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通过心血管磁共振特征追踪技术评估阵发性心房颤动患者的双侧心房功能

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DOI：

10.3791/63598

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2022年7月20日

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1Radiology Department, China-Japan Union Hospital of Jilin University, 2Cardiology Department, China-Japan Union Hospital of Jilin University

* These authors contributed equally

本文内容

摘要

心房功能与应变及应变率相关。本研究采用心脏磁共振特征追踪（CMR-FT）技术，定量分析阵发性心房颤动患者左心房和右心房的整体及节段性纵向应变和应变率。

摘要

心房颤动（AF）是最常见的心律失常类型。心房重构被认为是心房颤动发生和发展的最关键机制。此外，心房重构可导致左心房（LA）扩大和功能障碍，进而引发血栓形成和心力衰竭。左心房应变及应变率的功能性改变早于结构改变，且与结构重构和左心房纤维化密切相关。这些参数是心房功能的敏感生物标志物。心脏磁共振特征追踪技术（CMR-FT）是一种新型、无创的后处理技术，可用于评估左心房应变和应变率。本研究采用CMR-FT评估阵发性AF患者双侧心房的应变率。通过节段性分析评估各节段应变的变化。在现有的应变成像技术中，CMR-FT被推荐用于临床心房应变的无创评估。此外，该技术具有良好的可重复性、高软组织分辨率，且基于标准的电影平衡稳态自由进动（bSSFP）长轴图像进行后处理，无需额外采集新的序列，是一种灵活的参数测量方法。

引言

心房颤动（AF）是最常见的心动过速性心律失常，其患病率随年龄增长而升高1。研究表明，心房重构与心房颤动的发生密切相关，并可加重心房心肌病的影响2。左心房（LA）功能是亚临床心脏疾病的關鍵指标和生物标志物3。LA功能可提供反映舒张功能障碍的重要诊断价值4，并有助于确定心房颤动（AF）的发病、病程及预后5。

心房功能可分为储器功能、通道功能和辅助泵功能，分别对应于心室收缩期、早期舒张期和晚期舒张期。储器功能是指在心室处于收缩期时，心房从肺静脉接收血流并达到最大容积的过程3。在心室早期舒张期，房室瓣开放，使心房作为血液从心房流向心室的通道3。进入晚期舒张期时，心房在辅助泵阶段主动收缩，以完成心室的充盈3。心室形态和功能的异常可直接引起心房循环的改变。评估这些功能变化对于理解全心生理学和血流动力学机制至关重要。此外，左心房扩大与多种心血管疾病的不良预后相关6。与功能应变指标相比，形态学标志物对心室和心房功能障碍的敏感性较低。既往研究表明，左心房应变及应变率的变化早于结构改变，且与左心房的结构重塑和心肌纤维化密切相关7,8。

早期心房应变评估主要基于超声心动图斑点追踪技术9,10。心脏磁共振（CMR）成像可提供更高的空间分辨率、更好的组织对比度，以及对心房壁边缘更精确的显示。心脏磁共振特征追踪（CMR-FT）最初用于评估心室应变，随后被应用于心房3。该方法在心房功能监测中的应用日益广泛。研究表明，左心房功能是房颤（AF）、卒中以及射频消融术后房颤复发的独立预后因素10,11,12,13,14,15。尽管目前通过MRI对右心房（RA）进行应变评估尚不常见，Esra等人发现，在持续性房扑和房颤（AF）患者中，右心房的储器功能和助推泵功能显著降低16。此外，节段性应变分析有助于研究局部心房功能变化或重构情况。本研究提供了一套针对左心房和右心房以及节段性应变与应变率的CMR-FT技术操作流程。

方案

本研究方案严格遵循吉林大学中日联谊医院人体研究伦理委员会制定的规定（编号：2021092704）。在射频消融术前，所有心房颤动患者均需接受心脏磁共振（CMR）检查，因此本研究未对患者增加额外负担。检查中增加了右心室双腔电影bSSFP序列，使每次检查时间延长2分钟。检查前，已从每位受试者处获得书面知情同意。拒绝接受额外序列检查的患者被排除出实验。检查过程中图像质量差或出现心房颤动（AF）的患者亦被排除。

