高频超声导管消融活体犬心肌的实验研究黄
作者：晶 王志刚 李增高 董军 赵纯亮 刘锦 冉海涛 殷跃辉 王智彪
单位：黄晶 王志刚 李增高 董军 冉海涛 殷跃辉 王智彪(400010 重庆市重庆医科大学第二医院)；赵纯亮 刘锦(电子工业部第二十六研究所)
关键词：超声；心肌；消融
中国超声医学杂志990603 摘 要 目的：本文探讨超声消融心室肌的可行性及作用特点。方法：用频率10.4MHz，外径7F的超声导管自开胸活体犬心外膜以不同时间和声强消融心肌，观察消融深度和形态结构特征；测量消融产生的温度变化。结果：消融深度与消融时间和声强呈良好相关，消融深度可达10mm以上且边界清晰。当消融时间较长时，消融区近于圆形，而高声强短时间作用消融区呈椭圆形或矩形。消融中心温度可高达78℃，而消融表面温度稍微增高。结论：超声可产生边清晰和深入的心肌消融，其消融深度和形状在一定程度上可控。提示超声可有效地消融心室肌深部病灶，为导管消融治疗室性快速心律提供新方法。
, 百拇医药
Experimental Ablation of Ventricular Myocardium of Canine In Vivo
Induced by High Frequency Ultrasonic Catheterization
Huang Jing,Wang Zhigang,Li Zhengao,et al
The Second Hospital,Chongqing Medical University,Chongqing 400010
ABSTRACT Objective:To probe the feasibility and the role of ultrasonic energy in ablating ventricular myo-cardium of experimental canine by an ultrasonic catheterization system.Methods：7F diameter ultrasonic catheter with 10.4 MHz frequency and 52 W/cm2 maximal ultrasonic power intensity were used.Ultrasonic energy to deliver in scheduled durations and intensities on 11 canines epicardial myocardium with a small transducer mounted on tip of the catheter.The relationship of lesion depth versus ablation duration and ultrasonic intensity were investigated.At the end of ultrasonic ablation,the myocardiac temperature,the shape of lesion area,the histology changes and the ultrastructure were all studied.Results:Neither arrhythmia nor conductive disorder was observed during ultrasonic ablation in all.The border of lesion area was clearly discernible,and verified by histology and ultrastructure observation.Ventricular myocardium ablation was deeper,induced by 38 W/cm2 for 45～60 seconds,up to 10.10±1.67mm in depth.Higher ultrasonic intensity and shorter ablation duration made the ablation area an ellipse or rectangle shape,and longer duration of energy delivery made the lesion area much circular.It also showed that the more the thickness of the ventricular wall,the more ablation effects occurred.The temperature within myocardium was much higher than surface,epieardiac temperature only slightly increased.Deeper ventricular myocardiac ablation could be induced by high frequency ultrasound than induced by radiofrequency catheter.The depth and shape of ultrasonic lesion area ablation can be controlled in some degree by setting up various intensiteis of ultrasonic energy delivery and various durations,neither arrhythmias nor conduction disorder occured.Conclusion:Ultrasonic energy can ablate of ventricular myocardiac lesion safely,effectively and beneficially,and also for treatment of ventricular tachycardia.
