Name: 人类心脏静脉系统使用对比计算机断层扫描灌注固定的标本解剖重建 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-04-18T09:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 2 s
Description: 了解使用对比计算机断层扫描技术对人类心脏静脉系统进行三维重建的方法。该技术通过灌注固定标本建立解剖数据库，为心脏器械设计提供精准的解剖学依据，同时避免患者接触造影剂与辐射。

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我们感谢Dionna Gamble、Allison Larson和Katia Torres在模型构建与测量方面的协助，感谢Monica Mahre在稿件撰写方面的帮助，感谢Gary Williams提供的技术支持，感谢Jerrald Spencer Jr.在图像制作方面的协助，以及感谢明尼苏达大学Fairview影像服务中心的支持。
资金由明尼苏达大学工程医学研究所部分资助，并由美敦力公司研究合同部分提供。

实验步骤
表1 总结了实验过程中所用的材料。图1 展示了该过程的总体流程。
1. 标本与扫描制备
<ol>
	<li>获取新鲜的人类离体心脏，并在舒张末期状态下用10%缓冲福尔马林进行灌注固定。</li>
	<li>在扫描前一日，将待扫描的心脏用水冲洗，以去除大部分福尔马林。</li>
	<li>在送入扫描仪前，通过直接观察或使用视频内镜，经上腔静脉或下腔静脉进入，将静脉造影球囊导管插入每个心脏的冠状窦（CS）静脉中。</li>
	<li>导管就位后，充盈该静脉造影导管的球囊，以将其固定在冠状窦内。</li>
	<li>将每个心脏放置于一个可密封的聚合物容器内，置于特制的海绵上，使心脏能够保持其解剖学上的正确方位。</li>
</ol>
2. 计算机断层扫描
<ol>
	<li>将心脏样本放置在CT扫描仪床面上，模拟患者仰卧、头先进入扫描仪的体位。</li>
	<li>将静脉造影导管的近端连接至注射器，该注射器包含两个注射筒：一个用于注入造影剂，另一个用于注入生理盐水。</li>
	<li>以5 ml/sec的速度自动向心脏静脉系统注入40 ml造影剂。</li>
	<li>在开始注射造影剂后8秒对心脏进行CT扫描。将CT扫描参数设置为512 x 512像素分辨率，层厚0.6 mm。</li>
	<li>以5 ml/sec的速度自动向心脏静脉系统注入40 ml生理盐水，以冲洗残留的造影剂。</li>
	<li>将CT的DICOM图像导出至外接硬盘。</li>
</ol>
3. 重建与测量
<ol>
	<li>将CT的DICOM图像上传至Mimics软件中。</li>
	<li>为CT图像生成一个仅包含高Hounsfield单位像素的掩膜，以突出显示心脏内的对比剂。</li>
	<li>去除已渗入心腔或扩散至组织中的对比剂，使掩膜仅保留主要心静脉内的对比剂。</li>
	<li>逐帧手动填充特定静脉中的空气区域。</li>
	<li>根据最终的掩膜生成三维对象。</li>
	<li>对该对象进行平滑和包裹处理，以消除粗糙的几何结构。视频1展示了其中一个三维模型在空间中旋转的效果。</li>
	<li>为每个生成的三维模型生成中心线。</li>
	<li>利用这些中心线，测量每颗心脏中各主要血管的弧长、分支角度、迂曲度（弧长/直线距离）以及直径。我们所采用的解剖学术语如图2所示。</li>
</ol>

