應用組織追蹤技術分析健康人左心室心肌力學參數

瞿洋洋，PAUL Jan，BUCKERT Dominik，朱建，馬根山1,，RASCHE Volker

(1.東南大學 醫學院，江蘇 南京 210009； 2.烏爾姆大學醫院 內科Ⅱ，德國 烏爾姆 89081；3.東南大學附屬中大醫院 心血管內科，江蘇 南京 210009)

·論 著·

應用組織追蹤技術分析健康人左心室心肌力學參數

瞿洋洋1,2，PAUL Jan2，BUCKERT Dominik2，朱建3，馬根山1,3，RASCHE Volker2

(1.東南大學 醫學院，江蘇 南京 210009； 2.烏爾姆大學醫院 內科Ⅱ，德國 烏爾姆 89081；3.東南大學附屬中大醫院 心血管內科，江蘇 南京 210009)

目的：分析健康成年人左心室整體和局部心肌力學參數及性別差異。方法：連續選取2015年10月至2016年8月于烏爾姆大學醫院進行1.5 T心臟磁共振檢查的健康成年男、女性各50名。進行穩態自由進動序列成像并半自動地勾畫出左心室心內、外膜位置后，使用組織追蹤技術測量左心室整體和局部(基底段、中間段和心尖段)心肌在徑向、周向和縱向的應變、應變率、位移、位移速度、扭轉和扭轉率峰值，采用t檢驗或非參數檢驗比較性別差異。結果：(1)女性整體和局部心肌應變、應變率的峰值水平均高于男性；(2)女性中間段心肌縱向位移的峰值水平高于男性；(3)女性整體和中間段心肌縱向位移速度的峰值水平高于男性；(4)扭轉和扭轉率均未見顯著性別差異。結論：女性左心室整體和局部的部分力學參數水平高于男性。

心臟磁共振； 組織追蹤技術； 應變； 位移； 扭轉

心臟磁共振(cardiac magnetic resonance, CMR)由于其大視野、高空間分辨率和無放射性等優點，成為心臟結構和功能檢查的金標準，有助于冠心病和心肌病的早期診斷和治療[1]。近年來，組織追蹤(tissue tracking)技術通過追蹤CMR穩態自由進動序列長、短軸位電影圖像上心肌像素點的位置和使用一系列算法，實現整體及局部心肌三維應變、應變率、位移、位移速度、扭轉和扭轉率的計算，具有重要的科研和臨床應用價值[2]。然而目前采用CMR組織追蹤技術定量分析健康成年人左心室力學參數的研究較少，且結果存在爭議性，本研究旨在探討左心室整體和局部心肌力學參數的數值及性別差異。

1 對象與方法

1.1 研究對象

連續選取2015年10月至2016年8月于烏爾姆大學醫院進行CMR檢查的健康成年人100例，男、女各50例，年齡20～78歲，平均(49.3±17.0)歲。

納入標準：(1)年齡≥18歲；(2)無心血管疾病病史，CMR提示左心室射血分數(LVEF)≥55%，心指數≥2.5 L·min-1·m-2。

排除標準：(1)靜息狀態下，患者收縮壓≥140 mmHg和(或)舒張壓≥90 mmHg；心率<50或>100次·min-1；(2)存在肺功能不穩定、嚴重腎功能不全[腎小球濾過率估算值(eGFR)<30 ml·min-1]、糖尿病或糖耐量異常、金屬性移植物或異物、幽閉恐懼癥、肥胖[體質指數(BMI)≥30 kg·m-2]、懷孕[1,3]；(3)圖像質量差，難以識別左心室心肌輪廓。

