eSie Valve研究速览（九）：用于评估二尖瓣解剖结构的新型超声心动图3D自动软件的重复性

背景

      严重心脏瓣膜病的患病率随着年龄的增长而增加，因此是一个重要的公共卫生问题。在欧洲，二尖瓣反流是第二常见的需要手术的瓣膜疾病。无创二尖瓣(MV)解剖和功能评估对于确定患者的治疗方案至关重要。尽管可供选择的成像方式越来越多，但超声心动图仍然是MV形态学和生理学评估的基石。

      在过去的50年里，超声心动图已经从一维和二维(2D)成像发展到复杂的三维(三维)技术，开创了心血管成像的新时代。2D超声心动图经食管入路提高诊断准确性。然而，在许多情况下评估MV装置的复杂解剖结构仍然是一个挑战。三维经食管超声心动图(TEE)克服了一些2D超声心动图MV评估的局限性，提供了比2D TEE更准确的MV几何信息。多项研究显示3D TEE在MV正常和病理形态评估中的优越性，譬如二尖瓣反流或狭窄量化以及术前对MV脱垂的综合评估。

       然而，三维超声心动图有其特定的局限性。它需要图像采集和分析方面的培训。图像后处理非常耗时，在许多情况下，手动测量的观察者间和观察者内重复性较低。后者产生了开发既能减少图像分析时间又能增加重复性的自动软件的需求。可用的计算几何和生物力学软件需要用户识别MV结构以及手动跟踪，这既耗时又限制了可重复性。

       本研究评估的新型MV分析自动软件有望应用于临床。重复性是定量评估无创成像技术的关键。此外，它们构成了影响患者诊断和治疗的常规超声心动图的主要局限性之一。因此，新技术的发展需要以更高的可重复性证明其有效性，然后才能用于临床实践，取代现有的常规方法。因此，与常规临床手动3D评估相比，我们研究的目的是评估一种新型全自动软件在MV解剖结构评估中的观察者间和观察者内的重复性。

方法

研究人群

从2013年1月至9月，共有331名进行TEE的患者接受了本研究的初步筛查。在全部筛选人群中，88例患者使用与自动软件分析不兼容的超声心动图系统进行TEE。在其余243例进行TEE的患者中，80例患者进行了二尖瓣(MV)的三维成像。在这80例患者中，有19例患者因植入了人工二尖瓣而被排除在外。在其余61例患者中，有25例患者被排除，原因是(I)心律失常导致的拼接伪影，质量差的3D图像，(ii)容积帧频低于每秒7个容积帧，或(iii)软件自动量化的图像质量差。因此，最终研究人群回顾性包括36例患者，其中15例为窦性心律，16例为房颤，5例为PM依赖性心律。

超声心动图

所有患者均根据欧洲心血管成像协会指南接受了TEE检查。临床TEE检查和3D MV图像均有执行医师进行采集。3D MV图像是使用在一个心动周期内采集的3D缩放模式获得的，容积帧范围为每秒7至34个容积帧，除了两名患者在4个心动周期内采集了图像。图像被数字化存储并传输到工作站进行离线分析。

三维数据分析

在每个受试者中，选择最高质量的3D图像进行分析。相同容积的数据集用于手动和软件分析，包括以下参数：联合间距离、二尖瓣环面积和小叶长度。将图像导入软件(eSie Valves，Autovalve prototype version 1.22，Siemens Medical Solutions，USA)后，MV会以不同的视图显示(图1)。手动选择合适的帧后，通过检测在50个不同平面中获得的7个界标和400多个附加二尖瓣环界标来执行MV的自动识别，可根据需要进行编辑。基于这些界标计算MV模型，并获得不同的MV参数。完成了三维数据集的多平面重建。正交轴对齐，获得3个不同的MV平面：四腔心，三腔心和短轴视图。在最大瓣膜打开时(舒张中期)评估了MV参数。在短轴视图中评估了MV环的平面测量和联合间直径。随后，在三腔心视图中测量舒张中期至晚期的小叶长度。

图1 二尖瓣的自动软件分析图像。图中显示了二尖瓣的不同视图，以及自动检测到的不同结构和二尖瓣的最终三维模型

结果

所有参数之间没有观察到显著差异，但联合力间距离除外(图3)。手动评估联合间直径与自动软件评估的联合间直径显著相关(r = 0.84，p < 0.01图4), 但是人工计算导致与使用自动化软件测量的测量值相比具有更高的测量值(平均差异-2.93±2.41；p < 0.01)(图5)。手动和自动软件评估的二尖瓣环面积和前叶长度显示出强相关性(r分别为0.94和r = 0.83，均p < 0.01)和良好的一致性(图1和图2)。通过手动评估和自动软件得到的后叶长度相关性较弱(r = 0.67，p < 0.01)，但无论使用何种方法，都没有显示出显著差异(平均差异-0.15±1.9，p 0.65)(图1和图2)。3D自动化软件测量显示，所有成像参数的观察者间一致性更好。3D手动和3D自动软件测量的组内相关系数分别为0.76 (95 % CI 0.58至0.87)和0.99 (95 % CI 0.99至0.99)联合间距离；0.85 (95 % CI 0.73至0.92)和二尖瓣环面积0.95(95% CI 0.91-0.97)；前叶长度0.734 (95 % CI 0.53至0.85)和0.963 (95 % CI 0.92至0.98)；0.838 (95 % CI 0.705至0.941)和0.936 (95 % CI 0.879至0.967)。除后叶长度外，所有测量值的观察者内可重复性与3D自动化软件的一致性较好。组内相关系数：联合间距离，3D手工测量0.938 [95 %置信区间(CI)0.827-0.979]，3D自动化软件0.999(95% CI 0.998-1.0)；二尖瓣环面积:3D手动测量0.969(95% CI 0.991-0.990)，3D自动软件0.992(95% CI 0.975-0.997)；前叶长度，3D手动测量：0.882(95% CI 0.685至0.959)，3D自动化软件为0.984 (95 % CI 0.954至0.995)；后叶长度，3D手动测量：0.946 (95 % CI 0.846至0.981)，用于3D自动化软件为0.937 (95 % CI 0.824至0.978)。

