多模态心血管影像技术对于糖尿病心肌病诊断效能的研究

李 永，殷晓霞，崔书君，杨 飞 ，胡利梅

(1.河北北方学院附属第一医院医学影像部，河北 张家口 075000；2.河北北方学院附属第一医院内科， 河北 张家口 075000)

糖尿病心肌病(diabetic cardiomyopathy, DCM)作为糖尿病的一种严重并发症，主要表现为心肌及微血管的代谢和结构的改变导致心功能出现损伤，严重者会出现心力衰竭甚至死亡[1-3]。DCM患者早期一般虽无明显的临床表现，但其心功能已出现明显的异常[4-5]。同时，DCM作为一种可逆性疾病，早期的诊断及治疗对于改善患者预后至关重要[6]。针对DCM的诊断，临床上主要采用影像学检测及相关生物标志物检测[7]。当前，心肌病的影像学检测手段较多，如超声(ultrasound, US)、心脏CT成像(ardiac computed tomography,CCT)以及心脏磁共振(cardiac magnetic resonance,CMR)等[8-9]。US因其经济方便的特点，经常作为临床检测心功能的首选，但也会受到其精确性、操作人员主观性强等制约[10]。CMR较US具有更高的精准性和可重复性，被认为是评估患者心功能的金标准，平衡稳态自由进动(balanced steady state free precession，b-SSFP)序列更是被当作心脏MRI电影成像的首选。然而b-SSFP也存在扫描时间久和价格昂贵的问题[11]。CCT虽然可以作为一种方法来快速评估心室功能，但也存在辐射和造影剂等的缺点[12]。当前针对心血管成像检测在DCM中的研究相对较少。因此，本研究通过对比及合并超声心动图、CCT及CMR等影像学检测，观察不同的检测手段对糖尿病心肌病患者心肌功能异常的检测效能，旨在帮助临床医生明确各检查手段的优劣，从而为DCM患者的影像学诊断方案制定更优的策略。

1 资料与方法

1.1一般资料 选取我院于2017年6月—2020年6月在门诊或病房诊断为糖尿病心肌病的患者120例，同时向社会招募健康志愿者30名。其中，DCM患者男性74例，女性46例，平均年龄(53.48±7.24)岁，平均糖尿病病程(8.01±1.54)年，DCM平均病程(1.52±0.24)年，体重指数(25.47±2.68)，同时根据纽约心脏协会心功能分级对患者进行分级可以发现，Ⅰ级26例、Ⅱ级69例、Ⅲ级25例。健康志愿者男性17例，女性13例，平均年龄(52.96±6.74)岁，体重指数(25.32±2.76)。2组患者的性别、年龄以及BMI指数等基数资料比较差异无统计学意义(P>0.05)，具有可比性。

1.2纳入标准及排除标准 DCM患者纳入标准参照中华医学会糖尿病学分会制定的《糖尿病防治指南(2005)》，即①患者明确诊断为糖尿病(1999年WHO诊断标准)；②患者出现胸闷、气短、心悸等心功能不全表现；③心电图出现特征性改变；④超声心动图及X线出现特征性改变；⑤排除其他原因导致的心脏病。纳入患者还需满足年龄18～75岁及患者及家属均签署知情同意书。排除标准：①合并有冠心病、高血压等其他可能引起心肌病的基础疾病；②合并有免疫系统疾病、肿瘤、肝肾脏能不全以及其他慢性疾病者；③患者精神类疾病者。

1.3CMR检查 CMR可准确描述心室腔容积、射血分数、心室壁运动及厚度，当前被认为是心脏病检测的金标准，因此本研究以CMR检测结果为标准进行研究。心脏磁共振图像是在1.5T的商用磁共振扫描仪(Achievea，Philips Healthcare，Best，荷兰)，通过使用32通道相位阵列心脏线圈进行MR信号接收而获得的，该扫描仪具有向量心电门控(vectorcardiogram，VCG)。使用2D b-SSFP序列试图评估室壁异常运动和心肌肥大，心室长轴切面重复时间(repetition time，TR)39.75ms，回波时间(epetition time, TR)1.12 ms，激发角(angle of excitation,FA)70 °，视野(field of view, FOV)300 mm×400 mm，像素间距(pixelspacing)1.8×1.8，矩阵(matrix)156×192，层厚(slice thickness, SL)6 mm, 带宽(bandwidth, BW)930 Hz/pixel；短轴切面TR 58.96 ms，TE 1.13 ms，FA 70 °，像素间距2.4×1.8，矩阵113×192，SL 5mm，BW930 Hz/pixel[13]。造影剂采用顺磁性对比剂Gd-DTPA,剂量为0.2 mL/kg,注射速率为2 mL/s。所有糖尿病心肌病患者和健康志愿者均接受检查。

