心臟磁共振對左室舒張功能的評估及其研究進(jìn)展

鄧巧，岳文軍，孫家瑜

作者單位：1.川北醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院放射科，南充 637000；2.四川大學(xué)華西醫(yī)院放射科，成都 610041

舒張功能障礙系指由主動松弛功能受損，被動充盈能力(即舒張順應(yīng)性)降低，或兩者同時受損而造成舒張期心室充盈量減少，舒張末期心室壓力增高，心排出量減少，最終導(dǎo)致心室重構(gòu)和心功能異常[1]。主動松弛過程消耗ATP，受能量代謝，肌絲滑行，Ca2+濃度，肌鈣蛋白的構(gòu)象和表達(dá)等影響。在高血壓、糖尿病、肥胖、年齡等危險因素下，心肌細(xì)胞能量代謝過程障礙，Ca2+攝入肌漿網(wǎng)及泵出細(xì)胞外受損，出現(xiàn)鈣離子與肌鈣蛋白的解離異常，從而導(dǎo)致心肌松弛力下降，舒張期心室充盈壓增高，充盈量減小，心排出量減少等。順應(yīng)性與細(xì)胞外異常物質(zhì)沉積、心肌細(xì)胞本身受損纖維化密切相關(guān)，細(xì)胞外異常物質(zhì)沉積和心肌細(xì)胞纖維化均可導(dǎo)致心肌運動受限、彈性減低(僵硬)，心室充盈壓增高等一系列反應(yīng)。從舒張功能障礙到舒張性心衰有一個漸進(jìn)的過程[2]：舒張功能障礙初期心室充盈壓增高，充盈比率下降，等容舒張期延長，舒張功能障礙進(jìn)一步加重可誘發(fā)心肌纖維化，心室重構(gòu)(心肌成纖維細(xì)胞激活及膠原蛋白沉積等導(dǎo)致心肌組織重塑)，最終使心肌僵硬，此時，舒張期心肌不能充分松弛，心臟無法快速灌注血液以準(zhǔn)備下一次收縮(心肌彈性儲備減小)，舒張功能障礙進(jìn)一步降低心室順應(yīng)性。心肌僵硬與舒張順應(yīng)性互為因果關(guān)系，最終演變?yōu)槭鎻埿孕乃ァＲ允鎻埿孕牧λソ邽樘攸c的改變又可稱為保留射血分?jǐn)?shù)性心衰(heart failure with preserved ejection fraction，HFpEF)[3]。HFpEF患者再入院及病死率較高，因此，舒張功能的定量對HFpEF患者的臨床早期預(yù)防與管理十分重要。

超聲心動圖是無創(chuàng)評估舒張功能障礙的主要方法[4]，根據(jù)組織多普勒檢查顯示二尖瓣舒張早期速度e’與舒張充盈壓有關(guān)，但不能排除后負(fù)荷影響因素；而組織多普勒斑點追蹤技術(shù)可得出舒張早期心室整體縱向應(yīng)變，與介入?yún)?shù)舒張壓力衰減時間常數(shù)τ 相關(guān)，且在不同后負(fù)荷中未出現(xiàn)顯著差異，可排除后負(fù)荷影響因素；另外，連續(xù)波多普勒計算出等容舒張期時間及舒張減速時間等與心室松弛和順應(yīng)有關(guān)，松弛受損和順應(yīng)性降低導(dǎo)致等容舒張期延長，舒張減速時間延長。超聲心動圖獲取參數(shù)較心臟磁共振便捷，但心臟磁共振在舒張功能的評估中也具有很大潛力，其整體和局部功能定量、血流動力學(xué)分析等為舒張功能評估提供了新的視角。由于右室壁薄和幾何形態(tài)的成像技術(shù)限制，右室力學(xué)依然處于探索階段，因此本綜述主要闡述心臟磁共振對左室舒張功能的評估及其研究進(jìn)展。

