活体超声心肌消融的生物学效应
黄晶 董军 李增高 王志刚 冉海涛 殷跃辉 罗开良 王智彪 赵纯亮 刘锦 刘光聪
摘 要 目的 探讨超声消融活体心肌的效应特征,提供导管超声用以治疗心律失常的实验基础。 方法 用10.4 MHz的超声导管消融10只活体犬心肌,观察消融深度、形态和温度变化及其与射频消融心肌效应的差异。 结果 超声在活体犬可产生深达10 mm的心肌消融,消融深度与消融时间呈良好相关且边界清晰;其热中心在心肌内部。而射频消融深度明显低于超声,其热中心在消融的心肌表面。 结论 超声可产生边界清晰且深入的心肌消融,消融深度可控,提示超声作为导管消融较为安全的能量适于消融深部病灶。
关键词；超声；消融；心肌
探讨高频高声强导管超声心肌消融的生物学效应特征,为超声作为新能源消融心室肌深部病灶治疗心律失常提供实验性依据。
, http://www.100md.com
资料和方法
设备:超声导管系统由重庆医科大学与电子工业部第26研究所共同研制。系统由超声信号源及超声导管组成。导管径7 F,顶端侧向安置(2.3×3.5)mm的锆钛酸铅压电晶片。发射方式为连续波,发射频率10.4 MHz。声强由幅射声压法测定,功率由放大电路电压控制。用国产Huanghe-DS 92 H型射频仪产生射频信号,用7 F Webster电极导管进行射频心肌消融。
动物:由重庆医科大学实验动物中心提供的健康杂种犬10只,重12～17 kg,以3%的戊巴比妥钠1 ml/kg静脉注射麻醉。气管切开并插入带气囊的气管导管。开胸并予气囊正压呼吸,切开心包并固定于胸壁上,以较好暴露心脏。
活体超声消融方法:将超声导管轻轻贴于左心室游离壁外膜上,以37℃生理盐水灌注晶片。设定声强为38 W/cm2,以15 s，30 s，45 s，60 s和90 s在不同部位心肌进行消融。以针形电热偶(重庆仪表材料研究所)记录消融结束即刻心外膜和心外膜下深约5 mm心肌的温度。随后摘出心脏,沿消融处垂直切开左心室壁,测量并观察消融深度、范围。随即留取组织学和电镜检查标本并送检。
, 百拇医药
未消融的左心室游离壁心肌立即置于经混合气体充分氧合的37℃K-H缓冲液中进行体外超声消融及射频消融试验。以38 W/cm2超声和40 W射频波各60 s分别对心室肌进行超声和射频消融,以针形电偶测量消融终点表面及心肌内0.5 cm处的温度,共进行5例。随后切开心肌观察消融区形态并测量消融深度。
结 果
1.超声活体心肌消融过程中和消融后犬的心率及心律稳定,偶有过早搏动。消融的心肌表面光滑无焦痂。沿声束方向切开心肌,由内向外是白色或暗褐色的中央区。中央区在心肌组织内部,绕以深红色的周边区,界限十分清晰,外围心肌略显苍白(图1)。以温度探针测得消融结束即刻的表面温度为43～53℃;探针插入心肌组织内部,测得其温度高于表面温度12℃以上,最高温度达78℃。
, 百拇医药
消融区由内向外形成暗褐-白-深红环状结构
图1 超声消融活体心肌切面图
2.活体超声消融以深红色周边区外缘为界,测量心室肌消融的深度。结果表明,以38 W/cm2声强不同时间消融,经方差分析表明时间组间存在差异显著(F=21.44,P<0.0001),消融45 s内,消融深度随时间迅速增加,各组间经q检验比较差异有显著性,45 s时消融深度达(10.19±1.75) mm,此后随时间增加,消融深度仅有轻微的增加。45、60、90 s组经q检验比较,各组间差异无显著性(表1)。消融时间和深度相关分析表明两者存在良好的线性相关(r=0.6652,P<0.0001)。消融区形态观察发现消融时间越长,消融区越接近圆形,而时间较短时,消融区近于椭圆形或矩形。
表1 活体超声心肌消融时间与消融深度的关系
, 百拇医药 组别
例数
消融时间(s)
消融深度(X±s,mm)
1
10
15
5.62±
1.12
2
10
30
8.44±
, http://www.100md.com
1.75
3
10
45
10.19±
1.75
4
10
60
10.36±
2.06
5
10
, http://www.100md.com
90
10.63±
2.01
此外消融深度与室壁厚度有一定关系,同样的超声条件在较厚的心室壁消融较深,反之则较浅,即使在较薄的心室肌亦难以形成完全透壁的消融。
