0 引言

       肥厚型心肌病（hypertrophic cardiomyopathy, HCM）是一种以心肌排列紊乱、心肌肥厚和纤维化为主要病理特征的遗传性心脏疾病，患病率约为1/500^{[1, 2]}。尽管大多数HCM患者无特异性症状，但该病可合并房颤、室性心律失常，仍是运动员以及青少年发生心源性猝死最常见的原因^{[3, 4]}。心肌排列紊乱作为发生猝死的HCM患者的特征性病理变化，是室性心律失常发生的重要底物^{[5, 6, 7]}。既往研究发现，心肌纤维方向以及缝隙连接分布的改变可导致局部电信号传导速度差异和传导路径异常，进一步使得心肌出现复极化异常，从而导致折返性心律失常发生^{[7, 8]}。因此，识别心肌的排列紊乱具有重要的预后价值。

       传统识别心肌排列紊乱的方法主要依赖于心内膜下心肌活检。该方法不仅有心脏穿孔、心包填塞等并发症风险^[9]，同时还易导致假阴性结果，限制了其在临床中的广泛应用。而基于心血管磁共振（cardiovascular magnetic resonance, CMR）成像的心脏弥散张量成像（cardiac diffusion tensor imaging, cDTI）技术，不依赖组织活检这一有创操作，仅通过测量心肌内水分子的弥散方向与弥散强度，即可实现对心肌微观结构的定量评估^{[10, 11]}，使得HCM患者心肌排列紊乱的在体无创评估成为可能^{[12, 13, 14]}。具体而言，cDTI可通过以下主要特征参数对心肌微观重构进行定量表征，包括：（1）平均弥散率（mean diffusivity, MD），该参数代表心肌内水分子的平均弥散幅度；（2）各向异性分数（fractional anisotropy, FA），其量化了水分子弥散的方向性，范围从0至1，可反映心肌细胞排列的规则性；（3）螺旋角（helix angle, HA），反映了心肌细胞从心内膜下至心外膜下的螺旋排列^{[13, 14, 15]}；（4）次要特征向量角（secondary eigenvector angle, E2A），反映心脏收缩及舒张过程中，由心肌细胞聚集形成的二级微观结构的动态变化^[16]。尽管cDTI已在心肌微观结构的无创表征中显现出巨大潜力，但目前研究仍停留于动物实验及早期临床探索阶段，HCM患者的cDTI相关临床和机制类研究数据仍然缺乏，对于其能否识别肥厚前早期病变，以及这些微观结构参数是否与猝死风险等关键临床结局相关的证据尚不充分^{[17, 18]}。因此，本前瞻性研究通过分析cDTI参数在HCM患者和对照组的组间差异以及与其他CMR参数诊断效能的对比，旨在验证在体cDTI技术的可行性，并深入探讨其在识别HCM患者心肌微观重构中的临床应用潜力，有望为HCM的早期识别和病理评估提供一种全新的无创影像学方法，提升HCM的诊断效能、促进个体化诊疗。

1 材料与方法

1.1 研究对象

       本研究前瞻性连续纳入了2023年3月至2023年8月于阜外医院接受CMR检查的诊断明确的HCM患者以及对照人群。HCM患者纳入标准：（1）左心室任一部位最大舒张末期室壁厚度≥15 mm，有心肌肥厚家族史或基因检测阳性个体中，最大舒张末期室壁厚度≥13 mm，同时未患其他导致心肌肥厚的原发性心脏疾病^{[19, 20]}；（2）患者年龄不小于14周岁。排除标准：（1）患者合并其他心脏疾病，包括瓣膜病、先天性心脏病、房颤；（2）长期高血压病史；（3）心脏手术史；（4）图像有严重伪影影响诊断和图像后处理。另外，纳入健康志愿者作为对照组。纳入标准：（1）无心血管相关风险因素或疾病；（2）未服用任何药物。排除标准：图像有严重伪影影响诊断和图像后处理。

