Clinical Investigation on Foure-dimensional Left Atrial Automatic Quantitative Technology in Evaluating Left Atrial Volume and Function
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摘要:
目的 探讨四维左心房自动定量（4D Auto LAQ）技术对非选择性连续患者左心房的容积及功能的应用价值。 方法 187例入选患者中成功分析143例患者。应用4D Auto LAQ 技术及Simpson’s双平面技术分别获取左房整体射血分数（LAEF）、左房最大容积指数（LAVImax）、左心房舒张末期容积（LAVmax）、左心房收缩末期容积（LAVmin），同时记录分析时间，比较2种技术所测参数的准确性及可重复性。 结果 4D Auto LAQ 技术及Simpson’s双平面技术所测值相关性高（r值：LAVmax 0.91，LAVmin 0.89，LAVI0.90，LAEF 0.54；P < 0.01）、一致性较好[平均测量差异：LAVmax1 0.1 mL，LAVmin 3.1 mL，LAVI 6.4 mL，LAEF 10.0%；一致性区间：LAVmax（-30.7-50.9） mL，LAVmin（-32.2-38.4） mL，LAVI（-21.2-34.1） mL，LAEF（-19.8-39.8）%]。4D Auto LAQ 技术对不同心动周期各测量值相关性好（r值：LAVmax 0.99，LAVmin 0.98，LAVImax 0.99，LAEF 0.92；P < 0.01），一致性区间为[LAVmax（-8.9-7.9） mL，LAVmin（-7.9-10.8） mL，LAVI（-7.9-10.8） mL/m2，LAEF（-14.8-9.1）%]。4D Auto LAQ 技术各测量值在观察者内部、观察者间的重复性均较好（组内相关系数均 > 0.8，变异系数均 < 10%），且优于Simpson’s双平面法。4D Auto LAQ 技术技术用时较Simpson’s双平面法明显减少，分别为（30.87±5.05） s、（60.20±5.05） s，（P < 0.05）。 结论 4D Auto LAQ 技术评价左心房容积及功能用时更短，重复性好，具有临床推广价值。 -
关键词:
- 四维左心房自动定量分析 /
- Simpson’s法 /
- 左心房功能 /
- 左心房容积
Abstract:Objective To explore the role of four-dimensional left atrial automatic quantitative technology in evaluating the volume and function of the left atrium in non-selective continuous patients, and to preliminarily explore its accuracy and repeatability. Methods Foure-dimensional left atrial full-volume dynamic images of 187 consecutive patients were collected, 44 patients who failed the analysis were excluded, and 143 were successfully analyzed. Using Simpson’s biplane method as the reference standard, the 4D Auto LAQ technology was used to evaluate the left atrial end-diastolic volume （LAVmax）, left atrial end-systolic volume （LAVmin）, left atrial maximum volume index （LAVImax）, and left atrial global ejection fraction. （LAEF） accuracy and repeatability. Results In all patients who were successfully analyzed, the inter-technique comparisons showed good correlations （R-values: LAVmax 0.91, LAVmin 0.89, LAVI 0.90, LAEF 0.54; all P < 0.01）, small biases （ LAVmax 10.1 mL, LAVmin 3.1 mL, LAVI 6.4 mL, LAEF 10.0%; Concordance interval: LAVmax （-30.7-50.9） mL, LAVmin （-32.2-38.4） mL, LAVI （-21.2-34.1） mL, LAEF （-19.8-39.8）%] for all measurements in all patients. 