《医学影像学》

超声医学新技术（讲稿）

授课对象：2017级硕士研究生 授课时间：2017～2018学年度第二学期 授课教师：

一、教学目的与要求

（一）熟悉：

1、声学定量与彩色室壁动态分析。 （二）了解： 1、超声弹性成像； 2、斑点追踪超声心动图。

二、教学重点、难点

重点：斑点追踪超声心动图。 难点：超声弹性成像。

三、教具或教学手段

采用的教学方法

1、通过课件，图文并茂，举例说明； 2、特殊部分，动态图像，印象深刻； 3、提问互动，精力集中，提高效果； 4、联系实际，报告体会，培养兴趣； 5、表格对比，重点板书，言传身教； 6、实验见习，强化训练，掌握技能。

四、教学内容

一、 声学定量与彩色室壁运动分析

计算机技术迅速发展广泛用于医疗设备，声学定量 AQ（acoustic quantification）技术及 AQi智能超声定量（intelligent acoustic quantification）可自动边缘检测，实时追踪心脏容量变化或数个心动周期心功能的平均值。彩色室壁运动 CK（color kinests）技术在 AQ基础上，以彩色编码实时和连续显示室壁运动幅度。近年彩色室壁运动舒张指数（color kinests diastolic index，ICK）用于定量分析研究舒张期功能。AQ、Aqi及 CK于上世纪 90年代用于心脏超声诊断的临床研究，本世纪进一步发展，成为研究关注的课题，从多方面进行了研究，包括各种心脏病心脏的容积、面积与收缩、舒张心功能及药物对心脏功能的影响等，弥补了二维及M型超声心动图评价心脏收缩、舒张功能与室壁运动的不足。

一、AQ与 CK的成像原理 （一）AQ技术

1992年Perez等首次提出心内膜自动边缘检测技术即ABD技术。该技术在声学图像处理中，用原始声波把血液与组织以数字化的形式分开。计算机将超声扫描线上由组织变成血液时每个点的回波信号，标定为血液和组织的临界点，然后连接所有的临界点，则自动地显示出血液与组织的边界。AQ源于ABD技术，通过识别血液与心内膜的交界实时追踪心脏容量的变化。在心电图的控制下自动检测、分析，以曲线的形式实时地自动显示心功能参数，如心脏面积时间曲线、容积时间曲线及其变化率等系列心功能指标。本节 AQ、AQi技术特指超声心动图的声学定量，广义的AQ技术还包括声学密度定量—AD以背向散射积分（IBS）为基础的声学组织定征。

（二）CK技术

CK技术应用AQ声学定量自动边界检出的原理，进一步改进延伸、实时和定量分析心内膜与室壁运动。计算机自动分析、、对比感兴趣区（ROI）内来自血液和组织的不同回声强度，确定是组织还是血液及两者的界面。CK技术以同步心电图确定心动周期的时相．用彩色变化跟踪心腔血液与室壁边界的过渡。将各时相每帧图像随时间变化界面的位移，以不同色彩标记，依次叠加，最终形成贯穿整个收缩或舒张期的多层环形彩带。各层彩带的色彩不同，同一色彩表示心动周期中同一时相的位移；彩色位移的宽度代表该内膜运动的幅度。CK技术具有从空间和时间两个方面定量分析室壁运动的能力。多层彩带直观性强，提高了肉眼对图像变化的分辨力，能较全面的估价心肌整体和局部的功能。可停帧观察，也能联机分析，使室壁运动的定量分析变得更容易；有助于克服操作经验和熟练程度等主观因素对室壁功能判断中的误差。

二、AQ与 CK的检查方法

仪器：多种彩色超声仪设置AQ、AQi、CK技术。各类型的名称与具体操作方法大致相同。可经胸前或经食管超声检查，探头频率为 2.5~7.5~12MHz。

（一）胸前检查方法

1．AQ、AQi检查 常规连接心电图，分别取胸骨旁左室长轴、乳头肌短轴、心尖四腔及二腔等切面，2D-CDFI检查，了解心脏大小、形态，瓣膜运动与心功能，确定AQ、CK检查部位。心尖四腔观调节横向、侧向增益补偿获得满意心内膜，启动AQ技术，圈