       收集患者的临床资料，包括年龄、性别、身高、体质量、收缩压和舒张压等，体表面积（body surface area, BSA）由身高和体质量根据Mosteller公式计算。本研究遵守《赫尔辛基宣言》，经阜外医院伦理委员会批准（批准文号：2017-932；2023-1935），并获得所有参与者的书面知情同意。

1.2 CMR图像采集

       所有研究对象在3.0 T扫描仪（Ingenia，飞利浦公司，荷兰）上进行CMR评估，包括心脏电影、强化前的T1参数定量以及cDTI，HCM患者还包括LGE和强化后的T1参数定量成像。所有参与者在CMR前一周内完成12导联或24小时动态心电图以及超声心动图检查。电影图像采集使用平衡稳态自由进动（balanced steady-state free precession, bSSFP）脉冲序列。LGE成像在注射Gd-DTPA（剂量0.15 mmol/kg，拜耳医药公司，德国）10 min后采用相位敏感反转恢复序列（phase-sensitive inversion recovery, PSIR）扫描。在注入对比剂前后，使用MOLLI（modified looklocker imaging）序列扫描，生成基底部、中部和心尖部短轴T1参数定量图像。然后根据血细胞比容，以及心肌和血池的纵向弛豫率计算细胞外容积分数（extracellular volume, ECV），生成的T1和ECV值能够间接反映心肌的纤维化程度^[21]。使用成像采集后3天内获得的血细胞比容值，以确保精准计算ECV值。考虑到伦理问题，没有对对照组注射钆对比剂。

       cDTI图像的采集采用了心电触发的单次自旋回波平面回波成像（spin echo-echo planner imaging, SE-2013EPI）序列，采用非对称双极扩散梯度波形用于二阶运动补偿，采用膈肌导航用于减少呼吸伪影^[22]，在舒张期对左心室中部短轴成像。鉴于在舒张期采用SE-EPI序列采集cDTI数据技术难度较高^[23]，本研究基于前期研究，扫描时对多个参数进行了人工优化以提升图像质量^[22]。具体优化措施包括：采用自适应射频匀场来减轻B1磁场的不均匀性。对b值为0和400 s/mm²的cDTI图像进行多次平均，设置较低的b值，相对较低的平面内分辨率，以及合适的TE共同保障信噪比和图像质量。此外，在三个正交方向上预先进行触发延迟定位扫描，以确定舒张期成像的最佳的心电触发延迟时间^[24]。总采集时间约为5 min^[22]。cDTI关键采集参数如表1所示。

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表1  弥散张量成像图像采集参数
Tab. 1  Acquisition parameters of diffusion tensor imaging images

1.3 CMR图像分析

       所有CMR图像由两名5年以上CMR诊断及后处理经验的住院或主治医师采用cvi42（版本5.12.4，Circle Cardiovascular Imaging公司，加拿大）商业软件进行分析，且分析者对患者临床资料不知情。左心室室壁厚度（left ventricular wall thickness, LVWT）的测量方法为：在短轴电影图像上，选取不同节段于舒张末期垂直于心内膜和心外膜边界进行测量，取最大值^[25]。心输出量（cardiac output, CO）、左心室舒张末期容积（left ventricular end diastolic volume, LVEDV）、左心室收缩末期容积（left ventricular end systolic volume, LVESV）、左心室质量（left ventricular mass, LVM）及左心室射血分数（left ventricular ejection fraction, LVEF）的测量通过自动勾画并手动校正左心室收缩末期和舒张末期心脏短轴电影图像的心内膜和心外膜边界，并排除乳头肌及肌小梁结构，由软件自动计算并生成测量值。心输出指数、LVESV指数（LVESV index, LVESVi）、LVEDV指数（LVEDV index, LVEDVi）、LVM指数（LVM index, LVMi）分别为CO、LVESV、LVEDV、LVM与BSA的比值。LGE图像的定量分析通过手动勾画LGE短轴图像的心外膜和心内膜轮廓，大于正常参照心肌信号强度6个标准差的心肌区域判定为LGE区域。通过在对比剂注射前后的T1参数定量图像上手动勾画心内膜和心外膜轮廓获取相应初始及强化后T1值。ECV的计算需在对比剂注射前后的T1参数定量图像上手动勾画血池区域后完成定量分析^[26]。

