超声新技术评估甲状腺功能异常与左心室结构和功能关系的研究进展

The Research Progress on the Evaluation of the Relationship between Thyroid Dysfunction and Left Ventricular Structure/Function Using Advanced Echocardiographic Techniques

摘要: 甲状腺激素对心脏结构与功能的维持至关重要，甲状腺功能异常往往导致左心室重构与功能障碍，进而增加心力衰竭、房颤等心血管事件的风险。随着临床对甲状腺疾病与心血管疾病关联性的日益关注，超声心动图已成为评估左心室早期功能改变的重要手段。近年来，斑点追踪成像、左室压力–应变环及人工智能等新兴方法的应用，显著提高了亚临床心肌功能损伤的识别灵敏度。本文从甲状腺激素的作用机制出发，系统综述常规超声及超声新技术在评估甲状腺功能亢进与减退状态下左心室结构和功能方面的研究进展，为早期识别及个体化干预提供理论依据和实践参考。

Abstract: Thyroid hormones play a crucial role in maintaining cardiac structure and function. Thyroid dysfunction often leads to left ventricular remodeling and functional impairment, thereby increasing the risk of cardiovascular events such as heart failure and atrial fibrillation. With growing clinical attention to the association between thyroid disorders and cardiovascular diseases, echocardiography has become an essential tool for evaluating early left ventricular functional changes. In recent years, the application of emerging techniques such as speckle tracking imaging, left ventricular pressure-strain loop, and artificial intelligence has significantly improved the sensitivity in detecting subclinical myocardial dysfunction. This article systematically reviews the research progress of conventional and advanced echocardiographic techniques in assessing left ventricular structure and function under hyperthyroidism and hypothyroidism, beginning with the mechanistic role of thyroid hormones. The findings provide a theoretical foundation and practical reference for early identification and personalized intervention.

1. 引言

甲状腺激素(thyroid hormone, TH)是维持代谢、心血管功能及细胞生长分化的关键因子，心脏对其高度敏感。甲状腺功能亢进(hyperthyroidism，简称甲亢)可导致心率加快、高输出状态，长期可引发心肌肥厚、舒张障碍甚至心衰；而甲状腺功能减退(hypothyroidism，简称甲减)则因代谢减慢、收缩力下降，引起左室重构和功能衰退。超声心动图以无创、实时、便捷的优势广泛应用于左室收缩和舒张功能评估。近年来，斑点追踪成像、左室压力–应变环及人工智能等新技术显著提高了超声对早期左室功能损伤评估的敏感性，有助于甲状腺相关心肌病的早期诊断、预后评估和个体化治疗。

2. 甲状腺激素对左心室结构重塑与功能调节的作用机制

甲状腺激素通过基因组效应和非基因组效应协同调节心肌收缩力、心率、钙稳态及血管阻力，从而影响左心室的几何结构与功能[1]。

2.1. 基因组效应

三碘甲状腺原氨酸(T3)进入心肌细胞后，与核内甲状腺激素受体(TRα1, TRβ1)结合，调控心肌相关基因的转录[2]。T3可上调α-肌球蛋白重链和三磷酸腺苷酶(SERCA2)等表达，促进钙循环并增强心肌收缩和舒张功能；同时下调β-肌球蛋白重链和受磷蛋白，有助于降低心肌氧耗并优化能量代谢。T3还可上调β1-肾上腺素受体和G蛋白偶联受体激酶的表达，增强心肌对儿茶酚胺的敏感性，增强心肌收缩力。离子通道方面，T3能促进钠钾泵Na⁺/K⁺-ATP酶以及电压门控钾通道(Kv1.5, Kv4.2/4.3)的表达，缩短动作电位时程并降低心律失常风险[3]-[5]。

2.2. 非基因组效应

甲状腺激素的非基因组作用依赖蛋白激酶级联实现，包括蛋白激酶A (PKA)、蛋白激酶C (PKC)、磷脂酰肌醇3激酶(PI3K)和丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)，能够快速调节心肌功能与结构[6]，其主要途径包括：(1) 通过激活钠钾泵和钠钙交换体，加速心肌兴奋与复极，并增强钙通道电流及钙内流，提升收缩力；(2) 通过PI3K/Akt和MAPK/ERK通路促进心肌葡萄糖摄取、血管舒张和细胞肥大；(3) 直接结合线粒体ATP合酶，迅速提高ATP合成；(4) 通过作用于钙释放受体，进一步增强收缩。非基因组信号能够在短时间内为心脏提供能量与动力，并即时调整细胞功能与结构[3]-[5]。

