心脏磁共振评估肺动脉高压的研究进展

马珂凡 祝因苏 徐怡

肺动脉高压（pulmonary hypertension,PH）是一组以肺血管阻力和肺动脉压力进行性升高为特征的临床和病理生理综合征。2018年第六届世界肺动脉高压大会建议将PH血流动力学诊断标准修改为平均肺动脉压（mean pulmonary artery pressure,mPAP）大于20 mmHg[1]。但由于该标准在我国争议颇多，2021年中国肺动脉高压诊断与治疗指南中依旧将PH定义为海平面、静息状态下，经右心导管检查测定的mPAP≥25 mmHg[2]。目前，PH主要分为动脉性PH、左心疾病所致PH、肺部疾病和/或低氧所致PH、慢性血栓栓塞性PH以及不明和/或多因素所致的PH五大类[2]。随着肺动脉压力不断升高，PH病人的右心室后负荷增加，从而导致右心室肥大和扩张，引起右心功能不全，最终出现右心功能衰竭或死亡。因此，PH的早期诊断以及治疗后评估尤为重要。

心脏磁共振（cardiac MR,CMR）作为一种无创的“一站式”影像学检查，不仅可以直接评估心腔的大小、形态和功能，还可以评估血流动力学及心肌应变和组织学特征等；同时，基于CMR的人工智能研究也日渐增多。既往研究[3]发现，基于CMR所获得的参数与右心导管测得的肺血管阻力和肺动脉压力有较强的相关性。因此，CMR可以作为PH早期诊断及预后评估的重要手段。现就CMR评估PH的研究进展予以综述。

1 CMR在评估PH病人右心结构和功能中的价值

1.1 右心室容积改变 自由稳态进动电影成像是评估心脏容积和功能的金标准。右心室容积和功能参数是评估PH病人预后的核心指标。右心室容积和功能参数主要包括右心室射血分数（right ventricle ejection fraction,RVEF）、右心室收缩末期容积（rightventricle end-systolic volume,RVESV）、右心室舒张末期容积（right ventricle end-diastolic volume,RVEDV）和右心室每搏输出量（right ventricle stroke volume,RVSV）等。为了减小体型的影响，大多数研究使用体表面积进行标化。RVEF是评估右心室整体收缩功能的最常用参数，也是预测PH全因死亡和复合终点的最佳参数[4]。RVEF＜40%可以提示右心功能下降[5]，＜37%可识别出动脉性PH的高危病人[6]。Alabed等[7]研究显示，RVEF每下降1%，PH病人22个月内临床恶化的风险增加4.9%，54个月内死亡的风险增加2.1%。RVEDV指数≥84 mL/m2是预测PH死亡率的最佳容积参数[8]。RVEDV指数每增加1 mL/m2，22个月内出现临床恶化的风险增加1%；RVESV指数每增加1 mL/m2，22个月内出现临床恶化的风险增加1.3%[7]。校正了年龄和性别的RVESV指数百分比预测值＜227%可用于识别动脉性PH的低危病人[6]。RVSV指数＜25 mL/m2是PH病人独立的死亡预测因子[8]。RVSV的下降和PH病人病死率明显相关，治疗期间RVSV增加超过10 mL是PH治疗有效的重要指标[9]。既往研究[10-11]表明，相较于常用的左心室短轴位，人体标准轴位扫描对于右心室容积功能评估的可重复性更好，但是需要额外的检查时间。此外，陈等[12]研究发现，平行于三尖瓣短轴位对于右心室容积测量的可重复性也较好，但有待在不同类型PH中的进一步验证。

1.2 右心室心肌增厚 右心室心肌增厚常用右心室游离壁厚度、右心室质量/容积比（right ventricle mass/volume ratio,RVM/V）、右心室心肌质量指数（right ventricle myocardial mass index,RVMMI）表示。舒张期右心室游离壁厚度≥7 mm可用于诊断PH。RVM/V可以反映右心室对右心压力增加的适应性，RVM/V<0.45表示右心室偏心性肥厚，是特发性PH不良结局的独立预测因子[13]。RVMMI表示右心室质量与体表面积之比，RVMMI>59 g/m2是PH死亡和不良结局的独立预测因子[8]。校正了年龄和性别的舒张期RVMMI百分比预测值每增加10%，动脉性PH病人死亡风险提高10%[14]。心室质量指数（ventricular mass index,VMI）是指右心室与左心室质量之比。相较于RVMMI，VMI与mPAP的相关性更好。VMI＞0.45可以用于诊断PH[15]，＞0.75可以预测PH不良结局[5]。VMI每增加10%，动脉性PH病人死亡风险提高11%[14]。

1.3 室间隔变形 在PH病人中，右心室压力增加超过左心室压力，会引起室间隔变平甚至呈弓形凸向左心室，评价室间隔变形程度的参数主要包括室间隔曲率和室间隔角度。室间隔曲率可通过室间隔半径的倒数量化，与收缩期肺动脉压力及mPAP明显相关，是PH病人病情不断进展的标志。如果出现室间隔凸向左心室，收缩期肺动脉压力常＞67 mm Hg[16]。舒张末期室间隔曲率≤0.25 cm-1可用于诊断动脉性PH，敏感度为81%，特异度为94%[17]。室间隔角度是指室间隔顶点与室间隔上下插入点之间的角度，可以在CMR电影序列短轴位舒张早期测量[3]。Johns等[18]研究显示室间隔角度与mPAP存在较强的相关性。

