Voxel模型动态三维超声重建定量测量左室壁心肌重量
作者：洪涛 沈学东 王敏生 施月芳 潘翠珍 潘文明 陈灏珠 陈祖望 杨培强
单位：200032 上海医科大学中山医院 心外科(洪涛、 王敏生)， 心超室(沈学东、 旋月芳、 潘翠珍、 潘文明)， 心内科(陈灏珠)， 磁共振室(陈祖望、 杨培强)
关键词：动态三维超声重建；左室壁心肌重量
中华超声影像学杂志/980311 摘 要 为了评价Voxel模型动态三维超声重建技术测量左室壁心肌重量的准确性， 我们采用三维法和两维法对18例各种心血管病患者进行研究， 并与磁共振法对照。 结果表明， 动态三维重建能够从不同角度清晰地显示左室壁的形态。 三维法测量左室收缩末期心肌重量与MRI法测量结果之间高度相关， 相关系数为0.88， 两维法测量结果较逊， 相关系数为0.75。 有理由认为该技术将能够成为临床上常用的定量测量心室壁心肌重量的方法。
, 百拇医药
Quantitative Measurement of Left Ventricular Mass by Dynamic Three-dimensional Voxel Imaging Hong Tao, Shen Xuedong, Wang Minsheng, et al. Shanghai Institute of Cardiovascular Diseases, Zhongshan Hospital, Shanghai Medical University, Shanghai 200032
Abstract In order to evaluate the accuracy of 3-D extract technique for measurement of left ventricular mass, 18 patients of various valvular heart diseases were studied by 3-D and 2-D. Results were compare with magnetic resonance imaging(MRI). Hewlett Packard 2500 echocardiography and 2.5 MHz multiplane transesophageal probe was used for data acquisition. TomTec echo scan system was used for three-dimensional reconstruction LV mass measurement. LV mass could be reconstructed successfully in all patients. The geometric feature of LV mass and the indention of muscular trabecula could be demonstrated clearly. 3-D computation of LV mass in end systolic in 18 patients was achieved with an accuracy comparable to that of MRI (r=0.88, P<0.001), and was superior to 2-D methods (r=0.75, P<0.001). This technique promises to be a more accurate method for estimating left ventricular mass.
, 百拇医药
Key words dynamic three-dimensional echocardiographic reconstruction left ventricular mass
精确地测量心室壁心肌重量对临床评价各种心血管病变的严重程度、 评价治疗效果及估测疾病的预后等具有重要意义。 我们的研究结果[1]表明体元模型法三维重建技术能够精确地测量离体心脏的左室壁心肌重量， 但对于临床应用研究目前国内外未见完整的报道。 本文旨在验证该方法定量测定左室壁心肌重量的准确性， 并与电影磁共振法对照。
资 料 和 方 法
一、 研究对象
为18例各种心血管病患者。 男14例， 女4例， 年龄16～57岁， 平均34.1±10.5岁。 其中单纯二尖瓣脱垂者2例， 升主动脉扩张伴主动脉瓣关闭不全者8例， 二叶式主动脉瓣者2例， 四叶式主动脉瓣者1例， 二尖瓣、 主动脉瓣关闭不全者4例， 降主动脉瘤者1例。
, 百拇医药
二、 两维法
选用美国Hewlett Packard Sonos 2500多功能超声诊断仪和2.5 MHz经胸探头。 患者取左侧卧位行常规两维超声心动图检查并录像记录。 超声切面取四腔心切面， 采用面积-长度法计算左室心外膜的容积和左室心内膜的容积， 左室心内、 外膜容积之差即为左室壁心肌容积。 将左室壁容积乘以心肌比重(1.05 g/cm3)即为左室壁重量。 由一位不知最后结果的熟练操作者进行测量， 结果为三次测量的均值。
三、 三维法
1. 仪器、 设备和图像采集如前所述[2]， 本组均在超声诊断室中进行。 选定左室长轴切面进行三维重建。 设置探头旋转角度为2°共90幅图像。
