莊白燕，崔辰，何健，王學(xué)民，王欣，段雪晶，王紅月，趙世華，陸敏杰

高血壓性心臟病會(huì)引起一系列左心室(Left ventricle，LV)異常改變，包括左心室形態(tài)改變、左心室肥厚、收縮和舒張功能障礙。研究證明高血壓是發(fā)生重大心臟不良事件的主要危險(xiǎn)因素[1]，及早診斷和控制原發(fā)性高血壓患者的血壓及左心室功能改變，可以從根本上減少心血管事件的發(fā)生率和病死率。高血壓性心臟病的干預(yù)應(yīng)以早期功能監(jiān)測(cè)和治療為重點(diǎn)，常規(guī)影像學(xué)檢查很難評(píng)估高血壓心臟病早期的心臟結(jié)構(gòu)及功能改變，但是射血分?jǐn)?shù)等心功能參數(shù)的異常多發(fā)生在心肌疾病的晚期，因此左心室功能早期監(jiān)測(cè)一直未能實(shí)現(xiàn)[2]。近年來(lái)，心臟磁共振特征追蹤(cardiac magnetic resonance feature tracking，CMR-FT)技術(shù)被認(rèn)為是目前測(cè)量應(yīng)變的有效手段，CMR-FT主要針對(duì)心臟內(nèi)、外膜邊界，檢測(cè)腔-組織界面的內(nèi)、外運(yùn)動(dòng)，可量化不同層次心肌運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)[3]，是心臟功能的敏感指標(biāo)。另外，T1-mapping 技術(shù)可以直接定量測(cè)定心肌組織的T1值從而定量評(píng)估心肌損傷的程度和范圍，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)多種心肌病變的心肌組織特征[4-6]。細(xì)胞外間質(zhì)容積分?jǐn)?shù)(extracellular volume，ECV)基于平掃T1值、增強(qiáng)后T1值，同時(shí)引入了血細(xì)胞比容的值進(jìn)行校對(duì)，因而可有效避免干擾因素，更加穩(wěn)定、精準(zhǔn)地反映心肌間質(zhì)改變的嚴(yán)重程度及范圍。本課題組前期進(jìn)行的臨床研究發(fā)現(xiàn)T1及ECV較釓對(duì)比劑延遲強(qiáng)化(late gadolinium enhancement，LGE)更敏感地發(fā)現(xiàn)高血壓心肌纖維化[7]，但因臨床研究缺乏病理證據(jù)，也未進(jìn)行心肌應(yīng)力的功能學(xué)研究。本研究擬以病理為金標(biāo)準(zhǔn)，聯(lián)合應(yīng)用CMR-FT及T1-mapping評(píng)估高血壓早期心臟結(jié)構(gòu)、功能及心肌組織特征改變。

材料與方法

1.實(shí)驗(yàn)動(dòng)物

本研究前瞻性納入了19頭健康中國(guó)雄性小型豬(高血壓組13頭，對(duì)照組6頭)，6～12個(gè)月，體重20～25 kg。對(duì)于高血壓組，通過(guò)結(jié)扎左腎動(dòng)脈建立高血壓動(dòng)物模型[8]。進(jìn)行基線MRI掃描后，在麻醉后做垂直腹部切口，分離腎動(dòng)脈和腎靜脈，游離長(zhǎng)度0.5～1.0 cm。將直徑為0.25 mm的針頭置于動(dòng)脈上方，將縫合線牢固地綁在針頭和血管周圍，然后取出針頭。對(duì)照組(假手術(shù)組)除未結(jié)扎左腎動(dòng)脈外，其余操作均與實(shí)驗(yàn)組相同。所有動(dòng)物術(shù)后均接受抗細(xì)菌治療以預(yù)防感染(頭孢唑啉1.0 g，肌肉注射，每天兩次，連續(xù)3天)，術(shù)后鎮(zhèn)痛使用丁丙諾啡(0.3 mg，每天兩次，連續(xù)3天)[9]。

