作者：牛琳 综述　陆颖静　徐大地 审校

【关键词】  心血管

　　超声背向散射技术是一种可评价和分析组织病理变化类型与程度的定量检测新技术，在评价组织的生理和病理变化方面具有其独特的优势，近年来在心脏和其它器官都有相关研究与应用的报道。在心脏方面，该技术主要应用于评价心肌缺血、梗死、再灌注引起的心肌继发性改变，以及弥漫性心肌病变的心肌声学特征和功能的检测，本文主要介绍了背向散射技术在心血管疾病方面的应用进展。尽管背向散射技术在临床应用上还存在许多限制和影响因素，但随着设备性能的发展和研究水平的进步，它必将会得到更加广泛的应用。  

　　一、基本原理

　　当反射界面（如胶原、红细胞、心肌细胞等）远小于超声波长时，回声发生散射，组织的细微结构是超声波的散射体,背向散射是指超声束进入组织后朝向探头方向的散射,也称后散射。超声组织定征(ultrasonic tissue character,UTC) 就是应用背向散射积分(integrated backscatter,IBS)量化组织声学特征,从而评价组织病理变化的类型和程度。

　　二、常用指标

　　1. 背向散射积分（IBS）  背向散射回波信号平方的积分。IBS 主要与心肌细胞大小的不均匀性、 细胞内与细胞间的胶原结构等有关.。心肌的IBS 值随心脏的舒缩运动呈周期性变化，心脏收缩末期IBS值（IBSes）最小,舒张末期IBS值（IBSed）最大。

　　2. 校正背向散射积分或称标化IBS（IBS%）  感兴趣区的心肌IBS与心包或心腔血液IBS的比值。

　　3. 背向散射积分心动周期变化幅度（cyclic variation of integrated backscatter,CVIB）  CVIB=IBSed-IBSes（心动周期中心肌的舒张末期IBS和收缩末期IBS的差值）。CVIB主要反映心肌纤维弹性成分的周期改变, 是检测室壁动力学变化较敏感的指标,与室壁局部收缩功能密切相关。CVIB 对心肌收缩功能的评价仅与心肌纤维的收缩状态有关, 不受心脏前、后负荷的影响。当心肌收缩力增强时CVIB升高,心肌收缩力减弱时CVIB减低。心肌收缩力与心肌组织学异常如心肌纤维化、心肌变性、心肌纤维排列紊乱等关系密切。因此CVIB 可间接反映心肌病变严重程度, 是判断心肌质量的一个重要指标。

　　4.周期变化指数（cyclic variation index,CVI）  CVI=([IBSed-IBSes]/IBSed)×100[13].

　　5.跨壁背向散射积分阶差（transmural gradient of integrated backscatter,TG-IBS）心内膜下1/2心肌的IBS与心外膜下1/2心肌IBS的差值（在室间隔为左心室侧1/2心肌与右心室侧1/2心肌的IBS差值）。

　　6.跨壁背向散射积分心动周期变化幅度阶差（transmural gradient of cyclic variation of integrated backscatter TG-CVIB）  心内膜下1/2心肌CVIB与心外膜下1/2心肌CVIB的差值。

