心力衰竭患者心室重構研究技術及現狀

孫瑞雪，劉宇，王恒和

(天津中醫藥大學第一附屬醫院a.心血管科，b.國家中醫針灸臨床醫學研究中心，天津 300380)

心力衰竭是由多種病理因素導致的心臟結構和(或)功能異常改變，進而導致心室收縮和(或)舒張功能障礙的臨床綜合征。心力衰竭是老年人死亡的主要原因之一，隨著年齡增長,心力衰竭的患病率顯著升高。據估算，我國心血管疾病的現患人數為2.9億，其中心力衰竭患者450萬[1]。2000年，我國35～74歲人群的心力衰竭患病率為0.9%，其中男性患病率為0.7%，女性患病率為1.0%；我國北方人群心力衰竭患病率高于南方人群，城市高于農村[2]。目前的心力衰竭指南根據左心室射血分數(left ventricular ejection fraction，LVEF)將心力衰竭分為射血分數降低的心力衰竭(heart failure with decreased ejection fraction，HFrEF)、射血分數保留的心力衰竭(heart failure with preserved ejection fraction，HFpEF)和射血分數中間值的心力衰竭，無論何種類型的心力衰竭，均存在心肌力學性能的改變[3]。

左心室收縮功能是評價患者心功能的重要參數，慢性心力衰竭心肌損害患者存在左心室運動不同步的病理表現，其與慢性心力衰竭患者的心功能下降相關。有研究表明，左心室心肌收縮不同步是判斷慢性心力衰竭患者臨床預后的獨立預測因素，同時也是確定心臟再同步化治療適應證的主要臨床判斷標準[4]。左心室收縮功能對慢性心力衰竭患者的診斷及預后具有重要意義。LVEF下降反映左心室收縮功能，并可進一步加重患者左心室功能的損傷，影響心肌形變能力及左心室的整體應變，故LVEF可以作為判斷心臟功能損害的重要指標之一。LVEF是心血管結局包括全因死亡、心血管死亡、猝死、心力衰竭相關死亡、致命或非致命性心肌梗死以及心力衰竭住院的重要預測因子[5-7]。此外，LVEF也是評估左心室舒張功能的關鍵指標[8]。現就心力衰竭心肌力學形變相關研究予以綜述。

1 心肌的結構

心臟室壁心肌包括斜行及環形心肌纖維，由淺、中、深三層心肌纖維構成。淺層肌束呈左手螺旋狀斜行包繞心室腔，為心外膜下心肌；中層肌束呈環形走行，為心室固有層；深層肌束呈右手螺旋狀斜行包繞心室腔，為心內膜下心肌[9-10]。左心室重構與心肌細胞生物學的相關改變有關[11]。心肌受到力學刺激后,心肌細胞不斷發生重構，心肌纖維的排列逐漸紊亂，心室形態出現異常，心肌形變能力逐漸下降，心肌的壓力與應變力異常，這一系列的變化最終導致LVEF下降，心肌收縮功能受損[12]。

心肌的形變發生在長軸及短軸方向上，長軸方向的形變用縱向(心底-心尖)應變表示，短軸方向的形變用環向(圓周方向)及徑向(向心方向)應變表示，因而可以通過縱向、環向及徑向3個方向上的心肌整體應變來準確評價左心室整體收縮功能。與短軸方向相比，心肌長軸方向的縱行纖維更容易受到心肌舒縮活動異常的影響，且左心室長軸收縮功能的降低并不能為短軸的收縮運動提供代償，表明左心室長軸功能對左心室收縮功能的評價較為重要，因而縱向心肌的形變可作為判斷左心室收縮功能更靈敏的指標。此外，在需要進行心臟移植的晚期收縮性心力衰竭患者中，整體縱向應變是與心肌纖維化程度相關的最準確的左心室整體功能指標[13]。

