心脏扭转运动理论及MRI评价进展

成 楠（综述） 程流泉 高长青（审校）

心脏扭转运动理论及MRI评价进展

成 楠1（综述） 程流泉2高长青1（审校）

心脏病；异常扭转；磁共振成像；综述

心脏扭转运动在哺乳动物中具有普遍性，在传统的从径向、纵向评价收缩和舒张功能的基础上，心脏的扭转运动能够进一步提供心脏整体及局部的运动参数，对于心脏内膜或外膜收缩功能的改变、左心室重塑以及纤维结构的改变均能在心脏扭转运动中得到体现，因此对于正常或病变的心脏其收缩及舒张功能的改变均能通过心脏扭转运动评价进行深入研究[1]。近年来，方便、无创的影像学评价方式为心脏扭转运动的研究提供了可行性，从最初的植入性X线下透视[2]及超声标记研究，到超声斑点追踪成像[3-4]及最近评价左心室运动的“金标准”心脏磁组织标记评价[5]与特征追踪成像技术[6]（cardiac magnetic resonance feature tracking，CMRFT），这些评价技术使心脏扭转运动的研究更具有临床评估实用性。本文对心脏扭转运动理论及MRI评价进展作一综述。

1 左心室扭转的解剖基础

螺旋心肌带理论是心脏扭转运动的解剖基础[7-8]，已有的扩散张量MRI（DT-MRI）研究表明，左心室占2/3的基底部由3层心肌构成[9-10]。Streeter等[10]认为心内膜心肌纤维占室壁厚度的20%，心外膜心肌纤维占室壁外层的25%，而其余中层55%的心肌纤维呈水平走行。另外，该研究发现左心室1/3的心尖部无环形心肌纤维包绕。对于室间隔的心肌结构，诸多DT-MRI研究结果显示可能有3层心肌纤维[11-12]；也有超声研究发现室间隔被一条明显的分隔带分为两层孤立的心肌纤维且各自做收缩运动，而右心室侧的心肌层对应于心外膜纤维（升段），左心室侧的心肌层对应于心内膜纤维（降段）[13]。Torrent-Guasp等[14]及Poveda等[15]提出螺旋心肌带理论，认为心尖环由右旋心肌纤维构成降段，而左旋心肌纤维构成升段。环形心肌纤维则呈横向走行，并构成心底环的左心室段和右心室段。螺旋心肌带和环状心肌带提供了心脏扭转运动的机械动力（图1）。心肌带各个部分的运动是不同步的，如超声晶体微测距仪研究显示在等容收缩期心外膜心肌纤维无收缩，而在射血期心外膜及心内膜心肌纤维共同收缩引起心脏扭转，在射血后的等容舒张期，心外膜心肌纤维继续收缩直到心脏开始解旋抽吸。

图1 心肌带解剖图，依次显示右心室段（A）、左心室段（B）、解开心尖环（C）、展示整个心肌带（D）

2 心脏扭转运动理论特征

在收缩时相，从心尖方向观察，左心室心尖部呈逆时针旋转，旋转角度最大约10°；而基底部初始时呈逆时针旋转，随后转变为与心尖相反的顺时针直至收缩末期，扭转角度达3°[16]。此时收缩终末期的心脏扭转形态常呈“拧湿毛巾样”。当心脏处于扩张型心肌病[17]、2型糖尿病[18]、肥厚型心肌病[19]、高血压病[20]、缺血性心脏病[21]及老龄化[22]等疾病的病理状态时，心脏扭转运动可能会发生改变。

目前对心脏的舒张运动机制观点不一。Rademakers等[23]及Notomi等[24]认为心脏舒张运动始于二尖瓣瓣口开放前，并因左心室变形后的弹性纤维的反弹作用而发生快速主动的充盈和抽吸；而Buckberg等[8]认为仅依靠弹性纤维的反弹力量不足以使左心室在120 ms内迅速降低85%的室内压力，并根据最新借助的超声微晶体对螺旋心肌带升段和降段的研究认为，升段在等容舒张期期间（约90 ms）继续收缩，这对心脏舒张期的主动充盈过程做了很好的解释。

