心脏磁共振对左室舒张功能的评估及其研究进展

邓巧，岳文军，孙家瑜

作者单位：1.川北医学院附属医院放射科，南充 637000；2.四川大学华西医院放射科，成都 610041

舒张功能障碍系指由主动松弛功能受损，被动充盈能力(即舒张顺应性)降低，或两者同时受损而造成舒张期心室充盈量减少，舒张末期心室压力增高，心排出量减少，最终导致心室重构和心功能异常[1]。主动松弛过程消耗ATP，受能量代谢，肌丝滑行，Ca2+浓度，肌钙蛋白的构象和表达等影响。在高血压、糖尿病、肥胖、年龄等危险因素下，心肌细胞能量代谢过程障碍，Ca2+摄入肌浆网及泵出细胞外受损，出现钙离子与肌钙蛋白的解离异常，从而导致心肌松弛力下降，舒张期心室充盈压增高，充盈量减小，心排出量减少等。顺应性与细胞外异常物质沉积、心肌细胞本身受损纤维化密切相关，细胞外异常物质沉积和心肌细胞纤维化均可导致心肌运动受限、弹性减低(僵硬)，心室充盈压增高等一系列反应。从舒张功能障碍到舒张性心衰有一个渐进的过程[2]：舒张功能障碍初期心室充盈压增高，充盈比率下降，等容舒张期延长，舒张功能障碍进一步加重可诱发心肌纤维化，心室重构(心肌成纤维细胞激活及胶原蛋白沉积等导致心肌组织重塑)，最终使心肌僵硬，此时，舒张期心肌不能充分松弛，心脏无法快速灌注血液以准备下一次收缩(心肌弹性储备减小)，舒张功能障碍进一步降低心室顺应性。心肌僵硬与舒张顺应性互为因果关系，最终演变为舒张性心衰。以舒张性心力衰竭为特点的改变又可称为保留射血分数性心衰(heart failure with preserved ejection fraction，HFpEF)[3]。HFpEF患者再入院及病死率较高，因此，舒张功能的定量对HFpEF患者的临床早期预防与管理十分重要。

超声心动图是无创评估舒张功能障碍的主要方法[4]，根据组织多普勒检查显示二尖瓣舒张早期速度e’与舒张充盈压有关，但不能排除后负荷影响因素；而组织多普勒斑点追踪技术可得出舒张早期心室整体纵向应变，与介入参数舒张压力衰减时间常数τ 相关，且在不同后负荷中未出现显著差异，可排除后负荷影响因素；另外，连续波多普勒计算出等容舒张期时间及舒张减速时间等与心室松弛和顺应有关，松弛受损和顺应性降低导致等容舒张期延长，舒张减速时间延长。超声心动图获取参数较心脏磁共振便捷，但心脏磁共振在舒张功能的评估中也具有很大潜力，其整体和局部功能定量、血流动力学分析等为舒张功能评估提供了新的视角。由于右室壁薄和几何形态的成像技术限制，右室力学依然处于探索阶段，因此本综述主要阐述心脏磁共振对左室舒张功能的评估及其研究进展。

1 左室时间容积曲线

左室时间容积曲线(volume-time curves，VTC)反映心室容量跟随心动周期的变化特征[5]。早期被用于左室充盈定量。通过跟踪每个心动周期左室内膜边界，计算收缩期及舒张期心室容积，并绘制成时间图。通常分析得出的参数有峰值充盈率(peak filling rate，PFR)、达峰时间(time to peak filling rate，TPFR)、舒 张 容 量 恢 复(diastolic volume recovery，DVR)等，再将参数拟合到曲线中对应的收缩及舒张期，以便观察其变化规律。由于该方法不能区分出来自右室、心房、心包压力等对左室的作用，不能很好地提供左室充盈特征信息，当前很少应用此方法。