2.CMR掃描方法

對(duì)實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組中的所有動(dòng)物都在基線，手術(shù)后6個(gè)月進(jìn)行了CMR檢查，所有CMR檢查均在Philips 3.0T MR上進(jìn)行(Ingenia，Philips Healthcare，Best，Netherland)。心臟短軸電影序列：采用穩(wěn)態(tài)自由進(jìn)動(dòng)梯度回波(steady state free precession，SSFP)技術(shù)，從心底到心尖以進(jìn)行無(wú)間距連續(xù)掃描，結(jié)合心電及呼吸屏氣采集短軸電影序列(視野321 mm×321 mm，矩陣180×200，層厚8 mm，TR 3.10 ms，TE 1.56 ms，翻轉(zhuǎn)角45°，時(shí)間分辨率43 ms，并行采集系數(shù)2)。LGE：對(duì)比劑注射后10 min，采用心電門控屏氣相位敏感反轉(zhuǎn)恢復(fù)PSIR序列，在與心臟電影圖像相同的橫截面位置掃描(視野350 mm×321 mm，矩陣192×132，層面厚度8 mm，TR 6.1 ms，TE 3.0 ms，翻轉(zhuǎn)角25°，并行采集系數(shù)2)。T1-mapping：使用改良的Look-Locker反轉(zhuǎn)序列(MOLLI)，在給予對(duì)比劑之前和經(jīng)耳緣靜脈高壓注射器給予對(duì)比劑(0.15 mmol/kg)15～20 min之后，在四腔，兩腔和三個(gè)左心室短軸(基底、中間和心尖平面)層面掃描。心尖短軸定義為緊鄰心尖帽的一層，心室中間短軸定義為位于乳頭肌中部的一層，基底短軸定義為在電影成像中顯示心室腔內(nèi)血池的最后一層。成像參數(shù)：視野300 mm×300 mm，矩陣152×150，層厚5 mm，TR 2.30 ms，TE 1.03 ms，翻轉(zhuǎn)角20°，并行采集系數(shù)2。

3.CMR圖像分析

心功能：采用圖像后處理軟件CVI 42(Circle Cardiovascular Imaging Inc，Calgary，Canada)進(jìn)行左心室心功能檢測(cè)。心內(nèi)膜和心外膜的輪廓通過(guò)半自動(dòng)檢測(cè)獲得并進(jìn)行手動(dòng)校正。心室腔包括乳頭肌和心肌小梁在內(nèi)。舒張末期和收縮末期分別定義為心動(dòng)周期中心室最大和最小的時(shí)期[10]。心功能參數(shù)包括左心室射血分?jǐn)?shù)(left ventricular ejection fraction，LVEF)、左心室舒張末期直徑(left ventricular end-diastolic dimension，LVEDD)、左心室舒張末期容積(left ventricular end-diastolic volume，LVEDV)、左心室收縮末期容積(left ventricular end-systolic volume，LVESV)、左心室每搏量(left ventricular stroke volume，LVSV)、左心室心輸出量(left ventricular cardiac output，LVCO)和左心室舒張末期質(zhì)量(left ventricular mass at end-diastole，LV mass at ED)。并將上述心功能參數(shù)根據(jù)體表面積(body surface area，BSA)標(biāo)準(zhǔn)化，得到相應(yīng)的指數(shù)參數(shù)。

