应用心脏磁共振特征追踪技术评价篮球和举重运动员心肌应变

郭歌 尹慧敏 邓湘宁 张承铎 王新宇 王启荣 王晓华 徐顺霖

1 北京大学第三医院放射科（北京 100191）

2 北京大学第三医院心内科（北京 100191）

3 国家体育总局运动医学研究所（北京 100029）

心肌应变是心脏在运动过程中发生的形变，最早应用在超声领域，可用于早期识别心脏功能异常，不仅能反映整体的心脏功能，还能用于分析局部心肌功能，对于心脏疾病患者的预后评价优于左室射血分数[1]。目前心肌应变测量参数主要包括短轴径向应变、周向应变和长轴纵向应变。心脏磁共振显像（cardiac mag⁃netic resonance imaging，CMR）是测量心脏容积和功能的标准参考方法[2]，近些年来出现的特征追踪技术（feature tracking cardiac magnetic resonance，FTCMR）无需增加额外的扫描序列和扫描时间，应用常规电影序列即可测量心肌应变参数[3]。持续高强度的运动训练会导致心脏重塑，主要表现为左、右室扩大和室壁增厚[4]，但鲜有针对我国专业运动员的心肌应变研究。鉴于此，本研究应用FT-CMR 对我国专业运动员心肌应变特征进行分析，以便进一步了解专业运动员的心脏改变特征。

1 资料与方法

1.1 研究对象

本研究纳入年龄大于等于18 岁的男子篮球运动员16 人和举重运动员15 人，从事专业运动5 年以上，每周训练时间至少15 小时，技术等级专业二级以上。再根据年龄、性别进行匹配，招募15 名从事长期静坐工作的健康男性志愿者作为对照组，每周规律运动锻炼时间小于3 小时。排除标准包括患有心脑血管疾病、高血压病、高脂血症、糖尿病，或有药物、吸烟、饮酒史及磁共振检查禁忌症，所有受试者签署知情同意书。

1.2 扫描方法

使用3.0T 磁共振成像系统（Discovery 750，GE Healthcare，Milwaukee，Wisconsin，USA）进行扫描。采用稳态平衡自由进动（steady-state free precession，SSFP）序列获得左室长轴两腔心、三腔心、四腔心及心室短轴的电影序列。

1.3 后处理方法

所有影像资料导入心脏磁共振分析软件CVI42（version 5.6.2，Circle Cardiovascular Imaging，Cana⁃da），由两名具有5年以上工作经验的医师进行后处理，取两者平均值作为测量值。

1.3.1 心脏形态及功能分析

根据后处理标准方案[5]，于心室短轴电影序列用机器学习的方法自动勾画左、右室舒张末期和收缩末期的左室心内膜、心外膜及右室心内膜轮廓曲线（乳头肌及肌小梁包含在心腔容积内），对不准确的地方进行人工校正。由此得出左室、右室的容积、功能、最大室壁厚度等相关参数。

1.3.2 心肌应变分析

在左室短轴、两腔心、四腔心及三腔心的舒张末期勾画左室心内膜及心外膜轮廓，软件自动追踪心动周期内心肌的形变，并自动计算应变参数，包括：左室短轴整体最大径向应变（left ventricular global peak radi⁃al strain，LVGRS）、整体最大周向应变（left ventricu⁃larglobal peak circumferential strain，LVGCS）、长轴整体最大纵向应变（left ventricularglobal peak longitudi⁃nal strain，LVGLS）及左室扭转（torsion）。

在四腔心层面舒张末期勾画右室心内膜及心外膜轮廓，由软件自动追踪心肌运动，计算出右室整体最大纵向应变（right ventricular global peak longitudinal strain，RVGLS）。

1.4 统计学分析

采用SPSS 22.0软件进行数据分析，连续变量以均值±标准差表示。用Kolmogorov-Smirnov检验判断样本均符合正态分布，采用单因素方差分析比较三组间的差异。对部分变量进行Pearson 相关性检验。为验证可重复性，随机抽取15 例受试者图像，由一名医师在3个月后再次分析，采用Bland-Altman 分析观察者内和观察者间可重复性，计算组间变异系数（ICC）和变异系数（CV）。检验水准α设为0.05，P＜0.05 表示差异有统计学意义。

2 结果

纳入人群基本情况及CMR 测量结果见表1。三组人群的年龄差异无统计学意义（P＞0.05）。篮球运动员和举重运动员的体表面积（body surface area，BSA）、运动年限和每周训练时间高于对照组（P＜0.05），但在两组运动员间差异无统计学意义（P＞0.05）。篮球运动员的心率低于举重运动员和对照组（P＜0.05）。

