作者
BatemanMichaelG.1,IaizzoPaulA.1
1DepartmentofSurgeryandtheInstituteforEngineeringinMedicineattheUniversityofMinnesota,Minneapolis,MN,USA
译者
余志敏，医院
审校
翁震，上海交通大学医学院
摘要
近年来，介入性心脏病学和心脏外科学领域取得重大进步，这使内外科医生可在更大范围的患者人群中进行心脏瓣膜修补或置换手术，并已取得重大成功。这些进步的关键在于，心脏成像的明显改善和医生或工程师对瓣膜的解剖学与形态学基本认识的提高。本篇文章将描述一系列新技术，这些技术在VisibleHeart?实验室中被工程师、科学家、解剖学家运用以便对四个心脏瓣膜的结构和功能进行可视化分析，进而评估可能的修复或替代疗法。研究人员利用多种成像方式以及特制的解剖标准对大型哺乳动物心脏（包括人类心脏）进行重现，这使新型心脏治疗方法的设计、发展和检测得以提高。
介绍
VisibleHeart?实验室已发展了一系列研究方案，对正常和病患人中的心脏瓣膜进行成像分析。迄今，实验室已经收集和保存超过个人类心脏，其中51个是通过VisibleHeart?的方法进行重现的（1）。实验室具有如下资源：（I）物理标本（固定和塑化的）；（II）传统解剖钢板；（III）荧光、超声心动图、磁共振（MR）和计算机断层扫描（CT）图像；（IV）功能性视频；（V）数字模型，因此我们实验室可以为比较不同疾病的心脏瓣膜解剖结构提供资源。此外，利用VisibleHeart?方法可以为大型哺乳动物心脏重现提供如下资源：（I）为设备设计者精确评估原型提供一种快速方法，（II）为临床医生发现新的或有问题的临床系统/技术配置提供可视化机会。未来心脏瓣膜病治疗的临床应用将包括不停跳的心脏手术，其中许多方法已上市，瓣膜植入可能会利用多重同步成像设备（如在一个混合操作室）。多重成像设备联合使用将有利于促进多方面的设备配置，保证递送设备的正确方位及在实验和临床情况下对植入后的心功能进行紧急评价。
我们实验室已研究了多种类型经导管植入心脏瓣膜的植入过程，并对目前的外科修补术进行了评估，此外，还模拟了各种心脏瓣膜病理以促进该领域的发展。这些瓣膜已被安放到本身和修饰后的主动脉瓣，二尖瓣，肺动脉瓣的解剖位置以模拟：（I）心脏跳动程序（“射血泵关闭”或微创）的可能范围；（II）解剖学异常（例如，腱索破裂或瓣膜钙化）。
背景
瓣膜解剖学与静态成像
随着非侵入性高分辨率成像的出现，心脏医学中心已有能力采集心肌收缩、血液流动和瓣膜功能的详细影像，临床医生和工程师对功能性人体心脏解剖结构认识也迅速进展。对心脏瓣膜解剖及其相关病理学的精确理解仍是心血管医学和心脏设备工业的重要基础（2,3）。换言之，对心血管解剖的良好理解在各级设备设计、开发及最终临床应用中至关重要（4）。我们实验室拥有收集大量新鲜人心脏标本用于教学和研究的资格，这些标本来自：（I）不能用于器官移植的器官捐献者心脏；（II）捐赠给明尼苏达大学解剖遗赠计划的遗体（5）。这一器官库为开放资源，可持续为研究者提供潜在瓣膜技术与人体心内解剖结构相互作用的重要见解。除了特定的解剖研究外，研究人员还可完成心瓣膜的植入，并可对这些瓣膜如何与周围的心脏结构发挥相互作用进行快速比较。
有时，我们实验室会收到存在瓣膜病变或先天缺陷的心脏，如房室瓣纤维化，主动脉瓣钙化（图1A），或双孔二尖瓣（图1B）（5,7）。
图1（A）一个灌注固定心脏的主动脉瓣钙化的图像；（B）在VisibleHeart?设备H欧诺法双孔二尖瓣影像。修改自“人类心脏解剖图集”（6）。
通过多层CT和磁共振成像（如1.5T，3T或更大），来自VisibleHeart?文库的心脏静态成像可帮助我们进行数字图书馆的创建（8）。通过将心脏嵌入琼脂凝胶，我们已能通过使用各种临床设备来获取高质量的图像。该方法的优点在于：（I）减少成像期间的运动伪影；（II）每种成像设备可以获得一致的标本取向；（III）长时间的标本保存。图2所示为一些来自这些成像研究的结果，展示了其高分辨率成像的能力。
图2来自VisibleHeart?库中灌注固定心脏的影像。（A）四腔长轴心脏超声视图（左上图）；（B）四腔长轴MRI视图（左上图）；（C）心室水平的短轴CT图动脉前室间部出现钙沉积，心肌已用红色标记以利观看（左下图）；（D）瓣膜水平短轴MRI视图（右下图）。LA，左房；LV，左室；RA，右房；RV，右室。修改自Eggen等人的内容（8）。
最近，Tsang等人对30个灌注固定的心脏进行了评估，并通过三维超声心动图、CT和磁共振成像确定主动脉瓣环的尺寸（9）。自身瓣环大小的测量是经导管植入主动脉瓣过程中的一个关键步骤，这些研究为每个成像设备测量自身瓣环大小的能力提供了独特的思考。
高分辨率图像的获得为使用如Mimics（Materialise,鲁文,比利时）等软件包进行3D图像重建提供了可能。这些重建已用于推动人类心脏数字解剖学图书馆建设，并且选定的标本反过来已被用于3D心脏模型的打印。精确模型是提供给实验室面向学生和工程师的教育工具，见图3。
图3（A）一张从高分辨率MRI图像模拟的半切的三维重建模型的截图；（B）作为3D模型打印的同一心脏图像。
VisibleHeart?
