磁共振成像引导心电图对亚临床和显性肥厚性心肌病的电生理特征

磁共振成像引导心电图对亚临床和显性肥厚性心肌病的电生理特征

编译：泰和利康-单家旭

·背景：肥厚性心肌病(Hypertrophic Cardiomyopathy，HCM)室性心律失常，与不良的结构改变和遗传状态有关。心血管磁共振(Cardiovascular Magnetic Resonance，CMR)引导的心电图成像(Electrocardiographic Imaging，ECGI)可无创绘制心脏结构和电生理(Electrophysiological，EP)特性。

·目的：本研究的目的是确定在亚临床HCM(基因型[G]+左心室肥厚[LVH]-)中，ECGI是否检测到早期EP异常，以及在显性HCM中，EP底物是否与遗传状态(G+/G-LVH+)和结构表型(Structural Phenotype)相关。    

·研究方法：这是一项前瞻性的211名参与者的CMR-ECGI多中心研究，其中70名G+LVH-， 104名LVH+(51 G+/53 G-)和37名健康志愿者(HVs)。局部激活时间(Activation Time，AT)、校正复极时间(Repolarization Time，RT)、校正激活恢复间隔(Activation-Recovery Interval)、空间梯度(Spatial Gradients，GAT/GRTc)和信号分馏(Signal Fractionation)均来自每个参与者的1000个心外膜部位。最大壁厚(Maximal Wall Thickness)和疤痕负荷(Scar Burden)由CMR得出。建立了支持向量机(Support Vector Machine)来从HV中区分出G+LVH-，以及有中等/高危评分或非持续性室性心动过速者(nonsustained ventricular tachycardia)中的低风险HCM。

·结果：与HV相比，亚临床HCM即使在12导联心电图(Electrocardiogram，ECG)正常(P=0.009)的情况下也显示平均AT延长(P=0.008)，复极在空间上更具异质性(GRTc: P=0.005)(23%的ECGs正常)。显性HCM与亚临床HCM的校正激活-恢复时间间隔延长(P < 0.001)。平均AT与最大壁厚相关；空间传导非均质性(GAT)和信号分馏与疤痕相关(全部P < 0.05)，且G+LVH+分馏程度高于G-LVH+ (P < 0.002)。支持向量机区分亚临床HCM和HV(10倍交叉验证准确率80% [95% CI: 73%-85%])，并识别出心源性猝死风险较高的患者(准确率82% [95% CI: 78%-86%])。

·结论：在没有LVH或12导联心电图异常的情况下，HCM肌瘤基因突变携带者通过ECGI检测表达异常EP表型。在显性HCM中，不良的结构改变和阳性的遗传状态会导致异常更严重。

肥厚性心肌病(Hypertrophic Cardiomyopathy，HCM)的促心律失常基质(Proarrhythmic Substrate)与不良的心脏结构改变[肥大(Hypertrophy)、纤维化(Fibrosis)、紊乱(Disarray)、小血管疾病(Small Vessel Disease)]有关，并且伴有肌瘤(Sarcomere)基因突变(基因型[Genotype，G]+左心室肥厚[Left Ventricular Hypertrophy，LVH]+ vs G-LVH+)的患者心源性猝死(Sudden Cardiac Death，SCD)的发生率更高^1-3。12导心电图(ECG)异常发生在无肥厚的肌瘤突变患者(G+LVH-，也称为亚临床HCM)，并可预测未来的LVH。室性心律失常(Ventricular Arrhythmia)的起源和机制仍然知之甚少。    

心室激活和复极的异常可能是结构改变与SCD之间的联系^3-5。心电图成像(Electrocardiographic Imaging，ECGI)对生理状态下完整的心脏提供详细的无创电生理(Electrophysiological，EP)评估⁶，与仅通过宏观成像[即心血管磁共振(Cardiovascular Magnetic Resonance，CMR)]进行结构评估相比，对早期变化(亚临床疾病)可能更敏感。

ECGI是一种高时空分辨率的计算单极心外膜电图(Unipolar Epicardial Glectrogram，UEG)的方法，以绘制心室激活(Ventricular Activation)和复极化(Repolarization)的全景图⁷。它已被在体外和体内验证，为多种疾病提供了EP见解，并显示出指导设备和消融治疗的潜力^7-13。这项技术的最新进展包括文中开发的一种可完全洗涤和可重复使用的背心，该背心具有高复用性，并允许大规模的无创ECGI施展性能¹⁴。因此，CMR与高级心肌组织特征(Advanced Myocardial Tissue Characterization)的整合成为可能。这种方法，“CMR-ECGI”，现在允许对心肌结构、疤痕和EP特性进行全面的同步记录。