2. 左室壁心肌重量测量： 调节α、 β、 γ和平行方向上的位置， 在参考切面内显示左室的长轴观， 而构边切面为与之相垂直的短轴观， 然后在参考切面内把左室分为若干片(slice)， 先用轨迹球沿心外膜构边， 然后采用消除键(delete)沿心内膜构边， 除去左室腔(图1)， 即为每一片的左室壁心肌容积， 乳头肌包括在左室壁内。 在完成所有切面测量后， 计算机即刻显示所有切面的左室壁心肌容积之和。 在测量过程中参考切面则同步显示构边的准确性， 并可随时修正。
, 百拇医药
由于本研究采用旋转扫描法进行采样， 对于左心室极度增大者， 在图像采样过程中， 左室基底部可能超出采集范围， 无法行心外膜构边， 因而仅测算收缩末期的左室壁心肌重量。 对于内外膜欠清晰者可采用各种伪彩技术， 以增强边缘效应， 确保构边的准确性。
四、 磁共振(MRI)法
磁共振检查采用美国GE 1.5 Tesla Signa磁共振成像系统， 病人取仰卧位， 接心电门控和呼吸补偿。 在横断面， 沿室间隔平行方向划线， 作多层面自旋回波成像， 获得两腔位切面， 然后进行垂直于心脏长轴的左室短轴电影磁共振成像， 矩阵为128×256， 层厚10 mm， 间隔10 mm。 每层20帧， 扫描平面从心底部到心尖(图2)。
左室心肌重量计算方法如下： 用跟踪球沿心内膜及心外膜构边， 得到每一层心内膜及心外膜面积， 每一间隔的面积为两个相邻切面面积的均值， 所得面积与各层厚和间隔厚度的乘积为每层和各间隔的容积。 收缩末期左室壁心肌容积为收缩末期心外膜容积与心腔容积之差。 左室壁心肌重量为左室壁心肌容积乘于心肌比重[3]。
, 百拇医药
五、 统计学分析
采用POMS统计软件， 进行T检验、 方差分极及相关分析。 计算两个观察者之间的变异度， 来评价观察者间误差。
结 果
一、 左室壁的三维显像
本组18例病人左室壁获得满意的三维重建， 提取后重建的三维图像具明显立体感(图3)， 并能够以不同角度、 不同速度旋转， 真实地再现左室壁的全貌， 动态显示可了解左室壁的局部或整体活动情况。
二、 左室壁心肌重量测量
三维法、 两维法测量左室收缩末期心肌重量与MRI法测量结果见表1。
表1 三维法、 两维法测量左室收缩末期心肌重量与MRI法比较(g) 编号
, 百拇医药
MRI法
三维法
两维法
1
159.9
140.2
130.0
2
114.4
115.6
176.8
3
105.6
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125.6
115.1
4
86.1
80.2
109.8
5
189.4
171.7
175.0
6
89.6
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75.0
7
132.3
153.7
128.4
8
126.3
113.2
141.0
9
138.4
145.9
129.0
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10
162.0
146.5
141.6
11
165.3
135.2
170.7
12
120.9
147.9
104.1
13
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224.1
216.5
187.1
14
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157.8
183.6
15
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118.3
118.9
16
112.1
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130.5
110.1
17
157.3
169.3
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18
178.5
158.3
184.1
±s
140.8±35.7
139.3±32.3*
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142.8±34.8*
注 * P值>0.05
由表可见， 三维法测量结果与MRI法较为接近， 优于两维法， 但两者之间差别无统计学意义(P值>0.05)。
三维法测量的左室心肌重量与MRI法测量结果密切相关， 且明显优于两维法(相关系数分别为0.88和0.75， SEE分别为15.85 ml和23.94 ml， P值均<0.001)。
三维方法测量收缩末期左室壁心肌重量的观察者间变异度为6.91%。
讨 论
Framingham[4]研究表明， 左心室心肌重量明显增加是除年龄因素之外最好的预测心血管疾病发生和死亡的指标。 M型和两维超声心动图方法是临床上测量左心室心肌重量最为常用手段， 但两者均需要对左心室进行几何学假设， 同时对各个切面之间的变换缺乏解剖标记的定位， 导致较高的组间误差和较低的测量准确性[5]， 使得这些方法不适于作为对病人进行系列随访的检查。
, 百拇医药
