应用心血管磁共振成像评估中国男子篮球运动员左心房容积和功能

郭歌 崔哲 和清源 邓湘宁 王新宇 王晓华 徐顺霖

1 北京大学第三医院放射科（北京 100191）

2 北京大学第三医院心内科（北京 100191）

“运动员心脏”是指长期高强度的体育锻炼所引起的心脏在结构、功能和电生理等方面的重塑[1]。既往研究证实左心房（left atrium，LA）增大在运动员中十分常见[2]，但对左心房功能变化的研究较少。在心动周期的不同阶段，左心房的储存功能、导管功能和泵功能相互协调，共同完成左心室在舒张期的充盈。左心房结构和功能的改变可能会影响全心功能，因此有必要对运动员左心房的结构和功能进行全面而精准的研究。心血管磁共振成像（cardiovascular magnetic resonance imaging，CMR）具有无电离辐射、组织对比好、重复性高等特点，是测量心脏容积和功能的参考标准[3]。近些年来出现的心血管磁共振特征追踪（CMR feature tracking，CMR-FT）技术可应用心脏电影序列来评估左心房的应变和应变率，是发现左心房早期功能变化的敏感指标[4]。国内目前尚无采用CMR评估运动员左心房容积和功能的研究。本研究将采用CMR和CMR-FT技术对我国男子篮球运动员左心房的容积和功能进行初步研究，以期进一步了解篮球运动员左心房的变化。

1 资料与方法

1.1 研究对象

本研究纳入中国男子篮球运动员20 人作为研究组，入选标准包括：年龄大于等于18岁，篮球技术等级为国家二级运动员，每周训练时间至少15小时。排除标准包括：有高血压病、糖尿病、高脂血症、心脑血管疾病、肺部疾病等病史，或有吸烟史、饮酒史、长期药物服用史及磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）检查禁忌症者。再选取15名年龄、性别相匹配的无运动习惯健康志愿者（每周运动锻炼时间小于3 小时）作为对照组。本研究经本单位伦理委员会审批，所有受试者均签署知情同意书。

1.2 CMR扫描方法

应用美国GE公司MR750 3.0T磁共振扫描仪对所有受试者进行CMR 检查。采用平衡稳态自由进动序列（steady-state free precession，SSFP）获得左心室（left ventricle，LV）长轴两腔心、四腔心和LV 短轴层面的电影序列，主要参数：视野（field of view，FOV）为286 mm×340 mm，矩阵为160×224，重复时间（repetition time，TR）为3.3 ms，回波时间（echo time，TE）为1.5 ms，层厚为8 mm，层间距为0～4 mm。

1.3 图像分析与处理方法

所有原始图像导入心血管分析软件（CVI42，加拿大），由两名工作经验5年以上的医生采用独立双盲法进行心脏容积和功能测量。在LV 短轴图像上测量左心室、右心室的容积和射血分数；在LV长轴两腔心、四腔心图像用双平面面积-长度法测量LA 容积，应用CMR-FT 测量左心房应变和应变率。取两人测量数据的平均值作为最终测量结果。

1.3.1 心脏容积分析

LA容积分析：在LV四腔心、两腔心层面的图像上勾画LA 的心内膜边界（不包括左心耳及肺静脉）。利用双平面面积-长度法计算LA容积（V=0.85×A4c×A2c/L，A4c、A2c 分别为LA 四腔心、两腔心面积，L 为四腔心、两腔心的较小长径）。LA容积参数包括：LA最大容积（LA maximal volume，LAVmax），即收缩末期二尖瓣即将开放时的LA 容积；LA 主动收缩前容积（LA volume before atrial active contraction，LAVpre-a），即舒张早期LA 主动收缩前容积；LA 最小容积（LA minimum volume，LAVmin），即舒张末期二尖瓣关闭前的LA 容积；经体表面积修正获得其相应指数（LAVImax、LAVImin）。

LV、右心室（right ventricle，RV）和右心房（right atrium，RA）分析：根据2020年CMR 标准化图像判读与后处理方案[5]，在LV 短轴图像上，由软件自动描绘LV、RV 在舒张末期和收缩末期的轮廓曲线，乳头肌及肌小梁包含在心腔容积内，对不准确的地方进行人工校正。由此得出LV、RV的舒张末期容积指数（end-diastolic volume index，EDVI）、射血分数（ejection fraction，EF）和LV 质量指数（LV mass index，LVMI）等参数。在LV 四腔心层面电影图像的收缩末期描绘出RA的最大面积（RA area）。

