大型哺乳動物體外心臟工作模型在心血管疾病可視化診療中的應用

丁戈琦 綜述 尹立雪 王志剛 審校

(1.重慶醫(yī)科大學超聲影像學研究所 重慶醫(yī)科大學附屬第二醫(yī)院超聲科，重慶 400010;2.四川省醫(yī)學科學院 四川省人民醫(yī)院超聲醫(yī)學研究所，四川 成都 610072)

在心臟解剖功能完整評價基礎上的精確可視化心臟疾病藥物和非藥物治療是心血管病學的前沿研究方向。由于心臟復雜的生理和病理解剖結構和功能表達，使心臟疾病的在體準確可靠研究受到諸多限制。自1895 年Langendorff［1］創(chuàng)建體外心臟模型以來，進行大量的動物模型建立和相關實驗，已在心臟電生理藥理以及解剖功能研究等方面取得了重要發(fā)現。與傳統(tǒng)的在體模型相比，大型哺乳動物體外心臟工作模型在電生理、化學信號及藥理作用等方面具有近似人體心臟解剖結構和功能以及不受外界系統(tǒng)性影響的獨特優(yōu)勢?，F就大型哺乳動物體外心臟工作模型在心臟疾病診療中的可視化應用研究進展綜述如下。

1 模型的建立

為了描述心臟在血液循環(huán)中扮演的重要作用，早在17 世紀英國醫(yī)生Harvey 就研究建立了簡單的血液循環(huán)模型并發(fā)表《心血運動論》一書，創(chuàng)立“血液循環(huán)學說”。長期以來，為在體外模擬人體內心臟循環(huán)系統(tǒng)，臨床醫(yī)生和研究者們進行了大量的實驗研究和建立了若干假設模型。1895 年Oscar Langendorff 報道利用Krebs—Henseleit 晶體灌注液經主動脈插管，灌注冠狀動脈系統(tǒng)，成功地建立體外心臟模型。此后，Langendorff 模型又不斷地被改良并廣泛應用于生理學、藥理學及病理學的實驗研究。Heymann 使用來自另一動物心臟提供的氧合血液灌注心臟。Shattock 等使用蠕動泵建立了電反饋系統(tǒng)實現恒壓與恒流灌流間簡易快捷的相互轉換，實時監(jiān)測灌流壓力與流量，并進行按需調節(jié)。Gamble 等［2］在1970 年進行了體外心臟血液灌流的嘗試，將大鼠麻醉后呼吸機通氣，行左頸動脈與靜脈插管，頸動脈中的血液流入一個橡膠袋中，使用反饋儀器保持袋中血容量恒定，再將橡膠袋中血液泵入另一體外心臟的主動脈插管中，從冠狀動脈系統(tǒng)流出的血液經頸靜脈回到支持大鼠體內。傳統(tǒng)的Langendorff 模型雖然可給心臟提供營養(yǎng)物質，使心肌保持跳動，但由于實驗中左心室是空收縮，心臟不能作功仍未能實現有效的心臟負荷，并不適用于模擬并研究在體心臟功能。

為了更接近于在體的生理狀況，1967 年，Neely等［3］報道體外心臟工作模型，即在體外循環(huán)裝置的輔助下，灌注液經肺靜脈插管經左心房流入左心室，左心室收縮時從主動脈排出，此時左心室起著壓力-容量交換的作用，并且在心室舒張時使冠狀動脈得到灌注(主動脈順行灌注法)。四腔心工作模型能夠模擬在體生理心臟功能，在理解跳動的心臟與現有和新興生物醫(yī)學治療之間動態(tài)關系方面是一種很有價值的可視化技術平臺，由于該體外工作心臟模型更接近生理上的灌注方式和可靠的測定方法，現已被廣泛地應用于實驗研究中。