我们假设CMR引导下的ECGI可以检测到以下情况：1)亚临床HCM中细微的EP异常；2)与遗传状态(G+ vs G-LVH+)和结构改变(最大壁厚[Maximal Wall Thickness，MWT]，心肌延迟强化[Late Gadolinium Enhancement，LGE])相关的显性疾病的EP异常。

每个研究地点都获得了英国研究伦理委员会[UCL](IRAS 227168)的伦理批准，所有参与者都提供了参与研究的知情同意。为ECGI技术的大规模临床应用形成了学术合作(capturECGI Vest[专利申请号：US 18/194 235] +体表ECG +心脏-躯干几何预处理¹⁴，英国伦敦大学学院；美国圣路易斯华盛顿大学Rudy教授实验室领导的逆解；由英国格拉斯哥大学领导的数字12导联心电图分析；先进的人工智能[AI]驱动的CMR分析和序列优化(由UCL的Barts心脏中心和美国国立卫生研究院领导)。

研究人群：

成年参与者(18-76岁)从3个三级转诊中心(伦敦圣乔治大学巴茨心脏中心，英国皇家自由伦敦)的心肌病诊所招募。根据美国医学遗传学学院的标准进行基因型分类¹⁵。肥厚性心肌病的定义是根据欧洲心脏病学会(ESC)/美国心脏协会指南(不明原因LVH：在任何美国心脏协会分部使用超声心动图或CMR检查患病先证的一级亲属中MWT>13mm，或其他≥15mm的情况)^1,16。HCM是由一名遗传性心肌病专家在招募现场诊断的。根据ESC风险评分确定具有中/高SCD风险的显性HCM患者¹⁷。亚临床HCM（G+LVH-）定义为具有通过级联筛选(Cascade Screening)鉴定的致病性/可能致病性肌节基因变体但没有LVH的个体。根据相同的伦理方案招募的健康志愿者没有接受基因检测或动态心电图监测。排除标准为CMR禁忌症、针头恐惧症、无法同意、已知或临床怀疑的冠状动脉疾病、既往心肌切除术/酒精间隔心肌消融术(Alcohol Septal Ablation)、植入式心脏装置、持续性心房颤动、高心室异位负荷、高血压控制不佳（尽管有两种抗高血压药物，但控制效果不佳）和重大瓣膜疾病。没有患者服用心肌肌球蛋白抑制剂。最近（12个月内）的临床动态心电图结果和临床回声心电图确定参与者患有非持续性室性心动过速（以≥120次/分的速度出现≥3次室性心动过速）和左心室流出道梗阻（任何情况下梯度≥30毫米汞柱）。 

ECGI的获取和分析：

采用完全可重复使用、可清洗的capturECGI背心和和高性能放大器系统(g.HIamp 256套装GT-8016/ USBamp GT-0216；g.tec医疗工程有限公司)，以2400 Hz的采样频率在卧位记录256导联心电图5分钟，并进行信号平均¹⁴。5分钟体表记录使用内部的Matlab(Mathworks)软件进行质量控制(图1)。信号平均(Signal Averaging)提高了信号质量，剔除了低质量信号。将capturECGI背心替换为大小相同的“镜像背心”，使用256个相同对应位置的磁共振成像透明基准标记(magnetic resonance imaging lucent fiducial markers)进行扫描。通过使用Amira-Avizo软件(Thermo Fisher，版本2021.1)分割解剖横断面堆叠(见以下文本)获得心脏-躯干几何形状(Heart-torso geometry)的电极位置和心外膜网格。体表记录和心脏躯干几何使用先前验证的协议进行了心电图的反解(定义为根据给定的体表心电图测量重建心脏电活动)⁷。排除了由瓣膜平面(valve-plane)(非导电组织)产生的计算电极。每颗心脏共计算1000个UEG(图1)以获得激活时间(AT)(从心外膜最早激活到QRS下坡最陡点的时间)，心率校正的复极时间(RTc)(t波上坡的最陡点¹⁸)，激活-恢复间隔(ARIc)(AT和RTc的差)。心率校正使用了弗里德里克(Fridericia)公式¹⁹。测定全心肌AT和ARIc的离散度(ΔAT，ΔARIc)，分别为AT和ARIc在全心肌的最大值-最小值。计算每个心外膜位点的空间梯度(Spatial Gradient)(激活时间梯度[GAT]，校正复极时间梯度[GRTc])，将相邻位点之间的差值(15 mm以内)除以它们的距离的绝对值，并在所有相邻位点上取平均值。信号幅度(Signal Amplitude)定义为QRS波群的峰对峰(最大值到最小值)。每个参与者的所有1000个电极的参数平均，并记录最大梯度(max：GAT/GRTc)。最大/平均GRTc > 2 SDs高于平均值的亚临床HCM被定义为存在空间复极异常。信号分馏(Signal Fractionation)被定义为QRS复合体内具有≥2个负偏转的UEG的数量。