1.4 心室-动脉偶联（ventricular-arterial coupling,VAC）VAC是指心室收缩力和心室后负荷之间的匹配关系。最常用的CMR测量方法为容积法，通过短轴位电影序列计算出右室的容积参数，VAC的简化计算公式为VAC=RVSV/RVESV，可以反映右心室对肺动脉僵硬度增加的代偿功能，预测PH的临床结局[19]。VAC的正常值通常在1.5～2.0之间，此时心室和动脉系统处于最佳偶联状态，能有效地产生每搏功。既往研究[20]显示诊断PH的VAC最佳临界值一般为0.7~1.0。Tello等[21]研究显示，VAC＜0.8可以有效预测PH病人右心功能衰竭（RVEF＜35%），敏感度为65%，特异度为88%。Breeman等[22]研究显示，儿童动脉性PH病人的VAC与肺血管阻力、mPAP、平均右房压、WHO心功能分级相关。此外，动脉性PH病人的VAC还与VMI、RVMMI呈负相关[14]。在结缔组织疾病相关动脉性PH的病人中，联合CMR和右心导管检查测得的VAC对PH死亡率有独立的预测作用[23]。

1.5 心肌应变 心肌应变描述了心肌长度、周长和厚度在心脏搏动时的变化，代表心肌组织形变的能力，是评估心肌局部功能和室壁运动的重要参数。其中最具代表性的是特征追踪技术，可以通过心肌组织特性直接测量形变，主要包括纵向应变（longitudinal strain,LS）、径向应变、周向应变（circumferential strain,CS）及相应的纵向应变率（longitudinal strain rate，LSR）、径向应变率、周向应变率（circumferential strain rate,CSR）。由于右心室壁更薄，右心室纵向应变被认为是评估右心室功能的敏感参数[24]，而周向应变及径向应变运用较少。在PH病人中，右心室整体LS、CS、LSR和CSR明显下降，其中整体LSR和CSR的下降与RVEF降低相关，整体CSR的下降与不良的临床结局独立相关[25]。右心室整体LS>-20%是预测右心功能障碍的最敏感和特异的指标[26]。在毛细血管前PH中，左心室LSR的下降与RVESV指数、RVEF显著相关，是预测死亡率的重要参数[27]。此外，右心房LS的下降也反映了右心室失代偿和更高的临床恶化风险，并预测不良临床结局[28]。由于右心室应变测量的可重复性不高，目前仍缺乏大样本量的研究，全自动的心肌应变分析可能是未来的研究方向。

2 基于CMR的肺血管血流动力学方法在评估PH中的价值

二维相位对比成像是评价PH病人肺血管血流动力学的主要成像方法。PH病人肺动脉压力和僵硬度增加，从而导致肺动脉血流动力学出现变化（最大流速增加、平均流速减退、爬升斜率增加、反流量增加），可以直接或间接反映肺动脉压力情况。该序列可以测量肺动脉瓣上1~2 cm处的主肺动脉血流情况，得到肺动脉最大和最小横截面积、平均血流速度、最大血流速度、加速时间、反流量等血流动力学指标。其中肺动脉平均流速是诊断PH最重要的血流动力学指标。主肺动脉平均血流速度＜11.7 cm/s可用于诊断PH，敏感度为93%，特异度为82%[29]。反映肺动脉僵硬度的CMR指标包括肺动脉相对面积变化（relative area change，RAC）、肺动脉扩张性以及脉搏波速度等。RAC为主肺动脉（最大横截面积-最小横截面积）/最小横截面积，是PH的独立死亡预测因子，可以无创评估肺动脉僵硬度。在射血分数降低型心力衰竭合并PH的病人中，肺动脉平均流速通常≤9 cm/s[30]。联合RVESV指数和RAC对于预后评估具有更好的价值[23]。肺动脉扩张性指RAC与脉压的比值，与RAC的预后价值没有明显差异。脉搏波速度指脉搏波沿动脉壁的传导速度，是反映肺血管壁僵硬度的另一个指标，在PH病程早期升高[31]。

带有时间分辨力的三维相位对比成像（即4D flow）是在二维血流基础上发展起来的评估肺动脉血流的最新序列。它可以评估兴趣区内完整的随时间变化的三向速度场，定量测量血管壁剪切力（wall shear stress,WSS）、涡流成像（vortical flow imaging,VFI）和湍流动能（turbulent kinetic energy,TKE）等参数。VFI可显示由于肺动脉压力增加导致的涡流情况，涡流持续时间与mPAP相关[32]。WSS定义为血管壁上的摩擦剪切力，反映血管壁内皮细胞功能；其在PH病人中减小，与RVEF相关[33-34]。TKE可显示血流能量损失增加。目前这些指标仍处于研究中，且由于测量的最佳位置存在争议、成像及后处理时间长、血流量化易受心率影响、缺乏长期预后的研究等不足，4D flow距离实际临床应用还有一定距离[35]。