鑒于小動物如大鼠、兔子等體外心臟模型先前已多用在藥理、呼吸、晶體灌流效應方面。國內外一致在探索建立大型動物如豬、犬、小牛等心臟模型，由于此類模型模擬的血流動力學特點，大小、肌肉系統(tǒng)、幾何形態(tài)和空間位置等方面與人體心臟的參數有更高的相似性，將具有更好的應用前景。2000 年，Chinchoy等［4］選用解剖結構和生理特點更接近于人類的家豬心臟，使用標準的胸外科手術法，將心臟體外取出安裝在體外循環(huán)裝置，使其可以在Langendorff 模式和四腔心工作(four-working chamber)模式間切換工作。該模型前負荷和后負荷阻力，血流動力學參數包括心排血量、dp/dt 最大速率及心率等均模擬在體生理條件下，實現在可控制的體外裝置條件下高穩(wěn)定性的心功能表現不少于6 h，在此期間有充足的時間用來進行可視化的互動性心臟病學研究。2005 年Hill 等［5］報告在以上裝置的基礎上加上動脈順應裝置，使用不適合移植的人體心臟進行生理條件下的可視化研究，12個人類心臟在工作心模式下左室峰值壓力維持在21.5～75.8 mm Hg(1 mm Hg=0.133 3 kPa)，平均(42.7±19.9)mm Hg，同時進行心臟內的解剖結構成像，提供了正常及病理狀態(tài)下心內解剖結構及生物醫(yī)學裝置與組織間的相互作用動態(tài)關系評價。

2 模型的可視化應用

在理解實時動態(tài)的心臟與現有、未來生物醫(yī)學診療之間的聯(lián)系方面，可視化心臟模型是一種有價值的技術平臺。如在認識先天性心臟病、動脈粥樣硬化、瓣膜疾病整個疾病的病理生理過程;開展比較性的心臟功能解剖研究;記錄各種心律失常，電生理治療導致的特定電生理活動信息;采用多種成像方法的解剖功能分析方面，可以實現心臟局部和整體系統(tǒng)性的可視化時空關聯(lián)關系評價，為臨床提供精確全面的診療信息。

2.1 心律失常電生理學可視化觀察

可視化心臟模型可清楚顯示不同結構間的毗鄰關系和空間構象，為心臟電激動順序的顯示提供了有價值的實用模型，不僅提供了為心臟電生理機制可視化的研究方式，并且提供了相關的比較形態(tài)學參考。

記錄單一單相動作電位探針或多電極陣列探針的接觸電極技術是通常用來觀察動作電位分布的方法，盡管表面和電極的接觸可以折射出活化和復極化的傳播，但是在某些情況下，比如進行除顫電擊后或者研究心律失常發(fā)生時復極化的時空形成時，通常解譯這一類數據十分復雜困難。此外，這些電極與組織生理上的接觸也會改變所觀察到組織的電生理特性。與此相反，非接觸的熒光光學標測技術提供了一種特殊的方法來標測動作電位的活化波，它可以看做是連接細胞水平和器官生理系統(tǒng)的橋梁。使用這種高時空分辨率的標測方法能夠可視化觀察在Langendorff灌注整個心臟模型的心肌動作電位傳播，采用體外的組織活檢以及心肌細胞膜電位，有助于理解正?；蚧疾⌒呐K組織心律失常動作電位波前傳播的機制。Shrivastav 等［6］設計并使用光學標測系統(tǒng)來觀察體外灌注可視化模型心臟或組織的心肌電活動，使用256個單元光電二極管陣列信號通道將電壓敏感染料(voltage-sensitive dyes，VSDs)隨灌流液灌注于體外心臟模型中(稱為染色)，用激勵光照射其表面，當細胞膜電位受刺激而發(fā)生變化時，作為分子探針的染料同步出現熒光變化，利用光學濾光片，通過光學成像系統(tǒng)記錄心肌表面熒光的變化，將其轉換為相應的電信號，送入計算機進行數據存貯、分析并用等時圖、等勢圖等圖像顯示，實現特定激動類型心電活動的可視化觀察。

心房顫動是較常見的心律失常類型，由于組織結構和電生理的重構提供了維持這種致心律失常存在的基質，其最典型的臨床特點就是持續(xù)長期存在且不易治愈。電生理重構致使心房有效不應期縮短，因此維持了心律失常長期存在或者限制了心房顫動的終止。心房顫動患者的左房和肺靜脈趨向于更大，這可能潛在加重心房顫動。當射頻消融恢復到竇性心律后，左房內徑減?。?］。心房顫動持續(xù)時間的長短和重構的階段，均可導致心律失?；颊咴谛呐K解剖結構可能存在較大的變化。Rolfes 等［8］使用體外心臟模型建立的“可視化心臟圖書館”中患有心房顫動捐獻者的心臟與正常對比，直接測量心房容積、肺靜脈周長、左房壁厚度，結果顯示患有心房顫動患者心臟明顯有更大的心房容積，同時與對照組相比有更大容積變化范圍;右側肺靜脈大于左側，左房壁厚度在心房顫動患者和正常組相同，這種觀察到在患者大的變化對于醫(yī)生同時教學者和醫(yī)療裝置設計者來說至關重要，使用灌流心臟我們可以繼續(xù)擴大這些研究進一步建立解剖數據庫，進而與磁共振成像(MRI)、超聲、斷層成像(CT)進行對比。