3. 常规超声心动图评估左心室结构与功能

3.1. 左心室结构与功能的常规超声评价指标

(1) 几何结构：测量左心房内径、左室舒张末期内径、左室收缩末期内径、室间隔厚度和左室后壁厚度，以评估心腔大小及壁厚变化，反映几何重构。

(2) 收缩功能：通过左室射血分数(left ventricular ejection fraction, LVEF)和缩短分数(fractional shortening, FS)量化整体收缩能力。

(3) 舒张功能：通过二尖瓣血流多普勒测量早期舒张峰值速度(E)、晚期舒张峰值速度(A)并计算E/A比值；结合二尖瓣环组织多普勒测量早期舒张速度(E')和收缩速度(S')、晚期舒张速度(A')等指标，评估左心室的舒张性能及充盈压。

3.2. 甲亢对左心室结构与功能影响的超声研究

甲状腺功能亢进时，TH过多导致机体代谢亢进及持续高动力循环，造成左心室结构及功能的超声改变。大量研究表明，甲亢患者早期即出现代偿性重构，主要表现为左室舒张末期内径增大[7]-[9]；Abdelrazk等研究发现亚临床甲亢患者则可出现左室收缩末期容积增大、E/A比值下降、等容充盈时间(isovolumic relaxation time, IRT)缩短及左房容积指数升高[10]。在高输出状态下，甲亢早期心肌收缩力增强，LVEF及FS可正常或升高；然而，随着前后负荷的持续升高，心肌逐渐受损，LVEF和FS下降[11]，舒张功能亦受累，表现为E/A比值下降、IRT延长，这与过量TH导致的心肌肥厚及纤维化、顺应性降低密切相关[12]。一项Meta分析显示，与健康者相比，甲亢患者室间隔厚度、左室收缩末期内径及LVEF均显著升高，反映高输出型心衰机制[13]；Khalil等报道了一例39岁男性甲毒性急性心衰患者经抗甲状腺治疗后，LVEF从36%恢复至正常水平[14]。从病理机制来看，TH通过上调心肌SERCA2表达增强收缩力，同时松弛动脉平滑肌降低阻力、激活肾素–血管紧张素–醛固酮系统增加血容量，短期内维持高输出，但长期高前后负荷可最终诱发心力衰竭[15]。

3.3. 甲减对左心室结构与功能影响的超声研究

甲状腺功能减退时，TH不足引起机体代谢率下降，导致心肌能量代谢紊乱和钙离子转运异常，从而主要表现为左室舒张功能障碍，E/A比值降低、IRT延长，左室收缩功能可维持正常或轻度减弱[16]。Pandrc等研究发现，亚临床甲减患者在接受左甲状腺素(LT₄)治疗后，左室收缩末期容积和舒张末期容积显著减少，LVEF显著提高，提示甲减可导致左室重构及收缩功能改变，而激素替代可部分逆转这些改变[17]。关于左室壁厚度，多项研究报告甲减患者左室质量指数显著升高，可能与心肌黏多糖沉积所致的“假性肥厚”有关，LT₄治疗可使左室质量指数及室壁厚度下降[18]-[20]；但亦有研究未观察到TH水平与室壁厚度之间存在显著相关性，提示个体差异及病程长短可能影响超声测量结果[21] [22]。

4. 斑点追踪成像技术评估左心室结构和功能

斑点追踪成像(speckle tracking imaging, STI)技术基于超声图像中心肌组织的自然声学斑点，通过二维或三维图像将心肌划分若干感兴趣区域，然后跟踪斑点随心动周期的运动轨迹，计算心肌不同方向的应变与应变率。利用STI可获得整体纵向应变(global longitudinal strain, GLS)、整体圆周应变(global circumferential strain, GCS)、整体面积应变(global area strain, GAS)和整体径向应变(global radial strain, GRS)等关键参数，能够定量反映纵向、径向、圆周及扭转运动，尤其适用于检测在LVEF正常但心肌功能受损的早期心肌病。

4.1. 甲亢患者左心室STI特征

STI可在LVEF正常时敏感捕捉隐性心肌损伤。一项汇总2D与3D STI对甲亢患者左心室结构与功能评估的Meta分析发现，GLS与GCS较健康对照组显著降低，提示在高输出状态下即存在隐性收缩功能异常[13] [23]。另有研究指出，早期甲亢患者虽LVEF保持正常，但在左室收缩末期内径减小时，GRS和GAS可出现代偿性增强，以维持总体射血功能[8]。4D-STI进一步证实，亚临床甲亢人群的GAS、GCS、GLS和GRS均较对照组显著变化，反映多方向心肌运动均受影响[24]。少数轻度甲亢患者的GAS、GCS和GLS轻度升高，或与T3对心肌的正性肌力效应有关[25]，但整体趋势依然表现为形变减低。