1.3.2 左心房功能分析

容积功能参数：根据LA不同时相的容积可计算出LA 容积功能，包括LA 总射血分数（LA total ejection fraction，LATEF）、LA 被动射血分数（LA passive ejection fraction，LAPEF）和LA 主动射血分数（LA active ejection fraction，LAAEF），计算方法为：LATEF =（LAVmax- LAVmin）/ LAVmax×100%；LAPEF = （LAVmax- LAVpre-a）/ LAVmax×100%；LAAEF =（LAVpre-a-LAVmin）/ LAVpre-a×100%。

应变功能参数：在LV 长轴两腔心、四腔心层面的心室舒张末期手动描绘LA 轮廓（不包括左心耳、肺静脉），由分析软件自动追踪LA在整个心动周期的形变，生成时间-应变曲线和时间-应变率曲线（见图1），并得到LA应变相关参数，包括总应变（εs）、主动应变（εa）、被动应变（εe=εs-εa）、正向峰值应变率（peak positive strain rate，SRs）、舒张早期负向峰值应变率（peak early negative strain rate，SRe）和舒张晚期负向峰值应变率（peak late negative strain rate，SRa）。

图1 对照组（图A、B、E、G）和篮球运动员（图C、D、F、H）左心房应变及应变率对比

1.4 统计学分析

应用统计软件SPSS 22.0进行数据分析，符合正态分布的计量资料用均值± 标准差表示，采用独立样本t检验比较两组间的差异。对部分变量进行Pearson 相关性检验。为验证测量的可重复性，由一名医师在3个月后随机选取15 例受试者再次独立分析其左心房功能参数。用Bland-Altman 法分析组内相关系数（intraclass correlation coefficient，ICC）和变异系数（coefficient of variation，CV）。检验水准α设为0.05。

2 结果

两组人群的一般临床资料见表1。两组人群的年龄和体质指数差异无统计学意义（P＞0.05）。篮球运动员的体表面积、从事运动年限和每周训练时间高于对照组（P＜0.05），心率低于对照组（P＜0.05）。

表1 两组人群一般资料比较

两组心脏测量参数见表2。篮球运动员LVEDVI、RVEDVI、LVMI、右心房面积均高于对照组，LVEF、RVEF 低于对照组（P＜0.05）。篮球运动员左心房的LAVImax、LAVImin大于对照组（P＜0.05）。45%的篮球运动员LAVImax高于正常上限34 ml/m2[3]。篮球运动员的左心房最大容积与左心室舒张末期容积之比LAVmax/LVEDV 低于对照组（P＜0.05）。相关性分析示LAVImax与LVEDVI成正相关（r=0.416，P＜0.01）、与RVEDVI成正相关（r=0.461，P＜0.01），LAVImax与年龄、运动年限及每周训练时间无明显相关（P＞0.05）。

表2 两组人群心脏测量参数的比较

（续表2）

在左心房功能方面，篮球运动员的LATEF、LAPEF和LAAEF 低于对照组，但差异无统计学意义（P＞0.05）。篮球运动员左心房的εs、εe、SRs、SRe、SRa绝对值低于对照组（P＜0.05），而εa 在两组间差异无统计学意义（P＞0.05）。相关性分析显示εs、εe、SRs、SRe、SRa的绝对值与LVEDVI 成负相关（r=-0.368，-0.449，-0.439，-0.478，-0.478，P均＜0.05），εa与LVEDVI无明显相关（P＞0.05），应变功能参数与LAVImax无明显相关（P＞0.05）。LATEF与εs、LAPEF与εe、LAAEF与εa分别呈正相关（r=0.561、0.384、0.553，P均＜0.05）。

LATEF、LAPEF、LAAEF、εs、εe、εa、SRs、SRe、SRa的观察者内、观察者间重复测量的一致性高，所有变量ICC＞0.75，CV＜10%。

3 讨论

篮球是高强度动力性运动和中等强度静力性运动的结合[6]。在长期运动过程中，心输出量、最大耗氧量和容量负荷的增加会使心脏的结构和功能发生重塑。CMR 成像组织对比度高、重复性好，可多参数、多方位成像，是测量心脏腔室大小的金标准[3]，LA的容积比前后径或面积更能准确评估左心房重构[2，7]。本研究发现篮球运动员左、右心室舒张末期容积指数增大，左心室质量指数增加，左、右心室射血分数减低，与既往研究[3，6，8]结果一致。本研究还发现篮球运动员的左心房容积明显增大，45%的篮球运动员LAVImax高于正常人群上限（34 ml/m2）[3]。LAVImax与左、右心室容积指数成正相关，提示篮球运动员的左心房增大可能是心室增大、容量负荷增加的继发性改变。这与既往应用超声心动图的研究结果类似。Iskandar 等[2]的研究共纳入7189名运动员，发现30%的运动员LAVI增大。Trivedi等研究[9]发现，运动员LAVI增大，且左心房与左心室容积之比低于对照组。D'Ascenzi等[10]发现运动员的左心房重塑与左心室重塑相关，且随着训练时间延长，左心房容积会逐渐增大。动力性与静力性运动的结合更易导致左心房增大[3]。因此，左心房容积与运动类型、训练时间和左心室容积等因素相关。可见，对运动员LAVImax的正常范围进行界定十分必要，且需要根据不同的运动类型进行区分。

