低频超声心肌消融的生物学效应
作者：黄 晶 李增高 王志刚 曾晓荣 刘自飞 罗开良 董 军 冷 志 张海澜 方启平 颜忠余
单位：400010 重庆医科大学第二医院(黄 晶、李增高、王志刚、罗开良、董 军、冷 志)，泸州医学院心肌电生理研究室(曾晓荣、刘自飞)，中国科学院声学研究所(张海澜、方启平、颜忠余)
关键词：低频超声；心肌消融
中国超声医学杂志990101 摘 要 目的：探讨低频超声心肌消融用以治疗心律失常的可行性及副作用。方法：以34KHz连续波超声作用于活体兔外膜心肌，记录工作中心肌细胞动作电位的变化及结构变化。结果：超声处理后心肌未见搏动及传导异常，经8W/cm超声消融后心肌细胞静息电位水平明显提高，0相最大除极速度及动作电位幅度明显降低。以26W/cm声强消融后跨膜动作电位消失。观察发现消融近端心肌凝固样坏死，内膜心肌(距外膜4～6mm)细胞器空化、破坏及肌丝溶解。结论：低频超声可有效消融心肌，损伤心肌有潜在致心律失常的基础。
, http://www.100md.com
The Biologic Effects of Myocardial Ablation Induced
by Low Frequency Ultrasound
Huang Jing,Li Zenggao,Wang Zhigang,et al
The Second Hospital,Chongqing University of Medicine and Sciences Chongqing，Chongqing 400010
ABSTRACT Objective:Low frequency ultrasound was used to study the feasibility of ablation myocardial tachycardia.Method：Transmembrane potential of the working myocardium of rabbits was recorded after 34 KHz ultrasound treatment.The histology and ultrastructure effects were observed in the injured myocardium.Results:After 8w/cm2 acoustic energy intensity ultrasound applied,the global and regional functions of the heart became normal,no arrhythmias and conduction block occurred.The rest potential of myocardial cell was significantly increased,the maximum depolarization velocity and action potential amplitude were significantly decreased.The action potential was disappeared by 26w/cm2.Myocardial necrosis,near the ultrasound probe 2-3mm,cellular organs injured and destroyed.myofilaments dissolved at endocardial myocardium were all observed.Conclusion:Deep myocardial ablation can be induced by higher intensity low frequency ultrasound,being a new ablation energy for tachycardia therapy.By this technic,the potential basis of arrhythmia in injured myocardium can be ablated.
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KEY WORDS Low frequency ultrasound Myocardial ablation
超声在心脏病诊疗中的用途日益广泛，为探讨低频超声对心肌的影响及消融心肌的可行性，本文观察低频导管超声对兔在体心肌细胞电活动和结构的生物学效应。
资料与方法
超声设备 由重庆医科大学与中国科学院声学研究所共同研制的超声导管系统,频率34±1KHz，发射方式为连续波；导管长68cm，径1.5mm。声强检测系将水听器置于导管前端1.5mm处测声压，并换算成声能密度，分别设定较低声强(LIU 8W/cm2)和较高声强(HIU 26W/cm2)处理心肌。
动物及超声处理方法 新西兰家兔5只，重1.6～2.1kg，乌拉坦麻醉，气管插管，切开胸骨暴露心脏，并将心包固定于胸壁。超声导管端部垂直置于距左室心外膜1～2mm处，与心脏的间隙用导声膏填充。分别以较低声强和较高声强释放声能60秒。以热电偶监测消融中心附近心外膜的温度，并监测心电变化。
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心肌细胞跨膜电位记录 以国产B80 型微细管拉制器制作玻管微电极，充以3M氯化钾溶液，电极阻抗约15MΩ；以100μm细银丝绕制浮置式微电极，以万向臂插入工作中的心肌细胞记录跨膜电位。以日本光电CEZ-8300微电极放大器放大信号，以光电VC-11记忆示波器观察记录资料，以生理实验软件系统(第三军医大学野战外科研究所)动态采集分析资料。分别在超声处理前后记录分析动作电位变化。
