心肌应变的磁共振成像测量与临床应用

李俊超 程流泉 陈韵岱（综述） 董 蔚（审校）

心肌应变的磁共振成像测量与临床应用

李俊超1程流泉2陈韵岱1（综述） 董 蔚1（审校）

磁共振成像；心室功能，左；心肌；超声心动描记术；综述

图1 以乳头肌层面（A）及四腔心（B）图像为例，绿线描记心脏内膜（室间隔侧）及外膜（游离壁侧）运动的3个空间方向：径向、圆周及纵向，各方向相互垂直，其中短轴位的径向和长轴位的径向相似

心肌应变是评价心肌功能的定量测量参数，不同于室壁厚度、运动幅度、心肌收缩增厚率等视觉直视指标。在心脏超声领域，随着斑点追踪技术的推广而广泛应用于各种心脏疾病的心肌功能评价；在心脏MRI领域，心肌标记成像和相位偏移成像与超声斑点追踪成像技术类似，可以实现相同的心肌应变测量。近年来，基于图像特征识别处理的后处理技术可以利用常规自由稳态进动序列（steady state free precession，SSFP）电影成像分析心肌应变指标，使得心肌应变分析具备更好的可推广性。本文将系统介绍心肌应变的MRI测量及其临床价值。

1 心肌应变的定义

1.1 应变的定义[1-2]应变定义为初始形状的变形能力。相对初始形状的扩张及收缩分别为应变的负值和正值，应变的时间导数即为应变率。

1.2 心肌应变的分析指标 为了便于测量局部心功能分析指标及描述三维心脏的变形能力，参考空间直角坐标系引入了局部心脏坐标系。心脏坐标系包括心脏径向、圆周和纵向3个相互垂直的轴线（图1）。在心脏的周期性运动中，一般以舒张末期作为运动的起点，各个坐标轴应变及应变率的计算见公式（1）、（2）。同时，可以计算每一个特征点的移动位移和速度，位移的时间导数即速度，此位移的概念类似于传统心功能测量的心肌运动幅度，差别在于前者是实际的位置变化，后者一般是辐辏方向的位置变化，并不完全一致。心肌应变和位移在收缩末期达到峰值，但是不同心肌节段和不同疾病状态下，心肌达到峰值的时间（time to peak，TTP）有所差别，峰值和TTP均是心肌应变的直接测量参数（图2）。作为应变和位移的时间导数，应变率和速度一般在快速排空期和快速充盈期达到峰值。不同的心内膜和心外膜解剖层次有各自的测量数据。

其中，S是心肌应变，L1为心肌变形后长度，L0为舒张末期心肌长度；SR为心肌应变率，S1为心肌变形后应变，S0为舒张末期心肌应变，Δt为时间改变。

1.3 心肌应变与解剖基础 心肌细胞为长约50～150 μm、直径约10～20 μm的细长圆柱形细胞，包括构成窦房结、房室结、房室束、浦肯野纤维等具有自律性和传导性的心肌细胞，以及一般的具有心房和心室收缩功能的心肌细胞。上述心肌细胞通过闰盘连接成肌纤维网，进一步构成心肌组织[3]。心脏由心肌组织——“心肌带”从肺动脉根部至主动脉根部形成的基底螺旋环和尖端螺旋环组成。2个螺旋环使左心室形成“拧毛巾”样运动，从而保证了心脏最有效的收缩射血功能[4-6]。心肌运动使心室腔变短、变窄或加长、加宽，以及引起心室肌的扭转[7-8]。心肌运动包括纵向缩短、径向增厚及圆周旋转，分别可以通过心肌纵向、径向和圆周3个方向的运动速度、位移、应变及应变率来评价[9]。

2 心肌应变的MRI测量

2.1 心肌应变MRI测量分析方法 心肌应变测量主要基于MRI电影成像。电影成像的方式有梯度回波序列（gradient echo，GRE）、梯度回波心肌标记序列（Tagging）、谐波成像（harmonic phase，HARP）和SSFP[10-12]。Tagging序列应用选择性脉冲标记心肌形成斑点，分析方法类似于超声的斑点追踪技术；Tagging序列分析方法通过不同研究中心及患者人群验证，作为测量的“金标准”[13-15]。HARP设置适当的K空间，在最佳心血池对比框内描绘心内膜及心外膜的轮廓，谐波相位软件计算应变值[14]。应用1.5T CMR扫描，标记谐波相位衰减超出收缩早期，因此影响整个心动周期的评价；应用3.0T CMR扫描，其标记的持久性更可靠[16-17]。GRE和SSFP序列均是在电影图像上标记追踪心内、外膜轮廓，得到各节段径向应变及圆周应变[11]。GRE序列流动质子呈高信号，静止质子呈低信号，缓慢血流易受饱和效应影响信号减弱，逐渐被SSFP序列替代[10]。SSFP序列具有良好的心血池对比和图像信噪比，是心脏MRI检查的必需序列，更有利于图像后处理自动识别。Hor等[12]应用SSFP序列特征性追踪分析方法类似于超声心动图斑点追踪，与Tagging序列分析方法这一“金标准”所测短轴数据相当并高度相关，且无需额外的成像，采集时间相对缩短，不需要标记，分析也比较简单。