1 左室時間容積曲線

左室時間容積曲線(volume-time curves，VTC)反映心室容量跟隨心動周期的變化特征[5]。早期被用于左室充盈定量。通過跟蹤每個心動周期左室內(nèi)膜邊界，計算收縮期及舒張期心室容積，并繪制成時間圖。通常分析得出的參數(shù)有峰值充盈率(peak filling rate，PFR)、達(dá)峰時間(time to peak filling rate，TPFR)、舒 張 容 量 恢 復(fù)(diastolic volume recovery，DVR)等，再將參數(shù)擬合到曲線中對應(yīng)的收縮及舒張期，以便觀察其變化規(guī)律。由于該方法不能區(qū)分出來自右室、心房、心包壓力等對左室的作用，不能很好地提供左室充盈特征信息，當(dāng)前很少應(yīng)用此方法。

2 左房容積和功能評估

舒張早期主動因素和被動因素共同作用使心室擴(kuò)張產(chǎn)生抽吸力，完成心室大部分血液充盈，隨著心室血液的充盈室內(nèi)壓力增大，抽吸力減小，舒張晚期主要依賴心房的收縮將血液排入心室。舒張功能障礙早期左室充盈壓增高，左房壓力不變，左房-左室壓力梯度減小，進(jìn)入左室血液減少；代償期左室舒張功能障礙進(jìn)一步受損，左房壓力增大，心房-心室壓力差增大，心房導(dǎo)管功能增強(qiáng)；限制性充盈期心房失代償，心房收縮(泵功能)降低(由于代償機(jī)制，左房壓力增大來維持左室充盈，長期處于較高的充盈壓下會導(dǎo)致左心房結(jié)構(gòu)重塑，幾何形態(tài)增大，最終失去代償能力，收縮功能降低)[6]。在沒有其他原因(如房性心律不齊或二尖瓣疾病)引起左房重構(gòu)情況下，左房大小與舒張功能嚴(yán)重程度相關(guān)[7]。

基于心室兩腔長軸及四腔長軸的雙平面面積長度法(biplane area-length method)可量化左房導(dǎo)管功能、泵功能、儲蓄功能以及左房不同時期容量變化；最大容積(LAVmax)在左室收縮末期二尖瓣開放前左房容積最大時測量；最小容積(LAVmin)在左室舒張末期二尖瓣關(guān)閉前左房收縮至最小時測量；心房收縮前容積(LAVpreA)是在左室舒張期心房再次收縮前的最后一幅圖上測量。同樣的方法還可測量左房功能：左房總排空分?jǐn)?shù)(left atrial emptying fraction total，LAEF total)，對應(yīng)左房儲蓄功能；左房被動排空指數(shù)(left atrial emptying fraction passive，LAEF passive)，對應(yīng)左房導(dǎo)管功能；左房主動排空指數(shù)(left atrial emptying fraction active，LAEF active)對應(yīng)左房壓泵功能[8]。另外還可應(yīng)用特征追技術(shù)測量心房應(yīng)變：在心房短軸收縮末期及舒張末期上手動繪制心房邊界，左房舒張末期和收縮末期分別定義為左房容積最大和最小的期相，軟件自動追蹤其余期相并計算得出左房應(yīng)變及應(yīng)變率。

左房容積改變通常反映充盈壓隨時間推移的累積效應(yīng)[9]，心房容積與心房收縮能力常被用于左室舒張功能嚴(yán)重程度評價。Kermer 等[10]提出：舒張功能障礙患者心房舒張末期容積(left atrial maximal volume，LAEDV)及左房容積(left atrium volume，LAV)增大，通過身高校正后的ROC曲線分析顯示：舒張功能障礙患者LAEDV/H 的最佳臨界值≥0.52 mL/cm(敏感度=0.71，特異度=0.84，曲線下面積=0.75，準(zhǔn)確度為0.75)。Kim等[11]提出：CMR左房應(yīng)變測量在舒張功能評估中是可行的，并且隨著舒張功能嚴(yán)重程度而逐步變化，在舒張功能障礙的診斷及嚴(yán)重程度分級上，左房縱向應(yīng)變與左房幾何形態(tài)評估相比更具有診斷效用，可以改善心肌梗死后房顫和充血性心衰的預(yù)測，且與超聲心動圖結(jié)果一致。