<ol><li>Burkhardt, J. D., Wilkoff, B. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Interventional+electrophysiology+and+cardiac+resynchronization+therapy%3A+delivering+electrical+therapies+for+heart+failure%5BTitle%5D)+AND+%22Circ%22%5BJournal%5D)">Interventional electrophysiology and cardiac resynchronization therapy: delivering electrical therapies for heart failure.</a> Circ. 115, 2208-2220 (2007).</li>
<li>Lu, F. Cardiac resynchronization therapy. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aLu%2C+F+%22Handbook+of+cardiac+physiology+and+anatomy%22">Handbook of cardiac physiology and anatomy</a>. Iaizzo, P. , 2nd ed, Springer Science. New York, N.Y. 475-497 (2009).</li>
<li>Eggen, M. D., Swingen, C. M., Iaizzo, P. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ex+vivo+diffusion+tensor+MRI+of+human+hearts%3A+relative+effects+of+specimen+decomposition%5BTitle%5D)+AND+%22Magn.+Reson.+Med%22%5BJournal%5D)">Ex vivo diffusion tensor MRI of human hearts: relative effects of specimen decomposition.</a> Magn. Reson. Med. 67, 1703-1709 (2012).</li>
<li>Manzke, R., Binner, L., Bornstedt, A., Merkle, N., Lutz, A., Gradinger, R., Rasche, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Assessment+of+the+coronary+venous+system+in+heart+failure+patients+by+blood+pool+agent+enhanced+whole-heart+MRI%5BTitle%5D)+AND+%22Eur.+Radiol%22%5BJournal%5D)">Assessment of the coronary venous system in heart failure patients by blood pool agent enhanced whole-heart MRI.</a> Eur. Radiol. 21, 799-806 (2010).</li>
<li>Abbara, S., Cury, R. C., Nieman, K., Reddy, V., Moselewski, F., Schmidt, S., Ferencik, M., Hoffman, U., Brady, T. J., Achenbach, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Noninvasive+evaluation+of+cardiac+veins+with+16-MDCT+angiography%5BTitle%5D)+AND+%22AJR.+Am.+J.+Roentgenol%22%5BJournal%5D)">Noninvasive evaluation of cardiac veins with 16-MDCT angiography.</a> AJR. Am. J. Roentgenol. 185, 1001-1006 (2005).</li>
<li>Gerber, T. C., Sheedy, P. F., Bell, M. R., Hayes, D. L., Rumberger, J. A., Behrenbeck, T., Holmes, D. R., Schwartz, R. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Evaluation+of+the+coronary+venous+system+using+electron+beam+computed+tomography%5BTitle%5D)+AND+%22Int.+J.+Cardiovasc.+Imaging%22%5BJournal%5D)">Evaluation of the coronary venous system using electron beam computed tomography.</a> Int. J. Cardiovasc. Imaging. 17, 65-75 (2001).</li>
<li>Jongbloed, M. R. M., Lamb, H. J., Bax, J. J., Schuijf, J. D., de Roos, A., vander Wall, E. E., Schalij, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Noninvasive+visualization+of+the+cardiac+venous+system+using+multislice+computed+tomography%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Am.+Coll.+Cardiol%22%5BJournal%5D)">Noninvasive visualization of the cardiac venous system using multislice computed tomography.</a> J. Am. Coll. Cardiol. 45, 749-753 (2005).</li>
<li>Mao, S., Shinbane, J. S., Girky, M. J., Child, J., Carson, S., Oudiz, R. J., Budoff, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Coronary+venous+imaging+with+electron+beam+computed+tomographic+angiography%3A+three-dimensional+mapping+and+relationship+with+coronary+arteries%5BTitle%5D)+AND+%22Am.+Heart+J%22%5BJournal%5D)">Coronary venous imaging with electron beam computed tomographic angiography: three-dimensional mapping and relationship with coronary arteries.</a> Am. Heart J. 150, 315-322 (2005).</li>
<li>Muhlenbruch, G., Koos, R., Wildberger, J. E., Gunther, R. W., Mahnken, A. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Imaging+of+the+cardiac+venous+system%3A+comparison+of+MDCT+and+conventional+angiography%5BTitle%5D)+AND+%22AJR.+Am.+J.+Roentgenol%22%5BJournal%5D)">Imaging of the cardiac venous system: comparison of MDCT and conventional angiography.</a> AJR. Am. J. Roentgenol. 185, 1252-1257 (2005).</li>
<li>Schaffler, G. J., Groell, R., Peichel, K. H., Rienmuller, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Imaging+the+coronary+venous+drainage+system+using+electron-beam+CT%5BTitle%5D)+AND+%22Surg.+Radiol.+Anat%22%5BJournal%5D)">Imaging the coronary venous drainage system using electron-beam CT.</a> Surg. Radiol. Anat. 22, 35-39 (2000).</li>
<li>Tada, H., Kurosaki, K., Naito, S., Koyama, K., Itoi, K., Ito, S., Ueda, M., Shinbo, G., Hoshizaki, H., Nogami, A., Oshima, S., Taniguchi, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Three-dimensional+visualization+of+the+coronary+venous+system+using+multidetector+row+computed+tomography%5BTitle%5D)+AND+%22Circ.+J%22%5BJournal%5D)">Three-dimensional visualization of the coronary venous system using multidetector row computed tomography.</a> Circ. J. 69, 165-170 (2005).</li>
<li>Van de Veire, N. R., Schuijf, J. D., Sutter, J. D., Devos, D., Bleeker, G. B., de Roos, A., vander Wall, E. E., Schalij, M. J., Bax, J. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Non-invasive+visualization+of+the+cardiac+venous+system+in+coronary+artery+disease+patients+using+64-slice+computed+tomography%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Am.+Coll.+Cardiol%22%5BJournal%5D)">Non-invasive visualization of the cardiac venous system in coronary artery disease patients using 64-slice computed tomography.</a> J. Am. Coll. Cardiol. 48, 1832-1838 (2006).</li>
<li>de Jong, P. A., Mayo, J. R., Golmohammadi, K., Nakano, Y., Lequin, M. H., Tiddens, H. A., Aldrich, J., Coxson, H. O., Sin, D. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Estimation+of+cancer+mortality+associated+with+repetitive+computed+tomography+scanning%5BTitle%5D)+AND+%22Am.+J.+Respir.+Crit.+Care+Med%22%5BJournal%5D)">Estimation of cancer mortality associated with repetitive computed tomography scanning.</a> Am. J. Respir. Crit. Care Med. 173, 199-203 (2006).</li>
<li>Martin, D. R., Semelka, R. C., Chapman, A., Peters, H., Finn, P. J., Kalb, B., Thomsen, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nephrogenic+systemic+fibrosis+versus+contrast-induced+nephropathy%3A+risks+and+benefits+of+contrast-enhanced+MR+and+CT+in+renally+impaired+patients%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Magn.+Reson.+Imaging%22%5BJournal%5D)">Nephrogenic systemic fibrosis versus contrast-induced nephropathy: risks and benefits of contrast-enhanced MR and CT in renally impaired patients.</a> J. Magn. Reson. Imaging. 30, 1350-1356 (2009).</li>
</ol>

