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综述

超声斑点追踪成像技术评价先天性心脏病胎儿心肌功能的研究进展

  • 侯莉 ,
  • 尹立雪 ,
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  • 646000 泸州,西南医科大学临床医学院;611731 成都市妇女儿童中心医院超声影像科
  • 646000 泸州,西南医科大学临床医学院;610072 成都,电子科技大学附属医院·四川省人民医院超声医学研究所 超声心脏电生理学与生物力学四川省重点实验室
通信作者:尹立雪,Email:

Copy editor: 汪荣

收稿日期: 2022-12-29

  网络出版日期: 2024-01-08

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Progress in evaluating myocardial function of fetuses with congenital heart disease by ultrasonic speckle tracking imaging

  • Li Hou ,
  • Lixue Yin ,
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Received date: 2022-12-29

  Online published: 2024-01-08

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摘要

现有研究表明,胎儿先天性心脏病(congenital heart disease,CHD),如心脏结构畸形和心肌病变等,可导致胎儿心脏功能异常改变。对CHD胎儿心脏功能进行动态评价能够实时反映胎儿在不同病理状态下的心血管系统特征,有助于进一步理解心脏适应性改变的病理生理机制,降低围产期胎儿残障发生率和死亡率,改善妊娠结局和确定胎儿出生后心血管疾病发生的先天性因素。

本文引用格式

侯莉 , 尹立雪 . 超声斑点追踪成像技术评价先天性心脏病胎儿心肌功能的研究进展[J]. 中华医学超声杂志(电子版), 2023 , 20(10) : 1085 -1088 . DOI: 10.3877/cma.j.issn.1672-6448.2023.10.014

现有研究表明,胎儿先天性心脏病(congenital heart disease,CHD),如心脏结构畸形和心肌病变等,可导致胎儿心脏功能异常改变1。对CHD胎儿心脏功能进行动态评价能够实时反映胎儿在不同病理状态下的心血管系统特征,有助于进一步理解心脏适应性改变的病理生理机制,降低围产期胎儿残障发生率和死亡率,改善妊娠结局和确定胎儿出生后心血管疾病发生的先天性因素。
早期研究中超声心动图对胎儿心脏功能的常规评价主要包括对与心脏相连的中心静脉、脐动脉参数以及心脏形态学特征进行评价。随着心脏影像学技术方法的不断发展,一些能够全面精准评价胎儿心室心肌功能的超声心动图新技术已经开始应用于临床。这些新技术包括组织多普勒成像(tissue Doppler imaging,TDI)、时间-空间相关成像(spatio-temporal image correlation,STIC)以及超声斑点追踪成像(speckle tracking imaging,STI)等(表1)。其中STI能够通过逐帧追踪不同心肌区域内特定斑点运动轨迹,量化评估心肌变形,得到心肌应变和应变率等心肌力学参数2,3,4。近年来,有研究表明应用STI技术能够检测出胎儿心脏功能的早期异常改变,在评价心肌收缩功能损伤性疾病方面具有较强优势5-6
表1 评估胎儿心脏功能的超声新技术比较
超声新技术 原理 评估内容 可获得的参数 局限性
STI 追踪不同区域心肌运动 量化心肌运动和变形;实时提供心肌速度和位移数据;监测心肌收缩和舒张功能早期变化 心脏功能的所有基本参数及整体应变、节段应变及应变率 目前研究样本量小
TDI 分析心肌节段运动 评估心肌收缩舒张功能 心肌性能指数及二、三尖瓣位移 有角度依赖性,无法准确测量
STIC 重建心脏体积 测量心脏容量 用于计算每搏量、输出量、射血分数等参数 左、右心室形态不同,重建不能准确反映心室几何形态