3 基于CMR的心肌组织学方法在评估PH中的价值

正常的右心室壁厚度较薄，无法进行组织学定性和定量测量；而在PH病人中，右心室发生肥大和扩张，导致纤维化，可以进行组织学分析。目前利用CMR对PH进行组织学评估的成像方法主要包括延迟钆对比剂增强（late gadolinium enhancement，LGE）和纵向弛豫时间定量成像（T1mapping）[36]。

LGE成像通过使用基于钆剂的反转恢复序列来区分正常和患病心肌。在CMR影像上，延迟强化区域代表心肌细胞坏死或心肌纤维化。延迟强化在PH中的发生率为92%~100%，其发生部位主要在右心室插入部，有时可延伸至室间隔，延迟强化的程度和肺动脉压力、右心功能情况密切相关，是PH预后不良的证据[37]。在晚期PH病人中偶尔会发现右心房延迟强化，可能继发于右心房压力一过性或持续升高。

T1mapping技术基于反转或饱和脉冲激发，在纵向磁化矢量恢复的不同时间采集信号，通过图像后处理测量心肌T1值来反映心肌纤维化程度，对心肌弥漫分布的纤维化评估更为精确。此外，基线时右心室游离壁T1值＞1 404 ms与1年后随访时RVEF下降有关，是动脉性PH不良预后的独立预测因子[38]。初始T1值可以同时反映心肌细胞内、外的纤维化程度，而根据血细胞水平对心肌和血池增强前后的T1值进行校正得到细胞外容积（extracellular volume，ECV），可以更准确地反映细胞外心肌纤维化的情况。在射血分数保留型心力衰竭合并PH的病人中，右心室ECV与RVEDV、右心室游离壁应变相关；而动脉性PH病人中右心室ECV与全肺阻力显著相关[39]。T1值及ECV的增加与右心室功能下降有关，是PH病人预后不良的重要指标，还可以监测PH治疗反应。

目前，LGE和T1mapping在PH诊断及预后评估中已有一定的应用，但缺乏大样本量的研究，有待循证医学的进一步支持。

4 CMR在鉴别不同类型PH中的应用价值

CMR不仅可以评估右心室和肺动脉的病变情况，还可以用于鉴别不同类型的PH，为诊断提供更全面的信息。CMR电影及血流成像可以反映异常肺静脉或其他心内分流的存在，提示可能存在动脉性PH的病因[5]。CMR还能够显示心腔的结构和形态，提示先天性心脏病引起的PH。与先天性心脏病引起的PH不同，结缔组织疾病相关的PH通常伴随室间隔形态和运动的异常[5,40]，而CMR解剖和组织学成像可以通过左心室肥大或功能障碍、左心房扩张提示充血性心力衰竭所致的PH[41]。Crawley等[42]研究表明，CMR测量的左心房容积<43 mL/m2可用于区分特发性PH与射血分数保留型心力衰竭所致的PH。在肺部疾病和/或缺氧所致的PH中，肺动脉及右心房、右心室的改变不明显，但是可以通过基于室间隔角、VMI、舒张期肺动脉面积、肺动脉RAC的多参数模型诊断慢性阻塞性肺疾病相关的PH（敏感度为92%，特异度为80%）[43]。MR血管成像可用于提示慢性血栓栓塞性PH中的肺血管充盈缺损及肺灌注情况[44]。

5 基于CMR的人工智能在评估PH中的价值

人工智能指计算机通过模拟人的思维，分析学习输入的数据，寻找规律以实现特定的任务。人工智能的方法多种多样，主要包括传统机器学习和深度学习，相关研究主要用于图像重建、自动分割、早期筛查、诊断和预后预测等[45]。目前CMR应用最广泛的是基于卷积神经网络的深度学习模型，常用于提高CMR影像重建速度和质量。基于多线性子空间的机器学习可被用于识别动脉性PH的疾病特征并进行自动诊断。疾病特征可在CMR四腔心和短轴位影像上以视觉叠加的方式呈现。该方法诊断动脉性PH的准确性高于CMR参数（RVEDV指数、RVESV指数、RVEF、RVSV指数、VMI、室间隔角），且无需对心腔进行分割，在10 s内即可完成[46]。Kanwar等[47]研究发现，基于贝叶斯网络的机器学习可用于评估动脉性PH病人危险分层，并且在多个中心都有较好的诊断效能。此外，监督式机器学习被用于分析右心室三维运动，可预测PH病人不良结局和生存时间；相较于评估RVEF，机器学习可以更准确地预测PH病人的远期生存率，有助于高风险病人的早期干预[48]。然而，由于不同MR设备的序列及成像参数各异，人工智能还需要解决模型不稳定的问题才能真正投入到临床应用中。

6 小结

综上所述，CMR可以采用多参数评估PH病人的心脏解剖、功能、血流动力学及心肌组织特征，对PH病人提供诊断和预后信息，以指导临床实践。随着CMR新技术和人工智能的进一步发展，基于CMR对PH的评估将会越来越广泛。