应变和应变率成像(strain and strain rate imaging，SRI)是显示局部心肌变形和变形速率的实时超声成像技术，是定量评价局部心肌功能的新方法[1]。目前超声测量心肌应变的方法由组织多普勒技术(TDI)发展而来，通过阈值滤过高频、低振幅的血流信号，检测低频、高振幅的室壁运动信号，这种技术受超声束方向与室壁运动方向间夹角的影响，主要用于检测心肌长轴方向的运动[2-4]。速度向量成像技术(velocity vector imaging，VVI)克服了这一技术的局限性，它以二维图像为基础，与传统组织多普勒技术比较，不依赖多普勒原理，无分析切面的局部性以及对角度和帧频的依赖性，可测量与计算在任何方向的心肌运动速度向量和形变。
一、应变率成像原理
1. 应变(Strain，ε)：是指物体在力的作用下发生的形状改变。线性应变可用Lagrangian公式表示：ε＝ΔL/L0＝(L－L0)/L0。ε指长轴方向上的应变，ΔL为长度的改变量，L0为初始长度。心肌ε反映了心肌发生变形的程度，常用心肌长度(厚度)的变化值占心肌原长度(厚度)的百分数表示。应变指在所有方向上的同时形变，心肌纤维中既有纵行纤维又有横行纤维，因此，存在与心肌运动方向一致纵向形变和横向形变。心肌组织是不能被压缩的，其长轴方向的延伸意味短轴上变薄，长轴方向的缩短意味短轴上增厚，长轴和短轴的变形呈负相关系。心肌ε为正值表示长轴方向上的伸长或短轴方向上的增厚，ε为负值表示长轴方向上的缩短或短轴方向上的变薄。
2. 应变率(Strain Rate，SR)：是指心肌发生形变的速度，是心肌运动在超声束方向上的速度梯度，即局部两点之间的速度差 除以两点之间的距离，公式表示为：SR＝ε/Δt＝ΔL/(L0·Δt)＝ΔL/(Δt·L0)＝(V1－V2)/L0，其中，SR即距离为L0的两点之间心肌的应变率，V1和V2指距离为L0的两点的心肌缩短速度，心脏的位移和邻近心脏节段的运动可同时影响V1、V2，但不能影响(V1～V2)，故应变率成像技术克服了心脏整体运动(如旋转运动)和邻近心肌节段的被动牵拉对室壁运动的影响，因而能够真正反映室壁运 动速度差异。应变/应变率成像的时间和空间分辨率都很高，可以精确地反映在整个心动周期内局部心肌收缩舒张活动的发生，识别不同节段之间心肌形变在空间和时间分布上的细微差别。这些优势使其对心功能评价更加客观，减少了观测者之间的误差，更为 准确的判断心肌运动。
二、速度向量成像技术(VVI)的原理
速度向量成像技术利用斑点追踪技术，在二维超声图像的基础上，在室壁中选定一定范围的感兴趣区，随着心动周期，分析软件根据组织灰阶自动追踪上述感兴趣区内不同像素的心肌组织在一帧帧图像中的位置，并与第一帧图像中的位置相比较，计算整个感兴趣区内各节段心肌的变形[5]。由于斑点追踪技术与组织多普勒频移无关，因此不受声束方向与室壁运动方向间夹角依赖性，因此二维超声应变成像能更准确地反映心肌的运动。
三、VVI的常规检测方法
患者左侧卧位，连接体表心电图，选取清晰的心尖四腔、左心二腔、心尖左室长轴切面(每切面6个节段)及左心室心尖、心底水平短轴切面，采集2个、3个心动周期的心脏二维动态灰阶图像，以MO盘保存，用于脱机分析。取图时，嘱受检者减小呼吸幅度，以减低呼吸对心脏运动的影响。进入VVI工作站2D-VVI操作界面，将图像定帧后，于单帧图像上手工逐点沿左室心内膜边界取点(10点以上)，点击“计算”，VVI软件即自动跟踪识别其他帧图像上的心内膜边界，并根据需要修正曲线轮廓，计算出心内膜的速度矢量。进入SR界面，将取样点置于局部心肌的基底部、中段、心尖段的中点，分别得到相应的速度、ε、SR曲线，将鼠标移至曲线处点击右键即可得到不同时间点的数值。
四、VVI测量的种类