在左心室收缩期、舒张早期和舒张晚期的不同时相，分别对应左心房的储存功能、导管功能和泵功能。储存、导管功能协助完成左心室舒张早期的充盈，泵功能协助完成左心室舒张晚期的主动充盈[4，11]。左心房的功能可通过容积功能参数和应变功能参数两种方法来评估。左心房容积功能依次用LATEF、LAPEF、LAAEF 来表示。本研究中，我们发现篮球运动员的LATEF、LAPEF、LAAEF 有下降的趋势，但与对照组相比这种差异无统计学意义。

心肌的应变、应变率分别指心肌发生形变的能力和速度，是反映心肌早期功能变化的敏感指标。目前分析心肌应变的方法主要包括：斑点追踪超声心动图（speckle tracking echocardiography，STE）、CMR 组织标记技术和CMR-FT 等[12]。既往多采用STE 技术研究左心房应变，但其组织分辨率不及CMR，且易受成像质量和声窗的影响。CMR组织标记技术是测量左心室心肌应变的“金标准”，但心房壁较薄且标记困难，使该技术在左心房中无法应用。CMR-FT 是一种基于像素评价心肌室壁运动的后处理方法，无需额外成像，后处理简单、快捷，有较高的可重复性和一致性。目前CMRFT已在左心室应变研究中广泛应用，也有越来越多的研究证明其同样可用于左心房功能的评价[4，13-15]。本研究中左心房的应变参数有良好的一致性，提示CMRFT在左心房应变的应用有很好的前景。

在时间-应变曲线和时间-应变率曲线上（见图1），εs、SRs 代表左心房储存功能，εe、SRe 代表导管功能，εa、SRa代表泵功能[11，13，14]。本研究结果显示，篮球运动员左心房的εs、SRs、εe、SRe和SRa较对照组降低，提示运动员左心房的储存功能、导管功能和泵功能均有所减低。与LATEF、LAPEF、LAAEF 等容积功能参数相比，应变功能参数能更敏感地发现左心房功能的早期改变。Cesare 等[16]的荟萃分析共纳入9个临床研究（包括403 个运动员和297 名健康对照组），结果显示运动员的LAV 明显增大，用STE 方法测量左心房的总应变和舒张晚期应变率减低，提示运动员的左心房储存功能和泵功能下降，与本研究结果一致。本研究还发现左心房应变参数与LVEDVI 成负相关，提示左心房应变的减低可能与左心室容积增大有关。当左心室容积增大时，静息状态下获得相同的每搏输出量所需要的左心房形变减小，在运动状态下左心房功能可迅速提升的空间增大，因此可满足高强度运动时心输出量增加的需求。

需要注意的是，左心房容积增大可能会使左心房压力持续增加，是诱发左心房纤维化的潜在危险因素。左心房容积增大、应变减低和左心房纤维化等是心房颤动发生的危险因素，也是不同人群全因死亡率、心血管死亡率或心脏移植等一系列不良事件的独立预测因子[4，17，18]。Karjalainen 等[19]经过10年的随访发现，定向越野运动员心房颤动发生率为5.3%，而对照组为0.9%。Flannery 等[20]认为专业高强度耐力运动员心房颤动的发生率高于正常人群，且往往发生在运动员中晚年时期，但其发病机制仍不明确。因此，对运动员左心房的容积和功能进行测量、评估和动态监测具有十分重要的意义。

本研究也有一定的局限性：①研究对象的样本量较小；②未能对不同年龄段的篮球运动员进行对比，接下来需要对各年龄段、不同性别、不同运动项目的运动员进行研究；③用心血管分析软件测量左心房应变的准确性仍需进一步验证。

4 总结

本研究对我国男子篮球运动员左心房的容积和功能进行了初步评估，发现其左心房容积增大，左心房的储存功能、导管功能和泵功能减低，可能是长期训练的生理适应性改变。CMR能准确测量左心房的容积和功能，CMR-FT 测量的应变参数能敏感地反映左心房早期功能改变，有助于对运动员进行医疗监督和科学训练的指导。