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三维斑点追踪技术评价左心室结构及功能的研究

2018-06-08 10:10 | 来源:未知 | 责任编辑:本站编辑

作者:张秉宜,平杰,张玲,章晓锋,三峡大学人民医院宜昌市第一人民医院超声影像科;郭瑞强,武汉大学人民医院超声影像科

 

超声心动图是临床上评价左心室结构及功能的重要工具,准确评价心室功能对心血管疾病的诊断、治疗以及预后判断均至关重要。传统评价左心室运动及功能的方法多为半定量法,在准确性及可重复性上有一定局限性。正因如此,如何准确评价左心室功能一直是心血管领域的研究热点。

 

近年来,随着应变及应变率显像技术的发展,其正成为一种能定量评价心肌功能及收缩性的诊断工具。应变及应变率显像通过准确显示心肌的形变及速度来评价心肌功能,较一般肉眼观察有很大的进步。目前,其主要通过组织多普勒成像(tissue Dopple imaging,TDI)技术分析获得,但由于受到超声束方向与室壁运动方向间夹角的影响,加之其只能反映心脏的纵向运动功能,在使用范围上受到了一定的限制。

 

二维斑点追踪技术(two-dimensional speckle tracking imaging,2D-STI)是新近发展起来的一项技术,其通过追踪二维超声图像上的斑点获取心肌的组织速度、应变、应变率来分析心肌的运动,但是心脏是一个不断动态变化的三维立体结构,普通的二维超声乃至最新的2D-STI无法满足对心肌力学深入研究的需求。最新发展起来的三维斑点追踪技术(three dimensional speckle tracking imaging,3D-STI)因可同时进行心肌运动空间与时间的同步性分析,且能对心肌的三维力学状态等生理现象进行客观而准确的量化评价,其临床应用前景广阔。现就3D-STI评价左心室结构及功能的进展进行综述。

 

1.心肌带理论

 

Torrent-Guasp等和Buckberg等提出了心肌带理论,认为由一条完整的螺旋形心肌纤维结构组成了整个心脏,始于肺动脉根部,终于主动脉根部。随心肌纤维的走行方向,心肌带组成基底环和心尖环。两者相互包绕组成心室壁的内、中、外三层结构。基底环的心肌纤维呈横向走行,心尖环的心肌纤维呈斜向走行。中间层心肌质量约占心肌总质量的50%,横向走行的环向纤维围绕左、右心室,但不包含心尖部与室间隔。内、外层心肌纤维呈斜向排列,组成心尖环,各占心肌总质量的25%。

 

心尖环升段的外层心肌呈逆钟向走行,心尖环降段的内层心肌呈顺钟向走行,两者在心尖部螺旋状重叠。内层心肌收缩呈顺时针旋转,而外层心肌收缩呈逆时针旋转。这种独特的纤维结构产生了心脏复杂的三维立体运动。以左心室运动为例,其收缩运动主要包括心底-心尖的纵向运动、径向运动、圆周运动以及心尖和心底方向上的旋转、扭转运动等。

 

2.2D-STI

 

二维灰阶图像由众多小的像素所构成,这些像素作为声学标记均匀分布于心肌内,构成稳定的声学斑点,像素斑点与组织同步运动且在相邻帧的形态并无明显改变。2D-STI就是利用高帧频的超声二维灰阶图像,采用自匹配技术识别并追踪心肌组织回声斑点的空间运动,追踪其在每一帧图像中的位置,标记不同帧频之间同一位置心肌运动的轨迹,反映心肌组织的实时运动及空间形变,从而定量组织的运动速度、应变及应变率等。该技术以二维灰阶图像为基础,无角度依赖性,不受声束方向及心脏运动的影响,克服了TDI的局限性。其测得的心肌应变不受多普勒频移角度的影响,可反映不同方向上心肌的应变。

 

