离体工作心脏模型与心脏解剖功能可视化研究

张红梅，尹立雪

(四川省医学科学院·四川省人民医院超声医学中心，四川 成都 610072)

心血管系统功能解剖和血流动力学的可视化观察和量化评价一直是心血管疾病研究的热点和难点。由于心脏自身复杂的生理结构和功能表达，使其在体研究受到诸多限制。自1895年 Langendorff模型［1］创建以来，经过众多研究者的不断改良，使离体心脏模型在心血管系研究中的巨大作用日益显现。现就离体工作心脏模型与心脏解剖功能可视化研究进展综述如下。

1 建模方法

早在1628年，Harvey［2］就建成了简单的血液循环模型，并利用该模型阐明了血液循环运动的基本规律，创立了“血液循环学说”，阐述了心脏在血液循环中的作用。多年来，心血管专家和科研工作者长期关注和尝试在体外模拟人体心血管系统，并进行了大量的相关研究和假说验证。

1895年 Langendorff［1］成功在体外用 Krebs Henseleit晶体灌注液代替血浆，对哺乳动物离体心脏进行主动脉逆灌注，灌流液经冠状动脉口→冠状动脉→灌注静脉→冠状静脉窦→右房排出，使冠脉系统恢复灌流，提供心肌所需要的能量和氧气，从而使心脏恢复跳动，但该系统中各心腔并无填充，无法恢复心腔的有效容量负荷。

为更贴近在体心脏生理工作情况，1904年，Heymans和Kochmann［3］尝试用活体动物提供氧合血液来灌注另一动物的离体心脏，提出了共生支持系统模型构想。Gamble等［4］在1970年将一只大鼠麻醉和机械通气，行颈动、静脉插管，让颈动脉内的血液流入一个橡胶袋中，利用反馈仪器保持袋中血容量恒定，再将袋中血液泵入另一离体心脏的主动脉插管中，血液经冠脉系统流出流回颈静脉回到支持大鼠体内。此模型仍没有恢复心脏的有效容量负荷，且模型受供血动物全身因素的影响，流量和流速不易调控。

1967年，Neely［5］利用辅助循环装置，经左心房插管，将灌注液经肺静脉插管注入左房，经二尖瓣流入左心室，在左心室收缩时经主动脉排出，此时左心室起着压力-容量交换作用，在心室舒张时冠状动脉得到灌注而使心脏恢复跳动，建立了初步的离体工作心脏模型。但此类模型中右心系统仍然是空收缩。

2000年，Chinchoy等［6］将右心模型和工作心脏模型相结合，建立了猪的离体心脏四腔工作模型，利用Langendorff模型原理，逆行灌流使心脏复跳，通过两个蠕动泵将灌流液泵入到分别与肺静脉和下腔静脉连接的两个恒压溢流杯内，利用心脏自身的泵功能把灌流液经由主动脉和肺动脉泵出，回流到蠕动泵，完成心血管系统的循环。灌流方式为肺静脉→左房→左室→主动脉→冠脉系统和下腔静脉→右房→右室→肺动脉的顺行灌流，此时为工作四腔心模式。此模型通过调节液面高度来模拟左、右心系统的前、后负荷，使心脏恢复有效的容量和压力负荷，泵功能得以恢复;用晶体灌流液代替血液对离体心脏进行灌注，通过氧合器进行静脉血向动脉血的转换，用去氧池来实现动脉血向静脉血的转换，不仅很好地模拟了在体心脏工作环境和工作模式，同时加强了各个环节的可控性和可视化程度，为心血管系统功能解剖和血流动力学的定性、定量评价及可视化研究提供了全新的方法。

2005年，Hill等［7］又对此模型进行改进，加上了模拟动脉顺应性的装置，建成了人的可视化心脏模型，更进一步模拟了在体心脏工作环境，使主动脉的压力波动更接近在体情况。与此同时，已有恒压和/或恒流灌流，逆行灌流［1］和或顺行灌流等灌注模式［3～7］，以及晶体灌流液、血浆、代血浆等多种灌注液［1，5～9］被深入研究和比较。