3 應(yīng)變參數(shù)評估

心肌應(yīng)變(strain)是指整個心動周期中心肌從原始狀態(tài)伸縮的變形程度，用百分比表示。應(yīng)變率(strain rate)指單位時間內(nèi)心肌變形的速度[12]。左室應(yīng)變分為縱向應(yīng)變、周向應(yīng)變、徑向應(yīng)變以及相應(yīng)的應(yīng)變率組成，應(yīng)變率又分為收縮峰值應(yīng)變率、舒張早期峰值應(yīng)變率和舒張晚期峰值應(yīng)變率。左室延長速度(應(yīng)變率)是左室舒張和恢復(fù)的基本參數(shù)，與心室舒張壓力衰減時間常數(shù)τ 成反比[13]。CMR 可以精確和可重復(fù)地量化心室在收縮和舒張過程中的應(yīng)變計應(yīng)變率。扭轉(zhuǎn)指在心內(nèi)外膜反向螺旋運動相互作用下，收縮期心尖呈逆時針方向旋轉(zhuǎn)，基底呈順時針方向旋轉(zhuǎn)，造成左室收縮，并儲備舒張動能，舒張期與收縮期呈反向運動的過程稱為解扭[14]。超聲及心臟磁共振中扭轉(zhuǎn)及解扭參數(shù)是基于周向應(yīng)變心肌扭轉(zhuǎn)角計算產(chǎn)生的，是反映左室主動松弛及回復(fù)力的重要參數(shù)(回復(fù)力的大小與舒張抽吸作用及舒張早期充盈有關(guān)，但不獨立于收縮功能)。舒張功能障礙早期舒張解扭率顯著增加，隨舒張功能障礙進(jìn)展解扭率趨于正?；蚪档?，后期顯著降低。在HFpFE患者的評估中解扭率達(dá)峰時間優(yōu)于解扭率本身。

3.1 Tagging

網(wǎng)格心肌標(biāo)記(Tagging)是磁共振心肌應(yīng)變定量的金標(biāo)準(zhǔn)[15]。其原理[16]是在電影序列基礎(chǔ)上施加由心電門控R 波觸發(fā)的特定射頻脈沖，并從收縮期開始以網(wǎng)格的方式標(biāo)記心肌，標(biāo)記點可分為一維、二維、三維標(biāo)記，隨著整個心動周期磁化強(qiáng)度恢復(fù)至平衡時標(biāo)記消失，在此過程中追蹤標(biāo)記點從一個時幀到另一個時幀之間距離的相對增減，結(jié)合數(shù)學(xué)運算建模得到應(yīng)變、扭轉(zhuǎn)、位移等功能參數(shù)。為了獲取完整的收縮及舒張末期心肌位移標(biāo)記，需要進(jìn)行多時相采集，采集間隔時間決定時間分辨率；網(wǎng)格尺寸越小其計算精確度越高，但圖像分辨率及信噪比會相對降低，因此網(wǎng)格大小通常設(shè)置為5～7 mm。

該技術(shù)目前在臨床中未得到普及，但諸多研究顯示tagging 量化的舒張功能參數(shù)有較好的重復(fù)性和較高的臨床價值。Ambale-Venkatesh等[17]在沒有已知心血管疾病的龐大人群中，通過8 年的隨訪發(fā)現(xiàn)以松弛應(yīng)變率為指標(biāo)的舒張功能可預(yù)測無已知心血管疾病患者的心衰和房顫，且獨立于已確定的危險因素和亞臨床心血管疾病標(biāo)志物。Nagel 等[18]研究顯示：tagging量化下主動脈瓣狹窄患者左室舒張解扭延遲和延長，左室基底部扭轉(zhuǎn)降低、心尖扭轉(zhuǎn)增加以至于整體心室扭轉(zhuǎn)增加，這與左室壓力負(fù)荷過重性肥厚有關(guān)。盡管該技術(shù)測量準(zhǔn)確、可重復(fù)性高，但成像時間長，后處理煩瑣；另外心房及右室心肌壁厚度通常小于5 mm，而網(wǎng)格大小通常在6 mm左右，該技術(shù)的使用受到了限制[19]。

3.2 特征追蹤成像(feature tracking，F(xiàn)T)