近几十年来， 国内外业已开展左室壁心肌重量的离体和在体三维超声定量测定[6，7]。 采用最多者为火花隙声学定位装置控制探头的空间位置， 获得系列不相平行的短轴切面进行计算， 但由于胸壁的影响， 图像清晰度欠佳。 Pandian等[8]首先采用多平面经食管超声探头， 成功地进行各种心血管病的动态三维显像， 开辟了心脏超声诊断的新途径， 但用于进行定量测量至今未见完整报道。
本研究采用体元模型法进行定量测量与以往所采用的表面提取法比较具有如下特点： ①采用多平面经食管探头， 能够从心脏的后方近距离获取清晰的两维图像， 在多数情况下可获得清晰的图像进行构边； ②探头在食管内的位置较固定， 有较高的时间和空间定位能力， 而表面提取法容易由于病人体位的变动造成偏轴； ③具有心电图和呼吸门控， 保证图像采集时心率和呼吸均处在同一时相； ④左室壁重量为近30个短轴切面之和， 即使左室几何形态不规则， 也不影响结果的精确性； 而表面提取法计算时采用的左室长轴或短轴切面至多为3～9个； ⑤进行左室壁构边时， 在参考切面内同步显示左心室的长轴图像， 用于观察构边的准确性， 并可进行修正； ⑥具有三维提取功能， 能够将左心室壁进行动态三维显像， 其图像具有明显的立体透视感， 而表面提取法多采用网络线或平面灰阶法进行显像， 图像缺乏立体透视感[6～8]。
, http://www.100md.com
对本组18例病人的左心室壁进行定量测量及提取研究， 比较两维法和三维法的测量结果， 并与MRI法的测量结果对照， 结果表明三维超声提取技术， 能够清晰地显示左室壁的立体形态， 为今后进一步开展冠心病心肌缺血范围的定量研究打下基础。 对左心室心肌重量的测量表明三维法与MRI法接近， 相关系数为0.88， 两维法测值与MRI法相差较大。 两维法与三维法差别不显著的原因， 可能是由于本组病人虽有左室扩大， 但无节段性室壁运动异常。
由于本研究采用多平面经食管探头进行采样， 部分左心室明显扩大的病人其左室基底部在舒张期未能包括在图像之内， 因而只测量收缩末期的左心室心肌重量， 为该方法的不足之处。 部分病人的三维图像心内膜和心外膜界限欠清， 影响构边的准确性， 同时人工进行心内外膜构边也容易增加测量误差。
总之， 三维体元模型法超声重建能够精确地测量左室壁心肌重量， 其结果与磁共振法相近， 优于两维法， 已显示出良好的临床应用前景。
, 百拇医药
参 考 文 献
1洪涛， 沈学东， 王敏生. 三维Voxel模型超声重建法定量测量左室壁心肌重量的实验研究. 中国超声医学杂志， 1996， 12∶1.
2洪涛， 沈学东， 王敏生， 等. 多平面经食管Voxel模型动态三维超声重建在二尖瓣修复术中的应用. 中国超声医学杂志， 1996， 11∶11.
3Shapiro E, Rogers W, Beyar R, et al. Determination of left ventricular mass by magnetic resonance imaging in hearts determed by acute infarction. Circulation, 1989, 79∶706.
4Levy D, Garrison RJ, Savage D, et al. Left ventricular mass and incidence of coronary heart disease in an olderly cohort. Am Intern Med, 1990, 110∶101.
, 百拇医药
5Collins HW, Kronenberg MW, Byrd BF.Reproducibility of left ventricular mass measurements by two-dimensional echocardiography and M-mode echocardiography. J Am Coll Cardiol, 1989, 14∶672.
6Handschumacher MD, et al. New integrated system for three-dimensional echocardiographic reconstruction: development and validation for ventricular volume with application in human subjects. J Am Coll Cardiol, 1993, 21∶743.
7Copal AS, et al. Three-dimensional echocardiography: In vitro and in vivo validation of left ventricular mass and comparison with conventional echocardiographic methods. J Am Cardiol, 1994， 24∶504.
8Pandian NG, Nanda NC, Schwartz SL, et al. Three-dimensional and four-dimensional transesophageal echocardiographic imaging of the heart and aorta in humans using a computed tomographic imaging probe. Echocardiography, 1992, 9∶667.