2 离体工作心脏模型心脏可视化研究

离体工作心脏模型在心脏可视化研究方面的独特优点:①可视化程度高;②不受全身其他各因素的影响，便于心腔内血流动力学的实时监测和量化评价;③可实现多种复合影像方法同时观察记录;④便于制作多种心脏病理模型;⑤随时进行心脏任何部位的病理取材，进行功能解剖观察和病理观察的比较分析，开阔可视化研究的视野;⑥获取功能解剖资料后，将心脏固定在特定时相(如舒张末期)，进行显微解剖的观察，建立功能解剖、病理解剖和显微解剖的联系;⑦便于对各型心律失常电传导机制进行可视化分析。

2.1 心脏功能解剖结构的可视化 离体心脏工作模型为更好的理解各种动态因素与心脏复杂的解剖结构之间的关系提供了很好的模型。因其心腔内充满透明晶体灌流液，可多种手段实时观察心腔内各结构在心动周期中的变化，进行功能解剖结构成像［6，7］。同时根据需要获取心脏的各组织结构的病理切片或将人类心脏固定在某个心动周期进行镜下观测，显示心脏的显微解剖结构［10，11］，建立人类功能解剖、病理解剖、显微解剖之间的相互关系。

2000年，Chinchoy等［5］首次报道了猪的工作四腔心离体心脏模型的制作方法，并对在体情况和离体情况进行比较分析，发现在复跳1小时内，心脏各项功能与在体时比较没有显著性差异，在复跳180分钟内，收缩和舒张功能都维持在可接受的范围内。利用直径5.5 mm可弯曲导管和前置高分辨率数码相机分别由上、下腔静脉、头臂干及肺动、静脉等多途径进入各心腔，对心腔内和各瓣膜及其附属装置进行0.06秒/帧多角度连续拍摄，分析在心动周期中各瓣膜的运动情况和周围瓣膜附属结构(乳头肌、腱索)张力变化、心腔内容积、压力之间的相互关系［6，7，12，13］。清晰显示心腔内乳头肌、梳状肌、房间隔及其卵圆窝、室间隔等结构的功能特点和形态变化与周围组织结构的空间位置以及毗邻关系［11，13］。利用直径6 mm和2.5 mm高分辨率录像镜头和纤维镜对冠状静脉及其周围组织结构进行多方位观察，定性、定量分析冠状窦瓣的形态、位置以及与冠状窦口的位置变化，显示不同个体间冠状窦瓣大小、形态以及与冠状静脉窦口位置关系的差异［14～16］。通过直径1.8 mm的纤维内窥镜对冠状动、静脉血管床等更细小的解剖结构进行系统的可视化观察［7］。

离体工作心脏在心脏传导系统的观察中也起着重要作用，不仅清晰显示心脏的电机械传导路径和激动顺序，且便于研究各型心律失常的病理、生理和心内膜起搏电机械兴奋机制，并进行可视化分析［17］。离体工作心脏模型是研究起搏器兼容性和安全性的很好的模型，不受MR应用范围的限制(如植入起搏器后)，充分发挥MR在整体心肌构造显示上的优势。Eggen等［18］利用与MR兼容的离体设备建立人类离体工作心脏模型，用1.5T MR进行实验研究，定性、定量分析RVA起搏诱发室间隔及室内肌的不同步运动，进一步深化起搏位点对心肌收缩之间相互关系的认识。