定感兴趣区ROI，同步心电图的增益调至ROI能显示的高度。检查参数有：心室收缩末面积（ESA）、舒张末面积(EDA)、面积变化率（FAC）、收缩末容积（ESV）、舒张末容积（EDV）、射血分数（EF％）、峰充盈率（PER）、峰值排空率（PER）。在图像右侧标尺可实时自动显示左室各周期任一时相的测量参数。左、右房及主动脉扫描的参数，须停帧后实际测量。

2．CK检查 先启动AQ系统，调整时间增益补偿（TGC）和侧向增益补偿（LGC），至心内膜显示最大的清晰度，使AQ曲线与左室心内膜密切贴合，启动CK系统。同步心电图确定时相，R波顶点为舒张末期，T波终点为收缩末期，连续记录1至数个心动周期CK图像，存入录像带或光盘。一帧帧回放环形彩图，测量各部位、各时相心内膜（心肌）彩色位移的宽度，即运动幅度。或通过工作站，用计算机软件脱机处理，自动分析CK图像感兴趣区的数据。

CK图像分析方法：

（1）定性分析法：肉眼目测室壁运动情况，美国超声协会推荐16节段室壁运动分析的记分法。标准为：均匀分布的多层色彩记1分，蓝绿色色带消失记2分，黄色色带变薄或仅有橘红色记3分，单纯红色色带记4分。

（2）半定量分析法：通过节段性室壁运动的定性分析及计分，以此计算室壁运动指数（WMI），即WMI等于所有各节段的计分之和与所观察的节段数之比。正常为 l，大于 l有室壁运动异常存在。

（3）定量分析法：左室划分为6个600角的楔形节段。以一区域内某种彩色像素点的数量除以该区域像素点的总数，获得各时相内该区域位移面积百分比（RFAC），计算结果自动存入数据库中。彩色室壁运动舒张指数（ICK）可显示：①曲线图，心内膜位移以彩色曲线排列。横轴代表时间，纵轴代表不同时间检测部位的参数；②条状图，部位用条状图，彩色高度为具体测值。

（二）经食管超声AQi、CK检查

单或多平面探头经食管检查除心脏大小、心功能及主动脉病变定量，与三维重建结合定量分析室壁运动幅度。同步心电图R波顶点为舒张末期，T终点为收缩末期，两者间的时间间隔为CK彩色显示范围。自00~1800依次旋转探头、每隔100记录3~5个心动周期CK图像。输人计算机内三维重建，获得整个心室内膜运动的立体彩色定量图像。

三、正常心脏的AQ与CK表现 （－）正常心脏AQ表现

1．左室 AQ曲线 一个心动周期的容积与面积曲线大体呈“V”形，曲线最高点为舒张末容积，最低处为收缩末容积。收缩期位ECG的R~T波间曲线下降支，等容收缩期为舒张末最高位开始一小平台时间（0.07±0.01）s；然后斜形下降，收缩末期达最低位为ESV。下斜降速度的快慢、时间长短、收缩末存血量的多少，反映LV收缩功能、左室流出道及主动脉瓣有无狭窄或梗阻。舒张期曲线位ECG的T波至下个周期R波间上升支，等容舒张期为收缩期后，有小凹或小凸的平段，时间（0.09±0.03）s。舒张早期曲线迅速上升至顶峰，相当于M型二尖瓣舒张期的 E峰；快速充盈期结束，为略向下的小峰。缓慢充盈期似一平台，此间LV容积变化较小，舒张晚期再次上升成一小峰，相当ECG的P波后，二尖瓣的 A波，血流频谱的 A峰。舒张期结束达最高点 EDV，约在 R波后

（0.07±0.01）s。右心室的AQ曲线与左心室相似。

2．左、右房的AQ曲线 形态与心室相反，呈“∧”形。收缩末期曲线位于顶点为心房容积、面积最大值，舒张末期下降至最低位为最小值。

3．AQ技术与数种方法对照显示 AQ测定的面积与二维心动图测定EDA、ESA之间高度一致，AQ的测值略低于实际的可能原因：①AQ测定面积去除乳头肌所占据面积，二维超声测量乳头肌面积包括在内；②AQ测定时横向增益过大可致心腔面积减小，心尖部心内膜较难显示清晰均影响左室容积；③AQi曲线显示EDV、ESV、EF的大小随呼吸周期呈小幅度规律性波动，每次呼吸周期中第一个心跳测值最大，其后递减。AQi自动测量的数据取平均值较为准确。

