心肌桥相关专利技术进展

史轶群，刘健，侯昌，李兴丽，张倬恺，马承前

(北京大学人民医院心内科，北京 100044)

通常，冠状动脉(简称冠脉)主干或其分支走行于心脏表面。冠脉心肌桥属于先天性冠脉发育异常，具体表现为冠脉的部分节段被心肌组织包绕，多见于左前降支[1-2]，人们将这部分冠脉命名为壁冠脉(intramural coronary artery，ICA)，而覆盖于ICA上的心肌组织称为冠脉心肌桥。过去一般认为心肌桥属于良性病变，但随着现代医学技术的发展，越来越多的证据表明心肌桥可能导致心肌缺血。心肌桥相关的心肌缺血有2种可能的机制，一是收缩期压迫ICA导致心肌供血减少，二是心肌桥近段冠脉发生动脉粥样硬化改变，进而导致一系列的心脏疾病[3-5]。这2种机制可能与心肌桥的位置、长度、厚度等解剖学特征相关[6-7]。虽然近年来心肌桥诊断技术愈发多种多样，可通过冠脉CT血管成像(computed tomography angiography，CTA)、冠脉造影、血管内超声(intravascular ultrasound，IVUS)等手段识别并测量心肌桥的相关指标，但在体研究心肌桥的病理生理作用仍较为困难，故学界对心肌桥的相关病理生理作用及治疗方法仍缺乏统一认识。为了探究心肌桥的病理生理作用并治疗心肌桥，国内外学者相继研究并开发了一系列心肌桥离体模拟技术、识别测量技术及治疗方案。但到目前为止，尚未见有专门文献对此进行介绍。现对该方面的国内专利技术进展进行评述。

1 冠脉及心泵的模拟装置

若想客观评价心肌桥的临床意义，就需要充分了解ICA的血流动力学特征。既往研究基本以临床患者与实验动物为对象，具有明显的不足：(1)临床中血流动力学参数出现的随机性使临床研究往往缺乏系统性和全面性；(2)临床上尚无简单且使人满意的冠脉血流动力学指标测量方法，因此学界对心肌桥导致ICA血流量的变化还缺乏足够的认识。近年来，有些机构相继开发了一系列心肌桥体外模拟装置，对研究心肌桥相关病理生理作用具有重要价值。

1.1 基于心肌桥的冠脉模拟装置

1.1.1 心肌桥压迫冠脉仿真及ICA体外模拟装置

丁皓[8]、上海理工大学[9]开发的用于心肌桥体外模拟实验的心肌桥压迫冠脉仿真装置，可以为植入了内皮细胞后的管式弹性腔体提供类似于在体的三维流场和相应的应力环境，实现切应力、周向应力、正应力的可控可调[10]，可根据实验要求调整压迫腔体的血流动力学参数，模拟不同类型心肌桥压迫冠脉，并采集数据，为体外系统研究心肌桥的病理生理作用提供了实验手段。具有与真实环境接近等优点。

1.1.2 血管脉动模拟方法

计算流体力学具有较高的时空分辨率，其准确性和可用性得到了研究验证，借助计算流体力学模拟血管内部血液流动成为认知血管内部流动状况和获取血流动力学参数的常用方法。但在大部分计算流体力学模拟中，假设血管壁为刚性壁，忽略其运动对血液流动产生的影响，无法模拟血管出现大幅度运动的病症如心肌桥等。

为了在计算流体力学模拟中还原血管搏动，杭州晟视科技有限公司[11]发明了一种模拟血管脉动的方法。其根据医学图像提取血管的点云、提取中心线，对中心线进行包含切向量获取的前处理。然后使用从医学图像中提取血管的几何模型进行网格划分处理，获取网格节点的坐标，对任意网格节点利用前处理后的中心线数据获得控制网格节点运动的运动矢量和运动幅度函数；结合计算流体力学方法，输入冠脉几何模型的网格文件，输入运动矢量和运动幅度函数，设置边界条件、参数和物理模型，模拟血管搏动及血管内部流场。本方法减少了刚性壁假设引入的误差，可模拟血管搏动时血液流动状态。较过去的简单机械模拟[9]有了显著进步。