离体工作心脏模型的扫查不受在全身因素的限制，可以多方位、多切面观察，使得很多新技术得以开展，如，用MR弥散张量成像技术分析心肌纤维的三维走形变化以及随着死亡时间的延长心肌纤维重建情况［19］，利用CMR(心脏磁共振)进行全心和左、右冠状动脉进行灌注、增强扫描，比较左、右冠状动脉阻塞后灌注区域和梗死面积的大小，精确评价和判断梗死冠状动脉的部位和面积的大小［20］，通过更高频率的超声探头直接对心肌内细微结构(如心肌纤维、肌小梁的排列方式，冠状动脉在心肌间的走形、分布等)的进行显示。使得多种复合影像方法比较心脏在多种病理情况下(如主动脉瓣狭窄、心肌肥厚等)功能解剖结构的变化［5，6，21］，并进行实时记录，建立免费网站“人类心脏解剖地图”，该“地图”展示了高分辨率内窥镜、纤维镜录制的心腔内解剖结构电影和X射线、超声心动图、CT及MRI等多种影像手段收集心脏多方面的解剖功能图谱(如主动脉钙化、狭窄等)以及计算机技术模拟的三维心脏动态解剖影像资料，为进一步进行心脏可视化手术、教学、科研等提供全面的解剖信息，是计算机医学深入研究的高级平台。

2.2 心脏血流动力学的可视化 随着磁共振血流成像技术、粒子显像速度测量技术(PIV)、超声多普勒血流速度标测技术(VFM)和激光多普勒测速技术的出现，为心血管系统血流动力学的可视化研究提供了很好的技术支持，实现了体外心血管模型和动物模型血管腔内血流速度向量的显示及评价，同时已经开始用于对人体进行观察［22］。大量研究表明左心室腔内流场变化受心脏体积、流率、搏动起始位点和多种室壁动力学事件的影响［23，24］。因在体研究受多种因素制约，而以往用于研究心脏流体力学的离体模型又与在体情况差异较大，使得如此多的心腔内流场测量手段均未能实现可靠的心腔内流场定量评估。

虽然至今仍没有一种离体心脏模型能完全模拟在体的生理情况，但2000年，美国Minnesota大学Visible Heart实验室建立的离体心脏可视化模型，为心血管系统血流动力学量化评价标准的建立提供了更为完整的研究平台。此模型在精确控制压力和流量的同时，利于多种检测手段同时观测分析特定因素对心腔内流场影响，便于定性定量分析造成血流动力学改变的各因素与心腔内流场之间的相互关系［5，6］。此模型可以展示诸多血流动力学细节信息，如多种人工心脏瓣膜的跨瓣压差、开口面积、动态及静态反流以及血液流场的影响等血流动力学性能，经导管瓣膜置换术后，瓣周血流动力学的变化等，对现有临床常用的各型瓣膜引起的血流动力学改变进行可视化分析［25］。同时收集影像资料，利用计算机进行模拟，建立心脏三维计算机流体力学模型。

2.3 心脏可视化治疗 随着经导管植入技术的提高、仪器装置的发展，微创介入瓣膜置换、封堵器、起搏器等植入装置的治疗范围正在逐渐扩大。而介入医生技术的精湛程度、术前精确解剖信息的提供以及介入治疗路径的选择都是手术成功的关键。

离体心脏可视化模型为介入医生提供了一个全新的视角来观测上述信息。在此模型基础上，利用微电极绘出传导电路图，进行选择性电消融实验，通过心腔内可视化显影和EnSite3000全三维心内膜标测系统，精确描述心脏电生理激活顺序和特性，实时、精确定位起搏位点，进行心腔内冷冻射频消融导管的临床前期试验和心脏起搏器植入研究［26～31］。通过多种成像手段全面收集心脏功能解剖和心脏植入装置与心脏自身解剖结构之间相互关系的影像资料，评估插入导管、经导管植入瓣膜、封堵器、起搏器、打开的球囊进入路径、插入深度、放置位点的选择，避免对周围组织的损伤(如冠状动脉口、传导束等)，减少并发症，使设计工程师和研究者可以多方面评估经导管植入装置，如导管进入长度、支架的型号、瓣膜的形态、大小以及瓣膜附件与周围组织结构之间的相互关系，推进医疗装置设备的快速发展［32，33］。

利用以上数据创建各种虚拟心脏模型，多角度观察各种心脏疾病所引起的心脏功能解剖结构的变化，以便制定更合理的治疗方案。对各类心脏手术操作过程进行模拟操作，为临床医师的培养提供实战现场，有利于治疗水平的整体提高［21］。