4D Auto LAQ technology showed good correlation between the parameters of different cardiac cycles （r value: LAVmax 0.99, LAVmin 0.98, LAVImax 0.99, LAEF 0.92; all P < 0.01）, and the average measurement difference did not exceed two measurement units （1 mL/volume, 1%/LAEF）, the consistency interval is also narrow [LAVmax （-8.9-7.9） mL, LAVmin （-7.9-10.8） mL, LAVI （-7.9-10.8） mL/m2, LAEF （-14.8-9.1）%. The intra- and inter-observer repeatability of each parameter of 4D Auto LAQ technology was good （within-group correlation coefficients were all > 0.8, 0.81-0.99, and coefficients of variation were all < 10%）, and it was better than Simpson’s biplane method. Compared with Simpson’s biplane method, the time of 4D Auto LAQ quantitative technology was significantly reduced, which were （30.87±5.05）s and （60.20±5.05）s respectively （P < 0.05）. Conclusions Since4D Auto LAQ technology can be widely used in clinical practice as a feasible and objective ultrasound technique. -
超声心动图是评价左心房大小的最简便易行的首先方法，常用的是径线测量和容积测量。左心房立体的腔室结构经线测量不能准确反映其真实的大小，容积测量已成为判断左房大小的指标。目前，临床评估左房大小多采用的是Simpson’s双平面法所测左心房容积为指标[1]。三维超声心动图可以呈现左心房立体结构，测量结构优于二维超声，所以使用三维超声心动图来评估左心室容积和功能是目前的趋势[1-2]。传统三维超声心动需要手动描绘图像，耗时较长，且具有一定主观性，故难以在临床开展常规检查。四维自动左房定量分析（four-dimensional automatic left atrial quantitation，4D LAQ）是新近开发的1种全自动自适应左心房容积定量软件，建立在传统三维超声心动图基础上省去了大量人工输入的步骤，可以简便、迅速定量左心房容积与功能[3-4]。在本研究中，采用4D Auto LAQ技术评价非选择性连续患者左心房的容积及功能的应用价值。
1. 资料与方法
1.1 研究对象
选取187例于2020年4月至2021年4月在云南大学附属医院行心脏超声检查的患者。纳入标准[5]：进行心脏超声检查的患者能同时有Simpson’s双平面法所测值和4D Auto LAQ 技术检查的患者。排除标准：（1）图像质量差；（2）心室收缩功能减低（射血分数 < 50%），不能完成2种检查的患者。最终分析成功143例，男86例，女74例，年龄22～83岁，平均（57.1±18.2）岁。在成功分析患者中以左心房最大容积指数34 mL/m2为界[4-6]分为左房大小正常组（56例）、左房扩大组（94例）。本研究所有对象均签署知情同意书并通过云南大学附属医院伦理委员会审查（编号2020146）。
1.2 仪器与方法
仪器：GE Vivid E95彩色多普勒超声诊断仪，4Vc探头，频率1.4～5.2 MHz，配备EchoPAC 203工作站。
图像采集：连接心电图后患者取左侧卧位，获得清晰的图像后，采集连续3个心动周期动态图像后保存，采用EchoPAC 203工作站脱机分析。
