第二节　三维超声心动图

【概述及成像原理】

心脏作为一个由心腔和大血管构成的复杂结构，传统的二维超声模式无法对其立体结构进行观察和分析，因此，自超声成像出现以来，三维超声技术一直处在不断的探索和发展中。20世纪90年代，美国杜克大学的von Ramm等成功研发了实时三维超声心动图（real-time three-dimensional echocardiography，RT-3DE）系统。随着超声技术和计算机处理技术的不断发展，三维超声完成了从静态到动态再到实时的发展。

三维超声成像原理是通过获取器官结构的时间和空间信息，采用不同的方式重建或实时显示三维超声图像，以用于临床诊断。成像过程主要包括三维原始图像采集、三维图像重建、三维图像显示及数据分析。

一、三维原始图像采集

三维原始图像可通过多种扫查方法获取，包括机械定位扫查、自由臂扫查、二维阵列探头及矩阵探头扫查等，其中目前临床应用最广泛的是矩阵探头扫查。

矩阵探头采用二维阵列换能器，通过电子扫描方法按相控阵方式发射金字塔形声束，接收后可实时处理并显示三维图像信息。扫查时检查者无需移动探头，探头发出的声束可自动转向，到达感兴趣区内的任何部位，获取三维图像（图1-2-20）。

二、三维图像重建

三维图像重建主要有特征重建和容积重建两种方式。早期三维图像重建采用特征重建方式，依据结构的特征分类并分割后再重建，该方式虽然可以优化结构的对比度，但会丢失精细结构和组织纹理等重要信息，且耗时较长，现已不常使用。

目前多采用容积重建方式，实时三维容积重建算法主要包括基于体素的算法、基于像素的算法和基于函数的算法。基于体素的算法最为常用，它将每一个体素投射到其对应的三维位置容积中，建立体元容积模型。体素的灰度值可由距离最近的一个像素决定，也可由邻近区域内的多个像素插值得出，该方法保留了图像所有的原始信息。

三、三维图像显示

三维超声心动图在最佳二维图像的基础上，聚焦于感兴趣区成像，根据不同的病变部位及性质，来选择最适合的图像显示模式，主要显示模式如下。

1.窄角成像

是实时三维成像的一种，可建立一个实时显示的金字塔容积数据，虽然成像扇角较小，但其时间分辨力和空间分辨力较高，通过调整图像、旋转不同角度，可准确呈现复杂的病变信息（图1-2-21A）。

2.聚焦宽角成像

又称局部放大，也属于实时三维成像，可聚焦并放大显示想要观察的结构，清晰地观察病变部位的结构特征，但过度放大会使时间分辨力和空间分辨力减低（图1-2-21B）。

3.全容积成像

是由连续四个心动周期的实时三维窄角图像拼接组合而成，是一种“准实时”的三维模式（图1-2-21C）。全容积成像具有较高的空间分辨力和时间分辨力，有助于定量测量和显示复杂空间结构，但图像采集易受呼吸和心律失常的影响，产生拼接伪像。

4.彩色多普勒成像

常在全容积成像模式的基础上获得，也可在实时三维成像的同时叠加彩色多普勒模式来显示血流的走向和分流等信息，并进行血流定量分析，如瓣膜反流量和缺损分流量的评估（图1-2-21D）。但此模式具有较大局限性，如成像角度较窄、显示区域受限、帧频较低及成像速度慢等。

5.多平面模式

多平面模式从原始图像中选取不同方向的截面图像，可以同时从不同角度观察病变部位，主要包括双平面、正交三平面模式及断层模式。

（1）双平面和正交三平面模式：

均为实时三维超声显示，该模式通常从三维超声图像中提取两个或三个互相垂直的平面，并以二维图像的形式分别显示。操作者可选取最熟悉的切面图像进行分析，并可旋转图像角度，从而观察常规二维超声无法显示的结构信息（图1-2-22A、B）。

（2）断层模式：

首先需进行全容积图像的采集，随后对其进行连续切割，获取同一三维结构的多节段切面图像。此外，还可旋转微调切割后的图像，从不同角度观察组织器官的三维结构信息（图1-2-22C）。

四、数据分析

为清晰显示感兴趣区域及定量分析，常需要对三维图像进行后处理。以往图像处理过程烦琐且耗时长，需要检查者具有较高的空间识别和构建能力，需要较长的学习曲线，临床应用受到一定限制。随着技术的革新，目前三维图像的处理变得简便，可以直接进行切割、多方向旋转、多角度倾斜、俯仰、两点成像及局部成像等，从而可以快速得到感兴趣的三维图像，也为我们提供更多三维数据信息。

【临床应用】

RT3DE可实时显示心脏正常或病变结构的立体形态、动态变化及其毗邻位置与空间关系，对于病变的定性与定量诊断具有重要价值，在结构性心脏病，如先天性心脏病、瓣膜病及心腔内占位性病变等方面具有重要的诊断价值。同时RT3DE不需要对心腔形状进行几何假设，能够真实准确地评价心腔容积，因此具有不可替代的作用。

一、先天性心脏病

在评估房间隔缺损时，RT3DE可显示房间隔缺损的形态及动态变化，从而准确测量缺损面积，明确分型，并判断缺损边缘情况等（图1-2-23A、B）。此外，RT3DE在指导治疗（外科手术或封堵术）、选择封堵器型号和术中监测等方面均发挥了重要作用（图1-2-23C）。

