心脏磁共振特征跟踪技术评估心肌应变的临床应用及研究进展

周慧慧 许楠 席芊

(同济大学附属东方医院医学影像科,上海 200092)

心脏疾病在过去20年来,一直是全球首要死亡原因。心脏磁共振(cardiac magnetic resonance,CMR)以其高空间、高软组织分辨率成为评价心肌结构和功能的金标准[1]。目前,基于CMR的特征跟踪(feature tracking,FT)技术提供快速采集及后处理,受到放射科、心内科和心外科重视。此前,部分研究应用CMR-FT技术观察正常心肌应变及应变率(strain rate,SR)显示出极好的重复性[2]。近年来,该技术已能提供对左心室(left ventricle,LV)相对准确的评估,但由于心房及游离右心室(right ventricle,RV)壁相对较薄,CMR-FT技术尚不能提供统一参考标准[3]。心室传统结构和功能参数包括心室舒张末期容积、心室收缩末期容积、射血分数以及LV心肌质量等,其中左室射血分数(left ventricular ejection fraction,LVEF)最常用于危险分层并广泛应用于临床实践中,但其不能提供区域心功能信息,而CMR-FT技术通过心肌应变分析可能会提供除传统指标以外的区域心功能信息。因此,为进一步促进CMR-FT技术研究,现就CMR-FT技术评价心肌应变在多种心脏疾病的临床应用及进展进行综述。

1 心肌形变参数及其意义

心肌形变参数包括心肌应变及SR。心肌应变是指张力作用下心肌发生形变的程度,通常由以下公式定义:(L1-L0)/L0,其中L1代表心动周期中(通常是收缩末期)心肌节段长度,L0代表该节段初始长度(通常是舒张末期)[4]。当应变为正值时,表示心肌组织的伸长、增厚或松弛;当应变为负值时,表示心肌组织缩短、变薄或收缩。在心动周期中从舒张末期到收缩末期,根据心肌形变的不同方向,CMR-FT技术可计算得到纵向应变(longitudinal strain,LS)、周向应变(circumferential strain,CS)和径向应变(radial strain,RS);其中,每个心肌应变参数又分为整体应变及节段应变[3]。SR代表心肌发生形变的速率,包括收缩期SR、舒张早期及舒张晚期SR,分别表示心脏收缩及舒张功能。

1.1 心室应变分析

通过后处理工作站多平面功能模块在心室收缩末期和舒张末期自动追踪心内、外膜轮廓(其中LV腔包括LV流出道),自动计算LVEF、左心室舒张末期容积、左心室收缩末期容积等心室功能传统评估指标。应用FT模块在心室长轴及短轴CMR电影序列自动识别心室舒张末期及收缩末期心内、外膜轮廓,在整个心动周期中自动计算心室容积/时间曲线、整体和节段应变及SR。

1.2 心房应变分析

左心房(left atrium,LA)的主要作用是通过3个基本功能来调节LV充盈和心血管性能,包括储存功能、通道功能和收缩功能[5]:(1)储存功能(总应变),当心室处于收缩期时,LA接受来自肺静脉的血流量达到最大容量;(2)通道功能(被动应变),当心室处于舒张早期时,房室瓣打开,使LA成为血液从心房流向心室的管道;(3)收缩功能(主动应变),当进入舒张晚期时,LA积极收缩以完成心室充盈。右心房(right atrium,RA)功能与LA相似,也包括3个基本功能:(1)储存功能(总应变),代表心室收缩期静脉回流收集;(2)通道功能(被动应变),代表心室舒张早期,RA被动将静脉血液运输至RV;(3)收缩功能(主动应变),代表心室舒张晚期即心房收缩期,RA主动收缩使RV进一步充盈。CMR-FT技术通过对心房应变和SR分析,提供了心房生理学3个基本方面的准确量化[6]。

应用后处理工作站FT模块在CMR电影序列LA或RA四腔和两腔视图中手动勾画心房心内、外膜轮廓,在分别处于心房储存期、通道期及收缩期时测量LA储存期、通道期及收缩期整体或节段应变及SR。对于心房应变测量,LA心肌轮廓不包括肺静脉和左心耳,RA心肌轮廓不包括腔静脉和右心耳。