　　三、标定物和切面观的选择

　　在心肌检测中,常用标定物有心包膜和心腔内血液。校正IBS不受前、后负荷及心肌收缩力的影响,可以更准确地评估心肌病变。有文献表明心包并不是一个理想的标定物[1]。

　　为了减少组织各向异性的影响，心脏常用切面观为左室长轴观和乳头肌水平短轴观。左心室长轴观中室间隔和左室后壁有较稳定的IBS值和典型的CVIB。

　　四、背向散射技术在心血管疾病方面的应用

　　1. 心肌存活性，心肌病，心肌缺血  实验和临床研究都证实了在心肌缺血时心肌CVIB降低，心肌缺血发生后背向散射曲线即发生变化，变化的幅度显示了缺血的严重性。从而提示利用背向散射技术测定的超声组织学特征，是一种有效的非侵入性判断心肌存活性的方法[2]。J.E. Hancock[3]等通过对124例急性心肌梗塞的心肌CVIB研究后，证实：可以通过分析梗塞区与正常心肌节段的CVIB差异，准确评价心肌再灌注治疗后梗塞动脉的开放情况，对于确定是否需要进行侵入性检查提供帮助。川崎病（Kawasaki Disease）可引起冠状动脉炎和心肌缺血或梗塞等心血管并发症，Yu X[4]等通过潘生丁负荷试验及超声IBS技术相结合，评价因川崎病冠状动脉损害所致心肌缺血和损伤，并与铊-201心肌显像对比，发现负荷试验后的心肌CVIB显著下降，提示潘生丁负荷试验及超声IBS技术能敏感地监测川崎病患儿的心肌缺血。

　　扩张性心肌病（Dilated Cardiomyopathy，DCM）的病理变化以心腔扩张为主，组织学表现为非特异性心肌细胞肥大、变性，特别具程度不同的纤维化。Michihiro Suwa[5]等对43例扩张性心肌病患者室间隔和左室后壁的校正IBS研究后，证实背向散射技术能无创地有效评价扩张性心肌病的预后。

　　肥厚性心肌病（Hypertrophic Cardiomyopathy,HCM）常有明显家族史，目前被认为是常染色体显性遗传的疾病。肌节收缩蛋白基因如心脏肌球蛋白重链,及心脏肌钙蛋白T基因突变是主要的致病因素。Tomoya Kaneda[6]等对34例HCM突变基因携带者的室间隔背向散射参数研究后，发现与正常对照组相比，早期HCM患者和无室壁肥厚的基因携带者的室间隔CVIB均有显著性下降。提示无室壁肥厚的突变基因携带者的室间隔已发生了相关的组织病理学变化，背向散射技术在心电图出现异常的早期阶段即可监测到无室壁肥厚的HCM突变基因携带者的组织病理学变化。同时比较了不同年龄段患者的心肌背向散射参数，证实年长患者的室间隔CVIB比年幼患者显著下降，但室壁厚度与CVIB间不存在相关性，提示背向散射参数可能主要受心肌组织特征而非室壁厚度影响。

　　2.先天性心脏病  先天性心脏病患者长期心脏负荷的改变也可导致心肌弹性结构与组织纤维的改变，从而引起背向散射参数的变化。Pacileo[7]通过对34例有不同程度右室前后负荷过重的患者进行研究，确定形态指数和右室负荷对于右室IBS参数（IBS,CVIB）的影响。将患者分为三组，一组为14例因中到重度的房间隔缺损而致右室容量负荷过重的患儿，二组为10例因大动脉转位经Mustard术后右室压力负荷过重的患儿，三组为10例法洛四联症矫形术后由于肺动脉瓣返流和残留狭窄所致的右室容量和压力负荷均过重的患儿。同时选择20例健康儿童作为对照组。比较对照组和各种右室负荷过重情况下的心肌IBS参数后发现一组与对照组相比无显著性差异，二、三组的IBS参数均与对照组存在显著差异（ IBS 均增高，CVIB 均减低），研究结果提示：①在正常儿童中，右心室IBS参数和年龄及其它形态指数不存在相关性。②IBS可以非侵入性地观察不同右室负荷过重状态下的心肌功能和结构变化的特性。

　　3.高血压性心脏病  高血压发生心脏肥厚或扩大称为高血压性心脏病，最终可导致心力衰竭。高血压性心脏病的特征是胶原纤维的过度堆积，原发性高血压患者的心肌CVIB降低与I型血清胶原蛋白的增加相关，两者结合可更准确地评价左室心肌胶原网络重构[8]。有研究者通过分析不同类型高血压患者的心肌背向散射参数后进一步提出血液中醛固酮和内皮素增多或许与心肌胶原含量的增加有关，最终可能会导致左室心肌组织的变化[9]。

