运动负荷状态下心肌运动和形变特点——人体超声三维斑点追踪应变研究

臧峰 汪军

北京体育大学（北京 100084）

心脏是循环系统中的动力器官，承担着泵血的功能。在运动过程中，运动带来的交感神经激活和多种自动调节心脏机制可引起心血管系统和血流动力学产生复杂和强烈的反应，具体表现为心肌收缩力增强、心率增加和每搏输出量增多，以满足机体的需要[1]。但在运动过程中心肌收缩增强的代偿机制和变化规律还有待进一步探究。

三维斑点追踪技术（3-dimensional speckle tracking echocardiography，3D-STE）是近些年发展起来的一项新技术，能够通过追踪心肌运动的声学斑点，在三维空间内获取心肌的运动轨迹，得到心肌运动的全方位信息[2]，从而量化心肌应变以及分析心肌形变能力，可以更加客观地评价心脏的收缩和舒张功能。本研究利用3D-STE 技术优势从心肌运动力学角度探究递增运动负荷过程中心脏在几何形变和心肌力学状态发生变化时心脏功能的调节变化特点，也为今后运动负荷状态下心肌异常的早期诊断与评估提供参考。

1 对象与方法

1.1 研究对象

初筛普通男性青年志愿者20 名，无慢性疾病。经临床检查（临床实验室、超声心动图、运动心电图等检查）排除高血压、冠心病、心脏瓣膜性疾病、先天性心脏病、甲亢、下肢静脉曲张及心率失常等临床疾病；对初筛志愿者进行超声心脏图像质量检测，排除左心室壁节段心内膜显示不清者。最终纳入研究的15 名受试者，平均年龄为26.1 ± 6.3 岁，平均身高为174.4 ±4.8 cm，平均体重为72.0 ± 8.2 kg。

1.2 试验方案

受试者在多角度旋转自行车功率计（Ergoselect 1200EL）上以平卧位姿势蹬踏功率自行车。运动强度为阶梯式递增运动负荷，采用50 W 起步，每3 min 增加25 W，最高达到125 W，要求受试者蹬车频率始终保持在60 转/分钟。实验过程中，全程监测受试者的心电图、血压和心率，在实验前静息状态、每级负荷1 min后和运动后恢复期3 min时采集指标。

为保证测试安全，实验过程中凡出现下述任一情况者，立即中止实验：1）在运动中心率和收缩压不随运动负荷的增加而增加，甚至出现明显下降；2）收缩压高于230 mmHg；3）心电图ST段水平下降大于0.2 mv；4）受试者出现胸闷、呼吸困难等其他身体不适；5）不能维持所要求的速度10 s；6）受试者主动要求中止实验。

1.3 测试指标

1.3.1 心脏基础指标

采用美国SunTech Tango 运动血压监护仪获取运动前后和运动过程中的心率（heart rate，HR）、收缩压（systolic blood pressure，SBP）及舒张压（diastolic blood pressure，DBP）。

1.3.2 心脏功能指标

使用美国GE VividE95 彩色多普勒超声诊断仪，配备M5S 探头（频率1.5～4.5 MHz）、4V-D 探头（频率1.7～3.3 MHz）。连接心电图，采用M5S 探头行常规超声扫查，4V-D探头采集三维图像。

（1）常规超声心动图指标

测量受试者左心室长轴切面获取左心室射血分数（left ventricular ejection fraction，LVEF）、每搏输出量（stroke volume，SV）及心输出量（cardiac output，CO）。

（2）左心室3D-STE指标

连续采集3个心动周期的超声图像，帧频＞35帧/s，将上述所有图像导入ECHO PAC110工作站分析，运用4D Auto LVQ 系统分析三维左心室全容积图像，分析三维图像时，手动调整图像角度和位置，使蓝色基准线通过二尖瓣瓣环，绿色基准线通过二尖瓣瓣尖和心尖部，旋转三条基准线的角度，使三维切面分别处于四腔心、二腔心和三腔心水平。在舒张末和收缩末，定位二尖瓣瓣尖和左心室内膜心尖部基准点。软件自动逐帧追踪左心室内外膜轮廓并分析左心室三维应变参数。软件自动分析获得三维左心室整体收缩功能参数：整体纵向应变（global longitudinal strain，GLS）、整体圆周应变（global circumferential strain，GCS）、整体面积应变（global area strain，GAS）、整体旋转角度峰值（Rotation）及整体扭力（Tortion），根据美国超声心动图学会标准将左心室分为16 节段，收集各节段收缩期纵向应变值。