4.2. 甲减患者左心室STI特征

Huang等通过2D/3D-STI联合评估亚临床甲减患者左心室功能的研究显示，亚临床甲减患者GLS较健康对照组显著降低(P < 0.05)，而左室质量指数与左房容积指数则处于临界性升高水平(P = 0.054, 0.051)，提示在尚未出现明显结构重构前即已有隐性心肌功能受累[26]。另一项关于亚临床甲减患者接受TH替代治疗后对左心室舒张功能影响的Meta分析进一步发现，接受LT₄替代治疗后，这些患者的GLS显著改善，与Kong等人报告的结果一致[27] [28]。值得注意的是，尽管GLS主要反映收缩功能，多项研究已证实其与舒张功能指标(如E/A比、IRT)密切相关，二者可能因共同的病理生理机制同步受损[29]。因此，STI不仅可用于早期识别甲减引起的左室收缩、舒张双向功能异常，亦可作为评估激素替代疗效的敏感指标。

5. 左室压力–应变环技术评估左心室结构和功能

左室压力–应变环(left ventricular pressure-strain loops, LVPSL)由Russell等人提出[30]，它将二维斑点追踪测得的应变曲线与经无创方法估算的左室瞬时压力结合，通过专用软件生成压力–应变环，以量化心肌在整个收缩和舒张周期内的做功。其核心指标包括整体做功指数(Global Work Index, GWI)：反映左室单位面积内所产生的总做功；整体有效做功(Global Constructive Work, GCW)：心肌缩短期间正向做功与舒张早期回缩期间的正向做功之和；整体无效做功(Global Wasted Work, GWW)：在不利负荷条件下产生的负向做功；整体做功效率(Global Work Efficiency, GWE)：GCW与(GCW + GWW)之比，表征心肌做功的能量利用效率。与受前后负荷影响较大的传统LVEF相比，LVPSL可更精准地反映心肌在不同负荷和收缩状态下的真实功能和能量代谢状态，为早期识别负荷相关心肌损伤及评价治疗疗效提供了更全面的无创评价手段。

5.1. 甲亢患者左心室LVPSL特征

在LVPSL评估下，甲亢患者表现出整体心肌做功受损。其中GWI、GCW及GWE显著下降，而GWW增高，且合并心动过速者改变更为明显。Liu等[31]发现，GWE能有效区分单纯甲亢与合并心动过速病例，而GLS在两组间无显著差异，提示做功效率对检测收缩不同步更具敏感性。受试者工作特征(ROC)曲线分析显示，GWE识别亚临床心肌损伤的曲线下面积(AUC)为0.835 (截断值96.5%)，灵敏度0.83，特异度0.70。此外，甲亢患者常伴心室晚电位和心肌传导异常，这可能与淋巴细胞浸润引发的心肌纤维化有关；而交感神经持续兴奋诱发的心动过速则增加心肌耗氧，进一步导致应变异常和局部收缩失调[32]-[34]。华等研究[35]进一步证实，重度甲亢组中GWW明显增高，GWI、GCW、GWE及GLS均显著下降；轻度甲亢组亦呈GWW升高和GWI、GWE、GLS下降趋势，提示左室收缩功能随甲亢严重度加重而受限。

5.2. 甲减患者左心室LVPSL特征

彭等[36]应用LVPSL技术对42例甲减患者进行评估，结果显示GWW增加，而GLS、GWI、GCW及GWE显著下降；分段分析发现基底段、中间段和心尖段的区域性做功指数(MWI)、做功效率(MWE)及有效做功(CW)减少，无效做功(WW)增多，提示从整体到局部均存在收缩功能受损与能量利用不足。这些功能异常的病理机制可能包括：一是甲状腺激素缺乏导致心肌β-肾上腺素受体表达下降，使心肌对儿茶酚胺的正性肌力应答减弱，进而降低收缩速度和收缩力；二是TH水平下降抑制心肌线粒体氧化磷酸化，减少ATP合成，直接损害心肌收缩功能；三是甲减引起心肌间质黏多糖沉积、间质水肿和纤维化，导致左室顺应性及舒张功能受损[18]-[20]。综上所述，LVPSL技术通过无创定量评估心肌做功与效率，能够敏感反映甲减患者左心室从收缩到舒张的全周期功能异常，并为激素替代疗效监测提供可靠指标。

6. 人工智能辅助超声心动图在左心室评估中的应用

人工智能(Artificial Intelligence, AI)通过机器学习与深度学习算法，能够对超声心动图进行自动化的图像识别、分割和量化，从而实现对左心室结构与功能的高效评估。