, 百拇医药
KEY WORDS Ultrasound Myocardium Ablation
探讨以高频强超声进行心肌消融的可行性、安全性和作用特征，为超声心肌消融用于临床治疗室性心律失常提供实验基础。
资料与方法
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7F，顶端侧向安置2.3mm×3.5mm的锆钛酸铅压电材料，声束方向与导管长轴方向垂直(图1)。发射方式为连续波，发射频率为10.4MHz。声强由幅射声压法测定，通过调节放大电路功率控制发射声强水平。
图1 超声导管释放声能时，强大的幅射声压使水柱高高喷起
, 百拇医药 动物 由重庆医科大学实验动物中心提供的健康杂犬11只，重12～17kg，以3%的戊巴比妥纳1ml/kg静脉注射麻醉。气管切开并插入带气囊的气管导管。自胸肋关节切开，剪去胸骨及部分肋骨，一旦发生气胸立即予以气囊正压呼吸，频率约20次/分，轻轻牵住心包切开并固定于胸壁上，以较好暴露心脏。
超声消融方法 将超声导管轻轻贴于左室游离壁外膜上，声束方向与室壁垂直，以37℃生理盐水灌注晶片。时间控制剂量时设定声强为38W/cm2，以15秒、30秒、45秒、60秒和90秒在不同部位心肌进行消融。声强控制剂量时设定消融时间为60秒，以12W/cm2、25W/cm2、38W/cm2和52W/cm2分别在每只犬不同部位心室肌进行消融。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外膜下约0.5cm的温度。
消融后观察 消融完成后观察心跳持续10余分钟后取出心脏，沿消融处垂直切开左室壁，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
结 果
1.消融过程中和消融后犬心率及心律稳定，偶有早搏。消融表面光滑，无出血及渗出，可见局限性苍白区，数分钟后形成中心为白色绕以红色或暗褐红环，外围是颜色浅淡的苍白环，边界清晰(图2)。以温度探针测得消融结束即刻，表面温度43～53℃；探针插入心肌组织，内部均高于表面温度12℃以上，最高温度达78℃。
图2 活体心肌消融后数分钟表面形成
白色-暗竭-白色的环状结构
沿声束方向切开心肌，由内向外是白色或暗褐色的中央区，绕以深红色的周边区，界限十分清晰，在其外围心肌略显苍白(图3)。
, 百拇医药
图3 不同条件超声产生深度和形态不同的心肌组织消融
2.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，在时间控制剂量时，经方差分析表明各时间组间存在显著差异(F ＝20.60，P<0.0001)，消融45秒内，消融深度随时间迅速增加，各组间比较有显著性差异，45秒时消融深度达10.10±1.76mm，此后随时间增加，消融深度仅有轻微的增加。45秒、60秒、90秒组比较，各组间无显著性差异。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＝0.6839，P<0.0001)。当声强控制剂量时，方差分析表明各组间有显著性差异(F＝28.80，P<0.0001)，消融深度与声强间相关良好(r＝0.787，P<0.0001)，在38W/cm2以内，随声强增加消融深度明显增加，在38W/cm2与52W/cm2比较消融深度无明显差异。消融区形态观察发现消融时间越长，消融区越接近圆形，当声强较高而时间较短时，消融区近于椭圆形或矩形。
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此外消融深度与室壁厚度有一定关系，在较厚的室壁消融较深，反之亦然，即使在较薄的心室肌亦难以形成完全透壁的消融。
3.消融区切片HE染色表明，在中央区心肌固缩脱水，胞浆匀质一片，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(图4)。在深红色周边区有细胞肿胀和空泡样变性，胞质不均匀，横纹模糊，可见充血及出血。
心肌细胞脱水，胞浆凝固，呈嗜伊红深染，有细胞断裂及出血，细胞核固缩(HE染色×200)
图4 消融中央区光镜图
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(图5)。在消融的深红色周边区可见肌丝溶解，质膜下水肿，T管扩大，肌浆网扩张，毛细血管退变，肌膜呈城垛样改变，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。
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Z线模糊呈波流状，细胞器破坏，细胞核染色质边集(锇酸染色×6，000)
图5 消融中央区电镜图
讨 论
1.目前射频导管消融术是治疗房室折返和房室结折返性心动过速的主导方法，但对折返路径较深，标测较困难的心律失常，如冠心病或心肌病引起的室性心动过速治疗效果较差〔1〕。其基本原因是射频消融深度有限〔2〕。近年He等人用超声进行心室肌消融试验为导管消融治疗的发展开拓了新路〔3〕。
超声换能器导管化在技术上有较大困难，笔者经反复实验，在7F导管上实现了较高的超声发射能力，最高发射声强达52W/cm2，与国外报告的水平相近〔4〕，为实验提供了良好的基础。
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2.以多种条件对心肌消融，在有限观察时间内无严重心律失常发生，表明消融时发生危险性心律失常的可能性很小。温度探针检测表明，在有灌流情况下，只要探头不与心肌紧密接触，心肌表面温度升高十分有限，而组织内温度显著增高，大大高于心肌不可逆损害所需的50℃的水平〔5〕，可能与组织内散热缓慢有关，提示虽然强超声组织消融有多种机制，但热积累与散热的平衡是决定消融范围的主要因素。
3.消融区结构观察表明，在消融中心是完全的凝固样坏死区，其环绕的深红色区为严重损伤区，有明显的肌丝溶解及核固缩等表现，为不可逆性改变，与笔者用低频超声在肝脏消融的结果相似〔8〕。而外围的心肌损伤却很轻，表明以深红色区外缘为界描叙消融范围是可行的，而且超声可以形成界限十分清楚的消融。
4.实验表明，超声能够产生比射频更深的心肌消融，与He等人实验结果相似〔9〕。控制消融的声强或时间，表明消融深度与声强和消融时间呈良好的线性相关。形态观察可以看出，当声强较低消融时间较长时，消融区域接近圆形，当声强较高消融时间较短时消融灶近于椭圆形或矩形。可能与组织产热主要在声束传导方向，消融时间越长则热量放射状的扩散过程越充分有关，表明控制超声消融条件可在一定程度上控制消融灶的深度和形态。
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5.观察还表明，同等消融条件下心室肌较厚则消融较深，即使较薄的心肌也难以形成透壁性坏死。可能是在活体心内膜热量被心内血液迅速带走所致。在临床应用中丰富的外膜血流可能对消融导致的过度损伤有保护作用。
本文自心外膜对心肌消融，与心内消融有较大差异，此外其远期效果和副作用有待进一步研究。
本项目受四川省教委重点科研项目资助
参考文献
[1]Gonska BD,Cao K,Schaumann A,et al.Catheter ablation of ventricular tachycardia in 136 patients with coronary artery disease:Results and long-term follow-up.J Am Coll Cardiol,1994,24:1506～1514
, 百拇医药
[2]Nath S,Haines DE.Biophysics and pathology of catheter energy delivery systems.Prog Cardiovas Dis,1995,185