　　此外，背向散射技术在预测和评价高血压性心脏病左室功能方面也有一定应用价值。具有较大左室体积的高血压患者心肌CVIB下降更显著，通过长期药物治疗后左室体积逐渐恢复正常的高血压患者的心肌CVIB也缓慢恢复正常，从而提示背向散射技术可早期发现具有高血压性心脏病潜在危险的患者[10]。高血压患者的左室舒张功能下降与心肌CVIB的降低存在直接相关性，通过观察心肌CVIB的改变,可评估高血压病患者左室舒张功能的变化,是一项无创性评价高血压患者心脏舒张功能的新技术[11，12]。

　　4. 心脏瓣膜疾病  对于风湿性二尖瓣狭窄患者，风湿性病变不仅影响到左心室的心肌和心室功能而且也会对右心室造成影响。研究证实瓣口狭窄面积相似并具有正常右室收缩功能的有症状组与无症状组相比具有较低的心肌CVIB，这或许与风湿病变引起的右室舒张功能异常有关[13]。
　　
　　Vitantonio Di Bello[14]等通过对35例重度主动脉瓣狭窄患者的心肌背向散射参数研究后，发现该参数和主动脉瓣压差存在显著性负相关。CVIB和CVI与心肌组织病理学参数如心肌纤维化比值，呈显著性正相关。重度主动脉瓣狭窄患者与正常对照组相比，室间隔心肌CVI存在显著性差异，从而证实室间隔背向散射参数是检测左室收缩功能是否正常的敏感指标之一。在主动脉瓣置换术后一年，当校正IBS下降（间质纤维化程度下降）后，才有可能观察到CVIB和射血分数的提高。这些结果都证实了应用IBS可以观察主动脉瓣狭窄患者心肌胶原组织的增加情况，通过CVI和CVIB可以监测左室心肌内在收缩性能的早期损害，并且提示主动脉瓣的压差值大小是导致主动脉瓣狭窄患者心肌纤维化的独立性危险因素之一。

　　五、在其他疾病引起的心脏改变方面的应用

　　1. 糖尿病  心肌背向散射积分(IBS)能较敏感地反映早期糖尿病患者心肌超微结构的改变和收缩功能受损情况,此与弥漫性心肌纤维化有关。糖尿病患者的心肌TGIB亦显著高于正常对照组，并与其血清糖基化血红蛋白含量存在显著性正相关。糖尿病合并高血压的患者，其心肌TGIB高于糖尿病不伴高血压的患者。提示可以通过糖尿病患者的心肌TGIB定量检测到心肌胶原沉积或其他早期病理变化[15] 。

　　2. 慢性肾衰  Nephrol等[16]研究了25例行血透的终末期肾病患者和25例中、重度慢性肾衰患者；以及10例肾功能正常的原发性高血压病患者作为对照；三组之间的年龄、血压和左心室容积指数无显著性差异。应用常规心超测量左室内径和功能等有关指标，并用背向散射技术测量心肌IBS参数。发现对照组的IBS%平均值为48％，慢性肾衰组为56％，透析组为62％，三组间存在显著性差异（P< 0.01)。CVIB值在透析组为4.35±1.2dB，慢性肾衰组为5.27±0.90dB，高血压对照组为6.50±1.6dB，三组间存在显著性差异（P< 0.01)。通过相关性分析，IBS与血清肌酐和年龄呈负相关；与左室缩短分数和E/A 比值呈正相关。研究结果支持间质胶原沉积可出现于慢性肾脏疾病的早期阶段的假设，提示背向散射可提供评估慢性肾病患者心肌组织变化的有用信息。慢性肾衰组可见轻度的CVIB值降低，在肾衰透析组则可见明显的CVIB值降低。CVIB值尚与收缩功能指标存在显著相关性，这可能进一步反映了左心收缩功能的损害与心肌胶原含量的增加有关。

　　3. 肥胖  Vitantonio Di Bello[17]通过研究严重肥胖患者的心肌背向散射参数，发现胰岛素抵抗指数与心肌的背向散射指数间存在显著相关，从而提示肥胖病人的心脏结构与功能的改变可能与胰岛素抵抗和左室容量负荷过重相关。