2D-STI因其技术本身存在局限性,只能评价整个心脏循环中一个平面上的心肌运动,而不能反映心脏复杂的三维运动,并且在二维图像中,某些组织的声学斑点存在“飞出平面”运动,造成无法准确进行追踪。提高帧频数可减少斑点“飞出平面”,但会降低空间分辨力而影响追踪质量。降低帧频数虽可保证高的空间分辨力,但由于分析软件为逐帧进行追踪分析,可导致追踪质量下降,进而影响后期测量及计算结果的准确性。鉴于2D-STI的上述缺点,3DSTI得以问世。

 

3.3D-STI

 

3D-STI是在实时三维超声心动图技术及2D-STI的基础上发展起来的一项新技术,其通过采集左心室全容积图像,在三维空间追踪心肌回声斑点的运动轨迹,追踪心内膜边界并建立心肌的三维运动信息,分析软件自动将左心室划分成16或17节段,并计算出各相应节段的纵向、径向、圆周应变,进而对左心室局部及整体的收缩功能进行量化评价。除此之外,软件还可以根据三维数据计算得出心肌的扭转和旋转运动。覃小娟等研究发现,3D-STI技术在测量左心室局部纵向、径向、环向峰值应变与2D-STI具有很好的重复性及良好的相关性。说明3D-STI技术定量分析结果可靠,可以作为定量评价心肌功能的可靠技术。

 

由于心肌走行复杂且心肌是在三维空间中运动的,3D-STI能够在三维空间内通过连续追踪不同帧频中心肌回声斑点的运动轨迹来计算出心肌的运动及形变信息,进而从机械力学角度精确评价左心室的整体及局部功能。故而3D-STI不存在斑点飞出平面的缺陷,且与2D-STI相比更加真实、精确地反映心肌的运动及形变。较2D-STI而言,3D-STI仅需一个心尖四腔心切面即可完成评价左心室所有节段心肌的运动。

 

3D-STI的处理过程与2D-STI类似,但其优点在于可通过内在分析软件识别彼此呈垂直的两个切面图像上心室直径的最大值,从而可避免低估左心室值,使其能够更准确地评估室壁各节段的运动及功能。此外,3D-STI可使分析时间大大缩短。应用3D-STI评价心室的应变及旋转均较2D-STI更加省时。应用3D-STI可同时分析心脏基底段和心尖段的运动及功能,而2D-STI是由在两个不同时间点、两个切面上获得的信息综合分析所得出的,这极有可能受心率影响,从而导致数据分析的不准确。

 

在3D-STI发展早期阶段,必须同时获取多个心动周期图像以期得到一个“金字塔”形容积图像。使用该方法可生成多个连续心动周期的图像,拼接在一起产生全容积数据库。只有受检者的心律整齐时,方能成功获取图像。随着科技的不断发展进步,单心动周期的全容积探头出现使获取完整图像成为可能,该技术可避免因检查过程中受检者轻微的移动而导致图像拼接失败。虽然单心动周期全容积探头有技术上的优势,多心动周期图像拼接获取常常被推荐优先使用,其原因可能是多心动周期图像拼接可使时间及空间分辨率最大化。无论以何种方式、方法获取完整图像,在图像采集过程中患者均必须屏住呼吸以减少呼吸对图像采集质量的干扰。

 

近年来,3D探头的尺寸变得越来越小,使获取儿童图像以及肋间隙窄的成人患者图像更加方便可行。3D-STI新近推出了一项评估左心室局部心肌功能的新技术———面积应变(area strain,AS)参数。其在三维室壁运动追踪分析基础上,反映左心室心内膜在收缩及舒张过程中的形变程度,即心内膜面积从初始面积到形变后的面积变化率。它整合了纵向及圆周应变,与径向应变成反比,反映左心室各节段所有单位面积内的平均改变值。Sco等研究发现,AS参数与声学测微计方法相关性好,且与三维纵向应变、圆周应变相关性好。在基础状态、药物负荷状态及心肌缺血状态下该参数有显著变化,提示此参数可敏感评估缺血心肌的室壁运动,尤其针对心内膜下心肌。AS可提供快速、可重复性高的评估室壁运动异常的诊断方法,为超声医师提供一个有效的视觉评估参考标准。

 