数据收集：Simpson’s双平面法测量参数：手动描记心尖四腔心及心尖两腔心切面左房壁内膜，于收缩末期获取左房最大容积（left atrial maximum volume，LAVmax），收缩末期获取左房最小容积（left atrial minimum volume，LAVmin），机器根据体重和身高自动获得经体表面积标准化后的左房最大容积指数（left atrial maximum volume index，LAVImax），左房整体射血分数（left atrial ejection fraction，LAEF），记录分析时间。
4D Auto LAQ 技术测量左心房容积：获取清晰的心尖四腔切面二维图像后点击Tri-plane获得启动三平面成像模式，调整探头以同时获得心尖四腔心、两腔心切面、心尖长轴切面后点击Measure、Volume，进入分析界面，根据提示调整采样点，软件自动识别并包裹左心房内膜，结合手段调整直至满意，点击结果，系统自动获取所需参数，见图1。 记录LAVmax、LAVmin、LAVImax、LAEF、分析时间。
图 1 四维左心房自动定量分析（4D Auto LAQ）技术所获得的左心房容积及功能结果及左心房三维模型图Figure 1. Left atrial volume and function results obtained by 4D Auto LAQ technology，as well as three-dimensional model of the left atrium4D Auto LAQ技术不同心动周期各参数相关性及一致性检验：在分析成功的患者中随机抽取40例，选择2个不同心动周期的四维数据，由同一观察者进行分析。
在分析成功患者中随机抽取70例，由2名医师（1名为有10 a心脏检查的高年资的医师，另1名为只有2 a以内心脏检查的医师）分别独立对同一受检者进行图像采集，双方结果互不知情，用于观察者间的可重复性检验。重复性检验：同一操作者在2周后对所检查患者再次进行数据分析。
1.3 统计学处理
应用SPSS 26.0和MedCalc 20.1.0统计软件分析数据。计量资料先进行 Shapriro-Wilk 正态性检验，符合正态分布的用均数±标准差（
$\bar x \pm s $ ）表示，计量资料组间比较采用配对t检验。计数资料以例数和百分比表示。不同测量方法同一参数的相关性、一致性、重复性检验分别采用Pearson’s法、Bland-Altman法、组内相关系数及变异系数法。变异系数具体计算方法为：每个患者2次测量的差值除以2次测量的均值，然后计算所有患者该商数的均值。Bland-Altman 图中位于图上 95% 一致性区间范围内的点占到总数的 95%即认为一致性好。P < 0.05为差异有统计学意义。2. 结果
2.1 基本资料
入选的187例患者中成功分析4D Auto LAQ 技术的患者有173例（92.5%），成功分析二维Simpson双平面法169例（90.3%），最终2种技术共同分析成功143例，这些患者中合并高血压76例，糖尿病54例，冠心病66例，心律不齐45例。
2.2 不同测量方法参数的相关性和一致性分析：
在所有分析成功的患者中，4D Auto LAQ 技术与Simpson’s双平面法各对应参数技术间均具有相关性（LAVmax 0.91，LAVmin 0.89，LAVI 0.90，LAEF0.54，均P < 0.01），一致性较好[平均测量差异：LAVmax 10.1 mL，LAVmin 3.1 mL，LAVI 6.4 mL，LAEF 10.0%；一致性区间：LAVmax（-30.7-50.9） mL，LAVmin（-32.2-38.4） mL，LAVI（-21.2-34.1） mL，LAEF（-19.8-39.8）%]，见表1、图2。
表 1 4D Auto LAQ技术与Simpson’s双平面法各参数的相关性和一致性分析（$\bar x \pm s $ ）Table 1. Comparison，correlation and consistency analysis of parameters between 4D Auto LAQ technology and Simpson’s biplane method （$\bar x \pm s $ ）变量 n 4D Auto LAQ技术 Simpson’s法 r P 平均测量差异 一致性区间 LAVmax（mL） 全部 150 56.86 ± 31.4 66.99 ± 44.4 0.91 < 0.0001* 10.1 −30.7-50.9 左房正常组 56 30.91 ± 7.0 32.43 ± 7.2 0.58 < 0.0001* 4.3 −11.7-20.4 左房扩大组 94 76.45 ± 33.73 99.11 ± 43.47 0.87 < 0.0001* 22.7 −19.6-64.9 LAVmin（mL） 全部 150 36.49 ± 24.27 