超高速心脏超声成像

赵菲菲 佟玲 罗建文 清华大学生物医学工程系 （北京 100084）

0.简介

心脏是人体最重要的器官，为全身血液循环提供动力。它是一个自主节律运动器官，其运动是由窦房结起搏，经纤维束传导的顺序性收缩和舒张过程。正常成年人的心脏平均每分钟跳动约75 次，相当于约0.8 秒完成一次收缩和舒张运动。对心脏的运动过程进行成像，便于了解心脏的结构和功能，并且对临床上心脏疾病的诊断具有重要意义[1]。超声心动图由于其无损、便携、价格低廉的特点是临床上诊断心脏疾病的一种常规手段。目前，传统二维超声心动图的帧频在25～40Hz，可以对心脏的结构信息和室壁的周期性运动进行实时成像评估。 然而，这一帧频却无法捕捉心动周期中一些比较重要，可能具有诊断意义的瞬时时相，比如等容收缩和等容舒张时相。近年来，超高速超声成像成为研究热点[2,3]，有很多研究旨在尽可能提高超声成像帧频，为更细致的心脏功能成像提供可能。提高超声成像帧频的关键在于减低每帧发射次数，可用方法有回顾性心电门控技术 (Retrospective ECG gating)，平面波/球面波成像 (Plane wave/diverging wave imaging)，以及并行发射、并行接收波束合成 (Multi-line transmit/acquisition, MLT/MLA)等。本文将对以上几种高帧频成像方法的原理进行阐述，并对其目前研究现状及潜在临床应用价值和局限性进行讨论。

1.超高速心脏成像方法

超声成像基于声脉冲回波响应原理，向组织内发射一个超声脉冲，由于组织内声阻抗的不同，超声波在组织中传播会产生回波信号，对其进行采集并作适当处理可用于成像。传统心脏超声成像采用聚焦波束（见图1A），对目标区域(一般为扇形)进行线扫描式成像。对90°张角的扇形区域，一般需要180 次线扫描。 组织内声速一般为1540m/s，心脏成像，深度一般为 15cm，获得一幅图像的时间约为36ms，即帧频为28Hz。由于组织中的声速固定，并且心脏的位置基本不变，所以提高帧频的唯一办法就是减少生成一帧图像所需发射的扫描超声脉冲次数。然而，对于一个固定的成像视野来说，减少发射超声波的次数，一般都会降低其图像的空间分辨率。 因此超声心脏成像中，如何在空间分辨率和时间分辨率之间做一个权衡一直是难题，也是领域内的研究热点。

1.1 并行接收波束合成（Multi-Line Acquisition, MLA）

为了提高帧频而不牺牲线密度和成像视野，目前大多数医用超声系统采用的是并行接收波束合成技术[4]。在这个方法中，每一次发射可以同时合成多条相邻的扫描线。例如，一个4MLA 系统中，一次发射可以同时合成4 条线，将帧频提高4 倍。然而为了实现并行接收，发射波束需要拓宽以覆盖每次合成的区域，即需要发射宽波束。波束的拓宽可以通过减少发射所使用的阵元数来实现，即欠聚焦波束（见图1.B）。发射时使用的阵元越少，其波束就越宽，但也会降低发射能力，从而降低图像的信噪比。此外，波束变宽会引起横向分辨率的降低。一般采用欠聚焦发射波束时，每次发射一般最多合成4 条扫描线。

1.2 回顾性心电门控（Retrospective ECG Gating）

此外，想要提高帧频同时不牺牲空间分辨率和成像视野，也可采用回顾性心电门控技术[5][6]。在此成像方法中，一个大的扇形成像区域首先被分成众多子扇形，分别扫描每个子扇形区域，同时采集心电信号作为后期子区域对齐拼接的时相记录标志。由于每个子区域成像视野非常小，故此可以实现一个很高的帧频，而成整幅图像的帧频就等于每个子区域成像时的帧频。该方法存在的问题是如果不同心动周期的心电信号变化不规律，则不能够依赖心电门控来重建。所以，其在临床上无法应用于房颤病人的诊断成像。为了避免这个问题，当心电信号不规律的时候，也可以选择用运动匹配的方法来拼成一幅图像[7]。

1.3 平面波/球面波成像（Plane/Spherical Wave Imaging）

为了避免门控采集时间过长，近年来的研究热点是通过发射非聚集的平面波或者球面波（图1.C 和D）来提高帧频[8]。非聚集波束可以覆盖较大的成像区域，因此一次发射可以并行合成较多数目的扫描线，从而大幅度提高帧频。此外，非聚集波束一般采用全孔径发射，相比欠聚焦波束其发射能量更高，穿透性更好。采用非聚集波束，图像的空间分辨率和对比度较差，一般需要采用空间相干复合成像[9]，即对同一成像区域，采用平面波或球面波在不同方向予以成像，并将各自发射重建的图像进行简单的叠加平均 （图2）。由于复合成像方法需要更多的发射次数，因而会降低有效帧频增益。实际中，需要根据不同的应用情况在帧频和图像质量之间做以权衡。需要指出的是，相干叠加的多个平面波/球面波是依次发射，对运动物体成像是有时相偏差，因此叠加平均也会带来相应的运动伪影。此外，球面波发射相比聚焦波束来说声压低，不利于产生谐波，则不能应用于谐波成像。

