王澤呈 秦牧 劉旭

心房顫動(簡稱房顫)是臨床上常見的一種心律失常的類型，它的發(fā)病率高且隨著年齡的增長而升高。房顫會明顯的影響患者的心臟功能，并降低其生活質量，增加其死亡率[1]。目前臨床上常用的治療房顫的方式主要為藥物控制心室率以及抗凝治療以預防血栓[2]，藥物治療可以改善患者癥狀，預防房顫的并發(fā)癥，但無法徹底治愈房顫。

目前臨床上認為導管射頻消融術是能治療房顫的方法之一，而環(huán)肺靜脈隔離(CPVI)又被認為是房顫導管消融的“基石”，它被廣泛的運用于陣發(fā)性房顫、持續(xù)性房顫及永久性房顫的治療中。對于陣發(fā)性房顫，目前臨床上主要以CPVI為主，而對于持續(xù)或永久性房顫，除CPVI外，術者通常還會采用線性消融或碎裂電位消融等補充術式，然而由于房顫的機制目前仍未闡明，對于房顫的射頻消融手術目前仍有較高復發(fā)率，醫(yī)生們迫切的希望尋找到一種更個體化、針對性的治療策略以改善這一困境。在Narayan等[3]的研究中，轉子(ROTOR)的概念被首次提及，在這項CON-FIRM研究中，術者在房顫患者的心房內可以標測到一種螺旋波，他們把這種螺旋波稱為“轉子”，隨后對轉子進行消融可以有效的終止房顫。在研究者針對轉子進行進一步的研究證實中，運用了多種不同的標測方式，包括且不限于無創(chuàng)電生理成像(ECGi)[4]、腔內全景式電生理標測[3]、對比劑延遲增強核磁共振顯像[5]、相位標測[6]等，而 “光學標測”(optical mapping)技術也被運用于研究轉子。筆者即針對光標測技術在轉子標測中的運用進行闡述。

1 光學標測技術的原理及方法

自Davila等[7]于1973年最早運用光學標測技術記錄了神經細胞的動作電位，Salama等[8]于1976年運用光學標測技術記錄了心臟細胞的電活動，后于1990年，Davidenko等[9]運用光學標測在動物心臟中發(fā)現了螺旋波的存在，并證明它可以誘發(fā)室性心動過速，光學標測技術在細胞電活動的研究中已運用了很久。

光學標測技術的原理是基于波長相關的光與組織的相互作用，包括了光子的散射、吸收、反射和熒光效應。通過光學標測技術研究心臟的電位變化，即是通過運用電壓敏感的熒光性染料作為標記物，使細胞跨膜電位的變化表現為熒光物質亮度的變化，并被相關檢測裝置記錄下來。電壓敏感的熒光材料通常為鈣離子螯合劑，經過熒光染料標記的細胞，其內鈣離子與熒光染料相結合，使細胞內鈣離子濃度的變化可以被即時觀測，由此反應出心肌細胞除極和復極的過程。再運用光學探頭，可以讓我們可以了解同一片心肌組織的不同區(qū)域在同一時間的除極和復極的情況，進而了解到這一片心肌組織在一個時間段內的電活動過程，也正是如此光標測技術能非常好的運用于轉子的標測中。

在目前的光學成像技術中，接收成像裝置包括電子擴增管(photomultipliers,PMT)，激光掃描(laser scanning)，電荷耦合(charge-coupled device，CCD)照相機，光電二極管陣列(photodiode arrays，PDA)以及互補金屬氧化物半導體(complementary metal-oxide semiconductor,CMOS)照相機。其中PDA技術和CCD相機在心臟的成像中運用的較多，而CCD技術相較于PDA有著更高的空間分辨率，這得益于它感應器上較多的像素點，但這與此同時也帶來了較低的靈敏度和較高的信噪比。

任意一個光學標測系統(tǒng)都包括一個二維的光學感受器和一個穩(wěn)定的光源，可選擇的光源包括了激光、鎢鹵素燈或者發(fā)光二極管。圖1展示的是一個單透鏡的光學標測系統(tǒng)的構造[10]，它包括一個光電二極管陣列，一個256通道的信號調整器/增幅器，模擬-數字信號轉換器以及一臺電腦。激發(fā)光束通過一個(520±30) nm的干涉濾光片并聚焦在預先放置于組織室內的組織表面，相機鏡頭負責收集熒光，并將其引導通過一個610 nm長的濾鏡，將所選擇的心臟區(qū)域的圖像聚焦在PDA上面。