3.1定量评价左心室容积和射血分数

 

心脏磁共振成像(cardiac magnetic resonance imaging,CMRI)技术为左心室容积测量及功能诊断的“金标准”。因CMRI对心内结构分辨率高,通过三维重建可较准确评估心腔容积,并据此计算射血分数。其具有测量精度高、无需心腔几何假设、无放射性危害等优点,是评估心功能的理想方法。但其存在设备昂贵、对于植入起搏器的患者无法检查、检查过程中噪音大、婴幼儿患者常需深度镇静及全身麻醉状态方能检查等缺点,临床应用不便。

 

3D-STI对左心室容积及射萤火奇兵血分数的评估与CMRI具有高度的相关性,可以替代CMRI用于临床评估左心室功能及容积。Nesser等使用CMRI作为对照,应用2D-STI及3D-STI技术评价左心室舒张及收缩末期的容积变化,发现与2D-STI技术相比,3D-STI的测量结果较CMRI有高度相关性,且具有测量偏倚小、一致性范围窄、可重复性高等优点。据此得出,3D-STI可以更加精确地评估左心室容积及射萤火奇兵血分数的结论。

 

3D-STI最大的优势在于可以更加精确地评估左心室的结构及功能,因为该技术可避免低估左心室长轴测值,也就是说,3D-STI较2D-STI能更加准确地识别真正的左心室心尖部。对于2D-STI分析时推荐使用双平面图像,需要勾画描记心尖四腔心及两腔心切面观的心内膜面。因不少患者难以获取上述两个切面观的高质量图像,以确保两者图像所在平面是彼此互相垂直的。因此,2D-STI较3D-STI低估了左心室的容积。有学者使用3D-STI对左心室容积及射萤火奇兵血分数的准确性进行评估,其使用CMRI作为典型的参考标准。最近一个关于23项研究的Meta分析中,使用3D-STI及CMRI对左心室容积及射萤火奇兵血分数进行相关性分析,研究发现舒张末期容积、收缩末期容积、射血分数的偏倚分别是(19.1±34.2)mL,(10.1±29.7)mL和(60±11.8)%。部分研究中,因存在图像质量较差的患者,负向偏倚可能会轻微增高,舒张末期容积、收缩末期容积及射萤火奇兵血分数分别为(28.8±38)mL、(17.9±34)mL和(30±15.5)%。

 

尽管上述结论与多数文献报道基本一致,但只有2项研究中使用了超声造影剂进行对比增强处理。虽然如此,3D-STI测量左心室容积及射萤火奇兵血分数的准确性与磁共振成像已非常接近。一项应用STI研究左心室容积的Meta分析发现,3D-STI技术更加先进,传统3D技术需要探头旋转扫描及后期图像重建。相对于2个及4个连续心动周期获取图像分析而言,3D-STI技术采用单心动周期获取图像以评价左心室容积是可行的,但因其较低的时间分辨率可能会低估左心室射血分数,原因是帧频数过低导致误识别收缩末期帧。数据的分析方法同样会影响结果的准确性。

 

目前大多数软件处理平台可以半自动定量左心室容积,但需要操作者识别特定解剖学标志(通常为左心室心尖部及二尖瓣环中点),从三维数据库中需要至少获取两个心尖部切面观,用于编辑程序划定心内膜边界。研究发现,当在两个以上平面勾画和调整心内膜边界时,左心室容积测量的准确性可显著提高。推测其原因可能是该方法需要几何假设少。使用自动化边界识别程序,软件敏感性设置同样会影响容积的测量结果。较低的敏感性可导致边界勾勒时更贴近心内膜-心腔血液边界,使心腔的容积数增加,其结果可造成测量偏倚更低。

 

3D-STI可自动识别、定量一些左心室几何形态异常患者的左心室容积及射萤火奇兵血分数。在一些右心室病理状态及伴有左心室梗阻的先天性心脏病患者中,左心室经常会受压或者变小。对于这些患者来说,使用3D-STI测量左心室容积及射萤火奇兵血分数与CMRI测量的数据结果具有高度的一致性。对于局部室壁运动异常的患者(含冠心病所致),3D-STI所测得的左心室容积及射萤火奇兵血分数结果准确性高。总体来说,使用3D-STI测量的容积相当准确,即使左心室显著扩大或极度缩小也可以使用此技术,条件是需要将左心室包含在整个检查区间内。

