心臟磁共振特征追蹤技術定量評價COPD左心室功能異常的研究

王菲瑤，張天悅，李睿

作者單位 川北醫學院附屬醫院放射科，南充 637000

0 引言

慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive pulmonary disease, COPD）是呼吸系統最常見的慢性炎性反應性疾病，以持續性氣流受限為特征[1]。COPD作為一種全身性疾病，除肺部炎癥外，往往還合并諸多心血管疾病，患病率高達50%[2-4]，主要包括肺源性心臟病、冠狀動脈粥樣硬化性心臟病（coronary atherosclerotic heart disease, CHD）、慢性心衰、肺栓塞等，心血管疾病是導致COPD 患者死亡的重要原因之一。一般情況下，COPD經過長期發展出現肺動脈高壓繼而引起右心室后負荷增加，導致右心室重塑并最終引起心力衰竭[5-6]。此外，COPD 合并CHD 也是導致COPD 患者死亡的主要原因[7]，患者不良事件發生風險及因再發心肌梗死、心力衰竭、冠狀動脈血運重建、慢性阻塞性肺疾病急性加重期再入院的風險明顯升高[8]。近年來，隨著研究的不斷深入，發現即使在COPD 疾病早期，未出現肺動脈高壓且心臟血流動力學發生改變之前，COPD患者即可發生心肌功能及超微結構的損傷[9-12]。因此，早期診斷并有效干預對改善患者臨床癥狀及預后至關重要[1,13-16]。

基于心臟磁共振特征追蹤（cardiovascular magnetic resonance feature tracking, CMR-FT）技術可在左心室射血分數（left ventricular ejection fraction, LVEF）正常的情況下監測到心肌亞臨床功能障礙[17-19]，在各類心臟疾病心功能異常及預后評價方面具有重要價值[17,20-21]。目前國外有少量針對COPD 患者左心室功能異常的研究[9-10,22]，但多應用超聲心動圖，并以評價COPD患者左心整體功能為主，尚未見應用美國心臟協會（American Heart Association, AHA）心肌16 節段分析法對左心室基底段、中間段及心尖段心肌各方向（徑向、周向及縱向）峰值應變（peak strain, PS）進行分析。而國內尚未見應用CMR-FT 技術測定COPD 患者左心室應變的相關報道，尤其是LVEF 正常，且未合并慢性肺源性心臟病及CHD 的COPD 患者。因此，本文旨在通過CMR-FT 技術定量評價上述COPD患者左心室整體及各節段不同方向的PS改變，探索早期、無創性診斷COPD 患者左心室功能異常的可行性，在COPD 患者出現嚴重心血管疾病（心肌損傷或心力衰竭）之前，及早發現左心室功能受損情況并予以保護性治療，改善患者整體預后。

1 材料與方法

1.1 研究對象

本研究遵守《赫爾辛基宣言》，通過川北醫學院附屬醫院倫理委員會批準，免除受試者知情同意，批準文號：2021ER137-1。回顧性分析川北醫學院附屬醫院2021年10月至2023年2月期間符合納入及排除標準的47例COPD患者病例。納入標準：（1）COPD診斷標準符合《慢性阻塞性肺疾病診治指南（2023 年修訂版）》[23]，即使用支氣管舒張劑后第1 s 用力呼氣末容積/用力肺活量＜70%；（2）在進行心臟磁共振（cardiovascular magnetic resonance, CMR）檢查前均行冠脈造影或冠脈X 線計算機體層成像血管造影，且冠脈未見明顯狹窄或狹窄率小于50%；（3）CMR延遲增強未見明顯延遲強化；（4）心臟超聲心動圖及心電圖檢查均未見明顯異常；（5）未見明顯胸悶、胸痛、心悸等CHD癥狀；（6）進行檢查時均處于穩定期。排除標準：（1）合并肺動脈高壓和（或）右心室肥厚；（2）既往有心血管疾病史、已知任何心臟器質性疾病；（3）高動力循環疾病及高血壓、糖尿病、腎病等影響心臟功能的疾病；（4）定期服用影響心臟功能藥物的患者。最終納入COPD 患者47 例，其中男25 例，女22 例，年齡39～58（47.26±4.66）歲，其中19 例COPD 患者冠脈輕度狹窄（狹窄率＜50%），28例COPD患者冠脈未見明顯異常。同時，納入性別、年齡及吸煙習慣相匹配的正常對照組30 例，男17 例，女13 例，年齡40～58（47.47±4.42）歲。正常對照組納入標準：（1）在我院進行健康體檢無重大器官疾病；（2）無心臟病相關家族史；（3）近期未服用任何影響心臟功能的藥物。排除標準：圖像質量不能滿足后處理軟件要求。研究前期，查閱相關文獻，針對研究主要觀察的結局指標，預估研究樣本量時需要用到的參數及其大致范圍，之后將數據代入PASS 15.0 統計學軟件進行樣本量計算，其中檢驗水準α（即Ⅰ型錯誤的概率）取值為雙側0.05，檢驗效能度=1-β（β為Ⅱ型錯誤的概率）定為0.90，考慮20%的失訪率，結果顯示正常對照組樣本量最低應為12例，COPD組樣本量最低應為18例，因此本研究納入樣本量能夠滿足研究需要。

