三维体表心电图成像临床应用研究进展

周鑫 斌缪静毛威

●综述

三维体表心电图成像临床应用研究进展

周鑫 斌缪静毛威

标准12导联体表心电图自问世以来，以其无创性检测心脏电生理、病理变化，有效诊断心律失常、心肌梗死等疾病而广泛应用于临床。但由于导联数限制，获得的心电信息有限，常规体表心电图在分析复杂性电生理事件如心肌梗死后致心律失常病灶、心房颤动起源灶、室性心律失常病灶等方面明显受限。20世纪初出现的多导联体表电位标测技术（BSPM）较常规心电图提供了更细微全面的心电信息，并且在BSPM基础上发展起来的三维体表心电图成像（3D-ECGI）新技术，可非侵入性记录并构建心电激动模式、兴奋时序图及复极化模式等，有效弥补了常规心电检查对于复杂心律失常检测的局限性。3D-ECGI近年来发展迅速，现就其成像方法及临床应用进展做一综述。

1 3D-ECGI成像方法

3D-ECGI技术通过心电逆运算方法，把心脏-体表结构视做一个容积导体。将标测的体表电位信息，通过心脏-体表几何模型逆向整合到心脏表面，从而重建出三维心外膜电位图及激动模式图等心电模型。ECGI成像算法需要两类数据，即体表心电电位信息和心脏-体表解剖标测信息。前者可通过多导联的BSPM技术获得，而后者需借助计算机断层扫描（CT）或核磁共振成像（MRI）获得（图1）。

图1 ECGI成像方法概览。（引自Wang Y等，2011年）

1.1 BSPM及解剖标测BSPM技术采用多个体表电极（可多达252个），遍布前胸及后背，通过每隔1～2ms同步记录各部位电位空间分布及变化规律，从而为ECGI提供更全面细微的心脏电活动信息[1]（图1）。国内自90年代开始，张丙芳等[1]率先自主研制体表电位标测系统，用于标测正常体表心电电位及对于如陈旧性心肌梗死、急性心肌梗死、预激综合征旁路定位等的心电特点标测。近几年国外BSPM多用于研究如观察正常及心肌梗死后U波形态特点、评估冠状动脉损伤及心肌梗死后心肌功能恢复、定位心房颤动高频区域指导诊治等[2-3]。

遗憾的是，BSPM虽能全面显示体表电位时空变化，但是由于个体间胸廓及内部解剖结构异质性，BSPM无法精确显示心脏局部电活动、心外膜激动序列时空变化及定位病灶源等。故在BSPM基础上通过心电逆运算重建出心外膜甚至心内膜、心肌电激动三维图像成为了新的途径。

ECGI除了需要BSPM数据外，还需要心脏-体表的解剖结构信息，以提供心脏几何结构及体表导联的相对位置等数据，来计算ECGI所需的容积导体模型（图1）。CT是常用的采集手段，0.6～1.0mm的扫描厚度便可以清晰地重建出心脏-体表的几何结构模型。

1.2 ECGI成像模型的可靠性验证早在21世纪初，Rudy团队已经在正常和异常的犬心脏模型实验中，验证了3D-ECGI的有效性，结果显示3D-ECGI能准确标测出犬心脏模型室性心动过速的折返通路、冷热刺激下心外膜复极及心肌梗死后异常电生理基质特点，并且其结果与直接测量的心外膜电位图有较强相关性（r＞0.9）[4-6]。

近年来，3D-ECGI的可靠性在人体中也得到验证。Ghanem等[7]将3D-ECGI与开胸手术中直接的心外膜电位标测进行比较，结果显示其能有效标测出激动及复极模式，并且定位已知起搏点的精度约为1cm。Shah等[8]在一项多中心研究中，利用252导联BSPM对48例新发或心房颤动消融术后出现房性心动过速的患者行3D-ECGI，结果显示3D-ECGI能精确诊断发病机制及定位病灶源，且与标准的侵入性电生理成像及消融术中图像结果有较高一致性。

综上所述，3D-ECGI利用BSPM技术获得多导联体表电位信息，结合CT或MRI获得的心脏-体表解剖结构模型，重建出心脏生理或病理性电活动模式，其有效性及可靠性在动物实验及人体都得到了系统性验证。

2 3D-ECGI用于正常心电生理机制研究

Ramanathan等[9]通过3D-ECGI对完全生理状态下的7例健康成年人的心房激动、心室激动及复极的电生理特征进行研究，结果表明，3D-ECGI有效地重建了心外膜电位特征、电位图及兴奋时序图等，清楚地显示了生理状态下心脏的激动时序特征及复极特点。该研究弥补了以往用离体心脏或者动物模型研究的非客观性，为心电基础及临床研究提供了依据。

