左心功能评价影像学研究进展

蒋 健，牛娟琴，叶建军，刘光耀，韩月东，马强华

（1.兰州军区兰州总医院影像诊断科，甘肃 兰州 730050；2.兰州大学第二临床医学院，甘肃 兰州 730000）

随着膳食结构和健康模式的改变，人均寿命的延长，心脏疾病的社会负担正在不断加重。通过现有影像学方法，早期、无创、准确的评估心脏功能，对指导临床治疗及预后有重要意义。计算机软件和硬件技术的快速发展，使得多种影像学方法可以在获得心脏形态结构的同时，获取心室容积（Ventricular volume，VV）、射血分数（Ejection fraction，EF）等心功能指标，为临床提供更多有参考价值的诊断信息。

1 常用左心功能评价指标及意义

左室收缩功能 （Left ventricular systolic function（SFx））指标：左心室容积（Left ventricular volume，LVV）、左室射血分数（Left ventricular ejection fraction，LVEF）是评估左室收缩功能的指标。其中，LVV包括左室舒张末期容积（Left ventricular end-diastolic volume，LVEDV）、左室收缩末期容积（Left ventricular end-systolic volume，LVESV），两者都是评价左心室形态功能最基本的指标，也是获得其它重要指标的基础，如EF、每搏输出量（Stroke volume，SV）、心输出量（Cardiac output，CO）等。在很多心脏疾病中左室收缩功能异常较其它左心功能指标异常出现早，如冠心病、先心病、心脏瓣膜病及高血压心脏病、糖尿病心肌病等[1]。尽管LVV及EF的改变并不与临床症状、运动耐力、心肌耗氧量水平完全一致，但却为临床提供了重要的预后信息。

时间相关性指标及时间-容积曲线：高峰充盈率（Peak filling rate，PFR）、高峰收缩率（Peak ejection rate，PER）、高峰充盈时间（Time to peak filling，TTPF）等是时间相关性指标。PFR是心室舒张阶段容积变化的最大速率，用EDV/s表示，作为瞬间动态指标，反映心脏的整体舒张功能，是心肌缺血最敏感的指标之一。PER是心室收缩阶段容积变化的最大速率，用ESV/s表示，PER不如PFR敏感，临床不常用[2]。时间相关性指标可以早期发现心室射血和充盈异常，便于区分单纯收缩、舒张功能障碍或者联合功能障碍。由于ESV、EDV、EF等指标是由左室轮廓在心动周期的两个关键期相 （收缩末期、舒张末期）的变化决定的，仅能反映这两个期相VV的变化，而时间-容积曲线可以反映整个心动周期中连续的LVV变化，对左室功能可以进行更详细的定量分析，对疾病演变、治疗反应等进行更准确的判断[3]。

SV是指一个心动周期内心室射出的血液量，是反映心肌收缩强度和速度的重要指标，SV=EDV-ESV。CO：心室每分钟射出的血液量，CO=SV×HR。

2 左心功能评价的影像学方法及其应用

根据创伤程度，将评估心室功能的影像学方法分为有创性和无创性检查。其中，传统X线心血管造影、经食管超声心动图等属于有创性检查，而经胸超声心动图、心脏MRI（CMR）、心血管核素显像以及CT心血管成像（CCTA）等属于无创性检查。其中传统X线心血管造影和经胸超声心动图临床应用最广泛。

心脏CT及MRI检查采用心电触发及门控技术。由于前瞻性心电门控不能覆盖收缩及舒张末期，不适用于心功能评价。回顾性心电门控使用R波反向门控，数据采集的同时对心电图进行记录，可显示心动周期内所有动态过程，已成为现今心血管成像常用的心电门控技术[4]。

2.1 多排及双源CT评价左心功能

目前64排CT设备仍然是临床行CT冠状动脉成像（CT coronary angiography，CTCA）检查的主流机型[5]。有学者[6-8]研究发现64排CT与MRI评价左心功能指标有良好的相关性（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测值与超声心动图（r=0.87，P<0.0001）和SPECT（r=0.91，P<0.0001）相关性很好。CT和CMR测量EF标准差显著小于超声心动图、SPECT（P<0.005）。64排CT心脏电影的图像质量显著低于CMR，说明其时间空间分辨率仍较低，即使应用了节段重建算法，依然不够理想。一项针对MDCT与CMR的Mate分析也证实MDCT对收缩末期心室容积的高估，导致EF的减低[9]。

320排CT拥有16 cm宽探测器，可以单次扫描一个心动周期获取全心图像，明显减少屏气时间，减少呼吸伪影、轴向阶梯伪影。尽管单圈扫描320排CT的时间分辨率（175 ms）较双源CT（83 ms）长，但是相对于z轴的扫描，320排CT获得了更高的空间分辨率和时间一致性，达到了心室各节段各时同性、各向同性。Nasis等[10]以二维超声心动图为参照，用320排CT对可疑和已知冠心病患者的心功能进行评价，发现两者在评估 EDV （r2=0.88，P<0.001）、ESV （r2=0.95，P< 0.001）及EF（r2=0.90，P<0.001）时有显著的相关性，测得LVV较二维超声测值稍大。