心脏的心肌细胞包括纵行和横行肌纤维，即内、外层的螺旋形肌束和中层的环形肌束，因此心脏的收缩和舒张运动基本包括4个部分：纵向(longitudinal)运动，表示心脏长轴方向的运动；径向(radial)运动，表示短轴方向的运动；圆周(circumferential)f运动，表示心脏短轴方向的环形运动；旋转(rotational)角度，表示心脏短轴方向的旋转角度。
五、VVI的显示形式
1. 彩色M型显像及心肌运动三维定量分析(图1)：利用曲线解剖M型技术，能显示心肌空间与时间分布的关系，可同时得到心肌不同阶段的应变率，按照M型的应变率进行彩色编码。形变指向心尖为负值，以黄色到红色表示。在舒张期，形变背向心尖为正值，用蓝色表示[6]。
2. 应变率和应变曲线：其显示的是心肌某一部位在心动周期内的形变情况，应变率曲线的纵轴是形变速率，横轴是时间信息。应变率的时间积分就是应变曲线。
六、VVI的常用检测指标
1. 峰值速度、应变率和应变：即在心动周期不同时相内(如收缩期、舒张早期和舒张晚期等)发生的最大速度、SR和ε。收缩期值SR和ε被用作评价收缩功能的参数，而舒张早期和晚期峰值SR被用于评价舒张功能。
2. 收缩期后收缩或缩短(post-systolic compression or shortening，PSC or PSS)：是指收缩末期后的收缩，发生在主动脉瓣 关闭后，是心肌缺血的敏感指标。在主动脉瓣关闭和二尖瓣开放前的一段时间，即等容舒张期出现的负向纵向应变率和应变。等容舒张期应变率与收缩期应变率的比值和收缩后应变能极好区分缺血心肌和非缺血心肌[7]。
3. 收缩-舒张转换时间(TCEC或TR)：在彩色M型应变率显像下，可测量从心电图R波到收缩-舒张转换点的时间，即TCEC[8]。当PSS存在时，TCEC延长，可用于检测心肌缺血。
4. 节段EF值：在心尖四腔心切面，速度向量成像技术(VVI)能准确对心肌运动进行自动追踪，得到带有心肌运动方向及速度大小的动态向量图，准确计算心室各节段的收缩及舒张末期容积，进而得到节段EF值，不能简单地把节段EF值相加等同于整体EF值，也不能把整体EF值的正常范围套用于节段EF值，它能反映局部心肌功能的异常。
5. 心脏旋转角度：测量心肌的旋转角度时，在心脏短轴二维图像室壁上勾画出感兴趣区，利用斑点追踪技术的分析软件自动追踪组织中各点在心动周期的运动轨迹，以心脏左室短轴中心为假想圆心，计算感兴趣区中各节段心肌的旋转角度，从心尖向心底部观察逆时针旋转为正方向，但在以往的研究中，也有用正值表示顺时针旋转，负值表示逆时针旋转。左室扭转角度等于心尖部与心 底部旋转角度绝对值之和[9]，可以通过测量左室旋转角度来评价心脏收缩和舒张功能。
6. 达峰时间及左室最早和最迟收缩心肌的时间延迟(TV-MX)：达峰时间即到达峰值速度、峰值应变、峰值应变率的时间(自心电图QRS起点至各局部室壁峰值收缩时间)以及达到75%、50%速度、应变及应变率的时间等(图2～4)。是评价室壁协调性的重要指标。
七、正常心脏的VVI特点
文献报道[10]在正常人中应用二维超声应变成像测量心尖长轴、左室短轴径向和圆周方向的应变，结果为：(1)心尖长轴方向应变，心尖部>中部，左室侧壁>左室前壁；(2)心脏左室短轴方向应变较均一；(3)左室短轴圆周方向应变，前室间隔应变最大。这与吴晓霞等[11]研究结果基本一致。相反，舒先红等以多普勒为基础测量的SR在长轴方向上可见左室各室壁基底段、中间段、心尖段依次递减的趋势，心尖部最小[12-14]。对这种现象的解释：(1)采用组织多普勒成像原理由于受角度影响，不能对于声束夹角过大的心尖段进行准确评价，角度越大，Cosθ值越低，故心尖段的测量值可能偏低，而VVI技术不受角度影响，能更真实反映心尖部的运动。(2)Bogaert等[15]应用磁共振标记成像技术检测了正常人左室的运动状态，发现在长轴方向上从心底部到心尖部也是逐渐增强的，室壁张力从心底部到心尖部也是逐渐增强的，心尖部EF明显高于心底部。(3)也有学者认为心肌排列个体差异较大，故不能以某种模式分布来认定正常的SR的分布模式[16]。Helle-Valle等[17]在正常人中应用二维应变成像测量旋转角度，结论为：短轴心尖部(－10.9±3.3)°，短轴心底部(4.6±1.3)°。从心尖向心底观察，顺时针旋转为正值，逆时针旋转为负值。
