КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: желудочки сердца, ремоделирование, морфология, функциональное состояние

Представленные в предыдущей публикации* результаты качественного анализа структурно-функциональной организации желудочков сердца показали, что желудочки сердца, с одной стороны, являются функционально автономными, а с другой – составляют целостный орган – сердце [1, 8–10].

Результаты качественного анализа представляют собой морфологическую основу для создания моделей сердца, позволяющих оценивать функциональное значение ориентации волокон миокарда на макро- и микроскопическом уровне в изменении геометрии сокращения [3–6]. Точный учет этих процессов и оценка геометрических параметров сердца возможны на основе количественных данных морфологии стенки желудочков на макро- и микроскопическом уровне, адаптированных к реальному ультразвуковому исследованию сердца, включая и трехмерную реконструкцию [6, 7, 9].

Цель данной части исследования структурной организации миокарда состояла в количественном анализе пространственной ориентации волокон миокарда желудочков сердца для разработки прикладных морфо-функциональных моделей, позволяющих оценивать геометрию сокращения желудочков.

Материал и методы

Морфологический количественный анализ мышечной структуры стенок желудочков проведен на 40 сердцах человека без признаков патологии по данным судебно-медицинского или патологоанатомического исследований.

Количественная оценка структурной организации миокарда проведена в трехмерной системе отсчета с последующим математическим моделированием. Использованы 9 уровней сечений по горизонтали и толщине стенки сердца (рис. 1). Кроме того, анализировали ход волокон миокарда с использованием специально разработанного устройства (рис. 2).

 
Рис. 1. Схема системы отсчета, применяемой для изучения структурной организации миокарда (на примере левого желудочка и межжелудочковой перегородки). 1–9 – циркулярные линии; 0–315 – меридианальные линии; I–VII – глубина тангенциальных срезов от эпикарда к эндокарду.

Рис. 2. Схема определения пространственной ориентации пучков волокон миокарда, используемая при математическом описании структурной организации миокарда.

Гистотопографические срезы получали двумя путями: резкой заключенных предварительно в целлоидин препаратов и резкой препаратов на замораживающем микротоме. Были получены тангенциальные поперечные и вертикальные гистотопографические срезы толщиной 30–100 мк. Для получения тангенциальных срезов желудочки сердца разделяли рассечением по передней и задней межжелудочковым бороздам. Левый желудочек (ЛЖ) в тех случаях, когда его отсекали вместе с межжелудочковой перегородкой, дополнительно разрезали по боковой стенке. Полученные препараты заключали между двумя стеклами и фиксировали в 3–5 % растворе нейтрального формалина. В последующем из этих препаратов получали тангенциальные срезы. Последние производили через равные расстояния по толщине стенки от эндокарда к эпикарду. В ЛЖ получали по 7 таких срезов, в правом – по 5. Поперечные срезы получали по 9 уровням сечений сердца через равные расстояния от верхушки до основания. При этом срезов, проходящих через правый желудочек (ПЖ), было 8. Это обусловлено несовпадением дистальных отделов желудочков, в результате чего плоскость первого сечения проходила только через верхушку ЛЖ.

Вертикальные срезы получали из передней, боковой и задней стенки ЛЖ и межжелудочковой перегородки. В ПЖ эти срезы произведены из передней и задней стенки. Для лучшего выявления соединительнотканных волокон срезы окрашивали по методу Ван-Гизона. Срезы, полученные на замораживающем микротоме, для сохранения ихцелости при покраске и дальнейшей обработке заключали между двумя листами фильтровальной бумаги.

На 30 экспериментальных животных (собаки) изучена ориентация волокон посмертно сокращенного (модель систолы) и расслабленного (модель диастолы) сердца.

