心力衰竭患者心室重构研究技术及现状

孙瑞雪，刘宇，王恒和

(天津中医药大学第一附属医院a.心血管科，b.国家中医针灸临床医学研究中心，天津 300380)

心力衰竭是由多种病理因素导致的心脏结构和(或)功能异常改变，进而导致心室收缩和(或)舒张功能障碍的临床综合征。心力衰竭是老年人死亡的主要原因之一，随着年龄增长,心力衰竭的患病率显著升高。据估算，我国心血管疾病的现患人数为2.9亿，其中心力衰竭患者450万[1]。2000年，我国35～74岁人群的心力衰竭患病率为0.9%，其中男性患病率为0.7%，女性患病率为1.0%；我国北方人群心力衰竭患病率高于南方人群，城市高于农村[2]。目前的心力衰竭指南根据左心室射血分数(left ventricular ejection fraction，LVEF)将心力衰竭分为射血分数降低的心力衰竭(heart failure with decreased ejection fraction，HFrEF)、射血分数保留的心力衰竭(heart failure with preserved ejection fraction，HFpEF)和射血分数中间值的心力衰竭，无论何种类型的心力衰竭，均存在心肌力学性能的改变[3]。

左心室收缩功能是评价患者心功能的重要参数，慢性心力衰竭心肌损害患者存在左心室运动不同步的病理表现，其与慢性心力衰竭患者的心功能下降相关。有研究表明，左心室心肌收缩不同步是判断慢性心力衰竭患者临床预后的独立预测因素，同时也是确定心脏再同步化治疗适应证的主要临床判断标准[4]。左心室收缩功能对慢性心力衰竭患者的诊断及预后具有重要意义。LVEF下降反映左心室收缩功能，并可进一步加重患者左心室功能的损伤，影响心肌形变能力及左心室的整体应变，故LVEF可以作为判断心脏功能损害的重要指标之一。LVEF是心血管结局包括全因死亡、心血管死亡、猝死、心力衰竭相关死亡、致命或非致命性心肌梗死以及心力衰竭住院的重要预测因子[5-7]。此外，LVEF也是评估左心室舒张功能的关键指标[8]。现就心力衰竭心肌力学形变相关研究予以综述。

1 心肌的结构

心脏室壁心肌包括斜行及环形心肌纤维，由浅、中、深三层心肌纤维构成。浅层肌束呈左手螺旋状斜行包绕心室腔，为心外膜下心肌；中层肌束呈环形走行，为心室固有层；深层肌束呈右手螺旋状斜行包绕心室腔，为心内膜下心肌[9-10]。左心室重构与心肌细胞生物学的相关改变有关[11]。心肌受到力学刺激后,心肌细胞不断发生重构，心肌纤维的排列逐渐紊乱，心室形态出现异常，心肌形变能力逐渐下降，心肌的压力与应变力异常，这一系列的变化最终导致LVEF下降，心肌收缩功能受损[12]。

心肌的形变发生在长轴及短轴方向上，长轴方向的形变用纵向(心底-心尖)应变表示，短轴方向的形变用环向(圆周方向)及径向(向心方向)应变表示，因而可以通过纵向、环向及径向3个方向上的心肌整体应变来准确评价左心室整体收缩功能。与短轴方向相比，心肌长轴方向的纵行纤维更容易受到心肌舒缩活动异常的影响，且左心室长轴收缩功能的降低并不能为短轴的收缩运动提供代偿，表明左心室长轴功能对左心室收缩功能的评价较为重要，因而纵向心肌的形变可作为判断左心室收缩功能更灵敏的指标。此外，在需要进行心脏移植的晚期收缩性心力衰竭患者中，整体纵向应变是与心肌纤维化程度相关的最准确的左心室整体功能指标[13]。