FT是一種目前較為流行的定量評估心肌應(yīng)變的技術(shù)。原理是基于光流技術(shù)[20]，在電影圖像上手動繪制心肌邊界，軟件自動從幀到幀之間追蹤其像素特征，根據(jù)收縮末期和舒張末期心肌位移來計算應(yīng)變和應(yīng)變率，在FT 技術(shù)中應(yīng)變是收縮長度相對于基線距離的變化百分比，正值表示伸長，負(fù)值表示縮短，應(yīng)變率是指心肌變形的斜率即速度。

FT舒張功能參數(shù)有：縱向應(yīng)變、舒張早期應(yīng)變峰值率及達(dá)峰時間、舒張晚期應(yīng)變峰值率及達(dá)峰時間。Kuetting 等[21]研究顯示：免疫性輕鏈蛋白淀粉樣變患者LGE 陽性(A 組)及陰性(B 組)與正常對照組(C 組)相比，三組間舒張早期應(yīng)變率(early diastolic radial strain rate，EDSR)顯著差異，提示CMR-FT應(yīng)變分析能檢測到LGE陰性的免疫性輕鏈蛋白淀粉樣變患者早期收縮和舒張應(yīng)變損傷。Ito等[22]在HFpEF患者整體縱向應(yīng)變(Global longitudinal strain rate，GLS)與介入舒張功能指數(shù)(Tau)的相關(guān)性研究中顯示：HFpEF患者GLS顯著降低(P＜0.001)，其臨界值為-13.9%；HFpEF 患者GLS 與Tau 強(qiáng)烈相關(guān)(r=0.817，P＜0.001)；多元線性回歸分析顯示GLS 在GLS、GCS、GRS、LEDVI、LESVI、LVmassi 以及年齡中與Tau 獨立相關(guān)(beta=0.817，P＜0.001)。

FT 操作便捷，被認(rèn)為是目前心臟磁共振心肌應(yīng)變分析的首選方法[23]，可用于心肌壁較薄的心房評估。FT 對時間分辨率和空間分辨率要求高，且依賴于血池和心肌間的對比度，增強(qiáng)后電影成像時，對比劑的使用會在一定程度上減低心肌與血池的對比度，可能影響其測量結(jié)果[24]。在測量時基底部太靠近瓣膜水平面及心尖層太靠近心尖水平，故顯示較差。

3.3 組織相位映射圖(Tissue phases mapping，TPM)

TPM能將心肌運動速度直接編碼為磁共振信號，在像素層面測量心肌速度。其成像基礎(chǔ)[25]為：不同方向心肌纖維的合力及周圍鄰近肌纖維間的相互作用力共同反映心室整體運動情況，為了獲取有意義的心肌加速度來描述心肌的內(nèi)部動力學(xué)，需轉(zhuǎn)化心肌自身對應(yīng)運動坐標(biāo)來計算心肌加速度矢量，其過程概括為以下幾個步驟：(1)分割心肌邊界；(2)將對應(yīng)心室節(jié)段中心肌的局部坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化為笛卡爾坐標(biāo)，然后校正心肌平移運動分量；(3)結(jié)合心電門控下的時間離散導(dǎo)數(shù)計算每個體素對應(yīng)的心肌加速度，反映心肌運動速度在整個心動周期中的變化。同為CMR 心肌應(yīng)變的評估方法，TPM、Tagging、FT三者原理各不相同，所得參考值不能互換。TPM技術(shù)的空間分辨率僅受體素大小的限制，與FT 相比不易受到平面運動影響，觀察者間變異小[26]。

TPM 舒張功能參數(shù)有：基于速度-時間曲線的舒張速度峰值及達(dá)峰時間；基于扭轉(zhuǎn)率-時間曲線的舒張峰值扭轉(zhuǎn)率；基于應(yīng)變-時間曲線的舒張應(yīng)變及應(yīng)變率。Gimpel等[27]發(fā)現(xiàn)：患有慢性腎病的兒童左室長軸和短軸舒張峰值速度明顯降低，舒張早期充盈受損，在無明顯的左心室肥厚或超聲心動圖舒張功能障礙發(fā)生之前，TPM可檢測出兒童慢性腎病左室舒張功能改變。Chang等[28]發(fā)現(xiàn)：法洛四聯(lián)癥修復(fù)術(shù)后左室保留射血分?jǐn)?shù)患者左室部分節(jié)段出現(xiàn)收縮和舒張縱向速度降低、室間隔舒張期徑向速度增加、左室峰值扭轉(zhuǎn)角降低，與健康志愿者相比均有顯著差異(P＜0.05)，綜合表明TPM 量化下法洛四聯(lián)癥患者在疾病早期出現(xiàn)局部舒張功能改變。