1.2 基于心肌桥的冠脉内皮细胞培养装置

血管内皮细胞的形态功能跟粥样硬化形成有密切联系，普遍采用内皮细胞培养的方法研究冠脉近段粥样硬化形成机制，但研究心肌桥存在时内皮细胞的形态功能变化较为困难。心肌桥存在时，血管内皮细胞除受到血流流动的切应力、血管壁的正应力及周向应力，还受到心肌桥的周期性压迫。静态培养法的内皮细胞没有承受血流切应力的作用，离体时间越长分化能力越差，在后续实验中难以耐受血流动力学环境而发生细胞脱落。平行平板流动腔和应变腔可以分别研究流动切应力和血管周向应力对内皮细胞形态及功能的影响，但是这2种装置都无法模拟心肌桥存在时冠脉内皮细胞的受力情况。

丁皓等[12-13]公开的心肌桥冠脉内皮细胞培养装置，可以使内皮细胞在脉动流中培养，还可模拟冠脉受心肌桥周期性压迫的生理环境，冠脉中内皮细胞受到的应力可相对独立调节，为研究心肌桥存在时内皮细胞形态、功能与心肌桥近段冠脉好发粥样硬化之间的联系提供试验手段。在此基础上，又开发了一种可以实现持续张应力及周期性压迫ICA的模拟装置，装置结构简单，测试过程中稳定性好，模拟环境更真实；可以根据实验需求，模拟不同压迫力及张应力下血液动力学对内皮细胞生长形态的影响[14-17]。

1.3 基于心肌桥的脉动心泵

上海理工大学[18-20]发明的模拟血流循环中的脉动心泵能实现心脏的泵血功能，并可复现左心室的输出压力波形，不仅可以作为“心脏-冠脉-心肌桥”的模拟装置，也可以作为其他血流循环模拟装置。该装置一是可以建立冠脉供血与心肌桥机械压迫之间的定量关系，有助于判断心肌缺血与心肌桥之间的关系；二是有助于研究心肌桥的压迫对ICA近段、桥段、远段的影响；三是可以从源头上给出心肌桥近段好发粥样硬化斑块的原因；四是可以实现左心室输出压力波形的模拟，在左心室输出压力波形不变的情况下对输出流量进行调节，对脉动频率进行调节，为研究心肌桥的病理、生理机制以弥补临床研究和动物实验的局限与不足提供了可能。

2 获取或模拟心肌桥图像

获得准确的心肌桥图像无论对于临床还是研究心肌桥的影响均具有较高的价值。目前主要有2种途径诊断心肌桥：一是依靠医生基于心脏CTA或冠脉造影图像进行人工诊断，缺点是效率低，主观因素影响大，难以获得覆盖较浅的冠脉的心肌桥图像；二是通过获取心肌分割结果，计算血管与心肌是否粘连来判断心肌桥存在与否，但是，该方案的执行前提是需要准确的冠脉血管分割，而冠脉分割的难度极大，难以保证准确度，心肌桥检测的准确性也难以保证，且仅通过判断是否粘连并不能确保满足判定心肌桥存在的所有条件，容易出现过度诊断或漏诊，在实际使用中效果也不理想。

2.1 获取心肌桥图像的方法及装置

针对心肌桥图像不易准确获取的实际，近年来国内医疗机构陆续开发了一系列心肌桥图像获取方法及装置。

北京安德医智科技有限公司[21]发明了一种基于CTA图像获得心肌桥图像的方法及装置、电子设备和存储介质，该方法可获取同一目标对象的CTA图像(含CT值)、冠脉血管图像、心脏图像；根据冠脉血管图像，将冠脉血管区域划分为多个冠脉子区域；在CTA图像和心脏图像中与冠脉子区域对应的区域中，提取表征心肌桥的图像特征，图像特征可以反映血管外区域中CT值分布情况、血管外区域中心脏像素的分布情况、血管内区域中心脏像素的分布情况；将图像特征输入到训练后的机器学习模型，确定冠脉子区域中包含心肌桥的第一区域，以生成心肌桥图像。该技术可以极大提高获取心肌桥图像的效率和准确率，极大减少人工工作量。

