三维斑点追踪技术评价-30°头低位心肌功能适应性改变的研究

左晓文，臧 峰，宋晋忠，黄泽民，冯金升，张成普，仲崇发，吴 斌*

(1.中国人民解放军战略支援部队特色医学中心 超声诊断科，北京100101；2.北京体育大学，北京100084；3.中国航天员科研训练中心，北京100094)

重力对血流动力学具有重要作用，重力状态变化会导致心肌功能发生适应性改变。在航空航天领域，头低位倾斜(HDT)被广泛用于模拟失重环境。当头部向低位倾斜时，血液及体液向头胸部转移,刺激压力感受器，导致静脉回流增加，即心脏前负荷增加。急性HDT主要表现为心率和平均动脉压降低，每搏输出量增加[1]，但急性HDT状态下心脏功能的变化特点及代偿机制还尚不清楚。三维斑点追踪技术(3D-STE)作为近年来发展的一项评价心功能的新技术，能够在三维空间中追踪声学斑点获取心肌运动轨迹，准确评价心肌的局部及整体应变力学改变，从而有效评估心脏的整体和局部功能[2]。目前应用3D-STE技术评价心脏在重力改变后心肌改变的研究较少，本研究拟用3D-STE技术，测量左心室心肌整体应变参数，旨在明确模拟失重环境下短期心脏功能调节变化特点，为航空航天心脏保护提供理论依据。

1 对象与方法

1.1 研究对象

招募普通男性志愿者18名，其中2人图像质量较差(两个左心室壁节段心内膜显示不清)被排除，其中1人因自觉无法坚持而终止。纳入研究的15名受试者中，平均年龄24.4±4.4周岁，平均身高174.9±5.9 cm,平均体重72.5±9 kg。身体健康，无慢性疾病。经临床实验室、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者等疾病。

1.2 方法

志愿者在自行研制的自动体位旋转床上以水平卧位静卧10 min，然后转动倾斜床至-30°的位置上，志愿者维持-30°头低位45 min，然后恢复为水平位静卧5 min结束实验。分别在静卧位(为对照值)、头低位第15、30和45 min以及恢复期5 min采集常规超声心动图参数、3D-STE参数，实验全程监控志愿者的心率和血压。

1.3 测试指标

1.3.1心脏机能指标 采用美国SunTech Tango运动血压监护仪获取头低位前静息状态、头低位过程中第15、30、45 min以及恢复期5 min的心率和血压。

1.3.2心脏功能指标 使用美国GE Vivid E95彩色多普勒超声诊断仪，配备M5S探头，频率在1.5-4.5 MHz之间，4V-D探头，频率在1.7-3.3 MHz之间。嘱被检查者均取左侧卧位，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。

1.3.2.1常规超声心动图指标 对各组受试者左室长轴切面测量舒张末期左室内径(LVEDD)、舒张末期室间隔厚度(IVSTd)及左室后壁厚度(PWTd)、左室射血分数(LVEF)、每搏输出量(SV)及心输出量(CO)；心尖四腔心切面测量二尖瓣口舒张早期与晚期血流速度峰值E峰、A峰血流速度并计算E/A，二尖瓣瓣环间隔舒张早期速度(e′)。

1.3.3.2左心室3D-STE指标 实时三维成像模式下启动三平面成像模式，在心尖部调整探头角度与位置，同时获得清晰心尖四腔、三腔及二腔图像，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，软件自动分析，获得三维左心室收缩功能参数：整体纵向应变(GLS)、整体圆周应变(GCS)、整体面积应变(GAS)、左室整体旋转角度峰值(Rot)及左室整体扭力(Tortion)。

1.4 统计学处理

2 结果

2.1 受试者心率和血压指标

受试者头低位前后心率和血压变化情况见表1。结果显示：HR、SBP、DBP在45 min-30°HDT与安静时对比均没有显著性差异(P>0.05)。

表1 受试者心率和血压数值

2.2 受试者常规超声指标

受试者头低位前后LVEF，SV,CO变化情况结果显示：LVEF在45 min时与安静时刻对比显著性降低(P<0.05)，SV在30 min时与安静对比非常显著性地降低(P<0.01)，45 min和恢复后显著性降低(P<0.05)，见表2、3。

表2 受试者常规超声指标数值

2.3 受试者左室整体应变率

受试者头低位前后GPSL，GCS，GAS，Rot，Tortion变化情况结果显示：GPSL在30 min后与安静时刻对比应变率显著降低(P<0.05) ，恢复后与安静时刻对比应变率非常显著性降低(P<0.01)，见表4。

表3 受试者静息状态常规超声指标

表4 受试者左室整体应变率数值

2.4 3D-STE整体应变指标与LVEF相关性分析

3D-STE左室整体应变指标与LVEF相关性分析，结果显示：安静时刻GLS与LVEF相比存在非常显著负相关(r=-0.656，P<0.01)，GAS与LVEF相比存在负相关(r=-0.439，P<0.05)。第15 min和第30 min时GLS与LVEF存在负相关(r=-0.589，r=-0.621，P<0.05)，见表5。