3 展望

离体可视化心脏模型的建立为超声功能解剖的认识和新技术的研究提供了便捷的途径。在此模型的基础上便于高频超声、彩色多普勒血流成像、心肌超声造影以及腔内超声、高强度聚焦超声等多种技术的综合应用，为临床提供高效、精确的诊断信息，是实现诊疗一体化的有效手段。

在可视化心脏模型的基础上，获取心腔内任意两点的速度向量和压力的同时，进行多种方法来观测心腔内流场，依此来评价现有多种心腔内流场测量技术(如PIV、VFM等)的准确性，并有助于制定量化评价标准;将所获取的各种影像资料，利用虚拟现实技术(VR)和科学计算可视化技术(VISC)创建虚拟环境，在计算机提供的三维空间中，观察心脏的功能解剖结构、血液流动变化以及对各种药物的反应，制定合理的手术方案，精确选择植入装置的类型和型号，观察移植瓣膜、植入起搏器、封堵器以及插入导管与心脏组织结构的相互关系，实时评估治疗效果。有了这样的平台，相信我们的手术医师的技术会更精湛，微创和无创手术应用更广泛，医疗装置和手术方案更加个体化和人性化。

［1］Langendorff O.Untersuchungen am uberlebenden Saugethierherzen［Investigations on the surviving mam-malian heart］［J］.Pflugers Arch fur die Gesante Physiologie des Menschen und der Tiere，1895，61:291-332.

［2］Harvey W.De Motu Cordis［M］.London，1628.

［3］Heymans JF，Kochmann M.Une nouvelle méthode de circulation artificielle à travers le couer isolé de mammifère［J］.Archs Intern Pharmacodynamie et de Thérapie，1904，13:531-539.

［4］Gamble WJ，Conn PA，Kumar AE，et al.Myocardial oxygen consumption of blood-perfused，Isolated，supp-orted，rat heart［J］.Amerian Journal of physiology，1970，219:H604-H612.

［5］Neely JR，Liebermeister H，Battersby EJ，et al.Effect of pressure development on oxygen cons-umption by isolated rat heart［J］.Am J Physiol，1967，212:804-814.

［6］Chinchoy E，Soule CL，Houlton AJ，et al.Isolated four chamber working swine heart model［J］.Ann Thorac Surg，2000，70:1607-1614.

［7］Hill AJ，Laske TG，Coles JA，et al.In vitro studies of human hearts［J］.Ann Thorac Surg，2005，79:168-177.

［8］Pasini E，Solfrini R，Bachetti T，et al.The blood perfused isolated heart:characterization of the model［J］.Basic Res Cardiol，1999，94:215-222.

［9］Sutherland FJ，Hearse DJ.The isolated blood and perfusion fluid perfused heart［J］.Pharmacol Res，2000，41:613-627.

［10］Neubauer S，Ingwall JS.The Isolated，Buffer-Perfused Ferret Heart:A New Model for the Study of Cardiac Physiology and Metabolism［J］.Lab Anim，1991，25:348-353.

［11］Anderson SE，Hill AJ，Iaizzo PA.Microanatomy of human left ventricular coronary veins［J］.Anat Rec(Hoboken)，2009，292(1):23-28.

［12］Araki Y，Usui A，Kawaguchi O，et al.Pressure-volume relationship in isolated working heart with crystalloid perfusate in swine and imaging the valve motion.European journal of cardio-thoracic suigery［J］.Official journal of the European Association for cardio-thoracic Surgery，2005，28:435-442.

［13］Jimenez JH，Soerensen DD，He Z，et al.Effects of papillary muscle position on chordal force distribution:an in-vitro study［J］.J Heart Valve Dis，2005，14(3):295-302.

［14］Anderson SE，Quill JL，Iaizzo PA.Venous valves within left ventricular coronary veins［J］.J Interv Card Electrophysiol，2008，23(2):95-106.

［15］Hill AJ，Coles JA，Sigg DC，et al.Images of the human coronary sinus ostium obtained from isolated working hearts［J］.Ann Thorac Surg，2003，76(6):2108.