2 缺血性心肌病

缺血性心肌病(ischemic cardiomyopathy,ICM)是指基于阻塞性冠状动脉疾病的收缩性LV功能障碍,可引起心肌缺血、心脏重构及心脏扩大,其发病率逐年增加,是最常见的心力衰竭(heart failure,HF)原因之一。CMR-FT技术通过应变分析可在射血分数降低之前检测到细微的心肌损伤,对于有缺血但无阻塞性冠状动脉疾病的女性来说,其LV-CS降低,但这类患者伴有冠状动脉微血管功能障碍时,LV-CS及LV-SR反而增加,预示LV-CS的增加与冠状动脉微血管功能障碍的发生呈相关关系[7];目前预防心源性猝死指南建议将LVEF≤35%的ICM患者进行植入型心律转复除颤器治疗作为首要预防措施,而对于LVEF降低但>35%的ICM患者,研究表明LV-整体纵向应变(global longitudinal strain,GLS)(≥-8.2%)和RV-整体径向应变(global radial strain,GRS)(≤12.0%)联合应用对适当的植入型心律转复除颤器治疗具有较高的预测价值,敏感性为85%,特异性为76%[8]。Vietheer等[9]研究发现在LVEF与心室表型相似的ICM与扩张型心肌病(dilated cardiomyopathy,DCM)患者中,DCM患者整体周向应变(global circumferential strain,GCS)和GRS显著降低。此外,有研究表明慢性心肌缺血性患者应变参数GCS及GRS降低,且与LVEF具有良好相关性,LVEF越低,其应变值越低;其中非存活心肌CS及RS明显受损,从而有效区分由延迟钆增强定义的存活心肌和非存活心肌[10],为ICM患者风险分层提供一个更客观的度量指标。

3 非缺血性心肌病

非缺血性心肌病是指除ICM以外的心肌疾病,包括DCM、肥厚型心肌病(hypertrophic cardiomyopathy,HCM)、限制型心肌病及致心律失常性右室心肌病(arrhythmogenic right ventricular cardiomyopathy,ARVC)等。

DCM是一种以LV或双心室扩张和收缩功能障碍为主的心肌疾病。有学者发现LV-GLS与DCM预后具有明显相关关系[11],LV-GLS是DCM患者不良结局的重要独立预测因子[12]。Mazurkiewicz等[13]研究发现CMR-FT应变分析对DCM患者纤维化程度具有显著评估能力,CS和径向SR分别是LV和RV严重心肌纤维化(myocardial fibrosis,MF)的独立预测指标。此外,RV-GLS与主要不良心血管事件(major adverse cardiovascular event,MACE)密切相关,RV-GLS可预测LVEF>35%的患者心律失常和HF相关事件以及LVEF<35%的患者HF相关事件[14]。

HCM是一种以心室肥厚为特征的常见心脏疾病,属于遗传性心肌病,目前病因不明,是年轻人猝死最常见的原因之一[15]。CMR-FT技术是一种无创、定量评估HCM患者整体及节段心肌形变的新型方法[16]。HCM和高血压心脏病由于心肌肥厚表型相似而难以区分,研究[17]发现HCM患者LV-GRS、LV-GCS明显增加,并与LVEF、LV心肌质量及最大室间隔厚度存在相关性,因此,应变分析有助于分辨HCM及高血压心脏病从而指导临床对症治疗。另有研究[18]表明对于LVEF正常的HCM患者,LV整体及节段应变参数均显著降低,并与N末端脑钠肽前体(N-terminal pro-brain natriuretic peptide,NT-proBNP)水平升高及心肌肌钙蛋白异常呈相关关系,其中LV-RS相关性最好,因此应变分析可能有助于无创预测NT-proBNP及心肌肌钙蛋白异常。此外,HCM患者发生MF时整体应变及SR均降低,其中LV-GCS是LV纤维化最佳预测因子[19]。在梗阻性HCM患者中,间隔LS与MF及室性心律失常显著相关,可作为评估梗阻性HCM患者心律失常的风险分层指标[20]。

限制型心肌病以单或双心室充盈受限、舒张期容积缩小为特征,但其心室收缩功能及室壁厚度正常或接近正常的心肌病。限制型心肌病患者心肌细胞间质失去正常弹性及间质纤维化改变导致心肌细胞凋亡、变性及LV僵硬[21],心室舒张功能受损,LV从舒张早期到舒张晚期心肌应变逐渐降低[22]。此外,限制型心肌病患者LA储存应变降低,并与总死亡率和MACE独立相关[23]。

ARVC是一种以RV心肌被进行性纤维脂肪组织替代为特征的心脏疾病,属于遗传性心肌病,具有较高室性心律失常和心源性猝死风险。Vigneault等[24]在110例ARVC患者中研究发现,CMR-FT技术与斑点跟踪超声心动图视觉评估相比具有更高的敏感性和特异性。CMR-FT技术能客观量化ARVC患者心室整体和局部功能障碍及非同步性[25],表现为持续性室性心律失常的ARVC患者RV-LS和LV-CS均有所降低。Heermann等[26]研究发现ARVC患者RV-LS、RV-RS、LV-RS、LV-径向SR均显著降低。另一项研究[27]表明LV整体及节段性LS较LVEF更早发现早期LV受累,补充了常规指标对ARVC评价的不足。此外,最新一项研究[28]表明即使在RA容量正常的情况下,ARVC患者也可表现出RA应力受损,并与MACE相关。

另外,Porcari等[29]研究表明CMR-FT技术可为可疑心肌炎患者提供更全面和互补的应变评估,LV-GCS和RV-GCS在20%的心肌炎患者中显著降低,提示存在潜在功能障碍。