       使用MATLAB（版本R2022b，Mathworks公司，美国）对cDTI图像进行分析。在cDTI图像上勾画左心室心内膜、心外膜及插入点，包含整个左室心肌，排除小梁、乳头肌，以避免血池部分容积效应^[27]。然后由软件自动计算整个心肌体素内的MD、FA、HA和E2A。最终生成的心脏电影、LGE、T1参数定量和DTI成像的示例图见图1^[23]。

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图1  心脏弥散张量成像和常规成像示例图。1A~1F：一名72岁女性肥厚型心肌病患者的左室短轴中部层面各项参数示例图，电影（1A）、初始T1（1B）、MD降低（1C）、HA（1D）、E2A升高（1E）和FA降低（1F）。1G~1L：一名18岁男性对照组志愿者的左室短轴中部层面各项参数示例图，包括电影（1G）、初始T1（1H）、MD（1I）、HA（1J）、E2A（1K）和FA（1L）。MD：平均弥散率；HA：螺旋角；E2A：次要特征向量角；FA：各向异性分数。
Fig. 1  Cardiac diffusion tensor imaging and conventional imaging examples. 1A to 1F show a 72-year-old female with hypertrophic cardiomyopathy, mid-ventricular short-axis views: cine imaging (1A), native T1 mapping (1B), decreased MD (1C), HA (1D), increased E2A (1E), decreased FA (1F). 1G to 1L show an 18-year-old healthy male volunteer, mid-ventricular short-axis views: cine imaging (1G), native T1 mapping (1H), MD (1I), HA (1J), E2A (1K), FA (1L). MD: mean diffusivity; HA: helix angle; E2A: secondary eigenvector angle; FA: fractional anisotropy.

1.4 样本量估算

       本研究为主要结局指标FA进行样本量估算。采用两独立样本均数比较的样本量计算公式。根据既往多篇文献及预实验报道，对照组和HCM患者组FA值的均数差约为0.04，两组的标准差约为0.04^{[12, 18, 28]}。设检验水准α（双侧）为0.05，检验功效（1-β）为0.8，设HCM患者和对照两组样本量的比值为2。样本量估算使用PASS（版本25.0.2，NCSS，LLC公司，美国）进行计算，考虑到20%研究对象纳入脱落率，估算所需总样本量至少为50例，其中对照组至少17例，HCM患者至少33例。

1.5 统计学分析

       使用SPSS（版本26.0，IBM公司，美国）软件进行统计学分析。采用Shapiro-Wilk检验进行正态性检验和levene进行方差齐性检验。连续变量中正态分布数据采用均值±标准差表示，采用独立样本t检验进行组间比较。非正态分布数据采用中位数（上下四分位数）表示，采用Mann-Whitney U检验进行组间比较。分类变量以例数加百分比（%）表示，组间比较采用卡方检验。相关性分析采用Pearson进行评估，相关系数用r表示（|r|>0.8表示高度相关，0.5<|r|≤0.8表示中度相关，0.3<|r|≤0.5表示低度相关，|r|≤0.3表示不存在线性相关）。采用协方差分析评估校正了LVWT和初始T1值后的cDTI参数的组间差异。采用组内相关系数（intra-class correlation coefficient, ICC）表示不同医师之间以及同一医师两次测量的一致性（ICC<0.50：一致性差；0.50≤ICC<0.75：一致性中等；0.75≤ICC<0.90：一致性好；ICC≥0.90：一致性极好）。P<0.05表示差异具有统计学意义。