（二）正常心脏的CK图像

1．CK-彩色动力图 收缩、舒张期呈两种不同的彩环，各型仪器色彩环颜色略不同。开始是红色窄带，相当于等容收缩或舒张期；接着是黄色或蓝色的宽带，相当左室射血期与快速充盈期；最后是蓝色或绿色的窄带，相当于收缩、舒张末期为红色；所有彩环均叠加在最后一帧图像中。运动正常彩环的色带分布均匀，层次完整、连续。如 HP5500彩超左室收缩期，心内膜从舒张末的最大位开始由外向内位移，心脏大→小；随心肌收缩时间彩色从收缩早期红色（时间占1／5）→中期黄色（约占3／5）→晚期蓝绿（约占1／5）依次叠加．收缩期结束形成完整的与心内膜位移一致的环形彩图。舒张期心内膜由收缩末最小心腔增大，内→外，彩色位移依次为红（约占1／5，）→蓝色（占 3／5）→绿色（约 1／5）或蓝绿色间少许黄色。左室壁分为室隔上、下段，左室外侧壁上下段及心尖与基底部六个区。收缩期平均（0.87±0.15）cm，舒张期稍长，（0.±1.1）cm。各段移位幅度微弱差异可能与心肌结构的排列不同，运动时互相协调的动力有关。右室CK-彩色动力图像与LV相同。

2．两房CK图像 心尖四腔观CK位移显示房壁动力的幅度。收缩期血流进入心房，容积小→大；房壁内膜由内→外显示黄→红。舒张期心房血流入室由大→小，房壁内膜由外→内，呈蓝→红。切面与声束角度适当可见上、下腔静脉孔，冠状静脉，四支肺静脉壁的彩色动力图像。

3．主、肺动脉CK图像 收缩期管壁扩大由内→外，彩色由黄→红。舒张期管壁回缩由外→内，彩色由红（内1/5）→蓝。

四、AQ与CK的应用范围

AQ、CK声学定量为无创检测手段，广泛用于常见心脏病收缩与舒张期的面积、容积的变化，整体或局部心功能状态及药物对心功能影响的研究。

（一）AQ、AQi曲线的临床应用

AQ、AQi声学定量对冠心病、高心病、肥厚性心肌病、扩张性心肌病、风湿性心脏病等，从以下三方面定量分析，综合判断：①心腔面积、容积大小，心排量多少；②心脏收缩、舒张各时相时间的长短；③心率与节律变化。

（1）AQ曲线对冠心、高心、心肌病等某些定量，较M型及多普勒频谱更敏感。心室收缩间期延长，舒张间期缩短，舒张/收缩期比值＜1（正常1.28~1.6），提示舒张期冠脉供血时间缩短。舒张早期充盈量下降，舒张末/舒张早期充盈比值增加，左房 AQ曲线则收缩期充盈量增加，代偿性加强。左心室射血分数EF下降，收缩功能减低。风心病随

着瓣膜狭窄与关闭不全的加重，AQ曲线显示左房容积、面积增大，左室EF降低。

（2）Aqi曲线有助心律失常时心功能与血流动力学的研究：严重室性早搏其早搏周期SV、FS、EF降低50%以上；左室充盈甚少或无；代偿期主、肺动脉口输出量降低或无血流输出，以致左室快速充盈期无法完成；影响舒张期冠状动脉的血流灌注，造成心脑血管缺血缺氧。心房纤颤Aqi曲线各周期长短不等，波形杂乱无规则；收缩早、中期曲线近似正常或下降，晚期曲线再升至高位，末期快速下降至最低位。舒张期上升支呈不规则锯齿形，舒张末期呈高位小幅度波动。各周期同一时相的容积，面积不同。心室率≥130/min，左室EF小于20%，心率≥160/min，左室EF小于10%，为危险信号。