3.活体心肌消融区切片苏木素伊红染色光镜观察发现,在中央区心肌固缩脱水,胞桨匀质一片,横纹消失,嗜伊红浓染,并有肌纤维断裂,核固缩及出血等改变。在深红色周边区有细胞肿胀和空泡样变性,横纹模糊,可见充血及出血(图2)。电镜观察表明,消融中心区广泛肌丝溶解,Z线增宽模糊呈波流状,核异染色质凝聚、边集,细胞器消失。在消融的深红色周边区可见肌丝溶解,T管扩大,肌桨网扩张,肌膜呈城垛样改变(图3),部分核固缩等。在深红色区的外围,仅见线粒体肿胀,局部空化。
, 百拇医药
肌纤维横纹模糊断裂，胞浆变性并有大量出血
图2 活体消融心肌光镜图(苏木素伊红染色 ×200)
4.体外心肌超声消融60 s后表面温度49～62℃,心肌内达68～84℃,消融区呈均匀的白色凝固样坏死且窄而深,可达透壁性消融,消融体积小但深度达(12.07±1.49) mm。射频消融60 s后,表面温度79～86℃,表面皱缩,或有焦痂,而膜内0.5 cm处温度为50～66℃。消融区呈均匀白色凝固样坏死,消融区宽而浅,呈以射频头为中心的半圆形(图4),深度(6.75±1.88) mm。
肌丝溶解，T管扩张，胞浆呈城垛样
, http://www.100md.com 图3 活体消融心肌电镜图
射频消融区宽而浅，超声消融区深而窄，并有极强的方向性
图4 体外心肌射频(左)及超声(右)消融切面图
讨 论
1.高频超声是近年正在探索的导管心内消融的新能源[1],对射频消融较为困难的深部病灶治疗表现出良好的应用前景[2,3]。由于超声与射频在消融机制和方式上有很大的不同[4],因而深入探讨超声消融的生物学效应特征对安全有效的心肌消融具有重要意义。
2.活体心肌消融试验未发现严重心律失常等副作用,表明在消融当时比较安全。温度探针检测表明在灌流良好情况下,心肌表面温度升高十分有限,而组织内温度则显著增高,大大高于心肌不可逆损害所需的50℃的水平[5]。表明虽然超声在心肌组织传播中逐渐衰减,但热核并不在探头上,而在心肌组织中,可能与组织内散热缓慢产生热量积聚有关。表面光滑无焦痂可能减少血栓等有害因子的形成。
, http://www.100md.com
3.活体心肌消融在消融中心区是完全凝固样坏死,环绕的深红色区为伴有大量充血、出血的严重损伤区,有明显的肌丝溶解及核固缩,为不可逆性改变。而外围的心肌损伤很轻,表明超声可在活体心肌内形成界限十分分明的损害。这一特征减少不必要的心肌损害,并降低损伤带形成心律失常起源处的可能性。
4.实验表明射频产生的消融体积大而表浅,其热核在射频消融大头电极与心肌接触的表面,外围的损伤灶由热扩散产生,与国内外学者的报道相似[6,7]。而体外超声消融试验表明其消融区在声束传导的路径上,由于没有心脏搏动的干扰,消融区窄而深,呈现出极强的方向性,表明了静止而无血循环时超声心肌消融的方式,由于没有心腔内及组织的血流散热,其消融更为深入。
5.活体超声心肌消融的深度显著大于射频消融的深度。且与消融时间呈良好相关,温度检测及形态观察表明消融的热核在心肌深部。当消融的时间愈长时,消融区愈近圆形,提示消融时热能向周围组织放射状扩散,时间愈长愈充分,消融区愈近于圆形。表明虽然强超声组织损伤可有多种机制[8-10],但组织内热积累与散热的平衡是决定消融范围的重要因素。同时消融的深度和形状在一定范围可控,为不同目的的心肌消融提供了选择参数的空间。
, 百拇医药
本组结果表明超声消融方式与射频消融显著不同,超声消融造成的心肌损伤边界清晰,深入而表面损伤小,提示超声有较高的安全性且适宜于心室肌深部消融,但其远期安全性需要进一步证实。
基金项目: 国家自然科学基金资助项目(39870740)
黄晶(400010 重庆医科大学第二医院心内科)
董军(400010 重庆医科大学第二医院心内科)
李增高(400010 重庆医科大学第二医院心内科)
王志刚(400010 重庆医科大学第二医院心内科)
冉海涛(400010 重庆医科大学第二医院心内科)
殷跃辉(400010 重庆医科大学第二医院心内科)
, 百拇医药
罗开良(400010 重庆医科大学第二医院心内科)
王智彪(400010 重庆医科大学第二医院心内科)
赵纯亮(电子工业部第26研究所)
刘锦(电子工业部第26研究所)
刘光聪(电子工业部第26研究所)
参考文献
1，He DS,Zimmer JE,Hynynen K,et al.Application of ultrasound energy for intracardiac ablation of arrhythmias.Eur Heart J,1995,16∶961-966.
