基于壓縮感知的心臟實(shí)時(shí)電影技術(shù)在評(píng)估左心房功能中的價(jià)值

陳 楊，朱曉梅，秦 捷，祝因蘇，徐 怡

南京醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院放射科，江蘇 南京 210029

生理?xiàng)l件下，左心房功能主要分為儲(chǔ)血功能、導(dǎo)管功能及泵功能，可調(diào)節(jié)左心室充盈量和維持正常心搏量，左心房徑線和容積在判斷多種心血管疾病預(yù)后及危險(xiǎn)分層中起到重要作用，尤其是那些與左心室舒張功能受損相關(guān)的疾?。?-2］。心臟磁共振常規(guī)電影可以清晰地顯示左心房結(jié)構(gòu)，并且可以測(cè)量、計(jì)算左心房功能［3］。但是傳統(tǒng)心臟磁共振（car?diac magnetic resonance imaging，CMR）電影掃描時(shí)間長，在掃描過程中需要被檢者心律整齊并配合屏氣，而臨床上許多被檢者本身就有心臟疾病，在檢查過程中易發(fā)生心律失?；蛘咂翚馇芳眩斐蓤D像質(zhì)量下降。壓縮感知（compressed sensing，CS）技術(shù)是一種加速成像技術(shù)，它極大縮短了CMR圖像采集時(shí)間并獲得較高質(zhì)量的圖像［4］，但是圖像對(duì)比度輕度下降。目前，基于CS技術(shù)的心臟電影主要是用于評(píng)估左心室的容積功能，并且此技術(shù)在縮短掃描時(shí)間的同時(shí)，可以準(zhǔn)確評(píng)估左心室容積和功能［5］。但是左心房與左心室比較，形態(tài)更不規(guī)則，心肌壁更薄，運(yùn)動(dòng)方式也不全相同，因而基于CS 的心臟電影技術(shù)能否準(zhǔn)確評(píng)估左心房大小和功能還需要進(jìn)一步驗(yàn)證，目前此方面的研究非常少。本研究旨在探討以傳統(tǒng)分層電影技術(shù)為金標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)估壓縮感知技術(shù)是否是一種分析左房容積和功能的有效可靠的方法。

1 對(duì)象和方法

1.1 對(duì)象

納入2018 年4 月—2020 年6 月招募的40 例健康志愿者，志愿者納入標(biāo)準(zhǔn)：既往無任何心血管疾病史；血壓正常（BP＜140/90 mmHg）；心電圖正常；超聲心動(dòng)圖未見異常。選取心超提示左心室舒張功能下降的36 例心臟疾病患者構(gòu)成患者組。排除標(biāo)準(zhǔn)：體內(nèi)植入起搏器或其他金屬植入物者；幽閉恐懼癥患者；圖像不全或質(zhì)量不佳者。本研究經(jīng)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，所有志愿者及患者均知情同意。最終共納入30例志愿者構(gòu)成正常組，其中，男22例，女8例，年齡（39±14）歲（22～66 歲），心率（74±10）次/min（57～99次/min）?；颊呓M最終納入31例心臟疾病患者（缺血性心肌病3例、擴(kuò)張性心肌病13例、肥厚性心肌病5例、心律失常4例、心肌炎4例、淀粉樣變性1例和縮窄性心包炎1例），其中，男21例，女10例，年齡（51±15）歲（26～83 歲），心率（70±14）次/min（42～102 次/min）。兩組性別、年齡及心率無明顯差異（P＞0.05）。

1.2 方法

1.2.1 CMR圖像

采用3.0T磁共振成像系統(tǒng)（Siemens，德國）。傳統(tǒng)分層電影成像采用回顧性心電向量門控，運(yùn)用快速平衡穩(wěn)態(tài)進(jìn)動(dòng)序列（steady state free precession，SSFP）進(jìn)行電影成像掃描，每個(gè)心動(dòng)周期為25 個(gè)時(shí)相。CS電影成像，采用前瞻性心電向量門控?cái)?shù)據(jù)采集，回顧性重建1 個(gè)心動(dòng)周期，獲得25 個(gè)時(shí)相。掃描獲得二腔、四腔心長軸位電影圖像，在吸氣末屏氣采集圖像，傳統(tǒng)分層電影需要10～15 s，CS電影需要2～3 s。兩種成像方法掃描參數(shù)是一致的，回波時(shí)間1.4 ms，翻轉(zhuǎn)時(shí)間3.4 ms，F(xiàn)OV 35 mm×350 mm，翻轉(zhuǎn)角50°，矩陣208×166，層厚8 mm，層間距0 mm，每個(gè)心動(dòng)周期采集25幀電影圖像。

