磁共振成像评价左室心肌应变的技术进展及临床应用

王杰 综述 陈玉成 审校

(四川大学华西医院心血管内科，四川 成都 610041)

心脏功能的评价是心血管疾病诊治的主要环节，它在患者预后的评估中扮演了非常重要的角色。目前射血分数(ejection fraction，EF)被广泛应用于评价心肌整体功能，然而许多心脏疾病早期表现常为局部功能而非整体功能障碍，因此对心肌的局部功能评价能更真实地反映心肌功能受损情况。心肌应变作为评价心脏功能的另一个指标，较EF其优势在于能评价局部心肌功能并早期检测心肌功能障碍。目前测量心肌应变的参数主要有3个单纯形变，其中包括：长轴纵向应变(longitudinal strain)、周向应变(circumferential strain)和短轴径向应变(radial strain)和6个切应力应变。超声心动图在评价应变时因其图像获取和后期处理简单易行而被广泛使用，但在实际测量时也受到声窗条件或者图像质量的限制。磁共振成像通常被认为是测量心肌应变的参考标准。目前磁共振成像评价心肌应变主要有组织标记(tissue tagging)和特征追踪技术(feature tracking，FT)，最近有研究报道磁共振成像心脏形变应力分析(deformable registration algorithms，DRA)技术也可以用于评价心肌应变[1]。现综述当前文献有关心脏磁共振成像评估心肌应变最常用的技术，讨论各种方法的优点和缺点，并且对其临床应用做一简单的概述。

1 心脏磁共振成像对心肌应变的评估手段

1.1 组织标记技术对心肌应变的评估

组织标记技术是通过射频预脉冲破坏既定平面的所有自旋，从而产生叠加在心脏图像的可追踪性黑线或标记。标记线在舒张末应用，然后在心动周期发生形变。这些预脉冲通过垂直于成像平面来检测心电图的R波，经过多次应用预脉冲，从而在磁共振成像电影中获取了平行线条或网格。舒张早期T1弛豫可致标记消退，从而限制了舒张弛豫的评估价值。另一种对空间磁化调制(spatial modulation of the magnetization，SPAMM)互补的方法是补偿空间磁化调制(complementary spatial modulation of the magnetization，CSPAMM)，通过降低标记消退而改善舒张功能的成像。运用CSPAMM技术，对每一层切片进行两次扫描，其中饱和模型部分分别成一正一反两次成像，两幅图像获得后进行相减。第一幅图像是正常的SPAMM图像，第二幅图像是靠一个SPAMM序列反转的饱和预脉冲获得。由于大部分背景和噪声被滤掉，从而得到了高质量的图像切片；但是CSPAMM技术可以因为患者运动而导致两个获得的图像发生错误配准，并且由于每层切片需要扫描两次，成像与计算时间也随之延长，所以改善组织标记技术成像质量的相关研究目前已经开展，包括采样投影的重建和稳态自由进动技术(SSFP)的应用。组织标记技术的图像需要独立的分析工具提取局部心肌应变参数，常用的分析方法有特征追踪法、谐波相位法、光学流法和形变模式法等，目前对于应用特征追踪法来分析组织标记技术已经有许多研究报道[2]。

关于组织标记技术在正常人或患者中评价心肌应变已有许多研究。大多数的研究表明，组织标记技术在评价心肌整体或局部应变都有非常好的组内和组间重复性和较低的变异性[3]，因此它被认为是无创评价心脏结构和功能的金标准[4]。更进一步而言，组织标记技术评价心肌应变中的研究发现，周向应变的变异系数(coefficient of variation,COV)为8.3%、10.8%，其要低于短轴径向应变[COV(9.0%、59.2%)][5]。对于短轴径向应变表现出的较差的重复性，主要是由于组织标记技术是靠运动层面的最小直径去追踪分析心脏的几何结构所导致的。虽然组织标记技术在临床决策中可以提供一些有用价值，但是由于其在心内膜边界可能产生的一些模糊的标记线、欠佳的时间分辨率、复杂且费时的图像获取(包括其需要一些特定的序列进行扫描)和后期处理等局限，导致组织标记技术对于局部心肌应变的分析尚未成为临床标准，所以目前组织标记技术分析心肌应变只用于研究目的。