       采用受试者工作特征（receiver operating characteristic, ROC）曲线分析，计算曲线下面积（area under the curve, AUC）以评估cDTI参数对HCM患者的诊断效能。为了确定模型用于分类的最佳截断值，我们计算了Youden指数（敏感度+特异度-1），并选择使约登指数最大化的截断值作为最佳截断值。同时报告此截断值下的敏感度和特异度。

1.6 亚组分析

       目前，关于心肌肥厚程度如何影响cDTI参数尚不明确，作为一项探索性研究，本研究进一步按左室最大室壁厚度中位数将HCM患者分为轻中度肥厚组（≤18 mm，n=12）与重度肥厚组（>18 mm，n=25）进行事后分析，以探究cDTI参数在不同肥厚程度的HCM患者中的诊断效能^[29]。

2 结果

2.1 基线资料和CMR资料

       本研究最终纳入37例HCM患者，男25例、女12例，年龄（46±16）岁；纳入19例对照，男10例、女9例，年龄（38±18）岁。两组BSA、收缩压、舒张压以及纽约心功能分级的差异无统计学意义（P>0.05）。受试者基线资料详见表2。

       CMR影像学参数详见表3。HCM患者的LVWT、LVMi、初始T1值与对照组人群的差异均具有统计学意义（均P<0.001）。对于DTI参数，HCM患者的MD、FA和E2A与对照组的差异均有统计学意义（均P<0.001）。其余影像学参数在两组间差异无统计学意义。

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表2  受试者基线资料
Tab. 2  Baseline characteristics of participants

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表3  肥厚型心肌病和对照组CMR参数及DTI参数
Tab. 3  CMR and DTI parameters of hypertrophic cardiomyopathy and control group

2.2 cDTI参数识别HCM患者的诊断效能

       对组间差异有统计学意义的cDTI参数和初始T1进行ROC分析的结果显示（图2A）：FA和E2A表现出对HCM患者优良的诊断效能。FA的AUC值为0.98 [95%置信区间（confidence intervals, CI）：0.94~1.00]，最佳截断值为0.39，此截断值下模型的敏感度为100.0%，特异度为94.7%。E2A的AUC值为0.88（95% CI：0.80~0.97），最佳截断值为44.2，此截断值下模型的敏感度为89.5%，特异度为81.1%。

       按肥厚程度分组的HCM患者的ROC分析结果显示（图2B~2C）：FA和E2A对重度肥厚的HCM患者诊断效能优良，AUC值分别为1.00（95% CI：0.98~1.00）和0.97（95% CI：0.92~1.00），最佳截断值分别为0.39和44.5，敏感度、特异度分别为94.7%、100.0%，66.7%、89.5%；FA和E2A对轻中度肥厚的HCM患者诊断效能同样优良，AUC值分别为0.97（95% CI：0.92~1.00）和0.83（95% CI：0.71~0.95），最佳截断值分别为和0.38和44.2，敏感度、特异度分别为94.7%、100.0%，88%、89.5%。

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图2  关于心脏弥散张量成像参数以及初始T1 值对HCM患者（2A）及不同肥厚程度HCM患者（2B~2C）的诊断效能的受试者工作特征曲线分析。FA：各向异性分数；E2A：次要特征向量角；MD：平均弥散率；AUC：曲线下面积。
Fig. 2  Receiver operating characteristics curve (ROC) analysis of cardiac diffusion tensor imaging parameters and native T1 values for diagnosing hypertrophic cardiomyopathy (HCM) (2A) and stratifying HCM patients (2B to 2C) by hypertrophy severity. FA: fractional anisotropy; E2A: secondary eigenvector angle; MD: mean diffusivity; AUC: area under the curve.