本课题受国家卫生部资助(94-1-170)
(收稿 1996-09-15 修回 1997-16-10), http://www.100md.com
单位：200032 上海医科大学中山医院 心外科(洪涛、 王敏生)， 心超室(沈学东、 旋月芳、 潘翠珍、 潘文明)， 心内科(陈灏珠)， 磁共振室(陈祖望、 杨培强)
关键词：动态三维超声重建；左室壁心肌重量
中华超声影像学杂志/980311 摘 要 为了评价Voxel模型动态三维超声重建技术测量左室壁心肌重量的准确性， 我们采用三维法和两维法对18例各种心血管病患者进行研究， 并与磁共振法对照。 结果表明， 动态三维重建能够从不同角度清晰地显示左室壁的形态。 三维法测量左室收缩末期心肌重量与MRI法测量结果之间高度相关， 相关系数为0.88， 两维法测量结果较逊， 相关系数为0.75。 有理由认为该技术将能够成为临床上常用的定量测量心室壁心肌重量的方法。
, 百拇医药
Quantitative Measurement of Left Ventricular Mass by Dynamic Three-dimensional Voxel Imaging Hong Tao, Shen Xuedong, Wang Minsheng, et al. Shanghai Institute of Cardiovascular Diseases, Zhongshan Hospital, Shanghai Medical University, Shanghai 200032
Abstract In order to evaluate the accuracy of 3-D extract technique for measurement of left ventricular mass, 18 patients of various valvular heart diseases were studied by 3-D and 2-D. Results were compare with magnetic resonance imaging(MRI). Hewlett Packard 2500 echocardiography and 2.5 MHz multiplane transesophageal probe was used for data acquisition. TomTec echo scan system was used for three-dimensional reconstruction LV mass measurement. LV mass could be reconstructed successfully in all patients. The geometric feature of LV mass and the indention of muscular trabecula could be demonstrated clearly. 3-D computation of LV mass in end systolic in 18 patients was achieved with an accuracy comparable to that of MRI (r=0.88, P<0.001), and was superior to 2-D methods (r=0.75, P<0.001). This technique promises to be a more accurate method for estimating left ventricular mass.
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Key words dynamic three-dimensional echocardiographic reconstruction left ventricular mass
精确地测量心室壁心肌重量对临床评价各种心血管病变的严重程度、 评价治疗效果及估测疾病的预后等具有重要意义。 我们的研究结果[1]表明体元模型法三维重建技术能够精确地测量离体心脏的左室壁心肌重量， 但对于临床应用研究目前国内外未见完整的报道。 本文旨在验证该方法定量测定左室壁心肌重量的准确性， 并与电影磁共振法对照。
资 料 和 方 法
一、 研究对象
为18例各种心血管病患者。 男14例， 女4例， 年龄16～57岁， 平均34.1±10.5岁。 其中单纯二尖瓣脱垂者2例， 升主动脉扩张伴主动脉瓣关闭不全者8例， 二叶式主动脉瓣者2例， 四叶式主动脉瓣者1例， 二尖瓣、 主动脉瓣关闭不全者4例， 降主动脉瘤者1例。
, 百拇医药
二、 两维法
选用美国Hewlett Packard Sonos 2500多功能超声诊断仪和2.5 MHz经胸探头。 患者取左侧卧位行常规两维超声心动图检查并录像记录。 超声切面取四腔心切面， 采用面积-长度法计算左室心外膜的容积和左室心内膜的容积， 左室心内、 外膜容积之差即为左室壁心肌容积。 将左室壁容积乘以心肌比重(1.05 g/cm3)即为左室壁重量。 由一位不知最后结果的熟练操作者进行测量， 结果为三次测量的均值。
三、 三维法
1. 仪器、 设备和图像采集如前所述[2]， 本组均在超声诊断室中进行。 选定左室长轴切面进行三维重建。 设置探头旋转角度为2°共90幅图像。