TPM成像耗時，隨著磁共振技術(shù)的發(fā)展，新的加速技術(shù)不斷被用于該技術(shù)，在不損失實質(zhì)信息的情況下，view sharing TPM全心室成像時間縮短了37.5%；k-t BLAST TPM雖然可以縮短50%，但存在時域平滑，峰值速度被降低；SENSE TPM成像時間縮短了75%[29]；壓縮感知(compressed sensing，CS)技術(shù)是一項有效率的加速技術(shù)，CS-TPM不僅縮短了成像時間，并且能高精確度測量心肌的速度[30]，使TPM技術(shù)效率得到進(jìn)一步提升。

4 血流動力學(xué)分析

跨二尖瓣血流速度是評估心室順應(yīng)性的重要參數(shù)[31]。舒張早期左房-左室壓力梯度主要由左室舒張速率及左房壓力決定，舒張順應(yīng)性降低時跨瓣膜壓力梯度降低，跨瓣膜血流速度減小，該速度通常用E 表示，舒張末期左房-左室壓力梯度主要由左房收縮功能及左室順應(yīng)性決定，舒張末期跨瓣膜血流速度用A 表示。E/A 及舒張早期減速時間DT 可用于評估舒張功能障礙嚴(yán)重程度[32]。肺靜脈充盈模式可反映左房儲備功能(左室收縮后二尖瓣關(guān)閉，隨后左房舒張，肺靜脈血液流入左房)，左室舒張功能障礙后期左房功能失代償，左房充盈受限，肺靜脈回流受阻，因此在無心房自身病變、二尖瓣瓣膜病、肺靜脈自身器質(zhì)性病變情況下肺靜脈的充盈可反映左室舒張功能狀態(tài)。

4.1 相位對比成像(phase-contrast)

相位對比成像是應(yīng)用梯度回波來反映質(zhì)子的運動情況。其原理[33]為：在首次梯度應(yīng)用期間平面內(nèi)質(zhì)子發(fā)生相移，之后再施加一次大小相等方向相反的梯度，此時靜態(tài)質(zhì)子回到原來的位置，而運動的質(zhì)子則沿著梯度的方向發(fā)生相移，運動較快的質(zhì)子比運動較慢的質(zhì)子產(chǎn)生更大的相移，來自相移的信息取還取決于接收回波的時間，相移的程度直接對應(yīng)梯度方向上質(zhì)子的速度，對給定的梯度在發(fā)生混疊之前可測得一個最大的速度，此速度稱為流速編碼(velovity encoding，Venc)，Venc設(shè)置過高或過低均會產(chǎn)生偽影，影響測量結(jié)果，實際過程中可根據(jù)Venc-scout 設(shè)定具體值。PC 成像分為：二維相位對比(two dimensional phases contrast，2D PC)、三維相位對比(three dimensional phases contrast，3D PC)、多方向編碼(4D flow)。2D-PC 經(jīng)平面采集垂直正交于興趣區(qū)血流方向；平面內(nèi)采集平行于興趣區(qū)血流方向，該方法在臨床中應(yīng)用較多；3D-PC雖然信噪比高，但成像時間長，在臨床中應(yīng)用較少；4D-flow 對復(fù)雜血流的評估具有優(yōu)勢，能顯示不同方向以及渦流的血流信息：壓力梯度變化、血管壁切應(yīng)力、湍流動能、脈搏波流速等[34]，該方法現(xiàn)目前多應(yīng)用與科研，臨床開展較少。