2.3 cDTI参数与室壁厚度及心肌纤维化的关系

       Pearson相关性分析结果显示，LVWT与FA呈中度负相关（r=-0.754，P<0.001）（图3A），与E2A呈中度正相关（r=0.636，P<0.001）（图3B）。初始T1与FA呈中度负相关（r=-0.504，P<0.001）（图3C），与E2A呈低度正相关（r=0.330，P=0.013）（图3D）。

       协方差分析的结果显示（表4）：在校正了LVWT和初始T1影响后，FA在HCM患者和对照组间的差异仍具有统计学意义（P<0.001）。校正后的E2A在HCM患者和对照间之间的差异不再具有统计学意义（P=0.092）。

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图3  心脏弥散张量成像参数与左室室壁厚度（3A~3B）及初始T1（3C~3D）的线性相关分析。FA：各向异性分数；E2A：次要特征向量角。
Fig. 3  Linear correlation analysis of cardiac diffusion tensor imaging parameters with left ventricular wall thickness (3A to 3B) and native T1 (3C to 3D). FA: fractional anisotropy; E2A: secondary eigenvector angle.

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表4  协方差分析校正均值
Tab. 4  ANCOVA to generate adjusted means

2.4 cDTI参数的一致性分析

       关键cDTI参数具有极好的测量者间和测量者内的一致性，结果如表5所示。MD、FA和E2A三个参数，无论是测量者间还是测量者内比较，其ICC均高于0.9。

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表5  cDTI参数的一致性分析
Tab. 5  Consistency analysis of cDTI parameters

3 讨论

       本前瞻性研究探讨了cDTI技术在评估HCM患者心肌微观重构中的潜在应用价值。研究发现：cDTI的特征参数FA在HCM患者降低，而E2A在HCM患者中升高，两者对HCM患者有优良的诊断效能。本研究首次将心肌肥厚程度与纤维化作为协变量加以控制，验证了cDTI识别HCM患者心肌微观重构的独特价值，推动了成像由宏观到微观的转变。

3.1 cDTI识别心肌微观重构的机制及其在HCM中的表现

       在体cDTI通过量化水分子弥散的方向性和幅度，以反映活体心肌的微观结构特征。本研究发现HCM患者的HA与对照组之间差异无统计学意义，和既往研究结果一致，尽管HCM患者心肌细胞在微观层面呈广泛且无序的方向分布排列，但其在心肌整体的平均方向趋于周向，整体均值接近0^{[12, 30]}。而FA在两组间存在差异，在心肌排列紊乱区域，心肌细胞方向高度异质，水分子沿多方向扩散，趋于各向同性，从而导致HCM患者的FA值大幅降低。同时，HCM患者心肌纤维化可形成致密结构，与心肌排列紊乱叠加，进一步限制水分子的整体弥散，引起MD的降低^[31]。此外，心肌细胞聚集形成的二级微观结构在心动周期中的动态重定向被认为是左心室壁增厚的主要机制之一^[13]。然而在HCM患者中，受心肌排列紊乱及纤维化的共同影响，该二级微观结构在收缩期展开后，E2A升高，在舒张期E2A仍维持在较高水平，提示了该结构无法完成正常的心肌舒张重定向过程，进而在一定程度上反映了左心室的舒张功能障碍^[32]。既往组织学研究亦表明，与对照组人群相比，HCM患者手术切除的心肌组织存在纤维结缔组织紊乱以及胶原蛋白含量升高^[33]，揭示其心肌已发生微观结构重构。这些离体组织学和病理生理学研究结果，为在体cDTI表征HCM患者心肌微观结构的应用提供了理论依据和实践基础^{[34, 35]}。

