三維斑點追蹤技術評價-30°頭低位心肌功能適應性改變的研究

左曉文，臧 峰，宋晉忠，黃澤民，馮金升，張成普，仲崇發，吳 斌*

(1.中國人民解放軍戰略支援部隊特色醫學中心 超聲診斷科，北京100101；2.北京體育大學，北京100084；3.中國航天員科研訓練中心，北京100094)

重力對血流動力學具有重要作用，重力狀態變化會導致心肌功能發生適應性改變。在航空航天領域，頭低位傾斜(HDT)被廣泛用于模擬失重環境。當頭部向低位傾斜時，血液及體液向頭胸部轉移,刺激壓力感受器，導致靜脈回流增加，即心臟前負荷增加。急性HDT主要表現為心率和平均動脈壓降低，每搏輸出量增加[1]，但急性HDT狀態下心臟功能的變化特點及代償機制還尚不清楚。三維斑點追蹤技術(3D-STE)作為近年來發展的一項評價心功能的新技術，能夠在三維空間中追蹤聲學斑點獲取心肌運動軌跡，準確評價心肌的局部及整體應變力學改變，從而有效評估心臟的整體和局部功能[2]。目前應用3D-STE技術評價心臟在重力改變后心肌改變的研究較少，本研究擬用3D-STE技術，測量左心室心肌整體應變參數，旨在明確模擬失重環境下短期心臟功能調節變化特點，為航空航天心臟保護提供理論依據。

1 對象與方法

1.1 研究對象

招募普通男性志愿者18名，其中2人圖像質量較差(兩個左心室壁節段心內膜顯示不清)被排除，其中1人因自覺無法堅持而終止。納入研究的15名受試者中，平均年齡24.4±4.4周歲，平均身高174.9±5.9 cm,平均體重72.5±9 kg。身體健康，無慢性疾病。經臨床實驗室、超聲心動圖、運動心電圖等檢查排除高血壓、冠心病、心臟瓣膜性疾病、先天性心臟病、甲亢、下肢靜脈曲張及心率失常者等疾病。

1.2 方法

志愿者在自行研制的自動體位旋轉床上以水平臥位靜臥10 min，然后轉動傾斜床至-30°的位置上，志愿者維持-30°頭低位45 min，然后恢復為水平位靜臥5 min結束實驗。分別在靜臥位(為對照值)、頭低位第15、30和45 min以及恢復期5 min采集常規超聲心動圖參數、3D-STE參數，實驗全程監控志愿者的心率和血壓。

1.3 測試指標

1.3.1心臟機能指標 采用美國SunTech Tango運動血壓監護儀獲取頭低位前靜息狀態、頭低位過程中第15、30、45 min以及恢復期5 min的心率和血壓。

1.3.2心臟功能指標 使用美國GE Vivid E95彩色多普勒超聲診斷儀，配備M5S探頭，頻率在1.5-4.5 MHz之間，4V-D探頭，頻率在1.7-3.3 MHz之間。囑被檢查者均取左側臥位，連接心電圖，采用M5S探頭行常規超聲掃查。4V-D探頭采集三維圖像。

1.3.2.1常規超聲心動圖指標 對各組受試者左室長軸切面測量舒張末期左室內徑(LVEDD)、舒張末期室間隔厚度(IVSTd)及左室后壁厚度(PWTd)、左室射血分數(LVEF)、每搏輸出量(SV)及心輸出量(CO)；心尖四腔心切面測量二尖瓣口舒張早期與晚期血流速度峰值E峰、A峰血流速度并計算E/A，二尖瓣瓣環間隔舒張早期速度(e′)。

