3D 超声心动图在儿科心脏病学二尖瓣手术规划中的应用

摘要

儿科心脏病学二尖瓣的 3D 超声心动图可产生完整的解剖重建，有助于改善手术管理。在这里，我们概述了儿科心脏病学中二尖瓣的 3D 采集和后处理协议。

摘要

小儿心脏病学中的二尖瓣疾病很复杂，可涉及瓣环、瓣叶、腱索和肌异常的组合。经胸二维超声心动图 （2DE） 仍然是儿科手术计划中使用的主要诊断成像技术。然而，鉴于二尖瓣是三维 （3D） 结构，增加 3D 超声心动图 （3DE） 以更好地定义狭窄和/或反流的机制是有利的。随着探针技术和超声扫描仪的进步，经胸 3DE 技术得到了改进，产生了具有良好空间分辨率和足够时间分辨率的图像。具体来说，增加具有更高频率和更小占地面积的儿科 3D 传感器可为儿童提供更好的 3DE 成像。提高 3DE 采集和分析的效率使超声医师、心脏病专家和外科医生可以更轻松地在二尖瓣评估中整合二尖瓣的 3D 评估。后处理软件优化也使这种改进成为可能。

在该方法论文中，我们旨在描述儿童二尖瓣的经胸 3DE 评估及其在小儿二尖瓣疾病手术计划中的应用。首先，3DE 评估从选择正确的探头并获得二尖瓣的视图开始。然后，应根据个体患者选择合适的数据采集方法。接下来，数据集的优化对于正确平衡空间和时间分辨率至关重要。在实时扫描或后续采集期间，可以使用创新工具裁剪数据集，使用户能够快速获得无限数量的切割平面或体积重建。心脏病专家和外科医生可以面对面查看二尖瓣;因此，准确地重建其形态以支持医疗或手术计划。最后，对一些临床应用进行了综述，展示了儿科二尖瓣管理的例子。

引言

二尖瓣装置是一个复杂的结构，由二尖瓣环、瓣叶、腱索和左心室肌组成 ^1,2。小儿二尖瓣疾病包括与先天性和后天性心脏异常相关的广泛形态学异常³。二尖瓣疾病形态及其潜在机制的描述是手术计划的关键参数⁴.这需要使用准确的诊断性影像学检查方法。超声心动图被确定为小儿二尖瓣疾病⁵ 的主要诊断技术之一。具体来说，小儿二尖瓣疾病的二维 （2D） 超声心动图仍然是使用最广泛的诊断方法。然而，由于 2D 成像的性质，超声医师、心脏病专家和外科医生必须在脑海中重建这种复杂的 3D 结构，以确定病理机制。

三维 （3D） 超声心动图能够产生解剖学上正确的视图和无限数量的切割平面，能够增强二尖瓣成像。3D 超声心动图的价值体现在它能够提供有关瓣环形状和动力学、瓣叶扇形脱垂和瓣叶接合区的特定信息 ^6,7。虽然 3D 经食管超声心动图 （TEE） 已被证明是识别成人二尖瓣病变的最准确的超声方式⁸，但由于 3D 经胸超声心动图 （TTE） 具有更好的声窗，因此在儿童中更可行。3D TTE 已被证明在区分简单与复杂的二尖瓣病变以及手术干预的必要性方面非常准确⁹。此外，获取 3D 体积数据集使外科医生和心脏病专家能够在后处理中协作，从而进一步增强手术计划。

随着探针技术、超声处理能力和后处理效率的进步，3D TTE 技术不断改进。当前的 3D 矩阵探针现在可以以大约每秒 25 个体积的体积速率采集全体积单拍数据集¹⁰。可以进一步将单拍数据集的体积速率提高到每秒 25 个体积以上，具体取决于超声供应商、探头技术和体积优化。但是，如果使用 ECG 门控（子容量）全容量方法，这个数字可以增加一倍以上，从而提供儿童所需的容量率。与成人相比，儿童的心率较高，因此需要更高的时间 3D 分辨率才能获得准确的诊断。此外，特定儿科 3D 探针技术的发展允许更高的扫描频率，提供更好的空间分辨率，这对于二尖瓣及其装置的小尺寸至关重要¹¹。尽管有所有这些技术改进，但供应商还是设法生产出具有适应幼儿解剖结构的足迹的探头，以保持最佳的声学窗口。最后，新的后处理功能（例如快速裁剪工具）可实现高效的后处理。

在本文中，我们描述了儿童二尖瓣 3D TTE 评估的技术，该技术可应用于任何具有 3D TTE 应用的超声系统。此外，将审查 3D 数据的后处理及其在手术计划中的好处。最后，我们将讨论 3D 成像在儿童中的一些临床应用，并举一些例子。

研究方案

该协议遵循我们机构人类研究伦理委员会的指导方针。

注意：为了实施此协议，使用了通用电气 （GE） Vivid E95 或飞利浦 Epiq 7C 超声系统。在 GE Vivid E95 系统上，用户可以在 4Vc-D（成人探头）或 6Vc-D（儿科探头）之间进行选择。在飞利浦 Epiq 7C 上，用户可以选择 X5-1（成人探头）或 X7-2（儿童探头）。参见 图 1。

