采用二维相位对比速度编码技术研究扩张型心肌病心力衰竭的左心室直流血流动力学特征

李梦露，席晓旭，程流泉*

1.解放军总医院第六医学中心放射诊断科，北京 100048；2.解放军总医院海南医院放射诊断科，海南 三亚 572013；*通信作者 程流泉 13910209982@139.com

扩张型心肌病（dilated cardiomyopathy，DCM）是引起心力衰竭的常见疾病之一，以心室扩大和心肌收缩功能降低为特征[1]，是心脏几何形状改变的代表。心室内血流动力学变化是除心肌形态和运动功能指标外反映心脏功能的关键参数[2]，心脏几何形状改变会影响心脏运动与血流的耦合关系，血流动力学变化又会进一步影响心脏重构，从而影响疾病的发生和发展。心动超声和心脏磁共振均尝试在心室内的血流动力学进行研究，但是心腔的构型复杂，心腔内的血流表达方式并不理想。

基于超声速度向量成像等技术构建的血流流线图，在显示涡流的形态和构造方面可以进行定性描述，分为层流、滞留、回流等[3]，血流向量成像能够定量分析心室内血流动力学变化[4]。MRI使用先进的4Dflow技术可以用流线图的方式显示左心室血流的三维时序变化，进行定性描述[5]，分析不同方向的血流成分[6]。类似于扩散张量成像对脑白质纤维束追踪的三维定性显示与各向异性分数特征值的定量表达方式，对这种时空复杂的血流的定量测量，要分解到二维平面内进行解析。

为了研究心室内的血流特征和临床价值，本研究的设计基于：①选择DCM心力衰竭患者为研究对象，定量测量心脏几何形状改变导致的心力衰竭状态下血流动力学参数的变化；②选择左心室充盈期和收缩期的血流直流成分作为研究对象，暂时忽略其他方向复杂的滞留和回流；③用左心室心底、中部和心尖3个典型层面替代三维成像，以获得与功能解剖一致的血流空间信息差异；④选用二维相位对比速度编码技术，以获得更高的时间与空间分辨率和成像效率。本研究拟探索心室内血流动力学参数与心功能之间的关系，研究DCM心力衰竭患者的血流动力学变化，并提供合理的解释。

1 资料与方法

1.1 研究对象 本研究为前瞻性研究，连续纳入2017年1月—2019年12月于解放军总医院第一医学中心诊疗的DCM伴心力衰竭患者。以《中国扩张型心肌病诊断和治疗指南》[1]为纳入标准，排除经MRI检查不符合DCM表现、明确的缺血性心肌病导致心肌扩张、合并瓣膜病或高血压、MRI检查期间严重心律不齐或呼吸屏气不配合导致图像质量差无法测量者。最终纳入24例，其中酒精性心肌病2例、围生期心肌病1例、药物性中毒性心肌病2例、特发性DCM 19例（包括疑似遗传性DCM 1例，DCM早期1例）。招募21名健康志愿者作为正常对照组，排除具有心脏疾病、重大疾病和系统性疾病史者；检查前测量血压，收缩压90～120 mmHg（1 mmHg=0.133 kPa）、舒张压60～90 mmHg，心率60～90次/分，心律整齐；MRI检查后经研究者阅片认为心脏形态功能正常，测量左心室射血分数（left ventricular ejection fraction，LVEF）≥50%。排除图像质量不合格或影响后处理分析结果者。收集两组受试者的体重指数、体表面积等。本研究通过解放军总医院伦理委员会批准（批准号：S2019-094-01)，所有受试者均签署知情同意书。

1.2 心脏MRI图像采集 使用Philips 1.5T Multiva MR扫描仪，梯度场33 mT/m，梯度切换率120 mT/（m·s）。采用8通道Torso SENSE线圈，检查前准备胸前4导联碳素电极建立心电向量连接用于心电同步门控。常规心脏成像序列包括平衡稳态快速进动电影成像序列、双反转恢复快速自旋回波序列和延迟强化序列。平衡稳态快速进动电影成像序列包括短轴位、水平长轴位、垂直长轴位，主要成像参数：心电向量QRS波触发，TR 4.0～4.2 ms，TE 1.1～1.2 ms，矩阵256×224，视野35 cm×28～35 cm，每RR间期采集16条K空间线，每个RR间期划分为24个心脏时相，并行成像因子2以缩短患者的屏气时间，层厚6～8 mm，层间距2 mm，短轴位11～15层覆盖左心室舒张末期心尖至房室沟范围。二维相位对比速度编码电影序列仅选取左心室短轴位的心底、中部和心尖3个层面。心电向量触发，每个RR周期划分24个相位，TR 5.5 ms，TE 3.3 ms，脉冲角120°，流速编码预设值120 cm/s，流动方向为垂直成像平面，视野320 mm×280 mm，矩阵160×132，平面内分辨率2 mm×2.1 mm，层厚8 mm。