1.3.3.2左心室3D-STE指標 實時三維成像模式下啟動三平面成像模式，在心尖部調整探頭角度與位置，同時獲得清晰心尖四腔、三腔及二腔圖像，連續采集3個心動周期的超聲圖像，幀頻>35幀/s，將上述所有圖像導入ECHO PAC110工作站分析，運用4D Auto LVQ系統分析三維左心室全容積圖像，軟件自動分析，獲得三維左心室收縮功能參數：整體縱向應變(GLS)、整體圓周應變(GCS)、整體面積應變(GAS)、左室整體旋轉角度峰值(Rot)及左室整體扭力(Tortion)。

1.4 統計學處理

2 結果

2.1 受試者心率和血壓指標

受試者頭低位前后心率和血壓變化情況見表1。結果顯示：HR、SBP、DBP在45 min-30°HDT與安靜時對比均沒有顯著性差異(P>0.05)。

表1 受試者心率和血壓數值

2.2 受試者常規超聲指標

受試者頭低位前后LVEF，SV,CO變化情況結果顯示：LVEF在45 min時與安靜時刻對比顯著性降低(P<0.05)，SV在30 min時與安靜對比非常顯著性地降低(P<0.01)，45 min和恢復后顯著性降低(P<0.05)，見表2、3。

表2 受試者常規超聲指標數值

2.3 受試者左室整體應變率

受試者頭低位前后GPSL，GCS，GAS，Rot，Tortion變化情況結果顯示：GPSL在30 min后與安靜時刻對比應變率顯著降低(P<0.05) ，恢復后與安靜時刻對比應變率非常顯著性降低(P<0.01)，見表4。

表3 受試者靜息狀態常規超聲指標

表4 受試者左室整體應變率數值

2.4 3D-STE整體應變指標與LVEF相關性分析

3D-STE左室整體應變指標與LVEF相關性分析，結果顯示：安靜時刻GLS與LVEF相比存在非常顯著負相關(r=-0.656，P<0.01)，GAS與LVEF相比存在負相關(r=-0.439，P<0.05)。第15 min和第30 min時GLS與LVEF存在負相關(r=-0.589，r=-0.621，P<0.05)，見表5。

表5 受試者3D-STE左室整體應變指標與LVEF相關性分析

2.5 3D-STE整體應變指標與CO相關性分析

3D-STE左室整體應變指標與CO相關性分析，結果顯示：安靜時刻GLS與CO相比存在非常顯著負相關(r=-75，P<0.01)，GAS與CO相比存在負相關(r=-0.518，P<0.05)。第30 min時GLS與CO存在負相關(r=-0.448，P<0.05)，GAS與CO存在負相關(r=-0.277，P<0.05)，見表6。

表6 受試者3D-STE左室整體應變指標與CO相關性分析

3 討論

在中、長期航天飛行中，由于重力缺失、活動減少、代謝需求降低，機體維持在低動力狀態，心臟也適應性地處于低動力水平，從而使心肌結構發生退行性改變，收縮力下降，泵血能力降低，心肌做功減少，心肌萎縮，這些變化可能是引起心血管脫適應產生的重要原因[3]。既往航天飛行任務中的超聲心功能檢測發現，航天飛行導致心臟功能降低，左室順應性下降，充盈壓升高，心肌質量下降[4]。應用二維斑點追蹤分析健康青年受試者在急性失重狀態特點，發現隨著失重程度的增加，左房容積不斷增大，排空功能代償性增加，提示心臟有充足儲備能力對應急性失重所致的快速負荷改變[5]。