 

3.2评价左心室的局部功能及形变

 

左心室局部室壁运动分析一直是心脏超声领域的研究热点之一,在诊断各类心脏疾病中具有非常重要的作用。常用于评价评价左心室局部功能的方法有TDI、速度向量成像技术、2D-STI及3D-STI等。不像2D-STI需要检查者旋转探头以便从心尖视窗获取左心室的全部图像,3D-STI可以在单个心动周期内获取所有左心室的图像。基于此,3D-STI非常适合定位局部室壁运动异常及确定运动异常的范围。由3D-STI获取的左心室局部容积值与CMRI获取的容积值具有高度相关性(r>0.8)。目前的一项研究发现,由3D-STI测得心肌梗死患者的室壁运动指数与CMRI测得钆的延迟显示增强范围具有高度相关性。

 

在超声应变领域,3D-STI具有显著优势,因其仅需要获取一个切面的峰值应变,而2D-STI需要三个切面(心尖二腔心、四腔心及三腔心),对于心率过快的患者尤其适用。此外,在进行脱机后处理过程中,可能需要在多平面观察图像以便确定室壁运动异常的范围和排除其他的干扰。大量研究表明,使用3D-STI评价运动及药物负荷试验是可行的,因其可以更加快速地获取完整图像,对于室壁运动异常的患者,观察者间的一致性更高。

 

应用3D-STI评价实验动物及临床研究患者的左心室局部收缩功能得到充分证实。Sco等使用声学微测量计及3D-STI对羊的左心室局部功能进行对比研究,比较两种方法测量基础状态,多巴胺等药物负荷状态和阻断冠状动脉引发急性心肌缺血三种状态的心肌纵向、径向及圆周应变,发现两种方法具有高度相关性(纵向应变,r=0.89;径向应变,r=0.84;圆周应变,r=0.90),3D-STI可灵敏地检测由药物负荷试验及由阻断冠状动脉所致的心肌缺血状态下左心室局部心肌的功能改变。3D-STI对于心肌缺血检测的敏感性是基于有创性心血管造影作为参照标准,其对心肌缺血的诊断敏感性优于2D-STI。

 

秦石成等应用3D-STI评价冠状动脉不同狭窄程度下左心室局部心肌的径向收缩期峰值应变及应变达峰时间,研究发现冠状动脉病变所对应的左心室局部径向收缩期峰值应变与狭窄程度呈正相关,达峰时间与狭窄程度呈负相关,3D-STI可用于评价不同程度冠状动脉狭窄状态下左心室局部心肌收缩功能改变。室壁节段分析异常通常出现在左心室前壁及侧壁,但在使用超声对比增强剂后,图像质量得到显著改善。为了能最大化检测室壁运动异常,提高时间分辨率非常重要,需要尽可能提高图像的帧频数,嘱患者屏住呼吸以减少人为干扰。专业分析软件有助于超声检查者识别静息及负荷状态下相应的平面。因此,每个局部室壁均可做自身对照,可提高观察者间对室壁运动分析评价的一致性。

 

3.3定量评价左心室心肌质量

 

为了定量分析左心室的心肌质量,需要同时勾画左心室心内膜及心外膜表面以便确定左心室心肌的容积。按照CMRI所使用的传统方法,左心室心腔内应包含乳头肌,也就是说左心室心肌容积内不包含乳头肌结构。心肌质量等于心肌容积除以心肌密度(1.05g/mL)。左心室心肌质量可应用3D-STI,通过半自动分析软件脱机进行分析得出。分析者将目标点位置于感兴趣区域内,如左心室心尖及二尖瓣环处,选择2D切面,软件就能创建出一个表面积模型,通过这个模型就可以人为地进行图像调整。3D-STI也可以采取像2D-STI一样的方式,通过选取双平面及多平面图像进行心内膜及心外膜的直接描记。众多使用3D-STI,2D-STI及CMRI的对比研究发现,3D-STI与CMRI测量结果的一致性最高。