　　六、化疗药物引起的心脏损伤

　　尽管蒽环类抗生素是最有效的抗肿瘤药物之一，但长期使用会导致不可逆的心脏损害和心力衰竭。Naoyuki Yokoyama[18]等对34例接受阿霉素治疗的无心力衰竭临床表现的肿瘤患者研究后，发现其室间隔和左室后壁的CVIB值显著下降，这与 Nagai H[19]等人的研究结果一致。提示背向散射技术可早期发现蒽环类药物引起的心脏毒性，为指导临床用药提供帮助。柔红霉素(DNR)是儿童急性白血病联合化疗中的关键药物，DNR 对心脏毒性作用主要表现有心律失常、心电图异常、心肌缺血、心力衰竭等，近几年国内外对于柔红霉素所致白血病患儿心脏背向散射参数早期改变的临床报道甚少，这可能与临床用药时为减少心脏毒性，对累积剂量及用药间隔进行严格限制有关。

　　此外，对于其他化疗药物引起的心脏毒性国内外也有相关研究，Ceyhun Ceyhan[20]等通过对37例经过5-氟尿嘧啶（5-FU）治疗的肿瘤患者研究后，发现5-FU在无临床症状和心脏毒性征象的情况下会导致短暂的心肌CVIB下降，而心电图和常规的超声心动图却未能发现这一改变。这些研究都证实了背向散射技术在监测抗肿瘤药物引起的早期心脏毒性方面具有独特的优势。

　　七、影响背向散射积分的主要因素

　　1. 生理因素  心肌的各向异性 ：Hall[21]等发现当入射声波与心肌纤维走行方向成不同角度时, 其背向散射测值将不同： 在0°～360°范围内呈正弦性周期变化；平行时最小；垂直时最大。但亦有作者认为CVIB值与心肌纤维走向和声束之间的角度无关[23]。Baldwin SL[22]等提出超声波的各向异性可以提供一种非侵入性监测与蛋白网络变化相关的心肌病变程度和进展的新方法。由于各向异性而致背向散射变化的原理对于将来利用超声波衰减监测这些病理变化起着关键性的作用。此外背向散射还与纤维排列方式、心脏收缩与舒张状态、灌注压、散射体浓度及血流速度等其他生理因素有关[23]。

　　2. 病理因素  如心肌缺血、胶原含量改变均可引起背向散射参数的变化，这也是其得以在临床应用的基本原理之一。

　　3. 机械因素  探头频率、增益大小、取样深度及图像质量等也会影响背向散射积分值，在操作时应尽量减少这些因素的影响。

　　综上所述，背向散射技术可作为二维超声诊断的一种非侵入性的定量检测辅助技术，可早期发现常规超声所不能发现的组织病理学变化，在心脏和其它器官（如脑，肝，肾，骨小梁，乳腺等）的应用均具有广阔的发展前景。

【参考文献】
  　　1. Voon WC, Chiu CC, Su HM, et al. Is pericardium a suitable calibration reference in integrated backscatter analysis? Ultrasound Med Biol,2004,30(8):1063-1066

　　2. Yamada S, Komuro K . Integrated backscatter for the assessment of myocardial viability. Curr Opin Cardiol,2006,21(5):433-437

　　3. Hancock JE, Cooke JC, Chin DT, et al. Determination of successful reperfusion after thrombolysis for acute myocardial infarction: a noninvasive method using ultrasonic tissue characterization that can be applied clinically. Circulation,2002,105(2):157-161

　　4. Yu X, Hashimoto I, Ichida F, et al. Dipyridamole stress ultrasonic myocardial tissue characterization in patients with Kawasaki disease. J Am Soc Echocardiogr,2001, 14(7):682-690

　　5. Suwa M, Ito T, Nakamura T, et al. Prognostic implications derived from ultrasonic tissue characterization with myocardial integrated backscatter in patients with dilated cardiomyopathy. Int J Cardiol,2002,84(2-3):133-140