（二）CK图像的临床应用 CK技术用于：①深入细致研究心脏整体及局部室壁节段的收缩功能；②评价冠心病、高心病、糖尿病、心肌病及心脏术后心肌整体、局部舒张功能的变化；③增加负荷超声中室壁运动异常诊断的敏感性；④提高帧频可进行传导异常中异位起搏点的定位分析等。 1．CK一般表现 ①病变处各时相彩环层次失去完整性，色带变窄或消失。②室壁各阶段位移幅度不均匀，收缩期仅见浅黄，深黄消失；舒张期仅见绿或蓝色，为局部运动时间延迟，或消失。③病变处彩色位移幅度明显减小，与正常部位移位不同。如高心病室间隔与左心室后壁彩色位移增加，肥厚型心肌病时室间隔上下段彩色位移较正常减少，而扩张传心肌病室隔、室壁彩色位移明显减小，色带变窄，心肌运动速度减低。

孙欣等用ICK定量分析高心病、冠心病、扩张型心肌病，显示随舒张功能减退色带的深蓝及蓝色比例减少提示舒张期前1／3局部心内膜彩色位移面积百分比及其偏差减低；可鉴别二尖瓣血流频谱假性正常。孔德红等ICK定量2型糖尿病，色带以舒张中晚期绿黄色为主，各阶段色带分布欠均匀．ICK曲线排列紊乱分散，舒张早期ICK面积下降，功能障碍。

2．辅助冠心病诊断 不同程度的冠心病CK彩图显示：①病变处运动减弱的节段，彩环厚度变薄或层次缺失；②不运动的节段彩环消失或明显变薄；③矛盾运动节段正常色带消失，呈单纯红色；④室壁运动异常可发生在收缩期的任何时相，以收缩晚期或中期运动消失多见；⑤CK结合多巴酚丁胺负荷超声心动图能较客观识别缺血心肌，冠脉病变部位。

3．检出心肌梗死后存活心肌 估计心肌梗死后缺血性心脏病的危险程度、识别存活心肌极为重要，是介入性治疗和冠脉搭桥的重要指征；挽救存活心肌，有益于心功能的改善。CK图像直观，易于分析多巴酚丁胺负荷试验超声心动图检测收缩功能储备的能力，评价心肌存活性。静息状态下运动障碍的心肌节段由于多巴酚丁胺的正性肌力作用室壁运动得以改善。CK彩环可直观室壁各节段，清晰标出心内膜运动轨迹增加的边界，表现为：①彩带层次比静息状态下增厚；②原为不运动的红色上出现黄色带；③原为黄色较薄的色带变厚或在此基础上出现绿色或蓝色带，提示收缩期增厚率的增加，室壁运动的改善。由于图像敏感性高，近年来该项检查在国外已相当普及。

4．评价心脏病治疗效果 CK技术无创地评价冠心病介入治疗及冠脉搭桥术后，冠脉血管再通术的疗效及监测冠脉再狭窄。亦可评价先心病术后的室壁运动。

五、AQ与 CK技术的局限性

综观10余年AQ与CK技术的进展，虽在定量方面有优越性，但仍以医科大学临床

研究为主。仪器昂贵，操作繁琐、费时，难以适应临床对心脏超声快速检查即刻出报告的要求，了它的广泛应用。肥胖、肺气肿使心脏、心内膜难以清晰显示是AQ、CK技术应用受限另一原因。

心脏运动由心肌的内向收缩运动、心脏的水平移动及沿长轴的转动三种运动组成，同其他定量评价室壁运动的方法一样，目前AQ与CK技术尚无法摆脱后二者影响。 CK技术的时间分辨率很低，心率快时（房颤等）则不能准确地确定心内膜位移；舒张期CK彩色层次较少，心率慢时不能准确地获取数据，因此了CK技术在局部室壁运动收缩及舒张功能等方面的进一步评价。

二、超声弹性成像

现代影像诊断技术发展迅速，但目前都不能直接提供组织弹性这一基本信息。1991年Ophir 等人提出弹性成像（elastography）后，得到了迅速发展。当前实验结果表明，弹性成像能获得常规超声成像无法获取组织弹性这种新的信息，具有非常重要的临床研究和应用价值。

（一）原 理

利用探头或者一个探头—挤压板装置，沿着探头的纵向压缩组织，分别采集组织压缩前、后的射频信号，利用时间延迟估计中常用的互相关方法对信号进行分析，得到组织内部应变分布。组织被压缩时，组织内所有的点都会产生一个纵向（压缩方向）的应变，如果组织内部弹性系数分布不均匀，组织内的应变分布也会有所差异。弹性系数较大的区域，引起的应变比较小；反之，弹性系数较小的区域，相应的应变比较大，通过互相关技术对压缩前、后的射频信号进行时间延迟估计，可以估计组织内部不同位置的位移，从而计算出组织内部的应变分布情况。

