应用组织追踪技术分析健康人左心室心肌力学参数

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

(1.东南大学 医学院，江苏 南京 210009； 2.乌尔姆大学医院 内科Ⅱ，德国 乌尔姆 89081；3.东南大学附属中大医院 心血管内科，江苏 南京 210009)

·论 著·

应用组织追踪技术分析健康人左心室心肌力学参数

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

(1.东南大学 医学院，江苏 南京 210009； 2.乌尔姆大学医院 内科Ⅱ，德国 乌尔姆 89081；3.东南大学附属中大医院 心血管内科，江苏 南京 210009)

目的：分析健康成年人左心室整体和局部心肌力学参数及性别差异。方法：连续选取2015年10月至2016年8月于乌尔姆大学医院进行1.5 T心脏磁共振检查的健康成年男、女性各50名。进行稳态自由进动序列成像并半自动地勾画出左心室心内、外膜位置后，使用组织追踪技术测量左心室整体和局部(基底段、中间段和心尖段)心肌在径向、周向和纵向的应变、应变率、位移、位移速度、扭转和扭转率峰值，采用t检验或非参数检验比较性别差异。结果：(1)女性整体和局部心肌应变、应变率的峰值水平均高于男性；(2)女性中间段心肌纵向位移的峰值水平高于男性；(3)女性整体和中间段心肌纵向位移速度的峰值水平高于男性；(4)扭转和扭转率均未见显著性别差异。结论：女性左心室整体和局部的部分力学参数水平高于男性。

心脏磁共振； 组织追踪技术； 应变； 位移； 扭转

心脏磁共振(cardiac magnetic resonance, CMR)由于其大视野、高空间分辨率和无放射性等优点，成为心脏结构和功能检查的金标准，有助于冠心病和心肌病的早期诊断和治疗[1]。近年来，组织追踪(tissue tracking)技术通过追踪CMR稳态自由进动序列长、短轴位电影图像上心肌像素点的位置和使用一系列算法，实现整体及局部心肌三维应变、应变率、位移、位移速度、扭转和扭转率的计算，具有重要的科研和临床应用价值[2]。然而目前采用CMR组织追踪技术定量分析健康成年人左心室力学参数的研究较少，且结果存在争议性，本研究旨在探讨左心室整体和局部心肌力学参数的数值及性别差异。

1 对象与方法

1.1 研究对象

连续选取2015年10月至2016年8月于乌尔姆大学医院进行CMR检查的健康成年人100例，男、女各50例，年龄20～78岁，平均(49.3±17.0)岁。

纳入标准：(1)年龄≥18岁；(2)无心血管疾病病史，CMR提示左心室射血分数(LVEF)≥55%，心指数≥2.5 L·min-1·m-2。

排除标准：(1)静息状态下，患者收缩压≥140 mmHg和(或)舒张压≥90 mmHg；心率<50或>100次·min-1；(2)存在肺功能不稳定、严重肾功能不全[肾小球滤过率估算值(eGFR)<30 ml·min-1]、糖尿病或糖耐量异常、金属性移植物或异物、幽闭恐惧症、肥胖[体质指数(BMI)≥30 kg·m-2]、怀孕[1,3]；(3)图像质量差，难以识别左心室心肌轮廓。

本研究方案已获得乌尔姆大学医院伦理委员会批准，检查者均签署知情同意书。

1.2 CMR扫描参数

本研究使用荷兰飞利浦公司的Achieva 1.5 T全身磁共振成像仪，配有32通道心脏相控阵线圈。患者取仰卧位，通过稳态自由进动电影序列和心电门控序列采集左心室基底段到心尖段的短轴位和长轴二腔心、三腔心和四腔心平面的电影图像，每个心动周期包括32个相位。典型扫描参数：回波时间1.5 ms，重复时间3.0 ms，翻转角55°，视野大小360 mm×325 mm，空间分辨率1.7 mm×1.7 mm，层厚8 mm，层间距为零。