图3 自动软件评估的四个二尖瓣解剖参数与人工评估的累积数据的箱形图

图4 由自动软件和人工评估确定的联合间直径（a）、二尖瓣环面积（b）、前叶长度（c）和后叶长度（d）之间的相关关系；

图 5 Bland-Altman 散点图显示了二尖瓣直径（a）、二尖瓣环的面积 (b)、小叶前部长度(c)和小叶后部长度(d)由自动软件和人工评估测量之间关系。联合间直径与人工测量相比，使用自动软件测量的直径被低估了。每幅图中的实心横线代表两种方法之间的平均系统性差异（偏差），而虚线表示一致性的限度（95％的置信区间）。

讨论

本研究的主要发现有:

1)eSie Valves软件正确评估了MV的形态和尺寸；

2)eSie Valves软件的MV评估与操作人员的手动分析有很强的关联性；

3)eSie Valves软件分析得到的参数是可靠的、可重复的和不依赖于操作者的。

       MV疾病患病率较高，需要干预的患者越来越多。随着手术和经皮治疗数量和复杂性的增加，以及明确的解剖学要求(使用MitraClip的缘对缘MV修复技术)，要求成像技术更加精确、准确且可重复用于患者选择和术中引导。与2D TEE相比，虽然3D TEE提供了更好的诊断准确性，它尚未在临床常规中广泛应用。市售3D超声心动图分析包仅允许离线执行有限数量的定量测量。已经开发了允许交互式可视化和自动量化的定制软件算法，但是这些技术耗时且劳动强度大，重复性差。由于上述所有原因，对MV的精确形态学和功能评估的兴趣增加，更需要在临床实践中引入能够生成详细形态学重建的3D模型，以及以高精度对整个心动周期复杂的MV形态结构和动态过程进行量化。

      据我们所知，没有临床研究评估过如本研究所使用的自动化软件eSie Valves定量MV装置的可行性和重复性。我们的结果显示，除了联合间距离之外，用软件和3D手动评估获得的平均值之间没有显著差异(图3)。然而，在3D手动分析中，在短轴视图中，在多平面重建后的2D图像中识别出连合部，并且在它们之间描绘出一条直线。此外，连合并不是精确的解剖标志，而是代表前后叶之间延伸几毫米的连续性。此外，联合间距离不是指导人工瓣膜尺寸的主要和标准参数，因此它不应该影响将来用于经皮二尖瓣植入的自动化软件的使用。在用软件进行的其余测量和手动3D分析之间发现了良好的相关性(图 4)没有显著的偏差(图5)。观察到二尖瓣后叶长度的相关性最低，但未观察到任何显著的平均值差异。这可能是因为后叶长度是在P2手工测量的，而软件计算的是最大后叶长度，在某些情况下可能略有不同。然而，一致性等级也没有表现出显著的偏倚。使用软件获得的其他MV参数未包括在分析中。这是由于3D人工评估的固有局限性所决定的，而这种局限性会限制对软件准确性的评估。由于所获得的大多数MV参数没有明确的金标准，因此需要进行临床研究以证明其准确性和实用性。尽管没有特别提及，但与手动评估相比，自动软件至少减少了一半的分析时间。然而，需要进一步的研究来具体量化自动软件节省的时间。

      关于观察者间和观察者内的重复性，我们的工作证实了自动化软件优于3D手动评估。这些发现与之前的一份研究报告一致，该报告在18名接受冠状动脉旁路手术的患者中测试了相同软件的重复性[23]。

       越来越多的介入手术要求无创成像技术在临床应用中要具有更高的重复性。那些无法满足这些要求的人将在不远的将来被抛在后面，因为新的外科和介入设备正在开发中，以治疗不同形式的MV疾病。在这种情况下，三维超声心动图的未来不仅需要生成具有高时间和空间分辨率的卓越的图像质量，还需要提供可重复的量化工具，并且不依赖于操作者。

• 本研究的结果是至关重要的，强调了技术发展的能力，正如软件评估的结果以反应超声心动图的实际需要。
• 这两个独立的研究进一步加强了它的优势，并支持它在日常临床实践中的适用性。

结论

• 新的eSieValves软件已被证明可用于MV解剖评估。
• 通过高质量的3D TEE图像，可以在一帧内和整个心动周期内正确分析多个MV参数，为深入了解这种复杂结构的生理学和病理学开辟了新的可能性。
• 这些特征不仅可以改善手术和介入治疗计划，还可以改善MV疾病患者的诊断和预后风险分层。
• 未来还需要进一步的临床研究，以确定所获MV参数的临床适用性。

文献来源：

Aquila I, González A, Fernández-Golfín C, Rincón LM, Casas E, García A, Hinojar R, Jiménez-Nacher JJ, Zamorano JL. Reproducibility of a novel echocardiographic 3D automated software for the assessment of mitral valve anatomy. Cardiovasc Ultrasound. 2016 May 17;14(1):17. doi: 10.1186/s12947-016-0061-8. PMID: 27184953; PMCID: PMC4869383.

郭智宇 西门子医疗超声心血管超声临床科研专家（Clinical Research Expert-CVUS）