1. 扫描前准备

  1. 核对患者信息：准确测量患者的心率、血压、体重和身高。值班医师根据患者的健康史及其他辅助检查结果制定初步检查方案，并根据实际情况对检查方案进行快速调整。
  2. 排除存在磁共振成像（MRI）禁忌症的患者，包括肾功能不全（eGFR ≤ 30 mL/min/1.73 m2）、植入式心脏电子设备、体内金属植入物、电子耳蜗植入等。
  3. 将患者置于仰卧位，头部朝上，双臂置于身体两侧。由于检查时间较长，切勿将上肢抬高至头部上方。
  4. 清洁皮肤，并按照制造商的说明放置电极。确保非金属心电图电极正确贴附于胸前壁表面，以获得精确的心电门控信号。需获取清晰的R波，以减少心脏磁共振（CMR）图像伪影。
    注意：连接心电图电极后，计算机将实时显示患者的心电图以监测R波。若R波信号不够清晰，应重新调整患者胸部电极的位置。
  5. 将16通道心脏线圈紧贴肩胛骨上缘放置。确保线圈与心脏对齐，并置于左侧。
  6. 指导患者在呼气末屏气，并要求其保持每次屏气的呼吸幅度一致，以确保扫描位置的一致性。屏气时间为10-18秒。检查前为患者提供充足的呼吸训练时间。检查过程中需记录心率及屏气时间。

2. 心脏磁共振成像扫描

  1. 使用三平面定位法确定左心室（LV）的长轴电影图像 [两腔、三腔和四腔切面] 以及心室的短轴切面（即覆盖整个左心室）。定位过程见图1。
    1. 获取心脏横断面、矢状面和冠状面的正交多层定位图像（图1A）。
    2. 从横断面图像中选择心室中部的一个横断层面，获得两腔定位图像。在横断面图像上垂直设置一个切面，使其平行于室间隔并穿过左心室心尖（图1B）。
    3. 在两腔定位图像上，通过心脏心尖和二尖瓣中心垂直设置切面，获得四腔定位图像（图1C）。
    4. 在四腔和两腔定位图像上垂直设置切面，获得短轴定位图像。该切面在四腔定位图像上应垂直于室间隔，在两腔定位图像上应与长轴成直角（图1D）。
  2. 基于上述定位图像，生成以下标准切面。
    1. 获取四腔切面。切面（定位线）将自动显示，然后在短轴定位图像上将切面置于左心室中心并垂直于室间隔。在两腔定位图像上，将切面置于心脏心尖并通过二尖瓣中心，以获得四腔切面。点击应用以获取四腔切面（图1E）。
    2. 获取两腔切面。在短轴定位图像上，将切面设置为平行于室间隔，并调整至左心室中心。在四腔切面图像上，将切面平行于室间隔并穿过左心室心尖（图1F）。
    3. 获取三腔切面：在短轴定位图像上，将切面置于主动脉和左心房中心。确保该切面在四腔切面图像上穿过左心室心尖（图1G）。
    4. 获取短轴切面。在四腔切面图像上，将切面垂直于室间隔并平行于二尖瓣环。然后，在两腔切面图像上，将切面垂直于左心室心尖与二尖瓣环中心之间的连线（图1H）。
  3. 在短轴切面图像上，将切面平行于室间隔并移至右心室（RV）中心，以获取右心室的两腔切面。在四腔切面图像上，将切面平行于室间隔，然后将其移至右心室中心。注意不要将左心室分割（图1I）。
  4. 使用3.0 T磁共振扫描仪，采用回顾性心电门控bSSFP序列，获取左心室和右心室的两腔和四腔切面、左心室的三腔切面以及左心室的短轴切面的CMR电影序列。
    1. 主要参数设置如下：矩阵 = 192 × 192，视野（FOV）= 340 mm × 340 mm，重复时间（TR）= 3.0 ms，回波时间（TE）= 1.7 ms，翻转角（FA）= 45°–55°，时间分辨率 = 30–55 ms，层厚 = 8 mm，层间距 = 2 mm。
      注：所有患者在CMR成像期间应保持窦性心律。