过去15年中，我们在明尼苏达大学的实验室已与美敦力公司合作来进一步开发和利用用于心脏设备研发的VisibleHeart?方法。这些方法包括，运用ChinchoyandHill标准进行的心脏移除（1,10）。一经分离，心脏即进行插管、灌注、除颤并最终具有四腔泵血的功能（通常可诱发窦性心律）。复苏后，心脏和全身血压与输出量可被监测，心脏前后负荷可进行调整以模拟全身性血管病理状态如肺动脉高压或全身高血压。我们实验室常规使用各种成像技术（包括内窥镜和纤维镜），并将它们与临床其他方法（如透视和超声心动图）进行比较。这就为人和动物心脏的正常和异常功能性解剖提供了独特的比较尺度，比较范围不仅包括特定的心腔，也包括血管（7）。
离体心脏方法、设备的专利扮演着多重角色，它使手术可以在Langendorff、右侧模式或四腔模式（1,11,12）时工作。在Langendorff灌注模式中，左心后负荷恒定维持在冠脉灌注压约60-80mmHg的水平（1）。因此，冠脉血流由冠脉本身的收缩和舒张决定。右侧工作模式将Langendorff冠脉灌注的逆流与顺流模式或生理情况下右心房和右心室的血流（调节在3-5L/min之间）相结合。在四腔工作模式中，流经心脏的血流由固有心率和心室收缩力决定。需要注意的是，固有心率可通过改变缓冲液的温度或加入变时性药物（如多巴酚丁胺）进行调整。虽然没有一种模型可以完美地模拟体内情况，但通过控制前后负荷，VisibleHeart?的方法使各种心脏状态的再现成为可能。我们也可以通过对一个特定心脏方向的改变，来获得临床相关的医学图像和/或在准备进行的临床手术中模拟心脏相对方向。
在研究心瓣膜时，如果处于四腔工作模式，保证主动脉瓣（左侧）和肺动脉瓣（右侧）在左室收缩时打开而在舒张时关闭尤为重要。最初，多余的缓冲液在舒张期通过开放的二尖瓣（左侧）和三尖瓣（右侧）流入心室，即对应于心脏前负荷。与此同时，外加于主动脉和肺动脉的后负荷远大于心室压力，从而能有效分别关闭主动脉瓣和肺动脉瓣。收缩开始时，二尖瓣和三尖瓣由于心室压力的增加而关闭。一旦右室压超过主动脉压（已施加的左心后负荷）主动脉瓣打开而后血流经主动脉被射出。肺动脉瓣作用机制与此类似，当右室压超过（已施加的右心后负荷）肺动脉压，肺动脉瓣即被打开。通常，由于开始不完全密封和/或偶然的空气掺入，在心脏超声成像中可观察到血流中有些许微气泡，但这并不妨碍成像，而且实际上有助于湍流模式的可视。此外，在任何上述模式中，我们都可通过添加儿茶酚胺和/或一定剂量的钙离子上调/增强血流动力学功能。
迄今，VisibleHeart?模型为科学家、工程师和临床工作者更好的理解心脏的动态力学，复杂解剖结构如何与一系列心脏设备（如同步和除颤电极、压力传感器、瓣膜和封堵器）相互作用提供了心脏模型。我们将进一步提高我们系统和方法的整体利用情况，如从改善机械性质到在缓冲液中加入新型化学添加剂。
功能解剖结构与瓣膜疗法?的可视化
如上所述，通过利用内镜视频系统结合临床成像设备如透视（连续X线）和心脏超声（超声心动图），我们已能创建新型对比解剖方法。这为内科医生在临床设备中可见的影像提供了一种直接可视化机会，因此这对设备和传输系统的性能提供了有价值的思考（1,10）。再者，所有人类解剖学标尺已经被放在免费网站—“TheAtlasofHumanCardiacAnatomy”供公众教育使用（6）。该网站特别包含处于工作状态的心脏解剖结构的视频片段，也包含使用超声，透视和MRI的比较影像。人类心脏成像见图4-7。
图4与沿瓣环放置Marinr导管一起的三尖瓣成像使用了：（A）.置于右心室内的内镜（左上图）；（B）置于右房内的内镜（右上图）；（C）前后位透视（左下图）；（D）超声（右下图）。修改自“人类心脏解剖图集”（6）。
VisibleHeart?在经导管瓣膜装置开发中的应用
此外，VisibleHeart?的方法可在接近正常血流动力学情况下（左心室收缩压70-mmHg），用于植入瓣膜的内部和外部图像的获取。这些图像可用于外科手术（图5）和经皮（图6,7）装置植入的评估，并为输送导管、放置球囊、支架和组织瓣膜的性能提供深层的思考（北京哪看白癜风好北京白癜风最好医院在哪
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