推想医疗科技股份有限公司[22]发明的基于心脏分割技术的图像识别方法、装置、电子设备及存储介质，是首先获取心脏扫描数据，之后对扫描数据分割处理，得到心脏分割掩膜数据、冠脉分割掩膜数据和心脏对应的外接扫描数据；将这些数据输入至预先训练的心肌桥识别模型中，得到心肌桥初始识别结果；经过去假阳处理，得到最终结果。该技术能够快速准确预测识别心肌桥。深圳睿心智能医疗科技有限公司[23]基于心肌分割原理发明了一种心肌图像检测装置及相关系统。通过对心肌图像进行分割获得心肌分割图像，基于分割图像生成心肌外环图像；对心肌外环图像进行采样获得采样图像，从采样图像中提取多个冠脉中心线关键点；从心肌外环图像中截取候选区域图像；通过预设分类模型分析候选区域图像特征，最终确定候选区域心肌桥检测结果。该技术无须人工参与及冠脉分割，检测精度高。

2.2 心肌桥深度确定系统

心肌桥的临床表现与其深度密切相关。一般深度<2 mm的心肌桥对血流影响较小，多数无心肌缺血症状及相关心电图改变；深度≥2 mm的心肌桥对冠脉血流影响较大，会有不同的临床症状[24]。临床上常常通过CTA对心脏及冠脉进行三维重建，实现心肌桥的定位和深度测量。这一过程非常耗时，且与医生的经验有关。

推想医疗科技股份有限公司[25]公开的一种心肌桥深度确定系统、装置及存储介质，由处理器确定初始图像数据对应的心脏掩膜数据和心肌桥掩膜数据；根据心肌桥掩膜数据对应的心肌桥与心脏掩膜数据对应的心脏之间的最大距离，以及该最大距离对应的第一目标点与第二目标点之前的空间位置关系确定心肌桥深度数据，其中，第一目标点属于心肌桥掩膜数据，第二目标点属于心脏掩膜数据。根据以下公式确定心肌桥深度数据：

2.3 心肌桥的模拟

心肌桥的本质是覆盖于冠脉之上的心肌，而心肌可以使用心脏结构掩码表示，这就为合理利用心脏结构掩码对心肌桥进行检测或模拟提供了可能。

北京医准智能科技有限公司[26]提供了一种心肌桥检测模型的训练方法、装置及电子设备，包括获取心脏图像训练集的第一样本图像中第一血管对应的第一血管拉直图像，第一血管拉直图像对应的心脏掩码图像；将第一血管拉直图像和心脏掩码图像输入至心肌桥检测模型提取模块，其输出为第一图像特征；将第一图像特征输入至心肌桥检测模型模块，确定第一血管覆盖心肌桥的概率；基于心脏掩码图像中第一血管的标注与第一血管覆盖心肌桥的概率，调整心肌桥检测模型参数。这样就可以结合心脏掩码检测心肌桥，提升心肌桥检测准确性；在血管拉直图像上进行心肌桥检测可缩小待测区域，减轻心肌桥检测模型学习难度。

3 心肌桥的治疗

3.1 中医药治疗

关于心肌桥的诊断和治疗，国内已达成专家共识[27]。对无症状或症状较轻的心肌桥患者进行生活管理即可。对于有症状的心肌桥患者，主要有药物和非药物2种治疗方法，药物治疗为首选。共识中首推的一线药物(β受体阻滞剂和非二氢吡啶类钙通道阻滞剂)可以减少心肌收缩，缓解血管压迫，延长舒张期，改善冠脉灌注。共识中未推荐中药疗法，但实际上中药在治疗有症状心肌桥方面亦有不错效果[28-29]。

庞敏[30]首次提出了具有治疗心肌桥功效的中药组合物的专利，该中药组合物由以下质量份的原料组成：柴胡9～25份、丹参10～25份、白芍9～25份、葛根15～35份、枳实9～20份、炙甘草5～20份。该组合物君臣佐使俱全，具有疏肝行气，通络止痛之功，可有效缓解心肌桥引起的不适症状，取得了良好的临床疗效。

3.2 脉冲电场消融装置

对于药物治疗效果不明显的患者，可选择非药物治疗，主要包括介入治疗[31-33]、冠脉旁路移植术(coronary artery bypass grafting，CABG)[34-35]及心肌桥松解术[36]。介入治疗可减轻患者临床症状，恢复冠脉血流，作为即时疗法，近期疗效较为理想，但远期可能发生支架再狭窄、冠脉穿孔、血栓、支架断裂等并发症；CABG可使远端缺血心肌得到灌注，但后期主要问题在于旁路与冠脉之间的血流竞争，最常见的并发症为移植血管闭塞，且手术创伤大；心肌桥松解术虽然可从本质上解除心肌受到的压迫，恢复远端血流，但需要解剖心肌，可能引发各种不良事件，如过度解开心室，引起出血、心室穿孔，切到冠脉引起冠脉损伤，术后瘢痕组织再次压迫冠脉等。各疗法均有一定局限性。

