小型豬心冠狀動脈鑄型的解剖結構及其意義

陳小宇 歐劍揚 馬關華 梁宇豪 陳進軍

廣東省肇慶市中醫院影像科 526020

廣西巴馬小型豬是品質優良的實驗動物研究模型之一,由于小型豬心臟在解剖形態、心肌缺血及側支形成等方面與人心臟相似度高,常被用作于開展人心臟冠狀動脈疾病、異種器官移植等模擬研究,具有較高的學術意義及臨床實踐價值[1-3]。近年來,隨著無創CT冠狀動脈血管成像技術(CCTA)發展,為構建小型豬與人心冠狀動脈缺血三維模型比較研究奠定基礎。目前,有關小型豬心冠狀動脈的解剖結構及其三維模型資料較少,本研究基于血管鑄型和mimics重建技術詳細描述小型豬心冠狀動脈的走行、分布、血供及三維成像情況等,并與人冠狀動脈解剖結構進行比較,旨在為異種心臟移植可能性提供血管三維形態學數據。

1 材料與方法

1.1 模型處理 (1)選取成年健康的普通廣西巴馬小型豬11只,雌性4只,雄性7只,體重16～20kg,由南方醫科大學動物實驗中心[SCXK(粵) 2018-0149]提供,飼養于肇慶醫學高等?？茖W校動物實驗中心普通級實驗室[SYXK (粵) 2018-0025]。外科實驗后6h內切取完整心臟11個(均保留升主動脈),外觀及大血管無損傷。(2)于小型豬心臟升主動脈處逆向向近心端插管后并結扎,然后用50mL塑料注射器多次抽取5%普通肝素生理鹽水進行反復灌注沖洗,直至心房或靜脈端流出清澈液體即可,在通風處靜置4～6h。

1.2 材料準備

1.2.1 鑄型制作及包埋試劑:E-51環氧樹脂及固化劑(廣東翁江化學試劑有限公司生產),環氧樹脂增韌劑(眉山嘉順化工科技有限公司生產),環氧樹脂消泡劑(廣州玉恒化工材料有限公司生產),紅色氧化鉛金屬造影粉末,馬利牌油畫顏料,水晶AB膠(深圳市歐斯邦新材料有限公司生產),游標卡尺、塑料注射器、DJ1C-100W增力電動攪拌器、真空消泡機、打磨拋光機、1000 #～5000 #水磨砂紙等。

1.2.2 三維重建設備:西門子64排128層螺旋CT,Mimics19.0軟件。

1.3 鑄型標本制作及包埋 首先用50mL注射器反復向插管內注入空氣以排出管道內殘余水分,然后配制環氧樹脂混合液—氧化鉛(100mL∶150g)填充劑[4]進行緩慢灌注,邊推注邊觀察小型豬心左、右冠狀動脈充盈情況,推注過程中適度控制壓力,直至冠狀動脈末梢分支出現紅色微小紅斑應立即停止,以免填充劑進入心腔內。靜置6～12h待填充劑完全硬化后放入37%濃度鹽酸腐蝕,3～5d后將標本取出后在自來水中進行疏密打枝,得到小型豬心冠狀動脈鑄型后進行拍照保存。再用濃度為10%的過氧化氫溶液處理小型豬心冠狀動脈鑄型標本表面的雜質,直到標本表面無氣泡產生。然后按照鑄型標本體積比的1.5倍制作固定包埋模具。再分別用兩根魚線纏繞在小型豬心冠狀動脈鑄型標本的主干上,進行上下牽線,先將下面的魚線用膠帶固定在膜具底面正中央,再把上面的魚線懸掛起來,確保小型豬心冠狀動脈懸于模具內正中央,然后使用注射器抽取水晶滴膠混合液(A膠∶B膠=2.8mL∶1mL)[5],在DJ1C-100W增力電動攪拌器中進行攪拌,直到A膠與B膠充分混合,無絮狀物為止,再移入真空消泡機中,反復緩慢地抽氣,直至氣泡完全消失,澆筑標本至模具上緣,靜置12～18h固化后經脫模、打磨及拋光研磨至透亮即可。