1.2 CMR掃描

采用GE 3.0 T（Discovery MR750, USA）磁共振儀，32 通道體部相控陣線圈及磁共振兼容的矢量心電門控和呼吸門控進行CMR 檢查，掃描前均進行呼氣末屏氣練習，以保障圖像質量。取足先進仰臥位，呼氣末屏氣狀態下掃描。采用平衡穩態自由進動序列獲取各切面的穩態自由進動梯度回波電影序列，確保檢查中不受心跳及呼吸運動的影響，采集參數：翻轉角45°～50°，視野340 mm×360 mm，回波時間1.5～1.7 ms，重復時間2.9～3.4 ms，層厚8 mm。經外周靜脈注入對比劑釓噴酸葡胺注射液（Magnevist，Bayer Healthcare，Germany，批準文號：國藥準字J20080064）行延遲掃描，劑量為0.2 mmol/kg，注射速度控制在2.0～4.0 mL/s。采用敏感性反轉恢復序列掃描，延遲10～15 min 采集兩腔心、四腔心和短軸層面。掃描參數：視野340 mm×360 mm，重復時間4.1 ms，回波時間1.6 ms，層厚8 mm，采集8～10層，反轉時間300 ms。

1.3 CMR圖像后處理

1.3.1 常規心功能分析

應用離線心血管圖像后處理軟件CVI42（Version 5.14.2，Circle Cardiovascular Imaging Inc，Calgary，Alberta，Canada）進行常規心功能分析。首先將掃描的左心室短軸電影序列導入CVI42 軟件，通過其自動勾畫功能，勾勒左心室心尖部至心底部每幀圖像上收縮末期和舒張末期的心內膜及心外膜邊界，自動勾畫不準確時進行手動調整，獲得以下常規心功能參數：左心室收縮末期容積（left ventricular end-systolic volume, LVESV）、左心室舒張末期容積（left ventricular end-diastolic volume, LVEDV）、左心室后壁厚度（left ventricular posterior wall thickness,LVPWT）、室間隔厚度（interventricular septum thickness, IVST）、左心室每搏輸出量（left ventricular stroke volume, LVSV）、LVEF、左心室心輸出量（left ventricular cardiac output, LVCO）及左心室心肌質量（left ventricular mass, LVM）。

1.3.2 左心室心肌應變分析

將掃描的左心室短軸、標準左心室長軸及標準四腔心電影序列圖像導入同一離線心血管后處理軟件CVI42，根據前述方法自動勾勒心內膜及心外膜邊界，自動勾畫不準確時進行手動調整，勾畫的每條邊界被定義為一系列點，CVI42軟件通過識別這些點的位置變化來追蹤心肌的運動軌跡，所有電影序列勾畫完成后CVI42 軟件將根據AHA 心肌16 節段模型，經過分層算法計算每個心肌節段（基底段、中間段、心尖段）各方向（縱向、周向及徑向）的PS并生成相應的牛眼圖（圖1），最后將每個心肌節段的數據進行綜合分析得出反映左心室整體各方向的PS。