1.2 FT对心肌应变的评估

FT基于SSFP能够在心动周期中追踪心内膜及心外膜固有的解剖点，通过计算解剖点之间的相对运动得出室壁应变性。对于整体的应变分析主要靠追踪心内膜的整个长度，通过比较最大和最小边界长度来定义整体应变。然而它对于局部应变的评价较困难，其要求在多个维度精确追踪每个心肌的节段。虽然它能够快速定量心肌应变，但与流速编码磁共振成像方法比，其准确性及可重复性较差。尽管如此，近期不少研究证实FT能够定量、客观、稳定地评估左室应变[6]。

近年来，FT在患者和正常人中分析心肌应变已有大量的研究。大部分研究结果证实，FT对于整体心肌应变的评价有较好的重复性，并且与组织标记技术的结果存在一定的相关性[7]。但是，对于心肌局部以及节段应变的评价，其依旧存在较差的组内和组间重复性以及较高的变异性，所以FT不建议用于心肌局部及节段应变的评价[8]。 对于FT评价心肌整体应变的参数，有研究发现，周向应变的组间变异可以接受(COV 4.9%)，但是短轴径向应变的变异度却很差(COV 32.3%)[7]。并且在对于心肌局部应变的评价中发现，与基底段和中段心肌相比，心尖段应变分析的重复性更差。Wu等[9]的研究发现FT在心肌中层评价局部应变时，仍然存在较差的重复性，所以研究显示在心肌的中层运用FT来评价节段心肌应变还不能用于临床和科学研究。

1.3 DRA技术对心肌应变的评估

DRA是一个新的软件，它同样基于SSFP电影图像而被用于计算心肌应变。DRA是一种对于形变的逐像素分析，这个和运用在心内膜和心外膜的点来追踪分析应变的FT是不同的，并且由于DRA的逐像素分析，它可以把所有心肌分成3层，然而FT仅仅只提供心内和心外膜层。先前的研究证实DRA对于心肌的分层应变分析有较好的组内重复性，COV的范围在1%～4%，组内相关系数>0.85，而组间的变异也很小，COV的范围在3%～6%，组间相关系数>0.83[10]。先前关于DRA与FT技术对比的研究也证实，DRA在评估心肌整体应变时展现出较小变异和更好的重复性[1]。DRA这种好的重复性可能归因于其在短轴上完全自动分割的方法，即使是对于整体长轴纵向应变的分析，DRA这种自动分割的方法有意义地消除了分析者在分析时的交互和偏见，从而使其拥有了较好的重复性。所以DRA可以用于整体心肌应变的评价，并且相较于FT，它也是一种较快速且重复性更好的技术，但是目前关于DRA技术在心肌局部应变的评价还缺乏相关研究。

1.4 其他技术对心肌应变的评估

3D组织追踪技术原则上也可用于磁共振成像心肌应变分析。然而，由于其在长轴方向通过平面的有效分辨率太低，致使通常依靠计算心室容积获得的短轴电影不适用于这种技术[11]。然而其可以从全部3个正交方向上获得图像来应用于3D应变分析，从技术上来说是可行的。尽管这些还未被广泛地实现，但是它们可以通过使用相对较长的操作和快速压缩传感技术而解决，但在临床运用之前其还需要更进一步的研究和有力的证据。有文献报道，速度向量成像[12]、回声刺激位移编码[13]和应变编码[14]技术也可在心脏磁共振成像中应用来分析心肌应变，并且速度向量成像和回声刺激位移编码成像与FT比较后发现其分别存在相关性，但还需要更多的研究验证。