3 3D-ECGI用于致心律失常基质研究

由于临床很多复杂性心律失常，往往难以用单纯的电生理机制解释，如心房颤动消融不同的术式与疗效评价，故近年来引入了心律失常基质的概念。基质是由心肌、浦肯野纤维、冠状动脉循环系统及神经丛网络组成的一个有机整体，基质结构或功能异常会引起诸如碎裂波、螺旋波等电传导异常，诱发心律失常[10]。

3D-ECGI能在单个心动周期内对整个心外膜电激动序列进行成像，并且能反映心搏之间的变化，这一无创性及连续性监测的能力使其能有效用于心律失常激动动态模式的研究。

3.1 心房颤动的发生基质研究心房颤动的发生基质是处于动态变化中的，心房颤动本身能导致心脏基质重构，而基质的改变能进一步促进心房颤动的发生。Cuculich等[11]利用3D-ECGI连续监测分析26例心房颤动患者的心电模式发现，在多变的模式中最常见的为近肺静脉病灶的电活动及多种碎裂电波，并且随着心房颤动病程延长，心脏重构加剧，这种电激动模式复杂性也相应增加。另一对心房颤动行持续性、双心房心外膜激动序列标测研究也证实，其常见激动模式为肺静脉区或非肺静脉区的多子波造成的折返[11]。心房颤动的发生机制尚未明确，而ECGI将有助于进一步阐释其基质特点。但值得注意的是，心房颤动状态下心房电激动信号相对微弱，需经放大数倍后分析，可能一定程度上影响了结果的准确性[12]。

3.2 瘢痕相关心律失常基质研究Wang等[13]利用3D-ECGI标测研究室性心动过速的发生发展与心室的异常基质（如解剖瘢痕等）之间关系。发现瘢痕区域电活动在3D-ECGI上表现出高度碎裂、低振幅、缓慢等特点，并且每次室性心动过速发生时瘢痕边缘可观察到局部的收缩性电活动。瘢痕区域基质可产生缓慢、间断的电激动传导，且该电波面易在瘢痕周围不断折返而导致室性心动过速产生，这些特点也是消融治疗瘢痕相关室性心律失常的基质基础。

心肌梗死会导致梗死区域心肌渐进性重构，逐渐形成多种类型瘢痕，常可导致折返性心律失常的产生。瘢痕区域中含有可激动的存活心肌区域，称之为边界区，但这些心肌细胞电生理及结构特点已经异常。Cuculich等[14]对24例心肌梗死后窦性心律患者进行3D-ECGI标测，发现心肌梗死瘢痕区域也呈现出低电压、电传导改变、碎裂电位以及晚电位等特点，并且ECGI重建出的心肌梗死后“电瘢痕”图与MRI中的解剖瘢痕位置具有较好的一致性，提示ECGI能准确识别心肌梗死患者心肌瘢痕区域的所在部位。

4 3D-ECGI的临床应用

4.1 指导心力衰竭患者心脏再同步化治疗（CRT）CRT常用于心力衰竭患者的治疗，大量研究显示CRT能改善心力衰竭患者症状、增强左心室功能及延长患者寿命。但是十几年的研究显示近33%的心力衰竭患者对CRT无应答，其原因仍未知。

在Jia等[15]的研究中，3D-ECGI显示所有心力衰竭患者右心室激动特征与非心力衰竭患者类似，而左心室电激动明显异常及延迟。Berger等[16]的研究也证实了这一发现。他们认为心力衰竭患者右心室电激动可能利用了特殊的传导系统，提示在某些病例中，CRT可用单纯左心室起搏代替双心室起搏，并且也有大型研究显示单纯左心室起搏患者获益与双心室起搏类似[17]。

CRT同步化的程度依赖于左心室电极位置，患者特异性的3D-ECGI能标测左心室激动延迟最明显的部位，指导CRT电极的置入，以达到最大程度的同步[15]。并且该技术的应用，能进一步阐明心力衰竭患者基质相关的心室激动模式，反映患者个体之间的基质异质性，进而能用于评估心室电同步性及指导CRT合适患者的选择及置入部位的筛选。

4.2 起搏器植入后心脏记忆评估心脏记忆又称T波记忆，是指在一段时间的激动顺序改变后恢复窦性节律时所出现的持续性T被改变。心室起搏引起的异常心室激动，可引起心室复极顺序改变而产生心脏忆现象。