注:STI为超声斑点追踪成像;TDI为组织多普勒成像;STIC为时间-空间相关成像

一、STI的基本原理

二维灰阶超声图像中小于入射超声波长的细微结构对超声波束照射产生散射、反射和干扰现象,形成心肌组织中的“回声斑点”。STI就是在高帧频二维灰阶超声图像的基础上,通过计算机技术追踪识别感兴趣区心肌内回声斑点,并逐帧跟踪不同帧之间同一位置图像中斑点的空间位置变化及其运动轨迹,定性观察和定量评价心肌运动速度、应变和位移等参数7。STI有助于监测心脏疾病进展并指导干预治疗。
基于STI原理的胎儿心脏定量分析技术(fetal heart quantification,Fetal HQ),通过追踪心肌形变观测心脏大小、形状及功能,能够提供心肌形变参数并量化分析胎儿心脏形态及功能8。该技术以四腔心切面为基础,以心内膜为标记点,将胎儿左、右心室沿长轴分为24节段,对心肌形变进行定位追踪和快速定量评估。此外,应用STI技术对四腔心切面动态图像进行心肌功能定量分析不受超声波入射角度限制。

二、STI在评价CHD胎儿心脏功能中的应用

CHD是人类最常见的出生缺陷,是新生儿、婴幼儿死亡或残疾的主要原因之一9。由于胎儿心脏发育及胎儿循环的特殊性,不同类型的疾病对胎儿心脏功能的影响有所不同10。在常见的CHD中,房间隔缺损、室间隔缺损、法洛四联症、室间隔完整型肺动脉闭锁、Ebstein畸形、右心发育不良综合征等均可导致右心排血功能障碍,主要影响右心容量负荷及压力负荷,归类为右心系统相关CHD。而主动脉弓缩窄、主动脉离断、主动脉瓣狭窄、左心发育不良综合征皆可引起左心排血功能障碍,主要对左心容量负荷及压力负荷造成影响,归类为左心系统相关CHD。以下依据不同类型CHD对胎儿心脏整体及局部功能的影响分别介绍STI技术在CHD中的应用进展。

(一)室间隔缺损

室间隔缺损(ventricular septal defect,VSD)是心室间隔部分发育不全或融合不良形成的左右心室间血流异常交通的一种先天性心脏异常,是最常见的CHD之一。研究证实11孤立性中、小型VSD患儿自然闭合率较高,出生后需手术干预治疗者较少,对心功能影响较小。李炎菲海等12纳入8例单纯性VSD,采用 Fetal HQ获得胎儿的心脏整体球形指数(global sphericity index,GSI)和左、右心室24节段球形指数(24-segment sphericity index,24-SSI),同时分析GSI及左、右心室24-SSI的Z评分,结果发现与正常胎儿比较,左、右心室部分节段SSI差异有统计学意义,心尖部球形指数(sphericity index,SI)逐渐增大,与心室形态改变、心尖处心室腔减小相一致。8例VSD胎儿GSI的Z评分均在-2~2之间,2例胎儿一个心室或两个心室的24-SSI中至少有1个节段出现异常,提示单纯VSD对胎儿心脏整体形状影响不显著,仅对局部形态有影响。但已有的研究报道多为回顾性研究且样本量小,可能结果存在一定误差,同时未对比出生后左、右心室心功能的变化,不能确定胎儿期心室功能变化是否对出生后新生儿造成影响。目前尚未见大样本VSD胎儿心室心肌功能系统性评估结果。

(二)法洛四联症

传统观点认为,法洛四联症(tetralogy of fallot,TOF)胎儿的四腔心切面超声显像特征正常13。然而,DeVore等14报告了TOF的四腔心切面大小和形状异常变化,以及44例TOF确诊胎儿的右心室和左心室舒张末期四腔心切面面积、长度和GSI显著低于对照组,而宽度显示高于对照组。此外,与对照组相比,TOF胎儿的右心室和左心室舒张末期、24节段舒张末期横径和24-SSI也明显降低。Song等15应用常规超声心动图和STI分析52例TOF胎儿的心室心肌形变情况。结果发现,与正常胎儿相比,TOF胎儿表现出相似的左心室射血分数和右心室面积变化率,而在应变分析中,TOF胎儿的左心室和右心室整体纵向应变(global longitudinal strain,GLS)值显著降低,左心室和右心室GLS与主动脉瓣/肺动脉瓣直径比值呈负相关,分析原因可能是长期右心室高压、冠状动脉灌注异常和(或)心肌固有异常导致心室心肌力学改变,提示即使在收缩期心室功能正常的TOF胎儿中,也会出现双心室心肌变形异常。DeVore等16应用STI进一步研究发现,TOF胎儿左心室中段和心尖段的整体收缩力和24节段短轴缩短率较正常胎儿显著减低。相比之下,TOF胎儿右心室整体应变与对照组比较没有显著差异。分析原因可能是通过室间隔缺损的左心室流出道血流导致比右心室更大的流动阻抗所致。由此得出结论,TOF胎儿与健康对照组之间左心室收缩力存在显著差异,左心室的收缩功能异常比右心室显著。