运动员的左室舒张末期容积指数（left ventricular⁃end-diastolic volume index，LVEDVI）、左室心肌质量指数（LVmass index，LVMI）、左室每搏输出量指数（LV stroke volume index，LVSVI）和右室舒张末期容积指数（right ventricularend-diastolic volume index，RVEDVI）均高于对照组（P＜0.05），且篮球运动员均高于举重运动员（P＜0.05）。两组运动员的左室、右室射血分数（ejection fraction，EF）低于对照组（P＜0.05），且篮球运动员均低于举重运动员（P＜0.05）。两组运动员的左室最大室壁厚度差异无统计学意义（P＞0.05），但均高于对照组（P＜0.05）。三组人群心输出量（cardiac output，CO）、右室每搏输出量指数（LV stroke volume index，LVSVI）差异无统计学意义（P＞0.05）。

相关性分析显示每周训练时间分别与LVEDVI（r=0.790，P＜0.001）、LVMI（r=0.798，P＜0.001）、RVEDVI（r=0.783，P＜0.001）成正相关；心率与 LVEDVI（r=－0.665，P＜0.001）、RVEDVI（r=－0.748，P＜0.001）成负相 关；LVEDVI 与 RVEDVI 成 正相 关（r=0.872，P＜0.001）；LVEF 与 LVEDVI 成负相关（r=－0.501，P=0.001）；RVEF 与 LVEDVI（r=－ 0.775，P＜0.001）、RVEDVI（r=－0.666，P＜0.001）成负相关。

表1 三组人群基本资料及CMR测量参数

三组人群心肌应变参数见表2。两组运动员的LVGRS、LVGCS、LVGLS 低于对照组（P＜0.05）。篮球运动员的左室扭转低于举重运动员和对照组（P＜0.05）。LVGRS、LVGCS、LVGLS、左室扭转绝对值与 LVEDVI成负相关（LVGRS:r=－0.567，P＜0.001;LVGCS:r=－0.566，P＜0.001; LVGLS:r=－0.599，P＜0.001; 左室扭转:r=－0.445，P=0.002）。左室扭转与心率成正相关（r=0.530，P＜0.001）。

篮球运动员RVGLS 低于举重运动员和对照组（P＜0.05），举重运动员的 RVGLS 低于对照组（P＜0.05）。RVGLS 绝对值与 RVEDVI 成负相关（r=－0.616，P＜0.001）。

LVGRS、LVGCS、LVGLS、左室扭转和 RVGLS 的观察者内、观察者间重复测量的一致性高，所有变量ICC＞0.75，CV＜10%。

表2 三组人群心肌应变参数

3 讨论

根据运动过程中静力性（力量性）和动力性（耐力性）成分不同[6]，运动可分为不同的类型。篮球为高强度动力性与中等强度静力性运动的结合；举重为高强度静力性和低强度动力性运动的结合。动力性运动过程中心输出量、最大耗氧量增加，外周血管扩张，容量负荷增加，心脏前负荷增加；静力性运动过程中血管外周阻力增加，心脏后负荷明显增加。因此，不同的运动引起的心脏重塑方式也会有差别。本研究发现，我国专业篮球运动员和举重运动员的LVEDVI、RVEDVI 增大，且与举重运动员相比，篮球运动员的心室容积增大更为显著，左室呈离心性肥厚，考虑与动力性成分较高导致容量负荷增加有关。此外，LVEDVI、RVEDVI成正相关，提示运动员左、右室呈均衡性增大。两组运动员最大室壁厚度较对照组增加，位于正常值上限，但在两组运动员间无明显差异。

静息状态下运动员整体心脏收缩功能轻度下降[2]。一项荟萃分析[7]显示，运动员LVEF较正常人平均减低2%。本研究中，运动员LVEF、RVEF 较对照组减低，LVEF、RVEF 与 LVEDVI、RVEDVI 呈负相关，但 LVSVI较对照组增大，RVSVI 无明显变化，提示静息状态下射血分数的减低与左、右室心腔扩大有关，并不会影响每搏输出量，是一种生理适应性改变。这种适应性改变还体现在心率上，本研究中篮球运动员的心率减慢，且心率与 LVEDVI、RVEDVI 成负相关，但 CO 在三组间无明显差异。因此运动员静息状态下心率减慢、心室射血分数下降能够满足日常生理需要，在运动时心率增快、心室射血分数上升的空间更大，为心输出量的快速、大量增加提供了储备。

