飞声悦览|三维超声全自动右室定量分析软件的准确性与CMR及半自动定量软件的直接比较
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在评估心脏功能方面,右心室功能评估是不可或缺的。评估右心室功能可以早期发现右心室功能障碍并预测未来不良事件发生的风险。我们最常使用的评估方法包括心脏磁共振和超声心动图,虽然心脏磁共振(CMR)是一种公认的测量右心室容积和右心室射血分数(RVEF)的方法,但超声心动图实用快捷、成本低,临床上应用更为广泛。由于右心室形态不规则,在评估右心室功能方面三维超声比二维分析更准确可靠。最近,飞利浦推出了一款利用机器学习算法全自动定量评估右室功能的软件,不需要手动操作输入即可完成分析,其准确性也通过CMR得到了验证。然而,此款全自动化软件的测量准确度尚未确定,与现有的半自动3DE RV软件相比究竟这款最新研发的全自动3DE RV软件有何不同,2019年8月Kyoko等人在欧洲心脏病杂志上发表了文章,直接对全自动3DE RV软件与半自动3DE RV软件、CMR进行了准确性比较。

目 的


本研究对最新研发的全自动三维超声右室(3DE-RV)定量软件、心脏磁共振(CMR)与半自动三维超声右室定量软件(TomTec)进行准确性和重复性比较。①用全自动3DE RV定量软件测量RV容积和RVEF,以CMR作为参考来判断其准确性。②比较全自动3DE RV定量软件与半自动3DE RV定量软件的测量结果,评估其重复性及测量两种不同方法分析时所需的时间。

方 法

本研究回顾性地选择了2018年1月1日至2019年7月23日在我院当日行CMR并且愿意进行3DE检查的患者,在131名符合纳入标准的患者中,我们选择了100名使用特定厂家的超声机器和设备(EPIQ CVx, Philips Healthcare, Andover, MA, USA),对患者在同一天进行CMR与3DE检查,再分别用飞利浦全自动、半自动软件(TomTec)及CMR测定右室容积及右室射血分数。

结 果

全自动软件的可行性为91%。尽管无任何手动编辑的全自动软件与CMR相比显著低估了右室舒张末期容积(偏倚:-12.6mL,P<0.001)与每搏量(偏倚:-5.1mL,P<0.001),但两种成像模式上有很好的相关性。(r=0.82 and 0.78)。全自动软件与CMR在右室射血分数(RVEF)中无显著差异且两者存在一定的相关性(r=0.72)。而半自动软件的RVEF测量值明显大于CMR或全自动软件的RVEF测值(P<0.001)。全自动分析软件与半自动软件比耗时短且重复性好(15s vs 120s,P<0.001)。

结 论


最新研发的全自动三维超声右室(3DE RV)定量软件与CMR相比低估了右室容积但在RVEF上基本一致,与半自动软件相比,全自动软件对RV容积和RVEF的测量准确度并不差,而且手动编辑后进一步提高了全自动软件的测量准确度。即时分析与高重复性也支持此软件在日常临床工作中的常规应用。

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图像获取


1.全自动三维超声右室(3DE RV)定量软件的图像获取——本研究使用(EPIQ CVx, Philips Healthcare, Andover, MA, USA)的X5-1探头获取标准的右心二维及多普勒超声图像——包括心尖四腔切面,右室冠状切面、胸骨根部短轴切面,并根据图像的质量分为优、中等、良三个等级。启用3D,打开3DE HMQ模式,获得聚焦于右心房和右心室的一组full-volume 3DE图像,重复多次操作得到足够多的最佳图像并存储于本机,之后在工作站中进行脱机分析。全自动三维超声右室定量软件(3D Auto RV, Philips Medical Systems) 使用人工智能——融入智能算法大数据学习右心室原始形状和右心房室腔位置。启动程序后,软件能自动勾画出右心室心内膜边界并利用心脏模型分割算法构建出舒张末期右心室三维心内膜模型。随后,软件自动在一个特定的心动周期内对右心室心内膜边界进行三维斑点跟踪分析,提供出右心室容积曲线,由此得出右心室舒张末期容积(RVEDV)、收缩末期容积(RVESV)、每搏量(RVSV)和右心室容积。

若对右室心内膜边界勾画地不满意时可以通过“View Adjustment”按钮在二维长轴及短轴切面手动调节四个特定的解剖标志于合适的位置,再点击“Tracking Revision”按钮,即可重新获得分析曲线。为了验证全自动软件的准确性,本研究在每位患者中将全自动软件分析出的结果(无任何手动编辑)与手动编辑过的结果进行对比。

而半自动3DE RV定量软件(RV-Function, TomTec Imaging Systems GmbH, Unterschleissheim, Germany)是把已获得的右室三维图像的DICOM格式导出到工作站,进行一些解剖定位后自动勾画出三维形态,我们再在收缩末期及舒张末期加以手动的右室心内膜边界调整,最终计算出RV容积及RVEF。

2.重复性检验与软件分析时间的获取

本研究的组内变异是通过检查人员随机选取的20名患者2周内使用三种分析方法重复测量来评估的。组间变异另选取一名检查人员对上述20名患者重复三种测量方法来评估。在同一检查期间通过评估不同时间点获取的其他三维图像来评估重测差异。三种变异值在每两种对应的测量方法之间按其平均值和相关百分比计算的。在这20名进行了重复性检验的患者中计算从软件开始到获取最终结果的时间定为软件分析时间。

结果分析

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1)本研究选择的100名患者进行三维右室功能定量分析是以其当天的CMR作为参照。上图为这100名研究对象的临床数据。