圖1 光標測試驗系統(tǒng)圖例[10]

2 光學標測技術在轉子標測中的運用

在房顫的維持機制中，折返一直占領著主要的地位。20世紀40年代，研究者們認為折返可能維持并驅動著房顫[11]，到了2012年，Narayan等[3]利用最新的腔內全景式電生理標測技術，將兩個64極的籃網電極分別置入患者的左、右房內，并在房顫的狀態(tài)下進行心房電活動的同步記錄，通過計算機的分析處理，找到轉子靶點，對其進行消融能有效的終止房顫的發(fā)作。而在隨后的研究中，研究者們發(fā)現轉子作為一種特殊的功能性折返，具有可移動的特點[12]，轉子發(fā)出的螺旋波圍繞著一個核心旋轉，且轉子的周長也具有不定性。當轉子的波前(wave front)在移動時如遇到障礙，會分裂產生更多子波[13]。以上這些對轉子更深入的研究，離不開各種標測技術的幫助，而光標測技術，就是在轉子研究中極為重要的工具之一。

早在1998年，Skenes等[14]就利用光學標測技術在房顫發(fā)作的羊心臟上發(fā)現了其電活動在時間及空間上具有周期性，而在此之前，房顫發(fā)作時不規(guī)則的電活動被普遍認為是無序的、隨機的。他們利用高分辨率的成像技術以及光學頻譜分析來研究置于6個灌注系統(tǒng)里的20個離體羊心臟，以確認連續(xù)的波前(wave fronts)具有時間及空間上的周期性。對房顫心臟的頻譜分析中顯示，所有的標本均有多個窄帶峰和一個主峰[(平均(9.4±2.6) Hz；周長(112±26)ms)]。20例右房光學標測記錄中的12例以及全部的左房標測結果證明了時間和空間上的周期性。在他們看來，在個別例子中，這種周期性的電活動來源于心外膜的轉子或周期性的可能代表了跨心房壁的折返的突破點(breakthroughs)。而在大多數情況下，他們觀察到的周期性的波是由視野外進入成像區(qū)域的。

圖2中的上圖是Skenes等離體羊心臟實驗裝置的示意圖，在這次實驗中，研究者們取活體羊的心臟標本置入灌注裝置，冠狀動脈通過主動脈根部的套管在115～140 mL/min的恒定流量下持續(xù)灌注，在實驗開始時，確保心臟處于竇性節(jié)律，并有節(jié)奏地有力收縮。甲氧基維拉帕米(D600, 2×10-6mol/L)作為電解耦劑添加到臺式液(Tyrode′s solution)中。注射5～10 ml的電位染料di-4-ANEPPS (10 mg/mL)以同時成像心外膜電位變化引起的熒光。研究者們使用兩個相同的攝像機同時記錄了右房游離壁的20 000個位點和左房附著物的10 000個位點。利用準單色光(535 nm)直接照射到心房的心外膜表面。發(fā)射的熒光通過645 nm濾波器，投射到CCD攝像機上，以每秒120幀的速度采集(采樣間隔為8.33 ms)。兩個攝像機都是由一個脈沖同時觸發(fā)的。隨后研究者們用心外膜的高頻刺激誘發(fā)房顫，并開始進行光學標測，如圖2中下圖所示，4張連續(xù)的等時線圖記錄了490 ms時間內左房的激活情況，從圖中可以看出這段時間內，左房被相同的空間定向的波陣面(右下角來源)反復激活，波陣面的周長為120 ms，這也與連接于心外膜的雙極心電圖的主頻一致。

圖2 離體羊心臟的光學標測裝置示意及標測結果[14]

Skenes等的實驗，利用高精密度的光學標測技術證實了房顫發(fā)作時，心房電活動在時間及空間上具有周期性，改變了以往人們對房顫發(fā)作時的心電活動規(guī)律的看法，房顫發(fā)作時，心房的電活動并非是無組織，無規(guī)律的活動。同時，如圖3所示，Skenes等首次在左房中利用光學標測技術發(fā)現了轉子的存在，提出了轉子的概念，并指出，轉子是基于組織傳導的異質性和不應期而形成的。不過當時雖有提及轉子的理念，但研究者們并沒有深入研究轉子在房顫維持機制中發(fā)揮的巨大作用，也沒有發(fā)現對轉子的消融能有效終止房顫，轉子的概念仍未得到廣泛的重視。