1.3 图像后处理 将DICOM图像导入Segment 1.9软件进行心功能参数和血流动力学参数测量。心功能参数测量在电影序列图像上采用自动识别辅助以人工引导进行心内膜和心外膜描记，直到心动周期中每一帧均能够准确描记心内膜。获得左心室容积及心功能各项指标，包括左心室舒张末期容积（left ventricular end-diastolic volume，LVEDV）、左心室收缩末期容积（left ventricular end-systolic volume，LVESV）、每搏输出量（stroke volume，SV）、LVEF，以及经过体表面积校正后的左心室收缩末期容积指数、左心室舒张末期容积指数、每搏输出量指数（systolic volume index，SVI）、心脏指数（cardiac index，CI）。血流动力学参数测量启动PC流动分析模块，在经过涡流补偿校正和血流方向调整后，以心腔血流作为感兴趣区（ROI），射血流出方向赋正值，充盈流入方向赋负值，构建ROI范围内各个像素质点射血速度和充盈速度最大值和ROI范围内所有像素的速度平均值的心动周期曲线。血流量是体素体积与血流速度的乘积，单位是ml/s，包括射血流量、充盈流量和净流量。定向动能（signed kinetic energy，SKE）是各像素点的动能（1/2×mV2）的矢量和，血液质量m=ρ×体素体积，ρ是血液密度，取值1.06 g/ml，V为流速，单位是mJ/s。通过各自的心动周期曲线获取心底、中部、心尖3个空间位置的峰值作为血流动力学参数，包括平均射血和充盈速度峰值、净射血和充盈流量峰值，射血和充盈SKE峰值等血流动力学指标。用函数which.max（x）提取SKE的射血和充盈达峰时间（time to peak，TTP），时间单位标准化为1/24 RR周期，计算心腔中部和心底达峰时间差异（dTTP）。

1.4 统计学方法 分析数据存储为Microsoft Excel格式并整理后，使用RStudio 1.4.1717软件进行分析，使用ggplot制图。正态分布的计量资料以±s表示，组间比较采用两独立样本t检验；非正态分布的计量资料采用M（Q1，Q3）表示，组间比较采用Mann-WhitneyU检验；计数资料以例数表示，组间比较采用χ2检验；采用Pearson相关分析血流参数与心脏功能参数LVEF、EDV、ESV、SV的相关性；采用Spearman相关分析LVEF与dTTP的相关性，P＜0.05表示差异有统计学意义。

2 结果

2.1 两组受试者临床资料比较 见表1。

2.2 两组血流动力学曲线特征 由图1～3可见：①在收缩期和舒张期，正向射血血流和负向充盈血流在任何心动周期同时存在，对照组的收缩期射血指标如射血速度、射血流量等占明显优势，舒张期充盈指标如充盈速度、充盈流量占明显优势，表现为平均速度、净流量和SKE曲线上呈横置的S形，包括3个峰值，1个正向峰值代表收缩期，2个负向峰值分别代表舒张早期和舒张晚期。SKE曲线由心底-心腔中部-心尖水平峰值呈梯度递减，规律性明显。②研究组的曲线缺乏上述规律性，在收缩期存在较大的充盈速度和充盈流量，反之在舒张期存在较大的射血速度和射血流量，两种血流成分联合导致平均速度、净流量和SKE曲线的不规则性，主要表现为收缩峰值和充盈峰值大小不一致，TTP也不一致，舒张期甚至出现多个峰值。图4为3种不同类型SKE曲线。

图1 研究组和对照组个体及整体平均血流速度参数图，包括射血平均速度和充盈平均速度按照心底（A）、中部（B）和心尖（C）分组显示

图2 研究组和对照组个体和整体平均净流量曲线集合，按照心底（A）、中部（B）和心尖（C）分组显示。研究组峰值个体间差异较大，研究组在各不同心腔水平射血期及充盈期的平均速度均低于对照组，但从统计结果看无明显差异

图3 研究组和对照组的个体SKE曲线集合，按照心底（A）、中部（B）和心尖（C）分组显示。研究组SKE的充盈TTP变化范围较大，对照组的曲线分布相对集中、有规律，而研究组的曲线形态和峰值比较混杂

图4 3名DCM患者不同类型SKE曲线。类型I：心底-中部-心尖的TTP基本同步，舒张期SKE峰值下降（A）；类型Ⅱ：舒张期基底部与心室中部不同步，但SKE峰值无明显减低，存在心底-中部-心尖的梯度差别（B）；类型Ⅲ：基底部-中部-心尖的TTP失去同步性，且收缩期SKE峰值降低，心底-中部SKE峰值的梯度差减小（C）

