《Frontiers in Cardiovascular Medicine》：Real-time CMR combined with cardiopulmonary exercise testing enables integrated assessment of cardiac function during exercise
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摘要翻译：
背景：心肺运动试验(CPET)是评估机体对体力应激的心肺反应的金标准。实时磁共振成像(RT-MRI)能够在自由呼吸(FB)和动态运动期间实现连续心血管成像。目的：本研究旨在开发一种临床应用可行、易于使用的MR-CPET方案，采用用户友好的后处理软件
摘要翻译：
背景：心肺运动试验(CPET)是评估机体对体力应激的心肺反应的金标准。实时磁共振成像(RT-MRI)能够在自由呼吸(FB)和动态运动期间实现连续心血管成像。目的：本研究旨在开发一种临床应用可行、易于使用的MR-CPET方案，采用用户友好的后处理软件，并描述健康受试者的初步生理学观察结果，为未来临床应用奠定基础。材料与方法：健康成人(n=12)在1.5 T磁共振扫描仪中于静息状态和次极量运动期间接受常规电影心脏磁共振成像(CMR)和心脏RT-MRI。方案包括用于容积测量的短轴电影成像和用于主动脉血流定量的相位对比成像。CPET使用MR兼容肺功能仪和仰卧位运动装置进行，可在图像采集和同步运动期间连续测量呼吸气流和气体交换。数据处理包括肺功能数据自动分析、与RT-MRI的时间同步，以及基于心电图和呼吸的容积重建分箱。采用指数化氧耗量(VO?i)和心脏指数(CI)根据Fick方程计算动静脉氧差(a-vO2 diff)。评估了受试者舒适度。结果：检查耐受性良好，仅有与肺功能仪面罩相关的轻微不适。RT-MRI与常规电影MRI在静息状态下左心室容积和射血分数方面表现出高度一致性。次极量运动显著增加心率和通气量，伴随VO2i(201-309 mL/min/m2)和CI(3.38-4.24 L/min/m2)的同步增加，而心室容积轻度下降，射血分数保持不变。计算所得a-vO2 diff从5.9增至7.3 mL/dL，表明外周氧摄取增强。数据结论：采用所述用户和受试者友好设置的联合CPET和心脏RT-MRI能够在次极量运动期间对心肺性能和心血管功能进行综合评估，并提供生理学上合理的Fick来源氧转运和利用指标。
论文解读文章：
一、研究背景与目的
心肺运动试验(CPET)被公认为评估心肺系统对体力应激反应的金标准，能够全面反映正常生理状态和运动耐量。然而，传统CPET仅能提供运动期间心脏功能的间接信息，中枢血流动力学表现主要依赖替代参数进行推断。另一方面，心血管磁共振成像(CMR)作为心脏形态和功能评估的参考标准，能够高精度、高重复性地量化心室容积、每搏输出量和心输出量。近年来，心脏实时磁共振成像(RT-MRI)技术的进展使得在自由呼吸(FB)和体力运动条件下进行高时间分辨率连续成像成为可能。然而，运动CMR缺乏关于代谢需求、通气效率和气体交换的直接信息，无法判断特定血流动力学反应是否与所达到的运动强度相匹配。将两种模态结合，即MR-CPET，可在运动期间同步测量VO?和CMR来源的心输出量，从而通过Fick原理实现氧转运的无创评估。尽管已有初步研究证明了MR-CPET在健康志愿者和不同患者群体中的可行性，但现有研究多集中于可行性验证和概念证明，往往依赖技术复杂或资源密集的方案。标准化且易于应用的方案仍然缺乏，健康个体的正常参考数据有限。因此，本研究旨在通过实施用户友好的后处理软件，开发一种实用且易于操作的MR-CPET方案，并初步表征健康受试者的生理反应，为未来建立参考值及在心力衰竭或心脏储备受损患者中的应用奠定基础。