2. 左室壁心肌重量测量： 调节α、 β、 γ和平行方向上的位置， 在参考切面内显示左室的长轴观， 而构边切面为与之相垂直的短轴观， 然后在参考切面内把左室分为若干片(slice)， 先用轨迹球沿心外膜构边， 然后采用消除键(delete)沿心内膜构边， 除去左室腔(图1)， 即为每一片的左室壁心肌容积， 乳头肌包括在左室壁内。 在完成所有切面测量后， 计算机即刻显示所有切面的左室壁心肌容积之和。 在测量过程中参考切面则同步显示构边的准确性， 并可随时修正。
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由于本研究采用旋转扫描法进行采样， 对于左心室极度增大者， 在图像采样过程中， 左室基底部可能超出采集范围， 无法行心外膜构边， 因而仅测算收缩末期的左室壁心肌重量。 对于内外膜欠清晰者可采用各种伪彩技术， 以增强边缘效应， 确保构边的准确性。
四、 磁共振(MRI)法
磁共振检查采用美国GE 1.5 Tesla Signa磁共振成像系统， 病人取仰卧位， 接心电门控和呼吸补偿。 在横断面， 沿室间隔平行方向划线， 作多层面自旋回波成像， 获得两腔位切面， 然后进行垂直于心脏长轴的左室短轴电影磁共振成像， 矩阵为128×256， 层厚10 mm， 间隔10 mm。 每层20帧， 扫描平面从心底部到心尖(图2)。
左室心肌重量计算方法如下： 用跟踪球沿心内膜及心外膜构边， 得到每一层心内膜及心外膜面积， 每一间隔的面积为两个相邻切面面积的均值， 所得面积与各层厚和间隔厚度的乘积为每层和各间隔的容积。 收缩末期左室壁心肌容积为收缩末期心外膜容积与心腔容积之差。 左室壁心肌重量为左室壁心肌容积乘于心肌比重[3]。
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五、 统计学分析
采用POMS统计软件， 进行T检验、 方差分极及相关分析。 计算两个观察者之间的变异度， 来评价观察者间误差。
结 果
一、 左室壁的三维显像
本组18例病人左室壁获得满意的三维重建， 提取后重建的三维图像具明显立体感(图3)， 并能够以不同角度、 不同速度旋转， 真实地再现左室壁的全貌， 动态显示可了解左室壁的局部或整体活动情况。
二、 左室壁心肌重量测量
三维法、 两维法测量左室收缩末期心肌重量与MRI法测量结果见表1。
表1 三维法、 两维法测量左室收缩末期心肌重量与MRI法比较(g) 编号
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MRI法
三维法
两维法
1
159.9
140.2
130.0
2
114.4
115.6
176.8
3
105.6
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125.6
115.1
4
86.1
80.2
109.8
5
189.4
171.7
175.0
6
89.6
81.5
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75.0
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132.3
153.7
128.4
8
126.3
113.2
141.0
9
138.4
145.9
129.0
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162.0
146.5
141.6
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165.3
135.2
170.7
12
120.9
147.9
104.1
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224.1
216.5
187.1
14
145.8
157.8
183.6
15
127.0
118.3
118.9
16
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130.5
110.1
17
157.3
169.3
189.5
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178.5
158.3
184.1
±s
140.8±35.7
139.3±32.3*
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142.8±34.8*
注 * P值>0.05
由表可见， 三维法测量结果与MRI法较为接近， 优于两维法， 但两者之间差别无统计学意义(P值>0.05)。
三维法测量的左室心肌重量与MRI法测量结果密切相关， 且明显优于两维法(相关系数分别为0.88和0.75， SEE分别为15.85 ml和23.94 ml， P值均<0.001)。
三维方法测量收缩末期左室壁心肌重量的观察者间变异度为6.91%。
讨 论
Framingham[4]研究表明， 左心室心肌重量明显增加是除年龄因素之外最好的预测心血管疾病发生和死亡的指标。 M型和两维超声心动图方法是临床上测量左心室心肌重量最为常用手段， 但两者均需要对左心室进行几何学假设， 同时对各个切面之间的变换缺乏解剖标记的定位， 导致较高的组间误差和较低的测量准确性[5]， 使得这些方法不适于作为对病人进行系列随访的检查。