 

不同于2D-STI,3D-STI不会系统性地低估左心室心肌质量,原因可能是在左心室长轴切面下使用3D-STI可避免测量值偏小。M型超声心动图是临床上使用最为普遍的诊断左心室肥厚的方法之一,在某些临床研究中,与3D-STI相比,其可能会高估左心室心肌质量。分析原因可能是M型超声心动图高度依赖于几何假设且受获取平面位置的影响较大。M型超声心动图对左心室壁厚度的测量经常需要将取样线置于心脏基底部接近乳头肌的位置,左心室壁的厚度在此处趋向是最厚的,而实际上左心室壁厚度是从基底部向心尖部逐渐递减的。

 

少数研究由先天性心脏病所致左心室形态异常患者的左心室心肌质量发现,由CMRI所测得心肌质量结果与M型超声心动图测量结果的相关性较差(r=0.38),而与使用3D-STI测量的结果相关性高(r=0.94)。

 

4.3D-STI的应用研究

 

3D-STI的最新应用包含关于左心室应变的研究、评价心室内同步性的研究以及左心室形态学特征的研究。

 

4.1左心室应变研究

 

在心肌梗死后人群中,由3D-STI测得的整体纵向应变可以独立预测随访阶段6个月后患者左心室射血分数的改善情况。在左心室射血分数降低的左心室缺血性心肌病患者中,环向、径向及纵向应变的受损同左心室的扩大密切相关。在左心室射血分数正常的糖尿病患者人群中,增高的糖化血红蛋白与降低的整体纵向应变、整体环向应变、整体AS高度相关。一项有关左心室射血分数正常的心脏移植受体的研究发现,3D-STI中整体纵向应变、整体圆周应变是纽约心脏病学会心功能分级的预测因子,而不是二维应变中相应指标。Abate等应用3D-STI研究急性心肌梗死患者经皮冠状动脉介入治疗术前、术后纵向整体及局部应变,分析其与左心室射血分数的关系,研究发现于介入术后6个月,44%的患者整体心功能(射血分数)显著提高,心功能明显改善的患者三维纵向应变明显高于无心功能改善患者。

 

将三维纵向应变>-11.1%作为预测心功能明显改善的截断值,其灵敏度为92%,特异度为91%,整体纵向应变为评价左心室整体功能的一个新的敏感参数。这些研究结果表明,3D-STI有助于预测患者的预后,并且可以用于检测一系列亚临床期及系统性疾病心脏的局部功能。

 

4.2左心室同步性分析

 

心肌运动协调性对于维持心脏整体收缩及舒张功能具有重要意义。传统上判断心肌运动协调性主要参考QRS波宽度,但该指标仅为心电生理参数而并非机械参数,并不能完全代表心脏机械运动协调性。由于2D-STI的普及,目前正将其广泛应用于临床评价左心室同步性,但由于该技术仅局限于二维平面,并未完全反映心脏的三维空间变化。3D-STI通过追踪测量室壁各节段到达峰值应变时间可对左心室收缩同步性进行评价。心力衰竭患者往往表现为左心室收缩不同步,追踪结果为各室壁节段达峰时间差异增大,临床上定量评价左心室的同步性的方法是用达峰值应变最长时间与各节段达峰值应变时间的标准差进行比较。

 

Li等应用3D-STI分析左心室电学不同步(QRS>120ms)患者组及正常对照组的纵向位移达峰时间,研究发现,患者组16节段纵向位移达峰时间标准差显著高于正常对照组[(117±57)ms比(34±19)ms,P<0.001]。临床上由于心脏再同步化治疗逐步应用于心肌疾病,目前的研究热点集中于心室内的非同步化评价。为了定量评价心室内非同步化,按照美国心脏病学会设置的标准模型,左心室被划分为16个或17个节段,收缩期容积的最小化时间是由每个部分决定的。标准化的局部射血时间被定义为非同步化指数。小样本的研究发现,在植入心脏再同步化治疗电极之前增加左心室的非同步化指数是心脏再同步化治疗后反应的预测因子。