1.4 统计学分析

应用SPSS 26.0软件进行统计分析，计量资料使用Shapiro－Wilk检验进行正态性检验，用均数± 标准差表示。不同负荷等级的各指标比较采用单因素重复测量方差（One-Way Repeated Measures ANOVA）分析趋势，显著性差异取P＜0.05。

2 结果

2.1 心脏基础指标

重复测量方差分析显示：HR、SBP、DBP 在运动过程中出现显著性的升高趋势（P＜0.01）。与静息状态相比，HR 在运动过程中以及恢复3 min 后均出现显著增加（P＜0.01）；SBP 在运动负荷为50 W 时出现了显著增加（P＜0.05），在75 W、100 W、125 W 时出现了显著性增加（P＜0.01）；DBP 在运动负荷为125 W 时出现了显著性增加（P＜0.05）。与前一级运动负荷相比，HR 均出现了显著性增高（P＜0.01），SBP 在运动负荷为75W 时出现显著性增加（P＜0.01）。见表1。

2.2 心脏常规超声指标

重复测量方差分析显示，LVEF、SV、CO 在运动过程中均出现显著性的升高趋势（P＜0.01）。与静息状态相比，各指标在运动过程中以及恢复3 min 后出现了显著增加（P＜0.01）。与前一级负荷相比，LVEF、SV 在运动负荷为75 W、100 W 时均出现了显著增加（均P＜0.01），运动负荷为125 W 时显著增加（P＜0.05）；CO 在每一级负荷时均出现了显著增加（P＜0.01），见表2。

表2 运动过程中常规心脏超声功能指标变化

2.3 三维斑点追踪技术指标

2.3.1 左心室心肌整体应变指标

重复测量方差分析显示：GLS、GCS、GAS 绝对值在运动过程中均出现显著变化（P＜0.01），整体表现为先升高后降低的趋势。Rotation、Tortion 在运动过程中有升高的趋势，但没有统计学差异（P＞0.05）。与静息状态相比，GLS、GAS 绝对值在运动负荷为75 W 时出现了显著性增加（P＜0.01），在100 W 时出现了显著性增加（P＜0.05）；GCS 绝对值在运动负荷为50 W、75 W、100 W 时都出现显著性增加（P＜0.01），在运动负荷为125 W 时出现显著性增加（P＜0.05）。与前一级负荷相比，GLS在75W时出现显著性差异（P＜0.05）。见表3。

表3 运动过程中左心室心肌整体应变指标变化

2.3.2 左心室心肌节段纵向应变指标

进一步获取左心室心肌各节段的纵向应变（LS）指标，重复测量方差分析显示：心尖部下壁、前侧壁和中间段下壁、后间隔纵向应变在运动过程中出现了显著性变化（P＜0.05），与左心室心肌整体纵向应变先升高后降低的趋势一致，其他心肌节段没有统计学差异（P＞0.05）。见表4。

表4 运动过程中左心室心肌节段纵向应变指标变化（%）

3 讨论

3.1 常规超声指标在运动中的变化

在运动过程中，运动带来的交感神经激活和多种自动调节心脏机制可引起心血管系统和血流动力学产生复杂和强烈的反应，具体表现为：肌肉收缩减少了静脉容量并增加前负荷；肌肉小动脉血管扩张降低外周阻力、促进静脉回流从而降低后负荷；交感神经激活导致收缩力、心率和松弛率进一步增加；血压适度升高，使得收缩末期容积减小等。这些因素均使得每搏量增加以满足运动中机体的需要[3]。

本实验采用的运动方式为平卧位蹬车，受试者的心率和血压随运动强度的增加而升高，在运动最高负荷（125 W）时HR 达到了140.5 ± 15.5 次/min，SBP 达到了184.0 ± 19.7 mmHg，从生理负荷来看，运动强度并未达到高强度水平。可能的原因包括：（1）本实验选取的受试者为青年男性，身体机能相对较好，心脏功能表现为较低的生理反应。（2）卧位运动时部分受试者可能由于腿部肌肉的预先疲劳影响了运动能力，从而降低后期受试者的生理反应。（3）有研究表明[4]，相比于直立位运动，平卧位运动可能有更高的心室壁压力和心肌耗氧量。平卧位姿势也有利于大量静脉血液回流，从而使得回心血量增加，舒张末期容积增加。以上因素也使得本实验受试者在静息和运动过程中SV 相对偏高。