既往研究结果和模型认为，左心室的扭转角度即为心尖环和心底环相对旋转后产生的切向角度（θ=90°－α）。对于不同长度及直径的心脏，心尖环和心底环的各自旋转角度可能有差异，但整体的左心室扭转角度更能反映心脏切向变形能力，因此更适合作为左心功能的评价指标。心脏扭转运动的产生与哺乳动物的心脏结构有关，对人体心脏进行心肌三维重建发现：心外膜（升段）心肌纤维呈左手螺旋负向60°走行，中层心肌纤维呈水平环向走行，而心内膜（降段）心肌纤维呈右手螺旋正向60°走行（图2）。心肌升段的收缩使左心逆时针扭转，而降段的收缩使左心顺时针扭转，因此扭转运动反映了各个心肌群纤维共同作用的结果。心脏在扭转的同时还会引起轴向变形（环向和长轴）。左心在扭转的同时也会进一步缩短，如果去除扭转运动，单纯心内膜纤维收缩能够更加明显地使左心缩短，而扭转则固定了左心缩短的基本方向，此方向与心外膜心肌纤维走行接近，并与心内膜心肌走行垂直。

图2 心肌带DT-MRI图像。A、B分别为心肌纤维重建心尖位观和上位观

3 病理状态下左心室扭转运动的临床评估与应用

如果心脏的形态发生改变，如向心性肥厚型心肌病则引起心外膜旋转变形明显增加，使左心扭转增大；而扩张型心肌病中心外膜变薄，扭转运动明显减弱。发生肥厚型心肌病时，左心室扭转运动与心脏的形态密切相关，当心脏变为球形时，其扭转运动减弱[25]；而当左心室发生向心性肥厚时，心外膜扭矩增加。因此，尽管肥厚型心肌病的环向和轴向应变有所减少，但扭转程度却是增强的。另外，对于家族性患有肥厚型心肌病的健康人群，其室壁厚度正常但扭转功能增强，有可能预示心内膜心肌纤维病变[19]。Delhaas等[26]采用MR标记技术对先天性主动脉瓣狭窄的儿童进行心脏扭转运动研究发现，由于主动脉瓣狭窄导致心肌肥厚、心内膜缺血，使得心外膜扭转运动增强，心脏扭转-缩短指数较正常人群升高40%。

Meyer等[27]采用CMR-FT技术比较经股动脉和经心尖不同入路行导管治疗主动脉瓣植入术（transcatheter aortic valve implantation，TAVI）对心功能的影响，发现经心尖行TAVI手术组的心尖局部收缩功能明显下降，心尖段的应变明显低于经导管TAVI组。Park等[28]通过比较前壁心肌梗死和下壁心肌梗死发现，所有心肌梗死患者心脏的心尖环和心底环扭转运动均明显下降，但前壁心肌梗死的心底环扭转运动较下壁心肌梗死反而有所提高，由此说明心底环的扭转在心脏功能中的作用至关重要。

对心脏扭转运动及其解旋运动的研究涉及扭转速度、达峰速度及达峰时间等各方面及其之间的内在联系。由于心脏扭转运动和解旋运动是分隔开的，两者之间的时间间隙位于降段收缩停止后升段仍在继续收缩这段时间，在正常心脏中此间隙约为80 ms。当应用正性肌力药物时，此时间间隙延长，解旋加快；而当应用负性肌力药物或在病理状态下，该时间间隙可以明显缩短。如果降段收缩时间延长，则会引起扭转延迟，进而影响收缩期后等容舒张期的解旋运动。因此，许多对此间隙期造成影响的动力学改变实际是对扭转与解旋的相互之间平衡关系的影响，并且可能也会造成舒张功能障碍。Bansal等[29]则认为随着心肌梗死范围的扩大及透壁程度的增加，心底环的扭转运动明显下降，而心尖环则无明显差别；并且发现药物对左心室收缩的改善作用主要体现在心底环的扭转运动上，而对心尖环改善作用不明显。汪咏莳等[30]研究发现，采用心脏再同步化方法能够有效改善心力衰竭犬心脏的扭转运动，因此左心扭转功能可以作为心脏再同步化治疗的评价指标。此外，Zhang等[31]研究认为心脏再同步化治疗后左心扭转运动仍未改善，这可能与实验中电极的位置有关，置于心尖的电极较心底的电极能更好地探测心脏扭转运动的变化[32]。