1.2.2 圖像處理分析

1.2.2.1 評(píng)估圖像質(zhì)量

2位放射科醫(yī)師對(duì)圖像質(zhì)量依據(jù)左心房的邊界和圖像偽影將圖像分為4 級(jí)：1 級(jí)圖像質(zhì)量差，重度偽影，無法進(jìn)行邊緣描畫和容積評(píng)估；2級(jí)圖像質(zhì)量尚可，中度偽影，可以進(jìn)行邊緣描畫和容積評(píng)估；3級(jí)圖像質(zhì)量良好，輕度偽影，不影響邊緣描畫和容積評(píng)估；4級(jí)圖像質(zhì)量佳，無偽影［5］。

1.2.2.2 左心房徑線和容積分析

左心房容積分析采用CVI42（circle cardiovascu?lar imaging，加拿大）軟件。用目測(cè)法結(jié)合二尖瓣及主動(dòng)脈瓣運(yùn)動(dòng)找到左心房收縮末期即左房最小容積（left atrial mimial volume，LAVmin）、舒張末期即左房最大容積（left atrial maximal volume，LAVmax）及主動(dòng)收縮前期3 個(gè)時(shí)相（left atrial pre?systolic volume，LAVpre）。左心房收縮末期即左室收縮開始時(shí)二尖瓣關(guān)閉后、主動(dòng)脈瓣開放前的時(shí)相；左心房舒張末期即左室舒張期二尖瓣開放之前的最后一個(gè)時(shí)相；左心房主動(dòng)收縮前期即左室舒張末期二尖瓣再次開放前的最后一個(gè)時(shí)相，分別在這3 個(gè)時(shí)相的二腔與四腔心上手動(dòng)勾畫出左心房的面積、左心房長徑（二腔心和四腔心長徑）和橫徑（二腔心和四腔心橫徑）［6］，左心房腔不包含左心耳及肺靜脈（圖1）。左心房容積是利用雙平面面積-長度方法估算，根據(jù)公式：LAV=（S2CH×S4CH×0.85）/L，S2CH是二腔心左心房面積，S4CH是四腔心左心房面積，L為二腔與四腔心左心房長徑較短者，獲得左心房最大容積（LAVmax）、最小容積（LAVmin）、收縮前容積（LAVpre），并根據(jù)以下公式獲得左心房射血分?jǐn)?shù)：左心房總射血分?jǐn)?shù)（EFtotal）、被動(dòng)射血分?jǐn)?shù)（EFpassive）、主動(dòng)射血分?jǐn)?shù)（EFbooster）［7］。

EFtotal=（LAVmax-LAVmin）×100/LAVmax

EFpassive=（LAVmax-LAVpre）×100/LAVmax

EFbooster=（LAVpre-LAVmin）×100/LAVpre

圖1 左心房徑線及容積計(jì)算Figure 1 Calculating LA diameter and volume

左心房參數(shù)均由2 位放射科醫(yī)師獨(dú)立分析（心血管影像2年及10年以上經(jīng)驗(yàn)）。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

計(jì)量數(shù)據(jù)以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（）表示，并使用SPSS23.0進(jìn)行分析。用Wilcoxon配對(duì)樣本符號(hào)秩檢驗(yàn)比較傳統(tǒng)電影和CS 電影的圖像質(zhì)量。2 位放射科醫(yī)師獲得的左心房徑線、容積及收縮功能參數(shù)用組內(nèi)相關(guān)系數(shù)（intraclass correlation coefficient，ICC）分析觀察者間及觀察者內(nèi)的一致性。使用配對(duì)樣本t檢驗(yàn)對(duì)兩種電影間的左心房參數(shù)進(jìn)行比較，用ICC 分析兩組間參數(shù)的相關(guān)性。用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)比較正常組和患者組兩組間傳統(tǒng)電影和CS 電影獲得的左心房參數(shù)。用線性回歸和Bland?Altman檢驗(yàn)分析兩種電影間左心房二腔和四腔心橫徑、LAVmax和EFpassive，以評(píng)估兩種電影間的相關(guān)性和一致性。ICC≥0.90，相關(guān)性非常好；0.75≤ICC＜0.90，相關(guān)性較好；0.50≤ICC＜0.75，相關(guān)性一般；ICC＜0.50，相關(guān)性較低。P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 圖像質(zhì)量及重復(fù)性分析

對(duì)于左心房圖像質(zhì)量兩種方法無明顯統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（3.75±0.42vs.3.78±0.44，P=0.556，圖2）。左心房徑線和容積參數(shù)觀察者間及觀察者內(nèi)一致性好（ICC＞0.9）。

