3-D虚拟模拟能够触及不规则心跳的“心脏”

在一项概念验证研究中，约翰霍普金斯大学的科学家报告称，他们已经成功地对心脏进行了3d个性化虚拟模拟，以准确地确定心脏专家应该在哪里用电破坏心脏组织，以停止心脏有瘢痕的患者可能致命的不规则和快速心跳。研究人员说，对21名室性心动过速患者的回顾性分析和对5名室性心动过速患者的前瞻性研究表明，3d模拟引导程序值得扩大临床试验。

研究结果发表在9月3日出版的《生物医学工程．

“心脏消融约翰霍普金斯大学工程与医学院生物医学工程系Murray B. Sachs教授Natalia Trayanova博士说:“这种方法或通过破坏组织来阻止错误的电脉冲，已经取得了一定的成功，但在医生确定用导管进行电击的位置时，受到了许多猜测和变化的阻碍。”“我们的新研究结果表明，我们可以消除很多猜测，使治疗标准化，减少结果的可变性，从而病人长期避免心律失常，”她补充道。

当一个正常的心收缩使血液泵入全身，一波电信号流过心脏，刺激每个心脏细胞一个接一个地以正常的节奏收缩。心脏收缩后，它放松并重新充满血液。

对于患有室性心动过速的人来说，心脏下腔的电信号会发生故障，并卡在拳头大小的器官内，破坏放松和充血过程，产生快速而不规则的脉搏(或称心律失常)，美国每年估计有30万人因心脏骤停而死亡。

有许多药物可用于治疗和管理所谓的梗死相关室性心动过速，但药物的副作用和局限性增加了人们对其他干预措施的关注，特别是潜在的心脏消融术，其本质上是“重新连接”导致心律失常的电信号。特拉亚诺娃说，目前的估计表明，心脏消融术的成功率在50%到88%之间，但结果很难预测。

在进行传统的消融术时，医生将导管穿过血管到达心脏，然后使用射频波破坏心脏组织中被认为维持和传播不稳定电波的区域。用导管绘制心电功能图是用来定位可能的问题区域，但正如特拉亚诺娃指出的，精确定位这些组织一直是一个挑战。

为了更精确地定位心律失常，Trayanova和她的研究团队基于对比增强的临床MRI图像开发了患者心脏的3d个性化计算模型。模型中的每个心脏组织细胞在数学方程的帮助下产生电信号，数学方程表示心脏细胞在健康时的行为，或在靠近疤痕时的半存活状态。通过戳病人的虚拟心脏电信号在不同的位置，计算机程序确定心脏是否出现心律失常以及导致心律失常的组织位置。利用这个模型，特拉亚诺娃模拟了该心脏区域的消融，并反复运行计算机程序，以找到医生应该在实际病人身上消融的多个位置。

在当前研究的实验中，特拉亚诺娃和她的团队使用MRI图像创建了21人的个性化心脏模型，这些人此前在2006年至2017年期间在约翰霍普金斯医院成功接受了梗死相关室性心动过速的心脏消融手术。这些患者的三维模型正确地识别和预测了医生消融心脏组织的位置。在5名患者中，3d模型识别出的消融组织的数量总体上要比在手术过程中被破坏的区域小——在某些病例中，甚至小10倍以上。

接下来，研究团队测试了3d模拟技术，以指导犹他大学的三名室性心动过速患者和宾夕法尼亚大学的两名患者的心脏消融治疗。两名接受模拟引导消融手术的患者在随访的23个月和21个月期间均未出现心动过速。一名接受模拟手术的患者在两个月的随访后没有出现心动过速。在两名患者中，虚拟心脏方法预测心动过速不会诱发——这在临床过程中得到了证实，所以心脏消融术未执行。

通过这项前瞻性试验，研究团队证明了将计算机模拟预测集成到临床常规的可行性。在手术前24小时或更短时间内对患者进行扫描。然后，模拟被创建，并预测医生应该在哪里进行消融。最后，在患者手术前将预测的消融目标集导入映射系统，以便消融导管直接导航到预测的目标。

该研究首次尝试将个性化模拟预测作为抗心律失常治疗的一部分。研究人员相信，实现这些预测将减少漫长和有创的心脏定位过程，并减少患者经历的并发症。这项技术还可以减少重复手术的需要，因为它能够使梗死的心脏不再产生新的心律失常。

“这是工程学和医学令人兴奋的结合，”特拉亚诺娃说。

“导管消融的主要挑战之一是，我们正在对患有晚期心脏病的重症患者进行手术，这些患者的心脏有多个区域可能持续心律失常，”约翰霍普金斯大学医学院的医学助理教授Jonathan Chrispin说，他将领导这项技术的临床试验。“我们很高兴开始在前瞻性临床试验中测试Trayanova的方法。我们希望它能帮助我们实现提高难治性室性心动过速患者生活质量的首要目标。”

Trayanova说，需要临床试验的结果来验证个性化模拟指导梗死相关消融治疗的前景。约翰霍普金斯医院计划进行的进一步临床研究最近获得了美国食品和药物管理局(fda)的批准。

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