3. 心室与心房功能分析

  1. 心室功能分析
    1. 点击 PACS，输入 患者编号，使用 搜索当前患者 查找图像。随后点击 检索，将图像传输至心血管后处理工作站。使用 功能多平面 模块（多平面心室功能分析）进行心室功能分析。
    2. 选择心室的短轴电影图像，点击 检测舒张末期/收缩末期相位的左/右心室轮廓。
      注：所有层面的收缩末期（ES）和舒张末期（ED）心室、心内膜和心外膜轮廓将自动勾画。左心室腔包括心室流出道。若自动识别不准确，应手动调整。心血管后处理工作站将自动计算左心室射血分数（LVEF）、左心室舒张末期容积（LVEDV）、左心室收缩末期容积（LVESV）、左心室舒张末期容积指数（LVEDVI）、左心室收缩末期容积指数（LVESVI）、右心室射血分数（RVEF）、右心室舒张末期容积（RVEDV）、右心室收缩末期容积（RVESV）、右心室舒张末期容积指数（RVEDVI）以及右心室收缩末期容积指数（RVESVI）。
  2. 左心房功能分析
    1. 使用 组织追踪（特征追踪） 模块，在左心室的四腔、三腔和两腔电影心脏磁共振（CMR）图像中测量左心房（LA）的容积和应变。
    2. 在左心房收缩末期和舒张末期，手动勾画左心房（LA）的心内膜和心外膜边界（图2）。
    3. 从左心房轮廓中排除肺静脉和左心耳。
    4. 完成勾画后，确保 感兴趣区序列（节段编号选择键） 显示为6（左心室的四腔和两腔CMR电影图像各分为6个节段）。
    5. 点击 执行应变分析 按钮，软件将在整个心动周期（25帧/心动周期）中自动追踪屏幕上的像素。
    6. 确保软件自动计算左心房容积/时间曲线、整体及节段性应变和应变率。
    7. 利用容积/时间曲线获取左心房最大容积（LAVmax）、左心室舒张早期左心房主动收缩前容积（LAVpre-A）和左心房最小容积（LAVmin）。按以下公式计算左心房总排空分数（EF）、被动排空分数和主动排空分数19：
      左心房排空分数公式，静力学平衡分析方程，用于教学数学分析。
      静力学平衡方程，左心房被动排空分数，公式分析，用于教学/研究图示。
      左心房排空分数公式，计算左心房排空分数，用于心脏研究的数学方程。
    8. 从左心房的应变曲线（图2）中获取收缩期的整体纵向峰值应变（Sls）和主动应变（Sla），并将Sls与Sla之差计算为被动应变（Sle）19。
    9. 从应变率曲线中获取左心室收缩期左心房的峰值应变率（SRs）（曲线上第一个正向波峰）、左心室舒张早期的峰值应变率（SRe）（曲线上第一个负向波峰）以及左心室舒张晚期的峰值应变率（SRa）（曲线上第二个负向波峰）19（图2）。
  3. 右心房功能分析
    1. 使用 组织追踪（特征追踪） 模块，结合右心室的四腔和两腔电影CMR图像，获取右心房的容积和应变。
    2. 在右心房收缩末期和舒张末期，手动勾画右心房（RA）的心内膜和心外膜边界（图3）。
    3. 从右心房轮廓中排除腔静脉和右心耳。
    4. 后续步骤与步骤3.2.4和3.2.6相同。
    5. 通过步骤3.2.3和3.2.5获取右心房的功能参数。

结果

2020年7月至2021年8月期间，本院共评估了243名接受MRI扫描的个体，最终纳入71名经心脏磁共振（CMR）成像检查的房颤（AF）患者进行本研究。排除标准包括：CMR检查证实为非缺血性心肌病（如肥厚型心肌病、扩张型心肌病和心肌淀粉样变性，n = 11）；心肌梗死（n = 8）；因电影序列CMR伪影严重导致图像质量不合格（n = 2）；持续性房颤（n = 23）；以及CMR检查期间发生房颤（n = 6）。最终，共入选21名在窦性心律状态下接受MRI扫描的阵发性房颤患者。对照组由19名年龄和性别匹配且CMR检查结果正常的个体组成。表1总结了阵发性房颤患者与对照组的基本人口学资料。