本研究方案已獲得烏爾姆大學醫院倫理委員會批準，檢查者均簽署知情同意書。

1.2 CMR掃描參數

本研究使用荷蘭飛利浦公司的Achieva 1.5 T全身磁共振成像儀，配有32通道心臟相控陣線圈。患者取仰臥位，通過穩態自由進動電影序列和心電門控序列采集左心室基底段到心尖段的短軸位和長軸二腔心、三腔心和四腔心平面的電影圖像，每個心動周期包括32個相位。典型掃描參數：回波時間1.5 ms，重復時間3.0 ms，翻轉角55°，視野大小360 mm×325 mm，空間分辨率1.7 mm×1.7 mm，層厚8 mm，層間距為零。

1.3 心臟形態和功能測量方法

1.4 心臟力學參數定量分析方法

使用DVD將DICOM圖像導入CMR后處理軟件CVI42(版本：5.3.8)進行脫機工作。首先確定左心室舒張末期所在的相位，半自動地在該相位勾畫出長軸和短軸圖像上心內、外膜的位置，并在短軸圖像上標記出左右心室的交界點，在長軸圖像上標記出二尖瓣平面和心尖位置。然后以該相位短軸任意層面為左心室組織追蹤起點，測量應變、位移在收縮期的峰值和應變率、位移速度在收縮期(S)、舒張期(D)的峰值以及扭轉、扭轉率的峰值[6]。

1.5 統計學處理

2 結 果

2.1 男、女性基本臨床資料比較

男性與女性身高、體重、體表面積(BSA)、BMI、左心室質量、LVEDVI、LVESVI和每搏指數的差異具有統計學意義(均P<0.01),年齡、心率、心指數、LVEF的差異無統計學意義，詳見表1。

表1 研究對象基本臨床資料及男、女性的比較

臨床資料總 體男 性女 性P值年齡/歲49．3±17．051．0±17．147．5±16．80．348身高/cm173．2±9．6180．3±6．8166．1±6．1<0．01體重/kg73．4±12．481．7±10．165．2±8．2<0．01BSA/m21．9±0．22．0±0．21．7±0．1<0．01BMI/kg·m-224．4±2．725．1±2．323．6±2．80．007心率/次·min-171．4±11．069．8±11．573．1±10．40．059左心室質量/g92．8±21．4108．8±15．376．9±13．3<0．01LVEDVI/ml·m-274．8±11．879．2±10．170．4±11．9<0．01LVESVI/ml·m-226．4±6．728．5±5．824．4±7．10．002每搏指數/ml·m-248．3±6．750．7±6．146．0±6．6<0．01心指數/L·min-1·m-23．4±0．63．5±0．63．3±0．50．128LVEF/%65．0±5．164．2±4．365．8±5．70．216

2.2 左心室整體心肌應變、應變率的峰值及性別差異

健康成年人左心室整體心肌各方向的應變峰值、收縮期及舒張期應變率峰值如表2所示。女性各方向上應變和應變率峰值的絕對值均高于男性，差異具有統計學意義(P<0.05)。

表2 研究對象左心室整體心肌應變、應變率的峰值及性別差異

應變、應變率總 體男 性女 性P值徑向應變/%44．12±11．7940．04±7．7348．20±13．68<0．001徑向應變率?S/s-12．84±0．882．65±0．773．03±0．940．039徑向應變率?D/s-1-2．93±1．23-2．45±0．65-3．41±1．47<0．001周向應變/%-17．01±2．49-16．29±1．97-17．74±2．750．003周向應變率?S/s-1-1．11±0．27-1．05±0．27-1．17±0．260．008周向應變率?D/s-10．97±0．260．90±0．251．04±0．260．004縱向應變/%-15．49±2．15-14．69±1．73-16．30±2．23<0．001縱向應變率?S/s-1-0．95±0．25-0．88±0．23-1．04±0．250．002縱向應變率?D/s-10．85±0．230．78±0．190．93±0．250．002