双源CT单扇区时间分辨率为83 ms，使用多节段重建算法可达42 ms，可以在不控制心率的情况下完成CTCA。由于采用螺旋扫描和回顾性心电门控技术，影像数据是连续无间断地采集，故利用双源CTCA的原始数据可以进行心功能的评估。Brodoefel等[3]用双源CT与CMR对照评估整个心动周期中左室收缩功能和时间相关性指标，发现两种检查方法的收缩功能指标具有很高的相关性：EDV （r=0.98）、ESV （r= 0.99）及EF（r=0.95），EF测量系统误差<1%，同时时间相关性指标也有较好的相关性：PER（r=0.79）、PFR（r=0.84），而射血峰值时间、TTPF两者仅有中等相关性（r=0.68、r=0.64）。研究还发现双源CT存在对EDV、ESV的轻微高估，并指出双源CT时间分辨率的不足不是导致两种检查方法测得EDV和ESV差异的原因。

在CCTA检查中，心肌和血池间对比度不同，CT勾画心内膜时由于部分容积效应，会将靠近心腔的部分心肌勾画入内，造成对ESV及EDV的高估。与CMR相比，时间分辨率对评估的准确性有很大影响，时间分辨率不足，导致收缩末期捕捉不完整。研究认为，时间分辨率≤50 ms是定量评价心功能的理想值[3]。

CCTA检查中，辐射剂量受到广泛关注。管电流调制技术的使用，可以有效减小辐射剂量，但也会导致CT图像质量下降。使用心电门控（ECG-gated）可使剂量减少47%[11]。多中心研究表明[3]，16排、64排和双源CT的CCTA中位有效剂量是12 mSv（8～18 mSv。CCTA辐射剂量的独立影响因素有患者的体重、心律、管电流调制技术、管电压、前瞻性心电门控扫描模式、检查技师的经验、每月患者数量和CT机型。由此可见，除了硬件设备和CT技术以外，技师的经验和熟练程度也是影响CCTA辐射剂量的重要因素。

为了降低运动伪影的影响，减少记录心动周期的数量，从而降低辐射剂量，可以使用β受体阻滞剂等减慢心率。320排CT及64排CT在检查时均需控制患者心率，320排CT在患者心率在70 bpm以下、80 bpm以上时成功率较高，图像质量较佳，介于两者之间的患者需要回顾性扫描的次数更多[10]。但是人为降低心率也会改变心功能参数，从而不能反映真实的心脏运动状态及心功能[12]。此外，不同呼吸-屏气方式对心率也有影响[13]，检查前对病人进行呼吸训练，采用最能减低心率的呼吸-屏气方式平均可以减慢心率5 bpm，当然，注射造影剂时患者情绪波动、团注导致的应激及造影剂副作用可能会影响患者平稳心率的保持。

2.2 超声心动图评价左心功能

超声心动图是目前最常用的评估心功能的检查方法。二维超声心动图基于几何假设进行计算，方法的局限及单层面成像影响了评估的准确性。三维超声心动图 （Three dimensional echocardiography，3DE）显示整个心室的立体三维结构，不依赖几何形状的假设评价心功能。实时三维超声心动图 （Real-time 3-dimensional echocardiographic，RT-3DE）用于评价心功能的同时，在检测缺血性心肌病和室壁运动异常中也得到应用[14]。多项研究证实3DE较二维超声心动图更准确，与金标准CMR的一致性更高，可重复性也近似于CMR[15]。Mor-Avi等[16]的多中心研究表明3DE获得的LVV与CMR有显著的相关性（EDV：r=0.91，ESV：r=0.93），但总体来说约有26%～29%的测值较CMR低，偏倚程度与检查者的经验呈反比。Sugeng等[17]研究发现3DE较CT评估VV和EF更准确，3DE连续观察可以识别LVV的细微变化，尽管CCTA在测量LVV时有很高的重复性，但是测值明显大于CMR测值。RT-3DE的LVV测值与CCTA相比，虽然有较高的变异度，但是与CMR测值的相关性更高。3DE测量LVV时，由于部分患者心内膜显示欠佳，不能准确勾画出心内膜轮廓，导致测量误差。van der Heide等[18]对比了应用超声造影剂前后测量LVV的准确性，发现使用造影剂有利于勾画心内膜轮廓，但同时也指出造影后测得的LVV较未用造影剂的测值显著增大，说明目前超声造影剂的使用并不能提高LVV测量的重复性。超声造影、声学定量、组织多普勒、负荷超声等超声心动图新技术与RT-3DE相结合，有助于改善图像质量，但在技术方面仍有待完善。