所有心脏磁共振（CMR）图像均上传至心脏病学后处理工作站，由两名具有五年以上后处理经验的放射科医师进行分析。两名放射科医师对数据取平均值，并在存在显著差异时进行重新测量。除左右心室功能的标准特征外，还评估了左右心房功能的参数。心房应变参数包括储液池相、充盈相和助推泵相的纵向应变及应变率（图2 和 图3）。除整体纵向应变外，我们还在四腔心和两腔心切面进行了节段性（6节段）应变参数分析，以评估房颤（AF）对各节段心房纵向应变的影响。结果显示，房颤组在储液池相的左右心房整体纵向应变显著低于对照组（图4）。在四腔心和两腔心切面中，房颤组左心房各节段在储液池相的纵向应变亦显著低于对照组（图5）。

显示心脏解剖结构的 MRI 扫描图像；以灰度呈现多个视角，用于临床分析。
图 1：三平面定位示意图。（A）正交多层面定位像；（B）定位及两腔心定位像；（C）定位及四腔心定位像；（D）层面位置及短轴定位像；（E）定位及四腔心视图；（F）定位及两腔心视图；（G）定位及三腔心视图；（H）定位及短轴视图；（I）右心室的两腔心视图。请点击此处查看该图的高清版本。

心脏 MRI 分析，显示勾勒出的心腔，A-F 为各面板；G-H 为功能研究的应变图。
图2通过四腔、三腔和两腔心脏磁共振电影图像，采用心脏磁共振特征追踪技术测量左心房纵向应变和应变率。 (A-F) 从四腔、三腔和两腔电影心脏磁共振（CMR）图像中，分别在舒张末期和收缩末期追踪左心房内膜和外膜边界。G-H左心房的应变和应变率曲线反映了左心房的三种功能：心房储器功能（Sls：收缩期整体纵向峰值应变；SRs：收缩期应变率）、管道功能（Sle：被动应变；SRe：舒张早期心房应变率）和辅助泵功能（Sla：主动应变；SRa：舒张晚期心房应变率）。 请点击此处以查看此图的放大版本。

心脏 MRI 分析结合心肌应变，显示标注的心脏轮廓及应变图。
图3：利用心脏磁共振电影图像的四腔心和二腔心切面对心肌特征追踪技术评估右心房纵向应变及应变率。 (A-D) 从四腔和两腔电影心脏磁共振（CMR）图像中，于舒张末期和收缩末期追踪右心房的心内膜和心外膜边界。E-F右心房的应变和应变率曲线反映了右心房的三种功能：心房贮器功能（Sls：收缩期峰值整体纵向应变；SRs：收缩期应变率）、管道功能（Sle：被动应变；SRe：舒张早期心房应变率）和辅助泵功能（Sla：主动应变；SRa：舒张晚期心房应变率）。 请点击此处以查看此图的放大版本。

比较非房颤组和房颤组菌株百分比的条形图；注明 P<0.05 具有显著性。
图 4：房颤组与对照组在储液期左心房和右心房整体纵向应变的比较。 （A）房颤组在储液期左心房的整体纵向应变显著低于对照组（53.17% vs 33.59%，P < 0.05）。 （B）房颤组在储液期右心房的整体纵向应变显著低于对照组（49.99% vs 38.08%，P < 0.05）。 AF：心房颤动。 请点击此处查看该图的放大版本。

条形图比较样本 S1 至 S6 在非房颤和房颤条件下应变百分比。
图 5：左心房在四腔心和两腔心视图中六个节段的纵向应变比较。 （A）在储液期，左心房四腔心视图中六个节段的纵向应变显著低于对照组。（B）在储液期，左心房两腔心视图中六个节段的纵向应变显著低于对照组。AF = 心房颤动。请点击此处查看该图的放大版本。

表1：房颤组与对照组的基线信息。 请点击此处下载该表格。

讨论

心脏磁共振特征追踪（CMR-FT）是用于心肌应变分析最常用的一种磁共振技术，因其快速、简便且高效。通过测量心脏两个部位之间的位移及位移速度，利用CMR-FT获得的应变率可用于评估心房功能。应变以百分比表示，反映心肌的相对形变程度18。

应变反映了心肌的变形能力，而应变率则反映心肌变形的速度。在心室收缩期，应变曲线迅速上升，达到峰值，表示心房舒张期中心肌的最大形变。由于心房心肌的扩张，应变率曲线产生一个正向波。在此期间，心房的主要功能是容纳回流的血液，这体现了心房的舒张功能。随后，在心室舒张早期，二尖瓣或三尖瓣开放，血液迅速流入心室。此时，心房容积和心肌变形程度减小，应变曲线迅速下降并进入平台期。应变率曲线出现第一个负向波，心房此时作为静脉血流入心室的通道。在心室舒张晚期，心房收缩，将血液泵入心室，心肌纤维发生收缩。心肌变形的应变率曲线下降至基线水平，并形成第二个负向波。此阶段结束时，心房容积已降至最低水平19,20。