表5 受试者3D-STE左室整体应变指标与LVEF相关性分析

2.5 3D-STE整体应变指标与CO相关性分析

3D-STE左室整体应变指标与CO相关性分析，结果显示：安静时刻GLS与CO相比存在非常显著负相关(r=-75，P<0.01)，GAS与CO相比存在负相关(r=-0.518，P<0.05)。第30 min时GLS与CO存在负相关(r=-0.448，P<0.05)，GAS与CO存在负相关(r=-0.277，P<0.05)，见表6。

表6 受试者3D-STE左室整体应变指标与CO相关性分析

3 讨论

在中、长期航天飞行中，由于重力缺失、活动减少、代谢需求降低，机体维持在低动力状态，心脏也适应性地处于低动力水平，从而使心肌结构发生退行性改变，收缩力下降，泵血能力降低，心肌做功减少，心肌萎缩，这些变化可能是引起心血管脱适应产生的重要原因[3]。既往航天飞行任务中的超声心功能检测发现，航天飞行导致心脏功能降低，左室顺应性下降，充盈压升高，心肌质量下降[4]。应用二维斑点追踪分析健康青年受试者在急性失重状态特点，发现随着失重程度的增加，左房容积不断增大，排空功能代偿性增加，提示心脏有充足储备能力对应急性失重所致的快速负荷改变[5]。

Torrent-Guasp[6]提出了“螺旋心肌带理论”，即心脏是由一条心肌纤维螺旋缠绕形成，这条心肌纤维起自肺动脉，止于主动脉，并形成两个环。上部的基底环(BL)和下部的心尖环(AL)共同构成一个“8”字形的双螺旋结构[7-8]。因此解剖结构上心外膜的心肌纤维呈左手螺旋状走行,心内膜的心肌纤维呈右手螺旋状走行,中层心肌纤维呈环形走行。左心室收缩是一个复杂的空间形变运动，不同心肌纤维的排列决定了心肌的运动形式，即包括长轴方向的纵向运动，短轴方向的径向运动和圆周运动[9]。此外，正常心肌在收缩过程中呈“扭毛巾样运动”，心肌的旋转和扭转与心肌纤维的复杂排列相关，具体表现为从心尖向心底方向看，收缩期心尖呈逆时针方向旋转，心底呈顺时针方向旋转。舒张期心尖呈顺时针方向旋转，心底呈逆时针方向旋转[10]。心肌收缩期扭转完成射血，舒张期通过解旋完成充盈，因此旋转和扭转指标与心脏的舒缩功能密切相关[11]。

二维斑点追踪成像(2D-STE)可以较准确地定量评价心脏功能。但由于是在不同心动周期的单个平面分析心肌应变和扭转，影响测量和计算结果的准确性，并限制其应用范围。3D-STE技术可以在三维空间中识别并追踪心肌斑点的运动轨迹[12]，获取同一心动周期心肌各节段的运动信息，对心肌形变在空间中立体运动进行测量，通过计算整体或局部的心肌形变，从机械力学的角度来更准确地评价心脏整体及局部收缩功能[13-14]。且不受心室几何形态的影响，更真实的反映心室收缩功能，尤其对复杂的左室收缩功能，弥补了2D-STE不能测量右室收缩功能的局限性。

本实验探究急性-30°HDT状态下心脏各功能指标变化，并利用3D-STE技术优势明确血液向头部转移前负荷增加情况下的心肌形变情况，发现在急性HDT-30°状态下，心率、血压均未出现显著性变化，说明普通健康男性青年心脏能够快速适应失重状态，承受急性HDT模拟失重带来的心血管影响。

微重力对心血管系统的影响十分显著，由于重力的急剧变化，体内液体的静水压力梯度发生剧烈变化，突然暴露在微重力状态下会导致液体从下肢向头部和胸部急剧流动，改变中心充盈压和容量。

颈内动脉是连接大脑与心脏的桥梁血管，18%-26%的心输出量流经颈内动脉灌溉大脑[15]，颈内动脉和椎动脉供应大脑血液，本研究中颈内动脉血流量在头低位开始及结束阶段均出现降低，尽管每分钟搏出量未发生明显变化，头低位过程中GPSL逐渐降低，在30 min时出现显著性变化，这可能是由于在重力改变即刻头颈部血容量增加，下肢血容量减少，中心静脉压增加触发一系列调节机制，血液重新分布和颅内压调节，使血容量发生代偿性减少，心脏每搏量稍降低，导致心肌收缩减低，尤其以纵向运动减少为著。GPSL比GCS和GAS更为敏感反映心脏收缩功能的改变，该指标可作为3D-STE评价-30°HDT的敏感指标。整体面积应变反映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的面积变化率,当左心室收缩时，心内膜表面积因纵向和圆周缩短和径向心肌增厚而减小。GAS综合了纵向和圆周形变，因此能更全面、准确地评价左室收缩功能[16]。此外，心脏作为一个有机功能体，心脏在收缩期还沿长轴方向做扭转运动，心尖部相对于基底部的旋转,形成了左室心肌的扭转运动，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[12]。本研究中，GCS、GAS 及扭力均未发生明显改变，说明心脏在短期重力改变下通过生理性调节，短轴缩短程度和心脏旋转未受到影响，完成有效射血。

4 结论

头低位过程中，心肌收缩减低，尤其以纵向运动减少为著。GPSL比GCS和GAS更为敏感反映心脏收缩功能的改变，该指标可作为3D-STE评价-30°HDT的敏感指标。