應(yīng)力和應(yīng)變率：采用QStrain軟件(QStrain 2.0，Medis BV，Leiden，Netherland)在SSFP電影圖像中分析應(yīng)力和應(yīng)變率，在指定模塊中打開(kāi)短軸及長(zhǎng)軸電影序列，勾勒左心室內(nèi)、外膜，手動(dòng)調(diào)整心內(nèi)膜與心外膜邊界處的曲線，使其與室壁厚度保持一致，然后運(yùn)行程序，自動(dòng)計(jì)算左心室應(yīng)力及應(yīng)變力。參數(shù)包括徑向應(yīng)力(radial strain，RS)，徑向收縮期應(yīng)變率和舒張?jiān)缙趹?yīng)變率(radial systolic strain rate and early diastolic strain rate，RSRS，RSRE)，周向應(yīng)力(circumferential strain，CS)，周向收縮期應(yīng)變率和舒張?jiān)缙趹?yīng)變率(circumferential systolic strain rate and early diastolic strain rate，CSRS，CSRE)(圖1)，縱向應(yīng)力(longitudinal strain，LS)，縱向收縮期應(yīng)變率和舒張?jiān)缙趹?yīng)變率(longitudinal systolic strain rate and early diastolic strain rate，LSRS，LSRE)(圖2)[11]。

圖1 左室整體徑向、周向應(yīng)力及應(yīng)變率測(cè)量。a)心臟內(nèi)外膜描記方法示意圖，其中橙色圓圈為內(nèi)膜，綠色圓圈為外膜；b)電影圖像上測(cè)量徑向及周向應(yīng)力及其變化的曲線圖，其中徑向應(yīng)力為(藍(lán)線)，周向應(yīng)力為(紅線)；c)電影圖像上徑向收縮期應(yīng)變率及舒張?jiān)缙趹?yīng)變率及其變化的曲線圖；d)電影圖像上周向收縮期應(yīng)變率及舒張?jiān)缙趹?yīng)變率及其變化的曲線圖。 圖2 左室整體縱向應(yīng)力及應(yīng)變率測(cè)量。a)心臟長(zhǎng)軸內(nèi)外膜描記方法示意圖，其中橙線為心內(nèi)膜，綠線為心外膜；b)電影圖像上測(cè)量縱向應(yīng)力及其變化的曲線圖；c)電影圖像上縱向收縮期應(yīng)變率及舒張?jiān)缙趹?yīng)變率及其變化的曲線圖。

LGE：采用盲法，使用CVI42軟件進(jìn)行分析，使用全寬/半最大值方法對(duì)LGE進(jìn)行半自動(dòng)定量分析[12]。測(cè)量過(guò)程中手動(dòng)校正排除血池或心包的部分容積偽影。

ECV：在CVI 42軟件上進(jìn)行分析，心內(nèi)膜和心外膜的輪廓通過(guò)半自動(dòng)檢測(cè)后手動(dòng)校正。根據(jù)美國(guó)心臟協(xié)會(huì)推薦的心肌17節(jié)段法，本研究測(cè)量并計(jì)算了心肌各節(jié)段的ECV值(因?yàn)闊o(wú)法獲得心尖值，因此刪除了心肌的第17段)。ECV的計(jì)算基于增強(qiáng)前和增強(qiáng)后T1-mapping的數(shù)據(jù)，使用以下公式：ECV(%)=(1-Hct)·(ΔR1 myo/ΔR1blood)·100%，其中ΔR1myo =(1/T1myo增強(qiáng)后-1/T1myo增強(qiáng)前)，ΔR1blood=(1/T1blood增強(qiáng)后-1/T1blood增強(qiáng)前)分別是心肌和血池增強(qiáng)前后的差值，HCT為血細(xì)胞比容[13]。

4.病理

在最后一次MR掃描后處死動(dòng)物，在麻醉下靜脈注射20 mL 15%(v/w)氯化鉀，直至動(dòng)物心臟停跳。將取出的心臟浸入95%乙醇中20 min固定，預(yù)冷至-80℃，然后由經(jīng)驗(yàn)豐富的病理醫(yī)生從下至上將心臟切成6 mm厚的短軸切片。然后將切片浸入37℃水浴的1%的三苯基氯化四唑(TTC)溶液中10 min。根據(jù)標(biāo)志點(diǎn)(如乳頭肌和右心室插入點(diǎn)等)將TTC圖像與CMR圖像進(jìn)行匹配。這個(gè)過(guò)程由放射科醫(yī)生和病理科專家共同完成。然后由病理科專家進(jìn)行HE、Masson和天狼星紅染色。使用半自動(dòng)圖像分析軟件(ImageJ _v1.8.0)，以膠原纖維面積占心肌總面積的百分比來(lái)確定膠原纖維體積分?jǐn)?shù)(collagen volume fraction，CVF)。

