小型猪心冠状动脉铸型的解剖结构及其意义

陈小宇 欧剑扬 马关华 梁宇豪 陈进军

广东省肇庆市中医院影像科 526020

广西巴马小型猪是品质优良的实验动物研究模型之一,由于小型猪心脏在解剖形态、心肌缺血及侧支形成等方面与人心脏相似度高,常被用作于开展人心脏冠状动脉疾病、异种器官移植等模拟研究,具有较高的学术意义及临床实践价值[1-3]。近年来,随着无创CT冠状动脉血管成像技术(CCTA)发展,为构建小型猪与人心冠状动脉缺血三维模型比较研究奠定基础。目前,有关小型猪心冠状动脉的解剖结构及其三维模型资料较少,本研究基于血管铸型和mimics重建技术详细描述小型猪心冠状动脉的走行、分布、血供及三维成像情况等,并与人冠状动脉解剖结构进行比较,旨在为异种心脏移植可能性提供血管三维形态学数据。

1 材料与方法

1.1 模型处理 (1)选取成年健康的普通广西巴马小型猪11只,雌性4只,雄性7只,体重16～20kg,由南方医科大学动物实验中心[SCXK(粤) 2018-0149]提供,饲养于肇庆医学高等专科学校动物实验中心普通级实验室[SYXK (粤) 2018-0025]。外科实验后6h内切取完整心脏11个(均保留升主动脉),外观及大血管无损伤。(2)于小型猪心脏升主动脉处逆向向近心端插管后并结扎,然后用50mL塑料注射器多次抽取5%普通肝素生理盐水进行反复灌注冲洗,直至心房或静脉端流出清澈液体即可,在通风处静置4～6h。

1.2 材料准备

1.2.1 铸型制作及包埋试剂:E-51环氧树脂及固化剂(广东翁江化学试剂有限公司生产),环氧树脂增韧剂(眉山嘉顺化工科技有限公司生产),环氧树脂消泡剂(广州玉恒化工材料有限公司生产),红色氧化铅金属造影粉末,马利牌油画颜料,水晶AB胶(深圳市欧斯邦新材料有限公司生产),游标卡尺、塑料注射器、DJ1C-100W增力电动搅拌器、真空消泡机、打磨抛光机、1000 #～5000 #水磨砂纸等。

1.2.2 三维重建设备:西门子64排128层螺旋CT,Mimics19.0软件。

1.3 铸型标本制作及包埋 首先用50mL注射器反复向插管内注入空气以排出管道内残余水分,然后配制环氧树脂混合液—氧化铅(100mL∶150g)填充剂[4]进行缓慢灌注,边推注边观察小型猪心左、右冠状动脉充盈情况,推注过程中适度控制压力,直至冠状动脉末梢分支出现红色微小红斑应立即停止,以免填充剂进入心腔内。静置6～12h待填充剂完全硬化后放入37%浓度盐酸腐蚀,3～5d后将标本取出后在自来水中进行疏密打枝,得到小型猪心冠状动脉铸型后进行拍照保存。再用浓度为10%的过氧化氢溶液处理小型猪心冠状动脉铸型标本表面的杂质,直到标本表面无气泡产生。然后按照铸型标本体积比的1.5倍制作固定包埋模具。再分别用两根鱼线缠绕在小型猪心冠状动脉铸型标本的主干上,进行上下牵线,先将下面的鱼线用胶带固定在膜具底面正中央,再把上面的鱼线悬挂起来,确保小型猪心冠状动脉悬于模具内正中央,然后使用注射器抽取水晶滴胶混合液(A胶∶B胶=2.8mL∶1mL)[5],在DJ1C-100W增力电动搅拌器中进行搅拌,直到A胶与B胶充分混合,无絮状物为止,再移入真空消泡机中,反复缓慢地抽气,直至气泡完全消失,浇筑标本至模具上缘,静置12～18h固化后经脱模、打磨及抛光研磨至透亮即可。