CMR采集与分析：

信号幅度定义为QRS波群的峰对峰(最大值到最小值)。所有扫描均在记录体表心电图后立即在伦敦大学学院布卢姆斯伯里中心的3-T (Prisma，Siemens Germany)进行临床表型鉴定。心脏-躯干的几何形状是通过一个患者可自由呼吸的100个连续的4毫米厚度的薄层进行半傅里叶采集单次激发快速自旋回波序列成像获得的¹⁴ [Heart-torso geometry was obtained from a free-breathing 100 thin-slice (4 mm contiguous) Half-Fourier Acquisition Single-shot Turbo spin Echo imaging (HASTE) sequence.]。传统的Cine心脏电影成像(Cine Imaging)采用回顾性门控屏气平衡稳态单次激发自由进动短轴和长轴视图。这些被分割的心脏容量(Cardiac Volume)和壁厚(Wall Thickness)使用完全自动化的人工智能算法完成，并显示出了超过人类所能达到的精度^20,21。静脉注射对比剂(Intravenous Contrast)后5分钟(Dotarem, Guerbet)获得自由呼吸运动校正LGE数据。LGE采用5-SD技术进行量化，以克为单位表示为绝对质量。获得注射对比剂前和注射对比剂后的改进Look-Locker反转恢复(Modified Look-Locker Inversion Rrecovery，MOLLI)T1映射与当日细胞外体积的红细胞压积(Extracellular Volume，ECV)，并计算室间隔细胞外容积分数(Septal ECV)²²。

数字12导联心电图：

使用Beneheart R3 (Mindray)获取静息时12导联心电图，并将记录发送到格拉斯哥大学核心实验室进行电生理间期(Electrical Intervals)(PR，QRS，QTc)、QT间期离散度、振幅和存在的心电图异常进行分析^23,24。已知与HCM^4,25疾病进展相关的ECG异常定义如下：异常Q波(≥2个连续导联并最小幅度为0.3 mV，或≥后续R波的25%，或持续时间>40 ms)；LVH标准定义为Sokolow-Lyon或Cornell标准和复极异常(2个连续导联的T波反转≥0.1 mV和/或2个连续导联的ST段压低(ST-segment depression)≥0.1 mV)；以及心电分馏定义为连续2个导联的QRS波群中的额外切迹或波峰(包括R’，r’，S切迹，R切迹或分裂现象(Fragmentation))。   

统计分析：    

使用Matlab (MathWorks, 2022年5月11日版本)和SPSS (IBM SPSS Statistics，版本28)进行统计分析。使用直方图、Shapiro-Wilk检验和QQ图检查数据的分布。正态分布连续型变量汇总为±SD均值，采用独立样本t检验进行比较；非正态分布变量表示为中位数(Q1-Q3)，并使用Mann-Whitney U检验进行比较。Bonferroni多重检验在每个变量基础上进行3次比较(P < 0.05/3)。分类变量/二项变量以绝对计数和百分比表示，并酌情使用卡方/Fisher精确检验进行比较。Spearman相关性(Spearman’s Correlations)用于检验结构变量(Structural Variables)、危险指标(Risk Markers)(非持续性室性心动过速[Non-Sustained Ventricular Tachycardia，NSVT]/左心室流出道梗阻[Left Ventricular Outflow Tract Obstruction，LVOTO])和ECG/ECGI参数之间的简单线性/单调关系。使用多元线性回归模型(Multiple Linear Regression Models)，通过将先验定义的干扰因子(Confounders)作为协变量(Covariates)，即年龄、性别、LGE体积和QRS持续时间用于AT比较，或用于ARIc比较的QTc，来探索独立的组间差异。此外，G+LVH-的差异根据是否存在异常静息12导联心电图进行了调整。方差膨胀因子(Variance Inflation Factor)<3排除共线性。进一步的细节见补充方法。为了区分亚临床HCM和健康HCM，建立了一种基于支持向量机(SVM)分类的监督式机器学习方法。该研究纳入了所有12导联心电图生物标志物，并应用于亚临床与对照数据集，随后进行了10倍交叉验证。生成混淆矩阵来总结模型的性能，并使用R包(ROCR)计算接受试者操作特征曲线(Receiver-Operator Curves)下面积(AUC)。类似的SVM和ROC方法探讨了在明显HCM患者中，那些具有高/中风险(从ESC风险评分)或那些有NSVT病史的患者是否可以与低风险患者区分开来。

(详见原文)

G-LVH+ vs G+LVH+：    

与G+LVH+比较，G-LVH+的性别和BSA(Body Surface Area)相近；更年长；具有相似的左室腔大小、功能和MWT；左室质量较大；ECV较低；并且有相似的LGE。左室形态无明显差异。G+LVH+有较强的心源性猝死家族史(Table 1)。