2 心力衰竭患者心室重构研究技术

2.1超声斑点追踪成像(speckle tracking imaging，STI)技术 心脏室壁的多层螺旋交错分布的心肌纤维通过互相协调产生扭转运动，在不同方向形成拮抗或挤压的力量。STI技术根据上述原理，通过心肌纤维在不同方向的运动了解心肌组织的位移及运动情况，并通过左心室扭转运动情况评估整体心肌功能[14]。STI具有不需依赖角度、简便、快速、可重复性高的特点，能够较好地反映左心室的重构状态，不仅能有效地分析左心室整体及局部的心肌形变能力，评价整体及局部的心肌组织收缩功能，还可定量分析心肌节段性室壁运动的异常，更真实地反映心肌局部收缩功能的变化[15-17]。

实验证明，STI技术测量局部纵向心肌变形能够为临床提供更多危险因素预后信息[18]。STI在预测继发性心力衰竭的发生方面具有重要作用，临床可通过STI的预测对潜在继发性心力衰竭患者进行提前干预[19]。左心室节段收缩功能可通过左心室收缩期径向应变率反映，左心室整体运动功能可通过左心室长轴整体收缩期应变(global systolic strain，GLS)的最大峰值以及左心室短轴整体收缩期应变的最大峰值——左心室整体环向应变(global circumferential strain，GCS)、左心室整体径向应变(global radial strain，GRS)等参数反映，进而更加全面综合地评价左心室收缩功能[20]。STI技术包括二维斑点追踪成像(two-dimensional speckle tracking imaging，2D-STI)技术和三维斑点追踪成像(three-dimensional speckle tracking imaging，3D-STI)技术。

2.1.12D-STI技术 心力衰竭患者的左心室功能参数显著低于正常水平，该参数与疾病严重程度成正比[21]。2D-STI能较好地评价心力衰竭患者的左心室收缩功能，进而评价心力衰竭患者的心功能，具有简便、高效、价廉、无创等优势，对心力衰竭患者的诊断及预后具有重要临床意义[22]。2D-STI对LVEF正常的心力衰竭患者的左心室收缩功能异常具有预测作用，因此，当LVEF无明显改变时，可用2D-STI评估HFpEF患者左心室心肌收缩功能的异常变化[23]。HFpEF患者的左心室长轴纵向应变GLS受损很普遍，即使LVEF正常，也可能存在隐性收缩功能障碍，故可通过2D-STI测量发现异常[24]。研究发现，GLS对急性心力衰竭患者预后的判断价值较LVEF更大[25]。

莫泽来等[26]研究显示，HFpEF患者的长轴及径向应变较健康人显著降低，且心室收缩功能障碍在心力衰竭早中期已有表现。施龙等[27]研究表明，老年HFpEF患者左心室收缩功能、心肌顺应性、各节段心肌径向峰值应变均降低，但整体心脏收缩功能表现正常。有研究证实，2D-STI可发现HFpEF患者左心室纵向舒张功能的受损以及左心室结构的改变[28]。2D-STI在径向应变力学方面的测量发现，HFpEF患者收缩期径向应变率降低，且部分节段降低显著，表明LVEF正常的HFpEF患者已存在局部心肌收缩功能受损，与HFpEF患者相比，HFrEF患者的收缩期径向应变率降低更明显[29]。左心室径向整体扭动度(radial overall torsion,ROT)是反映心室整体扭转情况的一项灵敏指标，用心尖及瓣环水平扭转度的差值来计算。2D-STI可用于左心室整体及局部ROT的评估，孙建设等[30]研究显示，心力衰竭组ROT值普遍低于健康组，表明ROT减弱同样可反映左心室功能。

2.1.23D-STI技术 3D-STI以应变为基础，可对心肌组织的运动信息进行追踪和反馈，是一种快捷、直观、可重复评价室壁运动的方法[18]。3D-STI的检测效果优于2D-STI，为临床一些领域的左心室力学提供了新见解[31]。与磁共振成像相比，3D-STI所测的大多数患者的左心室体积往往被低估，但其所测LVEF的准确性极高[32]。3D-STI显示的LVEF值越低，左心室整体应变越小，心肌的形变能力越低[33]。李玉曼等[34]应用3D-STI技术的研究显示，HFpEF患者的右心室长轴方向应变有所降低。