CO 是评价心脏功能的重要指标，可反映机体单位时间内循环血量[5]。运动过程中心脏循环血量增加以满足机体的需要。LVEF 等于每搏输出量与左室舒张末期容积之比，由于运动过程中SV 增加，余血量减少，导致LVEF出现明显增加[6]。常规超声指标虽然广泛应用于对心功能的评价，但仍存在一定的局限性。这些指标主要反映心腔的容量变化，并不能反映心肌收缩水平的超微结构变化[7]，无法准确判断心肌收缩功能能否匹配高强度的运动，以及负荷时心肌是否有缺血或损伤。有研究指出，心肌排血的终末部分更多依靠了心肌细胞主动收缩后的惯性，而且由于心脏的代偿作用，心肌已经出现组织学方面的改变，但LVEF 往往仍在正常范围内。临床研究表明只有当收缩功能异常的心肌节段达到左心室全部节段的10%以上时，才开始出现LVEF 的下降[8]，因此常规超声指标对于心肌异常的早期诊断和预警存在一定的滞后性。

3.2 三维斑点追踪技术相关指标在运动中的变化

斑点追踪技术是一项评价心肌机械力学特征的新技术，能够对心肌的实时运动和机械形变进行分析，通过量化评估心肌形变的应变和应变率，可以定量评价心肌收缩和舒张的力学特性，减少了容量因素的影响，能够在多种生理及病理状态下提供重要临床信息，对多种心血管疾病的预后有重要预测意义。

近年来发展的3D-STE 可以对心肌运动的回声斑点进行重建，可突破二维平面的局限，在三维空间内获取心肌的运动轨迹，还能获取同一心动周期心肌各节段的运动信息，对心肌形变在三维空间中立体运动进行测量，从机械力学的角度更准确地评价心脏整体及局部收缩功能，其结果不受心室几何形态以及正常节段对室壁运动异常节段拖带效应的影响[9]，更真实准确地反映心室收缩功能。

3.2.1 左室整体心肌指标在运动中的变化

心内膜下心肌纤维主要为纵向走行，承受的室壁张力最高，主要实现心肌的纵向收缩，所以左心室沿长轴方向的收缩是心肌收缩的主要组成部分[10]，呈纵向走行心内膜心肌较其他部位更早地出现收缩与舒张功能障碍。有研究证实[11]，心内膜下心肌纤维更容易出现心肌缺血、缺氧所引起的早期形态及功能异常。GLS反映舒张末期左心室心肌长度（myocardial length at end diastole，MLd）与收缩末期左心室心肌长度（myocardial length at end systol，MLs）之间的相对变化，主要反映心室在长轴上的变化，GLS 可更加敏感地反映心脏收缩功能的异常[12]，在不同的心脏疾病（如急性心肌梗死、淀粉样变性心肌病、主动脉狭窄、心脏移植等）中GLS 也是重要的预后标记物[13]，心肌纵向应变值对于评估整体收缩功能具有重要意义。

由于MLs 小于MLd，因此正常GLS 为负数，此前研究表明健康成年人纵向应变的平均值约为－19.7%[14]，绝对值波动在15.8%～23.4%[15]。本实验通过3D-STE技术测量了普通男性青年在静息状态下GLS 为－18.0% ± 2.7%，这与先前的研究基本一致。

负荷状态下的应变参数为进一步评估心脏功能提供了重要支撑，但运动负荷状态下心肌应变值尚未有统一标准。孙飞一等[16]探讨了二维斑点追踪技术在健康成年人运动负荷超声心动图中的应用，研究发现静息GLS 为－20.9% ± 2.2%，运动1 min 后为－24.5%± 2.5%。Larsen 等[17]研究发现运动负荷峰值中左室GLS 为－25.4% ± 2.0%，张清凤等[18]应用二维斑点追踪技术评价健康体检者平板运动负荷中的心肌力学参数的变化特征，发现负荷峰值状态下左心室GLS 较静息状态显著增加约5.3%。结果的差异可能与受试者的选择以及测试仪器的不同有关。

前期研究主要应用二维斑点追踪技术在运动负荷峰值或运动后即刻采集GLS 指标，本研究进一步应用3D-STE 技术对递增负荷运动过程的不同负荷等级连续采集三维空间的心肌应变参数和扭转指标，探讨不同负荷等级下整体心肌机械运动的规律。本实验结果表明：运动过程中受试者GLS 绝对值出现显著性变化（P＜0.01），整体呈现先升高后降低的趋势，在运动负荷75 W时达到最高（－24.6% ± 2.4%），随后开始出现降低，始终高于静息状态，运动负荷峰值（125 W）时GLS只有－22.0% ± 3.7%，并非是GLS 峰值。本实验结果与Larsen等[17]研究相似，该研究同样评估了卧位蹬车运动负荷过程中左心室纵向应变值，研究证实与最大运动强度相比，左心室纵向应变值在低强度运动中增加更为明显。