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近几十年来， 国内外业已开展左室壁心肌重量的离体和在体三维超声定量测定[6，7]。 采用最多者为火花隙声学定位装置控制探头的空间位置， 获得系列不相平行的短轴切面进行计算， 但由于胸壁的影响， 图像清晰度欠佳。 Pandian等[8]首先采用多平面经食管超声探头， 成功地进行各种心血管病的动态三维显像， 开辟了心脏超声诊断的新途径， 但用于进行定量测量至今未见完整报道。
本研究采用体元模型法进行定量测量与以往所采用的表面提取法比较具有如下特点： ①采用多平面经食管探头， 能够从心脏的后方近距离获取清晰的两维图像， 在多数情况下可获得清晰的图像进行构边； ②探头在食管内的位置较固定， 有较高的时间和空间定位能力， 而表面提取法容易由于病人体位的变动造成偏轴； ③具有心电图和呼吸门控， 保证图像采集时心率和呼吸均处在同一时相； ④左室壁重量为近30个短轴切面之和， 即使左室几何形态不规则， 也不影响结果的精确性； 而表面提取法计算时采用的左室长轴或短轴切面至多为3～9个； ⑤进行左室壁构边时， 在参考切面内同步显示左心室的长轴图像， 用于观察构边的准确性， 并可进行修正； ⑥具有三维提取功能， 能够将左心室壁进行动态三维显像， 其图像具有明显的立体透视感， 而表面提取法多采用网络线或平面灰阶法进行显像， 图像缺乏立体透视感[6～8]。
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对本组18例病人的左心室壁进行定量测量及提取研究， 比较两维法和三维法的测量结果， 并与MRI法的测量结果对照， 结果表明三维超声提取技术， 能够清晰地显示左室壁的立体形态， 为今后进一步开展冠心病心肌缺血范围的定量研究打下基础。 对左心室心肌重量的测量表明三维法与MRI法接近， 相关系数为0.88， 两维法测值与MRI法相差较大。 两维法与三维法差别不显著的原因， 可能是由于本组病人虽有左室扩大， 但无节段性室壁运动异常。
由于本研究采用多平面经食管探头进行采样， 部分左心室明显扩大的病人其左室基底部在舒张期未能包括在图像之内， 因而只测量收缩末期的左心室心肌重量， 为该方法的不足之处。 部分病人的三维图像心内膜和心外膜界限欠清， 影响构边的准确性， 同时人工进行心内外膜构边也容易增加测量误差。
总之， 三维体元模型法超声重建能够精确地测量左室壁心肌重量， 其结果与磁共振法相近， 优于两维法， 已显示出良好的临床应用前景。
, 百拇医药
参 考 文 献
1洪涛， 沈学东， 王敏生. 三维Voxel模型超声重建法定量测量左室壁心肌重量的实验研究. 中国超声医学杂志， 1996， 12∶1.
2洪涛， 沈学东， 王敏生， 等. 多平面经食管Voxel模型动态三维超声重建在二尖瓣修复术中的应用. 中国超声医学杂志， 1996， 11∶11.
3Shapiro E, Rogers W, Beyar R, et al. Determination of left ventricular mass by magnetic resonance imaging in hearts determed by acute infarction. Circulation, 1989, 79∶706.
4Levy D, Garrison RJ, Savage D, et al. Left ventricular mass and incidence of coronary heart disease in an olderly cohort. Am Intern Med, 1990, 110∶101.
, 百拇医药
5Collins HW, Kronenberg MW, Byrd BF.Reproducibility of left ventricular mass measurements by two-dimensional echocardiography and M-mode echocardiography. J Am Coll Cardiol, 1989, 14∶672.
6Handschumacher MD, et al. New integrated system for three-dimensional echocardiographic reconstruction: development and validation for ventricular volume with application in human subjects. J Am Coll Cardiol, 1993, 21∶743.
7Copal AS, et al. Three-dimensional echocardiography: In vitro and in vivo validation of left ventricular mass and comparison with conventional echocardiographic methods. J Am Cardiol, 1994， 24∶504.
8Pandian NG, Nanda NC, Schwartz SL, et al. Three-dimensional and four-dimensional transesophageal echocardiographic imaging of the heart and aorta in humans using a computed tomographic imaging probe. Echocardiography, 1992, 9∶667.
本课题受国家卫生部资助(94-1-170)
(收稿 1996-09-15 修回 1997-16-10), http://www.100md.com