未声明任何利益冲突。

本实验室正在建立一个灌注固定的离体心脏标本库，用于开展多种解剖学研究。迄今为止，我们已保存了超过240个标本。制备这些标本所采用的具体方法此前已有描述3。本研究介绍了一种用于绘制人类心脏静脉系统图谱并构建解剖学数据库的创新方法，该数据库可用于设计在血管内使用的心脏器械。
	既往研究已采用磁共振（MR）4 和 CT5-12 对活体患者进行成像以评估心脏静脉系统的解剖结构。本研究的主要优势在于，无需注射造影剂和暴露于辐射，因而对活体患者无任何风险。13-14我们还能够分析一个大型标本数据库，所有标本均以相似的方式制备。若需要额外的图像，这些标本可重新扫描。通过该方法获得的解剖学参数 表2 通常大于所呈现的 体内 研究。我们认为，这是因为此处提供的静态重建是在舒张末期形态下经灌注固定的，应代表心脏处于心动周期这一阶段时静脉的瞬时状态。即 最大尺寸）。
	应当指出，本研究所呈现的...

利用灌注固定标本的对比增强计算机断层扫描重建人类心脏静脉系统的解剖结构

Anatomical Reconstructions of the Human Cardiac Venous System using Contrast-computed Tomography of Perfusion-fixed Specimens

深入了解人类心脏静脉系统的复杂性及其相对变异性，对于开发需要进入这些血管的心脏器械至关重要。例如，已知心脏静脉解剖结构是影响心脏再同步化治疗（CRT）准确递送的关键限制因素之一1。因此，建立一个人类心脏静脉系统解剖参数的数据库，有助于设计改进的CRT递送装置，以克服这一限制。在本研究项目中，解剖参数通过对比增强计算机断层扫描（CT）成像及建模软件（Materialise，比利时鲁汶）对静脉系统进行三维重建而获得。针对每条静脉评估了以下参数：弧长、迂曲度、分支角度、距冠状窦开口的距离以及血管直径。
	心脏再同步治疗（CRT）是一种针对存在电机械不同步的心力衰竭患者的潜在治疗方法。大约10%-20%的心力衰竭患者可能从CRT中获益2。电机械不同步意味着心肌的部分区域的激活和收缩早于或晚于心脏正常的传导通路。在CRT治疗中，通过电刺激来纠正心肌的非同步区域。CRT起搏通常包括起搏电极，用于刺激右心房（RA）、右心室（RV）和左心室（LV），以产生更加同步化的心律。左心室电极通常被植入心脏静脉内，目的是将其置于心肌最晚激活部位的相应位置。
	我们认为，所获得的模型及其分析结果将促进患者、学生、临床医生和医疗器械设计者的解剖学教育。本文采用的方法也可用于研究我们人体心脏标本的其他解剖特征，例如冠状动脉。为了进一步提升本研究的教育价值，我们已在免费开放的网站上共享了静脉模型：<a href="http://www.vhlab.umn.edu/atlas" target="_blank">www.vhlab.umn.edu/atlas</a>。

表2列出了42个人类心脏标本主要心静脉的中位解剖参数。所有心脏标本均有一条后室间静脉（PIV）和前室间静脉（AIV）。部分标本含有不止一条左心室后静脉（PVLV）、后外侧静脉（PLV）、左外侧静脉（LLV）和/或前外侧静脉（ALV），而其他心脏可能缺少其中一种或两种特定静脉。
 <table border="1">
 <tbody>
 <tr>
 <td>使用的材料</td>
 </tr>
 <tr>
 <td>灌注固定的离体人心脏</td>
 </tr>
 <tr>
 <td>静脉造影球囊导管</td>
 </tr>
 <tr>
 <td>可密封聚合物容器</td>
 </tr>
 <tr>
 <td>解剖结构正确的心脏海绵模型</td>
 </tr>
 <tr>
 <td>CT 扫描仪及配套软件</td>
 </tr>
 <tr>
 <td>造影剂与生理盐水...