Marrus等[18]利用3D-ECGI研究心脏起搏器植入术后心脏记忆现象，发现起搏1个月后，所有起搏器患者均出现起搏位置附近心肌兴奋恢复间隔（ARI）延长，区域性复极离散度显著增加。该电重构变化可造成空间兴奋性不对称及单向性阻滞、折返等，可能导致心律失常出现。结果也显示持续性右心室起搏的复极离散度明显降低，提示持续性右心室起搏可能部分抑制了起搏器导致的心脏记忆现象。

较长时间以来，心脏记忆一直被认为是一种心电现象，限于检测手段而对其临床意义研究较少。3D-ECGI能够非侵入性地重建心外膜复极模式，以观察特定区域的激动时间、复极时间及ARI等，将有助于深入研究心脏记忆现象潜在的电生理机制，也能使我们更好地理解其与病理性电重构的相关性，从而为其诊治提供更多的理论依据。

4.3 预激综合征旁路定位Ghosh等[19]对14例预激综合征患者在射频导管消融（下称消融）术前后分别行3D-ECGI标测，发现3D-ECGI预测的预激病灶与实际消融灶吻合度较高，提示其可无创性准确地定位旁路以指导临床预激综合征患者的消融治疗，同时3D-ECGI还能用来评估消融术后心脏电生理重建情况。这一消融术前3D-ECGI定位及术后3D-ECGI评估模式值得在其他心律失常消融术中应用推广。

4.4 指导消融术3D-ECGI通过心电标测重建，能有效识别房性心动过速、室性心动过速的起源点病灶而指导临床的消融治疗。Wang等[20]报道了通过3D-ECGI准确定位心动过速起源灶并成功行消融手术的心房颤动患者1例，该患者已接受过两次肺静脉隔离术（PVI），尽管左心房基质术后已有瘢痕，3D-ECGI仍能准确定位，显示了其临床应用潜力。同时Jamil-Copley等[21]应用3D-ECGI定位24例流出道室性心动过速病灶源，显示其成功率为96%（23/24）。对于罕见疾病如三尖瓣下移畸形（Ebstein’s Anomaly），3D-ECGI也显示出其精确定位和指导消融的能力[22]。尽管如此，3D-ECGI用于指导射频消融目前多为个案报道，仍需大量临床试验加以验证推广。

5 展望

3D-ECGI能无创性地重建心脏电生理特性及定位心律失常病灶基质，有效评估风险并指导疾病治疗。3D-ECGI技术的出现使得我们能进一步认识复杂性心律失常的机制及其基质特点，但该技术也存在不足，如目前的心电重建局限于心外膜电位，而没有对心内膜及心肌内部电活动模式成像；体表电位标测存在如心房底部、间隔部等盲区；3D-ECGI与直接的心外膜电位标测不能同时进行而限制了其评估精确性；其临床应用大多为个案报道，仍缺乏大规模临床试验；且其BSPM导联数目和位置各研究之间不尽相同，限制了其规范化发展及标准化设备的生产问世。虽然目前3D-ECGI技术仍不成熟，但以其无创性、相对精确性特点，经过发展完善，相信会在心电学领域展现广阔前景。

[1]张丙芳,臧益民.体表电位标测[J].心功能杂志,1998,10（1）∶37-41.

[2]Wang B,Korhonen P,Tierala I,etal.Uwave features in body surface potentialmapping in post-myocardial infarction patients[J].Annalsof noninvasiveelectrocardiology:theofficial journalof the International Society for Holter and Noninvasive Electrocardiology,Inc,2013,18（6）∶538-546.

[3]Guillem M S,Climent AM,Millet J,etal.Noninvasive localization of maximal frequency sites ofatrial fibrillation by body surface potential mapping[J].Circulation Arrhythmia and electrophysiology,2013,6（2）∶294-301.

[4]Burnes JE,Ghanem R N,Waldo A L,et al.Imaging dispersion of myocardial repolarization,I:comparison of body-surface and epicardialmeasures[J].Circulation,2001,104（11）∶1299-1305.

[5]Burnes JE,TaccardiB,Rudy Y.A noninvasive imagingmodality for cardiacarrhythmias[J].Circulation,2000,102（17）∶2152-2158.

[6]Burnes JE,TaccardiB,MacLeod RS,etal.Noninvasive ECG imaging of electrophysiologically abnormal substrates in infarcted hearts:A modelstudy[J].Circulation,2000,101（5）∶533-540.

[7]Ghanem RN,Jia P,Ramanathan C,etal.Noninvasiveelectrocardiographic imaging（ECGI）:comparison to intraoperativemapping in patients[J].Heart rhythm:the official journal of the Heart Rhythm Society,2005,2（4）∶339-354.