1.4心脏计算机断层扫描(cardiac computed tomography,CCT)检查 CCT图像是使用16层多探测器扫描仪(Toshiba, Otawara,Japan)获得的。图像采集是由主动脉根部造影剂的出现触发的。成像参数包括250 ms机架旋转时间，每次旋转5 mm，管电压120 kV，电流300 mA。扫描数据在0.5 mm层厚和0.5 mm层间分辨率下重建，使用回顾性ECG门控，从收缩早期(RR间期的0%)到舒张晚期(RR间期的90%)，步长为10%。扫描触发阈值为130 HU。为了增强显影，以5 mL/s(2 g iodine/s)流速静脉内注射110 mL造影剂(Iomeprol，Iomeron 400，Bracco，意大利米兰)，然后以相同流速静脉注射40 mL生理盐水。CT图像存储为DICOM格式，随后通过ITK ImageFile Reader和VTK Image Viever2对图像进行重建。

1.5图像处理 选择两位经验丰富的主治医师以上级别的影像科医生对所有影像学图片进行审阅。医生对患者的基本信息并不清楚。使用专用软件(Leonardo VD30B，Siemens Medical Solutions)进行离线定量分析。在短轴上追踪心内膜和心外膜边界，测量左心室(left ventricular, LV)和右心室(right ventricular, RV)壁的质量和体积。在左心室底部，主动脉包含在主动脉瓣下的左心室容积中。在舒张末期和收缩末期，当至少50%的血容量被心肌包围时，主动脉瓣以上的血容量以及二尖瓣平面上被心肌包围的容积(左心房血容量)被排除在左心室容积之外，选择基底层作为左心室。通过对cine loops的观察，将收缩期定义为心室腔最小的框架。为了提高效率和重现性，将乳头肌和小梁包括在心室容积中(不包括在壁质量中)。心外膜脂肪和心包被排除在心脏和左心室肿块之外。左心室和右心室舒张末期容积(end diastolic volume,EDV)和收缩末期容积(end systolic volume,ESV)根据改良的短轴视野下的Simpson规则，并用于测定每搏输出量(stroke volume,SV)、射血分数(ejection fractions,EF)。此外，所有参数均与体表面积(body surface area，BSA)相关，以便进行比较分析，以尽量减少与身高和体重相关的心脏参数的差异。

1.6超声心动图检测 所有患者及健康志愿者均接受超声心动图检测。被检测者取平卧位，使用彩色超声诊断仪(IE33, 飞利浦，荷兰)进行检测，探头频率为2.0～3.5 MHz。于左心室长轴进行M型取样用以检测患者心功能。使用Simpson规则计算心室体积，将心脏分割成多个小的切片，将小的切片容积相加即为总的容积。具体方法为取心室四个短轴切面，计算面积并测量长径后带入公式：V=(A1+A2+A3)H+A4H/2+H/6+H3[14]。其中A1/A2/A3/A4分别为二尖瓣短轴切面二尖瓣水平、腱索水平、乳头肌水平及心尖水平的面积，H代表心室长径。

1.7变异性分析 随机选取30例患者，由每名患者同一研究人员进行3次检查，判断观察者内的一致性。至少1个月后由同一个主要读取器和另一名研究人员重复图像分析，以确定每种成像方式测量的可再现性。

1.8统计学方法 应用SPSS 20.0统计软件处理数据。采用双变量线性回归分析，计量资料比较采用t检验。超声心动图、CCT与CMR的相关性采用Pearson法。P<0.05为差异有统计学意义。

2 结 果

2.1不同影像学方法对DCM患者心功能参数的比较 与CMR测量的左心室心功能参数相比较，超声心动图测量的EDV和ESV与CMR无统计学差异(P>0.05)，使用超声心动图测量的SV、EF要显著高于CMR测量结果(P<0.05)。与CMR测量的右心室心功能参数相比较，超声心动图测量的EDV和ESV与CMR差异无统计学意义(P>0.05)，使用超声心动图测量的SV及EF要显著高于CMR测量结果，差异有统计学意义(P<0.05)。见表1，2。

表1 DCM患者左心室心功能参数比较Table 1 Comparison of left ventricular function parameters in patients with DCM

表2 DCM患者右心室心功能参数比较Table 2 Comparison of right ventricular function parameters in patients with DCM

2.2不同影像学方法对DCM患者检测结果的一致性分析 使用Pearson相关分析对CMR和超声心动图测量左心室心功能参数相关性进行分析，可以发现两种DCM患者左心室EDV(r=0.811,P<0.001)、ESV(r=0.896,P<0.001)、SV(r=0.874,P<0.001)以及EF(r=0.836,P<0.001)呈高度正相关。将CMR及CCT检测结果进行比较发现，两者测量的DCM患者的心功能参数呈高度正相关, DV(r=0.849,P<0.001)、ESV(r=0.825,P<0.001)、SV(r=0.820,P<0.001)以及EF(r=0.877,P<0.001)。使用Pearson相关分析对CMR和超声心动图测量右心室心功能参数相关性进行分析，显示两种DCM患者右心室DV(r=0.876,P<0.001)、ESV(r=0.868,P<0.001)、SV(r=0.845,P<0.001)以及EF(r=0.861,P<0.001)相关。将CMR及CCT检测结果进行比较发现，两者测量的DCM患者的心功能参数呈高度正相关，DV(r=0.884,P<0.001)、ESV(r=0.850,P<0.001)、SV(r=0.808,P<0.001)以及EF(r=0.876,P<0.001)。