Результаты и их обсуждение

В наших исследованиях измеряли только толщину слоя наружных и слоя внутренних волокон миокарда, что обусловлено следующим. Изучение ориентации пучков волокон миокарда показало, что слой “чисто” циркулярных волокон выраженнезначительно. Более того, изменение направления пучков волокон из косого в циркулярное осуществляется настолько плавно, что граница раздела косого и циркулярного слоев отсутствует. Это нашло подтверждение и при количественном анализе структурной организации миокарда. Поэтому более надежным является разделение пучков волокон миокарда на два слоя: наружный и внутренний. Под наружным слоем понимали расстояние от эпикарда до середины слоя волокон, ориентированных циркулярно. Толщину внутреннего слоя определяли от середины циркулярных волокон до папиллярно-трабекулярного аппарата ЛЖ. В табл. 1 показаны морфометрические показатели толщины отдельных слоев ЛЖ. Оказывается, что толщина внутреннего слоя больше, чем наружного, на всем протяжении сердечной стенки. В общем закономерности распределения толщины отдельных слоев желудочков аналогичны изменению толщины стенки желудочка как по высоте, так и по окружности.

Таблица 1 Толщина слоя наружных и внутренних волокон миокарда левого желудочка сердца человека на различных уровнях поперечных сечений в норме (M±m)

Количественный анализ структурной организации миокарда предусматривал изучение ориентации волокон миокарда ПЖ и ЛЖ по поверхности и толщине стенки сердца. Отсутствие количественных данных об ориентации волокон миокарда и методики такого исследования требовало разработки собственного методического подхода и непосредственного изучения этого вопроса. Учитывая прикладную значимость проводимых морфологических исследований, количественный анализ ориентации волокон миокарда проведен применительно к разработанной модели сердца, обеспечивающей анализ геометрии сокращения желудочков, что изложено в ряде наших работ [4–6].

Целостная конструкция миокарда на макро- и микроскопическом уровне представляет сложную топографическую систему пучков волокон различной выраженности, ориентированных в различных направлениях и имеющих разнообразные связи между собой. Нам не удалось обнаружить четкие морфологические признаки, позволяющие выделить в миокарде желудочков отдельные слои. Существующее разделение миокарда на слои, по нашему мнению, является условным и наиболее целесообразно с позиции морфометрии стенки сердца. Поэтому определение ориентации волокон миокарда проведено без учета принадлежности отдельных пучков миокарда к известным в анатомии миокарда слоям, а с позиции единой морфологической целостности стенок желудочков сердца.

Известные традиционные описания строения миокарда, представляющие его в виде непрерывных пучков волокон от основания к верхушке, не могут быть использованы при количественном подходе к изучению распределения волокон миокарда, так как выделить такие волокна в чистом виде практически невозможно. С учетом изложенного, структурную организацию миокарда описывали с помощью математической модели, в которой направление пучков волокон в массиве точек его поверхности и глубины измеряли относительно цилиндрической системы координат (см. рис. 2).

Количественно структурная организация миокарда может быть представлена единичными векторами, касательными к пучкам волокон миокарда, относительно трехмерной системы координат.

Касаясь методики количественного анализа структурной организации миокарда, хотелось бы отметить, что первоначально мы проводили анализ структурной организации миокарда по 624 точкам (504 в ЛЖ и 120 в ПЖ). Однако такое детальное представление о структурной организации миокарда, как показали наши дальнейшие исследования, не имеет практической значимости. Поэтому нами были выбраны наиболее характерные участки стенки желудочка по высоте (верхняя, средняя, нижняя треть желудочков) и по поверхности (передняя, боковая, задняя стенки ЛЖ, межжелудочковая перегородка, передняя и задняя стенки ПЖ). В этом случае количество точек, в которых представлена ориентация волокон миокарда желудочков, составляет 114: из них в ЛЖ – 84 точки, в ПЖ – 30 точек. Количественные данные структурной организации миокарда желудочков представлены в табл. 2 и 3. Для более четкого представления ориентация волокон миокарда сердца человека показана графически (рис. 3 и 4). На рис. 3 и 4по оси Y обозначены углы (Аэ) между направлениями пучков волокон и циркулярными линиями системы отсчета, по оси Х – глубина сечения (глубина залегания) пучков волокон. Учитывая то, что не выявлено существенных различий в направлении хода пучков волокон миокарда в зависимости от размеров сердца и толщины стенки, глубина сечений обозначена не абсолютными, а относительными числами, соответствующими стандартным сечениям стенки желудочка: 7 сечений для ЛЖ (см. рис. 3) и 4 – для ПЖ (см. рис. 4).