2.2 心臟起搏消融診療過程可視化監(jiān)控

目前在美國，每年有超過30 萬例患者被植入心臟起搏電極［9］，然而無論是電極的設計者或是臨床醫(yī)生都不能可視化觀察不同電極設計和臨床方法所引起心臟電機械活動表現的異常改變。Laske 等［10］通過利用體外工作心臟在各種控制的生理條件下，觀察評估了植入電極和它們與特定解剖結構位點的相互作用特點，例如，起搏器、導線、電極、電極-組織接觸面構成了總的阻抗，現有的顯像方法中，不能了解電極-組織接觸界面的情況;然而在此研究中，成功地將電極和心內膜表面的相互作用與電生理變化相聯(lián)系起來，特別是電極與組織表面接觸的三種不同方式而引起起搏阻抗增大或減小的結果，提供了一種新的途徑來揭示發(fā)生在電極植入時原因不明的起搏阻抗變化［11］。

近年來有證據表明長期傳統(tǒng)的右心室心尖起搏會增加發(fā)病率和致死率［12］，為了確定更多生理性相似的起搏位點，研究者們觀察了心臟內許多可供選擇的起搏位點的作用效果。截至目前，心臟起搏電極的功能和改變起搏位點的研究主要局限于熒光透視鏡的使用，再加上缺乏統(tǒng)一的解剖定義和命名以及不適當的工具和傳遞系統(tǒng)到達這些起搏位點，難以獲得客觀準確的結果。由于在血液中直接的心腔內可視化不可行，以至于仍需要準確地找出特異的解剖位點與起搏所產生心電生理類型效果的一一對應關系。應用體外心臟工作模型，就能夠在直接的可視化下觀察各種起搏位點以及固定位點在心臟電生理和血流動力學表現的效果，進而優(yōu)化設計和傳遞植入電極，提高其工作有效性和持續(xù)性［13-14］，同時提供一種新的視野獲得所期望的最好的激動類型。

心房顫動病人心律的控制是消融治療的主要目標。通過藥物來控制心律和心率很大地局限于藥物的致心律失常性及潛在毒副作用，雖然在非藥物治療方法尤其是心房顫動消融和房室連接消融后起搏對心房顫動治療有很大的進步，然而因局限于不能達到適度的心率和潛在嚴重的并發(fā)癥其預后效果并不理想［15］。對于沒有心室內傳導速率減慢，以及患有嚴重的左心功能失調包括難治的心房顫動需進行房室連結消融和植入電極來控制心率的病人，尋求最佳的消融起搏治療方案尤為重要?；诳梢暬呐K模型，Lu等［16］通過起搏房室結-希氏束周圍心房組織射頻消融體外后一小塊區(qū)域，建立了一種相當于希氏束起搏實用的可行性方法。與常規(guī)的起搏位點相比，希氏束起搏［17］可以提供更接近于生理性的心室收縮順序，并且避免了越來越多右心室起搏公認有害的方面以及可能提高對心房顫動患者考慮需要房室連接消融和永久起搏的處理方法［12，18-19］。

由于希氏束幾何結構位置很小，其解剖定位采用通常的X 射線和心內電標測具有一定的局限性，再加上起搏電極及其引導鞘管的固有缺陷，在技術上獲得該位置穩(wěn)定的起搏點和操作過程仍然較為困難，缺乏客觀的在體解剖定位評價技術和方法［20-21］。另一方面，精確有效的心臟微創(chuàng)介入診斷和治療不僅需要詳實可靠的解剖結構信息，同時還需要可視化的以在體實時動態(tài)同步方式呈現精確解剖結構基礎之上的與疾病過程相關聯(lián)的大量病理生理信息(如血流動力學、血流及血流灌注、局部心肌和整體心腔功能、心肌電機械興奮等)。

家豬體外心臟工作模型可以提供與在體生理情況相似的環(huán)境并且可以同步實時動態(tài)成像，在實現同時記錄電生理參數和解剖結構位置可視化觀察評價等方面具有優(yōu)勢。Love 等［22］采用刺激希氏束穿越中央纖維體的下方獲得了與直接希氏束起搏和傳統(tǒng)起搏位點相比更佳的左室功能表現和系統(tǒng)有效性。在透明晶體灌流液中內窺鏡可以始終定位電極的位置和提供精細的解剖標測，體外心臟模型提供了一種探究室間隔區(qū)域起搏位點極富價值的可視化評估方法。