在其他先天性心脏病，如室间隔缺损、法洛四联症、大动脉转位等疾病的诊断中，RT3DE作为常规二维超声的有力补充，已得到临床广泛应用。

二、心脏瓣膜病

心脏瓣膜和瓣环并非平面结构，二维超声对其病变的观察存在一定局限性。RT3DE可获得瓣膜的立体结构，实时显示瓣膜的空间形态和病变情况，同时结合彩色多普勒成像，可定量评价瓣膜反流程度。

1.二尖瓣病变

二尖瓣脱垂时，RT3DE可分别从左心室面以及二维超声无法获得的左心房面进行观察，明确瓣叶脱垂的部位和分区，结合彩色多普勒成像，可评估瓣膜反流容积和有效反流口面积等，从而更准确地评价反流程度（图1-2-24）。

二尖瓣狭窄时，可从不同角度、切面观察，评价瓣膜的形态、瓣口面积，判断狭窄程度及病因（图1-2-25）。

在其他诸多复杂的二尖瓣病变中，RT3DE亦可为诊断提供重要信息，如先天性二尖瓣病变、二尖瓣瓣膜瘤形成、二尖瓣实质性占位病变等（图1-2-26）。此外，RT3DE在二尖瓣介入治疗监测中亦发挥着重要的作用。

2.主动脉瓣病变

主动脉瓣关闭不全时，RT3DE可显示脱垂瓣叶的空间结构，瓣叶对合间隙的部位和面积。如合并赘生物形成，还可清晰显示赘生物附着处及瓣叶破坏、穿孔情况，同时结合彩色多普勒成像，评价反流束的空间走行及反流程度。

主动脉瓣狭窄主要病因为瓣叶退行性钙化或先天性二叶式主动脉瓣，RT3DE可直观立体显示瓣叶数目、形态和瓣口面积，对明确病因和判断狭窄程度具有重要的临床意义（图1-2-27）。此外，目前经导管主动脉瓣置换术（transcatheter aortic valve replacement，TAVR）已得到临床广泛应用，RT-3DE，尤其是经食管三维超声心动图，可为TAVR患者筛选、人工瓣型号选择、术中实时监测及术后随访提供全面信息。

3.三尖瓣和肺动脉瓣

三尖瓣位于纵隔较靠前的位置，且立体形态特殊，常规二维超声心动图对三尖瓣病变的观察有限，而RT-3DE可显示三尖瓣三个瓣叶的立体形态结构，并有助于定量评价反流程度。在肺动脉瓣狭窄的病因中，瓣叶数目异常（单叶、二叶或四叶）是常见原因，通过RT-3DE可从多角度清晰显示肺动脉瓣叶数目（图1-2-28）。

三、心脏占位病变

RT3DE能够显示心腔内异常回声（如肿瘤、血栓或赘生物）的立体形态、附着部位、活动度及毗邻结构等特征，较二维超声能更全面地评价病变特征。

四、心脏容积及心脏功能的定量评价

应用三维超声测量心腔容积时，不需要对心腔形态进行几何假设，能够真实准确地评价心腔容积，其准确性优于常规二维超声心动图，得到临床一致认可。目前有传统RT3DE分析和应用人工智能的分析方法。

1.传统RT3DE分析

（1）左心室容积：

左心室容积和射血分数的准确测量是明确临床诊断和制定临床决策的基础。RT3DE测量左心室容积及射血分数已纳入中华医学会和美国超声心动图学会心腔定量指南，推荐临床使用。此外，RT3DE可同时显示左心室各心肌节段容积-时间曲线，评价左心室收缩同步性（图1-2-29A）。

（2）右心室容积：

右心室容积和收缩功能对于明确病情及判断预后具有重要的作用，尤其适用于肺动脉高压等右心功能损伤的疾病。由于右心室形态不规则、心尖部肌小梁较多及心内膜显示不清等原因，常规二维超声心动图评价右心室容积的准确性较低，具有很大局限性，采用RT3DE评价右心室容积和射血分数的准确性优于二维超声（图1-2-29B）。

（3）左心房容积：

左心房容积与心房颤动的发生及复发率、脑卒中、高血压病等心血管事件发生率密切相关，左心房容积指数也是评价左心室舒张功能的必要参数，通过RT3DE准确评价左心房容积对临床具有重要价值（图1-2-29C）。目前，测量右心房容积的三维方法尚未进入临床应用。

2.人工智能在三维容积定量的应用

传统RT3DE评价心腔容积和功能耗时长且依赖操作者的分析经验。近年来，人工智能技术大大缩短了分析过程所需的时间，并且操作更加简便，为三维容积定量带来的新发展。

HeartModel为一种新的三维超声方法，可在机或脱机对全容积图像进行分析处理。以往的RT3DE依赖于手动定位左心室或左心房的轴线、描记心内膜边界，而HeartModel可智能识别心腔、自动识别舒张末期和收缩末期、自动描记心内膜边界，分析过程耗时短，并可同时得出左心室舒张末期容积、收缩末期容积、左心房最大容积、最小容积及容积曲线，分析结果具有较好的重复性。另外，该方法在全自动测量的基础上允许操作者进行手动调整，可以使测量更加准确（图1-2-29D）。

【小结】

目前，三维超声心动图为心血管疾病的诊断提供了新的观察视野，越来越多的实时三维超声成像模式被应用于研究和临床工作中，在临床诊断中发挥了重要的作用，但仍存在一定局限性。此外，随着人工智能技术的发展，三维超声心动图将更加简便、快捷、准确，未来将在临床诊断与决策中发挥更大的作用。

（马春燕　李　萌　王诗彤）