到了2015年，在Hansen等[15]的研究中，研究者們在人類心臟的內外膜同時進行光學標測，提出了房顫由轉子維持的新證據。如圖4中所示，在這項研究中，研究者們取用8個冠狀動脈灌注下的患有房顫的人類右房，并用近紅外光譜的di-4-ANBDQBS染料染色。他們使用雙面的光學標測系統(tǒng)[(內膜以及外膜，分辨率330 μm2和一個全景的，分辨率940μm2的CMOS照相機(100×100像素)]對心臟的內膜以及外膜的動作電位同時進行標測，同時計算得到內外膜間的電位延遲，由全景相機得到的平均的主頻率可計算出房顫的周長。研究者們還利用3D釓對比增強核磁共振(GE-MRI，分辨率80μm3)來顯示心房壁的結構，包括其厚度、跨膜纖維的角度差異以及間質的纖維化程度。研究者們同樣是以高頻刺激來誘發(fā)房顫并使其維持。

圖5中展示了Hansen等的一部分研究成果，A、B兩圖是三維釓對比劑增強核磁共振顯像結果，該結果顯示出了房顫的傳導路徑(紅箭頭)以及驅動它的折返(黑箭頭)。B圖通過三維釓對比劑增強核磁共振成像顯示的心肌截面，在這些截面中發(fā)現了在折返環(huán)路上存在著的間質纖維化(白箭頭所指)。C圖展示了通過光學標測得到的房顫的主頻率，其中a區(qū)顯示了驅動灶的頻率，達到了15.6 Hz，b區(qū)則為驅動灶外的頻率，平均在8.9 Hz。D圖展示了相同區(qū)域，心內膜和心外膜光學標測的成像結果，在心內膜發(fā)現了折返，其路徑由黑色箭頭所指，而在心外膜則表現為一個突破，黑色虛線顯示了心內膜折返環(huán)的位置。E圖展示了這個折返的光學動作電位情況，可以觀察到透壁電位傳導的延遲。

圖5 離體人類心臟在房顫下的內外膜同步光學標測及三維對比劑增強核磁共振(GE-MRI)顯像結果[15]

這次光學標測的結果再次證實了折返是房顫維持的重要機制，而心內外膜同時的標測更清晰的展示出了動作電位在透壁傳導時出現的延遲，同時揭示出在心內膜標測到的轉子有多種表現形式的原因——即轉子具有空間立體的結構。當我們在心內膜進行標測時，轉子可能表現一個局部高頻且離散的電位、一個局灶的興奮點抑或是高頻的電位，這三種多樣化的標測結果所形成的原因主要取決于轉子的空間結構，當轉子在內膜平面上旋轉時，它表現為局部高頻且離散的電位；當它在內外膜間折返時，轉子在心內膜表現為一個突破；當轉子在心外膜旋轉時，我們則可以在內膜標測到多個高頻的電位。再結合對比增強核磁共振的顯像，讓我們對折返環(huán)上的解剖結構有了更直觀的認識，也證明了纖維化在轉子形成和維持中發(fā)揮著巨大的作用。該實驗結果不僅揭示出轉子是呈現空間立體的結構，也指導我們在心內膜對轉子進行標測時須注意到轉子不同的表現形式，提高了轉子消融的成功率。

光學標測自1998年第一次運用于轉子的標測，如今已走過20個年頭，作為轉子研究中最重要的武器之一，多次光學標測的結果讓我們對轉子有了更清晰的了解與認識，本文取兩例有代表性的轉子光學標測的研究進行介紹，僅是光學標測在轉子研究中貢獻的冰山一角。通過目前各光學標測的研究結果，結合無創(chuàng)電生理成像(ECGi)、腔內全景式電生理標測、相位標測等不同標測方式的成果，研究者們對于轉子的形成以及維持運轉的認識愈發(fā)清晰，臨床上對轉子消融的結果也在陸續(xù)發(fā)表，且成績喜人，我們有理由相信，隨著轉子研究的更加深入以及轉子消融技術的逐漸展開，房顫這一疾病的治療也將逐漸變得個體化、精確化，房顫消融術的成功率也將得到明顯改善。