2.3 醫(yī)學裝置植入的可視化評價

心臟內醫(yī)學裝置的發(fā)展往往受制于不能可視化觀察裝置與內部解剖結構之間的作用關系，這對需要不斷優(yōu)化裝置的設計者和臨床醫(yī)生帶來很大困難。醫(yī)療裝置的臨床前期評估的主要目標是從體外研究中獲取數據用以支撐其安全性和有效性。通常醫(yī)療裝置的生理性評估包括了極其復雜的測試，然而傳統(tǒng)的體外測試程序一般都是在脫離心臟復雜和動態(tài)的生理環(huán)境之外完成的。體外心臟工作模型則提供了一種可視化的評價方法來彌補這一空白。

通常電極的取出定義為取出超過1 年的植入起搏電極或電復律除顫儀及移除其需要特殊的取出工具。當要取出一個電極時首先需要考慮的是其風險度和可供選擇的方法，常用來取出長期植入電極的方法包括:激光導管系統(tǒng)、射頻導管、機械切割導管和直接牽引的方法，可視化心臟模型則能夠用來觀察這些取出電極方法內部和外部的過程。Quill 等［23］在晶體液灌注體外心臟中插入心腔內窺鏡，分別采用鞘激光系統(tǒng)，合并雙鎢電極分割鞘、機械鞘、直接牽引的方式取出長期植入的心內電極。各種方法獲得的圖像實時動態(tài)地可視化展現了電極的取出過程，以及加強了對包裹電極與心臟血管及心臟本身之間關系的理解，這有助于提高電極取出的安全性和可行性，除此之外，對許多想學習這些方法但是獲得經驗困難的醫(yī)生和實習生臨床實踐操作也大有幫助。

基于可視化心臟模型可以獲得接近在正常的血流動力學條件下植入裝置的內部和外部圖像，這些圖像可以用來評估傳遞導管的過程、氣囊的展開、支架及組織瓣膜。尤其是工程師和研究者們可以評估經導管裝置設計的許多方面，比如傳遞導管、展開支架的長度、支架的形狀、相對的瓣膜附著及裝置與組織結構間的相互作用。如經導管瓣膜置換術具有減少手術治療引起發(fā)病率的潛力，并且擴大了無需外科手術的或者認為有高危因素拒絕手術的患者瓣膜置換的指征。Laizzo 等［24］使用體外心臟工作模型評估在肺動脈瓣、主動脈瓣和二尖瓣經導管瓣膜修復和置換并與原始心功能表現進行比較，可視化的測試新發(fā)展的人工瓣膜的可靠性、耐久性、生物相容性及其他參數。

可視化觀察經導管肺動脈瓣的傳遞提供一種新的見解在設計肺動脈中瓣小葉位置來適應在此位置的低壓力梯度。在人體心臟主動脈根部經導管主動脈瓣的置換突出了支架與主動脈瓣葉、二尖瓣相互作用，闡釋了為了避免與二尖瓣前葉相互作用以及對心臟傳導系統(tǒng)過多的壓力，準確的支架大小與定位的重要性［25］。瓣膜心臟病是主要導致法洛四聯(lián)癥術后病人發(fā)病率與致死率的原因［26］，由于法洛四聯(lián)癥的病理過程在右心室流出道顯示出很大的變化程度，針對這些病理過程的擇期手術則需要適應這種解剖形態(tài)變化，因此在術前需要廣泛的在體和體外測試。例如，研究者們在家豬體內心臟模仿建立縮窄肺動脈瓣并擴張右心室流出道模型，建立成功后再將心臟體外取出放在體外灌流裝置，用以分析和可視化觀察在這種解剖結構發(fā)生改變后的裝置與組織間的相互作用［27］。截至目前，可視化心臟的方法被廣泛用來發(fā)展經皮緣對緣二尖瓣的修復裝置，為了證實這項技術和決定是否在緣對緣修復后發(fā)生二尖瓣狹窄，研究者們用體外家豬心臟在可視指導下切斷二尖瓣后葉P2 區(qū)一個支柱腱索后成功建立上述手術模型，該模型用來測試決定經皮治療裝置在捕獲脫垂瓣葉和恢復瓣膜功能的有效性。