目前进行心脏应变分析的方法包括超声的斑点追踪技术（speckle-tracking echocardiography，STE）、心脏磁共振的组织标记技术（tissue tagging）和FT-CMR等。超声心动图是早期用于测量心肌应变的方式，但由于成像质量和声窗限制导致其临床应用受限。CMR Tagging 技术是测量心肌应变的“金标准”，但需要特定的扫描序列，后处理方法复杂费时。FT-CMR无需额外成像，组织分辨率高，后处理简单、快捷，且与Tagging序列心肌应变结果高度相关[8]。

目前关于运动员心肌应变的研究结果并不一致。Nottin 等[9]应用超声STE 技术研究左室心肌应变，发现自行车运动员心尖部径向应变减小，周向应变与正常人无显著差异；Beaumont 等研究[10]显示力量性运动员的LVGCS 比正常人减低；Richand 等[11]研究发现足球运动员的左室纵向应变减低，而径向应变和周向应变升高。铁人三项运动员的左室纵向应变、径向应变和周向应变都显著减低。关于右室心肌应变，Oxborough 等[12]研究显示，耐力运动员的RVGLS 在正常范围；Esposi⁃to 等[13]研究显示，划船运动员的RVGLS 较长期静坐者升高；而La Gerche 等[14]研究显示，耐力运动员的RVGLS 较正常人减低，且在右室容积增大的运动员中更为明显。Swoboda等[15]应用Tagging和FT-CMR 技术，发现耐力运动员的LVGCS、LVGLS、RVGLS 较非运动员明显减低。上述差异与运动类型、训练方式、测量方法等不同有关。本研究发现，篮球和举重运动员的LVGRS、LVGCS、LVGLS、RVGLS 低于对照组，且与左室、右室容积大小相关。心肌应变减低可作为功能储备，运动时可以快速提高心肌收缩力、增加心输出量和组织供氧。本研究还发现，篮球运动员RVGLS 低于举重运动员，可能与动力性成分较高所致容量负荷增加、肺动脉收缩压升高更为明显有关。心肌病理状态下也会出现心肌应变的下降，但通常会伴随病理性心脏扩大和功能减退，CMR还可能发现病理性纤维化的改变。

正常心脏是由发自肺动脉根部止于主动脉根部的心肌带在空间折叠环绕构成，在收缩期心尖部呈逆时针方向旋转、基底部呈顺时针方向旋转，从而发生心室沿其长轴方向的扭转运动。Forsythe 等[16]应用超声STE方法，发现耐力性运动员（自行车、游泳等）的左室扭转明显低于力量性运动员或正常人群；Beaumont 等[10]发现高静力低动力性运动员的左室扭转较正常人升高，而高动力中等静力性运动员左室扭转减低。Malek 等[17]应用FT-CMR 技术研究青少年足球运动员（训练时间＞2 年，每周训练4 小时）的心肌应变，发现左室扭转明显增加。Weiner 等[18]研究显示划船运动员在训练3个月后左室扭转升高，而在训练39 个月后扭转减低，提示运动时间的长短对扭转有不同的影响。Swoboda等[15]也发现耐力运动员的左室扭转明显减低。本研究中，篮球运动员的左室扭转低于举重运动员和对照组，且左室扭转与LVEDVI 成负相关，考虑可能与左室离心性肥厚导致心外膜纤维杠杆力减小有关[15]。此外，左室扭转与心率成正相关，提示静息状态下副交感神经张力升高可能也参与了左室扭转的调节。运动员的心肌应变参数均低于对照组，并且与心室容积相关，与反应交感神经系统兴奋性的心率相关，提示规律训练导致的心脏重塑在高强度运动下可以通过调动心室肌肉的形变来满足外周血液的供应。

4 结论

综上所述，心脏磁共振及特征追踪技术可从心脏结构、功能等方面全方位了解不同类型运动员的心脏变化。我国专业运动员的心脏重塑以左、右室均衡性增大，左室壁轻度增厚，左、右室射血分数减低伴随心肌应变参数减低为主要表现，是心脏功能储备增大的生理适应性改变。而与举重运动员相比，篮球运动员的左、右心室更大，心率、射血分数、心肌应变参数更低，体现了耐力性运动和力量性运动形式不同引起心脏重塑的方式不同。