1. 患者设置和探头选择

1. 尽可能将患者置于左侧卧位。参见图 1 中的步骤 A。
2. 根据患者体型和成像窗口质量选择合适的 3D 基质探针，儿童或成人。在大多数 10 岁以下的儿科患者中，由于二尖瓣非常接近，因此在从胸骨旁成像窗口成像时可以使用高频（儿科）探头。十岁以上，可以尝试使用儿科探头，但是对于年龄较大的儿童来说，由于图像质量出色，成人探头更理想。参见图 1 中的步骤 B。
   注意：如果用户只能使用成人 3D 矩阵探头，对于体型较小的儿科患者，请增加扫描频率以获得最佳空间分辨率。

2. 探头定位和 2D 图像优化

1. 将大量凝胶涂抹在选定的 3D 基质探针上。
   注意：3D 二尖瓣评估的最佳成像窗口是改良的胸骨旁低长轴视图。从这个角度来看，二尖瓣装置非常靠近探头，二尖瓣小叶相对垂直于超声束。此外，低胸骨旁长轴视图提供了整个二尖瓣装置的完全可视化。参见图 1 中的步骤 C。
2. 为了获得改良的低胸骨旁长轴视图，在标准的胸骨旁长轴超声心动图视图中将探头放置在胸部。
   1. 将探头横向滑到胸部，直到二尖瓣小叶更垂直于超声束并且 2D 成像窗口是最佳的（该位置将介于标准胸骨旁窗口和标准根尖窗口之间）。
      注意：如果患者没有最佳的改良胸骨低位旁视图，标准的胸骨旁窗和根尖窗相结合将允许完全可视化二尖瓣解剖结构。
   2. 通过摇动探头，将二尖瓣置于超声扇区的中心。摇动探头涉及沿固定点沿探头长轴的运动，同时将超声角度从 90 度改变。在 3D 成像中，将感兴趣区域置于超声扇区的中心，以允许更窄的体积，从而获得更好的时间分辨率。

3. 3D Volume 采集方法

1. 首先激活超声控制台上的 3D 按钮（某些供应商也可能标记为 4D）以进入全体积显示。完整音量显示应从实时完整音量开始。
   注意：3D 缩放也可用于获取二尖瓣的 3D 数据集，但由于其感兴趣区域有限，不建议使用，因为包括周围结构对于手术管理可能很重要。
2. 如果患者合作并且能够屏住呼吸，请使用 ECG 门控全容量采集（参见 图 1，步骤 E）。选择要用于采集的 sub volume （heart beats） 的数量;在大多数超声系统上，子体积的数量可以设置在 2-6 之间（参见 图 1，步骤 H）。采集期间使用的 sub volume 数量越多，音量速率越高（时间分辨率越高），但在 sub volume 放在一起时，可能会导致与呼吸或运动相关的拼接伪影。
3. 如果患者不合作或无法屏住呼吸，实时 3D 全体积采集将消除“缝合”伪影的可能性（参见 图 1，步骤 F）。但是，降低的时间分辨率在儿童中并不理想，需要用户牺牲体积大小（感兴趣区域）或空间分辨率来补偿（两者将在下一步中讨论）。

4. 3D 体积优化（参见 图 1，步骤 G）

1. 优化整个体积大小，以尽可能包括所有二尖瓣环、腱索、肌和主动脉瓣。
   注意：使用 ECG 门控采集，由于通过子卷实现的体积速率增加，因此可以采集更大的数据量。
   1. 为了保持合理的帧速率，实时采集需要较小的数据量。通过缩小仰角平面并在胸骨旁短轴上成像来做到这一点，以允许完全可视化二尖瓣小叶和瓣环（见 图2）。
2. 通过尽可能增加超声线密度来优化 3D 信噪比（图像质量）。超声管路密度的增加将导致体积速率降低。不同的供应商对此功能的术语各不相同。在 GE Vivid E95 超声系统上，使用 帧速率 旋钮优化线条密度。在飞利浦 Epiq 7C 超声系统上，使用 图像质量 触摸屏按钮优化线条密度。
   1. 使用 ECG 门控采集，增加 3D 体积线密度，因为使用子体积将保持良好的体积速率。
   2. 通过实时采集，平衡 3D 体积线密度与患者心率可接受的体积率。
3. 将 3D 增益设置设置为高于 2D 增益设置，以最大限度地减少二尖瓣小叶中的脱落。如果需要，可以在后处理过程中减少增益，以进一步优化裁剪后的图像。

5. 存储 3D 全体积采集（参见 图 1，步骤 I）

1. 如果使用 ECG 门控采集，请让患者屏住呼吸并保持静止。然后激活所选的子卷 （心跳） 的数量。至少等待所选的节拍数，然后再按下 Store （选择的子卷越多，存储过程就越长）
   1. 在存储最终体积之前，确保不存在“缝合”伪影，并且整个二尖瓣在 3D 体积中可见。
2. 如果使用实时采集，请在所有优化完成后存储最终交易量。