圖1 男，49 歲，冠脈未見明顯狹窄的COPD 患者。1A～1C：在舒張末期心臟短軸位（1A）、標準左心室長軸位（1B）及四腔心（1C）電影序列上，勾勒左心室心內膜、心外膜及軟件自動計算左心室整體及節段各方向PS 測量示意圖；1D～1F：左心室整體及各節段縱向（1D）、周向（1E）及徑向（1F）PS 牛眼圖。COPD：慢性阻塞性肺疾病；PS：峰值應變。Fig.1 Male, 49 years old, COPD patients with no significant coronary artery stenosis.1A-1C: On the end diastolic short axis (1A), standard left ventricular long axis (1B) and four chamber (1C) cine sequences, the left ventricular endocardium and epicardium are delineated, and the software automatically calculated the left ventricle peak strain in all directions of the global and segmental myocardium; 1D-1F:The left ventricle longitudinal (1D),circumferential (1E), and radial (1F)PS bull eye images.COPD: chronic obstructive pulmonary disease; PS: peak strain.

1.4 一致性檢驗

為評估CMR-FT 技術在觀察者間及觀察者內的一致性，由2名MRI診斷醫師（分別為工作年限5年的主治醫師和10年的副主任醫師）采用雙盲法分別對所有COPD患者的圖像進行左心室應變相關參數分析。其中任意1 名MRI 診斷醫師于2 周后在對第一次測量結果不知情的情況下再次對77 例受檢者圖像進行分析。采用組內相關系數（intra-class correlation coefficient, ICC）[95% 的置信區間（confidence interval,CI）]進行相關性分析，其中ICC＞0.90 認為一致性很好，＞0.75～0.90認為一致性較好，＞0.50～0.75認為一致性一般，≤0.50認為一致性較低。

1.5 統計學分析

應用SPSS 23.0 軟件進行統計學分析。計量資料用均數±標準差表示，計數資料以頻數表示。兩組計量資料分別采用Shapiro-Wilk 進行正態分布檢驗，符合正態分布的兩組間數據比較采用獨立樣本t檢驗；不符合正態分布的計量資料用M（P25，P75）表示，兩組間數據比較采用Mann-WhitneyU檢驗。兩組間性別比較采用卡方檢驗。P＜0.05 認為差異具有統計學意義。

2 結果

2.1 一般資料及常規心功能參數比較

COPD 組與正常對照組一般資料及常規心功能參數詳見表1。COPD 組年齡、性別及常規心功能參數與正常對照組比較均未見顯著差異（allP＞0.05）。

表1 COPD組與正常對照組一般資料及常規心功能參數比較Tab.1 Comparison of clinical data and conventional cardiac function parameters between the COPD group and the normal control group

2.2 左心室整體應變相關參數比較

COPD 組與正常對照組左心室整體徑向PS、周向PS、縱向PS 詳見表2，COPD 組左心室整體各方向PS 均明顯低于正常對照組，徑向及縱向PS 減低顯著，差異均具有統計學意義（allP＜0.001）。

表2 COPD組與正常對照組左心室整體應變相關參數比較Tab.2 Comparison of the left ventricular global strain related parameters between the COPD group and the normal control group

2.3 左心室應變相關參數一致性檢驗

左心室心肌應變相關參數在觀察者內及觀察者間一致性檢驗結果詳見表3。一致性檢驗結果顯示，左心室整體、心尖段、中間段及基底段的應變相關參數在觀察者內及觀察者間一致性均很好（ICC＞0.90）。

表3 左心室應變相關參數在觀察者內和觀察者間的一致性檢驗Tab.3 Consistency test of the left ventricular strain related parameters intra-observer and inter-observer

2.4 左心室心尖段、中間段及基底段應變相關參數比較

COPD組與正常對照組左心室心尖段、中間段、基底段應變相關參數比較結果詳見表4。COPD組心尖段周向PS較正常對照組未見明顯差異（P=0.268），余心尖段（徑向PS、縱向PS）及基底段、中間段（徑向PS、周向PS、縱向PS）均具有顯著差異（allP＜0.001）。

表4 COPD組與正常對照組左心室局部應變相關參數比較Tab.4 Comparison of the left ventricular local strain related parameters between the COPD group and the normal control group