2.3 血流动力学峰值指标与心功能指标的相关性研究组和对照组在心腔各水平的射出与充盈血流的平均速度峰值及心腔中部与心尖的SKE充盈峰值差异有统计学意义（P＜0.05），其余指标差异均无统计学意义（P＞0.05），见表1。

表1 两组受试者人口学资料与测量指标峰值比较

LVEF与心底及心腔中部平均射血速度、心腔中部平均充盈速度呈正相关（r=0.624、0.630、0.610，P＜0.01）；ESV、ESVI与心腔中部平均射血速度呈负相关（r=－0.611、－0.625，P＜0.01），与心底及心尖部平均射血速度呈负相关（r=－0.57～－0.52，P＜0.01）；EDV/EDVI与3个水平的平均射血速度峰值呈负相关（r=－0.57～－0.48，P＜0.01）；心排血量（cardiac output，CO）与心底及心腔中部平均充盈速度呈正相关（r=0.656、0.634，P＜0.01）。除心底部充盈流量峰值与EDV、ESV呈正相关（r=0.516、0.411，P＜0.01）外，其余血流量相关参数及SKE与LVEF、EDV、ESV、SV、SVI、CO、CI均呈弱相关或无相关（r＜0.4），见图5。

2.4 SKE的TTP与心功能指标的相关性 由图3和表1可见，对照组的TTP基本一致，而研究组的SKE曲线TTP变化很大，这种差异主要体现在个体内心底水平与中部水平的dTTP。获得收缩射血SKE的TTP一般相差0～1个时间单位，而舒张充盈SKE TTP差别0～6个时间单位，与LVEF呈负相关（r=－0.67，P＜0.05），见图6。

图6 研究组和对照组个体心底水平与中部水平的dTTP与LVEF的相关性

3 讨论

3.1 血流动力学结果分析 由于心肌运动和血流流动存在耦合关系[7]，血流流动是心肌运动的直接结果，对血流的研究可以为心力衰竭提供合理的解释。本研究结果显示，速度作为2D-PC序列的元数据，在研究组和对照组间存在显著差异的是平均速度的射血和充盈峰值，且平均射血和充盈的速度峰值与LVEF、EDV和ESV呈强或中等程度相关。由此可见，平均射血和充盈速度的峰值也许可以作为射血和充盈能力的一个指标，提示DCM患者同时存在射血和充盈能力降低。从个体曲线看，研究组的射血和充盈最大速度的峰值很多大于对照组的分布范围，分布更加离散；从电影运动看，研究组ROI范围内单个像素质点速度的分布异质性非常大，可以观察到ROI的某个区域存在局部的单向瞬时高速血流成分。由于在整个心动周期中并非单向的射血或充盈，而是同时存在射血和充盈两种成分，这种基于算术的平均速度并不能精确反映这种局部的瞬时高速血流成分，只能反映总体的心脏射血能力。

流量是ROI范围每一个体素内速度与速度的乘积之和，综合了体积的加权因素。在流量的曲线图上，任何心动周期心脏的各层面中均同时存在射血和充盈2个方向的血流成分。对照组射血期正向流量远大于负向流量，因此在净流量曲线上，射血期表现为正值；反之，在充盈期表现为负值。研究组射血期由于负向的充盈血流占优势，会出现净流量为负值的情况，导致净流量曲线在整个心动周期的不规则性，给净流量的峰值和TTP的确定带来很大的偏差。甚至研究组心底和心尖的射血流量显著大于对照组，推测与研究组的心腔扩大后ROI面积增大有关，在电影图像上可以观察到扩张的心腔内回旋的血流并未被射出，可以解释后续的SKE曲线上流量与能量不一致的表现。除心底部充盈流量峰值与EDV、ESV呈中等正相关（r=0.516、0.411，P＜0.01）外，其余血流量相关参数及SKE与LVEF、EDV/ESV、SV/SVI、CO/CI均呈弱相关或无相关，表明当EDV和ESV扩大时，心腔内虽然射血方向和充盈方向的流量增加，但是并未带来净流量和SV的相应增加，表明其中部分流量是无效流量，即有流量无能量。此外，LVEF与心腔中部和心尖射血流量呈负相关，表明这些增加的射血流量并未转化为真正的射出流量，而是被同时存在的负向充盈流量中和。由此推测，当存在扩张型心力衰竭时，心肌的做功并未有效转化为射出的血流，存在能量损耗。心脏形态的改变导致心腔内正常的涡流位置及形态，进一步影响到“舒张-收缩耦联”的能量传递[8-9]，左心室不同节段存在不同程度的心脏舒张功能障碍[4]。