弹性成像开始显示的是组织上纵向应变的分布情况，进而反映组织内部的弹性系数差异，通过逆问题的求解，可以由组织内部的应变分布和边界条件的假设重建其弹性系数差异。随着弹性成像的发展，简单的一维问题也逐渐扩展到二维甚至三维，利用对射频信号采集、分析、计算，可以估计出组织的横向位移，从而得到组织上的横向应变分布，这个结果也可以用来补偿由于组织的横向位移引入的纵向位移估计误差，从而提高弹性成像的质量。在临床上可用于分别良、恶性肿瘤。一般显示与弹性系数有关的组织参数分布的技术、方法统称为弹性成像，成像的结果称为弹性图像，一般以灰度图像表示。

（二）理论分析

1、对比度转化系数

组织内部的应变分布，不仅与组织的弹性系数有关，还和组织的形状和边界条件等因素有关。因此，弹性成像的对比度不能完全反映组织弹性系数的差异。人们定义对比度转化系数来描述成像的这种局限性。

研究结果表现，较硬的异物（弹性对比度大于0dB）相对于较柔软的异物（弹性对比度小0dB）有较高的对比度转化系数，因此弹性成像检查硬块比检查囊肿更有效。

2、对比度—噪声比

弹性成像的对比度—噪声比是一个重要的参数，描述了弹性成像对组织内部损害的

监测能力，并直接关系到组织内部异物的分辨能力。同时它对于弹性成像中参数的选择也具有重要意义。

3、成像分辨率研究

文献对均匀组织里面分布的两个异物的可分辨距离进行了仿真研究。结果表明，弹性成像的纵向分辨主要由超声系统的参数（包括探头中心频率及其带宽）决定。同时，弹性成像的参数选择（跟踪波段间隔及其长度等）对纵向分辨率也有影响。同时结果还表明，弹性成像的分辨率与超声波的波长在一个数量级上。

（三）研究、临床应用与展望

弹性成像技术的研究主要集中于乳腺、前列腺、甲状腺、血管壁等部位的病变，和高强度聚焦超声引起损害的检测，实验资料表明，可早期发现前列腺、甲状腺、乳腺内的组织硬化和病变，并对病变的良、恶性进行鉴别。此技术目前在早期阶段，为了使之成为一种实用、可靠的影像学新诊断技术，需进行大量的深入研究、应用和发展，预期有广阔的临床应用前景。

附 血管内超声弹性成像技术

血管内超声显像可获取实时血管横断面信息，并可评价粥样斑块的形态学特征，但判断斑块的类别与图像信息的解释缺乏准确性和可重复性。1997年Korte研究组开始将组织弹性测定与血管内超声技术相结合构建血管内超声弹性图，简称弹性图，成为一种新的评价血管和斑块机械属性的技术。

1、原理

弹性图构建的原理：当外力作用时，僵硬的、顺应性低的物质发生形变较小，而柔软的、顺应性高的物质发生的形变大。弹性图可提供不同斑块成分的鉴别和高应变区域。

无论仿真血管模型或在体实验者验证弹性图在评价血管壁和斑块机械性能上的作用。在仿真模型试验中，可观察到硬血管壁中的较软的病变对于血管内超声不能显示，而弹性图却可清楚显示病变的边界。冠状动脉血管内在体弹性成像实验也显示了弹性图对病变细节的显示能力。

2、临床应用

弹性图用于血管的研究应用重要的在于能根据应变情况判断斑块的成分和区分不稳定斑块。Korte等应用弹性图从不同的应变值将血管壁分成四种不同的组织类型 ①纤维组织②纤维-脂肪组织③脂肪组织④正常血管壁。尽管血管内超声很容易区别钙化性斑块，但不能区别纤维性，脂肪性及纤维脂质混合性斑块，对斑块机械属性的了解和评价有助于冠心病的诊断和恰当的介入技术的选择，所以了解组织的弹性状况比单纯的组织的声像图意义更大。

3、展望

无论是仿真血管、体外实验或体内实验，都证实弹性图具有临床实用性，可行性以及同病理结果的高度相关性，可相信此技术在临床诊断和病变组织的病理生理研究中有十分重要的价值。