5.統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用 SPSS 22.0軟件進(jìn)行分析，連續(xù)變量表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。使用Kolmogorov-Smirnov's檢驗(yàn)連續(xù)變量是否是正態(tài)分布。采用配對(duì)t檢驗(yàn)或Wilcoxon秩和檢驗(yàn)(取決于數(shù)據(jù)是否正態(tài)分布)比較組與組之間的差別。以P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。使用Pearson相關(guān)和線性回歸模型分析應(yīng)變與ECV之間的關(guān)系。

結(jié) 果

在19只動(dòng)物中，高血壓組的一只動(dòng)物在術(shù)后6天死于感染(死亡率5.0%)。因此最終共18只豬納入分析(高血壓組12只，對(duì)照組6只)，對(duì)所有動(dòng)物成功地進(jìn)行了兩次MRI檢查并獲得了病理學(xué)染色。

1.LV形態(tài)和功能改變

對(duì)照組的血壓和心功能在基線和術(shù)后6個(gè)月之間無(wú)明顯差異。高血壓組中，，手術(shù)后6個(gè)月的收縮壓和舒張壓從102/71 mmHg增加到145/86 mmHg。高血壓組造模前后的左心室舒張末期容積指數(shù)無(wú)明顯差異(61.9±4.6 mL/m2、66.6±10.4 mL/m2，P= 0.96)。平均LVEF在基線時(shí)為(72.7±1.4)%，在手術(shù)后6個(gè)月為(69.9±3.5)%(P= 0.34)。兩組的詳細(xì)血壓和心功能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 高血壓組與對(duì)照組左心室心功能及血壓情況

2.LV心肌應(yīng)變

左心室的整體RS、RSRS、RSRE、CS、CSRS、CSRE、LS、LSRS、LSRE見(jiàn)表2。高血壓組和對(duì)照組之間除RSRS、RSRE及 CSRS外，所有應(yīng)力和應(yīng)變率均差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均<0.05)。術(shù)后6個(gè)月，高血壓組的RS(從46.05～30.40)、LS(從-18.06～-12.51)、CSRE(從1.52～0.92)、LSRE(從1.35～1.01)顯著降低(P<0.05，表2，圖3)，而對(duì)照組沒(méi)有顯著變化。在應(yīng)變與ECV的相關(guān)性分析中發(fā)現(xiàn)，心肌ECV與RS呈負(fù)相關(guān)(r=-0.74，P=0.01)，與LSRE呈負(fù)相關(guān)(r=-0.92，P<0.001)，與CSRE呈負(fù)相關(guān)(r=-0.65，P=0.02)，見(jiàn)圖4。

表2 高血壓組和對(duì)照組的詳細(xì)應(yīng)力和應(yīng)變率數(shù)值

圖4 ECV與應(yīng)力及應(yīng)變率的相關(guān)性研究，實(shí)線條表示最佳擬合線和均值的95%置信區(qū)間。a)ECV與RS的相關(guān)性；b)ECV與CSRE的相關(guān)性；c)ECV與LSRE的相關(guān)性。

圖3 高血壓組基線和造模后6個(gè)月的一個(gè)心臟周期內(nèi)的應(yīng)力和應(yīng)變率。造模后6個(gè)月的RS、RSRS、RSRE、CS、CSRS、CSRE、LS、LSRS和LSRE均減小。a)RS；b)CS；c)LS；d)RSR；e)CSR；f)LSR。

