正常青年人左心室扭转特征的MRI研究

席晓旭，李梦露，程流泉1,*

1.解放军医学院，北京 100853；2.解放军总医院海南医院放射诊断科，海南 三亚 572013；3.解放军总医院第六医学中心放射诊断科，北京 100048； *通信作者 程流泉 cheng_liuquan@139.com

心脏功能评估在心脏疾病的诊断、风险分层和疗效评估中具有关键作用。超声斑点追踪[1-2]和MRI的特征追踪（feature tracking，FT）技术可以测量左心室的径向、纵向和环向应变[3-5]，逐渐成为评估整体和局部心肌力学的常用工具，弥补了左心室射血分数（left ventricle ejection fraction，LVEF）等传统心功能参数的局限性[6-7]。此外，利用FT技术还可以测量左心室的扭转参数，即心肌在短轴位以左心室中心为圆心旋转的角度[8]。心肌扭转和解旋是左心室收缩和舒张功能的基本机制，有研究表明高达40%的每搏输出量是由收缩扭转产生的[9]，舒张早期快速解旋是心肌恢复力的主要指标，恢复力有助于舒张期的快速充盈[10-11]。在临床工作中期望对左心室心肌的旋转和解旋运动进行简单、快速和可靠的量化[12]，本研究拟使用FT技术测量正常青年人的左心室心肌扭转特征。

1 资料与方法

1.1 研究对象 经医院伦理委员会同意，征集31例健康志愿者参与研究，纳入标准：无系统性疾病、无心脑血管疾病、无心脏相关不适或记录。记录受检者的身高、体质量，测量血压，签署MRI检查知情同意书。2例因MRI检查后判断为异常或图像质量问题而剔除，最终纳入29例志愿者，其中男15例，女14例；平均年龄（27.7±2.4）岁，体质量指数（21.7±2.7）kg/m2。

1.2 心脏MRI图像采集 采用Philips Multiva 1.5T MRI扫描仪，16通道Torso相控阵线圈，胸前导联心电向量触发。确定标准的短轴位层面后，选取与美国心脏协会/美国心脏学院（AHA/ACC）心肌标准分段的3个基本层面：左心室基底水平（舒张末期二尖瓣游离缘层面）、左心室中部水平（舒张末期乳头肌中点层面）和心尖水平（舒张末期乳头肌消失层面），对应房室间沟-心尖五等分的中间3层（图1），进行平衡稳态进动电影成像序列（bSSFP序列），最小TR 3.7 ms，最小TE 1.87 ms，翻转角600°，每个RR周期采集24个心脏时相，即将每个心动周期标准化为24个时间单位。视野32 cm×28 cm，矩阵228×194，层厚8 mm。分次呼气末屏气15～18 s完成扫描。

图1 基本层面的定位。A为心脏标准水平长轴位，垂直于中心线（二尖瓣中心与心尖的连线），自房室沟-心尖（白色虚线）五等分，中间的3层分别对应B左心室基底水平（红色定位线，舒张末期二尖瓣游离缘层面）、左心室中部水平（蓝色定位线，舒张末期乳头肌中点层面）和心尖水平（绿色定位线，舒张末期乳头肌消失层面）

1.3 图像后处理 将DICOM图像导入心肌运动追踪分析软件（TOMTEC Imaging Systems，2D Cardiac Performance Analysis MR，Munich），人工引导自动识别进行心内膜和心外膜描记，并经人工校正，直到心动周期中每一帧均能够准确描记心内膜和心外膜。按照AHA/ACC标准17段划分方式，测量每个节段的旋转角度（单位：°）和旋转角速度（单位：°/s），按照心底、中部和心尖3个水平取平均值。从心尖向心底观察，左心室心尖部逆时针旋转角度记录为正值，心底部顺时针旋转角度记录为负值；测量基底层面至心尖层面在舒张末期的间距D。计算心底层面与心尖层面的旋转角度差，即扭角（单位：°）；左心室扭矩是心尖-心底扭角与间距的比值（单位：°/cm）。

1.4 统计学方法 采用Microsoft Excel和SPSS 19.0软件，并绘图表达各参数指标在不同心肌节段及水平的规律，计算各指标的峰值和达峰时间。符合正态分布的计量资料采用±s（95%CI）表示；不符合正态分布的计量资料以M（Qr）表示，两组或多组数据比较采用非参数检验，P<0.05表示差异有统计学意义。