近期研究已证实，心房功能是房颤（AF）、卒中以及消融术后房颤复发的独立预测因子10,11,12,13,14,15。在一项无症状的多民族人群中，Habibi 等人发现，左心房（LA）容积增大以及被动性和总体左心房排空分数降低，与新发房颤风险升高相关21。一项研究指出，在具有卒中危险因素的老年患者中，左心房的容积和功能特征与房颤的发生独立相关22。Habibi 等人还发现，消融术后出现房颤复发的患者，其术前左心房应变值较低3。此外，Inoue 等人对169例接受射频消融术前的房颤患者基线磁共振（MR）进行了分析，发现有卒中/短暂性脑缺血发作病史的患者，其左心房储器功能严重受损7。即使在 CHADS2 评分低危的患者中，左心房应变降低仍然是卒中或短暂性脑缺血发作风险增加的潜在敏感标志物15。

这些发现与我们的研究结果一致，即心房颤动（AF）患者左心房（LA）和右心房（RA）的应变降低。在AF患者中，心房各节段的应变均降低，表明所有节段均参与了心房重构过程。尚需进一步研究以确定不同心脏病患者之间心房应变分布是否存在差异。在进行心脏磁共振（CMR）检查前，应密切关注患者的呼吸训练。由于图像采集是在呼气末阶段进行的，因此应使用相同的呼吸范围以确保准确定位。检查前应将患者置于合适的位置，避免因移位而需要重新调整体位。

在心脏磁共振（CMR）检查过程中，应避免运动伪影和磁化率伪影，因为这些伪影会导致边界不清，从而影响心房壁的显示。特别是在检查心室和心房伪影时（尤其是3.0T磁共振），需特别关注磁化率伪影。控制患者的心率和心律也至关重要，因为异常心律将导致无法获得应变值。我们引入了右心室双腔 cine 序列，以提高右心房功能分析的准确性，因为有必要同时分析两个心房的功能。这是当前方法学相较于常规扫描的一个特殊之处。在评估心房应变时，必须手动勾画心房舒张期和收缩期的内膜和外膜边界。此时应注意选择合适的时相，并确保将心耳排除在心房轮廓之外。操作者需根据经验判断心房舒张末期，在一个心动周期的25帧图像中，应选择心房容积最大的时相。为获得平均值，应进行两次计算。若两次计算结果存在显著差异，则需重新勾画内膜和外膜边界。

超声心动图斑点追踪、磁共振标记和CMR-FT是常用的应变分析方法。超声心动图斑点追踪的基本原理与CMR-FT技术相似。然而，由于空间分辨率较低、超声声窗较差以及可重复性不足等局限性，该技术的有效性仍需提高23。心肌应变的金标准是磁共振标记技术，其可靠性高。但图像采集和后处理过程复杂且耗时。由于心房壁较薄，该方法目前尚未用于心房应变分析。CMR-FT技术无需额外的扫描序列，利用高空间分辨率的电影图像和简便的后处理流程，可用于评估心肌的整体和节段性应变24。此外，研究已表明CMR-FT所测得的应变参数与磁共振标记结果具有一致性，证实了CMR-FT技术的可靠性23,24。目前已有多种CMR-FT后处理工具可供使用。然而，由于缺乏统一的参考标准，不同研究之间的应变数据可能存在显著差异。未来仍需开展大样本、多中心的研究，并开发更新的后处理软件，以建立适当的参考标准。

目前，CMR-FT 技术正被用于心房功能的研究。迫切需要开展机制性研究，以加深我们在临床实践中对心房心肌病的理解。因此，心房应变/应变率作为心房影像学生物标志物，将在心房颤动（AF）的预测、诊断及预后评估中发挥关键作用。

披露

作者声明无任何利益冲突。

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
CVI42Circle Cardiovascular Imaging（加拿大）
MAGNETOM Spectra 3.0T西门子

参考文献

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