2.3 MRI评价左心功能

由于CMR有较高的空间时间分辨率、良好的图像对比度、较少的伪影，已成为评估左室收缩功能的重要方法，临床上CMR常用于识别缺血性和非缺血性心肌病[19]。采用心电门控多时相采集电影回放的MRI技术测量心脏功能有多次屏气法、单次屏气法和非屏气法，以多次屏气法最常用，对于不能配合的患者，可以选择非屏气法。应用非屏气法和多次屏气法电影MRI评价左心功能的研究表明[20]，非屏气法所得图像的信噪比稍差于屏气法，但轮廓仍清楚，不影响观察描记，两者测量指标间无明显差异。Vandsburger等[21]对心肌梗死后患者和实验鼠的收缩末期及舒张末期CMR图像对比研究表明，CMR可以直观地反映临床和临床前实验中室壁增厚和左室功能的变化。

MRI心功能测量的时间分辨率与总成像时间相互制约。由于CMR扫描时间长，对心律失常患者成像困难；勾画心内膜至心尖或心底时产生的部分容积效应影响勾画的准确性；屏气时心脏位置的轻微变化及收缩期心室的跨平面运动等对测量精度的影响，使它金标准的地位尚有缺憾[22-23]。另外，心电门控中应用的ECG设备存在多种干扰MR系统在心动周期中同步采集数据的因素。心音心脏触发（ACT）可以作为一种替代技术。Becker等[24]对正常志愿者进行初步研究，结果较为理想，但是目前对心脏瓣膜病患者、胎儿等尚难使用。7.0T CMR[25]的应用初具端倪，但是由于使用安全性等尚未明确，有待于技术的发展。

2.4 核素心功能显像

核素心功能显像是临床了解患者心功能的重要方法。它不仅可以定量分析各种心功能参数，还可以形象、直观地显示心室局部和整体的收缩、舒张运动情况，观察心肌活性。设备主要有正电子发射计算机断层 （Positron emission tomography，PET）、单光子发射计算机断层（Single-photon emission computed tomography，SPECT）等。SPECT显像过程繁琐，操作流程较长（2～4 h），存在衰减伪影并可能低估缺血的严重程度，同时解释病变缺乏说服力[26]。而PET提高了时间空间分辨率，改善了图像质量，通过精确地衰减校正提高了诊断精度，简化了操作流程，在心脏显像方面较SPECT有明显优势[27]。

门控FDG PET时间分辨率较低，存在小的系统性误差，但是与CMR评估LVV和EF有良好的相关性（EDV：r=0.96，ESV：r=0.97，EF：r=0.95），而且门控FDG PET没有低估EDV或高估ESV的明显趋势，但会低估EF值[28]。32帧门控SPECT在静息状态下测量PER、PFR和TTPF与CMR有良好的相关性，负荷状态下，虽然两者的一致性较好，但存在一定的变异度（20%～25%）；测量LVV方面，静息与负荷状态下两者的一致性均较差（Bias：30%～40%）[29]。

对于性别、年龄、体重、体表面积等因素对左室收缩功能的影响，SPECT已有初步的研究[30]。EF值女性较男性高约8%，可能的原因是部分女性EF值较男性略大，另外由于女性心脏较小，部分容积效应也会影响测值。Chung等[31]发现QGS（Quantitative Gated SPECT）算法会低估较小的心腔容积。Hacker等[32]也发现性别因素对所有左心功能指标均有影响。

患者年龄、身高的影响虽有报道[30]，但作用及影响不确切。目前已知的是年龄、身高与EF无显著相关性。另外女性的ESV显著小于男性，包括经体表面积标准化后的ESV，而标准化可能导致ESV变化的敏感性减低，最大可低估ESV约16%。

随着影像技术在临床应用的逐步深入，影像学评估心功能的研究方向已经向贴近临床和分层研究转变。已有对近期ST段抬高心肌梗死、先心病、冠状动脉粥样硬化性心脏病、心肌梗死及梗死后心肌重塑等患者以及不同样本量的健康人群进行的心功能评价研究。对可疑和已知冠心病患者超声和MDCT心功能的对比已有报道，但是对于可疑冠心病患者的MR及320排CT心功能评价研究仍较少。对于影响LVEF、LVESV等左室收缩功能指标的因素研究，仅SPECT有初步报道，其它影像学方法未见相似研究。

多种影像学方法都能够在观察左心室解剖形态的同时，评估心室功能，为心脏疾病的诊断、治疗提供参考信息，需要在临床工作中依据各种检查方法的特点合理使用。贴近临床和分层研究是未来的趋势，不断细化研究方向，增强研究人群的针对性，有助于临床工作以及经验总结。

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