3.2 cDTI识别心肌微观重构独立于心肌肥厚与纤维化

       既往研究已表明，cDTI参数与心肌肥厚和纤维化程度之间存在一定关联^{[12, 36]}。心肌细胞肥大过程中，空间构象改变，破坏原有规则的层状结构^[18]；同时纤维化的发生进一步加剧了心肌细胞排列紊乱^[12]，导致FA进一步降低。有研究发现弥散成像也可识别HCM患者的早期心肌纤维化^[37]。因此，cDTI识别HCM患者心肌排列紊乱和微结构动力学改变的能力是否独立于其对心肌肥厚和纤维化的敏感性，尚需进一步探讨。本研究通过LVWT评估了心肌肥厚程度，虽然缺乏了LGE和ECV定量参数在HCM患者和对照组的直接比较，限制了cDTI参数与纤维化成像参数更精确地比较，但把初始T1值作为替代指标衡量心肌纤维化，通过控制初始T1值以及LVWT，来验证cDTI的独立识别心肌微观重构的能力。FA和E2A显现出较初始T1更高的识别效能，提示心肌排列紊乱出现比纤维化更早，能更敏感地反映HCM患者的组织学特征改变^[18]。而且已有多项研究证实，即使在尚未出现肥厚的心肌区域，心肌排列紊乱也已提前发生^{[13, 24, 36]}。

       此外，本研究也发现，即使在不同肥厚程度的HCM患者中，FA和E2A均表现出良好的鉴别能力。在此基础上，本研究进一步将LVWT和初始T1值作为协变量进行校正。结果显示，即使校正上述影响因素后，FA仍然能够有效区分HCM患者，而E2A则失去了诊断能力。这可能是E2A的升高与心肌细胞形成的二级微观结构在心脏收缩时的动态重定向相关，其间接导致了收缩时室壁的增厚，因此在校正了室壁厚度的影响后，E2A不再能够独立诊断HCM患者。而在室壁轻中度肥厚的HCM患者的ROC分析中，减弱室壁厚度的差异后，E2A诊断能力同样也下降。这一发现可能提示心脏弥散的改变更可能源于心肌排列紊乱，而非心肌肥厚和纤维化。该发现进一步支持在体cDTI通过识别HCM微观重构来评估心肌组织特征的独特能力。cDTI识别心肌排列紊乱的独特优势，使其在诊断HCM早期患者方面具有重要的临床应用潜力，尤其是对于尚无明显左心室肥厚或纤维化的早期患者，或是基因阳性的亚临床患者，都将成为cDTI应用的潜在对象。对于有猝死风险的年轻患者，cDTI揭示的心肌微观重构，可能蕴含超越传统风险因素的独立预后信息，将为HCM的风险评估和预防性ICD植入决策提供更敏感、更精准的影像学指标。

3.3 本研究的局限性

       首先，图像伪影和失真引起的图像质量问题仍然是cDTI面临的最主要的问题，其中包括心脏搏动和呼吸运动导致的运动伪影，EPI受脂肪、失共振和T2^*衰减影响形成的伪影，以及部分容积伪影，这些伪影和图像质量不佳影响了cDTI参数结果，从而使cDTI的测量准确性受到质疑；其次，作为在体影像学研究，本研究结果目前尚难以与对应的组织学金标准进行直接对照和验证；第三，弥散张量成像对多个扩散方向信息的采集需求，成像流程更复杂，进而导致成像时间的延长。第四，基于伦理考量，本研究未对对照组进行LGE和ECV成像，导致缺乏与HCM组的LGE和ECV定量的直接比较。第五，在本研究的设计阶段，未能将系统性的基因测序相关信息采集纳入核心方案，这限制了我们从遗传学层面进一步阐释所观察到的cDTI参数的异质性。未来研究需优化图像采集与重建算法，结合深度学习模型和cDTI的图像采集过程，推进快速和高分辨率cDTI序列的开发，增加cDTI在扫描时间和信噪比改进后的可用性，并在未来构建更大样本、长期随访且结合基因组学信息的前瞻性队列以验证cDTI反映的微观重构的预后价值以及揭示特定的基因突变如何驱动心肌微观结构的改变^{[38, 39]}。

4 结论

       cDTI作为一种不依赖对比剂的无创心肌组织特征定量评估方法，能够在体识别 HCM患者早期的心肌排列紊乱，相比传统CMR成像，cDTI评估HCM微观重构方面展现出更高的敏感性和临床潜力，有望成为无创评估心肌微观重构的独特成像手段。