时间-空间关联成像在胎儿心脏畸形诊断中的研究进展
2017-08-21 14:21:27   来源：   评论：0 点击：

作者：李彦，史百放，内蒙古呼和浩特市第一医院超声科；冯天鹰，内蒙古自治区人民医院超声科

先天性心脏畸形是胎儿最常见的发育畸形，其发病率约占活产婴儿的3‰～8‰。先天性心脏畸形的种类繁多、病因复杂、难以预防且预后不良，尽管目前医疗水平的发展使部分先天性心脏畸形患儿出生后能够存活或者治愈，可是仍有将近一半的患儿治疗后面临着术后并发症、再次手术、心律失常、心力衰竭甚至死亡等问题。世界卫生组织报道1950年～1994年42%的婴儿死亡是由心脏畸形引起，可见先天性心脏畸形严重危害着婴儿的健康与生命，妊娠期尽早发现并提前干预可降低畸形胎儿出生率及围产期死亡率，对优生优育、提高人口素质具有重要意义。先天性心脏畸形产前的准确诊断是指导进一步干预的关键。

超声心动图是最常用、最理想的影像学检查方法，具有无创、无辐射、方便快捷、经济等特点，可反复动态观察，已经广泛应用于胎儿心脏畸形筛查，其中以二维超声心动图应用最为普遍，但由于胎儿心脏体积甚小、搏动快、结构复杂等特点，使得超声观察胎儿心脏结构清晰度下降、检查耗时长，尤其当胎儿体位不够理想时，一些标准切面常难以获得；另外，由于传统二维超声扫查只能获取单纯的平面信息，不能对胎儿心脏、大血管的形态结构及相互位置关系做直观、全面、动态的三维显示，因此对伴有大血管异常的复杂性心脏畸形的准确诊断还存在不足与困难。

近年来，随着计算机技术的迅速发展，一项在空间三维的基础上又添加了时间信息的胎儿心脏超声检查技术：时间-空间关联成像技术（spatio-temporal image correlation，STIC）被开发出来并应用于临床。STIC是一项专用于胎儿心脏检查的动态三维超声成像技术，与普通三维相比，STIC技术能更清楚地显示心脏每个时相的容积数据，实时显示心脏运动全过程，使胎儿心脏空间结构的显示有了很大改善，且心率等因素对容积数据的测量影响小、重复性好。下面就近年来STIC技术在胎儿先天性心脏畸形中的研究进展作一综述。

1.STIC原理

STIC技术采用容积探头在短时间内完成对整个胎儿心脏的连续扫描，并获得大量连续容积数据，用特殊软件对采集到的原始数据进行处理，首先检测心脏的收缩峰，根据心脏收缩峰出现的时间点及各点之间的时间间隔，计算出胎心率，之后系统内部自动触发提取并组合数据，得到一系列连续的容积影像，以动态三维的方式显示胎儿心脏任意心动周期中的立体结构和收缩变化，显示心脏各结构及大血管的空间关系，并可以用循环回放的模式显示。

2.STIC技术成像模式

利用STIC技术采集到胎儿心脏容积数据后，检查者可采取多种离线模式对其进行重建分析，常用的成像模式包括以下方面。

2.1多平面成像模式（multi-planar，MP）

MP是STIC技术最基本、最常用的一种图像分析模式，也是最成熟模式。它利用A、B、C三个相互垂直的平面来显示胎儿心脏中某一结构的形态及其与相邻结构的位置关系。其中A平面为检查起始的四腔心切面，B、C两个平面分别为与A平面垂直的矢状面及冠状面，三个平面交互垂直，分别形成X、Y、Z三个轴线。MP分节段显示胎儿心脏结构特点和连接关系，完成对整个胎儿心脏的节段分析。

2.2表面成像模式（surface imaging，SI）

SI对采集到的容积数据进行灰阶值的分割，利用软组织与液体之间较大的灰阶反差，勾画实质性组织的轮廓，对图像进行表面拟合重建，最终获取较清晰的三维表面图像。SI可以心腔内面观察胎儿心脏瓣膜、房室间隔和卵圆孔等精细结构与动态变化，所呈现的图像被称为“外科视野”。SI可以显示感兴趣区立体形态、表面特征及空间位置关系，被广泛地应用于胎儿心脏三维成像。

2.3超声断层显像模式（tomographic ultrasound imaging，TUI）

检查者利用该技术以某一平面为起始平面，自动检测提取心脏容积数据，获得三个正交方向的无数个二维切面，之后通过调节层距，将其中与感兴趣层面平行的八个层面以九分格形式同时显示在屏幕上，而且容积数据中的动态信息不会丢失。TUI对胎儿心脏畸形最有意义的优势在于能够在一个屏幕上同时显示多处心脏和大血管的畸形。

2.4反转成像模式（inversion mode，IM）

IM主要用来对含液体脏器的液体部分进行三维成像，利用数学软件将无回声液体转换为实性结构回声，实性结构回声则转换成无回声而不显示，IM图像与心血管腔内灌注硅胶所得铸型标本非常相似，因此又称为“心腔铸型”成像。IM成像可以帮助医生了解心脏大血管的形态及相对空间关系。

2.5玻璃体成像模式（glassbody imaging）

又称透明成像模式，在采集容积数时将灰阶信息与彩色多普勒或能量多普勒技术相结合，获得具有多普勒信息的容积数据，重建图像时通过调节图像灰阶和彩阶的阈值及透明度使血流表面的灰阶半透明化，从而显示其内部的血流信息。此模式主要用于显示大血管的交叉或转位时的空间位置关系。