2 心力衰竭患者心室重構研究技術

2.1超聲斑點追蹤成像(speckle tracking imaging，STI)技術 心臟室壁的多層螺旋交錯分布的心肌纖維通過互相協調產生扭轉運動，在不同方向形成拮抗或擠壓的力量。STI技術根據上述原理，通過心肌纖維在不同方向的運動了解心肌組織的位移及運動情況，并通過左心室扭轉運動情況評估整體心肌功能[14]。STI具有不需依賴角度、簡便、快速、可重復性高的特點，能夠較好地反映左心室的重構狀態，不僅能有效地分析左心室整體及局部的心肌形變能力，評價整體及局部的心肌組織收縮功能，還可定量分析心肌節段性室壁運動的異常，更真實地反映心肌局部收縮功能的變化[15-17]。

實驗證明，STI技術測量局部縱向心肌變形能夠為臨床提供更多危險因素預后信息[18]。STI在預測繼發性心力衰竭的發生方面具有重要作用，臨床可通過STI的預測對潛在繼發性心力衰竭患者進行提前干預[19]。左心室節段收縮功能可通過左心室收縮期徑向應變率反映，左心室整體運動功能可通過左心室長軸整體收縮期應變(global systolic strain，GLS)的最大峰值以及左心室短軸整體收縮期應變的最大峰值——左心室整體環向應變(global circumferential strain，GCS)、左心室整體徑向應變(global radial strain，GRS)等參數反映，進而更加全面綜合地評價左心室收縮功能[20]。STI技術包括二維斑點追蹤成像(two-dimensional speckle tracking imaging，2D-STI)技術和三維斑點追蹤成像(three-dimensional speckle tracking imaging，3D-STI)技術。

2.1.12D-STI技術 心力衰竭患者的左心室功能參數顯著低于正常水平，該參數與疾病嚴重程度成正比[21]。2D-STI能較好地評價心力衰竭患者的左心室收縮功能，進而評價心力衰竭患者的心功能，具有簡便、高效、價廉、無創等優勢，對心力衰竭患者的診斷及預后具有重要臨床意義[22]。2D-STI對LVEF正常的心力衰竭患者的左心室收縮功能異常具有預測作用，因此，當LVEF無明顯改變時，可用2D-STI評估HFpEF患者左心室心肌收縮功能的異常變化[23]。HFpEF患者的左心室長軸縱向應變GLS受損很普遍，即使LVEF正常，也可能存在隱性收縮功能障礙，故可通過2D-STI測量發現異常[24]。研究發現，GLS對急性心力衰竭患者預后的判斷價值較LVEF更大[25]。

莫澤來等[26]研究顯示，HFpEF患者的長軸及徑向應變較健康人顯著降低，且心室收縮功能障礙在心力衰竭早中期已有表現。施龍等[27]研究表明，老年HFpEF患者左心室收縮功能、心肌順應性、各節段心肌徑向峰值應變均降低，但整體心臟收縮功能表現正常。有研究證實，2D-STI可發現HFpEF患者左心室縱向舒張功能的受損以及左心室結構的改變[28]。2D-STI在徑向應變力學方面的測量發現，HFpEF患者收縮期徑向應變率降低，且部分節段降低顯著，表明LVEF正常的HFpEF患者已存在局部心肌收縮功能受損，與HFpEF患者相比，HFrEF患者的收縮期徑向應變率降低更明顯[29]。左心室徑向整體扭動度(radial overall torsion,ROT)是反映心室整體扭轉情況的一項靈敏指標，用心尖及瓣環水平扭轉度的差值來計算。2D-STI可用于左心室整體及局部ROT的評估，孫建設等[30]研究顯示，心力衰竭組ROT值普遍低于健康組，表明ROT減弱同樣可反映左心室功能。

2.1.23D-STI技術 3D-STI以應變為基礎，可對心肌組織的運動信息進行追蹤和反饋，是一種快捷、直觀、可重復評價室壁運動的方法[18]。3D-STI的檢測效果優于2D-STI，為臨床一些領域的左心室力學提供了新見解[31]。與磁共振成像相比，3D-STI所測的大多數患者的左心室體積往往被低估，但其所測LVEF的準確性極高[32]。3D-STI顯示的LVEF值越低，左心室整體應變越小，心肌的形變能力越低[33]。李玉曼等[34]應用3D-STI技術的研究顯示，HFpEF患者的右心室長軸方向應變有所降低。