1.4 CT掃描建模 基于小型豬心冠狀動脈鑄型標本或水晶包埋后鑄型標本模型進行128層螺旋CT掃描(相關參數:重建層厚0.6mm,重建層距0.35mm),掃描獲得DICOM格式數據集導入Mimics19.0軟件進行三維建模,通過調整閾值范圍分割構建顯示小型豬心冠狀動脈的數字化三維模型。

2 結果

2.1 小型豬心冠狀動脈走行及分布特點 小型豬心臟血供主要來源于左、右冠狀動脈,分別始于主動脈根部的左竇和前竇,左、右冠狀動脈在走行過程中發出主要分支測量數據及分布特點,見表1和圖1。

前面觀

表1 小型豬心冠狀動脈數據測量結果

2.1.1 左冠狀動脈。從主動脈根部的左竇發出,較為粗大,起始外徑為(4.85±0.68)mm,經肺動脈與左心耳之間向前下行,至左緣附近分出錐旁室間支(前降支和左旋支,其中錐旁室間支為左冠狀動脈主干的延續,起始外徑為(3.68±1.01)mm,沿著錐旁室間溝走行,沿途發出4～9條室間隔支,營養室間隔的前2/3區域。在前下行至(16.32±2.45)mm處發出對角支。左旋支較前降支稍細,走行于冠狀溝,與右冠狀動脈的橫支相吻合,很細長、彎曲,沿途發出一支管徑較粗的左緣支,一直分布到心左緣。在繼續走行過程中發出2～3條左房后支,互相并列,像毛刷狀,向下垂直于左心室。左冠狀動脈主要營養左心房、左心室及大部分室間隔。

2.1.2 右冠狀動脈。從主動脈根部的前竇發出,起始外徑為(4.56±0.86)mm,在動脈圓錐和右心耳之間下行入冠狀溝后發出竇下室間支和右旋支,其中竇下室間支起始外徑為(2.14±0.77)mm,沿竇下室間溝下降至附近心尖,成為右室前支,有3～5條細小分支,呈毛刷狀,分布于右心室的前壁。右旋支起始外徑為(3.28±1.43)mm,繞向右后方至房室交界處沿后室間溝下降,成為右室后支,有2～3條細小分支,大部分在右心室的后壁。

2.2 小型豬冠狀動脈鑄型包埋及三維建模 通過水晶膠包埋后小型豬冠狀動脈模型透明度高,造型精細美觀,無氣泡產生且無鑄型支斷落。透過固化水晶膠可以全方位清晰觀察到小型豬心左、右冠狀動脈鑄型支分布及其走行結構,方位立體感強(見圖2)。利用CT分別對未包埋小型豬心冠狀動脈鑄型標本和水晶包埋后鑄型標本模型進行掃描,將上述兩組數據分別導入Mimics19.0軟件并調整閾值(未包埋:-200～3 071HU;包埋后:1 074～3 071HU)分別構建兩組小型豬心冠狀動脈的三維可視化模型,結果顯示:未包埋和包埋后重建三維模型效果逼真,清晰度高,且通過虛擬仿真操作,操作者可以在個人PC中全方位觀察到左右冠狀動脈的主要分支走行特點及分布情況,與原始鑄型標本相一致,空間立體感強(見圖3)。