3.心肌組織特征

在手術(shù)前后的各個(gè)階段，對(duì)照組和高血壓組均未檢測(cè)到LGE。但是高血壓組與對(duì)照組之間的ECV值差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.02)。高血壓組術(shù)前、手術(shù)后6個(gè)月的總體ECV差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(21.7±1.2，29.2±4.1，P=0.03)。造模前后心臟的ECV詳細(xì)分段對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 高血壓組與對(duì)照組各節(jié)段造模前、造模后6個(gè)月的ECV值

4.病理

在手術(shù)后獲得的切片中，TTC大體染色均未觀察到明顯的心肌異常表現(xiàn)，進(jìn)一步的組織學(xué)染色(HE、Masson和天狼星紅)可以看出基線無(wú)明顯異常，術(shù)后6個(gè)月左心室出現(xiàn)了明顯心肌間質(zhì)纖維化(圖5)，左心室17個(gè)節(jié)段的CVF見(jiàn)表4。另外，CVF與RS具有很好的相關(guān)性(r=-0.61，P=0.03，圖6)。

圖5 TTC染色(第一行)、ECV圖像(第二行)、native T1圖像(第三行)、LGE(第四行)和ROI 1的HE、Masson和天狼星紅染色(第五行，×200)。ECV的色階范圍為1%～60%；native T1的色階范圍為500～2000 ms；TTC染色沒(méi)有明顯的異常表現(xiàn)；LGE圖像中沒(méi)有明顯的信號(hào)強(qiáng)度增加。a)基線，ECV沒(méi)有明顯增加(ROI1 = 20.0%)，HE，Masson和天狼星紅染色中沒(méi)有明顯的心肌纖維化；b)術(shù)后6個(gè)月，左心室native T1及ECV明顯增加。HE、Masson和天狼星紅色染色顯示術(shù)后6個(gè)月左室出現(xiàn)明顯的間質(zhì)纖維化。

圖6 CVF與RS呈負(fù)相關(guān)，實(shí)線條表示最佳擬合線和均值的95%置信區(qū)間。

表4 高血壓組17個(gè)節(jié)段造模前、造模后6個(gè)月的CVF

討 論

本研究評(píng)估了高血壓早期的不同階段的應(yīng)力和應(yīng)變率特點(diǎn)，并在病理水平觀測(cè)左心室心肌纖維化的程度。筆者發(fā)現(xiàn)RS、LS、CSRE和LSRE值是隨高血壓的進(jìn)展而減低的，CVF、ECV的值是明顯增加的，然而在高血壓早期左心室射血分?jǐn)?shù)等心功能參數(shù)和LGE沒(méi)有明顯的變化，說(shuō)明在尚未出現(xiàn)心功能明顯變化及心肌明顯損傷的高血壓早期，心肌應(yīng)變和ECV已有明顯的改變。及時(shí)監(jiān)測(cè)心肌應(yīng)變的變化對(duì)高血壓早期患者的干預(yù)和心臟結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)有重要的意義。

本課題組先前的一個(gè)臨床研究前瞻性地對(duì)連續(xù)134例高血壓患者進(jìn)行了ECV測(cè)量，以確定CMR定量的ECV是否能顯示左心室結(jié)構(gòu)異常[7]。結(jié)果表明，LGE陰性的高血壓早期患者的左心室結(jié)構(gòu)異常可被ECV定量識(shí)別。本文進(jìn)一步研究了高血壓早期心肌應(yīng)變的動(dòng)態(tài)變化，并且在病理上證實(shí)了ECV的動(dòng)態(tài)升高與心肌細(xì)胞外間質(zhì)纖維化增重的程度一致，說(shuō)明ECV可以早期、敏感監(jiān)測(cè)心肌細(xì)胞間質(zhì)內(nèi)纖維化，從而揭示高血壓早期的心肌細(xì)胞外間質(zhì)增多是除心臟細(xì)胞肥大及肌小節(jié)增加的心肌肥厚的另一個(gè)重要原因。另外本研究發(fā)現(xiàn)RS、CSRE、LSRE的減小與ECV的增加有相關(guān)性，揭示了在高血壓早期，心臟收縮功能可能因心肌纖維化的出現(xiàn)而減低，心肌應(yīng)變可以早期敏感地反映心臟功能的改變。