八、VVI的临床应用
1. VVI定量评价心肌各节段的收缩和舒张功能：目前，M型超声心动图Teichholz法仍然是临床工作中最为常用的测量左室收缩功能的方法。然而，对于心肌节段性运动异常、肥厚型心肌病以及高血压等疾病状态下发生左室重构的情况下，M型超声心动图由于依赖对心室形态进行几何假设、运用特定的公式计算变形的心室容积，所以难以准确地反映心室功能，而且无法对节段EF值进行评估；而以往的研究表明，当1～2个节段出现运动异常时，整体EF值仍可在正常范围内，因此，评价节段EF非常重要。核素左室造影虽然可以评价局部心功能，得到节段的EF值，但因其有创伤、价格相对昂贵及患者心理难以接受等原因无法广泛应用于临床。而速度向量成像技术(VVI)是新近推出的研究心肌结构力学、分析局部心功能的新技术，能够准确计算心室各节段的收缩及舒张末容积，进而得到节段EF值，这是对以往超声技术只能研究整体EF值新的突破，且方法简便可行。Amundsen等[18]为证明VVI的准确性，与无创伤性的植入声学测微计方法相比较，在9只杂种犬中比较和两种方法测量室壁纵向及室壁径向收缩期应变的相关性，证明两者间有很高的相关性和符合率，室壁纵向应变r＝0.90，P<0.01；室壁径向应变r＝0.79，P<0.01。VVI技术不仅可对到达峰值速度的时间进行计算和编码，而且可对到达峰值速度的75%、50%的时间、应变及应变率的达峰时间进行计算和编码，故对室壁协调性的评价更加全面、客观、准确。以往长轴心尖部位及短轴各节段的达峰时间受角度影响而无法测得，而VVI技术由于无角度依赖性，可对短轴各切面的各指标的达峰时间以及其他时间进行研究，填补了以往对短轴达峰时间无法研究的空白。左室扭转和解旋是评价心脏收缩和舒张功能的敏感指标[19-22]，Hansen等[20-21]研究发现心脏发生急性排斥反应时收缩期左室扭转角度降低，而射血分数没有明显变化，在给患者注射多巴酚丁胺后发现其最大扭转角度的变化明显大于传统的负荷依赖性指标，这对于全面评价局部心功能具有重要意义。
2. VVI在冠心病中的应用：对急慢性心肌缺血、心肌梗死的研究是速度向量成像技术应用较多的领域之一。在心脏的运动中，正常节段心肌的速度是由局部纤维的缩短和周围区域的牵拉共同产生的。因此，活动障碍的节段因邻近组织的牵拉可能产生接近于正常的速度，此时目测法判定室壁运动无法确定该运动是主动收缩还是被动牵拉造成的，而VVI可以区分主动运动和被动运动，可以更加敏感而准确的识别异常节段运动。有学者[23]对小鼠心肌缺血与再灌注的研究中显示缺血心肌的应变明显降低，与未结扎左前降支近端比较差异有统计学意义(P<0.01)，与进行再灌注后的心肌应变差异也有统计学意义(P<0.01)；与心肌节段的室壁增厚率相比较，VVI对心肌缺血的变化更加敏感。杨颖等[24]研究显示，应用VVI测量的正常与心梗后异常运动的心肌节段长轴最大峰值血流速度(Vs)、应变(S)与应变率(SR)均与TDI的测量结果呈现良好的一致性，初步证实了其测量准确性；而在梗死心肌节段VVI测量的长轴及径向Vs、SR与ε均显著低于正常节段，初步证实了VVI评价缺血病理状态下心肌功能变化的价值。