2，Zimmer JE,Hynynan K,He DS,et al.The feasibility of using ultrasound for cardiac ablation.IEEE Tranactions on Biomedical Engineering,1995,42∶891-897.
, 百拇医药
3，Mary-Rabine L.Arrhythmia catheter ablation.New prospects.Eur Heart J,1995,16∶875-879.
4，董军,罗开良.超声导管消融的应用前景.国外医学,1998,25∶24-27.
5，Nath S,Haines DE.Biophysics and pathology of catheter energy delivery systems.Prog Cardiovas Dis,1995,37∶185-204.
6，屠洪,蔡绳,俞济舟,等.射频消融心肌温度分布的实验研究.中华心血管病杂志,1996,24∶387-390.
7，Haines DE,Veron AF.Observations on electrode-tissue interface temperature and effect on electrical impedance during radiofrequency ablation of ventricular myocardium.Circulation,1990,82∶1034-1038.
8，黄晶,王志刚,李增高,等.低频超声对大鼠坐骨神经传导的影响.中国超声医学杂志,1998,14∶4-6.
9，黄晶,王志刚,李增高,等.导管超声对兔肝组织细胞的生物学效应.中华肝脏病杂志,1997,5∶55-56.
10，黄晶,李增高,王志刚,等.低频超声心肌消融的生物学效应.中国超声医学杂志,1999,15∶1-3., http://www.100md.com
摘 要 目的 探讨超声消融活体心肌的效应特征,提供导管超声用以治疗心律失常的实验基础。 方法 用10.4 MHz的超声导管消融10只活体犬心肌,观察消融深度、形态和温度变化及其与射频消融心肌效应的差异。 结果 超声在活体犬可产生深达10 mm的心肌消融,消融深度与消融时间呈良好相关且边界清晰;其热中心在心肌内部。而射频消融深度明显低于超声,其热中心在消融的心肌表面。 结论 超声可产生边界清晰且深入的心肌消融,消融深度可控,提示超声作为导管消融较为安全的能量适于消融深部病灶。
关键词；超声；消融；心肌
探讨高频高声强导管超声心肌消融的生物学效应特征,为超声作为新能源消融心室肌深部病灶治疗心律失常提供实验性依据。
, http://www.100md.com
资料和方法
设备:超声导管系统由重庆医科大学与电子工业部第26研究所共同研制。系统由超声信号源及超声导管组成。导管径7 F,顶端侧向安置(2.3×3.5)mm的锆钛酸铅压电晶片。发射方式为连续波,发射频率10.4 MHz。声强由幅射声压法测定,功率由放大电路电压控制。用国产Huanghe-DS 92 H型射频仪产生射频信号,用7 F Webster电极导管进行射频心肌消融。
动物:由重庆医科大学实验动物中心提供的健康杂种犬10只,重12～17 kg,以3%的戊巴比妥钠1 ml/kg静脉注射麻醉。气管切开并插入带气囊的气管导管。开胸并予气囊正压呼吸,切开心包并固定于胸壁上,以较好暴露心脏。
活体超声消融方法:将超声导管轻轻贴于左心室游离壁外膜上,以37℃生理盐水灌注晶片。设定声强为38 W/cm2,以15 s，30 s，45 s，60 s和90 s在不同部位心肌进行消融。以针形电热偶(重庆仪表材料研究所)记录消融结束即刻心外膜和心外膜下深约5 mm心肌的温度。随后摘出心脏,沿消融处垂直切开左心室壁,测量并观察消融深度、范围。随即留取组织学和电镜检查标本并送检。
, 百拇医药
未消融的左心室游离壁心肌立即置于经混合气体充分氧合的37℃K-H缓冲液中进行体外超声消融及射频消融试验。以38 W/cm2超声和40 W射频波各60 s分别对心室肌进行超声和射频消融,以针形电偶测量消融终点表面及心肌内0.5 cm处的温度,共进行5例。随后切开心肌观察消融区形态并测量消融深度。