［16］Hill AJ，Ahlberg SE，Wilkoff BL，et al.Dynamic obstruction to coronary sinus access:the The besian valve［J］.Heart Rhythm，2006，3 (10):1240-1241.

［17］Groot JR，Wilms-Schopman FJ，Opthof T，et al.Late ventricular arrhythmias during acute regional ischemia in the isolated blood perfused pig heart.Role of electrical cellular coupling［J］.Cardiovascular Research，2001，50:362-372.

［18］Eggen MD，Bateman MG，Rolfes CD，et al.MRI assessment of pacing induced ventricular dyssynchrony in an isolated human heart［J］.J Magn Reson Imaging，2010，31(2):466-469.

［19］Eggen MD，Swingen CM，Iaizzo PA.Ex vivo diffusion tensor MRI of human hearts:relative effects of specimen decomposition［J］.Magn Reson Med，2012，67(6):1703-1709.

［20］Schuster A，Grünwald I，Chiribiri A，et al.An isolated perfused pig heart model for the development，validation and translation of novel cardiovascular magnetic resonance techniques［J］.J Cardiovasc Magn Reson，2010，12:53.

［21］Iaizzo PA，Hill AJ，Laske TG.Cardiac device testing enhanced by simultaneous imaging modalities:the Visible Heart，fluoroscopy and echocardiography［J］.Expert Rev Med Devices，2008，5(1):51-58.

［22］尹立雪.心腔内血液流场及流体力学状态的可视化观察及量化评价［J/CD］.中华医学超声杂志(电子版)，2009，6(3):427-431.

［23］Sengupta PP，Khandheria BK，Kofinek J，et al.Left ventricular isovolumic flow sequence during sinus and paced rhythms:new insights from use of high-resolution Doppler and ultrasonic digital particle imaging velocimetry［J］.J Am Coll Cardio l，2007，49:899-908.

［24］尹立雪，李文华，陆景，等.单点双极选择性心脏起搏犬左心室腔内流场状态的超声观察［J/CD］.中华医学超声杂志(电子版)，2010，7(2):167-191.

［25］Yoganathan AP，Chandran KB，Sotiropoulos F.Flow in prosthetic heart valves:state-of-the-art and future directions［J］.Ann Biomed Eng，2005，33(12):1689-1694.

［26］Laske TG，Skadsberg ND，Iaizzo PA.A Novel Ex Vivo Heart Model for the Assessment of Cardiac Pacing Systems［J］.Transactions of the ASME，2005，127:894-898.

［27］Love CJ，Ahlberg SE，Iaizzo PA.Novel visualization of intracardiac pacing lead extractions:method-ologies performed within isolated canine hearts［J］.J Interv Card Electrophysiol，2009，24:27-31.

［28］Lai D，Liu C，Eggen MD，et al.Cardiac source localization by means of a single moving dipole solution during endocardial pacing in an animal model［J］.Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc，2009，29:1778-1780.

［29］Ahlberg SE，Yue AM，Skadsberg ND，et al.Morgan JM.Investigation of pacing site-related changes in global restitution dynamics by noncontact mapping［J］.Europace，2008，10(1):40-45.

［30］Lai D，Liu C，Eggen MD，et al.Localization of endocardial ectopic activity by means of noninvasive endocardial surface current density reconstruction［J］.Phys Med Biol，2011，56(13):4161-4176.

［31］Quill JL，Laske TG，Hill AJ，et al.Direct visualization of transcatheter Pulmonary valve implantation within the Visible Heart a glimpse into the future［J］.Circulation，2007，116:548.

［32］Iaizzo PA.The functional anatomy of human cardiac valves and unique visualization of transcatheter-dlivered valves being deployed［J］.Conf Proc IEEE Enq Med Biol Soc，2009:1098-1099.

［33］Quill JL，Bateman MG，St Louis JL，et al.Edge-to-edge repairs of P2 prolapsed mitral valves in isolated swine hearts［J］.J Heart Valve Dis，2011，20(1):5-12.