[8]Shah A J,HociniM,XhaetO,etal.Validation ofnovel3-dimensional electrocardiographic mapping of atrial tachycardias by invasive mapping and ablation:amulticenterstudy[J].Journalof the American CollegeofCardiology,2013,62（10）∶889-897.

[9]Ramanathan C,Jia P,Ghanem R,etal.Activation and repolarization of the normal human heart under complete physiological conditions[J]. Proceedingsof the National Academy of Sciencesof the United States ofAmerica,2006,103（16）∶6309-6314.

[10]向晋涛,黄从新.论心律失常的发生基质[J].中国心脏起搏与心电生理杂志,2011,25（4）∶283-286.

[11]Cuculich PS,Wang Y,Lindsay BD,etal.Noninvasive characterization ofepicardialactivation inhumanswithdiverseatrial fibrillation patterns[J].Circulation,2010,122（14）∶1364-1372.

[12]刘兴鹏,田颖.关于心房颤动转子机制与消融的几点思考[J].中华心律失常学杂志,2014,18（2）∶102-104.

[13]Wang Y,Cuculich PS,Zhang J,etal.Noninvasive electroanatomic mapping ofhuman ventricular arrhythmiaswith electrocardiographic imaging[J].Science translationalmedicine,2011,3（98）∶84-98.

[14]Cuculich PS,Zhang J,WangY,etal.Theelectrophysiologicalcardiac ventricular substrate in patients after myocardial infarction: noninvasive characterization with electrocardiographic imaging[J]. Journal of the American College of Cardiology,2011,58（18）∶1893-1902.

[15]Jia P,Ramanathan C,Ghanem R N,et al.Electrocardiographic imaging of cardiac resynchronization therapy in heart failure: observation ofvariableelectrophysiologic responses[J].Heart rhythm: theofficial journalof the HeartRhythm Society,2006,3（3）∶296-310.

[16]Berger T,Pfeifer B,Hanser F F,et al.Single-beat noninvasive imaging of ventricular endocardial and epicardial activation in patientsundergoingCRT[J].PloSone,2011,6（1）∶e16255.

[17]Liang Y,PanW,Su Y,etal.Meta-analysisof randomized controlled trials comparing isolated left ventricular and biventricular pacing in patients with chronic heart failure[J].The American journal of cardiology,2011,108（8）∶1160-1165.

[18]Marrus SB,AndrewsCM,Cooper DH,etal.Repolarization changes underlying long-term cardiacmemory due to rightventricular pacing: noninvasivemappingwith electrocardiographic imaging[J].Circulation Arrhythmiaand electrophysiology,2012,5（4）∶773-781.

[19]Ghosh S,Rhee EK,Avari JN,etal.Cardiacmemory in patientswith Wolff-Parkinson-White syndrome:noninvasive imagingofactivation and repolarization before and after catheter ablation[J].Circulation, 2008,118（9）∶907-915.

[20]Wang Y,Cuculich PS,Woodard PK,etal.Focalatrial tachycardia after pulmonary vein isolation:noninvasivemappingwith electrocardiographic imaging（ECGI）[J].Heart rhythm:theofficial journalof theHeartRhythm Society,2007,4（8）∶1081-1084.

[21]Jamil-Copley S,Bokan R,Kojodjojo P,etal.Noninvasiveelectrocardiographic mapping to guide ablation of outflow tract ventricular arrhythmias[J].Heart rhythm:theofficial journalof theHeartRhythm Society,2014,11（4）∶587-594.

[22]Ghosh S,AvariJN,Rhee EK,etal.Noninvasiveelectrocardiographic imaging（ECGI）of epicardial activation before and after catheter ablationof theaccessorypathway in apatientwith Ebstein anomaly[J]. Heart rhythm:theofficial journalof the HeartRhythm Society,2008, 5（6）∶857-860.

（本文编辑：杨丽）

[5]HermidaRC,AyalaD E,Calvo C,etal.Chronotherapy ofhypertension: administration-time-dependenteffectsof treatmenton the circadian pattern ofblood pressure[J].Adv Drug Deliv Rev,2007,59（10）∶923-939.

[6]王国付,钦光跃.持续气道正压通气治疗对阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征患者血浆一氧化氮,内皮素Ⅰ和可溶性P选择素水平的影响[J].中国动脉硬化杂志,2007,15（1）∶54-56.

[7]Ziegler M G.Sleep disorders and the failure to lower nocturnalblood pressure[J].CurrOpinNephrolHypertens,2003,12（1）∶97-102.

（收稿日期：2014-12-19）

（本文编辑：杨丽）

2015-01-04）

310006浙江中医药大学附属第一医院心内科

毛威，E-mail：maoweilw@163.com