左心功能評價影像學研究進展

蔣 健，牛娟琴，葉建軍，劉光耀，韓月東，馬強華

（1.蘭州軍區蘭州總醫院影像診斷科，甘肅 蘭州 730050；2.蘭州大學第二臨床醫學院，甘肅 蘭州 730000）

隨著膳食結構和健康模式的改變，人均壽命的延長，心臟疾病的社會負擔正在不斷加重。通過現有影像學方法，早期、無創、準確的評估心臟功能，對指導臨床治療及預后有重要意義。計算機軟件和硬件技術的快速發展，使得多種影像學方法可以在獲得心臟形態結構的同時，獲取心室容積（Ventricular volume，VV）、射血分數（Ejection fraction，EF）等心功能指標，為臨床提供更多有參考價值的診斷信息。

1 常用左心功能評價指標及意義

左室收縮功能 （Left ventricular systolic function（SFx））指標：左心室容積（Left ventricular volume，LVV）、左室射血分數（Left ventricular ejection fraction，LVEF）是評估左室收縮功能的指標。其中，LVV包括左室舒張末期容積（Left ventricular end-diastolic volume，LVEDV）、左室收縮末期容積（Left ventricular end-systolic volume，LVESV），兩者都是評價左心室形態功能最基本的指標，也是獲得其它重要指標的基礎，如EF、每搏輸出量（Stroke volume，SV）、心輸出量（Cardiac output，CO）等。在很多心臟疾病中左室收縮功能異常較其它左心功能指標異常出現早，如冠心病、先心病、心臟瓣膜病及高血壓心臟病、糖尿病心肌病等[1]。盡管LVV及EF的改變并不與臨床癥狀、運動耐力、心肌耗氧量水平完全一致，但卻為臨床提供了重要的預后信息。

時間相關性指標及時間-容積曲線：高峰充盈率（Peak filling rate，PFR）、高峰收縮率（Peak ejection rate，PER）、高峰充盈時間（Time to peak filling，TTPF）等是時間相關性指標。PFR是心室舒張階段容積變化的最大速率，用EDV/s表示，作為瞬間動態指標，反映心臟的整體舒張功能，是心肌缺血最敏感的指標之一。PER是心室收縮階段容積變化的最大速率，用ESV/s表示，PER不如PFR敏感，臨床不常用[2]。時間相關性指標可以早期發現心室射血和充盈異常，便于區分單純收縮、舒張功能障礙或者聯合功能障礙。由于ESV、EDV、EF等指標是由左室輪廓在心動周期的兩個關鍵期相 （收縮末期、舒張末期）的變化決定的，僅能反映這兩個期相VV的變化，而時間-容積曲線可以反映整個心動周期中連續的LVV變化，對左室功能可以進行更詳細的定量分析，對疾病演變、治療反應等進行更準確的判斷[3]。

SV是指一個心動周期內心室射出的血液量，是反映心肌收縮強度和速度的重要指標，SV=EDV-ESV。CO：心室每分鐘射出的血液量，CO=SV×HR。

2 左心功能評價的影像學方法及其應用

根據創傷程度，將評估心室功能的影像學方法分為有創性和無創性檢查。其中，傳統X線心血管造影、經食管超聲心動圖等屬于有創性檢查，而經胸超聲心動圖、心臟MRI（CMR）、心血管核素顯像以及CT心血管成像（CCTA）等屬于無創性檢查。其中傳統X線心血管造影和經胸超聲心動圖臨床應用最廣泛。

心臟CT及MRI檢查采用心電觸發及門控技術。由于前瞻性心電門控不能覆蓋收縮及舒張末期，不適用于心功能評價。回顧性心電門控使用R波反向門控，數據采集的同時對心電圖進行記錄，可顯示心動周期內所有動態過程，已成為現今心血管成像常用的心電門控技術[4]。

2.1 多排及雙源CT評價左心功能

目前64排CT設備仍然是臨床行CT冠狀動脈成像（CT coronary angiography，CTCA）檢查的主流機型[5]。有學者[6-8]研究發現64排CT與MRI評價左心功能指標有良好的相關性（EF：bias±SD，-0.22%±4.18，r=0.97；EDV：-0.59 mL±15.21，r= 0.98；ESV：1.09 mL±10.61，r=0.99），而且EF測值與超聲心動圖（r=0.87，P<0.0001）和SPECT（r=0.91，P<0.0001）相關性很好。CT和CMR測量EF標準差顯著小于超聲心動圖、SPECT（P<0.005）。64排CT心臟電影的圖像質量顯著低于CMR，說明其時間空間分辨率仍較低，即使應用了節段重建算法，依然不夠理想。一項針對MDCT與CMR的Mate分析也證實MDCT對收縮末期心室容積的高估，導致EF的減低[9]。

