利用各向异性磁共振弹性成像(aMRE)解析心肌壁剪切与拉伸刚度的纤维-层状结构异质性

本研究通过各向异性磁共振弹性成像(aMRE)结合扩散张量成像(DTI)，首次在离体猪心中实现了心肌纤维(F)和层状(S)结构的剪切模量(μax/μtra)与杨氏模量(Eax/Etra)的精准区分，发现中壁环向纤维刚度是纵向纤维的2倍。该技术为临床无创评估"僵硬心脏综合征"提供了新范式。

　　

研究背景
心脏如同一台精密的生物泵，其泵血效率高度依赖心肌壁的力学特性。传统观点认为心肌是均质材料，但事实上它由螺旋排列的肌纤维和层状胶原基质构成，具有显著力学各向异性。这种结构在心脏收缩时产生协调变形，但病理状态下（如心肌淀粉样变性、肥厚型心肌病）会导致局部刚度异常。现有临床评估主要依赖压力-容积曲线，但这种方法无法区分剪切（μ）和拉伸（E）刚度，更无法捕捉纤维特异性力学变化。

加拿大蒙特利尔大学医院研究中心团队在《Acta Biomaterialia》发表研究，首次将各向异性磁共振弹性成像(aMRE)与扩散张量成像(DTI)结合，在10例离体猪心中实现了对9种心肌变形模式（FF/SS/NN等）的刚度量化。研究采用3T MRI系统，通过纤维模型（F）和层状模型（S）分别解析轴向/横向刚度参数，并创新性地引入非线性反演算法(NLI)处理亚区有限元数据。

关键技术

1. 同步采集MRE（100Hz机械振动）和DTI数据（b=557 s/mm²）
2. 构建横向各向同性非线性反演(TI-NLI)模型
3. 定义纤维模型（μ_ax=FN/FS，μ_tra=SN/NS）和层状模型（μ_ax=SN/NF，μ_tra=SF/FS）
4. 采用5mm→1mm多分辨率网格优化算法收敛性

研究结果
3.1 刚度分布特征
中壁环向纤维展现最高刚度（μ_ax=1.9±0.1 kPa，E_ax=5.6±0.4 kPa），是心内膜纵向纤维的2倍。各向同性MRE低估真实刚度31%，而aMRE与有限元结果高度吻合。

3.2 模型对比
纤维模型显示剪切刚度梯度：FN/FS(1.96 kPa) > SN/NS(1.28 kPa)，符合心肌抵抗轴向剪切特性。层状模型则更敏感于层间滑动（SF/FS=1.50 kPa）。

3.3 可重复性验证
扫描间变异系数≤19%（纤维模型），杨氏模量重复性误差±0.5 kPa。层状模型一致性更优（Lin's CCC=0.88）。

结论与意义
该研究首次在器官尺度证实：心肌中壁环向纤维需要双倍外力才能达到与纵向纤维相同变形，这一发现为解释心脏扭转力学提供了实验依据。通过区分FF/FN/SS等9种变形模式，aMRE为临床早期诊断"僵硬心脏综合征"建立了新标准，未来可应用于心肌淀粉样变性、缺血性心脏病等疾病的精准分型。技术突破在于将DTI结构信息与MRE力学数据融合，实现了各向异性刚度矩阵的活体可视化，为患者特异性心脏建模开辟了新途径。