2.23D室壁运动追踪(3D-wall motion tracking，3D-WMT)技术 心力衰竭中的心脏重构对心肌力学产生影响，这需要在三维方面进行综合评价。3D-WMT技术有望通过三维技术来克服角度及平面的限制，用于测定径向应变。3D-WMT技术将STI技术应用于全容量3D超声心动图数据集。在一次性获取完整体积数据集的前提下，量化左心室参数，包括容积、射血分数、全局和局部三维应变、心内膜区域应变。3D室壁运动追踪技术可用于可能进展为心力衰竭疾病的检测和亚临床心脏功能障碍的监测[35]。与STI技术相比，3D-WMT技术的预测性更强、更先进。但3D-WMT技术用于心力衰竭相关测定的报道很少，其具体应用效果还需后续更多研究验证。

2.3心脏磁共振成像(cardiac magnetic resonance，CMR)技术 快速应变编码心脏成像技术(fast strain-encoded cardiac imaging，FAST-SENC)正在成为多中心研究的需高重复性测量的首选成像方式，其成像和分析速度较快，扫描时间仅15 s，后处理时间3～5 min，可完成包括左心室容积、质量、LVEF及整体GLS和GCS的完整定量评估。FAST-SENC用于左心室容积和功能参数的检测有极高的精确度，特别是GLS和GCS，且教学方便。但FAST-SENC对左心室质量的测量可能不稳定。使用FAST-SENC技术测量发现，HFpEF患者的左心室舒张末期容积指数、LVEF和应变值均显著低于健康人群[36]。

CMR是最严格的评估心脏结构及功能的成像形式之一[37]。CMR的时间和空间分辨率较高，可用来测量左右心室容量、质量及射血分数，能准确直观地测量出心脏结构及功能的相关信息，进而帮助疾病的诊断及治疗。在评估心力衰竭患者左心结构及功能时，CMR与超声心动图有较高重合性，是超声心动图最好的替代影像学检查。CMR测得的参数数值明显低于超声心动图，推测超声心动图所测数值高估了左心室整体功能，因而认为CMR较超声心动图更精准[38]。心力衰竭与进行性心室重构及心肌收缩功能受损有关，在心力衰竭功能损害影像学检测中，优先使用心脏磁共振特征跟踪(cardiac magnetic resonance-feature tracking，CMR-FT)技术，CMR-FT是一种常用、快捷、经济且有效的评估心肌应变方法，可用于监测疾病期间心功能的早期变化[39]。

Ito等[40]采用CMR-FT技术所测数据显示，HFpEF患者的GLS明显受损。Tanacli等[41]通过CMR-FT检测HFpEF、射血分数中间值的心力衰竭、HFrEF三组心力衰竭患者的心肌应变，结果表明，与HFpEF及HFrEF患者相比，射血分数中间值的心力衰竭患者的应变值相对较高；此外，三组患者的GLS均随病情加重而降低，心内膜下区域较中层心肌或心外膜下区域的应变值更高。研究表明，CMR-FT衍生的多层应变值对于收缩功能的变化跟踪是可靠的[42]。GCS是最具重复性的变形参数，CMR-FT所测GCS具有一定参考价值，其次CMR-FT所测GLS亦具有一定的参考价值，但CMR-FT所测GRS却不稳定[43]。CMR具有准确的心肌体积和功能评估的能力，同时还可用于评估心肌灌注和组织组成，较超声心动图的优势更多。与斑点追踪超声心动图技术相比，CMR-FT高估了GRS和GCS、低估了GLS，因此评估心肌应变时，不能将CMR-FT与斑点追踪超声心动图互相替代[44]。因此，CMR-FT作为一种新技术，在重复性方面较传统超声心动图具有一定优势，但其在短轴方向上的GCS及GRS的不稳定性使其不能代替斑点追踪超声心动图技术，且CMR-FT技术的应用仍需更多研究及相关数据的支持。