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3 討論

3.1 小型豬心冠狀動脈與人心冠狀動脈比較 一直以來,小型豬心臟研究作為人心異種移植首選供體。根據本研究鑄型結果觀察,小型豬心冠狀動脈的配布與人心冠狀動脈非常相似,但也存在一定差異,具體為:(1)左冠狀動脈分支分布范圍:人左冠狀動脈自主動脈左竇發出前室間支和左旋支,其中前室間支走在心外膜上,較粗大,向前下行中沿途發出2～4條對角支占86.33%,2～4條室間隔支占83.33%,走行于室間隔右側的心內膜下,于后降支的隔支血管相吻合。小型豬錐旁室間支也起始于左冠狀動脈,與人前室間支走行相近似,沿途也發出2～9條對角支占94.86%。人左旋支沿左房室溝走行,約40%發出竇房結動脈,沿途也發出不恒定數目左緣支,一般為3條,出現率為96.54%[6-7],后向下延伸至左心室的頓緣或房室交接處。小型豬左旋支沿左冠狀溝行走發出恒定左緣支,延伸進入心肌。提示小型豬左緣支不適合做人心肌缺血模型研究。(2)右冠狀動脈分支分布范圍:人右冠狀動脈沿后室間溝下行發出后降支至房室交界區后,75.68%發出3～6條后外側分支止于左心室的后外側壁,而小型豬右冠狀動脈沿右縱溝下行發出右旋支至房室交界區向下折轉而成近似呈“U”字形,86.94%止于心尖部,心臟在這個區域的冠狀動脈的解剖結構常有變異。(3)冠狀動脈分支吻合情況:人左冠狀動脈發出圓錐支與右冠狀動脈的圓錐動脈互相吻合形成Vieussens環,出現率為89.65%。小型豬左、右冠狀動脈發出心房支在下腔靜脈處、室間隔動脈在室間隔內分別互相吻合。因此,可以選擇性結扎小型豬左右冠狀動脈的心房支,制作模擬人竇房結動脈缺血再灌注動物模型。

3.2 鑄型技術與Mimics軟件構建小型豬心冠狀動脈血管網意義 鑄型技術是顯示血管走行及分布的較好方式[8],本研究通過在小型豬心臟冠狀動脈灌注含氧化鉛造影填充劑,硬化后鑄型標本不僅能夠顯示小型豬心冠狀動脈各級分支分布,建立心臟供血立體實物模型;還能利用CT掃描和Mimics軟件構建其三維重建模型,能在PC端虛擬環境清晰地顯示小型豬心冠狀動脈的走行及分布情況,與鑄型標本相一致。兩種顯示方式相結合優勢在于:(1)降低制作成本,每制作一件小型豬心冠狀動脈血管鑄型,需要消耗一個新鮮小型豬心臟。而基于灌注造影劑的鑄型標本重建其三維數字化模型,其可以利用3D打印技術實現批量生產,有效節省原始實物標本的消耗,較大地降低制作成本。(2)互補性強,鑄型標本作為實物模型,觀摩者能夠更加直觀認識冠狀動脈血管網形態、分布及互相吻合情況,其構建性強。其三維數字化模型可以在PC端虛擬環境進行仿真切割、旋轉、手術模擬、手術優化等操作[9-10],且操作失誤可以撤回,可以重復利用,在很大程度上彌補鑄型標本不可以重復操作性。因此,鑄型技術與Mimics軟件重建三維模型對構建小型豬心冠狀動脈血管網特征提供了實際經驗。

3.3 鑄型包埋的優勢及注意事項 血管鑄型標本分支比較脆,常規用有機玻璃盒瓶裝保存,要定期更換保存液,且攜帶不方便,易損壞鑄型標本。本研究采用水晶膠包埋方式,保存周期長,克服有機玻璃盒保存不便攜帶的缺點。同時本實驗證明包埋前后的血管鑄型標本的三維重建模型與原鑄型標本的血管走行及分布一致,且包埋后鑄型標本環保性強,便于攜帶。且本實驗使用的水晶膠配方A、B膠體積比為2.8∶1,與傳統水晶膠包埋時的配方相比,減少了B膠(固化劑),延長了水晶滴膠的固化時間,降低凝固時的劇烈放熱程度,使得膠體可更好地散熱,從而減少氣泡和爆聚現象的產生,不僅提高包埋制作的成功率,而且水晶膠的閾值為零,經CT掃描后重建的三維模型基本一致。包埋過程的注意事項:(1)經過氧化氫溶液處理的標本需晾干再進行包埋,避免其與水晶膠反應,導致膠體渾濁;(2)抽取水晶膠的注射器,需擦除活塞上的潤滑油,其與水晶膠反應也可導致膠體渾濁,影響鑄型標本的包埋。

綜上所述,由于小型豬心冠狀動脈血管網與人心冠狀動脈的相似度高,通過血管灌注與三維重建技術可直觀顯示虛擬和現實小型豬冠狀動脈的三維狀態,對構建模擬研究人心肌缺血、梗死病變部位等疾病提供了較好理論仿真平臺和實踐工具。