心肌结构变化观察 完成电生理记录后立即处死动物，观察超声处理前后心脏组织的变化并按常规留取光镜标本，并在超声导管声轴方向心外膜及心内膜取电镜标本。
结 果
一般变化：经超声处理前后，心脏博动在整体和局部均无明显异常，平均心率(159±16vs 156±11次)无显著变化，ECC监测未发现传导阻滞及异位心律。消融处心外膜局部温度在LIU时上升0～1℃，在HIU时上升4～6℃，但局部最高温度为41.3℃。消融中心2～3mm范围心肌苍白。
, 百拇医药
细胞电生理变化：经LIU消融60秒，心肌静息电位水平(RP -79±2.2 vs -70±3.2mV,p<0.05)明显提高；0相最大除极速度(Vmax 307±19 vs 240±26 V/s,p<0.01)及动作电位幅度(APA110±5.8 vs 92±6.6mV,p<0.05)明显降低。动作电位时程(APD 100 179±5.8 vs 189±10.8ms,p>0.05)有延长趋势，而以3相复极延长较为明显。HIU消融60秒后所有5例动物不能记录到跨膜动作电位而只能记录到心外膜心电图(图1)。
第一道超声处理前；第二道8w/cm2超声处理后，Vmax及APA明显降低；
第三道26w/cm2超声处理后，仅能记录到心外膜电图。
注：在体单细胞记录，动作电位与心外膜电图溶合，部分除极超射及1相复极显示受到一定影响。
, 百拇医药
图1 心肌单细胞跨膜动作电位图
心肌结构改变：以LIU消融后，光镜可见心肌细胞轻度肿胀，在消融中心有细胞内空化，电镜可见内膜及外膜心肌有程度不等的线粒体肿胀空化，细胞内有空泡形成，溶酶体存在。以HIU消融后，光镜见消融中心约2mm凝固样坏死，肌纤维水肿松弛并有断裂，细胞核固缩(图2)。左室壁厚4～6mm，心内膜心肌轻度肿胀，可见细胞内空化。电镜检查发现外膜心肌细胞器广泛破坏，肌膜不完整，内膜心肌有线粒体水肿，嵴断裂或消失，部分破裂，溶酶体减少，并可见明显的细胞水肿甚至肌丝溶解(图3)。
组织肿胀，肌纤维断裂，核固缩(HE染色×200倍)。
图2 坏死区心肌光镜图
, 百拇医药
示细胞内严重肿胀，线粒体空化或破裂，肌丝溶解(醋酸铅染色×6000倍)。
图3 26w/cm2超声处理后内膜心肌电镜图
讨 论
近年来心脏介入超声诊疗技术不断取得进展。最近He等人用高频导管超声产生较射频深一倍(5～11mm)的心肌消融而未见明显副作用〔1〕，为克服射频因消融深度不足导致的局限性〔2〕,提高导管心肌消融治疗心律失常的疗效和应用范围提供了新途径。有人将低频导管超声用于冠脉内血栓消融，使低频超声心肌消融在技术上成为可能〔3〕，由于低频超声衰减较低并以机械空化效应为主，在心肌消融效果上可能有独到之处。对其效应的探讨有助于认识低频超声心肌消融的可行性和副作用，并有助于认识其它低频强超声如超声刀、超声场碎石等对心肌可能产生的副作用。
Zakharov等发现以543kHz的超声可使心肌除极和膜兴奋性丧失〔4〕。但利用机械空化效应的低频超声多用18～40kHz，本文以34KHz超声作用于在体工作中的心肌，并以浮置式微电极记录单细胞跨膜电位变化，可更好地反映心肌对低频超声的效应。
, 百拇医药
实验证明，以低频导管超声作用于在体心肌，对心率及心律无明显影响；心脏及超声作用局部心肌的运动肉眼观察无明显异常，表明在低频超声心肌消融即刻较为安全。以HIU作用以肌局部温度虽有一定增高，但最终温度在40℃左右，低于热效应导致心肌凝固性坏死和电生理紊乱的温度〔5〕，故认为非热因子是低频超声效应的主要因素，细胞甚至细胞器内大量空泡，提示空化效应起着重要作用。
低倍光镜发现界限较分明的肿胀和坏死区与在肝脏的效应相似〔6〕，在HIU时有左室透壁的肿胀和空化，表明低频超声对心肌有较强的穿透能力。电镜发现内膜心肌细胞线粒体空化，部分细胞器破裂，表明心肌已严重受损，按Trump的分期已属不可逆性细胞损害。
经LIU超声作用，心肌细胞的RP、Vmax、APA显著变化，可能与细胞膜及离子泵、离子通道等大分子损伤有关。上述电生理改变将使局部心肌的兴奋性及传导性异常，如RP除极使其兴奋性增高，Vmax与APA降低使传导速度减慢，具有潜在异位兴奋和折返性心律失常的基础，而APD延长又使不应期延长，可对快速心律失常有一定的保护作用，使用一些药物和胺碘酮使第二相复极延长〔7〕，可能有助于预防超声心肌损伤折返性心律失常的发生。
, 百拇医药
本试验表明，低频超声可产生较深的、层次分明的心肌破坏和损伤，消融即刻无明显副作用，由于心肌细胞RP、Vmax和APA显著改变，有致心律失常的基础。此外低频超声的远期效应范围尚不明了，对恢复过程中的电生理变化也需进一步观察，以进一步明确低频超声消融的有效性和安全性。
本项目受四川省教委重点科研项目资助
参考文献
[1]He DS,Zimmer JE,Hynynen K,et al.Application of ultrasound energy intracardiac ablation on arrhythmias.Eur Herat J 1995,16:961～966
[2]Mary-Rabine L.Arrhythmia catheter ablation.New prospects.Eur Heart J 1995,16:875～879
, 百拇医药