(三)大动脉完全转位

大动脉完全转位(transposition of the great arteries,TGA)是一组以心室与大动脉连接不一致为特征的CHD。Patey等17利用超声心动图和STI对54例正常妊娠和13例室间隔完整型TGA胎儿进行了前瞻性纵向研究。结果发现,与正常妊娠相比,TGA足月胎儿表现出更多的球形性心室肥大,左、右心室收缩功能和舒张功能均出现异常。TGA新生儿表现为左、右心室肥大,右心室呈球形,收缩和舒张功能参数及心肌做功指数均发生异常改变。研究结果提示室间隔完整型TGA胎儿在足月时发生心脏重塑,出生后这些心脏参数的变化可能表明心脏对异常负荷和低氧血症的适应性反应。

(四)室间隔完整型肺动脉闭锁

室间隔完整型肺动脉闭锁(pulmonary atresia with intact ventricular septum,PA/IVS)是一种严重的发绀型CHD,其病理特征为:室间隔无缺损,右心室与肺动脉之间无连接,常合并不同程度右心室发育不良和三尖瓣异常,可能伴发心室-冠状动脉交通18。Cohen等19回顾性分析了57例PA/IVS胎儿和57例正常胎儿的心肌形变情况,发现PA/IVS胎儿的左、右心室GLS及左、右心室应变率均显著减低。此外,与没有心室依赖性冠状动脉循环的PA/IVS胎儿对照,10例有心室依赖性冠状动脉循环PA/IVS胎儿出生后的左、右心室GLS均明显下降,可能是PA/IVS胎儿在右心室高压和(或)冠状动脉灌注异常的情况下继发左心室充盈减少及收缩功能下降。研究结果表明,评估胎儿左、右心室应变可提高产前预测心室依赖性冠状动脉循环PA/IVS胎儿存活的能力,其可作为右心室依赖性冠状动脉循环PA/IVS胎儿预后的产前预测因子。

(五)动脉导管提前收缩或闭合

动脉导管是胎儿时期连接主动脉与主肺动脉的特殊结构,大多数足月儿在出生4h内出现动脉导管收缩20,约有80%于出生后3个月内闭合。李田静等21运用Fetal HQ技术评价胎儿动脉导管提前收缩或闭合(ductus arteriosus constriction or closure,DACon/Clo)胎儿的血流动力学改变,结果发现DACon/Clo组左、右心室面积变化率及整体应变均减低,而左心室每搏量增加。周小雪等22利用Fetal HQ技术对18例右心室容量负荷过重(包括卵圆孔血流受限或早闭17例及永存左上腔静脉胎儿1例)胎儿和31例右心室压力负荷过重(包括单纯肺动脉狭窄26例和动脉导管提前收缩或闭合5例)胎儿分别与相同例数的正常组比较。结果发现,右心室容量负荷过重组中左心室整体应变、左心室面积变化率及左心室射血分数均较低。而右心室压力负荷过重组中则表现为右心室整体应变及右心室面积变化率较低。提示不同原因所致的胎儿中重度三尖瓣反流对左、右心室收缩功能的影响可能不同。右心室容量负荷过重时,右心房、右心室增大,横径增宽,可能出现室间隔的形态改变,甚至凸向左心室侧,导致左心室充盈受损,左心室收缩功能减低;右心室压力负荷过重时,心肌细胞缺血缺氧,从而引起心肌弹性下降,右心室形变能力降低,右心室收缩功能减低23