4 MRI对心脏扭转运动评价概述

目前有很多MRI技术用于评价左心室扭转运动，如相对比速度编码技术、磁化空间调制法、补偿磁化空间调制法、同步相位分析。最新的技术还包括Nasiraei等[33]采用的位移模拟回波编码（displacement encoded stimulated echo，DENSE）及CMR-FT[34]，其中3D-DENSE成像技术可以提供最全面的心肌运动信息。不论是何种图像分析方法，最重要的技术手段是如何将左心室从图像中准确快速地分割出来，并对其局部和整体进行追踪定位，但上述大多数MRI图像分析方法不但耗时，且重复率较低；最新的CMR-FT技术能够对MRI图像序列中的组织像素进行追踪，并能够评价心肌局部或整体的应变（率）、运动速度、位移及扭转运动，该技术不需要另加标记线（tagging线），且CMR-FT技术与采用同步相位分析软件对心肌进行标记（tagging）图像分析结果具有较好的相关性[35-36]（图3）。

对心肌应变、扭转运动的分析能够对心脏整体或局部在正常或病理状态下的运动变化进一步研究[37-38]，有利于早期发现心脏疾病及治疗评估，随着三维应变分析技术的发展及计算机图形后处理技术的进步，对心脏局部功能的评价将更为精确并具有广阔的应用前景。

图3 由心尖位观察收缩期心尖及心底旋转图（采用TOMTEC Imaging System，2D Cardiac Performance Analysis MR分析软件）。其中绿箭表示心肌运动速度矢量，A示心尖呈逆时针方向旋转，B示心底呈顺时针方向旋转

[1] 孙妍, 薛静莉, 宋钧, 等. 左心室整体及局部收缩功能的超声评价方法. 中华医学超声杂志(电子版), 2014, 11(2): 111-113.

[2] Hansen DE, Daughters GT, Alderman EL, et al. Torsional deformation of the left ventricular midwall in human hearts with intramyocardial markers: regional heterogeneity and sensitivity to the inotropic effects of abrupt rate changes. Circ Res, 1988, 62(5): 941-952.

[3] 于蓝, 王银荣, 田永梅, 等. 三维斑点追踪成像技术评价急性前壁心肌梗死患者左心室收缩功能. 中国医学影像学杂志, 2014, 22(10): 739-744.

[4] Hayabuchi Y, Sakata M, Kagami S. Assessment of twocomponent ventricular septum: functional differences in systolic deformation and rotation assessed by speckle tracking imaging. Echocardiography, 2014, 31(7): 815-824.

[5] Ibrahim el-SH. Myocardial tagging by cardiovascular magnetic resonance: evolution of techniques--pulse sequences, analysis algorithms, and applications. J Cardiovasc Magn Reson, 2011, 13: 36.

[6] Schuster A, Paul M, Bettencourt N, et al. Cardiovascular magnetic resonance myocardial feature tracking for quantitative viability assessment in ischemic cardiomyopathy. Int J Cardiol, 2013, 166(2): 413-420.

[7] Young AA, Cowan BR. Evaluation of left ventricular torsion by cardiovascular magnetic resonance. J Cardiovasc Magn Reson, 2012, 14: 49.

[8] Buckberg G, Hoffman JI, Nanda NC, et al. Ventricular torsion and untwisting: further insights into mechanics and timing interdependence: a viewpoint. Echocardiography, 2011, 28(7): 782-804.