结 果
1.超声活体心肌消融过程中和消融后犬的心率及心律稳定,偶有过早搏动。消融的心肌表面光滑无焦痂。沿声束方向切开心肌,由内向外是白色或暗褐色的中央区。中央区在心肌组织内部,绕以深红色的周边区,界限十分清晰,外围心肌略显苍白(图1)。以温度探针测得消融结束即刻的表面温度为43～53℃;探针插入心肌组织内部,测得其温度高于表面温度12℃以上,最高温度达78℃。
, 百拇医药
消融区由内向外形成暗褐-白-深红环状结构
图1 超声消融活体心肌切面图
2.活体超声消融以深红色周边区外缘为界,测量心室肌消融的深度。结果表明,以38 W/cm2声强不同时间消融,经方差分析表明时间组间存在差异显著(F=21.44,P<0.0001),消融45 s内,消融深度随时间迅速增加,各组间经q检验比较差异有显著性,45 s时消融深度达(10.19±1.75) mm,此后随时间增加,消融深度仅有轻微的增加。45、60、90 s组经q检验比较,各组间差异无显著性(表1)。消融时间和深度相关分析表明两者存在良好的线性相关(r=0.6652,P<0.0001)。消融区形态观察发现消融时间越长,消融区越接近圆形,而时间较短时,消融区近于椭圆形或矩形。
表1 活体超声心肌消融时间与消融深度的关系
, 百拇医药 组别
例数
消融时间(s)
消融深度(X±s,mm)
1
10
15
5.62±
1.12
2
10
30
8.44±
, http://www.100md.com
1.75
3
10
45
10.19±
1.75
4
10
60
10.36±
2.06
5
10
, http://www.100md.com
90
10.63±
2.01
此外消融深度与室壁厚度有一定关系,同样的超声条件在较厚的心室壁消融较深,反之则较浅,即使在较薄的心室肌亦难以形成完全透壁的消融。
3.活体心肌消融区切片苏木素伊红染色光镜观察发现,在中央区心肌固缩脱水,胞桨匀质一片,横纹消失,嗜伊红浓染,并有肌纤维断裂,核固缩及出血等改变。在深红色周边区有细胞肿胀和空泡样变性,横纹模糊,可见充血及出血(图2)。电镜观察表明,消融中心区广泛肌丝溶解,Z线增宽模糊呈波流状,核异染色质凝聚、边集,细胞器消失。在消融的深红色周边区可见肌丝溶解,T管扩大,肌桨网扩张,肌膜呈城垛样改变(图3),部分核固缩等。在深红色区的外围,仅见线粒体肿胀,局部空化。
, 百拇医药
肌纤维横纹模糊断裂，胞浆变性并有大量出血
图2 活体消融心肌光镜图(苏木素伊红染色 ×200)
4.体外心肌超声消融60 s后表面温度49～62℃,心肌内达68～84℃,消融区呈均匀的白色凝固样坏死且窄而深,可达透壁性消融,消融体积小但深度达(12.07±1.49) mm。射频消融60 s后,表面温度79～86℃,表面皱缩,或有焦痂,而膜内0.5 cm处温度为50～66℃。消融区呈均匀白色凝固样坏死,消融区宽而浅,呈以射频头为中心的半圆形(图4),深度(6.75±1.88) mm。
肌丝溶解，T管扩张，胞浆呈城垛样
, http://www.100md.com 图3 活体消融心肌电镜图
射频消融区宽而浅，超声消融区深而窄，并有极强的方向性
图4 体外心肌射频(左)及超声(右)消融切面图
讨 论
1.高频超声是近年正在探索的导管心内消融的新能源[1],对射频消融较为困难的深部病灶治疗表现出良好的应用前景[2,3]。由于超声与射频在消融机制和方式上有很大的不同[4],因而深入探讨超声消融的生物学效应特征对安全有效的心肌消融具有重要意义。
2.活体心肌消融试验未发现严重心律失常等副作用,表明在消融当时比较安全。温度探针检测表明在灌流良好情况下,心肌表面温度升高十分有限,而组织内温度则显著增高,大大高于心肌不可逆损害所需的50℃的水平[5]。表明虽然超声在心肌组织传播中逐渐衰减,但热核并不在探头上,而在心肌组织中,可能与组织内散热缓慢产生热量积聚有关。表面光滑无焦痂可能减少血栓等有害因子的形成。
, http://www.100md.com
3.活体心肌消融在消融中心区是完全凝固样坏死,环绕的深红色区为伴有大量充血、出血的严重损伤区,有明显的肌丝溶解及核固缩,为不可逆性改变。而外围的心肌损伤很轻,表明超声可在活体心肌内形成界限十分分明的损害。这一特征减少不必要的心肌损害,并降低损伤带形成心律失常起源处的可能性。