2.23D室壁運動追蹤(3D-wall motion tracking，3D-WMT)技術 心力衰竭中的心臟重構對心肌力學產生影響，這需要在三維方面進行綜合評價。3D-WMT技術有望通過三維技術來克服角度及平面的限制，用于測定徑向應變。3D-WMT技術將STI技術應用于全容量3D超聲心動圖數據集。在一次性獲取完整體積數據集的前提下，量化左心室參數，包括容積、射血分數、全局和局部三維應變、心內膜區域應變。3D室壁運動追蹤技術可用于可能進展為心力衰竭疾病的檢測和亞臨床心臟功能障礙的監測[35]。與STI技術相比，3D-WMT技術的預測性更強、更先進。但3D-WMT技術用于心力衰竭相關測定的報道很少，其具體應用效果還需后續更多研究驗證。

2.3心臟磁共振成像(cardiac magnetic resonance，CMR)技術 快速應變編碼心臟成像技術(fast strain-encoded cardiac imaging，FAST-SENC)正在成為多中心研究的需高重復性測量的首選成像方式，其成像和分析速度較快，掃描時間僅15 s，后處理時間3～5 min，可完成包括左心室容積、質量、LVEF及整體GLS和GCS的完整定量評估。FAST-SENC用于左心室容積和功能參數的檢測有極高的精確度，特別是GLS和GCS，且教學方便。但FAST-SENC對左心室質量的測量可能不穩定。使用FAST-SENC技術測量發現，HFpEF患者的左心室舒張末期容積指數、LVEF和應變值均顯著低于健康人群[36]。

CMR是最嚴格的評估心臟結構及功能的成像形式之一[37]。CMR的時間和空間分辨率較高，可用來測量左右心室容量、質量及射血分數，能準確直觀地測量出心臟結構及功能的相關信息，進而幫助疾病的診斷及治療。在評估心力衰竭患者左心結構及功能時，CMR與超聲心動圖有較高重合性，是超聲心動圖最好的替代影像學檢查。CMR測得的參數數值明顯低于超聲心動圖，推測超聲心動圖所測數值高估了左心室整體功能，因而認為CMR較超聲心動圖更精準[38]。心力衰竭與進行性心室重構及心肌收縮功能受損有關，在心力衰竭功能損害影像學檢測中，優先使用心臟磁共振特征跟蹤(cardiac magnetic resonance-feature tracking，CMR-FT)技術，CMR-FT是一種常用、快捷、經濟且有效的評估心肌應變方法，可用于監測疾病期間心功能的早期變化[39]。

Ito等[40]采用CMR-FT技術所測數據顯示，HFpEF患者的GLS明顯受損。Tanacli等[41]通過CMR-FT檢測HFpEF、射血分數中間值的心力衰竭、HFrEF三組心力衰竭患者的心肌應變，結果表明，與HFpEF及HFrEF患者相比，射血分數中間值的心力衰竭患者的應變值相對較高；此外，三組患者的GLS均隨病情加重而降低，心內膜下區域較中層心肌或心外膜下區域的應變值更高。研究表明，CMR-FT衍生的多層應變值對于收縮功能的變化跟蹤是可靠的[42]。GCS是最具重復性的變形參數，CMR-FT所測GCS具有一定參考價值，其次CMR-FT所測GLS亦具有一定的參考價值，但CMR-FT所測GRS卻不穩定[43]。CMR具有準確的心肌體積和功能評估的能力，同時還可用于評估心肌灌注和組織組成，較超聲心動圖的優勢更多。與斑點追蹤超聲心動圖技術相比，CMR-FT高估了GRS和GCS、低估了GLS，因此評估心肌應變時，不能將CMR-FT與斑點追蹤超聲心動圖互相替代[44]。因此，CMR-FT作為一種新技術，在重復性方面較傳統超聲心動圖具有一定優勢，但其在短軸方向上的GCS及GRS的不穩定性使其不能代替斑點追蹤超聲心動圖技術，且CMR-FT技術的應用仍需更多研究及相關數據的支持。