39.63 ± 35.86 0.89 < 0.0001* 3.1 −32.2-38.4 左房正常组 56 15.07 ± 4.9 13.26 ± 4.2 0.51 < 0.0001* −1.8 −11.0-7.4 左房扩大组 94 53.51 ± 23.82 64.65 ± 37.17 0.81 < 0.0001* 11.1 −33.2-55.5 LAVImax（mL/m2） 全部 150 37.69 ± 20.57 44.14 ± 29.59 0.90 < 0.0001* 6.4 −21.2-34.1 左房正常组 56 21.86 ± 5.09 20.90 ± 4.18 0.72 < 0.0001* −1.0 −7.9-6.0 左房扩大组 96 46.86 ± 20.50 60.03 ± 26.12 0.88 < 0.0001* 13.2 −12.0-38.4 LAEF（%） 全部 150 37.99 ± 14.7 48.00 ± 16.72 0.54 < 0.0001* 10.0 −19.8-39.8 左房正常组 56 43.56 ± 14.69 62.61 ± 11.05 0.51 < 0.0001* 17.1 −6.7-40.9 左房扩大组 94 30.75 ± 11.67 37.61 ± 13.77 0.52 < 0.0001* 6.9 −18.4-32.2 LAVmax：左房最大容积；LAVmin：左最小容积；LAVImax：左房最大容积指数；LVEF：左房整体射血分数。*P < 0.05。 
图 2 所有患者与Simpson’s双平面法法测值的相关性及Bland-Altman一致性检验A、B：LAVmax；C、D：LAVmin ；E、F：LAVI；G、H：LAEF。Figure 2. Correlation and Bland Altman consistency test between all patients and Simpson’s biplane method measurements2.3 4D Auto LAQ 技术对不同心动周期各参数相关性及一致性分析
对2个不同心动周期的四维数据进行自动定量分析，各对应参数间均呈显著正相关（r值：LAVmax 0.99，LAVmin 0.98，LAVImax 0.99，LAEF 0.92；均P < 0.01），一致性区间为LAVmax（-8.9-7.9）mL，LAVmin（-7.9-10.8）mL，LAVI（-7.9-10.8）mL/m2，LAEF（-14.8-9.1）%，见表2。
表 2 4D Auto LAQ 技术技术不同心动周期各参数相关性及一致性分析（$\bar x \pm s $ ）Table 2. Correlation and consistency analysis of various parameters of 4D Auto LAQ technology in different Cardiac cycle （$\bar x \pm s $ ）变量 心动周期1 心动周期2 r P 平均测量差异 一致性区间 LAVmax（mL） 56.25 ± 30.4 56.77 ± 28.7 0.99 < 0.0001* −0.5 −8.9-7.9 LAVmin（mL） 35.56 ± 23.7 34.09 ± 21.6 0.98 < 0.0001* 1.5 −7.9-10.8 LAVIma（mL/m2） 37.89 ± 20.4 37.15 ± 19.7 0.99 < 0.0001* 0.7 −4.7-5.6 LAEF（%） 39.9 ± 14.8 42.8 ± 14.9 0.92 < 0.0001* −0.29 −14.8-9.1 *P < 0.05。 2.4 重复性检验
各参数在观察者内部及观察者间的重复性4D Auto LAQ 技术均较好，且优于Simpson’s双平面法，见表3。
表 3 自动定量技术与Simpson’s双平面法重复性检验（$\bar x \pm s $ ）Table 3. Automatic quantitative technology and Simpson’s biplane method for repeatability testing （$\bar x \pm s $ ）变量 观察者内 观察者间 变异（%） 组内相关系数 变异（%） 组内相关系数 4D Auto LAQ技术 LAVmax 3.99 ± 5.2 0.99 8.81 ± 6.7 0.93 LAVmin 6.63 ± 5.7 0.96 11.2 ± 5.6 0.93 LAVImax 4.32 ± 5.1 0.98 9.26 ± 7.2 0.94 LAEF 6.50 ± 4.2 0.84 8.5 ± 9.2 0.81 Simpson’s法 EDV 9.1 ± 3.9 0.94 11.5 ± 8.9 0.86 ESV 13.66 ± 7.9 0.85 14.36 ± 9.5 0.83 LAVImax 8.3 ± 5.8 0.90 10.2 ± 5.7 0.86 EF 10.5 ± 7.4 0.71 13.6 ± 7.8 0.58 2.5 4D Auto LAQ 技术与Simpson’s双平面法2种技术的用时比较