1.5 三种常见评价心肌应变技术的对比

目前有大量关于组织标记和FT的比较研究，大部分研究发现，组织标记技术对于正常人和患者心肌应变的评价相较于FT技术有更好的重复性和较低的变异性，所以组织标记技术被认为是评价心肌应变的金标准[4]。并且大部分研究证实FT和组织标记两种技术对于整体心肌应变的评价存在相关性[15]；但是关于FT 和组织标记技术在节段心肌应变分析的比较研究却很少。Harrild等[16]做了一项验证性的研究，在正常人和肥厚型心肌病患者中，将FT和组织标记技术在心肌节段周向应变峰值(peak circumferential strain)和节段周向应变达峰时间(time to peak circumferential strain)分析做了对比，发现FT与组织标记技术在心肌节段周向应变峰值的评价中有中度的相关性，并且其节段的周向应变峰值和节段的周向应变达峰时间在正常人中评价其相关性更好。然而Wu等[9]的研究发现在心肌的中层运用FT和组织标记技术评价节段心肌应变时其相关性较低，两种技术分析的收缩期周向应变达峰时间的皮尔逊相关系数r=0.40 (P=0.03)。另外，对于DRA与FT的比较研究发现，DRA对于整体心肌应变评价的重复性较FT更好。Lamacie等[1]发现DRA和FT技术存在很好的相关性 (整体长轴纵向应变：r=0.74；整体周向应变：r=0.80；整体径向应变：r=0.45，P<0.05)；但是目前缺乏DRA与组织标记技术直接的比较，后续还需要相关研究。

2 评价心肌应变的临床应用

目前对于心肌应变评价的临床应用主要有：(1)在EF正常的患者中，心肌应变的评价能早期发现收缩功能障碍；(2)能早期诊断冠心病；(3)在肥厚型心肌病中，它可以作为评价心肌纤维化的参数之一，并且它可以预测其不良事件的发生[17]；(4)评价左室的收缩和舒张功能[18]；(5)早期检测因用曲妥珠单抗治疗所导致的毒性副作用[19]；(6)提供正常参考值，Andre等[6]经研究，列出了不同性别及年龄FT参数的参考值，以供临床参考。接下来本文将概述磁共振成像评价心肌应变在常见疾病中的具体应用。

2.1 在先天性心脏病的应用

在先天性心脏病心肌应变的评价中，磁共振成像有较大的信噪比，使其图像质量和对心肌边界的追踪要优于超声心动图。但是组织标记由于其技术局限很难在临床上应用。而对于FT技术，有研究报道在法洛四联症和右心室双出口的胎儿，其心肌整体的长轴收缩应变峰值(longitudinal peak systolic strain)和应变率(strain rate)(左室/右室)都要高于正常人[20]。在对大动脉转位患者的研究中，其证实应用FT技术来评价其心脏功能是可行的，并且发现由FT测量心肌应变的参数和一些与临床预后相关的参数(左室EF和右室EF)存在相关性[21]。在法洛四联症患者的研究中发现，FT测量心肌应变的参数能够预测其预后[14，22]。更有趣的是，FT技术在先天性心脏病的研究中发现，FT提供的参考值也许可用来区别正常人和患者，但还需要更进一步的研究。