2.6最小投影模式（minimum projection，MP）

MP是将一定厚度三维数据压缩到一个二维平面，通过设定选择性显示容积数据中灰阶值最小的部分，此模式加强了空腔结构的显示能力，使心腔内壁和瓣膜边缘更加清晰锐利，主要用于显示心脏、大血管等充满液体的器官。

2.7计算机辅助诊断容积超声模式（SonoVCAD）

该技术的基础是TUI，利用STIC技术所获取的胎儿心脏三维数据研究中孕期胎儿心脏基本解剖结构，先通过大样本研究得出各个超声切面之间的角度、距离等空间位置关系，在此基础上计算出标准四腔心切面与左、右心室流出道及胃泡位置特定的空间位置关系，在标准四腔心切面获取三维数据后，可以分别对其他各个标准切面进行自动超声断层显像。该技术采用自动重建技术，降低了后处理的操作难度与不同操作者之间的操作误差，重建的可重复性高。

3.STIC技术在胎儿心脏畸形诊断中的应用情况

国外，Bennasar等利用STIC对363例可疑CHD胎儿进行产前诊断，结果表明该技术的整体诊断准确度、敏感度、特异度、阳性预测值和阴性预测值分别为91.6%、94.9%、88.1%、89.7%、94.0%。Vials等利用STIC的表面成像模式对10例完全型心内膜垫缺损胎儿心脏进行成像，研究结果表明STIC能准确判断完全型心内膜垫缺损三个亚型的病理解剖特征，且可呈现动态三维图像。Hata等应用STIC的反转成像模式分析胎儿心室流出道与大动脉的相互位置关系，得出该模式可以清晰显示心脏血液循环的解剖特点，对评价大血管与两心室的空间位置关系有很大帮助。RoloLC与AraujoJúniorE最近将STIC应用于心室及心房壁体积的测量，通过对比分析证明此研究是可行的，这将为先心病的研究开启新的视角。

国内，吴红梅等认为二维灰阶血流成像技术与STIC技术联合使用可以更加清晰地显示胎儿心脏与大血管的空间关系，使胎儿心脏大血管发育异常的诊断准确率得以显著提高。卢洪涛等也指出STIC技术与二维超声心动图对胎儿心脏异常检出率无统计学差异，而STIC技术细节诊断符合率明显高于二维超声心动图（P＜0.01）。刘耘利通过研究得出STIC技术和二维超声对先天性心脏畸形的诊断阳性率二者之间无统计学意义，但二者联合使用的诊断阳性率高于单一使用，STIC技术联合二维超声可以作为胎儿心脏畸形临床常规初筛手段。

胎儿心脏畸形超声产前诊断适当孕周的选择对诊断的准确性非常重要。胎儿心脏于胚胎第2周开始发育，第8周发育基本完成，早在孕10～15周超声即可显示胎儿心脏结构，并且有很多胎儿心脏畸形的诊断是在孕11～16周检出的，但在此期间检查耗时长且需要丰富的经验以及对胎儿心血管的解剖和血流动力学知识的深入了解，同时对仪器性能的要求也特别高，因此多数学者认为只对有先心病高危因素者和不良孕产史者需在孕16周前进行超声筛查，以减少孕妇的过度担心，而对其他孕妇应该在孕18～22周进行筛查和诊断。Jamjureeruk则推荐对所有孕妇于孕18～22周时进行常规胎儿超声心动图检查。因为在这个阶段羊水量相对较多，透声效果好；胎儿肋骨尚未钙化；胎儿心脏结构发育基本完善，大部分先天性心脏畸形在此期间已经形成。此外，此阶段尚未进入围产期，孕妇在得知胎儿先天性心脏畸形的诊断及严重程度后，可以对是否继续妊娠做出决定。Carvalho研究发现，某些早期胎儿心脏异常可随妊娠发展而逐渐消失或有所变化，因此，孕早期胎儿心脏检测不能代替孕中晚期检测。

4.小结与展望

STIC技术所获数据为容积数据、信息量丰富、成像模式多样化，在胎儿先天性心脏畸形的筛查中每一种模式都有其独特优势，且每一种模式都可以和彩色多普勒、能量多普勒、B-flow技术等联合应用，使超声医师能够从不同的角度、使用不同的成像模式去观察胎儿心脏的细微结构，实时显示胎儿心脏解剖及病理特点的信息，并且图像直观，对操作者经验的依赖少，同时STIC技术检查耗时短，直接减少胎儿心脏受超声波照射的时间。此外STIC也为超声医师之间、超声医师与临床医师之间以及与孕妇之间增强沟通提供了媒介，为远程会诊、教学等方面提供了良好的容积数据。

现阶段STIC技术还存在一些不足：1）虽然能够同时显示心脏3个相互垂直的切面，但目前受到分辨率的限制，使得C平面的显示仍不够理想；2）诊断的准确性受到妊娠妇女体形、胎儿体位、胎儿脊柱、胎动、羊水过少和仪器分辨率不够等多种因素影响；3）经验不足的医生在进行图像后处理时可能会需要较长时间，且对重建图像中出现的一些“伪征象”认识不足，不可避免的会造成误诊与漏诊。相信随着超声技术的不断发展及超声医生工作经验不断积累，STIC技术也会逐步完善与发展，并将使胎儿先天性心脏畸形能够在胎儿期做出准确诊断，在临床上发挥更大的作用。

来源：医学影像学杂志2017年第27卷第2期

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