2 左房容积和功能评估

舒张早期主动因素和被动因素共同作用使心室扩张产生抽吸力，完成心室大部分血液充盈，随着心室血液的充盈室内压力增大，抽吸力减小，舒张晚期主要依赖心房的收缩将血液排入心室。舒张功能障碍早期左室充盈压增高，左房压力不变，左房-左室压力梯度减小，进入左室血液减少；代偿期左室舒张功能障碍进一步受损，左房压力增大，心房-心室压力差增大，心房导管功能增强；限制性充盈期心房失代偿，心房收缩(泵功能)降低(由于代偿机制，左房压力增大来维持左室充盈，长期处于较高的充盈压下会导致左心房结构重塑，几何形态增大，最终失去代偿能力，收缩功能降低)[6]。在没有其他原因(如房性心律不齐或二尖瓣疾病)引起左房重构情况下，左房大小与舒张功能严重程度相关[7]。

基于心室两腔长轴及四腔长轴的双平面面积长度法(biplane area-length method)可量化左房导管功能、泵功能、储蓄功能以及左房不同时期容量变化；最大容积(LAVmax)在左室收缩末期二尖瓣开放前左房容积最大时测量；最小容积(LAVmin)在左室舒张末期二尖瓣关闭前左房收缩至最小时测量；心房收缩前容积(LAVpreA)是在左室舒张期心房再次收缩前的最后一幅图上测量。同样的方法还可测量左房功能：左房总排空分数(left atrial emptying fraction total，LAEF total)，对应左房储蓄功能；左房被动排空指数(left atrial emptying fraction passive，LAEF passive)，对应左房导管功能；左房主动排空指数(left atrial emptying fraction active，LAEF active)对应左房压泵功能[8]。另外还可应用特征追技术测量心房应变：在心房短轴收缩末期及舒张末期上手动绘制心房边界，左房舒张末期和收缩末期分别定义为左房容积最大和最小的期相，软件自动追踪其余期相并计算得出左房应变及应变率。

左房容积改变通常反映充盈压随时间推移的累积效应[9]，心房容积与心房收缩能力常被用于左室舒张功能严重程度评价。Kermer 等[10]提出：舒张功能障碍患者心房舒张末期容积(left atrial maximal volume，LAEDV)及左房容积(left atrium volume，LAV)增大，通过身高校正后的ROC曲线分析显示：舒张功能障碍患者LAEDV/H 的最佳临界值≥0.52 mL/cm(敏感度=0.71，特异度=0.84，曲线下面积=0.75，准确度为0.75)。Kim等[11]提出：CMR左房应变测量在舒张功能评估中是可行的，并且随着舒张功能严重程度而逐步变化，在舒张功能障碍的诊断及严重程度分级上，左房纵向应变与左房几何形态评估相比更具有诊断效用，可以改善心肌梗死后房颤和充血性心衰的预测，且与超声心动图结果一致。

3 应变参数评估

心肌应变(strain)是指整个心动周期中心肌从原始状态伸缩的变形程度，用百分比表示。应变率(strain rate)指单位时间内心肌变形的速度[12]。左室应变分为纵向应变、周向应变、径向应变以及相应的应变率组成，应变率又分为收缩峰值应变率、舒张早期峰值应变率和舒张晚期峰值应变率。左室延长速度(应变率)是左室舒张和恢复的基本参数，与心室舒张压力衰减时间常数τ 成反比[13]。CMR 可以精确和可重复地量化心室在收缩和舒张过程中的应变计应变率。扭转指在心内外膜反向螺旋运动相互作用下，收缩期心尖呈逆时针方向旋转，基底呈顺时针方向旋转，造成左室收缩，并储备舒张动能，舒张期与收缩期呈反向运动的过程称为解扭[14]。超声及心脏磁共振中扭转及解扭参数是基于周向应变心肌扭转角计算产生的，是反映左室主动松弛及回复力的重要参数(回复力的大小与舒张抽吸作用及舒张早期充盈有关，但不独立于收缩功能)。舒张功能障碍早期舒张解扭率显著增加，随舒张功能障碍进展解扭率趋于正常或降低，后期显著降低。在HFpFE患者的评估中解扭率达峰时间优于解扭率本身。