2.2 在冠心病的应用

目前有许多在冠心病中对于心肌应变评价的研究，包括超声心动图和磁共振成像两种技术对于应变的分析。近年来随着磁共振成像技术的发展和磁共振成像相对于超声评价应变的优势，致使磁共振成像技术对于冠心病局部应变的研究成为了一个热点。其中新发展起来的快速定量心肌应变的FT技术在心肌梗死患者的研究更成为了目前关注的焦点。几个关于组织标记和FT技术对比的研究已经证实，FT测量的周向应变参数和组织标记技术存在非常好的一致性，并且已经证实了其在心肌梗死患者中应用的价值[23-24]。Khan等[24]纳入164例心肌梗死患者及对2 624个心肌节段分析的研究发现，节段内膜的心肌节段周向应变峰值在预测心肌节段功能的改善上，与钆剂延迟强化(late gadolinium enhancement，LGE)有相似的预测价值(曲线下面积=0.834)。最近有文献报道，在心肌梗死的患者中运用FT和回声刺激位移编码技术评价心肌应变，其整体和局部的周向应变也都展示了很好的相关性[13]。一篇系统评价回顾了先前应用心脏磁共振成像组织标记、特征追踪[25]，以及彩色多普勒超声的斑点追踪技术测量整体心肌应变对于ST段抬高型心肌梗死的预后价值研究发现，由超声心动图斑点追踪技术测量心肌的长轴纵向应变能够对发生了ST段抬高型心肌梗死患者的不良预后有很好的预测价值；但是心脏磁共振成像相关的研究却很少，这也许意味着对于磁共振成像相关的研究未来还需要补充及验证。总之，目前关于磁共振成像技术在冠心病中评价心肌应变的研究发现，应变能够早期检测心肌功能障碍，对于发现心肌缺血或梗死但是EF还正常的患者早期评价非常重要，发生心肌梗死后大都会形成局部的心肌纤维化，而局部纤维化可以直接导致局部的心肌应变受损，进而引起整体心肌应变下降，已有研究显示在心肌梗死患者中应变与心肌纤维化存在相关并且能够检测透壁心肌梗死，所以在心肌梗死患者中早期监测局部应变受损的研究也非常重要，对于心肌梗死患者的预后及心室重构有预测价值[26]。

2.3 在心肌病的应用

目前，磁共振成像技术对于肥厚型心肌病中心肌应变的评价有许多研究。因为肥厚型心肌病常常表现为非均匀性的肥厚和局部的纤维化，所以对于其局部应变的评估是非常重要的。大量磁共振成像在肥厚型心肌病的研究发现，其局部的肥厚及纤维化的程度(由LGE和细胞外容积评价)与其局部的应变存在相关性[27-28]，Xu等[29]在对114例成人早期阶段肥厚型心肌病(NYHA为Ⅰ级或Ⅱ级)节段心肌应变的研究发现，径向应变峰值(radial peak strain)与心肌的舒张末厚度以及纤维化的程度存在相关，其r分别为0.467和-0.441，并且在肥厚或者纤维化(LGE+)节段，其局部的应变要低于非肥厚或非纤维化的节段。也有研究报道应变对于肥厚型心肌病的预后有预测价值。最近有研究还报道FT测量的应变参数在肥厚型心肌病中可以预测其纤维化，当整体的长轴纵向应变≤-12.8时其预测纤维化(LGE+)的敏感性和特异性分别为91%和89%[30]。使其可能成为除LGE、细胞外容积外评价心肌纤维化的另一个参数。对于在扩张型心肌病的磁共振成像心肌应变的研究中，其同样发现心肌应变的参数与其预后相关。Buss等[8]纳入了210例扩张型心肌病患者，对其进行5.3年的随访，结果发现由FT测量的左室长轴纵向应变对其预后是一个独立的预测因素。在致心律失常型右心室心肌病中发现，FT测量的右室应变对于EF正常的患者早期诊断可能提供更加有用的信息[31-32]。

3 结语

磁共振成像已成为无创分析心肌应变的金标准。目前磁共振成像常用于分析心肌应变的技术主要有组织标记和FT，组织标记技术由于其本身的缺陷很难应用于临床，FT技术是近年发展起来的快速定量心肌应变的技术，但目前的研究显示，FT在评价心肌局部应变时有较差的重复性和较高的变异性，所以FT不建议用于心肌局部应变的评价。DRA技术是一个新的软件，目前报道DRA在评价心肌整体应变时相较于FT有更好的重复性和更低的变异性；但是目前还缺乏DRA分析心肌局部应变的研究和缺乏与组织标记技术的比较。对于评价心肌应变的参数中发现，长轴和短轴周向应变的稳定性要优于短轴径向应变。

总之，目前对于磁共振成像技术分析心肌应变的价值已经在先天性心脏病、心肌病、冠心病以及心力衰竭患者中得到了验证，但是各种磁共振成像技术在分析心肌应变尤其是局部应变方面依然需要更进一步研究，通过各种技术间取长补短，也期待有更先进的技术来弥补其局限而早日应用于临床。

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