Таблица 2 Ориентация пучков волокон миокарда левого желудочка сердца человека в плоскости поверхности стенки (в градусах) относительно продольной оси желудочка

Таблица 3 Ориентация волокон миокарда правого желудочка сердца человека в плоскости поверхности стенки (в градусах) относительно продольной оси желудочка

 
 

Рис. 3. Изменение пространственной ориентации пучков волокон миокарда левого желудочка сердца в точках измерения по глубине и высоте сечений. Х – глубина сечений от эпикарда к эндокарду, Y – угол наклона пучка волокон (Аэ) относительно циркулярных линий системы отсчета (то же на рис. 4). I – основание; II – середина; III – верхушка (то же на рис. 4 и в табл. 2, 3).

Рис. 4. Изменение пространственной ориентации пучков волокон миокарда правого желудочка сердца в точках измерения по глубине и высоте сечений.

Приведенные графики могут быть использованы для определения ориентации пучков волокон миокарда в разных участках стенки желудочка по окружности, по третям их высоты, по глубине залегания. Для этого был проведен перпендикуляр к оси Y от соответствующей точки (см. рис. 2).

Полученные количественные характеристики структурной организации миокарда были использованы для математического описания пространственной ориентации волокон миокарда в точках измерения. Для этого применили элементы теории кривых и поверхностей в пространстве. Стенку сердца рассматривали как толстую оболочку сложной формы, отнесенную к площади срединной поверхности. В качестве системы координат на этой поверхности были выбраны (см. рис. 2): угловая координата AL и высота Z. Угловая координата ALопределяет месторасположение точки К по окружности.

Анализ графиков показывает (см. рис. 3 и 4), что по мере приближения от эпикарда к середине стенки (сечения 3–5 для ЛЖ и 2–3 для ПЖ) пучки волокон приобретают циркулярное направление (0°). А затем внутренние пучки, удаляясь от середины стенки (сечения 5–7 и 3–5 соответственно для ПЖ и ЛЖ), вновь приобретают косой ход, но уже противоположного направления (отрицательные углы на графиках). Необходимо отметить, что циркулярные пучки волокон наблюдают только в середине стенки желудочков и в незначительном количестве, что особенно наглядно можно видеть на поперечных срезах стенки ЛЖ.

Существующее мнение о преобладании циркулярных волокон в стенке ЛЖ, по-видимому, связано с тем, что к циркулярным волокнам относят и пучки волокон с малым углом наклона. В ПЖ, в отличие от ЛЖ, наружные волокна более круто переходят во внутренние. Волокна, составляющие межжелудочковую перегородку, имеют такую же ориентацию, что и волокна соответствующих частей стенок желудочков.

Для выяснения структурной перестройки миокарда при сокращении было необходимо изучить ориентацию пучков волокон миокарда на экспериментальных моделях диастолы и систолы. Ее изучали на сердцах собак, находящихся в состоянии посмертного расслабления и сокращения (табл. 4). Избранная для этого методика моделирования систолы и диастолы желудочков, безусловно, не отражает полной динамики этого процесса. Однако исследование структуры миокарда в сердце, остановленном в систолу, может быть использовано для изучения структурной перестройки миокарда желудочков при сокращении сердца. Ориентацию пучков волокон сокращенного и расслабленного сердца изучали в области переднебоковой стенки ПЖ и ЛЖ на уровне их верхней, средней и нижней трети.

Таблица 4 Изменение угла (в градусах) между слоем наружных и внутренних пучков волокон миокарда сокращенного (модель систолы) и расслабленного (модель диастолы) сердца собаки

Примечание. g – угол между пучками наружных и внутренних волокон миокарда.

Согласно полученным данным, при сокращении происходит уменьшение угла между пучками наружных и внутренних волокон миокарда. Такие изменения взаимоотношения пучков волокон могут быть объяснены особенностями пространственной ориентации волокон. Наружные и внутренние пучки волокон имеют спиралеобразный ход, и при сокращении желудочка, вследствие относительно большего сокращения по ширине, происходит увеличение шага спирали, то есть ход волокон приобретает более косое направление. Это и приводит к уменьшению угла между пучками наружных и внутренних волокон миокарда при его сокращении. Ориентация волокон, ориентированных циркулярно, не изменяется.

