基于3D高帧率成像的心脏胸骨旁视图自然剪切波传播特性研究

《IEEE Open Journal of Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control》：3D High-Frame-Rate Imaging of Natural Shear Waves in the Parasternal View of the Heart

本研究针对传统2D胸骨旁长轴视图在评估心肌刚度时对自然剪切波传播方向理解不足的局限，通过3D高帧率超声成像技术（750 volumes/s）对6名健康志愿者进行胸骨旁视图扫描，首次系统揭示了二尖瓣关闭（MVC）和主动脉瓣关闭（AVC）后波传播的三维特征。结果显示MVC波存在双激发源复杂传播模式，AVC波明确起源于左室流出道区域，且3D测量的波速（MVC: 2.3±0.2 m/s, AVC: 2.8±0.2 m/s）显著低于2D测量值，为临床标准化心肌刚度评估提供了重要理论依据。

　　

在心血管疾病诊断领域，心肌刚度评估一直是临床实践的难点。传统超声心动图虽能提供心脏结构和血流信息，却难以直接量化组织力学特性。近年来兴起的自然剪切波弹性成像（Shear Wave Elastography, SWE）技术通过捕捉心脏瓣膜关闭激发的机械波传播速度来反映心肌刚度，为无创诊断带来了新希望。然而，当前临床研究普遍采用的二维（2D）胸骨旁长轴（Parasternal Long-Axis, PLAX）视图存在明显局限——如同通过钥匙孔观察整个房间，医生无法确认波传播的三维（3D）方向是否与2D成像平面对齐，这可能导致测量误差。更棘手的是，既往3D研究多聚焦于心尖视图，主要追踪与胸骨旁视图不同的波运动分量，使得胸骨旁视图这一最常用临床视角的波传播特性成为认知盲区。

为破解这一难题，来自比利时鲁汶大学心血管科学系的Annette Caenen团队在《IEEE Open Journal of Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control》上发表了创新性研究。他们首次将3D高帧率（High-Frame-Rate, HFR）成像技术应用于胸骨旁视图，以每秒750体积帧率的超高采样速度对6名健康志愿者（50%男性，平均年龄31±4.4岁）进行扫描，并与传统2D测量（±1000 frames/s）结果对比，系统揭示了自然剪切波在三维空间中的传播规律。

关键技术方法包括：使用GE Vivid E95超声扫描仪搭配4Vc-D矩阵阵列探头，通过多心跳采集和平面波发射技术实现高速体积成像；采用Kasai自相关算法计算组织速度，经时空平滑后获得组织加速度成像（Tissue Acceleration Imaging, TAI）；基于归一化互相关方法构建时间飞行图（Time-of-Flight Map），以R>0.7的相关系数和>-60 dB的波能量为阈值；利用3D Slicer软件分割左心室掩模，并按美国心脏协会18节段模型进行三维数据可视化。

波传播 after MVC

研究发现二尖瓣关闭（Mitral Valve Closure, MVC）后的波传播呈现显著的空间复杂性。如图1所示，心电图R波峰后，后壁和室间隔壁同时出现相反方向的波运动。蓝色波前从后壁向室间隔壁传播，并在32毫秒时沿室间隔从基底部向心尖部传导。这种双激发源模式与瓣膜装置对心肌的力学作用密切相关。

时间飞行 for wave after MVC

通过对6名志愿者的系统分析（图2），时间飞行图进一步证实了MVC波的复杂起源。后壁区域显示最早到达时间（蓝色），而室间隔壁呈现清晰的基底部到心尖部的梯度变化。值得注意的是，由于反向传播波的存在，部分志愿者后壁同时显示最晚到达时间。波速测量显示3D值（2.3±0.2 m/s）显著低于2D测量值（3.0±0.4 m/s），平均差异达0.7 m/s。

波传播 after AVC

相比MVC，主动脉瓣关闭（Aortic Valve Closure, AVC）后的波传播模式更为明确。如图3所示，波起源于包含前间隔壁、下间隔壁和前壁基底段的广泛区域，随后沿纵向从基底部向心尖部传播，同时沿周向向后壁扩散。波出现时间比脉冲波多普勒确定的AVC时间平均延迟5.2毫秒，排除了电激活干扰的可能。

时间飞行 for wave after AVC

图4的时间飞行图显示AVC波起源于基底区域（前间隔壁、下间隔壁和前壁的基底区最早激活），其中2名志愿者侧壁同时出现波运动。室间隔壁存在明显的纵向梯度，后壁在所有志愿者（除一人外）中显示最晚到达时间。波速比较再次确认3D值（2.8±0.2 m/s）低于2D（3.3±0.4 m/s），平均差异0.5 m/s。

研究讨论部分指出，2D与3D波速的系统性差异可能源于2D成像平面与心脏纵轴的对准误差。虽然室间隔壁的波传播整体符合基底部到心尖部的方向，但局部波速方向可能偏离全局纵轴方向。此外，胸骨旁视图的固有局限（心尖不可见、部分壁段运动分量非横向）以及多心跳采集带来的心电图拼接伪影，都需要在未来算法开发中重点考虑。

这项研究的意义在于首次完整揭示了胸骨旁视图下自然剪切波的三维传播特性，为临床2D测量的标准化提供了关键理论基础。通过证实波传播方向与2D成像平面的大体一致性，增强了传统测量方法的可靠性；同时通过发现3D与2D波速的系统差异，提示了平面对准对测量精度的重要影响。未来随着3D波速估计算法的发展，这项技术有望实现多壁段心肌刚度的全面评估，为心血管疾病诊断提供更丰富的生物力学标志物。