2.2 左心房徑線

CS 電影和傳統(tǒng)電影獲得左房徑線有非常好的相關(guān)性（ICC＞0.90）。2種電影獲得的左房舒張末期二腔心和四腔心橫徑無明顯差異。與傳統(tǒng)電影相比，CS 電影低估了左心房二腔心和四腔心長徑，但差別較小（差值＜2 mm，表1）。線性回歸和Bland?Altman分析發(fā)現(xiàn)2種電影對(duì)于二腔心和四腔心橫徑有好的相關(guān)性和比較小的差異（圖3）。

2.3 左心房容積及射血分?jǐn)?shù)

除主動(dòng)射血分?jǐn)?shù)外（EFbooster，ICC=0.779），CS 電影和傳統(tǒng)電影獲得的容積和射血分?jǐn)?shù)均有好的相關(guān)性（ICC＞0.80）。與金標(biāo)準(zhǔn)相比，CS 電影獲得的LAVmax和LAVpre無明顯差異，而CS電影高估了LAmin，但是差比較小［（4.46±11.18）mL，P=0.003］，導(dǎo)致總的射血分?jǐn)?shù)及主動(dòng)射血分?jǐn)?shù)低估［EFtotal低估約（5.96±8.17）%，P＜0.001；EFbooster低估約（8.66±8.61）%，P＜0.001；表2］，但是2 種電影獲得的被動(dòng)射血分?jǐn)?shù)無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。線性回歸和Bland?Altman分析發(fā)現(xiàn)兩種電影在比較LAVmax和EFpassive上有較好的相關(guān)性和較小的差異（圖4）。

圖2 傳統(tǒng)電影和CS電影圖像質(zhì)量比較Figure 2 Comparison of image quality between traditional cine and CS cine

表1 傳統(tǒng)電影與壓縮感知電影之間左心房舒張末期徑線的比較Table 1 Comparison LA end?diastolic diameters between traditional cine and CS cine （mm，）

表1 傳統(tǒng)電影與壓縮感知電影之間左心房舒張末期徑線的比較Table 1 Comparison LA end?diastolic diameters between traditional cine and CS cine （mm，）

圖3 傳統(tǒng)電影和CS電影間左心房二腔心和四腔心橫徑的線性回歸方程及Bland?Altman散點(diǎn)圖Figure 3 Correlation and Bland?Altman plots for LA 2? and 4?chamber transverse diameters by traditional cine and CS cine

2.4 CS電影獲得左心房參數(shù)診斷左心房增大的能力

傳統(tǒng)電影提示左心房舒張末期徑線和容積參數(shù)在正常組與患者組間均有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。盡管左心房部分徑線（長徑）和左心房容積參數(shù)（LAVmin、EFtotal和EFbooster）在2種電影間存在統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，但是

表2 傳統(tǒng)電影與壓縮感知電影之間左心房容積參數(shù)的比較Table 2 Comparison LA volume parameters between traditional cine and CS cine （）

表2 傳統(tǒng)電影與壓縮感知電影之間左心房容積參數(shù)的比較Table 2 Comparison LA volume parameters between traditional cine and CS cine （）

CS電影依然提示患者組的左心房徑線、容積參數(shù)均大于正常組，并且患者組的左心房射血功能下降（表3）。

3 討論

傳統(tǒng)心臟電影采集圖像時(shí)需要被檢者多次屏氣且心律規(guī)則，而許多被檢者呼吸配合欠佳或有心律失常，采集的圖像質(zhì)量較差，影響心功能的評(píng)估。壓縮感知技術(shù)應(yīng)用稀疏表示、觀測(cè)矩陣和重構(gòu)算法這三步快速地獲取圖像，丟棄了圖像上大量無用的信息，從而大大縮短了成像時(shí)間［8］。此外，盡管壓縮感知獲得的信噪比稍有降低，但它可以降低呼吸配合欠佳和心律不齊對(duì)圖像質(zhì)量的影響［9］。先前研究已證實(shí)了基于壓縮感知的心臟電影技術(shù)可以顯著減少心臟磁共振成像時(shí)間［10］；同時(shí)可以準(zhǔn)確評(píng)估各類人群的左心室功能，但很少有研究探討用壓縮感知技術(shù)研究左房功能的可行性。本研究分析了健康人和左心室舒張功能受限的患者CMR傳統(tǒng)電影和壓縮感知電影的左心房徑線、容積及收縮功能參數(shù)。結(jié)果顯示，CS電影獲得的徑線和容積參數(shù)與傳統(tǒng)電影相關(guān)性好，雖輕度低估了左心房二腔心和四腔心長徑，且高估了左心房最小容積，但是在區(qū)分正常組和患者組的能力方面無下降。