Torrent-Guasp[6]提出了“螺旋心肌帶理論”，即心臟是由一條心肌纖維螺旋纏繞形成，這條心肌纖維起自肺動脈，止于主動脈，并形成兩個環。上部的基底環(BL)和下部的心尖環(AL)共同構成一個“8”字形的雙螺旋結構[7-8]。因此解剖結構上心外膜的心肌纖維呈左手螺旋狀走行,心內膜的心肌纖維呈右手螺旋狀走行,中層心肌纖維呈環形走行。左心室收縮是一個復雜的空間形變運動，不同心肌纖維的排列決定了心肌的運動形式，即包括長軸方向的縱向運動，短軸方向的徑向運動和圓周運動[9]。此外，正常心肌在收縮過程中呈“扭毛巾樣運動”，心肌的旋轉和扭轉與心肌纖維的復雜排列相關，具體表現為從心尖向心底方向看，收縮期心尖呈逆時針方向旋轉，心底呈順時針方向旋轉。舒張期心尖呈順時針方向旋轉，心底呈逆時針方向旋轉[10]。心肌收縮期扭轉完成射血，舒張期通過解旋完成充盈，因此旋轉和扭轉指標與心臟的舒縮功能密切相關[11]。

二維斑點追蹤成像(2D-STE)可以較準確地定量評價心臟功能。但由于是在不同心動周期的單個平面分析心肌應變和扭轉，影響測量和計算結果的準確性，并限制其應用范圍。3D-STE技術可以在三維空間中識別并追蹤心肌斑點的運動軌跡[12]，獲取同一心動周期心肌各節段的運動信息，對心肌形變在空間中立體運動進行測量，通過計算整體或局部的心肌形變，從機械力學的角度來更準確地評價心臟整體及局部收縮功能[13-14]。且不受心室幾何形態的影響，更真實的反映心室收縮功能，尤其對復雜的左室收縮功能，彌補了2D-STE不能測量右室收縮功能的局限性。

本實驗探究急性-30°HDT狀態下心臟各功能指標變化，并利用3D-STE技術優勢明確血液向頭部轉移前負荷增加情況下的心肌形變情況，發現在急性HDT-30°狀態下，心率、血壓均未出現顯著性變化，說明普通健康男性青年心臟能夠快速適應失重狀態，承受急性HDT模擬失重帶來的心血管影響。

微重力對心血管系統的影響十分顯著，由于重力的急劇變化，體內液體的靜水壓力梯度發生劇烈變化，突然暴露在微重力狀態下會導致液體從下肢向頭部和胸部急劇流動，改變中心充盈壓和容量。

頸內動脈是連接大腦與心臟的橋梁血管，18%-26%的心輸出量流經頸內動脈灌溉大腦[15]，頸內動脈和椎動脈供應大腦血液，本研究中頸內動脈血流量在頭低位開始及結束階段均出現降低，盡管每分鐘搏出量未發生明顯變化，頭低位過程中GPSL逐漸降低，在30 min時出現顯著性變化，這可能是由于在重力改變即刻頭頸部血容量增加，下肢血容量減少，中心靜脈壓增加觸發一系列調節機制，血液重新分布和顱內壓調節，使血容量發生代償性減少，心臟每搏量稍降低，導致心肌收縮減低，尤其以縱向運動減少為著。GPSL比GCS和GAS更為敏感反映心臟收縮功能的改變，該指標可作為3D-STE評價-30°HDT的敏感指標。整體面積應變反映左心室心內膜在收縮及舒張過程中的形變程度,即心內膜面積從初始面積到形變后的面積變化率,當左心室收縮時，心內膜表面積因縱向和圓周縮短和徑向心肌增厚而減小。GAS綜合了縱向和圓周形變，因此能更全面、準確地評價左室收縮功能[16]。此外，心臟作為一個有機功能體，心臟在收縮期還沿長軸方向做扭轉運動，心尖部相對于基底部的旋轉,形成了左室心肌的扭轉運動，左心室的扭轉、旋轉運動在心臟射血及充盈過程中起到重要作用[12]。本研究中，GCS、GAS 及扭力均未發生明顯改變，說明心臟在短期重力改變下通過生理性調節，短軸縮短程度和心臟旋轉未受到影響，完成有效射血。

4 結論

頭低位過程中，心肌收縮減低，尤其以縱向運動減少為著。GPSL比GCS和GAS更為敏感反映心臟收縮功能的改變，該指標可作為3D-STE評價-30°HDT的敏感指標。