2.4 多種成像方法的可視化綜合應用——比較影像學

各種臨床上使用的成像方法如超聲心動圖、CT、心臟MRI 被應用在可視化心臟模型上，多種顯像方法細節(jié)性評價心臟解剖結構，這對于理解人類心臟有或無病理情況下高度的變化性十分重要。此外，這些信息可以提供哪一種顯像方法能夠準確地顯示經導管放置醫(yī)療設置可視化過程。應用捐獻遺體心臟或大型哺乳動物心臟建立成的體外心臟的方法，模擬獲得性或先天性結構心臟疾病患者，這些解剖結構信息、裝置與組織之間的相互作用信息對于尋求使用更多無創(chuàng)心臟修復方案來說至關重要。

如在患有先天性心臟病的成年人中，大約20%是房間隔缺損，在治療這種左向右分流缺損中常用方法包括經導管的封堵術或心胸外科的修復。對于臨床醫(yī)生來說，清楚了解缺損位置解剖的細微差別至關重要，這不僅能夠給病人提供最優(yōu)化的治療方案并且可以喚起對潛在不易被觀察到的房間隔缺損類型的注意。Eggen 等［28］使用發(fā)現有房間隔缺損存在人的體外灌注心臟，綜合應用各種成像方法以及內鏡視頻提供清晰的房間隔缺損3D 重建解剖功能結構信息，提高了臨床醫(yī)生考慮治療可供選擇的最優(yōu)方案。使用晶體灌流液復跳的人體心臟可以收集獨特的人體心臟工作圖像，更為重要的是可以建立免費的“人類心臟解剖圖譜”作為公共教育的用途，圖譜提供在解剖、生理和各種成像方法的免費教育教程。例如，在體外復跳過程中呈現包括電極、導管、瓣膜、瓣環(huán)成形術和支架等裝置的作用，同時擁有血管、血流、組織結構等比較性的超聲心動圖、CT 及MRI 的三維重建模型，以及心臟解剖結構及動態(tài)功能影像。

心臟MRI 在評估心肌運動的機械不同步方面有許多優(yōu)點:(1)能夠量化透壁周圍的應變心肌瘢痕負擔和分布;(2)圖像的獲得獨立于操作技巧，不依賴于技術問題，結果的重復性和準確性高;(3)更重要的是，心肌標志可以用來量化心臟起搏后機械運動的不同步性。然而，截至目前植入電極患者仍然是MRI 檢查的禁忌證，臨床上運用MRI 來評估心臟起搏后機械運動的不同步的報道極少。Michael 等［29］通過利用不適合捐獻條件的人體心臟建立起體外四腔心工作模型，進行右心室起搏后在1.5 T 核磁共振下進行顯像，觀察四腔心切面、短軸切面標記跟蹤室壁運動和心肌應變率，研究結果顯示在右心室尖起搏后左心室激動類型表現出心室內的不同步性，進一步深化了起搏位點與心肌收縮之間相互關系的認識。通過利用體外心臟工作平臺來改進MRI 顯像技術和兼容起搏系統(tǒng)發(fā)展，未來可以期待MRI 成為用來優(yōu)化心臟再同步化治療和選擇性起搏位點的候選成像方法。

3 展望

臨床上在心血管疾病的診療當中，超聲心動圖發(fā)揮著重要的作用，超聲心動圖顯像技術在經歷了50 余年的發(fā)展之后，已經由心臟解剖結構和血流的觀察評價階段進展到了在精確解剖結構基礎上的心臟功能的量化評價階段。

基于體外心臟可視化模型能夠為超聲心動圖精確顯示功能解剖，以及新技術的研究應用搭建新的平臺，人體心血管系統(tǒng)是一個系統(tǒng)性多構件參與的整合系統(tǒng)，單純觀察某一個系統(tǒng)構件的解剖與功能難以準確全面地反映和客觀評價臨床上多種疾病的心功能狀態(tài)?；诖四Ｐ头椒梢员阌诙喾N超聲可視化技術如基于彩色多普勒血流成像的血流向量標測技術、心肌聲學造影、心腔內超聲及高強度聚焦超聲等的綜合應用，為臨床提供心腔內流體動力學、心臟電生理學及心肌力學等準確可靠的診斷信息，構建系統(tǒng)性心腔內血流的流體力學狀態(tài)及其與心室壁心肌機械力學狀態(tài)、心臟電生理學狀態(tài)的可視化時空關聯(lián)關系，將有助于了解正常和疾病狀態(tài)下的心臟病理生理功能變化的全部過程，為心臟功能的全面精確評價開創(chuàng)全新的學科領域，為心臟疾病的類型和嚴重程度評價以及治療效果監(jiān)測提供可靠的診療信息，從而達到更精確有效地干預治療及生理性治療的目的。

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