圖4 傳統(tǒng)電影和CS電影間左心房最大容積（LAVmax）和被動(dòng)射血分?jǐn)?shù)（EFpassive）的線性回歸方程及Bland?Altman散點(diǎn)圖Figure 4 Correlation and Bland?Altman plots for LAVmaxvolume and EFpassiveby traditional cine and CS cine

表3 正常組和患者組間傳統(tǒng)電影和CS電影獲得的左心房徑線和容積的比較Table 3 Comparison LA diameter and volume derived from traditional cine and CS cine between normal group and pa?tient group （）

表3 正常組和患者組間傳統(tǒng)電影和CS電影獲得的左心房徑線和容積的比較Table 3 Comparison LA diameter and volume derived from traditional cine and CS cine between normal group and pa?tient group （）

CS電影可以清晰顯示左心房邊界，因而可以準(zhǔn)確評(píng)估左心房橫徑。CS 電影輕度低估了左心房的長徑，這可能是由于壓縮感知技術(shù)降低了心肌與血池之間的對(duì)比，且二尖瓣及主動(dòng)脈瓣運(yùn)動(dòng)界定相對(duì)比較困難。此外，本研究提示CS電影會(huì)高估左心房最小容積，這可能是由于在左心房收縮末期，左心房的面積較小，即使邊緣描畫的較小誤差也會(huì)導(dǎo)致左心房最小容積出現(xiàn)較大誤判。

各種心血管疾病長期影響左心房，會(huì)引起左房容積增加，射血分?jǐn)?shù)降低，進(jìn)而導(dǎo)致左房重構(gòu)，左心房重構(gòu)是無癥狀患者發(fā)生房顫的獨(dú)立危險(xiǎn)因素和疾病預(yù)后的判斷標(biāo)準(zhǔn)［11-12］。目前臨床上評(píng)估左心房功能主要是用左心房徑線和容積，其中LAVmax與心血管疾病的關(guān)系最為密切，在預(yù)測(cè)心血管事件和危險(xiǎn)分層方面最為敏感［13］。之前研究已證實(shí)CS 電影能較好地反映左心室容積并獲得較好的圖像，可用于臨床評(píng)估左心室功能［14］。本研究發(fā)現(xiàn)CS 電影可以獲得較高質(zhì)量的左心房圖像，并不低于傳統(tǒng)心臟電影。Sohrabi 等［15］研究發(fā)現(xiàn)左心房橫徑較長徑能更準(zhǔn)確地檢測(cè)出左房增大。在本研究中，CS電影獲得的左心房橫徑與傳統(tǒng)電影相關(guān)性佳且無差異，因而我們推測(cè)CS 心臟電影可以準(zhǔn)確顯示左心房徑線的改變，并且本研究也證實(shí)CS電影可以準(zhǔn)確檢測(cè)出正常組與病患間左心房徑線的差異。CS 電影獲得的LAVmax和LAVpre與傳統(tǒng)電影無明顯差異，雖然它低估了LAVmin，但是與傳統(tǒng)電影獲得的容積參數(shù)有較好的相關(guān)性，且CS電影區(qū)分正常組和病患組左心房功能差異的能力無降低，因而相信CS電影可以用于左心房容積的評(píng)估。

左心房被動(dòng)射血分?jǐn)?shù)主要反映左室舒張功能，在臨床上更受到重視［16］；CS技術(shù)獲得的左心房EFpassive與傳統(tǒng)電影獲得的該參數(shù)相關(guān)性較好，且無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，因而推測(cè)CS 電影可以用于臨床評(píng)估左心房EFpassive。盡管CS 技術(shù)低估了左心房EFtotal和EFbooster，但依然能夠檢測(cè)出正常組和病患組左心房射血分?jǐn)?shù)的差異?？偟膩碚f，CS電影可以評(píng)估左心房的收縮功能，特別是左心房被動(dòng)收縮功能。

本研究尚存在一些不足。首先，本研究僅分析了左心房的3 個(gè)時(shí)相，并未對(duì)左心房整個(gè)心動(dòng)周期中的徑線和容積進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)估；其次，左心房應(yīng)變逐漸應(yīng)用于臨床，它能在左房容積未發(fā)生改變之前發(fā)現(xiàn)左室舒張功能受損［17］，但是本研究中并未涉及；最后，CS 電影高估左心房最小容積的影響因素并未進(jìn)一步探討。

綜上所述，與傳統(tǒng)心臟電影成像相比，基于CS的心臟電影技術(shù)并未降低左心房的圖像質(zhì)量，它可用來分析左心房徑線、容積參數(shù)及收縮功能，為臨床評(píng)估左心房的變化提供可靠信息。