[9] Haggerty CM, Kramer SP, Binkley CM, et al. Reproducibility of cine displacement encoding with stimulated echoes (DENSE) cardiovascular magnetic resonance for measuring left ventricular strains, torsion,and synchrony in mice. J Cardiovasc Magn Reson, 2013, 15: 71.

[10] Streeter DD, Spotnitz HM, Patel DP, et al. Fiber orientation in the canine left ventricle during diastole and systole. Circ Res, 1969, 24(3): 339-347.

[11] Lombaert H, Peyrat JM, Croisille P, et al. Human Atlas of the cardiac fiber architecture: study on a healthy population. IEEE Trans Med Imaging, 2012, 31(7): 1436-1447.

[12] Pravdin SF, Berdyshev VI, Panfilov AV, et al. Mathematical model of the anatomy and fibre orientation field of the left ventricle of the heart. Biomed Eng Online, 2013, 12: 54.

[13] Hayabuchi Y, Sakata M, Kagami S. Assessment of the helical ventricular myocardial band using standard echocardiography. Echocardiography, 2015, 32(2): 310-318.

[14] Torrent-Guasp F, Buckberg GD, Clemente C, et al. The structure and function of the helical heart and its buttress wrapping. I. The normal macroscopic structure of the heart. Semin Thorac Cardiovasc Surg, 2001, 13(4): 301-319.

[15] Poveda F, Gil D, Martí E, et al. Helical structure of the cardiac ventricular anatomy assessed by diffusion tensor magnetic resonance imaging with multiresolution tractography. Rev Esp Cardiol, 2013, 66(10): 782-790.

[16] Sun JP, Lam YY, Wu CQ, et al. Effect of age and gender on left ventricular rotation and twist in a large group of normal adults--a multicenter study. Int J Cardiol, 2013, 167(5): 2215-2221.

[17] Matsumoto K, Tanaka H, Tatsumi K, et al. Left ventricular dyssynchrony using three-dimensional speckle-tracking imaging as a determinant of torsional mechanics in patients with idiopathic dilated cardiomyopathy. Am J Cardiol, 2012, 109(8): 1197-1205.

[18] Larghat AM, Swoboda PP, Biglands JD, et al. The microvascular effects of insulin resistance and diabetes on cardiac structure, function, and perfusion: a cardiovascular magnetic resonance study. Eur Heart J Cardiovasc Imaging, 2014, 15(12): 1368-1376.

[19] Russel IK, Brouwer WP, Germans T, et al. Increased left ventricular torsion in hypertrophic cardiomyopathy mutation carriers with normal wall thickness. J Cardiovasc Magn Reson, 2011, 13: 3.

[20] Yoneyama K, Gjesdal O, Choi EY, et al. Age, sex, and hypertension-related remodeling influences left ventricular torsion assessed by tagged cardiac magnetic resonance in asymptomatic individuals: the multi-ethnic study of atherosclerosis. Circulation, 2012, 126(21): 2481-2490.

[21] Bertini M, Delgado V, Nucifora G, et al. Left ventricular rotational mechanics in patients with coronary artery disease: differences in subendocardial and subepicardial layers. Heart, 2010, 96(21): 1737-1743.

[22] Park CM, March K, Williams S, et al. Feasibility and reproducibility of left ventricular rotation by speckle tracking echocardiography in elderly individuals and the impact of different software. PLoS One, 2013, 8(9): e75098.

[23] Rademakers FE, Buchalter MB, Rogers WJ, et al. Dissociation between left ventricular untwisting and filling. Accentuation by catecholamines. Circulation, 1992, 85(4): 1572-1581.

[24] Notomi Y, Martin-Miklovic MG, Oryszak SJ, et al. Enhancedventricular untwisting during exercise: a mechanistic manifestation of elastic recoil described by Doppler tissue imaging. Circulation, 2006, 113(21): 2524-2533.

[25] Van Dalen BM, Kauer F, Vletter WB, et al. Influence of cardiac shape on left ventricular twist. J Appl Physiol (1985), 2010, 108(1): 146-151.