2 结果

2.1 左心室心内膜和心外膜在心底-中部-心尖水平的旋转特征 图2为心底、中部、心尖水平在收缩早期、收缩末期、快速舒张期和舒张中期的运动矢量图。左心室心内膜和心外膜在左心室心底-中部-心尖水平的旋转角度与速度曲线见图3、4。表1为左心室各水平内外膜旋转角度的峰值和达峰时间。非参数检验提示心内膜和心外膜的心底与中部达峰时间差异无统计学意义（P>0.05），心内膜和心外膜的心底与中部最大旋转角差异无统计学意义（P>0.05）。心内膜和心外膜在心底与心尖部、中部与心尖部的旋转角度峰值及达峰时间差异均有统计学意义（P<0.05）。自心底向心尖部旋转角度峰值依次增大，心底先达峰，心尖后达峰。

表1 左心室心内膜和心外膜心底-中部-心尖的最大旋转角和达峰时间[M（Qr）]

图2 左心室心肌运动矢量图。A～D为心底、E～H为中部、I～L为心尖，A、E、I为收缩早期、B、F、J为收缩末期、C、G、K为快速舒张期、D、H、L为舒张中期。角度为运动方向，长度为运动速度。心肌各节段运动方向差异很大，在收缩期和舒张中期心底和心尖的旋转方向相反呈双向运动，快速解旋时为同向运动

图3 心动周期内左心室心内膜（A）和心外膜（B）在心底-中部-心尖水平的旋转角度分布特征

图4 心动周期内左心室心内膜（A）和心外膜（B）在心底-中部-心尖水平的旋转速度（角速度）分布特征

2.2 左心室心内膜和心外膜在心底-中部-心尖水平的扭转特征 左心室心内膜和心外膜在心底-中部-心尖水平的扭转角度与扭矩及其峰值分布见图5～8。因为样本量较小采用Kolmogorov-Smirnov进行正态性检验，仅心尖-心底的扭角和扭矩符合正态分布，其余心尖-中部、中部-心底的数据均不符合正态分布。心尖-心底的最大扭角：心内膜（13.44±7.18）°（95%CI1.63～29.13），心外膜（8.88±4.53）°（95%CI1.73～17.43）；心尖-心底的最大扭矩：心内膜（1.84±0.99）°/cm（95%CI0.19～4.04），心外膜（1.21±0.63）°/cm（95%CI0.25～2.60）；心内膜扭矩的达峰时间为（43.97±13.25）%RR，心外膜扭矩的达峰时间为（42.10±8.43）%RR，与心尖旋转角度的达峰时间一致。

图5 一个心动周期内，左心室心内膜（A）和心外膜（B）心肌扭转角度的分布特征

图6 一个心动周期内，左心室心内膜（A）和心外膜（B）心肌扭矩的分布特征

图7 左心室心内膜和心外膜扭转峰值的分布特征。心尖-中部、中部-心底的扭转峰值均出现异常值

图8 左心室心内膜和心外膜扭矩峰值的分布特征。心尖-中部、中部-心底的扭矩峰值均出现异常值

3 讨论

3.1 心肌扭转的解剖基础与病理生理意义 心肌扭转对于心脏射血具有重要作用[13]，扭转使得15%的纤维缩短率提供了60%～70%的射血分数。螺旋心肌带是心肌扭转运动的解剖学基础[14]。Torrent-Guasp等[15]通过一系列心肌带研究显示：心肌环由右手螺旋排列的心肌纤维构成降段，而左手螺旋的心肌纤维构成升段。环形心肌纤维则呈横向走行，并构成心底环的基底段，包括左心室段和右心室段，即心内膜心肌呈右手螺旋排列，心外膜心肌呈左手螺旋排列。心肌升段收缩使左心逆时针扭转，而降段收缩使左心顺时针扭转，使得左心室产生扭转运动。从心尖部观察，心尖部于收缩期呈逆时针运动，心底部呈顺时针运动，被形象地称为拧毛巾运动[16]。这一点在本研究中得到很好的定性验证。本研究选定的心底-中部和心尖3个典型层面，与Kowallick等[17]提出的最佳测量层面一致。Kowallick等[17]关于左心室扭转运动模式的研究中，关于特定的基底水平及心尖水平的选择问题指出，应选择左心室最心尖与最基底（二尖瓣根部水平）距离的25%～75%作为心尖水平与基底水平进行测量，该测量模式能够区分静息状态与压力状态下扭转的差异。在心底、心尖2个层面上，通过同步电影播放，可以直接观察到这种拧毛巾的运动方式。如果在一个个体中未能观察到类似的扭转运动，则提示心肌存在运动障碍，需要进行细致的病因分析。