2)图像质量分级中,16名患者右室图像质量优、46名图像质量中等、38名图像质量良。全自动RV分析软件在20例患者中右室的勾画存在错误,需要进行手动调整,其中有17名患者的图像质量分级为良。在20例患者中,有11例的图像从特殊位置(靠近胸骨中部或接近剑下切面)获取。有7名患者在进行了视图调整后仍显示错误。由于图像质量不佳及低三维容积率等因素无法进行分析,本研究最终总结出全自动3DE RV分析软件可行性为91%。半自动软件(TomTec)为97%。受心电图描记的问题和呼吸的影响有6名患者无法用CMR获得右室容积分析的数值。(可行率为96%)。总之,四种方法(3D Auto RV、TomTec、3D Auto RV edit、CMR)可以在87名患者进行直接对比。

3)下图中的(A)(B)(C)(D)分别描绘了四个右室功能指标——RVEDV、RVESV、RVEF、RVSV在四种不同分析方法中的变化。

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(A)、(B):CMR的RVEDV中位数为105mL。与CMR相比,全自动化方法(3D Auto RV)与半自动化软件(TomTec)明显低估了RVEDV。然而,CMR和手工编辑方法(3D Auto RV edit)的RVEDV没有显著差异(P=0.77)。在RVESV中也观察到同样的趋势。

(C)CMR的RVEF中位数为43.4%。半自动化软件(TomTec)的RVEF显著高于CMR (P=0.003)。CMR与其他两种超声心动图方法的RVEF差异无统计学意义。

(D)CMR中RVSV中位数为45mL。与CMR相比,全自动化方法(3D Auto RV)和半自动化软件(TomTec)明显低估了RVSV。然而,CMR和3D Auto RV edit在RVSV上没有显著差异(P=1.000)。

全自动和半自动软件的RVEDV (P=0.12)和RVSV (P=1.000)没有显著差异。然而,半自动软件测定的RVESV显著低于全自动方法(P=0.002),导致半自动软件测定的RVEF显著高于全自动方法(P<0.001)。

4)评价RVEDV上,以CMR作为参照,将其与三种三维超声右室定量方法进行线性相关分析与Bland–Altman分析,相关性如下图所示:

RVEDV上CMR与其他三种方法有很好的相关性,然而与半自动软件相比,全自动软件手动编辑方法的回归系数与相关系数更大、偏倚更小。RVESV中也存在相同趋势。

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5)下图评价RVEF将CMR与其他三种三维超声右室定量方法进行线性相关与Bland–Altman分析,相关性如所示:

CMR与半自动软件间有很好的相关性(r=0.80),全自动软件的相关系数为0.72,当对全自动软件进行手动编辑后相关系数提升到0.87。

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6)下图评价RVESV将CMR与其他三种三维超声右室定量方法进行线性相关与Bland–Altman分析,相关性如所示:

在评价RVESV方面CMR与半自动软件间的相关性为0.67,与半自动软件相比全自动软件的斜率更大、偏倚更小。

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7)在成像质量方面采用三种不同超声方法(TomTec、全自动软件及手动编辑)对RVEDV、RVESV、RVEF、RVSV的影响进行了总结,结果显示采用半自动方法(TomTec)分析右室时,图像质量对右室四个参数的偏倚及相关性均产生显著影响,当然在全自动软件中也存在相似趋势但此不适用于所有参数。

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8)分析时间与可重复性的对比

全自动软件的中位分析时间(14s; IQR 13–14s)明显短于半自动软件(121s; IQR 104–155s, P<0.001)或是手动编辑(100s;IQR86–114s,P<0.001)。分析时间方面半自动软件及手动编辑方法没有显著差异。

全自动分析方法的RVEDV、RVESV、RVEF组间及组内变异率为0%。手动编辑方法的组间及组内变异率在6.0–7.5% 和 5.8–10.2%之间,比使用半自动软件低。全自动软件的重测差异为5.5%-7.8%,手动编辑为5.7%-7.6%,这些值都比半自动分析方法要小。

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创新之处

1.全自动3DE RV定量软件经过大数据的机器学习后拥有人工智能技术,可以精确识别出心室的内膜边界。在Genovese等人的报道中32%的患者都无需手动编辑,操作简便且获得的结果准确性高(与CMR相比bias for RVEDV, -26mL; bias for RVEF, 3.3%)、重复性也高。与CMR相比,全自动3D RV软件虽然低估了右室容积(bias<-13ml),但其偏差范围与Muraru等人报道的大致相同,比Genovese等人报道的偏差小。

2. 本研究发现全自动3DE RV软件在20名患者中对于心内膜边界勾画错误,其中17例患者成像质量差,11例患者是在特殊位置获取的图像,7例患者经过手动纠正后3D RV仍成像错误,因此得出结论全自动软件的准确性不仅取决于成像质量可能还融合了右心室相关的轮廓信息。所以与半自动软件相比,结果偏差小准确度有所提高,虽然全自动软件仍然取决于成像质量的好坏但依赖性不大。

3.与半自动3DE RV分析软件(TomTec)在每位患者中都需要进行繁杂的手动操作相比,快速便捷的全自动软件对RV容积和RVEF的测量准确度并不差。即时分析与高重复性也支持此软件在日常临床工作中的常规应用。

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小编的话


在评估心脏功能方面,右心室功能评估是不可或缺的。评估右心室功能可以早期发现右心室功能障碍并预测未来不良事件发生的风险,所以临床急需一种智能,操作简便,准确,重复性高,时效性强的右室功能评价方法。飞利浦3D Auto RV(三维自动右室定量)技术将TOMTEC RV分析软件与飞利浦人工智能强强联合,以动态RV模型为基础,智能识别心脏三维图像,以减少繁琐的操作步骤,15秒可即时获得右心室定量参数,为临床提供更多诊断信息。

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