Cyril Tous, et al. Ex vivo cardiovascular magnetic resonance diffusion weighted imaging in congenital heart disease, an insight into the microstructures of tetralogy of Fallot, biventricular and univentricular systemic right ventricle. Journal of Cardiovascular Magnetic Resonance 2020
目的：常见的先天性心脏病类型会表现出不同的结构和功能变化，同时有可能伴有心肌微观结构的改变。我们的目的是比较病理标本中磁共振扩散张量成像的心肌结构。
材料与方法：使用福尔马林固定病理标本（n=24）40.8±7.9年，包括法洛四联症（TOF，n=10），右襻大动脉转位（D-TGA，n=8），其中5例合并室间隔缺损（VSD），体循环功能性右心室（n=4），完全内脏异位（n=1），和左襻大动脉转位（n=1）。标本成像使用自定义自旋回波序列成像方法，并根据组织体积分数自动进行分割。每个标本的T1，T2，各向异性分数，平均弥散率，螺旋角（HA）和片角（E2A）均被量化。根据心肌各节段(前壁、后壁、隔壁和侧壁)比较螺旋角梯度、螺旋角不对称性和片角平均值的病理变化。
结果：与不伴室间隔缺损的D-TGA相比较，TOF和D-TGA合并室间隔缺损的螺旋角梯度下降了0.34%，并且在间隔壁仍然是对称的。螺旋角范围减少了45°。这个变化与右心室壁螺旋角梯度下降有关，即主要的环形肌细胞。TOF隔壁的片角与左室游离壁的片角相反。单室体循环功能性右心室的螺旋角梯度最低（-0.43°/%），螺旋角不对称性最高（75%）。完全内脏异位的螺旋角是线性、不对称的，并且在心室中部约70％深度处出现征象变化反向。在伴有室间隔缺损的L-TGA中，螺旋角是不对称的(90%)，其在中隔、前壁和侧壁的螺旋角梯度也有降低。
结论：扩散加权成像的肌细胞组织在TOF、D-TGA、L-TGA、体循环功能性右心室和完全内脏异位之间存在差异。这些心脏结构上的差异可能会进一步启发我们对于不同先天性心脏病心功能的理解。
DTI，扩散张量成像
DTI是一种磁共振成像技术，采用强、多方位梯度对白质及肌肉纤维束成像。它能够测量组织中水的受限扩散，以产生神经束图像。扩散的定义是指细胞外间隙内分子的随机热运动，这种运动会受到各种限制，如韧带、膜和大分子等。有时扩散的这种限制是有方向性的，依赖于组织结构且扩散在病理状态下也会受到限制。分子每秒钟通过一定组织的净位移称为表观扩散系数。
本文中DIT功能的原理在于：DTI可以提供组织中微观结构的定量信息。在心肌中，肌细胞被胶原蛋白包裹成薄片，以促进壁的增厚。DTI利用水在心肌中的各向异性扩散，其信号衰减程度与与沿扩散编码梯度的扩散方向相关。确定与扩散相关的信号在若干个不同的扩散编码梯度方向上的衰减可以构造一个扩散张量。扩散张量的特征值表征了平均扩散率和各向异性分数，其第一特征向量与肌细胞的主方向一致，第二特征向量与薄片方向一致。心肌细胞相对于心脏短轴平面的角度称为螺旋角(HA)；相对于径向方向的薄片角度则定义为片角（H2A）。
HA，螺旋角
扩散张量的第一特征向量在圆周纵向平面上的投影与圆周向量之间的角度。
H2A，片角
扩散张量的第二个特征向量在径向-纵向平面上的投影与径向向量之间的夹角。
Radial vector，径向向量