G-LVH+ vs G+LVH+:

与G+LVH+相比，G-LVH+具有更长的QTc间隔、更高的QRS振幅和更高的LVH患病率。其他12导联心电图间隔和心电图异常发生率相似(G-LVH+组QRS持续时间更长，但经多重比较校正后则不同)(Table 1)。

ECGI. G+LVH- vs HV：

与年龄匹配的HVs相比，G+LVH-心室传导较慢(平均AT延长)。(Table 2, Figure 2)。

在调整了年龄、性别、QRS持续时间、LGE容量和是否存在异常心电图后，差异仍然存在β=0.42 [95% CI: 0.2-0.6]; P < 0.001)。与HVs、G+LVH-比较，12导联心电图正常(n=48)也有较慢的心室传导(延长平均AT [39 ms (Q1-Q3: 35-44 ms) vs 35 ms (Q1-Q3: 31-41 ms)]; P < 0.009)。复极化持续时间(平均RTc/ARIc)和活化/复极化分散度(ΔAT/ΔRTc)无差异。G+LVH-具有更多的空间异质性复极化(Spatially Heterogenous Repolarization)(更陡峭的GRTc，发生在23%的正常心电图患者中[11 / 48])(Table 2, Figure 3)，但GAT相似。在信号幅度或分馏上没有差异。

G+LVH+ vs G+LVH-：

与G+LVH-相比，G+LVH+心室复极延长(平均ARIc和RTc升高)，在调整年龄、性别、LGE体积和QTc后，差异仍然存在(ARIc: β=0.31 [95% CI: 0.2-0.5]; P < 0.001; RTc: β=0.28 [95% CI: 0.2-0.5]; P < 0.001)。所有其他的ECGI参数均相似(Table 2, Figure 2)。补充结果包括进一步比较HVs与G+LVH+匹配的分析。

G-LVH+ vs G+LVH+:

与G-LVH+相比，G+LVH+有更多的信号分馏(P=0.002)(Table 2, Figure 4)，在调整年龄、性别、LGE体积和ECG分值后差异持续(β=0.39 [95% CI: 0.2-0.6]; P < 0.001)。所有其他全局和局部ECGI参数相似(Table 2, Figure 2)。

根据原文的结构，讨论部分主要涉及以下内容：1. 临床特征：研究结果显示，亚临床肥厚型心肌病（G+LVH-）与健康志愿者相比，在年龄、性别、种族和体表面积方面没有显著差异。然而，GDLVHL患者具有更强的猝死家族史。与G+LVH-相比，临床表现为肥厚型心肌病（G+LVH+）患者年龄更大，男性比例更高，心腔尺寸更小，心肌异常更明显，射血分数更高。与G+LVH+相比，临床表现为非肥厚型心肌病（G-LVH+）患者年龄更大，性别和体表面积相似，心腔尺寸、功能和心肌厚度相似，但左室质量更大。2. 12导联心电图（ECG）：研究结果显示，与年龄匹配的健康志愿者相比，G+LVH-患者QRS间期较短，其他电气间期、QRS振幅和QT离散度相似。G+LVH-患者的ECG异常的患病率较高。与G+LVH-相比，G+LVH+患者心率相似，QRS和QTc间期较长，QT离散度较大，Cornell振幅较大。G+LVH+患者的ECG异常包括T波倒置、ECG电压标准中的LVH、ST段压低和分数化。与G+LVH+相比，G-LVH+患者QTc间期较长，QRS振幅较高，ECG电压标准中的LVH患病率较高。其他12导联ECG间期和ECG异常的患病率相似。3. 磁共振成像引导的心电图（ECGI）：研究结果显示，与年龄匹配的健康志愿者相比，G+LVH-患者的室间传导较慢（平均AT延长）。这种差异在调整年龄、性别、QRS间期、LGE体积和异常ECG存在与否后仍然存在。与健康志愿者相比，具有正常12导联ECG的G+LVH-患者也具有较慢的室间传导。在复极化持续时间、激活/复极化离散度方面没有差异。G+LVH-患者具有更多的空间异质性。综上所述，讨论部分主要总结了不同类型的肥厚型心肌病患者在临床特征、12导联心电图和磁共振成像引导的心电图方面的差异。这些结果有助于更好地理解肥厚型心肌病的电生理特征，并为其诊断和治疗提供了新的线索。    

（其他对比分析结果讨论部分，详见原文）    

在LVH缺失或12导联心电图异常时，HCM肌节基因突变携带者表达了一种异常的电生理表型。在显性HCM中，电生理异常更为严重，并伴有不良的结构改变和阳性的遗传状态。