[3]He DS,Zimmer JE,Hynynen K,et al.Application of ultrasound energy for intracardiac ablation of arrhythmias.Eur Heart J,1995,16:961～966
[4]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 [5]Nath S,Lynch CⅢ,Whayne JG,et al.Cellular electrophysiological effects of hyperthermia on isolated guinea pig papillary muscle:Implications for catheter ablation(part 1).Circulation,1993,88:1826～1831
[6]Zakhavor SL,Bogdanor KY,et al.The effect of acoustic cavitation of the contaction force and membrane potential of rat papillary muscle.Ultrasound Med Biol,1989,15：561～565
[7]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(10)：4～6
[8]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
[9]董 军，罗开良.超声导管消融的应用前景.国外医学，心血管疾病分册，1998，25(1)：24～27
(1998-10-29收稿), 百拇医药
单位：黄晶 王志刚 李增高 董军 冉海涛 殷跃辉 王智彪(400010 重庆市重庆医科大学第二医院)；赵纯亮 刘锦(电子工业部第二十六研究所)
关键词：超声；心肌；消融
中国超声医学杂志990603 摘 要 目的：本文探讨超声消融心室肌的可行性及作用特点。方法：用频率10.4MHz，外径7F的超声导管自开胸活体犬心外膜以不同时间和声强消融心肌，观察消融深度和形态结构特征；测量消融产生的温度变化。结果：消融深度与消融时间和声强呈良好相关，消融深度可达10mm以上且边界清晰。当消融时间较长时，消融区近于圆形，而高声强短时间作用消融区呈椭圆形或矩形。消融中心温度可高达78℃，而消融表面温度稍微增高。结论：超声可产生边清晰和深入的心肌消融，其消融深度和形状在一定程度上可控。提示超声可有效地消融心室肌深部病灶，为导管消融治疗室性快速心律提供新方法。
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Experimental Ablation of Ventricular Myocardium of Canine In Vivo
Induced by High Frequency Ultrasonic Catheterization
Huang Jing,Wang Zhigang,Li Zhengao,et al
The Second Hospital,Chongqing Medical University,Chongqing 400010
ABSTRACT Objective:To probe the feasibility and the role of ultrasonic energy in ablating ventricular myo-cardium of experimental canine by an ultrasonic catheterization system.Methods：7F diameter ultrasonic catheter with 10.4 MHz frequency and 52 W/cm2 maximal ultrasonic power intensity were used.Ultrasonic energy to deliver in scheduled durations and intensities on 11 canines epicardial myocardium with a small transducer mounted on tip of the catheter.The relationship of lesion depth versus ablation duration and ultrasonic intensity were investigated.At the end of ultrasonic ablation,the myocardiac temperature,the shape of lesion area,the histology changes and the ultrastructure were all studied.Results:Neither arrhythmia nor conductive disorder was observed during ultrasonic ablation in all.The border of lesion area was clearly discernible,and verified by histology and ultrastructure observation.Ventricular myocardium ablation was deeper,induced by 38 W/cm2 for 45～60 seconds,up to 10.10±1.67mm in depth.Higher ultrasonic intensity and shorter ablation duration made the ablation area an ellipse or rectangle shape,and longer duration of energy delivery made the lesion area much circular.It also showed that the more the thickness of the ventricular wall,the more ablation effects occurred.The temperature within myocardium was much higher than surface,epieardiac temperature only slightly increased.Deeper ventricular myocardiac ablation could be induced by high frequency ultrasound than induced by radiofrequency catheter.The depth and shape of ultrasonic lesion area ablation can be controlled in some degree by setting up various intensiteis of ultrasonic energy delivery and various durations,neither arrhythmias nor conduction disorder occured.Conclusion:Ultrasonic energy can ablate of ventricular myocardiac lesion safely,effectively and beneficially,and also for treatment of ventricular tachycardia.