3 心力衰竭患者心室重構的其他研究及現狀

心室重構的結構基礎是心肌細胞和細胞外基質的變化[45]。心肌重構由肌細胞和非肌細胞對機械敏感途徑的反應共同調節，這些反應可以改變基因表達，從而改變細胞功能[46]。評估心肌力學和分子過程的成像工具為疾病識別和進展提供了更高的敏感性和特異性。有研究表明，通過3D-STI和混合成像方式[如正電子發射計算機斷層顯像(positron emission tomography，PET)-CT]監測心肌力學和分子過程，可以預測結構及生理異常出現之前的疾病表現[47-48]。此外，PET-CMR也是一種混合成像技術，可同時獲取PET及CMR的數據，具備通過心力衰竭相關生物標志物評估心肌生存狀態的潛力，但成本過高[49]。

基于磁共振心肌特征跟蹤技術的心肌扭轉率峰值和收縮扭轉率峰值的推導具有較高的重復性，而舒張期扭轉率峰值的重復性稍低。圓周-縱向剪切角是與心臟解剖無關的最具重復性的參數，其可能發展為磁共振心肌特征跟蹤技術在長軸方向上量化心臟旋轉力學的重要指標[50]。超聲心動圖心肌速度成像技術可使用機器算法智能學習，通過分析患者靜息和運動時的左心室應變率識別HFpEF患者左心室舒張功能的降低，為臨床心力衰竭的診斷分型提供客觀依據[51]。超聲心動圖可通過測得HFpEF患者的左心室舒張功能降低程度對患者進行心功能分級[52-53]。有研究人員將血清生物標志物(腦鈉肽、可溶性生長因子-2、半乳凝素-3等)與超聲心動圖聯合用于預測不良心室重構，發現超聲心動圖的改變與血清生物標志物的變化相關[54]。慢性心力衰竭患者左心室容積增大，左心室收縮功能降低與左心室收縮不同步有關，而實時三維超聲心動圖可直觀顯示心力衰竭患者心肌非同步運動的程度及范圍，可用于輔助心力衰竭患者治療，是一項定量評價心室壁整體收縮同步運動狀況的新技術[55]。實時三維超聲心動圖技術安全、有效、經濟，能夠準確測量心臟的結構及功能，其測量心臟容積具有很好的重復性，對于改善患者預后具有一定臨床價值[56]。通過實時三維超聲心動圖所測得的心室重構改變有望幫助識別HFpEF亞型，但其與LVEF相關參數的獨立性仍不明確[57]。目前，在臨床心力衰竭患者的診斷中，超聲心動圖及CMR仍發揮重要作用，3D-STI仍處于早期應用階段，雖然具有一定先進性，但也無法避免因操作者等原因導致不可控的誤差[58-60]。

4 小 結

心力衰竭是心室重構的過程，心肌應變可用于反映心肌整體及局部收縮運動的改變。心力衰竭患者的GLS、收縮期徑向應變率及ROT值均有減低。3D-STI測試顯示，LVEF值越低，心室重構能力越差。3D-WMT通過預測可能誘發心力衰竭的潛在疾病，從而為治未病提供可行性。FAST-SENC測得的HFrEF組的左心室體積和質量明顯增加，而CMR-FT可評估不同心肌區域的大范圍差異。綜上，心力衰竭患者的左心室心肌順應性、縱向舒縮功能均減低，左心室整體應變低于健康人群。此外，具更高敏感性的基于基因水平的新興技術——PET和實時三維超聲心動圖可通過測定心臟的結構及功能提供心肌運動水平的相關參數。隨著上述技術和方法的逐漸應用以及醫療技術水平的不斷進步，心力衰竭的進程可能被逆轉，通過檢測相關心室重構及力學變化可預測心力衰竭的發生、發展及預后，從而為臨床研究提供參考。