3.1 Tagging

网格心肌标记(Tagging)是磁共振心肌应变定量的金标准[15]。其原理[16]是在电影序列基础上施加由心电门控R 波触发的特定射频脉冲，并从收缩期开始以网格的方式标记心肌，标记点可分为一维、二维、三维标记，随着整个心动周期磁化强度恢复至平衡时标记消失，在此过程中追踪标记点从一个时帧到另一个时帧之间距离的相对增减，结合数学运算建模得到应变、扭转、位移等功能参数。为了获取完整的收缩及舒张末期心肌位移标记，需要进行多时相采集，采集间隔时间决定时间分辨率；网格尺寸越小其计算精确度越高，但图像分辨率及信噪比会相对降低，因此网格大小通常设置为5～7 mm。

该技术目前在临床中未得到普及，但诸多研究显示tagging 量化的舒张功能参数有较好的重复性和较高的临床价值。Ambale-Venkatesh等[17]在没有已知心血管疾病的庞大人群中，通过8 年的随访发现以松弛应变率为指标的舒张功能可预测无已知心血管疾病患者的心衰和房颤，且独立于已确定的危险因素和亚临床心血管疾病标志物。Nagel 等[18]研究显示：tagging量化下主动脉瓣狭窄患者左室舒张解扭延迟和延长，左室基底部扭转降低、心尖扭转增加以至于整体心室扭转增加，这与左室压力负荷过重性肥厚有关。尽管该技术测量准确、可重复性高，但成像时间长，后处理烦琐；另外心房及右室心肌壁厚度通常小于5 mm，而网格大小通常在6 mm左右，该技术的使用受到了限制[19]。

3.2 特征追踪成像(feature tracking，FT)

FT是一种目前较为流行的定量评估心肌应变的技术。原理是基于光流技术[20]，在电影图像上手动绘制心肌边界，软件自动从帧到帧之间追踪其像素特征，根据收缩末期和舒张末期心肌位移来计算应变和应变率，在FT 技术中应变是收缩长度相对于基线距离的变化百分比，正值表示伸长，负值表示缩短，应变率是指心肌变形的斜率即速度。

FT舒张功能参数有：纵向应变、舒张早期应变峰值率及达峰时间、舒张晚期应变峰值率及达峰时间。Kuetting 等[21]研究显示：免疫性轻链蛋白淀粉样变患者LGE 阳性(A 组)及阴性(B 组)与正常对照组(C 组)相比，三组间舒张早期应变率(early diastolic radial strain rate，EDSR)显著差异，提示CMR-FT应变分析能检测到LGE阴性的免疫性轻链蛋白淀粉样变患者早期收缩和舒张应变损伤。Ito等[22]在HFpEF患者整体纵向应变(Global longitudinal strain rate，GLS)与介入舒张功能指数(Tau)的相关性研究中显示：HFpEF患者GLS显著降低(P＜0.001)，其临界值为-13.9%；HFpEF 患者GLS 与Tau 强烈相关(r=0.817，P＜0.001)；多元线性回归分析显示GLS 在GLS、GCS、GRS、LEDVI、LESVI、LVmassi 以及年龄中与Tau 独立相关(beta=0.817，P＜0.001)。

FT 操作便捷，被认为是目前心脏磁共振心肌应变分析的首选方法[23]，可用于心肌壁较薄的心房评估。FT 对时间分辨率和空间分辨率要求高，且依赖于血池和心肌间的对比度，增强后电影成像时，对比剂的使用会在一定程度上减低心肌与血池的对比度，可能影响其测量结果[24]。在测量时基底部太靠近瓣膜水平面及心尖层太靠近心尖水平，故显示较差。

3.3 组织相位映射图(Tissue phases mapping，TPM)