1.3 心脏形态和功能测量方法

1.4 心脏力学参数定量分析方法

使用DVD将DICOM图像导入CMR后处理软件CVI42(版本：5.3.8)进行脱机工作。首先确定左心室舒张末期所在的相位，半自动地在该相位勾画出长轴和短轴图像上心内、外膜的位置，并在短轴图像上标记出左右心室的交界点，在长轴图像上标记出二尖瓣平面和心尖位置。然后以该相位短轴任意层面为左心室组织追踪起点，测量应变、位移在收缩期的峰值和应变率、位移速度在收缩期(S)、舒张期(D)的峰值以及扭转、扭转率的峰值[6]。

1.5 统计学处理

2 结 果

2.1 男、女性基本临床资料比较

男性与女性身高、体重、体表面积(BSA)、BMI、左心室质量、LVEDVI、LVESVI和每搏指数的差异具有统计学意义(均P<0.01),年龄、心率、心指数、LVEF的差异无统计学意义，详见表1。

表1 研究对象基本临床资料及男、女性的比较

临床资料总 体男 性女 性P值年龄/岁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体重/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左心室质量/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每搏指数/ml·m-248．3±6．750．7±6．146．0±6．6<0．01心指数/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 左心室整体心肌应变、应变率的峰值及性别差异

健康成年人左心室整体心肌各方向的应变峰值、收缩期及舒张期应变率峰值如表2所示。女性各方向上应变和应变率峰值的绝对值均高于男性，差异具有统计学意义(P<0.05)。

表2 研究对象左心室整体心肌应变、应变率的峰值及性别差异

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

2.3 左心室整体心肌位移、位移速度的峰值及性别差异

健康成年人左心室整体心肌各方向的位移峰值、收缩期及舒张期位移速度峰值如表3所示。女性纵向位移速度快于男性，差异具有统计学意义(P<0.05)。

表3 研究对象左心室整体心肌位移、位移速度的峰值及性别差异

位移、位移速度总 体男 性女 性P值径向位移/mm6．14±0．826．11±0．726．17±0．910．493径向位移速度⁃S/mm·s-140．68±8．6540．00±9．2441．37±8．050．154径向位移速度⁃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纵向位移/mm3．73±0．903．56±0．883．90±0．910．061纵向位移速度⁃S/mm·s-120．96±6．0019．61±5．9422．31±5．800．006纵向位移速度⁃D/mm·s-1-23．20±7．13-21．53±6．22-24．87±7．650．034

2.4 左心室整体扭转、扭转率的峰值及性别差异

左心室整体心肌扭转、扭转率如表4所示，男、女性左心室整体扭转和扭转率的峰值未见显著差异。

2.5 左心室局部心肌力学参数的峰值及性别差异

在基底段，女性各方向的应变和收缩期应变率峰值水平均高于男性；在中间段，女性各方向的应变、应变率和纵向位移、位移速度的峰值水平高于男性；在心尖段，女性各方向的应变和应变率峰值水平均高于男性(P<0.05)，详见表5。

3 讨 论

射血分数测定始于20世纪70年代初，反映心脏整体收缩功能，但无法实现心肌局部功能的评价和射血分数保留性心衰、缺血性心肌病的诊断。CMR组织标记技术的标记图像空间分辨率低，扫描时间长，标记线衰减早，在心肌形变程度测量方面存在局限性。组织追踪技术作为一种新的CMR图像后处理技术，可追踪心肌上各像素点在各相位的位置，定量分析心肌室壁的形变，在射血分数减低前检测到心肌运动异常。然而利用CMR组织追踪技术检测健康人左心室力学参数的研究较少，其正常值大小和性别差异性仍存在争议。本研究分别对左心室整体和局部力学参数进行分析和比较，得到的数值及结论部分与Andre、Lawton等[1,3,7]一致，部分不同，这可能与样本纳入标准、样本大小、扫描参数和检测软件等[8]相关。