 

将左心室的电极导丝置于最接近延迟的部分可能有利于左心室的重构。很明显,左心室功能障碍的严重程度可能与高级别的非同步化指标密切相关,但也有可能是由于噪声干扰、低振幅的投射曲线等所致。此外,观察者间及观察者内3D非同步化指数的重复性稍差,原因可能是图像质量不达标,且没有TDI清晰。与TDI相比,3D-STI的时间分辨率较低,限制了其在临床的应用范围。目前尚未确立一个可靠的有临床参考意义的3D非同步化参数的截断值。

 

4.3左心室形态学分析

 

3D-STI很适合用来描绘左心室的局部及整体形态。Salgo等进行的一项研究发现,扩张性心肌病患者心尖部及室间隔侧的曲率较正常对照组明显降低,这正好反映了左心室整体球形形状的改变。Mannaerts等通过描述3D球形指数发现,在心肌梗死前人群中,球形指数是一个高度预测逆转左心室重构(左心室持续性扩张)的指标。在一项关于严重二尖瓣反流的3D-STI研究中,患者组左心室的球形指数与正常对照相比有所增加,即使在保留左心室射血分数或出线轻度的左心室扩张状态下这种情况仍会发生。在成功进行二尖瓣修复术后,左心室的球形指数出现明显降低。此外,3D-STI评价左心室形态学分析可为心肌疾病及瓣膜疾病患者提供预后信息。

 

对于很多疾病来说,3D-STI提供了一个准确测量左心室容积及射萤火奇兵血分数的工具,其测量左心室形态具有较高的可重复性,对于接受治疗的心肌疾病或者接受化疗后的癌症患者,需要对其进行一系列的评价以观察治疗效果。在日常临床工作中,对于3D-STI的使用可以扩展到左心室容积及射萤火奇兵血分数的正常参考值上,这种参考标准正在逐步建立完善,而这得益于全自动化左心室定量程序的完善发展。STI应变及同步化分析、左心室局部形态分析都有助于对特定人群进行临床预后分析。

 

5.3D-STI技术的局限性及发展前景

 

3D-STI作为一项新技术已被临床广泛认可,其基于RT-3D技术使用矩阵探头可实时获取“金字塔”容积内心脏的立体影像,追踪心肌斑点在三维空间中的运动轨迹,可同步显示左心室壁在不同节段及方向上的运动及形变,克服了2D-STI“飞出平面”无法准确追踪的局限性,是评价左心室功能及机械运动同步性的一个强有力的工具。但是目前由于受到技术发展的限制,该技术仍有一定局限性。

 

主要表现为:①因3D-STI追踪图像为拼接的全容积图像,当患者出现心律不齐时,会因拼接错位而影响追踪结果。最新的单心动周期全容积成像技术可以弥补以上缺点。②因3D-STI帧频数相对较少,图像分辨率较低,易造成图像质量不佳,而无法准确识别心内膜边界,影响数据分析准确性。尤其对于肥胖、慢性阻塞性肺疾病、胸廓畸形等患者,图像质量严重受到影响,此时无法完成追踪。③对于追踪过程,需人工手动调整心内膜边界,具有部分主观性,一定程度上依赖于操作者的临床经验。④实时取样探头最大角度范围较窄,仅为0°~60°,当左心室显著扩大时,无法完整采集整个左心室,进而限制了其应用于左心室显著扩大的患者。

 

3D-STI是一项新发展的超声定量分析技术,可以客观、准确地评价左心室容积及功能,是一项有待于进一步完善的左心室功能标准化评估的新方法,能为临床各类心脏疾病的诊断、治疗提供重要信息,有广阔的市场应用前景及重要的应用价值。但该技术的空间及时间分辨率有待进一步提高,仍有一定的发展空间,相信在不远的将来定将更广泛的应用于临床。

 

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