320排CT擁有16 cm寬探測器，可以單次掃描一個心動周期獲取全心圖像，明顯減少屏氣時間，減少呼吸偽影、軸向階梯偽影。盡管單圈掃描320排CT的時間分辨率（175 ms）較雙源CT（83 ms）長，但是相對于z軸的掃描，320排CT獲得了更高的空間分辨率和時間一致性，達到了心室各節段各時同性、各向同性。Nasis等[10]以二維超聲心動圖為參照，用320排CT對可疑和已知冠心病患者的心功能進行評價，發現兩者在評估 EDV （r2=0.88，P<0.001）、ESV （r2=0.95，P< 0.001）及EF（r2=0.90，P<0.001）時有顯著的相關性，測得LVV較二維超聲測值稍大。

雙源CT單扇區時間分辨率為83 ms，使用多節段重建算法可達42 ms，可以在不控制心率的情況下完成CTCA。由于采用螺旋掃描和回顧性心電門控技術，影像數據是連續無間斷地采集，故利用雙源CTCA的原始數據可以進行心功能的評估。Brodoefel等[3]用雙源CT與CMR對照評估整個心動周期中左室收縮功能和時間相關性指標，發現兩種檢查方法的收縮功能指標具有很高的相關性：EDV （r=0.98）、ESV （r= 0.99）及EF（r=0.95），EF測量系統誤差<1%，同時時間相關性指標也有較好的相關性：PER（r=0.79）、PFR（r=0.84），而射血峰值時間、TTPF兩者僅有中等相關性（r=0.68、r=0.64）。研究還發現雙源CT存在對EDV、ESV的輕微高估，并指出雙源CT時間分辨率的不足不是導致兩種檢查方法測得EDV和ESV差異的原因。

在CCTA檢查中，心肌和血池間對比度不同，CT勾畫心內膜時由于部分容積效應，會將靠近心腔的部分心肌勾畫入內，造成對ESV及EDV的高估。與CMR相比，時間分辨率對評估的準確性有很大影響，時間分辨率不足，導致收縮末期捕捉不完整。研究認為，時間分辨率≤50 ms是定量評價心功能的理想值[3]。

CCTA檢查中，輻射劑量受到廣泛關注。管電流調制技術的使用，可以有效減小輻射劑量，但也會導致CT圖像質量下降。使用心電門控（ECG-gated）可使劑量減少47%[11]。多中心研究表明[3]，16排、64排和雙源CT的CCTA中位有效劑量是12 mSv（8～18 mSv。CCTA輻射劑量的獨立影響因素有患者的體重、心律、管電流調制技術、管電壓、前瞻性心電門控掃描模式、檢查技師的經驗、每月患者數量和CT機型。由此可見，除了硬件設備和CT技術以外，技師的經驗和熟練程度也是影響CCTA輻射劑量的重要因素。

為了降低運動偽影的影響，減少記錄心動周期的數量，從而降低輻射劑量，可以使用β受體阻滯劑等減慢心率。320排CT及64排CT在檢查時均需控制患者心率，320排CT在患者心率在70 bpm以下、80 bpm以上時成功率較高，圖像質量較佳，介于兩者之間的患者需要回顧性掃描的次數更多[10]。但是人為降低心率也會改變心功能參數，從而不能反映真實的心臟運動狀態及心功能[12]。此外，不同呼吸-屏氣方式對心率也有影響[13]，檢查前對病人進行呼吸訓練，采用最能減低心率的呼吸-屏氣方式平均可以減慢心率5 bpm，當然，注射造影劑時患者情緒波動、團注導致的應激及造影劑副作用可能會影響患者平穩心率的保持。

2.2 超聲心動圖評價左心功能

超聲心動圖是目前最常用的評估心功能的檢查方法。二維超聲心動圖基于幾何假設進行計算，方法的局限及單層面成像影響了評估的準確性。三維超聲心動圖 （Three dimensional echocardiography，3DE）顯示整個心室的立體三維結構，不依賴幾何形狀的假設評價心功能。實時三維超聲心動圖 （Real-time 3-dimensional echocardiographic，RT-3DE）用于評價心功能的同時，在檢測缺血性心肌病和室壁運動異常中也得到應用[14]。多項研究證實3DE較二維超聲心動圖更準確，與金標準CMR的一致性更高，可重復性也近似于CMR[15]。Mor-Avi等[16]的多中心研究表明3DE獲得的LVV與CMR有顯著的相關性（EDV：r=0.91，ESV：r=0.93），但總體來說約有26%～29%的測值較CMR低，偏倚程度與檢查者的經驗呈反比。Sugeng等[17]研究發現3DE較CT評估VV和EF更準確，3DE連續觀察可以識別LVV的細微變化，盡管CCTA在測量LVV時有很高的重復性，但是測值明顯大于CMR測值。RT-3DE的LVV測值與CCTA相比，雖然有較高的變異度，但是與CMR測值的相關性更高。3DE測量LVV時，由于部分患者心內膜顯示欠佳，不能準確勾畫出心內膜輪廓，導致測量誤差。van der Heide等[18]對比了應用超聲造影劑前后測量LVV的準確性，發現使用造影劑有利于勾畫心內膜輪廓，但同時也指出造影后測得的LVV較未用造影劑的測值顯著增大，說明目前超聲造影劑的使用并不能提高LVV測量的重復性。超聲造影、聲學定量、組織多普勒、負荷超聲等超聲心動圖新技術與RT-3DE相結合，有助于改善圖像質量，但在技術方面仍有待完善。