TPM能将心肌运动速度直接编码为磁共振信号，在像素层面测量心肌速度。其成像基础[25]为：不同方向心肌纤维的合力及周围邻近肌纤维间的相互作用力共同反映心室整体运动情况，为了获取有意义的心肌加速度来描述心肌的内部动力学，需转化心肌自身对应运动坐标来计算心肌加速度矢量，其过程概括为以下几个步骤：(1)分割心肌边界；(2)将对应心室节段中心肌的局部坐标系转化为笛卡尔坐标，然后校正心肌平移运动分量；(3)结合心电门控下的时间离散导数计算每个体素对应的心肌加速度，反映心肌运动速度在整个心动周期中的变化。同为CMR 心肌应变的评估方法，TPM、Tagging、FT三者原理各不相同，所得参考值不能互换。TPM技术的空间分辨率仅受体素大小的限制，与FT 相比不易受到平面运动影响，观察者间变异小[26]。

TPM 舒张功能参数有：基于速度-时间曲线的舒张速度峰值及达峰时间；基于扭转率-时间曲线的舒张峰值扭转率；基于应变-时间曲线的舒张应变及应变率。Gimpel等[27]发现：患有慢性肾病的儿童左室长轴和短轴舒张峰值速度明显降低，舒张早期充盈受损，在无明显的左心室肥厚或超声心动图舒张功能障碍发生之前，TPM可检测出儿童慢性肾病左室舒张功能改变。Chang等[28]发现：法洛四联症修复术后左室保留射血分数患者左室部分节段出现收缩和舒张纵向速度降低、室间隔舒张期径向速度增加、左室峰值扭转角降低，与健康志愿者相比均有显著差异(P＜0.05)，综合表明TPM 量化下法洛四联症患者在疾病早期出现局部舒张功能改变。

TPM成像耗时，随着磁共振技术的发展，新的加速技术不断被用于该技术，在不损失实质信息的情况下，view sharing TPM全心室成像时间缩短了37.5%；k-t BLAST TPM虽然可以缩短50%，但存在时域平滑，峰值速度被降低；SENSE TPM成像时间缩短了75%[29]；压缩感知(compressed sensing，CS)技术是一项有效率的加速技术，CS-TPM不仅缩短了成像时间，并且能高精确度测量心肌的速度[30]，使TPM技术效率得到进一步提升。

4 血流动力学分析

跨二尖瓣血流速度是评估心室顺应性的重要参数[31]。舒张早期左房-左室压力梯度主要由左室舒张速率及左房压力决定，舒张顺应性降低时跨瓣膜压力梯度降低，跨瓣膜血流速度减小，该速度通常用E 表示，舒张末期左房-左室压力梯度主要由左房收缩功能及左室顺应性决定，舒张末期跨瓣膜血流速度用A 表示。E/A 及舒张早期减速时间DT 可用于评估舒张功能障碍严重程度[32]。肺静脉充盈模式可反映左房储备功能(左室收缩后二尖瓣关闭，随后左房舒张，肺静脉血液流入左房)，左室舒张功能障碍后期左房功能失代偿，左房充盈受限，肺静脉回流受阻，因此在无心房自身病变、二尖瓣瓣膜病、肺静脉自身器质性病变情况下肺静脉的充盈可反映左室舒张功能状态。

4.1 相位对比成像(phase-contrast)

相位对比成像是应用梯度回波来反映质子的运动情况。其原理[33]为：在首次梯度应用期间平面内质子发生相移，之后再施加一次大小相等方向相反的梯度，此时静态质子回到原来的位置，而运动的质子则沿着梯度的方向发生相移，运动较快的质子比运动较慢的质子产生更大的相移，来自相移的信息取还取决于接收回波的时间，相移的程度直接对应梯度方向上质子的速度，对给定的梯度在发生混叠之前可测得一个最大的速度，此速度称为流速编码(velovity encoding，Venc)，Venc设置过高或过低均会产生伪影，影响测量结果，实际过程中可根据Venc-scout 设定具体值。PC 成像分为：二维相位对比(two dimensional phases contrast，2D PC)、三维相位对比(three dimensional phases contrast，3D PC)、多方向编码(4D flow)。2D-PC 经平面采集垂直正交于兴趣区血流方向；平面内采集平行于兴趣区血流方向，该方法在临床中应用较多；3D-PC虽然信噪比高，但成像时间长，在临床中应用较少；4D-flow 对复杂血流的评估具有优势，能显示不同方向以及涡流的血流信息：压力梯度变化、血管壁切应力、湍流动能、脉搏波流速等[34]，该方法现目前多应用与科研，临床开展较少。