[26] Delhaas T, Kotte J, Van Der Toorn A, et al. Increase in left ventricular torsion-to-shortening ratio in children with valvular aortic stenosis. Magn Reson Med, 2004, 51(1): 135-139.

[27] Meyer CG, Frick M, Lotfi S, et al. Regional left ventricular function after transapical vs. transfemoral transcatheter aortic valve implantation analysed by cardiac magnetic resonance feature tracking. Eur Heart J Cardiovasc Imaging, 2014, 15(10): 1168-1176.

[28] Park SM, Hong SJ, Ahn CM, et al. Different impacts of acute myocardial infarction on left ventricular apical and basal rotation. Eur Heart J Cardiovasc Imaging, 2012, 13(6): 483-489.

[29] Bansal M, Leano RL, Marwick TH. Clinical assessment of left ventricular systolic torsion: effects of myocardial infarction and ischemia. J Am Soc Echocardiogr, 2008, 21(8): 887-894.

[30] 汪咏莳, 巩雪, 宿燕岗, 等. 基于三维斑点追踪的左心室扭转功能预测心脏再同步化治疗疗效的实验研究. 中华超声影像学杂志, 2014, 23(1): 57-61.

[31] Zhang Q, Fung JW, Chan JY, et al. Difference in long-term clinical outcome after cardiac resynchronisation therapy between ischaemic and non-ischaemic aetiologies of heart failure. Heart, 2009, 95(2): 113-118.

[32] Bertini M, Marsan NA, Delgado V, et al. Effects of cardiac resynchronization therapy on left ventricular twist. J Am Coll Cardiol, 2009, 54(14): 1317-1325.

[33] Nasiraei MA, Saber NR, Wen H, et al. Analytical method to measure three-dimensional strain patterns in the left ventricle from single slice displacement data. J Cardiovasc Magn Reson, 2010, 12: 33.

[34] Schuster A, Kutty S, Padiyath A, et al. Cardiovascular magnetic resonance myocardial feature tracking detects quantitative wall motion during dobutamine stress. J Cardiovasc Magn Reson, 2011, 13: 58.

[35] Hor KN, Gottliebson WM, Carson C, et al. Comparison of magnetic resonance feature tracking for strain calculation with harmonic phase imaging analysis. JACC Cardiovasc Imaging, 2010, 3(2): 144-151.

[36] Harrild DM, Han Y, Geva T, et al. Comparison of cardiac MRI tissue tracking and myocardial tagging for assessment of regional ventricular strain. Int J Cardiovasc Imaging, 2012, 28(8): 2009-2018.

[37] 寇红菊, 张海平, 王亮, 等. 正常婴幼儿左心室心肌纵向应变及应变率的定量分析. 中国医学影像学杂志, 2013, 21(11): 837-840.

[38] Phillips AA, Cote AT, Bredin SS, et al. Heart disease and left ventricular rotation - a systematic review and quantitative summary. BMC Cardiovasc Disord, 2012, 12: 46.

（本文编辑 张春辉）

书评

由阜外心血管病医院赵世华教授主编的《心血管磁共振诊断学》已于2011年5月由人民军医出版社出版发行。该书的出版得到刘玉清院士和胡大一教授的充分肯定和高度评价，并亲自作序。该书系统阐述了心脏MR成像技术及其在常见心血管疾病中的诊断价值、优势及不足。本书全部内容是作者根据自己的临床经验以及多年来所总结的心得历尽心血凝练而成，病种全面，内容翔实，具有较强的临床实用性，是该领域具有国内领先水平的参考书。可供医学影像学医师，心脏内、外科医师阅读参考。

R445.2

10.3969/j.issn.1005-5185.2015.04.019

2015-03-08

2015-03-26

国家自然科学基金项目（81471660）。

1.解放军总医院心血管外科 北京 100853；2.解放军总医院放射诊断科 北京 100853

高长青 E-mail: gaochq301@yahoo.com