图1. 超高速成像模式

图2. 球面波相干叠加成像

1.4 并 行 发 射 波 束 合 成（Multi-Line Transmit, MLT）

尽管该技术二十多年前就被提出[10,11]，但并行发射波束间的串扰抑制一直是个难题。直到最近，相关研究组才证明合理设置并行发射波束间的夹角，并采用发射和接收变迹可有效抑制并行发射中串扰引起的伪像，在获得高帧频同时，确保与传统成像近似的高图像质量[12,13]。与所有之前提到的方法不同，并行发射采用聚焦波束（图1.E），不会影响空间分辨率。此方法可与MLA技术结合起来，从而获得更高帧频[13]。但需要注意的是，并行发射波束合成在近场区由于声波波束的多重叠加，可能会引起生物热效应而损伤组织；适当调整并行发射波束间的相位或者延时，可实现这种情况[14]。

2.超高速心脏成像应用

2.1 B 模式成像（B-mode Imaging）

前面提及的所有方法均可用于心脏的B 模式成像。回顾性心电门控扫描90 度区域，成像帧频可达到500Hz[5]。平面波/球面波发射相干叠加成像的帧频可达到1000～2500Hz[15]。这些高帧频成像方法都已得到了在体实验验证。然而，考虑到帧频和图像质量之间的内在矛盾，高帧频B 模式成像在临床上的应用还比较局限。究竟能从超高速心脏超声成像中得到什么样的有价值的信息还需要进一步研究考证。

2.2 心肌运动与形变成像（Myocardial Motion and Deformation Imaging）

高帧频成像的一个潜在优势是可为基于心肌运动和形变分析的心肌功能定量评估提供更为细致的、精准的信息[16]。采用传统的聚焦成像模式，基于组织多普勒技术或散斑追踪技术可以对心肌运动与形变信息进行粗略的定量化评估，但却无法捕捉到一些具有潜在诊断价值的瞬时事件/时相，高帧频成像则为弥补这一不足提供了可能性。比如，非复合平面波成像已被证明可用于心肌运动成像[9,17]。尽管采用非复合式成像，图像质量较差，然而鉴于心脏功能成像中，对高帧频的需求往往优先于图像质量，因此心脏功能成像中，采用非复合式平面波成像实现高帧频可能更为重要。同样，球面波也可以用来对心肌运动进行成像，并获取高时间分辨率的心肌运动信息[15]。尽管这些超高速的心肌运动/变形成像所带来的附加应用价值仍然需要在动物和临床实验中加以验证，但毋容置疑的是，其将使传统心脏超声诊断步入一个新的阶段。

2.3 心肌粘弹性成像（Imaging Viscoelastic Properties of the Myocardium）

高帧频成像也能提供心肌力学信息，如（局部）硬度和粘弹性等。剪切波方向垂直于超声波束传播方向，传播速度远远低于超声波速，因此可用超声波进行捕捉。但是由于其在组织中衰减很快，存在时间短，需要较高的帧频才可捕获成像。剪切波速度于心肌的粘弹性直接相关，因此剪切波成像可以用来评估心肌的力学特性。

最初，Kanai 研究组通过稀疏二维采样的方法实现了高帧频成像，定性捕捉到了由于主动脉瓣关闭所引发的室间隔上的剪切波传播，并由此得到心肌的粘弹性等信息。后来，Pernot 等人采用线阵探头，观察到了离体老鼠心脏中的剪切波传播，并对其整个心动周期中的心肌弹性变化进行了研究，证实收缩末期的心肌弹性是和心脏收缩功能紧密相关的[18～20]。晚些时候，同一个研究组也实现了在体开胸羊心脏的剪切波成像，并证明高帧频剪切波可用于心肌纤维走向信息的估计[21]。目前，剪切波成像主要局限在线阵探头与开胸的动物试验中。直到最近，相关研究组证明了相控阵下剪切波成像的可能性[22]，并分别对人和动物进行了在体闭胸实验。需要指出的是，剪切波成像仍然存在较多技术上的挑战，如产生剪切波一般需要足够的声辐射力，并且力的方向要垂直于心肌壁，鉴于心脏在不停的收缩和舒张，这在临床经胸的心脏成像中是比较难以实现的。但总的来说，心脏剪切波成像仍有可能在未来临床心脏诊断中获得一席之地。

2.4 心肌灌注成像（Myocardial Perfusion Imaging）

提高帧频高可以增加探测低血流量的灵敏度，使得用超高速多普勒技术研究心肌内血流运动成为可能[23～25]。目前大多数研究均是应用线阵探头在下开胸动物中进行的，对心肌梗死导致的血流异常变化进行探索。

心肌灌注成像的另一种模式是使用微泡的心肌造影成像。相关研究组证明，用超高速复合平面波成像可以在脉管系统中监控微泡的聚集，且与传统成像相比图像质量基本一样，但对比度更高[26]。