2.5 COPD 患者中冠脈正常和冠脈輕度狹窄左心室整體及局部應變相關參數比較

COPD 組冠脈輕度狹窄與冠脈正常者左心室整體、心尖段、中間段及基底段應變相關參數比較結果詳見表5。COPD 組冠脈輕度狹窄與冠脈正常者左心室整體及局部（徑向、周向、縱向）PS均未見明顯差異（allP＞0.05）。

表5 COPD伴冠脈輕度狹窄和冠脈正常患者左心室整體及局部應變相關參數比較Tab.5 Comparison of the left ventricular global and local strain related parameters between COPD patients with mild coronary stenosis and normal coronary arteries

3 討論

本研究基于CMR-FT 技術、通過病例對照研究的方法比較了COPD 組與正常對照組左心室常規心功能和左心室整體及節段心肌各方向PS 間的差異，并對COPD 患者冠脈正常和冠脈輕度狹窄進行了亞組分析。本研究結果顯示：COPD組常規心功能與正常對照組比較未見顯著差異；COPD組左心室整體各方向（徑向、周向及縱向）PS均低于正常對照組；左心室中間段、基底段各方向PS，心尖段徑向及縱向PS較正常對照組顯著減低，心尖段周向PS 較正常對照組未見明顯差異；在亞組分析中，冠脈輕度狹窄與冠脈正常COPD 患者左心室整體及節段心肌各方向PS均未見明顯差異。本研究率先在國內利用CMR-FT技術測定LVEF 正常且未合并慢性肺源性心臟病及CHD 的COPD 患者左心室整體及節段心肌各方向PS；本研究重點關注COPD患者左心室整體及各節段亞臨床期心肌功能障礙，旨在早期發現COPD患者左心室功能改變，并在COPD患者出現嚴重心血管并發癥之前，早期診斷及治療，改善患者整體預后。

3.1 COPD患者左心室結構及功能改變

本研究顯示COPD 患者LVEDV、LVESV、IVST、LVPWT、LVSV、HR、LVCO、LVEF 及LVM 較正常對照組均未見明顯差異。CENGIZ EL?IO?LU 等[22]研究表明COPD患者與健康對照組間LVEDD、LVESD、LVPW、IVST、左心室直徑及LVEF 均未見明顯差異，與本研究結果基本類似。SABIT等[9]研究顯示LVM、LVPWT 及LVEF 與對照組相似。PELà 等[24]研究顯示沒有明顯心血管疾病的COPD 患者與正常對照組相比左心室收縮末期直徑及容積、LVPWT、LVM、LVEF、LVSV 均未見明顯差異，但左心室舒張末期直徑及容積減小，室間隔增厚，相對室壁厚度明顯增加，出現了向心性重塑，原因可能與本研究排除了COPD 合并肺動脈高壓、高血壓的患者，同時使用CMR-FT 技術測量左心室常規心功能相關參數較二維超聲心動圖測量結果更為準確有關。

3.2 COPD 患者左心室整體及各節段應變參數變化情況

本研究表明COPD 患者左心室整體及各節段（基底段、中間段及心尖段）縱向PS較正常對照組均明顯減低。CENGIZ EL?IO?LU等[22]、HILDE等[10]、PIZARRO等[25]應用超聲心動圖測量保留LVEF 或未見明顯心血管疾病的COPD患者，左心室整體及部分節段心肌縱向應變較對照組明顯減低，表明COPD患者存在亞臨床左心室收縮功能障礙，且合并肺動脈高壓的COPD患者左心室心肌應變下降更為顯著（-15.8%±1.9% vs.-14.4%±1.7%，P＜0.01），與本研究結果基本類似；原因可能為COPD 患者早期即存在肺小血管床破壞、血管重塑并隨著疾病進展逐漸加重，至疾病后期出現肺動脈高壓，導致右心室后負荷增加，繼而引起左心室充盈量減少，故合并肺動脈高壓的COPD 患者左心室心肌應變下降更為顯著。