二、研究方法概述
本研究为前瞻性观察性在体RT-MRI研究，纳入12名健康成年志愿者（男女各6名），在德国杜塞尔多夫大学医院进行。研究方案经当地伦理委员会批准，所有参与者签署书面知情同意书。研究采用1.5 T临床磁共振扫描仪(MAGNETOM Avanto fit, Siemens Healthineers)，结合MR兼容肺功能仪(Geratherm Respiratory GmbH)和特制仰卧位运动装置进行次极量运动。数据采集包括静息状态下的常规电影CMR和RT-MRI，以及运动期间的RT-MRI。数据处理流程包括三个主要阶段：(1)肺功能数据自动评估；(2)MR兼容肺功能通道与RT-MRI图像数据和生理信号的时间同步；(3)基于呼吸和心电图的RT-MRI数据分箱，以重建呼气末短轴图像堆栈。数据处理使用Python(版本3.13.5)编写的定制流程完成，源代码公开在线获取。容积和血流分析使用商业后处理软件cvi42进行。根据Fick方程，使用直接测量的VO?i和RT-MRI获得的CI计算a-vO2 diff，假设动脉血氧含量为20 mL/dL。
三、研究结果
(一)研究人群和数据处理
所有12名健康志愿者（6男6女）均顺利完成联合心血管RT-MRI CPET运动方案。年龄范围19至34岁，平均24±4岁。数据处理流程成功处理所有数据记录，专用图形用户界面软件的开发显著简化和加速了工作流程。MR兼容肺功能数据分析约需6分钟，RT-MRI数据处理约需20分钟。
(二)静息和运动期间MR兼容肺功能测定
仰卧位次极量运动方案达到的平均峰值氧摄取相当于健康个体最大运动时年龄、性别和体重调整预测参考值的22.5±6.7%。运动期间，心率、呼吸频率、分钟通气量(VE)、血压、氧耗量、二氧化碳排出量和氧脉搏较静息状态显著增加。相比之下，通气效率(VE/VCO?斜率)、呼吸交换比(RER)、呼气末二氧化碳分压(PETCO?)和呼气末氧分压(PETO?)在静息和运动之间无显著变化。性别特异性分析显示，仅在绝对氧摄取效率斜率(OUES)值方面存在统计学显著差异。
(三)静息和运动期间的CMR
静息状态下，常规电影CMR和RT-MRI均提供良好图像质量。Bland-Altman分析显示，LV-EDVi、LV-ESVi、LV-SVi、LV-EF和CI的偏倚较小且一致性界限较窄，而LV-EDMMi显示略大的偏倚和更宽的一致性界限。Pearson相关分析显示两种成像模态在静息状态下各参数间存在强相关性，配对样本t检验未发现统计学显著差异。主动脉血流测量方面，净主动脉前向血流和峰值流速显示出强相关性，但配对样本t检验显示两种模态间存在统计学显著差异。
(四)运动期间心脏RT-MRI
运动期间出现轻度胸廓运动，但RT-MR图像质量未受实质性影响。运动期间，LV-EDVi、LV-ESVi和LV-SVi显示小而统计学显著的下降，而LV-EF和LV-EDMMi无显著变化并保持稳定。心脏指数的增加由运动期间心率增加所致。主动脉血流测量显示净前向血流或峰值流速在静息和次极量运动之间无显著差异。
(五)运动期间Fick来源的氧耗量和心脏指数变化
静息时，指数化氧耗量为201±55 mL/min/m2，心脏指数为3.4±0.3 L/min/m2。运动期间，VO?i增至309±89 mL/min/m2，伴随心脏指数增至4.2±0.6 L/min/m2，主要由心率增加驱动。根据Fick关系，计算所得a-vO2 diff从静息时的5.9±1.5 mL/dL增至运动时的7.3±1.4 mL/dL。假设动脉血氧含量约为20 mL/dL，相应的混合静脉血氧含量从14.1±1.5 mL/dL降至12.8±1.4 mL/dL，对应氧摄取分数从静息时约30±7%增至运动时36±7%。配对样本t检验证明Fick各组分在静息和运动期间的差异具有统计学显著性。