2.3 左心室整體心肌位移、位移速度的峰值及性別差異

健康成年人左心室整體心肌各方向的位移峰值、收縮期及舒張期位移速度峰值如表3所示。女性縱向位移速度快于男性，差異具有統計學意義(P<0.05)。

表3 研究對象左心室整體心肌位移、位移速度的峰值及性別差異

位移、位移速度總 體男 性女 性P值徑向位移/mm6．14±0．826．11±0．726．17±0．910．493徑向位移速度?S/mm·s-140．68±8．6540．00±9．2441．37±8．050．154徑向位移速度?D/mm·s-1-34．00±8．67-32．50±8．18-35．51±8．970．058周向位移/mm-0．14±0．07-0．14±0．06-0．15±0．080．371周向位移速度?S/mm·s-1-1．26±0．58-1．26±0．61-1．25±0．560．871周向位移速度?D/mm·s-12．01±0．881．91±0．822．12±0．940．154縱向位移/mm3．73±0．903．56±0．883．90±0．910．061縱向位移速度?S/mm·s-120．96±6．0019．61±5．9422．31±5．800．006縱向位移速度?D/mm·s-1-23．20±7．13-21．53±6．22-24．87±7．650．034

2.4 左心室整體扭轉、扭轉率的峰值及性別差異

左心室整體心肌扭轉、扭轉率如表4所示，男、女性左心室整體扭轉和扭轉率的峰值未見顯著差異。

2.5 左心室局部心肌力學參數的峰值及性別差異

在基底段，女性各方向的應變和收縮期應變率峰值水平均高于男性；在中間段，女性各方向的應變、應變率和縱向位移、位移速度的峰值水平高于男性；在心尖段，女性各方向的應變和應變率峰值水平均高于男性(P<0.05)，詳見表5。

3 討 論

射血分數測定始于20世紀70年代初，反映心臟整體收縮功能，但無法實現心肌局部功能的評價和射血分數保留性心衰、缺血性心肌病的診斷。CMR組織標記技術的標記圖像空間分辨率低，掃描時間長，標記線衰減早，在心肌形變程度測量方面存在局限性。組織追蹤技術作為一種新的CMR圖像后處理技術，可追蹤心肌上各像素點在各相位的位置，定量分析心肌室壁的形變，在射血分數減低前檢測到心肌運動異常。然而利用CMR組織追蹤技術檢測健康人左心室力學參數的研究較少，其正常值大小和性別差異性仍存在爭議。本研究分別對左心室整體和局部力學參數進行分析和比較，得到的數值及結論部分與Andre、Lawton等[1,3,7]一致，部分不同，這可能與樣本納入標準、樣本大小、掃描參數和檢測軟件等[8]相關。

表4 研究對象左心室整體心肌扭轉、扭轉率的峰值及性別差異

扭轉、扭轉率總 體男 性女 性P值扭轉/°·cm-12．65±1．222．75±1．262．56±1．190．486扭轉率/°·cm-1·s-155．54±24．1653．02±22．4458．05±25．750．348