(六)左心室流出道梗阻性畸形

左心室流出道梗阻性畸形(left ventricular outflow tract obstruction,LVOTO)主要包括主动脉狭窄、主动脉弓缩窄、主动脉离断和左心发育不良综合征24。严重的 LVOTO会出现左心室容量及压力减低,病变的梗阻程度不同,心功能损害也不同。詹梦娜等25利用Fetal HQ测得22例LVOTO 胎儿左心室24-SSI及面积比,与右心室比较均明显异常,说明SI不仅能提供左心室重构的信息,也反映了左心室形态的变化。此外,该研究发现右心室24节段舒张末期横径较左心室显著增加,进一步说明LVOTO 胎儿左心室收缩功能下降。提示Fetal HQ能够全面定量分析LVOTO胎儿心脏形状、大小和功能。Miranda等26应用STI研究发现,12例主动脉缩窄胎儿左心室收缩期纵向应变、收缩期及舒张期应变率均低于正常胎儿组,提示STI可以客观反映主动脉缩窄胎儿心功能的变化,为诊断主动脉缩窄及分析心功能提供了一种新的方法。
综上所述,依据胎儿心室壁节段心肌形变及功能改变对CHD胎儿心脏功能异常进行评价较常规超声更为敏感,STI可对不同类型CHD胎儿的四腔心大小和形状以及左、右心室心肌运动和心肌形变进行系统全面的评估(表2),有助于在产前早期识别CHD胎儿心功能异常和形态学改变,指导选择宫内干预时机。但现有研究的样本量较小,缺乏长期随访研究以及相关预后的临床价值评估。
表2 超声斑点追踪成像评价常见先天性心脏病胎儿心脏形态及功能异常的主要表现
常见CHD种类 24-SSI 24-FS GLS LV-GS LV-SR GSI
单纯室间隔缺损[12] - - - - -
法洛四联症[1516] - -
完全性大动脉转位[17] - - -
室间隔完整型肺动脉闭锁[19] -
动脉导管提前收缩或闭合[2122] - - -
左心室流出道梗阻性畸形[2526] -

注:CHD为先天性心脏病;24-SSI为24节段球形指数;24-FS为24节段短轴缩短率;GLS为整体纵向应变;LV-GS为左心室整体应变;LV-SR为左心室应变率;GSI为整体球形指数;↓表示下降;- 表示未报道

三、STI评价胎儿心脏心肌功能存在的问题

应用STI评价胎儿心脏心肌功能存在如下问题:(1)胎儿心脏太小、运动快,无法完全排除胎儿心跳、呼吸运动及胎动引起的心脏位移,采集过程中位移会引起心内膜及心外膜显示不清而无法准确追踪心肌运动轨迹。(2)成像的准确性还受到孕妇腹壁脂肪厚度、胎儿体位骨骼声影、羊水量及脐带遮挡等因素的影响。(3)需手动定义心动周期时相,易受操作者主观判断影响。(4)目前STI对心脏功能及心脏运动的研究多局限于成人,针对儿童尤其是胎儿的研究较少,观测方法和经验有待进一步规范和积累。(5)Fetal HQ是一项新技术,现有研究样本量较小,研究结果仍有待大样本长期队列研究验证。

四、STI的应用前景

STI是一项全新的评价心脏功能的技术方法,是一种无角度依赖、客观评估胎儿心肌运动轨迹的新方法。Fetal HQ技术重复性好,仅需采集胎儿四腔心动态图即可较为全面地评估胎儿心脏功能,使得胎儿心脏功能评估变得更为简便、迅速27。超声成像新技术为评价胎儿心脏功能提供了全新的视野,有望在临床实践中系统性揭示胎儿心脏功能异常的病理生理机制,为临床治疗决策提供可靠依据。
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