1.4 CT扫描建模 基于小型猪心冠状动脉铸型标本或水晶包埋后铸型标本模型进行128层螺旋CT扫描(相关参数:重建层厚0.6mm,重建层距0.35mm),扫描获得DICOM格式数据集导入Mimics19.0软件进行三维建模,通过调整阈值范围分割构建显示小型猪心冠状动脉的数字化三维模型。

2 结果

2.1 小型猪心冠状动脉走行及分布特点 小型猪心脏血供主要来源于左、右冠状动脉,分别始于主动脉根部的左窦和前窦,左、右冠状动脉在走行过程中发出主要分支测量数据及分布特点,见表1和图1。

前面观

表1 小型猪心冠状动脉数据测量结果

2.1.1 左冠状动脉。从主动脉根部的左窦发出,较为粗大,起始外径为(4.85±0.68)mm,经肺动脉与左心耳之间向前下行,至左缘附近分出锥旁室间支(前降支和左旋支,其中锥旁室间支为左冠状动脉主干的延续,起始外径为(3.68±1.01)mm,沿着锥旁室间沟走行,沿途发出4～9条室间隔支,营养室间隔的前2/3区域。在前下行至(16.32±2.45)mm处发出对角支。左旋支较前降支稍细,走行于冠状沟,与右冠状动脉的横支相吻合,很细长、弯曲,沿途发出一支管径较粗的左缘支,一直分布到心左缘。在继续走行过程中发出2～3条左房后支,互相并列,像毛刷状,向下垂直于左心室。左冠状动脉主要营养左心房、左心室及大部分室间隔。

2.1.2 右冠状动脉。从主动脉根部的前窦发出,起始外径为(4.56±0.86)mm,在动脉圆锥和右心耳之间下行入冠状沟后发出窦下室间支和右旋支,其中窦下室间支起始外径为(2.14±0.77)mm,沿窦下室间沟下降至附近心尖,成为右室前支,有3～5条细小分支,呈毛刷状,分布于右心室的前壁。右旋支起始外径为(3.28±1.43)mm,绕向右后方至房室交界处沿后室间沟下降,成为右室后支,有2～3条细小分支,大部分在右心室的后壁。

2.2 小型猪冠状动脉铸型包埋及三维建模 通过水晶胶包埋后小型猪冠状动脉模型透明度高,造型精细美观,无气泡产生且无铸型支断落。透过固化水晶胶可以全方位清晰观察到小型猪心左、右冠状动脉铸型支分布及其走行结构,方位立体感强(见图2)。利用CT分别对未包埋小型猪心冠状动脉铸型标本和水晶包埋后铸型标本模型进行扫描,将上述两组数据分别导入Mimics19.0软件并调整阈值(未包埋:-200～3 071HU;包埋后:1 074～3 071HU)分别构建两组小型猪心冠状动脉的三维可视化模型,结果显示:未包埋和包埋后重建三维模型效果逼真,清晰度高,且通过虚拟仿真操作,操作者可以在个人PC中全方位观察到左右冠状动脉的主要分支走行特点及分布情况,与原始铸型标本相一致,空间立体感强(见图3)。