4D Auto LAQ 技术用时较Simpson’s双平面法少，分别为（30.87±5.05） s、（60.20±5.05） s，差异有统计学意义（P < 0.05）。
3. 讨论
心脏容积与功能的准确测量是心脏超声检查的重要组成部分，心脏是一个不规则腔室结构，单一的经线测量或二维超声几何假设反映其立体形态的大小并不准确，所以三维立体成像才是评估心腔容积的趋势。然而传统三维超声心动图需要收集多个心动周期后进行容积拼接，要求患者屏气配合，操作探头稳定，对操作医师要求高，否则易造成拼接错位，耗时长，无法在临床普及[5]。四维自动定量技术建立在人工智能（artificialintelligence，AI）及大数据技术基础上，计算机实现了一键定量心脏容积及功能，其客观的判断对于弥补了传统三维耗时费力的不足，使三维超声心电图尽快在临床普及[7-8]。
目前多家公司分析开发了自动定量软件，本研究采用的是GE公司的4DLVQ软件，主要针对左房容积和功能的评估。目前自动定量技术主要应用于评价左心室的评估，针对左房的评估很少。对左心室研究表明自动定量技术能够准确、迅速的评估左心室容积的大小[9-17]，而且具有较好的重复性。这与本研究对左房容积研究结果一致，本研究成功分析患者150例，4D Auto LAQ 技术与Simpson’s双平面法比较显示各参数间相关性好，测量数据波动范围小，平均测量差异小，表明自动定量技术可准确评价左心房容积大小。本研究在入选的187例患者中四维自动定量分析成功率（92.5%）略高于Simpson’s双平面法（90.3%），分析原因可能与自动定量技术引入了AI技术，运用基于大数据的数学应用[18-19]能对心内膜边界进行自动追踪，弥补了Simpson’s双平面法需要多切面同时满足需要才能分析成功的条件。四维自动定量技术的自动跟踪心内膜技术可以自动识别舒张末期和收缩末期，然后与系统内储存的基于大数据的形成四维数据库进行比较，从而得到该患者的心脏模型并计算相应容积与功能，这样弥补了专家和新手之间的差距，提高了测量的可重复性，而且大大减少了分析时间[20-22]，本研究也得到了相同的结果，在重复性研究中高年资医师与年轻医师间的检查重复性较好，观察者内重复性也较好，而且不管是高年资医师或是年轻医师自动定量技术分析时间为（30.87±5.05）s，远低于Simpson’s法（60.20±5.05）s。本研究还对不同心动周期进行了研究，发现四维自动定量技术受心动周期选择的影响非常小，这与以往研究左心室得出的结果一致[23-24]。
本研究的不足之处在于样本量较少，病种多样性较单一，而且缺乏CMR金标准的验证。后续的研究要引入CMR金标准，不断扩大样本量，纳入更多的病种，有望获得四维自动定量左房容积参数的正常值参考范围。
综上所述，4D Auto LAQ技术评估左心房容积与功能准确性高、重复性好，人为主观性干扰少，易于在临床推广应用。
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图 1 四维左心房自动定量分析（4D Auto LAQ）技术所获得的左心房容积及功能结果及左心房三维模型图
Figure 1. Left atrial volume and function results obtained by 4D Auto LAQ technology，as well as three-dimensional model of the left atrium
图 2 所有患者与Simpson’s双平面法法测值的相关性及Bland-Altman一致性检验
A、B：LAVmax；C、D：LAVmin ；E、F：LAVI；G、H：LAEF。
Figure 2. Correlation and Bland Altman consistency test between all patients and Simpson’s biplane method measurements
表 1 4D Auto LAQ技术与Simpson’s双平面法各参数的相关性和一致性分析（
$\bar x \pm s $ ）Table 1. Comparison，correlation and consistency analysis of parameters between 4D Auto LAQ technology and Simpson’s biplane method （