與CENGIZ EL?IO?LU 等[22]、PIZARRO 等[25]研究不同，本研究還對COPD 患者左心室整體及節段各方向PS 根據AHA 心肌16 節段模型進行了分析，結果顯示左心室整體及基底段、中間段徑向、周向PS較正常對照組均明顯減低，兩組間心尖段周向PS 尚未見明顯差異，提示COPD 患者左心室局部收縮功能受損的不均一性，原因可能與左心室心肌纖維的空間構造相關[26-28]。心肌縱向應變主要與心內膜下的縱向心肌纖維相關，在發生心肌微循環障礙、心肌缺血等情況下往往最早受累，是左心室應變參數中最易受損、反映心肌疾病最敏感的指標[29-30]；心肌周向應變與中層心肌有關，而心肌徑向應變由全層心肌決定，故周向及徑向應變受影響相對較晚，反映了進展期心肌損傷情況，表明未合并肺動脈高壓且LVEF 正常的COPD 患者已存在明顯左心室整體及局部收縮功能障礙，以中間段和基底段顯著。COPD患者心尖段周向PS 較正常對照組尚未見明顯減低，推測原因可能為：首先心尖部由心外膜下心肌組成，受累相對較晚；其次，COPD 患者左心室功能受損對心尖段影響相對較輕，且左心室整體收縮功能主要依賴于心肌周向運動[31]，故心尖段周向應變的保留可能對COPD患者維持正常LVEF起到了一定的作用。

3.3 COPD 患者中冠脈正常和冠脈輕度狹窄左心室整體及局部應變參數變化情況

本研究發現COPD 患者中合并冠脈輕度狹窄者約占40.43%（19/47），但冠脈輕度狹窄與冠脈正常者左心室整體、心尖段、中間段及基底段各方向PS均未見明顯差異，提示COPD 本身而非其心血管并發癥導致了左心室心肌損傷，原因可能是COPD 患者多伴隨氣流受限、過度充氣及內源性呼氣末正壓，導致靜脈回流減少，心室容量負荷減低，主動脈舒張壓降低，冠脈血流灌注減少，引起心內膜下心肌缺血[9,32]；此外，全身炎癥反應、低氧血癥、氧化應激及血管功能障礙（動脈僵硬及內皮功能障礙）等與COPD 心肌損傷也有密切關系[2,9,33-35]。因冠脈自身存在強大的代償能力，當主動脈舒張壓降低導致冠脈血流灌注減少時，冠脈將最大限度擴張，以保證患者生存所需血供，故冠脈輕度狹窄與冠脈正常者左心室整體及節段各方向PS 均未見明顯差異。周晶晶等[36]應用CT 特征追蹤技術測量冠脈主要分支輕度狹窄（狹窄率＜50%）患者左心室各節段各方向PS，與正常對照組相比結果均未見明顯統計學差異，表明冠脈狹窄率＜50%時，通過冠脈的血流量仍可滿足心肌正常收縮的需求，故冠脈輕度狹窄時左心室各節段各方向PS 較正常對照組未見明顯減低；本研究顯示與正常對照組相比，COPD 患者左心室整體及中間段、基底段各方向PS、心尖段徑向及縱向PS 均明顯減低，但冠脈輕度狹窄與冠脈正常COPD 患者左心室整體及節段各方向PS 均未見明顯差異，表明COPD 患者即使未合并冠脈輕度狹窄，即已發生左心室心肌損傷，并且由COPD本身導致。

3.4 局限性

本研究具有以下局限性：（1）本研究樣本量較小，且未將COPD 患者按慢性阻塞性肺疾病全球倡議（global initiative for chronic obstructive lung disease,GOLD）分級進行對比分析，在后續的研究中會納入更多的患者進行下一步的亞組分析；（2）本研究對象以中國漢族人為主，未納入其他種族的心功能參數，可能對研究結果，尤其是左心室應變參數分析產生一定的選擇性偏倚。

4 結論

綜上所述，利用CMR-FT技術可定量評價COPD患者左心室整體及各節段亞臨床期心肌功能障礙，并且其心肌損傷由COPD 本身導致；CMR-FT技術有望為疾病早期診斷及預后評價提供影像學依據。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。

作者貢獻聲明：李睿設計本研究的方案，對稿件重要內容進行了修改；王菲瑤起草和撰寫稿件，獲取、分析并解釋本研究的數據；張天悅獲取、分析并解釋本研究的數據，對稿件重要內容進行了修改；李睿獲得了國家自然科學基金項目資助，王菲瑤獲得了川北醫學院校級科研發展計劃項目資助；全體作者都同意發表最后的修改稿，同意對本研究的所有方面負責，確保本研究的準確性和誠信。