2.3不同亚组的DCM患者射血功能的比较 通过对比不同亚组(EF<35%、35%≤EF≤50%、EF>50%,以CMR检测结果为准)DCM患者的射血功能，我们可以发现不同亚组产生的偏倚不同。当EF>50%时，超声心动图和CCT测量的左右心室的射血分数与CMR所测量的结果差异无统计学意义(P>0.05)；而当EF<35%时，超声心动图和CCT测量的左右心室的射血分数均略高于CMR所测量的结果，且差异有统计学意义(P<0.05)；当35%≤EF≤50%时，超声心动图测量的左右心室的射血分数均略高于CMR所测量的结果，且结果有统计学意义(P<0.05)，而CCT和CMR所测量的结果差异无统计学意义(P>0.05)。

表3 不同亚组的LV射血分数比较Table 3 Comparison of ejection fraction in different subgroups

表4 不同亚组的RV射血分数比较Table 4 omparison of ejection fraction in different subgroups

3 讨 论

心室功能障碍的发生发展是导致糖尿病心肌病发病率和病死率增加的主要原因，因此准确测量心室容积和心室功能对DCM的诊断和治疗起着关键作用[15-16]。DCM可分为早期、中期和晚期三个阶段，在DCM患者发病早期患者一般不易发现，但此时患者已出现心功能改变，尤其是舒张功能改变。但当前很少有专门针对DCM患者的心脏结构及功能的影像学研究。超声心动图、CCT以及CMR是当前诊断心功能障碍患者常用的检测手段，但是这些手段对于DCM患者的检测能力以及检测结果可靠性研究较少。尽管近年来针对心脏功能评价的影像学技术不断在发展，但不同的检测手段依旧存在各自的优缺点[17]。如何通过多模态心血管影像技术来评估患者的心功能也一直是心脏专业放射医师研究的热点。

由于心室形状复杂，加上突出的心内膜小梁使得单切面的心室内内膜边界识别具有一定的挑战性[18]。当前心脏成像及功能测定使用最多的方法是超声心动图，然而这种方法常导致心室容积测量结果存在偏差，这是因为该检查手段计算过程中使用的是简化的几何模型，同时难以获得围绕共同轴旋转的心室的正交长轴视图。虽然超声心动图在检测患者心功能的过程中具有明显优势，如便宜、便利，方便患者多次进行检查。但针对早期DCM患者，如果不能精确测量患者心室容积和心功能，很容易出现误诊、漏诊现象，从而影响医护人员对患者的尽早治疗。目前，MR被认为是左心室和右心室容积评估的参考标准，与超声心动图相比具有更好的准确性和重复性。本研究发现，超声心动图检测的DCM患者的心室容积普遍较CMR小，虽然在左心室无明显差异，但右心室的ESV要显著小于CMR的检测结果(P<0.05)。这可能是因为右心室结构本身较左心室更为复杂，精准测量的难度更大。在心功能检测方面，我们发现超声心动图检测的EF要普遍高于CMR的检测结果(P<0.05)。这一结果与王琪等[19]人研究结果存在一定差异。随后对患者的心功能进行分组，当EF>50%时，超声心动图的检测结果与CMR的检测结果无明显差异，而EF<50%时，超声心动图的检测结果要显著高于CMR的检测结果(P<0.05)。该研究结果表明，在DCM患者心功能较差时，使用超声心动图检查患者心功能更容易导致患者的误诊，因此当EF<50%时，不仅要对患者进行超声心动图检测，还需要进一步使用CMR检测深入了解患者心功能。造成这一差异性结果的原因可能是与CMR相比，超声心动图或CCT的分辨率较低，这有可能导致心脏射血分数被高估。

CT和MR在计算左心室和右心室容积方面有很好的一致性，并且CT与超声心动图相比具有优越性[20]。在本研究中，CCT和CMR在检测DCM患者心室容积和心功能中展现了很好的一致性，分析参数之间仅存在轻微差异，对临床诊断影响很小。当EF<35%时，CCT的检测结果也与CMR表现出一定的差异性，因此我们认为当患者心功能较差时一定要进行CMR检测。

随着当前检测手段的多样化以及技术的改进，超声心动图、CCT以及CMR对于心室容积及心功能检测的稳定性较好，本研究所有检测手段的变异性均在15%以内。而三种检测手段相比，超声心动图的变异性相对其它两者较大，无论在观察者内还是观察者间，其变异程度均在10%～15%之间。因此我们认为CCT以及CMR的检测结果更为稳定，更适合对特殊患者的长期跟踪随访。