[3]Siegel RJ,Gunn J,Ahsan.A,et al.Use of therapeutic ultrasound in percutaneous cononary angioplasty:Experimental in vitro studies and initial clinical experience.Circulation,1994,89:1587～1592
[4]Zakharov SL,Bogdanov KY,Rosenshtraukh LV,et al.The effect of acoustic of the contaction force and membrane potetial of rat papillary muscle.Ultrasound Med Biol,1989,15:561～565
[5]Simmers TA,Wittkampf FH,Hauer RN,et al.In vivo ventricular lesion growth in radiofrequency catheter ablation.PACE Pacing Clin Electrophysiol 1994,17(2):186～198
[6]黄 晶，王志刚，李增高等.导管超声对免肝组织细胞的生物学效应.中华肝脏病杂志，1997，5(1)：55～56
[7]罗晓颖，戚文航，徐有秋等.胺碘酮对缺血心肌细胞电生理影响及奎尼丁比较研究.中华心血管病杂志，1996，24(6)，411～415
(1998-06-29收稿), 百拇医药
单位：400010 重庆医科大学第二医院(黄 晶、李增高、王志刚、罗开良、董 军、冷 志)，泸州医学院心肌电生理研究室(曾晓荣、刘自飞)，中国科学院声学研究所(张海澜、方启平、颜忠余)
关键词：低频超声；心肌消融
中国超声医学杂志990101 摘 要 目的：探讨低频超声心肌消融用以治疗心律失常的可行性及副作用。方法：以34KHz连续波超声作用于活体兔外膜心肌，记录工作中心肌细胞动作电位的变化及结构变化。结果：超声处理后心肌未见搏动及传导异常，经8W/cm超声消融后心肌细胞静息电位水平明显提高，0相最大除极速度及动作电位幅度明显降低。以26W/cm声强消融后跨膜动作电位消失。观察发现消融近端心肌凝固样坏死，内膜心肌(距外膜4～6mm)细胞器空化、破坏及肌丝溶解。结论：低频超声可有效消融心肌，损伤心肌有潜在致心律失常的基础。
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The Biologic Effects of Myocardial Ablation Induced
by Low Frequency Ultrasound
Huang Jing,Li Zenggao,Wang Zhigang,et al
The Second Hospital,Chongqing University of Medicine and Sciences Chongqing，Chongqing 400010
ABSTRACT Objective:Low frequency ultrasound was used to study the feasibility of ablation myocardial tachycardia.Method：Transmembrane potential of the working myocardium of rabbits was recorded after 34 KHz ultrasound treatment.The histology and ultrastructure effects were observed in the injured myocardium.Results:After 8w/cm2 acoustic energy intensity ultrasound applied,the global and regional functions of the heart became normal,no arrhythmias and conduction block occurred.The rest potential of myocardial cell was significantly increased,the maximum depolarization velocity and action potential amplitude were significantly decreased.The action potential was disappeared by 26w/cm2.Myocardial necrosis,near the ultrasound probe 2-3mm,cellular organs injured and destroyed.myofilaments dissolved at endocardial myocardium were all observed.Conclusion:Deep myocardial ablation can be induced by higher intensity low frequency ultrasound,being a new ablation energy for tachycardia therapy.By this technic,the potential basis of arrhythmia in injured myocardium can be ablated.