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KEY WORDS Ultrasound Myocardium Ablation
探讨以高频强超声进行心肌消融的可行性、安全性和作用特征，为超声心肌消融用于临床治疗室性心律失常提供实验基础。
资料与方法
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7F，顶端侧向安置2.3mm×3.5mm的锆钛酸铅压电材料，声束方向与导管长轴方向垂直(图1)。发射方式为连续波，发射频率为10.4MHz。声强由幅射声压法测定，通过调节放大电路功率控制发射声强水平。
图1 超声导管释放声能时，强大的幅射声压使水柱高高喷起
, 百拇医药 动物 由重庆医科大学实验动物中心提供的健康杂犬11只，重12～17kg，以3%的戊巴比妥纳1ml/kg静脉注射麻醉。气管切开并插入带气囊的气管导管。自胸肋关节切开，剪去胸骨及部分肋骨，一旦发生气胸立即予以气囊正压呼吸，频率约20次/分，轻轻牵住心包切开并固定于胸壁上，以较好暴露心脏。
超声消融方法 将超声导管轻轻贴于左室游离壁外膜上，声束方向与室壁垂直，以37℃生理盐水灌注晶片。时间控制剂量时设定声强为38W/cm2，以15秒、30秒、45秒、60秒和90秒在不同部位心肌进行消融。声强控制剂量时设定消融时间为60秒，以12W/cm2、25W/cm2、38W/cm2和52W/cm2分别在每只犬不同部位心室肌进行消融。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外膜下约0.5cm的温度。
消融后观察 消融完成后观察心跳持续10余分钟后取出心脏，沿消融处垂直切开左室壁，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
结 果
1.消融过程中和消融后犬心率及心律稳定，偶有早搏。消融表面光滑，无出血及渗出，可见局限性苍白区，数分钟后形成中心为白色绕以红色或暗褐红环，外围是颜色浅淡的苍白环，边界清晰(图2)。以温度探针测得消融结束即刻，表面温度43～53℃；探针插入心肌组织，内部均高于表面温度12℃以上，最高温度达78℃。
图2 活体心肌消融后数分钟表面形成
白色-暗竭-白色的环状结构
沿声束方向切开心肌，由内向外是白色或暗褐色的中央区，绕以深红色的周边区，界限十分清晰，在其外围心肌略显苍白(图3)。
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图3 不同条件超声产生深度和形态不同的心肌组织消融
2.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，在时间控制剂量时，经方差分析表明各时间组间存在显著差异(F ＝20.60，P<0.0001)，消融45秒内，消融深度随时间迅速增加，各组间比较有显著性差异，45秒时消融深度达10.10±1.76mm，此后随时间增加，消融深度仅有轻微的增加。45秒、60秒、90秒组比较，各组间无显著性差异。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＝0.6839，P<0.0001)。当声强控制剂量时，方差分析表明各组间有显著性差异(F＝28.80，P<0.0001)，消融深度与声强间相关良好(r＝0.787，P<0.0001)，在38W/cm2以内，随声强增加消融深度明显增加，在38W/cm2与52W/cm2比较消融深度无明显差异。消融区形态观察发现消融时间越长，消融区越接近圆形，当声强较高而时间较短时，消融区近于椭圆形或矩形。
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此外消融深度与室壁厚度有一定关系，在较厚的室壁消融较深，反之亦然，即使在较薄的心室肌亦难以形成完全透壁的消融。
3.消融区切片HE染色表明，在中央区心肌固缩脱水，胞浆匀质一片，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(图4)。在深红色周边区有细胞肿胀和空泡样变性，胞质不均匀，横纹模糊，可见充血及出血。
心肌细胞脱水，胞浆凝固，呈嗜伊红深染，有细胞断裂及出血，细胞核固缩(HE染色×200)
图4 消融中央区光镜图
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(图5)。在消融的深红色周边区可见肌丝溶解，质膜下水肿，T管扩大，肌浆网扩张，毛细血管退变，肌膜呈城垛样改变，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。
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Z线模糊呈波流状，细胞器破坏，细胞核染色质边集(锇酸染色×6，000)