目前研究主要针对运动负荷状态下心肌纵向应变，其他方向心肌应变以及心肌扭转的研究还相对较少。GCS 表示心肌在短轴方向的环形运动。3D-STE还引入了一个新的参数——GAS，GAS 是在三维室壁运动跟踪的基础上研究左心室功能的新指标，反映了左心室心内膜在收缩及舒张过程中的形变程度，即心内膜面积从初始面积到形变后面积变化率[10]。本研究中，运动开始后受试者GCS、GAS 绝对值同样表现出先升高后降低的趋势，这表明运动负荷状态下心肌在长轴和短轴方向上的形变均出现增加，二者共同作用提高心肌收缩力，这与病理情况下心肌长轴方向降低，主要依靠心肌短轴方向的代偿不同[19]。

左心室的旋转和扭转（度或弧度）是对整体左心室力学的评估，反映了心肌纤维从心内膜右旋到心外膜左旋的改变。心脏作为一个有机功能体，从顶端看，在射血期左心室心尖是逆时针旋转，而基底部为顺时针旋转，从而在收缩期产生“扭曲样”的心脏排空效应[20]。左心室的扭转、旋转运动在心脏射血及充盈过程中起到重要作用。3D-STE 技术以心脏左室短轴中心为假想圆心，计算出心肌的旋转角度。整体旋转角度峰值（Rotation）表示左心室短轴方向的旋转角度，整体扭力（Tortion）是指左心室整体扭转角度与舒张末期左室心尖部到二尖瓣瓣环长度之比。本研究中，运动过程中旋转和扭力指标出现升高趋势，但无统计学意义（P＞0.05）。在运动负荷状态下，心肌收缩力增加，心内膜和心外膜不同方向心肌纤维的轴向应力增加，增加了心肌的弹性形变程度，因此左心室的扭转角度出现增加。在实际测量中，运动过程中扭力指标测量难度较大，结果还有待进一步研究证实。

心肌整体应变指标表明：心肌运动并非随运动负荷的增加而增加，而是在递增运动负荷过程中呈现先升高后降低的趋势，但始终高于静息状态。原因可能是在运动初期由于交感神经增强和副交感神经的减弱导致心肌收缩能力快速增强，运动后期可能由于受到较高的心室充盈压和心率影响从而限制了心肌的形变幅度。本研究提示采用次极量运动强度就足以探究心肌收缩的储备功能。

3.2.2 左室节段心肌应变指标在运动中的变化

通过节段心肌室壁增厚和运动幅度可以评价左心室局部收缩功能。通过应变参数评价心脏收缩功能可以早期发现细微的心肌功能异常，节段收缩功能不全可以反映心肌损伤的具体位置。正常人左心室局部心肌运动应力及速度在不同室壁的对应节段和相同室壁的不同节段是不同的。有研究表明[17]，在静息状态和运动负荷状态下不同节段应变值增加可能并不相同。

本研究结果显示，安静状态下心尖部纵向应变值平均为－20.9%，中间段纵向应变值平均为－19.3%，基底部纵向应变值平均为－18%，可见不同节段纵向应变中，心尖段应变幅度变化最大，基底段最低。在运动过程中心尖部下壁和前侧壁，中间段的下壁和后间隔都出现了显著性变化（P＜0.05），表明收缩期心脏功能储备主要是由心尖部和中间段运动引起，心肌收缩力受前负荷的影响，左心室机械缩短的方向与心尖至基底部的电活动方向相对应，心尖部心肌的缩短较基底段与中间段快，心尖部因室壁压力所受的影响较其他节段更大，基底部更靠近心纤维骨架和二尖瓣环，收缩幅度相对受限[17]。

本研究的局限性：1）样本量较少。2）斑点追踪技术对图像质量的依赖性高，在运动过程中，受试者呼吸加快、胸廓起伏、心率增加都会降低时间分辨率和应变精度。

4 结论

3D-STE 技术可以初步评价运动负荷状态下心肌储备功能，在递增负荷运动过程中，运动负荷状态下心脏泵血功能增强，左心室心肌形变幅度随着运动负荷的递增呈现先升高后降低的趋势，始终高于静息状态，主要以心尖部和中间段收缩增强为主。