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KEY WORDS Low frequency ultrasound Myocardial ablation
超声在心脏病诊疗中的用途日益广泛，为探讨低频超声对心肌的影响及消融心肌的可行性，本文观察低频导管超声对兔在体心肌细胞电活动和结构的生物学效应。
资料与方法
超声设备 由重庆医科大学与中国科学院声学研究所共同研制的超声导管系统,频率34±1KHz，发射方式为连续波；导管长68cm，径1.5mm。声强检测系将水听器置于导管前端1.5mm处测声压，并换算成声能密度，分别设定较低声强(LIU 8W/cm2)和较高声强(HIU 26W/cm2)处理心肌。
动物及超声处理方法 新西兰家兔5只，重1.6～2.1kg，乌拉坦麻醉，气管插管，切开胸骨暴露心脏，并将心包固定于胸壁。超声导管端部垂直置于距左室心外膜1～2mm处，与心脏的间隙用导声膏填充。分别以较低声强和较高声强释放声能60秒。以热电偶监测消融中心附近心外膜的温度，并监测心电变化。
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心肌细胞跨膜电位记录 以国产B80 型微细管拉制器制作玻管微电极，充以3M氯化钾溶液，电极阻抗约15MΩ；以100μm细银丝绕制浮置式微电极，以万向臂插入工作中的心肌细胞记录跨膜电位。以日本光电CEZ-8300微电极放大器放大信号，以光电VC-11记忆示波器观察记录资料，以生理实验软件系统(第三军医大学野战外科研究所)动态采集分析资料。分别在超声处理前后记录分析动作电位变化。
心肌结构变化观察 完成电生理记录后立即处死动物，观察超声处理前后心脏组织的变化并按常规留取光镜标本，并在超声导管声轴方向心外膜及心内膜取电镜标本。
结 果
一般变化：经超声处理前后，心脏博动在整体和局部均无明显异常，平均心率(159±16vs 156±11次)无显著变化，ECC监测未发现传导阻滞及异位心律。消融处心外膜局部温度在LIU时上升0～1℃，在HIU时上升4～6℃，但局部最高温度为41.3℃。消融中心2～3mm范围心肌苍白。
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细胞电生理变化：经LIU消融60秒，心肌静息电位水平(RP -79±2.2 vs -70±3.2mV,p<0.05)明显提高；0相最大除极速度(Vmax 307±19 vs 240±26 V/s,p<0.01)及动作电位幅度(APA110±5.8 vs 92±6.6mV,p<0.05)明显降低。动作电位时程(APD 100 179±5.8 vs 189±10.8ms,p>0.05)有延长趋势，而以3相复极延长较为明显。HIU消融60秒后所有5例动物不能记录到跨膜动作电位而只能记录到心外膜心电图(图1)。
第一道超声处理前；第二道8w/cm2超声处理后，Vmax及APA明显降低；
第三道26w/cm2超声处理后，仅能记录到心外膜电图。
注：在体单细胞记录，动作电位与心外膜电图溶合，部分除极超射及1相复极显示受到一定影响。
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图1 心肌单细胞跨膜动作电位图
心肌结构改变：以LIU消融后，光镜可见心肌细胞轻度肿胀，在消融中心有细胞内空化，电镜可见内膜及外膜心肌有程度不等的线粒体肿胀空化，细胞内有空泡形成，溶酶体存在。以HIU消融后，光镜见消融中心约2mm凝固样坏死，肌纤维水肿松弛并有断裂，细胞核固缩(图2)。左室壁厚4～6mm，心内膜心肌轻度肿胀，可见细胞内空化。电镜检查发现外膜心肌细胞器广泛破坏，肌膜不完整，内膜心肌有线粒体水肿，嵴断裂或消失，部分破裂，溶酶体减少，并可见明显的细胞水肿甚至肌丝溶解(图3)。
组织肿胀，肌纤维断裂，核固缩(HE染色×200倍)。
图2 坏死区心肌光镜图
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示细胞内严重肿胀，线粒体空化或破裂，肌丝溶解(醋酸铅染色×6000倍)。
图3 26w/cm2超声处理后内膜心肌电镜图
讨 论