2.5 多普勒血流成像（Blood-pool Doppler Imaging）

临床上彩色血流成像和脉冲多普勒成像分别提供血流显像的空间和定量信息。超高速心腔内血流成像仍然基于多普勒原理，但能够基于一次发射的数据同时得到B 模式图像和血流显像，并且克服传统血流成像的局限，获取整个二维采样平面内任意点的定量的血流速度信息和频谱信息，为更为复杂的腔内血流动力学诊断提供基础。

相关研究实现了利用球面波成像，无造影剂的左心室内血流周期性显像[23]，帧频能够达到2400Hz。然而，此研究中只利用了两个球面波相干叠加，图像的分辨率大大降低。

2.6 心脏机械起搏成像（Mechanical Activation Mapping）

心脏运动是始于窦房结的电激励，经由纤维束传导该电信号并引起心肌收缩和舒张的过程。假设从心肌产生电信号到引起心肌收缩 （即心电机械耦合过程）的时间在心脏不同位置中是恒定的，则可通过追踪心肌运动反推出心电起搏传导的过程，对研究电传导紊乱等疾病就有重要意义。有研究表明，心脏电信息传导过程时间一般小于2ms，因此想要捕捉到这一瞬时事件，需要至少500Hz 的高帧频。 最初，高帧频心肌机械起搏成像是通过减少线密度的方法来实现的[27,28]，后来发展出了回顾性心电门控技术[7,29, 30]。直到平面波和球面波成像被提出后，才真正实现了用高帧频追踪单个心动周期内的机械起搏过程[31][32]。

3.潜在临床价值和局限性

临床上，高时间分辨率成像应用于心脏成像诊断优势是非常明显的。心动周期中有非常多的瞬时过程，例如等容收缩与舒张，需要高帧频才可成像。超高速心脏超声成像可用于胎儿超声成像。虽然彩色组织多普勒成像能够获得胎儿心室壁的速度与应变，但是胎儿的心跳较快，需要更高的时间分辨率来获取更细致的信息[33]。目前临床上基于模板匹配追踪可以实现心肌速度和应变的测量，并且也证实了这些参数在诊断新生胎儿发育正常与否的诊断中具有一定的意义[34,35]，结合超高速成像，相信能够获得更有价值的信息。

超高速心脏超声成像，能够实现心肌力学、心脏电传导和心腔内血流的融合显像，能够比较全面、系统的探究心肌动力学、血流动力学，以及心脏电起搏和机械起搏之间的耦合关系，由此更好地探索心脏疾病的发病机理并提供新的诊断信息。超高速心脏成像应用于心肌灌注成像的优势在于能够增加多普勒系统探测的灵敏度，在微泡造影成像中增加对造影剂浓度的灵敏性，从而避免较高的造影剂注射以及由此引起的伪影。

等容收缩期加速度和隔闪分别作为心肌收缩功能异常和房颤病人的再同步治疗效果评价指标，有非常重要的临床意义[36,37]，超高速成像使这些信息的获得更为可靠。

剪切波成像能够获得心肌粘弹性信息，临床上适用于心力衰竭和心肌炎的病人诊断中。此外，剪切波成像还能对心肌的纤维走向进行估计，以此探究心肌功能变化与心肌纤维走向的关系。

现阶段，虽然高帧频成像方法多集中在二维超声成像中，这些方法可以很直接地拓展到三维方向上，从而大大提高三维成像的时间分辨率。

尽管超高速成像有着很多的优势与益处，但其主要缺点就是在实现高帧频的同时会降低空间分辨率，尤其是横向分辨率，对图像的信噪比也有影响。同时，随着超高速超声成像的发展和应用，临床上要考虑的问题是超高速采集带来的大数据量的处理问题，包括数据接收、转换和重建等，这对硬件的提升以及软件的算法加速是个考验。临床应用中，便携性与实时性也是要考虑的重要方面，上述的超高速成像则是对这两个方面的挑战。

4.结论

超高速心脏成像是超声心动图发展的一个飞跃，可能会给临床诊断带来益处。考虑到技术进步可以慢慢弥补其缺陷，因此在未来的临床诊断中，超高速超声成像可能会成为诊断工具中不可分割的一部分，同时也会有助于新信息获取以及为心脏动力学特性的理解提供新的思路。致谢：本文得到青年千人计划、国家自然科学基金优秀青年科学基金项目（61322101）及面上项目（61271131、81471665）、中国博士后科学基金面上项目(2014M560094)和国家博士后国际交流计划-引进项目资助。

[1] 黄成武, 罗建文. 心血管弹性成像方法简介. 世界医疗器械, 2015(2):9-33.

[2] 何琼, 罗建文. 超高速超声成像的研究进展. 中国医学影像技术, 2014(08):1251-1255.

[3] Maja C, Tong L, George R, D'hooge J. Ultrafast cardiac ultrasound imaging: technical principles, applications, and clinical benefits. Phys Med Biol, 2014,59(19):L1-L13.

文献[4]～[37]略。