3.2 心肌扭转参数的定量特征 心肌旋转角度可以随年龄、性别和疾病状态而改变。Lin等[18]研究发现，老年受试者舒张早期径向位移峰值、径向速度、环向应变率显著低于青年受试者，舒张晚期环向应变率峰值显著高于青年受试者。发生不同心肌疾病时，不同走向的心肌纤维排列发生改变后，扭转运动可能发生改变。Yoneyama等[19]应用心脏磁共振成像标记技术对无显著心脏病患者（合并或不合并高血压、肥胖、吸烟等心血管病危险因素）进行研究，结果发现：随着年龄增长，左心室舒张末期容积（left ventricular end-diastolic volume，LVEDV）、左心室收缩末期容积（left ventricle end systolic volume，LVESV）、搏出量、左心室质量/容积比值均增大。经校正传统心血管危险因素后，扭转随年龄增长也呈增大趋势，但进一步用LVEDV校正后，扭转随年龄增长而增大的趋势无统计学意义。女性患者的LVEDV和LVESV均低于男性，但搏出量未显示出性别差异，经校正传统心血管危险因素和LVEDV后，女性患者的扭转仍大于男性。与非高血压患者相比，高血压患者的左心室质量和左心室质量/容积比值增大，左心室扭转更大。该研究推测，左心室扭转可能是衰老和（或）高血压患者心肌缩短的情况下维持心搏出量的代偿方法之一。Przewlocka-Kosmala等[20]对合并1个及以上心衰危险因素（定义为高血压、2型糖尿病、可能具有心脏毒性的化疗、未进展为心衰的心脏病病史或心衰家族史）的患者进行随访研究（平均随访时间18.2个月），发现左心室心尖解旋减低可为预测新发心衰事件提供附加值。

3.3 心肌扭转的定性特征 鉴于其他研究报道心肌应变和扭转容易受到年龄、性别、体质量等因素影响，本研究选择青年志愿者作为研究对象，基础健康数据可靠，年龄、体质量指数比较单一，未见性别和体质量指数差异。然而，不同个体之间的心肌旋转角度差异较大，并非呈正态分布。相对于旋转角度的个体差异，心底与心尖的扭矩数据符合正态分布，表明经过左心室长轴的校正，这种偏差可以得到有效的控制，也因此认为左心室扭矩是一个相对恒定的扭转运动指标。然而不同研究对此有不同的认识，认为旋转、扭转和扭矩均受年龄、性别等因素的影响，这给扭转参数的临床应用带来很大挑战。Augustine等[21]应用心脏磁共振成像-特征追踪研究发现，左心室基底段旋转角度的绝对值与心尖部无显著差异，与本研究及超声相关研究结果不一致，推测与个体之间的数据变异大有关。通过本研究获得的数据，可以得到以下定性分析结果：收缩期，从旋转角度上看，心底旋转角度小，心尖扭转角度大；从旋转速度上看，基底部先逆时针减速运动，后沿顺时针方向先加速后减速运动，心尖部逆时针先加速后减速，心尖水平扭转速率的绝对值较基底部大。基底部与心尖部的速度在方向和时间的共同作用下达到最大速度差，速度差最大时快速充盈，达到射血高峰；然后相对静止达到最大位移差，使心脏产生最大扭转，达到最大射血量；由基底部-中间部-心尖部扭转的进程有明显的时序性，由基底部向心尖部扭转依次达到同向最大位移后开始解旋。心肌扭转自基底到心尖峰值逐渐增大，心底呈双相扭转-解旋，心尖呈单相扭转解旋。心脏整体的扭转运动主要表现在基底部与心尖部的相向扭转运动，这种运动模式被形容为拧毛巾运动，心尖与心底逆向旋转，结合纵向缩短，由此达到挤压心腔并显著缩小心室容积的目的，同时心底和心尖的逆向运动更容易实现平衡和运动的稳定性。

3.4 本研究的局限性 与类似的研究相比，本研究增加了左心室中部的旋转数据，目的是显示由心底到心尖的数据梯度特征，但是对心底-心尖对直观对比产生了一些干扰。测量过程也存在一些偶然误差，这种偶然误差来自内膜的勾画，乳头肌的排除均为主观判断，尤其是心尖段，肌小梁较多，内膜不及中段和基底段清晰，表现为数据的不稳定与异常数据，此结果与Augustine等[21]、刘红等[22]关于健康志愿者应变测量研究中的结果一致。

总之，本研究利用FT技术探讨正常青年人的左心室扭转参数，定性描述了左心室心肌扭转的特征，对心肌旋转、扭转和扭矩的定量测量和进一步临床应用，尚需积累数据进一步分析。