$\bar x \pm s $ ）变量 n 4D Auto LAQ技术 Simpson’s法 r P 平均测量差异 一致性区间 LAVmax（mL） 全部 150 56.86 ± 31.4 66.99 ± 44.4 0.91 < 0.0001* 10.1 −30.7-50.9 左房正常组 56 30.91 ± 7.0 32.43 ± 7.2 0.58 < 0.0001* 4.3 −11.7-20.4 左房扩大组 94 76.45 ± 33.73 99.11 ± 43.47 0.87 < 0.0001* 22.7 −19.6-64.9 LAVmin（mL） 全部 150 36.49 ± 24.27 39.63 ± 35.86 0.89 < 0.0001* 3.1 −32.2-38.4 左房正常组 56 15.07 ± 4.9 13.26 ± 4.2 0.51 < 0.0001* −1.8 −11.0-7.4 左房扩大组 94 53.51 ± 23.82 64.65 ± 37.17 0.81 < 0.0001* 11.1 −33.2-55.5 LAVImax（mL/m2） 全部 150 37.69 ± 20.57 44.14 ± 29.59 0.90 < 0.0001* 6.4 −21.2-34.1 左房正常组 56 21.86 ± 5.09 20.90 ± 4.18 0.72 < 0.0001* −1.0 −7.9-6.0 左房扩大组 96 46.86 ± 20.50 60.03 ± 26.12 0.88 < 0.0001* 13.2 −12.0-38.4 LAEF（%） 全部 150 37.99 ± 14.7 48.00 ± 16.72 0.54 < 0.0001* 10.0 −19.8-39.8 左房正常组 56 43.56 ± 14.69 62.61 ± 11.05 0.51 < 0.0001* 17.1 −6.7-40.9 左房扩大组 94 30.75 ± 11.67 37.61 ± 13.77 0.52 < 0.0001* 6.9 −18.4-32.2 LAVmax：左房最大容积；LAVmin：左最小容积；LAVImax：左房最大容积指数；LVEF：左房整体射血分数。*P < 0.05。 
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表 2 4D Auto LAQ 技术技术不同心动周期各参数相关性及一致性分析（
$\bar x \pm s $ ）Table 2. Correlation and consistency analysis of various parameters of 4D Auto LAQ technology in different Cardiac cycle （
$\bar x \pm s $ ）变量 心动周期1 心动周期2 r P 平均测量差异 一致性区间 LAVmax（mL） 56.25 ± 30.4 56.77 ± 28.7 0.99 < 0.0001* −0.5 −8.9-7.9 LAVmin（mL） 35.56 ± 23.7 34.09 ± 21.6 0.98 < 0.0001* 1.5 −7.9-10.8 LAVIma（mL/m2） 37.89 ± 20.4 37.15 ± 19.7 0.99 < 0.0001* 0.7 −4.7-5.6 LAEF（%） 39.9 ± 14.8 42.8 ± 14.9 0.92 < 0.0001* −0.29 −14.8-9.1 *P < 0.05。
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表 3 自动定量技术与Simpson’s双平面法重复性检验（
$\bar x \pm s $ ）Table 3. Automatic quantitative technology and Simpson’s biplane method for repeatability testing （
$\bar x \pm s $ ）变量 观察者内 观察者间 变异（%） 组内相关系数 变异（%） 组内相关系数 4D Auto LAQ技术 LAVmax 3.99 ± 5.2 0.99 8.81 ± 6.7 0.93 LAVmin 6.63 ± 5.7 0.96 11.2 ± 5.6 0.93 LAVImax 4.32 ± 5.1 0.98 9.26 ± 7.2 0.94 LAEF 6.50 ± 4.2 0.84 8.5 ± 9.2 0.81 Simpson’s法 EDV 9.1 ± 3.9 0.94 11.5 ± 8.9 0.86 ESV 13.66 ± 7.9 0.85 14.36 ± 9.5 0.83 LAVImax 8.3 ± 5.8 0.90 10.2 ± 5.7 0.86 EF 10.5 ± 7.4 0.71 13.6 ± 7.8 0.58
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