定义为左心室(LV)和右心室(RV)中心外膜与心内膜之间最小距离的方向。
HA gradient and asymmetry，螺旋角梯度和不对称性
在没有室间隔的情况下，三个短轴切片只能在室间隔下方或心室底部获取，HA值为每个深度百分比的平均值。用所有点为每一组和每一段拟合平均HA值，以计算每个深度[°/%]的HA线性梯度。心内膜HA主要为阳性(右旋)，心外膜角度为阴性(左旋)，产生一个负性梯度。不对称性可以从拟合线和x轴的交点计算得出，即HA为零的深度。因此，对于以左旋为主的肌细胞(主要心外膜纤维)，HA为零的深度将小于50%，而对于以右旋为主的肌细胞(主要心内膜纤维)，HA为零的深度将大于50%。
图1，螺旋角(红，HA)和片角(黄，E2A)分别由扩散张量特征向量在圆周平面和径向平面上的投影计算得出。
图2，一例左襻大动脉转位的标本。A：b= 0 s/mm2时的自旋回波扩散加权图像；B：心肌节段(前壁、中隔、后壁、侧壁和右心室游离壁)；C：螺旋角；D：片角。
图3，A：拟合线显示了在伴有和不伴室间隔缺损（VSD）的双心右襻大动脉转位（D-TGA）中，计算所得20％至80％深度之间的螺旋角（HA）梯度；B：不伴VSD的D-TGA箱线图（n = 3）；C：伴有VSD（n = 5）的D-TGA箱线图。中位线对应平均值HA，外部虚线是平均值HA的95％置信区间。a（b，n = 3）和（c，n = 5）。箱线图代表每个深度百分比的所有HA值，HA中位数为红线，第一个四分位数是方框，虚线是晶须。最大晶须长度为四分位间距。使用“+”显示晶须以外的HA值。
表1，24例标本的详细信息
图4，法洛四联症(TOF)的螺旋角梯度，右襻大动脉转位(D-TGA)伴室间隔缺损(VSD)。HA梯度之间的显着差异（p <0.01）以绿色高亮显示。
图5，法洛四联症(TOF，n = 10)中的片角(E2A)，伴有或不伴有VSD的右襻大动脉转位（D-TGA）。显著差异(p < 0.01)以绿色高亮显示。
常见的先心病亚型如TOF和TGA均与心衰和不良事件发生率增加相关，这可能与心肌结构的改变有关。病理标本是研究先心病病变特征的宝贵资源。在病理标本中，我们发现不同先心病病变的心脏微观结构存在显著差异。特别是无论在TOF还是D-TGA中，我们发现当VSD存在时HA梯度显著降低。
VSD的TOF和D-TGA
Sanchez-Quintana 在对TOF-VSD的肉眼观察中发现，RV和LV隔部的外角更具纵向性，多个纵向直到它们沿圆周方向弯曲以锚固在VSD上的侧面上为止。我们的结果中测得的HA降低与此定性描述一致。
在健康心脏中，由于室壁上的纵向肌细胞占优势，因此隔膜的HA呈S形(HA梯度高)。从生物力学模型来看，HA梯度的增加与更多的纵向纤维相关联，这有助于纵向缩短，在所有测量指标(每搏输出量、射血分数、基底部和尖部增厚、缩短率、扭转度)中，相较于线性HA构型S形HA均占优势。在病理性人类胎儿心脏标本中也观察到了隔垫中的纵向层缺乏连接。
右心室TOF和D-TGA
室间隔缺损的存在还与存在室间隔缺损的TOF和D-TGA的右室游离壁HA梯度降低有关。在不伴VSD的D-TGA标本中，未观察到HA梯度下降。右心室中室周肌细胞的异常优势可促进心尖和基底部扩张，其作用类似于气球上的束带。
在健康心脏中，右心室壁的心外膜心肌细胞在心外膜包裹左室游离壁，通过交叉作用插入心内膜。这种交叉导致了在左室前部和侧部观察到不对称性变化。相比之下，右心室的心内膜肌细胞合并到隔膜中，与左心室心内膜肌细胞形成方向相反的肌细胞。因此，右心室心肌结构的改变，如伴VSD的TOF和d-TGA，可能是导致间隔、前壁和侧壁心外膜结构改变的原因。