表5 研究對象左心室局部心肌力學參數的峰值及性別差異

局部心肌力學參數基底段中間段心尖段男 性女 性男 性女 性男 性女 性徑向 應變/%48．35±12．4055．51±17．60b29．29±5．8436．05±9．09a50．78±13．5963．60±21．59a 應變率?S/s-13．26±1．533．70±1．41b1．98±0．592．35±0．68a3．41±1．104．00±1．55b 應變率?D/s-1-3．77±1．25-4．49±2．09-2．05±0．62-2．73±0．94a-3．28±1．08-4．73±2．28a 位移/mm7．39±1．037．62±0．945．87±0．775．90±1．085．36±0．965．41±1．13 位移速度?S/mm·s-142．31±11．0045．45±9．62b40．98±9．3641．80±8．9738．97±10．2539．62±11．28 位移速度?D/mm·s-1-41．46±9．85-44．37±11．04-34．01±9．52-38．31±9．91b-31．65±10．00-35．46±13．05周向 應變/%-15．40±1．90-16．93±2．24a-18．45±2．21-20．00±3．24a-15．84±2．30-17．20±3．05b 應變率?S/s-1-0．91±0．24-1．01±0．24b-1．23±0．31-1．35±0．30b-1．08±0．30-1．17±0．32 應變率?D/s-10．89±0．230．98±0．251．10±0．321．29±0．32a0．92±0．301．13±0．41a 位移/mm-0．24±0．12-0．23±0．13-0．16±0．08-0．19±0．11-0．31±0．15-0．31±0．20 位移速度?S/mm·s-1-2．60±1．25-2．79±1．48-1．71±0．85-1．89±1．00-3．32±1．50-3．37±1．83 位移速度?D/mm·s-12．60±1．052．67±1．271．87±0．902．30±1．09b3．06±1．202．99±1．37縱向 應變/%-11．55±2．84-12．82±2．60b-18．00±2．06-19．80±2．84a-16．53±2．62-18．60±2．95a 應變率?S/s-1-0．65±0．34-0．78±0．25a-1．19±0．29-1．34±0．29a-1．07±0．28-1．21±0．32b 應變率?D/s-10．68±0．380．78±0．211．03±0．271．23±0．33a0．99±0．311．26±0．43a 位移/mm6．25±1．116．64±1．133．53±0．923．95±0．93b0．93±0．500．98±0．41 位移速度?S/mm·s-133．41±8．7636．16±9．07b19．68±6．5022．48±6．19a11．14±5．2010．92±5．63 位移速度?D/mm·s-1-36．80±10．25-40．73±10．95-22．64±6．55-27．44±8．92a-7．00±3．73-8．83±3．65a

與男性比較，aP<0.01，bP<0.05

應變和應變率的性別差異可能與心臟形態的性別差異有關。研究表明，衡量心臟形態和功能的大多數指標有性別差異，女性左心室質量、舒張和收縮末期容積及指數、每搏量和心輸出量均低于男性，射血分數差異無統計學差異[13]。該趨勢與本研究結果相同，因此在臨床決策中，不妨分別制定男、女性左心室形態、功能和心肌力學指標的參考值，有助于早期診斷。

左心室的周向扭轉和縱向運動是個極其復雜的過程，各節段的運動隨著時間的變化發生相應的改變，從而實現泵血和應變再分配。在測量收縮期局部周向位移和位移速度時發現：在收縮早期，心肌各部分的周向位移速度均為負值，并迅速達到峰值，提示左心室整體呈逆時針方向旋轉；在快速射血期中期，基底段和中間段的徑向速度迅速減慢并沿著反方向加速，達到最大正值，而心尖段速度依舊為負值，提示基底段和中間段在快速射血期中期調整為順時針旋轉，而心尖段運動方向不變。此外，在測量收縮期局部縱向位移和位移速度時發現：在收縮早期，心肌各部分的位移和位移速度均為正值，提示左心室整體朝向心尖段運動；在快速射血期末，基底段和中間段運動方向不變，速度仍為正值并逐漸減慢，心尖段位移速度變為負值，提示心尖段朝著基底段方向運動。因此，在收縮期末，基底段和中間段達到了縱向位移的峰值，而心尖段的凈位移趨于零。

本研究局限性是為單中心、小樣本研究，未能比較年齡差異性。另外，由于周向扭轉和縱向運動的復雜性，個體間各節段周向位移及位移速度和心尖段縱向位移及位移速度的方向、幅度可表現出不同。本研究中，將上述數值取絕對數后，調整周向位移和收縮期位移速度為負值，舒張期位移速度為正值；縱向位移和收縮期位移速度為正值，舒張期位移速度為負值。盡管有可能引起誤差，但保證了統計的可行性。

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Normal left ventricular mechanical parameters assessed by cardiac magnetic resonance based tissue tracking

(1.SchoolofMedicine,SoutheastUniversity,Nanjing210009,China; 2.DepartmentofInternalMedicineⅡ,UniversityHospitalofUlm,Ulm89081,Germany; 3.DepartmentofCardiology,ZhongdaHospital,SoutheastUniversity,Nanjing210009,China)

cardiac magnetic resonance; tissue tracking; strain; displacement; torsion

R540.4

A