北京康卫医创科技有限公司[37-38]发明了一种脉冲电场消融装置及其使用方法，采用该装置可以实现对心肌桥的微创治疗，尤其对于ICA直径≥2 mm的心肌桥，与IVUS结合进行治疗，可以精确、高效、不良反应小地解决心肌桥的临床问题。中南大学湘雅二医院[39]针对心肌桥提出的微创介入治疗方案，采用脉冲消融导管介入，利用脉冲电场消融心肌桥外心肌组织，达到与外科手术相同的目的。脉冲电场消融具有以下特点[40]：(1)脉冲电场消融可保留细胞外基质；(2)消融阈值具有组织特异性，可利用心肌组织消融阈值低于许多其他组织的特点，在消融心肌细胞的同时避免临近组织(如血管、神经、食道)损伤；(3)与传统射频消融相比，脉冲电场消融不需要依赖导管贴靠力便能造成广泛的心肌损伤；(4)脉冲电场消融速度极快，常以毫秒为单位甚至更小。

3.3 支架置入装置

目前，心肌桥冠脉介入治疗使用的支架置入装置一般由不锈钢制成，循环使用，存在一定的安全隐患。此外，由于其缺乏固定装置，操作过程中容易造成组织挫伤。王墨茹[41]针对现有技术存在的缺陷，提供了一种心肌桥支架置入装置，包括具有内凹形结构且内部设有环形通孔槽的固定套，环形通孔槽内部设有连接伸缩套的支撑杆，伸缩套的顶部通过螺丝连接在固定套的顶部，伸缩套内部设有包括置入壳体、弧形扩张头、长鞘、导丝、导环、照明灯的置入单元，其中照明灯及导丝位于具有中空结构的壳体中，导丝的内端部连接长鞘，导丝的外端部连接置入导环，置入壳体的内端部上设有弧形扩张头。该心肌桥支架置入装置具有结构简单、使用方便、成本低、能有效减轻患者疼痛的优点。

4 血管形变检测装置

血管的形变信息可以用来评估斑块的稳定性，一般来说，血管某特定位置的形变越大，斑块越不稳定，易发生心血管不良事件。目前可以采用腔内成像如IVUS/光学相干断层扫描等方式判断斑块的稳定性，但无法以冠脉造影评估斑块稳定性。冠脉造影作为临床上判断冠心病的最主要工具，如果能将其直接用于评估斑块稳定性，会是医患双方的福音。获取血管形变信息还可以用于监测心肌桥血管异常程度。目前为止，只能通过目测初步判断心肌桥血管异常程度。

博动医学影像科技(上海)有限公司[42]公开的用于自动评价血管形变的监测显示方法及系统，可获取冠脉血管目标区域血管的影像数据和心动周期数据；通过对目标血管及同一位置不同时刻的管腔内径及其形变的监控和测量，可以观测斑块稳定性；可用于心肌桥或其他异常情况的参数计算，对特定冠脉血管的整体情况进行预判，实现对冠心病的定量化解剖学及功能性评估，具有较高的临床价值。

5 结语

心肌桥是一种常见的先天性冠脉发育异常。随着现代医学技术的发展，人们对心肌桥的认识逐渐深入，但目前对心肌桥的病理生理表现、机制及治疗方案仍缺乏有力的证据支持及统一的认识，而在体研究心肌桥又存在诸多限制，开发离体心肌桥模拟技术及心肌桥识别测量技术对研究心肌桥及其对心血管疾病的影响极为重要。离体心肌桥模拟技术的重点在于如何用器械尽量模拟生理条件下心肌桥对血流动力学的影响；心肌桥识别测量技术的重点在于在体算法设计以及机器学习，以减少主观性、提高重复性和精确程度。开发具有自主知识产权的心肌桥模拟和识别测量设备，对于实现相关设备的国产化、将相关领域核心技术掌握在自己手里具有非常重要的意义。