Nature亮点报道 | 经胸超声定位显微成像技术在心肌微血管和血流动力学的应用与成像

此项研究通过定制的数据获取和处理流程，展示了通过超分辨率超声成像技术（ULM）在人类患者中重建心肌血管结构和血流动力学（图1）。使用2MHz低频超声脉冲序列，结合微气泡运动校正和高信噪比波束形成器，有效降低了伪影，同时开发了特征-运动模型框架以追踪微气泡。该技术在两颗离体猪心脏和四位具有不同心脏病病史的患者上得到应用。

在离体猪心脏实验中，调整探头的位置并用夹子固定，以获得心脏短轴和长轴的良好视野（图2a）。从短轴（图2b）和长轴（图2d）视图的B型图像中，可以看到左心室（LV）、左心房（LA）和主动脉瓣（AV）周围的心肌（用虚线划出）。由5s采集重建的相应ULM MB密度图与B型图像同时显示（图2c、e）。密度图显示了左心室壁和室间隔内的详细微血管情况。图2f，h中放大的图2e中白色方框内的MB密度曲线经过测量，并在归一化为最大值后绘制成图（图2g，i）。从剖面图中可以分辨出距离为292.9μm和387.1μm的血管。这些血管的大小是用FWHM估算的，范围在207.5μm到313.9μm之间。图2e的外侧区域有一个暗区，而该区域下方和上方的一些血管仍清晰可见。

图2：猪的体外心脏数据采集和结果

在临床采集中，医生手动定位探头，从患者胸骨旁获取短轴和长轴视图（图3b）。对于第一位患者，获取了短轴和长轴的两种视图，但由于其他三位患者的声学窗口限制，仅获取了短轴视图。通过心跳周期的选择，分别利用了1100帧、990帧、630帧、930帧和996帧来重建患者的ULM图像。在ULM的密度图中可见第一位患者心间隔和左心室壁内的微血管(图3d，g)。与临床CTCA图像相比，ULM展示了更高的灵敏度和分辨率，尤其在直接可视化肥厚型心肌病患者的扩张心肌血管方面表现突出。此外，ULM能够揭示CT扫描中未能显示的许多小血管（图4），从而提供了更详细的心肌微血管结构信息。总的来说，ULM图像与CT图像相比，在分辨率和对小心肌血管的敏感性上有明显的提高。

图3：患者1的体内CTCA扫描和ULM成像

图4：患者2的体内CTCA扫描和ULM图像

本研究中使用基于傅里叶环相关（FRC）的方法估计了图像分辨率，该方法通过在两个子集中随机分配微气泡（MB）的整个轨迹来进行。根据FRC评估，离体心脏短轴和长轴视图的成像分辨率分别为132微米和173微米；第一位患者的短轴和长轴视图分辨率分别为149微米和202微米；而第二至四位患者的短轴视图分辨率分别为154微米、240微米和153微米(图5)。与传统对比心脏超声相比，ULM的图像分辨率提高了至少8倍，显示出明显的分辨率改善。这种分辨率的变化可能是由于血管图像的低饱和度，导致FRC估计存在不确定性。

此技术对心肌血流的高分辨率成像和量化有助于更深入了解心肌微循环。未来，开发3D心脏超声和改进运动校正技术将进一步提升ULM的诊断能力，使其在心脏病诊断和治疗中发挥更大作用。