图5 消融中央区电镜图
讨 论
1.目前射频导管消融术是治疗房室折返和房室结折返性心动过速的主导方法，但对折返路径较深，标测较困难的心律失常，如冠心病或心肌病引起的室性心动过速治疗效果较差〔1〕。其基本原因是射频消融深度有限〔2〕。近年He等人用超声进行心室肌消融试验为导管消融治疗的发展开拓了新路〔3〕。
超声换能器导管化在技术上有较大困难，笔者经反复实验，在7F导管上实现了较高的超声发射能力，最高发射声强达52W/cm2，与国外报告的水平相近〔4〕，为实验提供了良好的基础。
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2.以多种条件对心肌消融，在有限观察时间内无严重心律失常发生，表明消融时发生危险性心律失常的可能性很小。温度探针检测表明，在有灌流情况下，只要探头不与心肌紧密接触，心肌表面温度升高十分有限，而组织内温度显著增高，大大高于心肌不可逆损害所需的50℃的水平〔5〕，可能与组织内散热缓慢有关，提示虽然强超声组织消融有多种机制，但热积累与散热的平衡是决定消融范围的主要因素。
3.消融区结构观察表明，在消融中心是完全的凝固样坏死区，其环绕的深红色区为严重损伤区，有明显的肌丝溶解及核固缩等表现，为不可逆性改变，与笔者用低频超声在肝脏消融的结果相似〔8〕。而外围的心肌损伤却很轻，表明以深红色区外缘为界描叙消融范围是可行的，而且超声可以形成界限十分清楚的消融。
4.实验表明，超声能够产生比射频更深的心肌消融，与He等人实验结果相似〔9〕。控制消融的声强或时间，表明消融深度与声强和消融时间呈良好的线性相关。形态观察可以看出，当声强较低消融时间较长时，消融区域接近圆形，当声强较高消融时间较短时消融灶近于椭圆形或矩形。可能与组织产热主要在声束传导方向，消融时间越长则热量放射状的扩散过程越充分有关，表明控制超声消融条件可在一定程度上控制消融灶的深度和形态。
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5.观察还表明，同等消融条件下心室肌较厚则消融较深，即使较薄的心肌也难以形成透壁性坏死。可能是在活体心内膜热量被心内血液迅速带走所致。在临床应用中丰富的外膜血流可能对消融导致的过度损伤有保护作用。
本文自心外膜对心肌消融，与心内消融有较大差异，此外其远期效果和副作用有待进一步研究。
本项目受四川省教委重点科研项目资助
参考文献
[1]Gonska BD,Cao K,Schaumann A,et al.Catheter ablation of ventricular tachycardia in 136 patients with coronary artery disease:Results and long-term follow-up.J Am Coll Cardiol,1994,24:1506～1514
, 百拇医药
[2]Nath S,Haines DE.Biophysics and pathology of catheter energy delivery systems.Prog Cardiovas Dis,1995,185
[3]He DS,Zimmer JE,Hynynen K,et al.Application of ultrasound energy for intracardiac ablation of arrhythmias.Eur Heart J,1995,16:961～966
[4]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 [5]Nath S,Lynch CⅢ,Whayne JG,et al.Cellular electrophysiological effects of hyperthermia on isolated guinea pig papillary muscle:Implications for catheter ablation(part 1).Circulation,1993,88:1826～1831
[6]Zakhavor SL,Bogdanor KY,et al.The effect of acoustic cavitation of the contaction force and membrane potential of rat papillary muscle.Ultrasound Med Biol,1989,15：561～565
[7]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(10)：4～6
[8]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
[9]董 军，罗开良.超声导管消融的应用前景.国外医学，心血管疾病分册，1998，25(1)：24～27
(1998-10-29收稿), 百拇医药