4.实验表明射频产生的消融体积大而表浅,其热核在射频消融大头电极与心肌接触的表面,外围的损伤灶由热扩散产生,与国内外学者的报道相似[6,7]。而体外超声消融试验表明其消融区在声束传导的路径上,由于没有心脏搏动的干扰,消融区窄而深,呈现出极强的方向性,表明了静止而无血循环时超声心肌消融的方式,由于没有心腔内及组织的血流散热,其消融更为深入。
5.活体超声心肌消融的深度显著大于射频消融的深度。且与消融时间呈良好相关,温度检测及形态观察表明消融的热核在心肌深部。当消融的时间愈长时,消融区愈近圆形,提示消融时热能向周围组织放射状扩散,时间愈长愈充分,消融区愈近于圆形。表明虽然强超声组织损伤可有多种机制[8-10],但组织内热积累与散热的平衡是决定消融范围的重要因素。同时消融的深度和形状在一定范围可控,为不同目的的心肌消融提供了选择参数的空间。
, 百拇医药
本组结果表明超声消融方式与射频消融显著不同,超声消融造成的心肌损伤边界清晰,深入而表面损伤小,提示超声有较高的安全性且适宜于心室肌深部消融,但其远期安全性需要进一步证实。
基金项目: 国家自然科学基金资助项目(39870740)
黄晶(400010 重庆医科大学第二医院心内科)
董军(400010 重庆医科大学第二医院心内科)
李增高(400010 重庆医科大学第二医院心内科)
王志刚(400010 重庆医科大学第二医院心内科)
冉海涛(400010 重庆医科大学第二医院心内科)
殷跃辉(400010 重庆医科大学第二医院心内科)
, 百拇医药
罗开良(400010 重庆医科大学第二医院心内科)
王智彪(400010 重庆医科大学第二医院心内科)
赵纯亮(电子工业部第26研究所)
刘锦(电子工业部第26研究所)
刘光聪(电子工业部第26研究所)
参考文献
1，He DS,Zimmer JE,Hynynen K,et al.Application of ultrasound energy for intracardiac ablation of arrhythmias.Eur Heart J,1995,16∶961-966.
2，Zimmer JE,Hynynan K,He DS,et al.The feasibility of using ultrasound for cardiac ablation.IEEE Tranactions on Biomedical Engineering,1995,42∶891-897.
, 百拇医药
3，Mary-Rabine L.Arrhythmia catheter ablation.New prospects.Eur Heart J,1995,16∶875-879.
4，董军,罗开良.超声导管消融的应用前景.国外医学,1998,25∶24-27.
5，Nath S,Haines DE.Biophysics and pathology of catheter energy delivery systems.Prog Cardiovas Dis,1995,37∶185-204.
6，屠洪,蔡绳,俞济舟,等.射频消融心肌温度分布的实验研究.中华心血管病杂志,1996,24∶387-390.
7，Haines DE,Veron AF.Observations on electrode-tissue interface temperature and effect on electrical impedance during radiofrequency ablation of ventricular myocardium.Circulation,1990,82∶1034-1038.
8，黄晶,王志刚,李增高,等.低频超声对大鼠坐骨神经传导的影响.中国超声医学杂志,1998,14∶4-6.
9，黄晶,王志刚,李增高,等.导管超声对兔肝组织细胞的生物学效应.中华肝脏病杂志,1997,5∶55-56.
10，黄晶,李增高,王志刚,等.低频超声心肌消融的生物学效应.中国超声医学杂志,1999,15∶1-3., http://www.100md.com