2.2 MRI与心脏超声测量的比较 超声技术广泛应用于心肌应变的研究，与MRI相比，超声具有更高的时间分辨率和实时成像能力，在心律失常条件下比分段K空间采集的心脏电影成像更精确。MRI虽然具有更好的图像对比度，但是时间分辨率低，每个窦性心动周期周期24～30个心脏时相，且是多个心动周期的平均，在心律失常时几乎不适用。超声以多普勒组织速度成像为基础，受声窗、角度限制，难以保证声束与心肌方向完全一致，从而降低了测量结果的准确性。三维超声较二维超声更能分析心肌面积应变率，但其分辨率较二维超声低。基于SSFP序列的特征追踪技术评估常规心肌应变和不同步性，不要求特定的标记序列、扫描时间和复杂的后处理分析。验证了使用SSFP成像的新型半自动化FTCMR软件测量方法的可行性。在心肌明显不同步的患者中，CMR-FT检测到的径向不同步与QRS宽度相一致，比斑点追踪超声检测更精确。但该方法应用于临床预测CRT患者的预后，还有待进一步研究[18]。MR具有较高的时间分辨率和空间分辨率，随着屏气心脏MR电影成像及相关测量分析软件等新技术的应用，MR监测、定位和量化心肌运动，逐渐成为评价心肌应变及应变率的“金标准”[19]。

图2 局部心功能常用分析指标心动周期内的变化曲线。A为心动周期内速度与时间的关系曲线；B为心动周期内位移与时间的关系曲线；C为心动周期内应变与时间的关系曲线；D为心动周期内应变率与时间的关系曲线

3 MRI心肌应变的临床应用

3.1 心肌缺血、心律失常 区域性相位（时间-峰值节段性收缩）是量化异步的方法之一，心尖横向运动描述左心室局部功能时间上的不协调，具有评价左心室非同步性的功能[20]。心梗、心肌局部异常激动及左束支传导阻滞患者中，左心室局部运动非同步性在导致左心室功能障碍及心衰的过程中起着关键的作用。收缩不协调导致负荷的再分布，引起不均一重塑，无效做功[21]。定量评价心尖横向运动可以检测患者心肌局部功能异常及传导异常，具有评价左心室非同步性的功能，对分析局部心肌的非同步性及选择心脏再同步化治疗（cardiac resynchronization therapy，CRT）适用患者具有指导意义，同时对进一步评价CRT的效应有广阔的应用前景。

3.2 心功能机制的研究 星状神经节导致左心室节段应变均匀增加，左星状神经刺激导致显著收缩反应，左星状神经刺激具有一个主要变时效果。左右星状神经节的刺激导致左心室整体扭转增加，左星状神经节及右星状神经节的心肌神经支配作用，导致不同节段应变的异质性。通过局部心肌左右星状神经节支配的作用来了解整体及局部心功能[22]。有研究认为心脏交感神经刺激针能够改善心肌收缩力，可以作为急性心力衰竭的潜在治疗方法[23]。Hor等[24]通过心脏MR得到圆周应变值评估单独使用类固醇及类固醇合并ACEI/ARB对杜氏肌营养不良相关性心脏病的疗效，以确定更有效的治疗方案。

3.3 其他 Sampath等[25]证实可以通过MR测量非人灵长类心肌应变来评价左心室功能。应用特征性追踪方法测量心脏MR电影序列左心房应变评价降压药物对高血压患者左心房的影响[26]，测量左心室应变与左心室射血分数相关，右心室应变与右心室射血分数相关，可用来评价大动脉转位患者的心功能[27]。有研究通过MR测量右心室应变评价右心室心功能[28-29]。Kuetting等[30]研究早期心肌淀粉样变患者，心肌未出现钆延迟增强时，可用应变分析电影序列检测收缩肌舒张功能是否受损。CMR结合形态、结构和功能可以用于对心肌病及各种右心室疾病的诊断[31-32]。

综上所述，心肌应变的MRI测量技术用于心脏房室功能评价、心肌病的诊断、冠心病、心肌同步化治疗方法的筛选和评价等，通过MRI测量心肌应变相关指标来评价心房、心室局部功能, 以及疾病的诊断及预后具有重要的指导价值。

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R445.2；R540.2

10.3969/j.issn.1005-5185.2017.04.017

2016-09-11

2016-12-28

（本文编辑 张晓舟）

国家自然科学基金项目（81471660）；“十二五”国家科技支撑计划课题（2011BAI11B10）。

1.解放军总医院心内科 北京 100853；2.解放军总医院放射科 北京 100853

陈韵岱 E-mail: cyundai@vip.163.com