3 心力衰竭患者心室重构的其他研究及现状

心室重构的结构基础是心肌细胞和细胞外基质的变化[45]。心肌重构由肌细胞和非肌细胞对机械敏感途径的反应共同调节，这些反应可以改变基因表达，从而改变细胞功能[46]。评估心肌力学和分子过程的成像工具为疾病识别和进展提供了更高的敏感性和特异性。有研究表明，通过3D-STI和混合成像方式[如正电子发射计算机断层显像(positron emission tomography，PET)-CT]监测心肌力学和分子过程，可以预测结构及生理异常出现之前的疾病表现[47-48]。此外，PET-CMR也是一种混合成像技术，可同时获取PET及CMR的数据，具备通过心力衰竭相关生物标志物评估心肌生存状态的潜力，但成本过高[49]。

基于磁共振心肌特征跟踪技术的心肌扭转率峰值和收缩扭转率峰值的推导具有较高的重复性，而舒张期扭转率峰值的重复性稍低。圆周-纵向剪切角是与心脏解剖无关的最具重复性的参数，其可能发展为磁共振心肌特征跟踪技术在长轴方向上量化心脏旋转力学的重要指标[50]。超声心动图心肌速度成像技术可使用机器算法智能学习，通过分析患者静息和运动时的左心室应变率识别HFpEF患者左心室舒张功能的降低，为临床心力衰竭的诊断分型提供客观依据[51]。超声心动图可通过测得HFpEF患者的左心室舒张功能降低程度对患者进行心功能分级[52-53]。有研究人员将血清生物标志物(脑钠肽、可溶性生长因子-2、半乳凝素-3等)与超声心动图联合用于预测不良心室重构，发现超声心动图的改变与血清生物标志物的变化相关[54]。慢性心力衰竭患者左心室容积增大，左心室收缩功能降低与左心室收缩不同步有关，而实时三维超声心动图可直观显示心力衰竭患者心肌非同步运动的程度及范围，可用于辅助心力衰竭患者治疗，是一项定量评价心室壁整体收缩同步运动状况的新技术[55]。实时三维超声心动图技术安全、有效、经济，能够准确测量心脏的结构及功能，其测量心脏容积具有很好的重复性，对于改善患者预后具有一定临床价值[56]。通过实时三维超声心动图所测得的心室重构改变有望帮助识别HFpEF亚型，但其与LVEF相关参数的独立性仍不明确[57]。目前，在临床心力衰竭患者的诊断中，超声心动图及CMR仍发挥重要作用，3D-STI仍处于早期应用阶段，虽然具有一定先进性，但也无法避免因操作者等原因导致不可控的误差[58-60]。

4 小 结

心力衰竭是心室重构的过程，心肌应变可用于反映心肌整体及局部收缩运动的改变。心力衰竭患者的GLS、收缩期径向应变率及ROT值均有减低。3D-STI测试显示，LVEF值越低，心室重构能力越差。3D-WMT通过预测可能诱发心力衰竭的潜在疾病，从而为治未病提供可行性。FAST-SENC测得的HFrEF组的左心室体积和质量明显增加，而CMR-FT可评估不同心肌区域的大范围差异。综上，心力衰竭患者的左心室心肌顺应性、纵向舒缩功能均减低，左心室整体应变低于健康人群。此外，具更高敏感性的基于基因水平的新兴技术——PET和实时三维超声心动图可通过测定心脏的结构及功能提供心肌运动水平的相关参数。随着上述技术和方法的逐渐应用以及医疗技术水平的不断进步，心力衰竭的进程可能被逆转，通过检测相关心室重构及力学变化可预测心力衰竭的发生、发展及预后，从而为临床研究提供参考。