2.3 MRI評價左心功能

由于CMR有較高的空間時間分辨率、良好的圖像對比度、較少的偽影，已成為評估左室收縮功能的重要方法，臨床上CMR常用于識別缺血性和非缺血性心肌病[19]。采用心電門控多時相采集電影回放的MRI技術測量心臟功能有多次屏氣法、單次屏氣法和非屏氣法，以多次屏氣法最常用，對于不能配合的患者，可以選擇非屏氣法。應用非屏氣法和多次屏氣法電影MRI評價左心功能的研究表明[20]，非屏氣法所得圖像的信噪比稍差于屏氣法，但輪廓仍清楚，不影響觀察描記，兩者測量指標間無明顯差異。Vandsburger等[21]對心肌梗死后患者和實驗鼠的收縮末期及舒張末期CMR圖像對比研究表明，CMR可以直觀地反映臨床和臨床前實驗中室壁增厚和左室功能的變化。

MRI心功能測量的時間分辨率與總成像時間相互制約。由于CMR掃描時間長，對心律失常患者成像困難；勾畫心內膜至心尖或心底時產生的部分容積效應影響勾畫的準確性；屏氣時心臟位置的輕微變化及收縮期心室的跨平面運動等對測量精度的影響，使它金標準的地位尚有缺憾[22-23]。另外，心電門控中應用的ECG設備存在多種干擾MR系統在心動周期中同步采集數據的因素。心音心臟觸發（ACT）可以作為一種替代技術。Becker等[24]對正常志愿者進行初步研究，結果較為理想，但是目前對心臟瓣膜病患者、胎兒等尚難使用。7.0T CMR[25]的應用初具端倪，但是由于使用安全性等尚未明確，有待于技術的發展。

2.4 核素心功能顯像

核素心功能顯像是臨床了解患者心功能的重要方法。它不僅可以定量分析各種心功能參數，還可以形象、直觀地顯示心室局部和整體的收縮、舒張運動情況，觀察心肌活性。設備主要有正電子發射計算機斷層 （Positron emission tomography，PET）、單光子發射計算機斷層（Single-photon emission computed tomography，SPECT）等。SPECT顯像過程繁瑣，操作流程較長（2～4 h），存在衰減偽影并可能低估缺血的嚴重程度，同時解釋病變缺乏說服力[26]。而PET提高了時間空間分辨率，改善了圖像質量，通過精確地衰減校正提高了診斷精度，簡化了操作流程，在心臟顯像方面較SPECT有明顯優勢[27]。

門控FDG PET時間分辨率較低，存在小的系統性誤差，但是與CMR評估LVV和EF有良好的相關性（EDV：r=0.96，ESV：r=0.97，EF：r=0.95），而且門控FDG PET沒有低估EDV或高估ESV的明顯趨勢，但會低估EF值[28]。32幀門控SPECT在靜息狀態下測量PER、PFR和TTPF與CMR有良好的相關性，負荷狀態下，雖然兩者的一致性較好，但存在一定的變異度（20%～25%）；測量LVV方面，靜息與負荷狀態下兩者的一致性均較差（Bias：30%～40%）[29]。

對于性別、年齡、體重、體表面積等因素對左室收縮功能的影響，SPECT已有初步的研究[30]。EF值女性較男性高約8%，可能的原因是部分女性EF值較男性略大，另外由于女性心臟較小，部分容積效應也會影響測值。Chung等[31]發現QGS（Quantitative Gated SPECT）算法會低估較小的心腔容積。Hacker等[32]也發現性別因素對所有左心功能指標均有影響。

患者年齡、身高的影響雖有報道[30]，但作用及影響不確切。目前已知的是年齡、身高與EF無顯著相關性。另外女性的ESV顯著小于男性，包括經體表面積標準化后的ESV，而標準化可能導致ESV變化的敏感性減低，最大可低估ESV約16%。

隨著影像技術在臨床應用的逐步深入，影像學評估心功能的研究方向已經向貼近臨床和分層研究轉變。已有對近期ST段抬高心肌梗死、先心病、冠狀動脈粥樣硬化性心臟病、心肌梗死及梗死后心肌重塑等患者以及不同樣本量的健康人群進行的心功能評價研究。對可疑和已知冠心病患者超聲和MDCT心功能的對比已有報道，但是對于可疑冠心病患者的MR及320排CT心功能評價研究仍較少。對于影響LVEF、LVESV等左室收縮功能指標的因素研究，僅SPECT有初步報道，其它影像學方法未見相似研究。

多種影像學方法都能夠在觀察左心室解剖形態的同時，評估心室功能，為心臟疾病的診斷、治療提供參考信息，需要在臨床工作中依據各種檢查方法的特點合理使用。貼近臨床和分層研究是未來的趨勢，不斷細化研究方向，增強研究人群的針對性，有助于臨床工作以及經驗總結。

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