区域因运动产生的形态学变化。

HDA评估过程中，通过对心动周期中目标区域形变的计算，左心室整体功能和形态的改变（左室射血分数和左室心肌质量）及左心室局部运动参数（整体和局部心肌位移、速度、应变及应变率）均可定量测出。

对比心脏MR电影序列中已存在的追踪心肌特定组织运动的技术如CMR-FT，HDA的优势在于不仅可提供心脏室壁运动的可视化分析还可进行定量心肌力学的变化，更能缩短后处理时间且因为该技术是不依赖于操作者全自动描记心动周期中心内外膜表面心肌特定组织，故消除了观察者组内及组间的变异。

再者，该技术在平衡稳态自由进动序列的基础上无需增加额外扫描序列。

HDA因其检测方法的便捷性和检测结果的稳定性有望成为用于定量评估心脏功能和运动的新技术。

多层CT（MDCT）有很高的空间分辨力和信噪比，有研究者[9]利用多模态组织追踪（multimodality tissue tracking，MTT）算法，即依据选定区域的像素信息通过逐帧自动模块匹配技术追踪目标组织的运动轨迹，其具有很好的空间分辨力及很高的信噪比，且定量测量左心室心肌应变时精确性较高，将该方法与心脏MR标记成像及心脏MR延迟成像进行比较，在心肌梗死愈合后的病人中应用效果良好。