(六)可重复性和舒适度调查
常规LV容积测量和RT-MR LV容积测量在静息和运动期间的观察者内和观察者间分析显示ICC良好至极佳。三名受试者的处理时间再评估与初始评估结果相似。舒适度调查结果表明，检查总体耐受性良好。尽管应激期间的舒适度评分低于静息条件，但操作仍被主要描述为舒适。在各组成部分中，仅肺功能仪面罩被感知为轻微不适，而MR测力计、血压袖带和心电图监测对总体舒适度的影响较低。
四、讨论与结论
本研究的核心发现包括：联合CPET和RT-MRI方案在次极量仰卧位运动期间证明可行且耐受性良好；基于心电图和呼吸分箱的FB期间RT-MRI容积参数与静息时BH常规电影成像显示良好一致性；代谢和血流动力学参数的综合评估显示运动期间氧摄取、CI和a-vO2 diff的生理一致性增加。
研究刻意将方案限制在反映日常活动的次极量负荷水平，这更适合最大运动常受限或禁忌的患者群体。尽管采用简单的、广泛适用的方案和相对廉价的设备，该方案仍能引起心率、CI、VO?和Fick来源a-vO? diff的一致性增加，证明氧转运的中枢和外周组分均产生可测量的适应。RT-MRI与常规电影MRI在静息时的良好一致性证实了RT-MRI评估心室容积和功能的可靠性，这对于运动期间无法进行常规电影MRI具有重要意义。
本研究引入从MR兼容肺功能仪获得的呼吸流量和潮气量数据进行RT-MRI的呼吸分箱，这一方法扩展了现有方法学，应有助于未来运动期间心肺相互作用的研究。静息时参与者表现出处于性别特异性参考值上限范围内的LV-EDVi和LV-SVi，可能归因于仰卧位伴腿部抬高导致的静脉回流和前负荷增加，通过Frank-Starling机制增强每搏输出量。运动期间CI的增加主要由心率驱动，与仰卧位条件下已知的生理反应一致。
Fick原理描述了VO?与心输出量之间的生理一致性关系，在中等强度运动期间，VO?i的增加伴随CI的比例性升高以及计算所得a-vO2 diff的中度增加，反映了次极量运动的综合心肺反应，氧输送通过中枢（心输出量）和外周（组织氧摄取）机制同时增强。计算所得氧摄取分数从静息时约30%增至中等强度运动时的36%，处于健康个体的预期生理范围内。
尽管MR-CPET通常产生低于常规直立CPET的VO?max，且在图像质量方面不及常规CMR，但运动期间气体交换和CMR的同步采集提供了重要的补充信息。MR-CPET能够量化心输出量与外周氧摄取对氧摄取量的相对贡献，提供运动不耐受的机制性理解。本研究开发的MR-CPET工作流程为未来转化研究提供了实用的技术基础，具有改善不明原因运动不耐受或复杂心血管疾病患者机械表型分型的潜力。然而，本研究仅在健康志愿者中进行，作为技术可行性研究设计，当前发现不允许对诊断性能或临床决策得出结论。需要在更大规模和特定疾病队列中进行前瞻性研究，以建立可重复性、诊断准确性、增量临床价值及MR-CPET对患者管理的影响。
研究结论：采用所述用户和受试者友好设置的联合CPET和RT-MRI能够在次极量运动期间对心肺性能和心血管功能进行综合评估。该方法提供生理学上合理的Fick来源氧转运和利用指标。先进后处理工具的纳入，包括基于MR兼容肺功能仪的呼吸分箱，进一步促进了数据分析，并使其作为研究心肺相互作用的工具具有良好应用前景。该设置可能在未来研究中通过帮助区分运动能力的中枢与外周限制而具有临床价值。