表4 研究对象左心室整体心肌扭转、扭转率的峰值及性别差异

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

表5 研究对象左心室局部心肌力学参数的峰值及性别差异

局部心肌力学参数基底段中间段心尖段男 性女 性男 性女 性男 性女 性径向 应变/%48．35±12．4055．51±17．60b29．29±5．8436．05±9．09a50．78±13．5963．60±21．59a 应变率⁃S/s-13．26±1．533．70±1．41b1．98±0．592．35±0．68a3．41±1．104．00±1．55b 应变率⁃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 应变/%-15．40±1．90-16．93±2．24a-18．45±2．21-20．00±3．24a-15．84±2．30-17．20±3．05b 应变率⁃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 应变率⁃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纵向 应变/%-11．55±2．84-12．82±2．60b-18．00±2．06-19．80±2．84a-16．53±2．62-18．60±2．95a 应变率⁃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 应变率⁃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

与男性比较，aP<0.01，bP<0.05

应变和应变率的性别差异可能与心脏形态的性别差异有关。研究表明，衡量心脏形态和功能的大多数指标有性别差异，女性左心室质量、舒张和收缩末期容积及指数、每搏量和心输出量均低于男性，射血分数差异无统计学差异[13]。该趋势与本研究结果相同，因此在临床决策中，不妨分别制定男、女性左心室形态、功能和心肌力学指标的参考值，有助于早期诊断。

左心室的周向扭转和纵向运动是个极其复杂的过程，各节段的运动随着时间的变化发生相应的改变，从而实现泵血和应变再分配。在测量收缩期局部周向位移和位移速度时发现：在收缩早期，心肌各部分的周向位移速度均为负值，并迅速达到峰值，提示左心室整体呈逆时针方向旋转；在快速射血期中期，基底段和中间段的径向速度迅速减慢并沿着反方向加速，达到最大正值，而心尖段速度依旧为负值，提示基底段和中间段在快速射血期中期调整为顺时针旋转，而心尖段运动方向不变。此外，在测量收缩期局部纵向位移和位移速度时发现：在收缩早期，心肌各部分的位移和位移速度均为正值，提示左心室整体朝向心尖段运动；在快速射血期末，基底段和中间段运动方向不变，速度仍为正值并逐渐减慢，心尖段位移速度变为负值，提示心尖段朝着基底段方向运动。因此，在收缩期末，基底段和中间段达到了纵向位移的峰值，而心尖段的净位移趋于零。

本研究局限性是为单中心、小样本研究，未能比较年龄差异性。另外，由于周向扭转和纵向运动的复杂性，个体间各节段周向位移及位移速度和心尖段纵向位移及位移速度的方向、幅度可表现出不同。本研究中，将上述数值取绝对数后，调整周向位移和收缩期位移速度为负值，舒张期位移速度为正值；纵向位移和收缩期位移速度为正值，舒张期位移速度为负值。尽管有可能引起误差，但保证了统计的可行性。

[2] PEDRIZZETTI G,CLAUS P,KILNER J P,et al.Principles of cardiovascular magnetic resonance feature tracking and echocardiographic speckle tracking for informed clinical use[J].J Cardiovasc Magn Reson,2016,18(1):51.

[4] KRAMER C M,BARKHAUSEN J,FLAMM S D,et al.Standardized cardiovascular magnetic resonance(CMR) protocols 2013 update[J].J Cardiovasc Magn Reson,2013,15(1):91.

[7] LAWTON J S,CUPPS B P,KNUTSEN A K,et al.Magnetic resonance imaging detects significant sex differences in human myocardial strain[J].Biomed Eng Online,2011,10:76.

[8] MANGION K,GAO H,MCCOMB C,et al.A novel method for estimating myocardial strain:assessment of deformation tracking against reference magnetic resonance methods in healthy volunteers[J].Sci Rep,2016,6:38774.

[9] MIREA O,DUCHENNE J,VOIGT J U.Recent advances in echocardiography:strain and strain rate imaging[J].F1000Res,2016,5:787.

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