本研究的目的是利用对比增强计算机断层扫描生成的三维重建图像，重现并观察人类心脏静脉系统的解剖结构。

深入了解人类心脏静脉系统的复杂性及其相对变异性，对于心脏……的开发至关重要

本实验的总体目标是生成人类心脏静脉系统的三维模型，以建立可用于设计在这些血管内使用的 cardiac devices 的解剖学数据库。该目标通过以下步骤实现：首先准备人类心脏标本，将其固定于舒张末期状态，并使用静脉造影球囊导管插管冠状窦。第二步是进行CT扫描，获取心脏静脉系统的对比增强图像，此为最后一步。三维模型由CT扫描图像生成，可从中获取各种解剖学测量数据。与活体评估心脏静脉解剖等其他方法相比，本技术的主要优势之一在于无需使患者暴露于造影剂或辐射。我们最初在使用微型刻录笔于心外膜表面描记这些灌注固定心脏的心脏静脉系统时，首次提出了该方法的构想。然而，该方法存在一些局限性。它受限于脂肪组织的量，且只能生成二维模型。利用对比CT进行模型构建可克服这些局限性，一旦获取CT数据即可进行模型生成。将新鲜分离的人类心脏在其舒张末期状态下用10%缓冲福尔马林进行灌注固定。然后在扫描前一天用水冲洗心脏，以在送入扫描仪前去除大部分福尔马林。使用静脉造影球囊导管通过下腔静脉对每个心脏的冠状窦静脉进行插管。在直视下操作。将静脉造影导管置入到位后，充盈其球囊以固定导管于冠状窦内。随后，将每颗心脏置于一块特制海绵上，放入可密封的聚合物容器中，确保心脏处于解剖学上正确的自然位置。首先将心脏放置在CT扫描仪的床面上，位置模拟患者仰卧且头部朝前躺在扫描仪上的状态。然后将静脉造影导管的近端连接至一个含有两个注射筒的注射器，一个用于造影剂，另一个用于生理盐水。现在以每秒5毫升的速度自动向心脏静脉系统注入40毫升造影剂。造影剂注射开始8秒后，对心脏进行CT扫描，扫描设置为512×512像素分辨率，层厚0.6毫米。随后通过自动向心脏静脉系统注入额外40毫升生理盐水冲洗造影剂。以每秒五毫升的速度将CT DICOM图像导出至外接硬盘。随后将CT DICOM图像上传至Mimics软件，并为CT图像生成一个仅包含高Hounsfield单位像素的掩膜。为了仅突出显示心脏内的对比剂，需去除已渗入心腔或扩散至组织中的对比剂，使掩膜仅保留主要心静脉内的对比剂。然后逐帧手动填充给定静脉结构中的空气间隙，并基于最终的掩膜生成三维对象。接着对掩膜进行平滑和包裹处理，以消除任何粗糙的几何结构，随后为每个生成的三维模型创建中心线。为了尽量减少三维模型生成过程中因操作者不同带来的差异，操作者必须严格遵循详细的实验步骤，并在生成中心线之前由另一位观察者对模型进行核查。最后，利用中心线测量每颗心脏中每条主要血管的弧长、分支角度、迂曲度和直径。下表列出了42例人离体心脏标本主要心静脉的中位解剖参数。所有心脏标本均包含一条中心脏静脉和一条前室间静脉。一些标本中包含多条下静脉、下外侧静脉、外侧静脉和/或前外侧静脉。而其他心脏可能缺少其中一条或两条特定静脉，但在此视频中仍可观察到一个具有代表性的三维模型在空间中旋转。遵循此操作流程，其优势之一在于，您可利用内窥镜视频对心脏静脉内的解剖结构进行可视化观察，验证CT模型，并确定诸如心脏静脉等各类结构的具体位置，而这些结构在CT成像中是无法看到的。该技术可使生物医学工程领域的研究人员探索心脏静脉系统以及利用这些血管的心脏器械的开发。最终，对人类心脏静脉系统进行建模和绘图将为相关解剖结构提供新的见解，从而有助于开展各种临床操作。

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