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3 讨论

3.1 小型猪心冠状动脉与人心冠状动脉比较 一直以来,小型猪心脏研究作为人心异种移植首选供体。根据本研究铸型结果观察,小型猪心冠状动脉的配布与人心冠状动脉非常相似,但也存在一定差异,具体为:(1)左冠状动脉分支分布范围:人左冠状动脉自主动脉左窦发出前室间支和左旋支,其中前室间支走在心外膜上,较粗大,向前下行中沿途发出2～4条对角支占86.33%,2～4条室间隔支占83.33%,走行于室间隔右侧的心内膜下,于后降支的隔支血管相吻合。小型猪锥旁室间支也起始于左冠状动脉,与人前室间支走行相近似,沿途也发出2～9条对角支占94.86%。人左旋支沿左房室沟走行,约40%发出窦房结动脉,沿途也发出不恒定数目左缘支,一般为3条,出现率为96.54%[6-7],后向下延伸至左心室的顿缘或房室交接处。小型猪左旋支沿左冠状沟行走发出恒定左缘支,延伸进入心肌。提示小型猪左缘支不适合做人心肌缺血模型研究。(2)右冠状动脉分支分布范围:人右冠状动脉沿后室间沟下行发出后降支至房室交界区后,75.68%发出3～6条后外侧分支止于左心室的后外侧壁,而小型猪右冠状动脉沿右纵沟下行发出右旋支至房室交界区向下折转而成近似呈“U”字形,86.94%止于心尖部,心脏在这个区域的冠状动脉的解剖结构常有变异。(3)冠状动脉分支吻合情况:人左冠状动脉发出圆锥支与右冠状动脉的圆锥动脉互相吻合形成Vieussens环,出现率为89.65%。小型猪左、右冠状动脉发出心房支在下腔静脉处、室间隔动脉在室间隔内分别互相吻合。因此,可以选择性结扎小型猪左右冠状动脉的心房支,制作模拟人窦房结动脉缺血再灌注动物模型。

3.2 铸型技术与Mimics软件构建小型猪心冠状动脉血管网意义 铸型技术是显示血管走行及分布的较好方式[8],本研究通过在小型猪心脏冠状动脉灌注含氧化铅造影填充剂,硬化后铸型标本不仅能够显示小型猪心冠状动脉各级分支分布,建立心脏供血立体实物模型;还能利用CT扫描和Mimics软件构建其三维重建模型,能在PC端虚拟环境清晰地显示小型猪心冠状动脉的走行及分布情况,与铸型标本相一致。两种显示方式相结合优势在于:(1)降低制作成本,每制作一件小型猪心冠状动脉血管铸型,需要消耗一个新鲜小型猪心脏。而基于灌注造影剂的铸型标本重建其三维数字化模型,其可以利用3D打印技术实现批量生产,有效节省原始实物标本的消耗,较大地降低制作成本。(2)互补性强,铸型标本作为实物模型,观摩者能够更加直观认识冠状动脉血管网形态、分布及互相吻合情况,其构建性强。其三维数字化模型可以在PC端虚拟环境进行仿真切割、旋转、手术模拟、手术优化等操作[9-10],且操作失误可以撤回,可以重复利用,在很大程度上弥补铸型标本不可以重复操作性。因此,铸型技术与Mimics软件重建三维模型对构建小型猪心冠状动脉血管网特征提供了实际经验。

3.3 铸型包埋的优势及注意事项 血管铸型标本分支比较脆,常规用有机玻璃盒瓶装保存,要定期更换保存液,且携带不方便,易损坏铸型标本。本研究采用水晶胶包埋方式,保存周期长,克服有机玻璃盒保存不便携带的缺点。同时本实验证明包埋前后的血管铸型标本的三维重建模型与原铸型标本的血管走行及分布一致,且包埋后铸型标本环保性强,便于携带。且本实验使用的水晶胶配方A、B胶体积比为2.8∶1,与传统水晶胶包埋时的配方相比,减少了B胶(固化剂),延长了水晶滴胶的固化时间,降低凝固时的剧烈放热程度,使得胶体可更好地散热,从而减少气泡和爆聚现象的产生,不仅提高包埋制作的成功率,而且水晶胶的阈值为零,经CT扫描后重建的三维模型基本一致。包埋过程的注意事项:(1)经过氧化氢溶液处理的标本需晾干再进行包埋,避免其与水晶胶反应,导致胶体浑浊;(2)抽取水晶胶的注射器,需擦除活塞上的润滑油,其与水晶胶反应也可导致胶体浑浊,影响铸型标本的包埋。

综上所述,由于小型猪心冠状动脉血管网与人心冠状动脉的相似度高,通过血管灌注与三维重建技术可直观显示虚拟和现实小型猪冠状动脉的三维状态,对构建模拟研究人心肌缺血、梗死病变部位等疾病提供了较好理论仿真平台和实践工具。