6.1. AI在左室评估中的应用现状

目前尚无针对甲状腺功能异常患者专门的AI辅助超声心动图研究，但AI在左室容积、射血分数、瓣膜病及心肌病等多种病理状态下的超声评估中已表现出优异性能。Kurahara等[37]在94例化疗患者中比较了AI自动GLS (AI-GLS)与传统手动GLS，两者在可测病例中呈中度相关(ρ = 0.74)，且在心功能障碍、左室肥厚、左房扩大及舒张功能异常等多种病理条件下相关性保持稳定；AI-GLS在初学者与资深医师间的测量一致性(ICC = 0.82)显著优于手动方法(ICC = 0.68)，证明其显著提升了测量可靠性。Lau等[38]开发的深度学习模型DROID可自动从标准超声切面提取左房内径、左室壁厚、腔室直径和射血分数，并在超过50万例多中心长期随访队列中验证，其衍生指标不仅能准确定位标准切面，还与心衰、房颤、心肌梗死及全因死亡风险独立相关，展示了AI与海量临床数据融合的强大临床价值。

6.2. AI超声心动图的未来展望

随着深度学习算法的持续优化与训练数据库的不断丰富，AI超声心动图在结构与功能异常的自动识别上将更为精准，能够检测更早期且更隐匿的病变信号，实现心肌微小功能缺损的早期预警；借助对海量临床与影像数据的深度学习，AI可结合年龄、性别、家族史与生活方式等个体特征，提供精准的心血管风险预测及个性化干预建议，助力“预防–诊断–治疗”全流程管理；未来平台还可整合CT、MRI、心电图及实验室检验等多模态数据，显著提升诊断敏感性与准确性，实现更全面的病理生理评估；与此同时，亟需制定统一的评价标准与算法框架，明确质量控制规范和参考值范围，确保不同设备与机构间结果的可比性与可重复性；依托小型化、低成本的AI辅助超声设备与5G网络，基层医院可实现远程实时会诊和图像质量控制，将高质量心脏超声检查推广至偏远地区，改善医疗资源不均衡。随着技术迭代与大规模临床验证，AI辅助超声心动图必将成为心血管疾病诊断的常规工具，不仅提升检查效率与精准度，还可降低医疗成本，实现更加精准、个性化的心血管医疗，从而改善患者预后与生活质量。

下面对常规超声、斑点追踪成像、压力–应变环、AI辅助超声心动图四种技术在左心室结构与功能评估中的优势与劣势进行了对比，见表1。

Table 1. A comparison of four ultrasound techniques for assessing left ventricular structure and function

表1. 四种超声技术评估左心室结构与功能的优劣势对比

技术类别	优势	局限
常规超声	1. 测量简便、设备普及率高 2. 标准化切面与参数易于理解与比较	1. 依赖负荷条件，难以检测隐性功能 2. 对操作者依赖大，重复性差
STI	1. 定量应变/应变率，可在LVEF正常时捕捉隐性 功能损伤 2. 可评估纵向、径向、圆周和扭转运动	1. 对图像质量要求高 2. 噪声或伪影会影响追踪精度 3. 软件差异导致参数可比性受限
LVPSL	1. 无创结合估算压力，量化心肌做功与效率 2. 对负荷变化敏感度低于LVEF，更能反应真实心肌功能	1. 需要专用算法/软件支持 2. 压力估算基于经验模型，不同压力曲线假设 可能影响结果
AI超声	1. 自动识别与量化，减少操作者依赖 2. 与大规模临床数据联用，可实现多参数联合预测 3. 重现性好	1. 需海量标注数据与严格标准化流程 2. 算法框架和评价标准尚未完全统一，不同 平台间可比性有待提升

7. 小结与展望

甲状腺激素通过基因组与非基因组途径协同调控左心室重构与收缩、舒张功能，各类超声技术从不同维度揭示了其临床表现与病理机制：常规二维/三维超声快速直观、易于普及，斑点追踪成像、可在射血分数正常时敏感捕捉隐性心肌损伤，压力–应变环、通过无创压力估算精确量化心肌做功与效率，而人工智能辅助超声心动图实现了自动化识别与多参数联合预测，显著提升了测量一致性与早期诊断能力。

展望未来，研究方向应聚焦于：(1) 明确预后价值：开展大规模前瞻性队列研究，验证这些新技术参数对甲状腺患者未来心衰、房颤等心血管事件的独立预测价值。(2) 指导治疗决策：探索能否以这些敏感的功能参数作为指导甲状腺疾病治疗(如亚临床甲亢/甲减的干预时机、治疗目标)的依据。(3) 推动技术融合：促进AI与多模态超声技术(如STI + LVPSL)的深度融合，开发一键式、全自动的“甲状腺心功能评估”软件包，提升其在临床的普及性和实用性。超声新技术的价值，在于它们将评估的触角伸向了甲状腺相关心肌病那些曾被忽视的角落早期的形变损伤、潜在的能量代谢危机和细微的机械不同步。通过对这些特征性改变的深度解读，我们不仅能更早地识别风险，更能深刻地理解疾病本质，最终为实现甲状腺功能异常患者的精准心血管风险管理提供强大助力。

NOTES

^*通讯作者。