2D-PC舒張功能參數(shù)有：根據(jù)二尖瓣血流曲線推導(dǎo)出的舒張早期峰值充盈速度(E)、心房峰值充盈速度(A)、E/A比值、E峰減速時間(DT)；肺靜脈血流曲線推導(dǎo)出的收縮波S、舒張波D以及倒置的A波AR。在Ⅰ級舒張功能障礙中跨二尖瓣血流模式E＜A，E/A小于1，DT延長；Ⅱ級代償期E/A正常，肺靜脈血流模式可以鑒別E/A 偽正常的舒張功能障礙，表現(xiàn)為肺S＜D 和AR速度通常大于0.3 cm/s；不可逆限制性充盈階段二尖瓣血流模式E＞＞A 并伴隨DT 縮短；肺靜脈血流模式S＜＜D 和AR 速度大于0.3 cm/s[35]。

4D flow的舒張動能可反映舒張期心室血流動能情況[36]，動能計算為：每個體素的動能KE=? mv2，其中m表示體素內(nèi)血液的質(zhì)量，V表示體素內(nèi)血流移動速度，m等于體積乘以血液密度(通常為1.05 g/cm3)，把每個體素動能加起來即節(jié)段或全局心室血流動能，反映整個心動周期心室血液流動情況。Sj?berg等[37]研究顯示：房坦術(shù)后患者收縮峰值動能差異無統(tǒng)計學(xué)意義，舒張峰值動能顯著降低(P＜0.0001)，可能是左室充盈受損的結(jié)果。舒張期壁切應(yīng)力反映舒張期流動血液與血管壁接觸面的摩擦力[38]。Rizk 等[39]研究發(fā)現(xiàn)：主動脈瓣反流及肺動脈瓣反流患者的峰值舒張壁切應(yīng)力明顯高于平均壁切應(yīng)力(P＜0.0001～0.005)，肺動脈瓣反流的嚴(yán)重程度與軸向峰值舒張壁切應(yīng)力相關(guān)(Spearman’srs=0.454，P=0.018)，主動脈瓣反流嚴(yán)重程度與峰值收縮切面壁切應(yīng)力和峰值舒張切面壁切應(yīng)力均相關(guān)(Spearman’srs=0.458，P=0.049；rs=0.539，P=0.017)，舒張期壁切應(yīng)力升高是半月瓣反流中血流動力學(xué)改變的一個組成部分，能使我們更加了解壁切應(yīng)力在半月瓣反流中血管重構(gòu)的病理生理作用。

5 其他

心肌肥大或心肌細(xì)胞外基質(zhì)異常累積會導(dǎo)致室壁僵硬度增高，心室順應(yīng)性降低，進(jìn)而影響舒張功能[40]。LVmass、LGE、T1 mapping 等可分析心肌質(zhì)量及細(xì)胞外間質(zhì)受累情況，間接反映心室舒張功能?？煞謩e表現(xiàn)為：LVmass 相對增大、LGE 上與心肌受累部位及范圍相關(guān)的高信號以及增強(qiáng)前后心肌細(xì)胞外間質(zhì)增加，ECV增大。

綜上所述，心臟磁共振從整體和局部功能、血流動力學(xué)、組織特征等多角度分析舒張功能，能提供除心室力學(xué)改變以外的更多的信息，有助于更好的理解不同疾病舒張功能障礙的病理生理機(jī)制，更有利于監(jiān)測舒張功能障礙的后續(xù)發(fā)展。與此同時，心臟磁共振舒張功能評估也存在一些局限：(1)圖像采集時間較長，且圖像質(zhì)量及測量結(jié)果受患者屏氣程度及心律等諸多因素影響。(2)缺乏明確參考值，CMR 后處理軟件多元化，同一參數(shù)不同軟件之間存在差異，目前無法做到很好的統(tǒng)一；其中一些方法目前仍處于探索階段，其舒張功能參數(shù)與健康對照或是射血分?jǐn)?shù)降低之間存在差異，但其準(zhǔn)確的閾值或在舒張功能障礙中呈現(xiàn)怎樣的變化趨勢還需進(jìn)一步大量研究驗證。(3)后處理軟件價格昂貴，無法得到全面普及。隨著磁共振快速成像技術(shù)的發(fā)展，以及一些免費后處理軟件的支持，接下來需開展進(jìn)一步的研究以提供同種心臟疾病的舒張功能參考值，以及對應(yīng)心臟疾病舒張功能的改變情況，為心臟疾病的治療監(jiān)測及預(yù)后評估提供有力證據(jù)。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。