4 HF

HF是多种原因导致的心脏结构和功能的异常改变,使心室收缩和/或舒张功能发生障碍,是心血管疾病最主要的死亡原因。根据最新《心力衰竭通用定义和分类》[30],将HF分为4个类型。其中,CMR-FT技术在射血分数保留的心力衰竭(heart failure with preserved ejection fraction,HFpEF)患者中价值最高。研究[31]表明LV-GLS是HFpEF死亡率独立预测因子,LV-GLS>-20%(中位数)的HFpEF患者无事件生存率显著降低。另一项研究[32]表明,整体纵向应变SR可识别早期舒张功能障碍,并与HFpEF患者不良结局独立相关;而Xu等[33]研究发现心外膜LV-GLS和LV-GRS对收缩功能障碍敏感,并与HF患者5年全因死亡率显著相关。在HFpEF伴原发性高血压患者中,LV应变参数明显受损,收缩期LV整体周向SR对于该患者与普通高血压患者具有潜在的鉴别诊断价值[34]。此外,除心室受损以外,心房也会出现相关变化。研究[35]发现RA通道功能和储存功能是全因死亡率独立预测因素。

5 房性心肌病

目前CMR-FT技术正逐步用于心房功能研究,部分研究发现应变分析能反映心房功能早期变化,其可能是比LVEF更敏感的标志物。有研究[36]表明CMR-FT技术可在早期识别LA功能障碍和形变,在LA扩大之前即可显示LA储存及导管功能障碍。在过去的20年里,临床迫切需要研究房性心肌病机制,部分学者发现房性心肌病与多种心源性或非心源性疾病均密切相关,均可导致心房基质受损。其心房电生理和结构发生变化,进而引起MF,从而导致心房结构重塑即能诱发心房颤动(atrial fibrillation,AF)并促使AF进展,相反,AF也能通过心房结构重塑促进房性心肌病进展,二者共同存在且相互影响[37]。2016年房性心肌病专家共识[38]中,将房性心肌病定义为“心房的结构、收缩功能或电生理特征发生改变,并导致心房重塑、传导异常等相关临床表现的一种疾病”。根据共识定义,房性心肌病在临床上也可定义为LA功能三个阶段中任何一个阶段异常。因此,心房应变或SR可能作为一种心房成像生物标志物,在房性心肌病如AF的预测、诊断和预后评估中至关重要。

研究[39]表明,LA应变是进展为持续性AF最强独立预测因子。LA容积和功能特征与AF发生独立相关,Wang等[40]研究发现AF患者左右心房储存期GLS明显低于正常对照组,其中,LA储存期各节段LS均明显低于正常对照组。另一项研究表明AF患者LA储存、通道及收缩应变均降低,并与MF负相关[41],且广泛心房心肌纤维化AF患者LA储存和通道应变明显降低。AF不仅可引起左心功能不全,同时会影响右心功能。研究发现AF患者RA储存及收缩应变明显降低[42],通过CMR-FT技术定量评估RA应变发现RA功能障碍是MACE独立危险因素;而在阵发性AF患者中,RA应变可能是AF复发的已知预测因子[43]。因此,应用CMR-FT技术对心房功能进行全面评估可提供关于心房更全面的信息,并对AF等心房疾病的预测、诊断、预后及临床治疗具有指导意义。

6 局限性

CMR-FT应变分析是利用CMR标准稳态自由进动电影序列来定量评估心肌形变的新型技术,目前应变正常值的研究尚不完善,区分病变心肌和健康心肌(尤其是CS)的最佳阈值尚未确定;其次,人为勾画薄壁心肌轮廓和复杂解剖结构使RV和心房应变测量更加困难且可能存在误差[44];最后,CMR-FT技术获得的心肌应变参数值在不同供应商软件之间存在一定差异性[45],因此,达成一致协议是不同软件供应商努力的目标,以确保不同研究基础之间具有可比性。

综上所述,CMR-FT技术在多种心血管疾病的临床适用性已得到初步证实。首先,应变分析已被应用于LV整体和节段功能障碍定量评估,并作为一个独立预后预测指标在ICM患者预后中具有重要价值。其次,对于非缺血性心肌病患者而言,评估心脏结构和功能甚至心肌微形变尤为重要,突出了CMR-FT技术在多种疾病中各阶段的意义。此外,在HFpEF患者中,CMR-FT技术强调能早期发现舒张功能障碍,尤其以LV舒张功能障碍为著。最后,该技术评估心房应变在房性心肌病预测、诊断、预后及临床治疗中具有一定指导意义。然而,现有的研究表明CMR-FT技术评估尚存在局限性,期待在今后的研究中,基于更大样本量,CMR-FT技术评估心肌应变能为多种心肌疾病发生和发展、诊断或预测、预后及临床治疗提供更有意义的影像标志。