TOF和D-TGA中的片角
E2A独立于HA组织。在TOF的隔膜中，E2A与其余左室壁明显不同(P＜0.001)。隔膜向左室隆起，这可以片角的变化。我们观察到隔部薄片与前壁和后壁中的相邻薄片相反。TOF和D-TGA之间E2A的相反征象可能是由于TOF和D-TGA之间心室压力的差异引起的，而不伴VSD是可能是由于室间隔膨出的E2A所导致的差异。心肌节段之间的E2A差异可能是由于特殊病例的解剖、血管和手术后特征引起的血液动力学变化。
体循环功能性右心室
不论先心病的病理状况如何，右心室HA不对称性均超过70%(主要心内膜方向)，且横穿心肌壁的主要外周心肌细胞（低螺旋角梯度)。主要心内膜方向以减少由斜向和纵向定位所造成的心外膜杠杆臂力为代价，促进了内腔的收缩。右心室的心室扭转因此减少，扭转度降低，可能增加心内膜应力。因此，单心体循环功能右心室比单心体循环功能左心室在结构上有劣势。单心和双心体循环功能右心室之间HA不对称性的差异表明，左心室肌细胞的缺少转变成心外膜上左心室共享壁层心肌细胞的确实，并且其向心内膜的交叉也一并缺失。在先心病手术中保留非体循环功能性心室可以维持有效心室扭转所需的反向心肌细胞。在这项研究中，单心体循环功能右心室在所有研究的先心病组中拥有最低的HA梯度，这与以前的观察结果一致。以前有一项研究曾用心脏扩散加权成像法对一名患者的双心体循环功能性右心室进行过研究。整个左室都有一个螺旋形损失，以环行肌细胞为主(HA在0-20之间)。这些初步发现也与我们的测量一致。
电生理
在这些先心病标本中观察到的心肌微观结构变化可能影响其电生理学。电活化沿肌细胞的长度方向遇到的电阻率较小。心外膜纤维方向、传导速度、心肌电阻率与去极化波周围和由去极化波产生的势场之间有很强的相互依赖性。因此，螺旋纤维角度的任何变化都会影响其负责心脏功能的电传导特性。螺旋纤维可以使电波传播的扩散偏差达到最小化。因此，我们在TOF测量的心肌微观结构变化可能是导致心律失常的原因，这也解释了平常观察到的不均匀和延迟极化现象，已知此现象与这些患者的恶性室性心律失常和猝死有关。
完全内脏异位和左襻大动脉转位
在这种情况下，反向的HA与以前的发现和过渡区域有限元建模模拟一致。我们的样本显示了之前在模拟模型中提出的HA过渡区域的存在，这也解释了在心室底部的反向HA (正HA梯度)和在心尖部的正常HA(负HA梯度)。过渡模式会影响到收缩扭转的征象和振幅——从正扭转到负扭转。这些过渡的纵向位置会影响到收缩功能，这可能解释了完全内脏异位中扭转和圆周径向剪切梯度的个体间差异。事实上，这些HA过渡模式的跨壁位置即HA不对称性，可以直接在基底部分的螺旋排列中观察到，并且这在完全内脏异位患者中有所差异，因此直接影响心尖部分的扭转模式。虽然左襻大动脉转位具有反向的心室和瓣膜，但肌细胞的方向并不反向。正如之前在其他VSD标本中观察到的，隔膜中的薄片与左心室游离壁明显不同。左心室的HA不对称可能是影响右心室输出的其中一个因素，因为它决定了心外膜心肌细胞通过壁的比例。心外膜肌细胞圆周向多于纵向，这可能会影响由此引起的右心室缩短。对完全内脏异位和左襻大动脉转位中单个病例标本的分析限制了该CHD组关于肌细胞方向的结论。这种差异可能是由于个人而不是群体的特别缺陷所造成的，或者是由于单个数据点测量的噪声所致。
译者：谢稳
编辑：黄琰
本篇文章来源于微信公众号: CardiothoracicSurgery