近年来心脏介入超声诊疗技术不断取得进展。最近He等人用高频导管超声产生较射频深一倍(5～11mm)的心肌消融而未见明显副作用〔1〕，为克服射频因消融深度不足导致的局限性〔2〕,提高导管心肌消融治疗心律失常的疗效和应用范围提供了新途径。有人将低频导管超声用于冠脉内血栓消融，使低频超声心肌消融在技术上成为可能〔3〕，由于低频超声衰减较低并以机械空化效应为主，在心肌消融效果上可能有独到之处。对其效应的探讨有助于认识低频超声心肌消融的可行性和副作用，并有助于认识其它低频强超声如超声刀、超声场碎石等对心肌可能产生的副作用。
Zakharov等发现以543kHz的超声可使心肌除极和膜兴奋性丧失〔4〕。但利用机械空化效应的低频超声多用18～40kHz，本文以34KHz超声作用于在体工作中的心肌，并以浮置式微电极记录单细胞跨膜电位变化，可更好地反映心肌对低频超声的效应。
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实验证明，以低频导管超声作用于在体心肌，对心率及心律无明显影响；心脏及超声作用局部心肌的运动肉眼观察无明显异常，表明在低频超声心肌消融即刻较为安全。以HIU作用以肌局部温度虽有一定增高，但最终温度在40℃左右，低于热效应导致心肌凝固性坏死和电生理紊乱的温度〔5〕，故认为非热因子是低频超声效应的主要因素，细胞甚至细胞器内大量空泡，提示空化效应起着重要作用。
低倍光镜发现界限较分明的肿胀和坏死区与在肝脏的效应相似〔6〕，在HIU时有左室透壁的肿胀和空化，表明低频超声对心肌有较强的穿透能力。电镜发现内膜心肌细胞线粒体空化，部分细胞器破裂，表明心肌已严重受损，按Trump的分期已属不可逆性细胞损害。
经LIU超声作用，心肌细胞的RP、Vmax、APA显著变化，可能与细胞膜及离子泵、离子通道等大分子损伤有关。上述电生理改变将使局部心肌的兴奋性及传导性异常，如RP除极使其兴奋性增高，Vmax与APA降低使传导速度减慢，具有潜在异位兴奋和折返性心律失常的基础，而APD延长又使不应期延长，可对快速心律失常有一定的保护作用，使用一些药物和胺碘酮使第二相复极延长〔7〕，可能有助于预防超声心肌损伤折返性心律失常的发生。
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本试验表明，低频超声可产生较深的、层次分明的心肌破坏和损伤，消融即刻无明显副作用，由于心肌细胞RP、Vmax和APA显著改变，有致心律失常的基础。此外低频超声的远期效应范围尚不明了，对恢复过程中的电生理变化也需进一步观察，以进一步明确低频超声消融的有效性和安全性。
本项目受四川省教委重点科研项目资助
参考文献
[1]He DS,Zimmer JE,Hynynen K,et al.Application of ultrasound energy intracardiac ablation on arrhythmias.Eur Herat J 1995,16:961～966
[2]Mary-Rabine L.Arrhythmia catheter ablation.New prospects.Eur Heart J 1995,16:875～879
, 百拇医药
[3]Siegel RJ,Gunn J,Ahsan.A,et al.Use of therapeutic ultrasound in percutaneous cononary angioplasty:Experimental in vitro studies and initial clinical experience.Circulation,1994,89:1587～1592
[4]Zakharov SL,Bogdanov KY,Rosenshtraukh LV,et al.The effect of acoustic of the contaction force and membrane potetial of rat papillary muscle.Ultrasound Med Biol,1989,15:561～565
[5]Simmers TA,Wittkampf FH,Hauer RN,et al.In vivo ventricular lesion growth in radiofrequency catheter ablation.PACE Pacing Clin Electrophysiol 1994,17(2):186～198
[6]黄 晶，王志刚，李增高等.导管超声对免肝组织细胞的生物学效应.中华肝脏病杂志，1997，5(1)：55～56
[7]罗晓颖，戚文航，徐有秋等.胺碘酮对缺血心肌细胞电生理影响及奎尼丁比较研究.中华心血管病杂志，1996，24(6)，411～415
(1998-06-29收稿), 百拇医药