EF是一項(xiàng)廣泛應(yīng)用于不同心臟疾病分期的指標(biāo)，在判斷預(yù)后、風(fēng)險(xiǎn)分層和選擇治療方案等方面發(fā)揮作用，既往一致認(rèn)為EF正常的高血壓性心臟病的心功能異常體現(xiàn)在舒張功能異常[14]，然而EF是反應(yīng)心室的容積變化，并不是心肌的實(shí)際運(yùn)動(dòng)特質(zhì)，而且易受瓣膜反流、心率等因素的干擾。有新研究表明，如果使用足夠敏感的檢測(cè)方法，許多EF正常的高血壓患者的心肌收縮功能實(shí)際上存在可檢測(cè)到的異常[15]。CMR-FT通過(guò)追蹤心肌各節(jié)段的位置變化得到該節(jié)段心肌的各種應(yīng)力和應(yīng)變率，能更準(zhǔn)確地反映心肌本身的運(yùn)動(dòng)并評(píng)價(jià)心肌在三維空間運(yùn)動(dòng)特征，從而更好地評(píng)價(jià)左心室功能。

之前有研究表明，高血壓患者縱向收縮應(yīng)力的減低與膠原的更新和心肌纖維化程度的增加有關(guān)[16]，在本研究中，發(fā)現(xiàn)應(yīng)變率(代表按距離標(biāo)準(zhǔn)化后的心肌速度)也有較明顯的組間差異。這與Narayanan等[17]的研究一致，他們使用超聲斑點(diǎn)追蹤的方法對(duì)動(dòng)脈性高血壓輕度左心室肥厚的患者進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)組織多普勒成像測(cè)量的心肌收縮速度降低，而二維斑點(diǎn)應(yīng)力成像測(cè)量的應(yīng)力值仍然在正常范圍內(nèi)，說(shuō)明與左心室肥厚患者的應(yīng)力相比，應(yīng)變率是監(jiān)測(cè)心肌功能障礙的更敏感的指標(biāo)。考慮到CMR相對(duì)于超聲心動(dòng)圖的優(yōu)勢(shì)，即不受鄰近骨骼或空氣的干擾，對(duì)操作員的依賴性較小，CMR的測(cè)量可提供更為準(zhǔn)確的結(jié)果。目前心臟護(hù)理的重點(diǎn)是早期發(fā)現(xiàn)和早期開(kāi)始治療，以減少心肌功能障礙的發(fā)生[18]，應(yīng)將CMR的應(yīng)力和應(yīng)變率參數(shù)結(jié)合起來(lái)監(jiān)測(cè)心臟的收縮和舒張功能改變。

綜上所述，高血壓早期有心肌細(xì)胞外間質(zhì)纖維化的出現(xiàn)，并且隨著高血壓的進(jìn)展而加重，在常規(guī)CMR心功能檢查無(wú)明顯異常改變時(shí)，CMR-FT已經(jīng)可以檢測(cè)到左心室縱向、徑向應(yīng)力和周向、縱向舒張?jiān)缙趶较驊?yīng)變率有所減低。ECV和心肌應(yīng)變能敏感地反映繼發(fā)于高血壓的左心室結(jié)構(gòu)變化和功能性改變，為早期發(fā)現(xiàn)高血壓心臟改變提供依據(jù)，從而防止疾病進(jìn)程，改善遠(yuǎn)期生存質(zhì)量。