6. 3D 彩色多普勒采集

1. 通过添加彩色多普勒并按照协议的步骤 3-5 分别获得彩色多普勒 3D 体积采集。优化彩色多普勒盒尺寸，使其尽可能窄，同时包括整个二尖瓣环。将彩色多普勒速度标度设置为 60-80 cm/s 之间。
2. 使用 ECG 门控采集来保持足够的容量率。按照步骤 5.1 存储 3D 彩色多普勒体积。
   注意：在 3D 体积中添加彩色多普勒会显著降低时间分辨率，使其在儿童中的可行性变得困难。

7. 二尖瓣的后处理和裁剪

注意：可以直接在超声系统上对二尖瓣进行后处理和裁剪，以获得立竿见影的效果。但是，也有专用的 GE 软件 （EchoPAC） 和 Philips 软件 （QLAB），它们提供与审查站相同的功能。此外，TomTec 还提供了一个通用软件，用于对两家供应商的 3D 数据集进行后处理和裁剪。

1. 将存储的二尖瓣 3D 体积加载到 3 面板多平面显示器（2D 横向平面、2D 仰角平面和 3D 重建）中，并激活快速裁剪工具。快速裁剪工具需要单击两次，并允许用户在任何平面上进行裁剪。
   注意：不同的供应商对快速裁剪工具的术语各不相同。在 GE Vivid E95 超声系统上，此裁剪工具标有“2 Click Crop”。在飞利浦 Epiq 7C 超声诊断仪上，此裁剪工具标有“Quick Vue”。
2. 要从左心房获得二尖瓣视图（外科医生视图），请按照以下步骤作（参见 图 3，步骤 E）。
   1. 从 2D 横向平面（本协议中的胸骨旁低长轴）开始工作，将第一个 curser 定位在左心房内，就在二尖瓣环上方。设置第一个位置后，将 curser 穿过二尖瓣向心室侧拖动，并将裁剪线平行于二尖瓣环对齐。将第二个 curser 放置在左心室内，确保二尖瓣小叶被捕获在作物线内，并设置此点（参见 图 3 步骤 B）。
   2. 二尖瓣 en 面部的推荐显示方向是前上¹²。使用轨迹球旋转 3D 二尖瓣，将主动脉瓣定位在屏幕顶部。
3. 要从左心室获得二尖瓣视图，只需将上一步裁剪的图像翻转 180 度（在某些供应商系统上，有一个翻转裁剪功能可以快速完成此作）（参见 图 3，步骤 F）。
   1. 以与步骤 7.3 相同的方向裁剪二尖瓣的彩色多普勒 3D 体积。
4. 获得二尖瓣瓣膜下器官的视图，包括腱索和肌。
   1. 从 2D 侧平面（本协议中的胸骨旁低长轴）开始工作，将第一个 curser 放置在左心室的中间。设置好第一个位置后，将 curser 拖向左心室后壁，并将裁剪线平行于左心室的长轴对齐。将第二个 curser 放置在后壁下方并设置此点（参见 图 4）。
5. 优化 3D 增益和压缩设置。
   1. 将 3D 增益设置优化到最低设置，同时保持最小或无二尖瓣瓣叶脱落。
   2. 优化 3D 压缩设置以包括更宽或更窄的色调范围。3D 压缩可以提高 3D 深度感知。在 Philips Epiq 7 系统上，通过旋转 Compression（压缩 ）旋钮来调整 3D 压缩。在 GE Vivid E95 系统上，通过旋转 Active Mode 增益旋钮来调整 3D 压缩。
6. 将二尖瓣的优化裁剪 3D 视图存储为单独的电影循环剪辑。

结果

儿科超声心动图中二尖瓣的高质量 3D 数据集将具有适合评估瓣叶运动的最佳体积率和利用卓越轴向分辨率的出色空间分辨率。为了评估协议 3D ECG 门控采集的成功，首先确定是否存在任何明显的 “缝合” 伪影。在没有伪影的情况下，如果采集是使用高质量的 2D 低胸骨旁长轴视图进行的，则该 3D 数据集将提供有关整个二尖瓣复合体的诊断信息。

如果...

讨论

对于作者/超声医师来说，3D 超声心动图经常会遇到一些挑战。首先，在儿科超声心动图检查期间，患者体型、心率和合作性本质上存在显著差异。这些参数使得很难拥有特定于 3D 的协议，因此使 3D 采集作员变得依赖。通常，超声医师的培训主要集中在 2D 成像上，在 3D 图像采集和解释方面存在知识空白。此外，与 2D 成像相比，3D 时间分辨率降低，并且一些儿童无法使用...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
4Vc-D probe	General Electric		Ultraspound probe (GE)
6Vc-D probe	General Electric		Ultraspound probe (GE)
Epiq 7C	Philips		Ultrasound system
Vivid E95	General Electric		Ultrasound system
X5-1	Philips		Ultraspound probe (Philips)
X7-2	Philips		Ultraspound probe (Philips)