SKE与速度的平方成正比，是所有体素血流动能的矢量和。心尖ROI范围内附壁的缓慢血流对SKE影响很小，与心底和中部的数据差别在10-3数量级，弱化了低速血流的影响，在心动周期曲线上几乎接近0，可以作为参照基线[10]。因此可以近似地认为SKE反映主要血流成分的特征，是融合了流量和速度的简化的血流动力学参数。本研究采用2D-PC方式获得的正常人SKE曲线形态与Corrado等[6]运用4D血流成像观察到左心室KE曲线十分类似，对照组的SKE包括3个波峰：心脏收缩期、舒张早期和舒张晚期，特征是左心室舒张早期的峰值较高，舒张晚期峰值显著低于其他2个峰值。

在SKE曲线的定量分析上，SKE的射血与充盈峰值与LVEF无相关性，与Kanski等[11]利用4D-flow技术的心力衰竭研究中得到收缩期KE比对照组高的结论类似。从个体曲线和峰值统计看，两组射血峰值并无差异，部分病例的射血SKE峰值甚至远高于对照组，或者心底-中部-心尖峰值梯度出现很大差异。而中部和心尖的充盈峰值较正常人下降有显著差异。结合电影图像，SKE的这种表现可能与DCM心力衰竭患者心腔扩张后的充盈阻力有关，充盈血流的能量在心腔中部即发生快速衰减，而为了满足射血的需要，心底水平的血流会出现代偿性的运动加强，由此可以解释心底SKE射血峰值更高。

除峰值外，TTP的差异是十分有意义的指标[7,12-13]。本研究结果显示，心底和中部水平的SKE充盈TTP的不同步性与LVEF呈显著相关性，dTTP越大，LVEF越差，这种TTP的不同步性主要出现在研究组，而对照组几乎没有或差异很小。这种不同步性导致心脏充盈阻力增加，造成血流滞留和紊乱，使充盈动能未最大程度地转化射血的动能，从而加大了能量损耗，使心肌需要更多的做功才能满足射血需要。Eriksson等[14-15]在研究早期代偿期的DCM患者血流KE组成发现，直接流动的血流KE与正常组无差异，而其余3种血流成分KE均较正常组显著升高，在一定程度上支持了这种直流能量的损耗假设。这种心腔内血流不同步的表现，可能来自心肌运动不同步，也可能来自心室内血流紊乱。心脏运动的不同步可提高心力衰竭的病死率，血流的SKE曲线能够简单、直观地反映血流不同步的状态，这可能成为DCM患者心脏再同步化治疗的指标。dTTP是充盈延迟的标记，在Pankaj Garg心肌梗死导致的心力衰竭患者血流KE的研究中认为，dTTP及KE的梯度差是影响血栓形成的因素[16]。同样，充分了解DCM心力衰竭患者的血流动力学情况能够提示临床预防心力衰竭患者血栓形成[17]。

与基于4D-flow成像技术的研究相比，4D技术测量的KE计算整个左心室容积内各血流方向的能的矢量总和，Kanski等[11]使用4D技术获得左心室整体的单个KE曲线类型与NYHA分级无相关性，因为这种矢量和的曲线不能反映心室内血流的分布情况。而本研究采用的2D技术可以解构心室内的SKE梯度特征，这是本研究进行分析曲线类型的基础。Hälvä等[5]测量严重主动脉缩窄的峰值流速发现，4D-flow的结果显著小于其他两种技术。2D-flow的时间分辨率较好，能够获得更精确的dTTP结果。

3.2 研究限制与不足 本研究中对照组的选择强调了志愿者的健康状态，招募的对象比较年轻，未选择年龄匹配，这是考虑到年轻人的心肌薄、心腔较大，减少心脏形态差异导致的血流状态变化，且所有血流相关数据作为因变量经过最佳尺度分析，评估了分组、性别、年龄、体表面积及心腔不同水平作为自变量对于本研究血流结果的综合影响，结果显示年龄因素对于文中涉及的所有血流相关数据均无显著影响。但是在控制因素设计时未考虑到因为年龄差异导致的血压、血管弹性等因素造成的基线和心率差别[18-19]，性别同样是影响血流分析结果的重要影响因素，应针对性别进行更细致的分组分析[20]。本研究对血流的分析仅针对直流，如果能通过采集平面内的数据对其他涡流、滞留、回流等成分进行精确分析，则更有利于结果的解释。

总之，DCM心力衰竭患者左心室内直流的平均速度峰值下降提示心脏整体射血与充盈能力降低，但是受血流速度异质性的影响，平均速度下降并未带来血流量和SKE的相应下降；SKE曲线在心底-中部TTP的不同步性与LVEF密切相关，可能是心室内血流动力学的一个关键指标。

利益冲突 所有作者均声明不存在利益冲突