3. VVI在心脏再同步化治疗中的应用：速度向量成像技术(VVI)已经用于心脏再同步化治疗的筛选、预测及治疗后效果评价。王静等[25]研究证明，正常心脏收缩同步协调，收缩早期和收缩末的径向速度向量长短和方向基本一致。异位起搏时局部心肌组织速度向量提前收缩，明显早于其他室壁，局部心肌运动显著不协调。异常起源处室壁心肌运动速度(VE)明显高于正常窦性心律时心肌运动速度(VN)。反映局部心肌运动同步性的指标：异位起搏时相应心室最早和最迟心肌间的时间延迟(TV-MXE)与窦性心律时相应心室最早和最迟心肌间的时间延迟(TV-MXE)的测值差异有统计学意义(P<0.05)。国外已有文献报道对左束支传导阻滞的心衰患者在双心室起搏后利用常规TDI技术仅仅根据长轴方向上的应变率变化不能准确评价患者术后心功能变化，而应用VVI技术检测长轴和短轴应变率可准确地判断出患者术后心功能变化，可对患者心功能的变化做出与临床相符的诊断[26]。这与方凌云等[27]研究基本相符，经射频消融治疗后，心电图Q波后局部心肌提前收缩的速度向量消失，心脏呈现协调同步收缩。因此，VVI能形象、直观地显示心肌纤维在纵向、径向和环向上的运动特征，为临床评价心肌机械运动同步性、标测异位兴奋点提供了一种有应用潜力的方法。
4. VVI在高血压病中的应用：以往对应变及应变率的研究是基于多普勒组织成像(TDI)的基础上，受到角度限制，对于声束夹角>20°的心肌组织及短轴方向上心肌的形变难以进行准确评估[27-29]。Poulsen等[30]报道在孤立性左室舒张功能障碍的高血压患者，其收缩期应变率较正常对照组是显著下降的，但这仅仅局限于在长轴方向上的研究。利用VVI技术不仅可以进行长轴上的应变率分析，而且还可以在短轴方向上进行应变率分析，发现高血压患者纵向应变率与正常对照组之间有显著差异[(1.089±0.1781)/s vs.(1.880±0.4871)/s，P<0.01]；径向应变率比正常对照组明显减低[(1.979±0.4401)/s vs.(4.108±0.7561)/s，P<0.01]；无论正常对照组或高血压组径向平均收缩期应变率的数值均明显大于纵向应变率，且径向应变率重复性较好，说明径向形变是不可忽视的。
5. VVI对先天性心脏病患者的心功能的评价：Weidemann等[31]对30例法洛四联症术后无临床症状的患者和年龄与之相匹配的健康儿童作为对照组，其结果表明：法洛四联症患者与对照组比较，右室游离壁SR和ε在基底段、中间段、心尖段的均值减少，SR平均(－1.5±0.6)/s，ε为(－22±8)%；而对照组SR平均(－2.8±0.6)/s，ε为(－45±12)%，P<0.01差异有统计学意义。Mirro等[32]对继发孔房间隔缺损的患者与健康对照组比较，发现继发孔房间隔缺损的患者心脏的扭转度增大，外科修补术后角度恢复正常。在瓣膜病和缺血性心肌病患者中左室的扭转角度减小。
6. VVI在心肌病中的应用：Abraham等[33]应用TDI和SRI，对梗阻性肥厚型心肌病患者基底部间隔消融前、后局部心肌功能进行研究，发现消融部位的收缩期峰值SR较消融前以及其他非消融区均显著减低。Akagawa等[34]利用VVI技术对扩张性心肌病患者的研究发现，其左室旋转较正常对照组是降低的。表明VVI是客观、定量评价局部心肌功能异常的理想方法。
7. 此外，VVI还被用于检测外周大动脉壁粥样斑块特性、胎儿心脏局部与整体心肌功能及心肌运动的检测、胎儿心律失常时血流动力学变化的研究等。
九、VVI技术的局限性及应用前景
VVI技术的局限性：(1)图像要求尽可能清晰，才能准确识别心内膜及心肌的边界；(2)受试者心律不齐对试验测值也有影响，故应保证心律基本匀齐，所测数值才真实可靠；(3)只有高的速度向量成像技术才能反映各时间点心肌节段的运动信息。应用前景：VVI技术克服了超声在研究局部心功能过程中遇到的角度依赖性问题，尤其短轴方向上心肌运动的研究使得单一的长轴切面不再是评价局部心功能的绝对指标；长轴的节段EF值及短轴节段收缩及舒张后面积能够使我们了解各个节段在整个心脏射血过程中的贡献，从而反映局部心肌功能异常；对到达峰值过程75%和50%速度、应变及应变率时间的研究为全面了解心脏各个时相局部功能的变化提供了有力的帮助，笔者相信随着VVI技术的推广和研究深入，必将对超声评价局部心功能提供有力的依据，进而为指导临床诊断做出应有的贡献。