2D-PC舒张功能参数有：根据二尖瓣血流曲线推导出的舒张早期峰值充盈速度(E)、心房峰值充盈速度(A)、E/A比值、E峰减速时间(DT)；肺静脉血流曲线推导出的收缩波S、舒张波D以及倒置的A波AR。在Ⅰ级舒张功能障碍中跨二尖瓣血流模式E＜A，E/A小于1，DT延长；Ⅱ级代偿期E/A正常，肺静脉血流模式可以鉴别E/A 伪正常的舒张功能障碍，表现为肺S＜D 和AR速度通常大于0.3 cm/s；不可逆限制性充盈阶段二尖瓣血流模式E＞＞A 并伴随DT 缩短；肺静脉血流模式S＜＜D 和AR 速度大于0.3 cm/s[35]。

4D flow的舒张动能可反映舒张期心室血流动能情况[36]，动能计算为：每个体素的动能KE=½ mv2，其中m表示体素内血液的质量，V表示体素内血流移动速度，m等于体积乘以血液密度(通常为1.05 g/cm3)，把每个体素动能加起来即节段或全局心室血流动能，反映整个心动周期心室血液流动情况。Sjöberg等[37]研究显示：房坦术后患者收缩峰值动能差异无统计学意义，舒张峰值动能显著降低(P＜0.0001)，可能是左室充盈受损的结果。舒张期壁切应力反映舒张期流动血液与血管壁接触面的摩擦力[38]。Rizk 等[39]研究发现：主动脉瓣反流及肺动脉瓣反流患者的峰值舒张壁切应力明显高于平均壁切应力(P＜0.0001～0.005)，肺动脉瓣反流的严重程度与轴向峰值舒张壁切应力相关(Spearman’srs=0.454，P=0.018)，主动脉瓣反流严重程度与峰值收缩切面壁切应力和峰值舒张切面壁切应力均相关(Spearman’srs=0.458，P=0.049；rs=0.539，P=0.017)，舒张期壁切应力升高是半月瓣反流中血流动力学改变的一个组成部分，能使我们更加了解壁切应力在半月瓣反流中血管重构的病理生理作用。

5 其他

心肌肥大或心肌细胞外基质异常累积会导致室壁僵硬度增高，心室顺应性降低，进而影响舒张功能[40]。LVmass、LGE、T1 mapping 等可分析心肌质量及细胞外间质受累情况，间接反映心室舒张功能。可分别表现为：LVmass 相对增大、LGE 上与心肌受累部位及范围相关的高信号以及增强前后心肌细胞外间质增加，ECV增大。

综上所述，心脏磁共振从整体和局部功能、血流动力学、组织特征等多角度分析舒张功能，能提供除心室力学改变以外的更多的信息，有助于更好的理解不同疾病舒张功能障碍的病理生理机制，更有利于监测舒张功能障碍的后续发展。与此同时，心脏磁共振舒张功能评估也存在一些局限：(1)图像采集时间较长，且图像质量及测量结果受患者屏气程度及心律等诸多因素影响。(2)缺乏明确参考值，CMR 后处理软件多元化，同一参数不同软件之间存在差异，目前无法做到很好的统一；其中一些方法目前仍处于探索阶段，其舒张功能参数与健康对照或是射血分数降低之间存在差异，但其准确的阈值或在舒张功能障碍中呈现怎样的变化趋势还需进一步大量研究验证。(3)后处理软件价格昂贵，无法得到全面普及。随着磁共振快速成像技术的发展，以及一些免费后处理软件的支持，接下来需开展进一步的研究以提供同种心脏疾病的舒张功能参考值，以及对应心脏疾病舒张功能的改变情况，为心脏疾病的治疗监测及预后评估提供有力证据。

作者利益冲突声明：全体作者均声明无利益冲突。