Обобщение результатов биометрического анализа желудочков сердца позволяет сделать следующее заключение. Стенка сердца по поверхности и в глубине имеет различные биомеханические условия сокращения. К ним можно отнести кривизну поверхности стенки сердца, различную ориентацию пучков волокон миокарда, распределение массыпо поверхности стенки сердца (толщина стенки сердца).

Особенности распределения и направления пучков волокон миокарда у верхушки и основания определяют продольное укорочение в области верхушки и циркулярное – у основания. Конечная часть ПЖ – артериальный конус, является практически обособленной от остальной части миокарда желудочков. Это своего рода функциональный резерв мышечной ткани ПЖ, позволяющий ему автономно реагировать на нарушенную гемодинамику в малом круге кровообращения.

Таким образом, представленные количественные данные структурной организации сердечной мышцы (ПЖ и ЛЖ) составляют основу для математического моделирования геометрии сокращения желудочков и оценки ее функционального значения. Прикладные аспекты этой работы имеют непосредственное отношение к исследованию сердца ультразвуковыми методами с последующим анализом ремоделирования и его значения в процессах как компенсации, так и декомпенсации сердца.

Принципы построения модели желудочков сердца в виде толстой оболочки с известной структурой волокон миокарда изложены в наших предыдущих публикациях [2–6]. Последующие наши исследования будут касаться конкретных клинических исследований геометрии сокращения желудочков как одного из критериев оценки функционального состояния сердца.

Литература

1. Воронин В.В. Сила сердца и сила сердечной мышцы // Проблемы нервной физиологии и поведения. – Тифлис, 1936. – С. 40-45.
2. Воронков Л.Г., Коваленко В.Н., Рябенко Д.В. Хроническая сердечная недостаточность: механизмы, стандарты диагностики и лечения. – К.: Морион, 1999. – 128 с.
3. Коваленко В.Н. Клинико-инструментальная оценка функционального состояния сердца при различных сердечно-сосудистых заболеваниях: Автореф. дис. … д-ра мед. наук. – Х., 1982. – 28 с.
4. Коваленко В.Н. Новые методические подходы к диагностике сердечной недостаточности у больных ревматическими пороками сердца // Укр. кардіол. журн. – 1994. – № 1. – С. 75-78.
5. Коваленко В.М. Обґрунтування і методичні підходи до оцінки функціонального стану серця при його некоронарогенних ураженнях на основі геометрії скорочення лівого шлуночка. VI Нац. конгрес кардіологів України (Тез. доп.). – 2000. – С. 205-206.
6. Коваленко В.Н. Сердечная недостаточность и ремоделирование левого желудочка у больных ревматическими пороками сердца // Серцево-судинна хірургія. Щорічник наукових праць Асоціації серцево-судинних хірургів України. – 2001. – Вип. 9. – С. 168-171.
7. Bodeer H.S. Contractile tension in the myocardium // Amer. Heart J. – 1963. – Vol. 66, № 3. – P. 432-434.
8. Burton A.C. The importance of the shape and size of the heart // Amer. Heart J. – 1957. – Vol. 54. – P. 801-810.
9. Dumesnil J.G., Shoyori R.M., Layrenccay J.L., Tyrcot J.A mathematical model of the dynamic geometry of the intact left ventricle and its application to clinical data // Circulation. – 1979. – Vol. 59, № 5. – P. 1024-1034.
10. Santamore W.P., Dell’Italia L.J. Ventricular interdependence: significant left ventricular contributions to right ventricular systolic function // Prog. Cardiovasc. Diseases. – 1998.– Vol. 40, № 4. – P. 289-308.

Functional morphology of heart ventricles as changes of contraction geometry. Part II. Quantity analysis

V.N. Kovalenko

The analysis of heart functional state is based mainly on indices of the ventricles. Thus, it is important to create the useful morphofunctional model of ventricles for explanation of mechanisms, involved in formation of heart failure in different cardiovascular diseases. The aim of the study was to investigate the structural and functional morphology of heart ventricles as the basis of contractile remodeling geometry. Approximation of ventricular shape by known geometrical solids with further elaboration of mathematical shape model has been performed. The morphological and functional relations between the right and left ventricles were studied, with the further confirmation by the echocardiography data, obtained in practically healthy subjects and the patients with different cardiovascular diseases.