人升主动脉_主动脉弓的几何形态与显微结构

第 31 卷　第 1 期 2000 年 1 月 解　剖　学　报 ACTA ANAT OM ICA SINICA Vol. 31, No . 1 Jan. 2000 人升主动脉-主动脉弓的几何形态与显微结构 蔡国君　姜宗来*　纪荣明 (第二军医大学解剖学教研室,生物医学工程研究所,上海　200433) 　　【摘要】　目的　为主动脉弓生物力学和血流动力学研究提供形态学基础。　方法　应用组织学和计算机图像 方法, 对5 例正常成人升主动脉-主动脉弓进行计量形态学研究。　结果　获得了人升主动脉-主动脉弓几何形 态和显微结构成分含量沿轴向和周向连续变化的完整数据。升主动脉根部结构成分以胶原纤维为主, 左、右、后瓣 环、窦壁的厚度和结构成分含量在血管周向无显著差异。　结论　人主动脉弓几何形态与显微结构存在血管轴向 和周向非均匀性, 提示主动脉弓应力应变的不均匀状况。主动脉弓胶原纤维的周向非均匀性不如弹性纤维和平滑 肌显著, 与其力学性质相符合。 【关键词】　主动脉弓; 几何形态;血管平滑肌; 弹性纤维;胶原纤维; 生物力学 【中图分类号】　R322. 1+ 21　【文献标识码】　A　【文章编号】　0529-1356( 2000) 01-82 【收稿日期】1998-10-06　【修回日期】1999-03-26 【基金项目】国家自然科学基金资助项目( 19672072) 【作者简介】蔡国君( 1970—) ,男,哈尔滨市人,医学硕士,讲师 * 通讯作者( To w hom correspondence should be addressed) GEOMETRICAL MORPHOLOGY AND MICROSTRUCTURE OF THE HUMAN AORTIC ARCH CAI Guo-jun, JIANG Zong-lai* , JI Rong-ming (Dep artm ent of A natomy , I nstitute of B iomedical Eng ineer ing , T he S econd Mi li tary Med ical Univ er si ty, Shanghai　200433, China) 【Abstract】　Objective　The aim of t he pr esent study is to pro vide essent ial morpholog ical dat a for r esearch concerning biomechanics and hemodynamics o f the vessel. Methods　A quantitat ive study w as conducted on 5 as- cending aor ta and aor tic a rch specim ens o f normal adult human cadaver by continuous vascular sections and com- puter image analy sis. Results　A ser ies of data w ere gained o f g eom et rical morpholog y and relat ive ar ea( Aa% ) of smoo th muscle cells, ela st in and co llag en in ax ial and cir cumferentia l dir ections of the ascending ao rta and aor tic ar ch. A t the site o f aor tic r o ot co llagen is the main component. The differ ence o f w all thickness and Aa% o f the micr ostr uctur al component s am ong ao rt ic ring s and walls o f ao rt ic sinuses ar e all not significant. Conclusion　The geometr ical morpho lo gy and micro structur e alt er unequally in axial and cir cumferential dir ections of the aor tic ar ch, w hich r eflects the inequa lity of the vascular str ess and str ain. T he inequality o f co llag en in circumferential di- rections is no t as significant as that of ela st in and smooth muscle cells, according with w hose mechanica l pr oper ties of high elast ic modulus. 【Key words】　Aor tic ar ch; Geometr ical morpho log y; Sm oot h muscle cells; Elastin; Colla gen; Biomechanics 　　升主动脉-主动脉弓是一段弯曲、分支的血管, 其形态结构和血流动力学复杂。Wasano[ 1]和Sans[ 2] 等对其做过不同侧重的研究, 但有关升主动脉-主动 脉弓几何形态和显微结构的定量资料尚不完整,对 其结构的血管周向和轴向非均匀性未见报道。我们 对正常成人升主动脉-主动脉弓进行了系统定量的 形态学研究,为其生物力学和血流动力学研究提供 必要的形态学基础, 为主动脉瘤、动脉粥样硬化等主 动脉常见疾病的临床诊治提供形态学依据。 材料和方法 1. 取材方法和组织切片 主动脉(包括升主动脉、主动脉弓和部分胸主动 脉)新鲜标本 5例, 均为青年男性, 生前无心血管相 关疾病史。120mmHg 压力下灌注固定后, 自主动脉 瓣环基底平面起, 沿血管轴线量取升主动脉-主动脉 弓全长 150mm。垂直血管长轴, 于 A、B、C、D、E 各 平面处切断血管取材(图 1) ,其余自主动脉瓣环基 底平面至平面 A 血管段和平面 E远段血管,分别按 血管轴线长度平均 7等分和 4等分切断取材。标记 血管段方位, 以血管弓凸缘为上,凹缘为下,与上、下 相垂直的方向,近腹侧为前,近背侧为后。常规石蜡 切片,厚 4�m。自主动脉瓣环基底平面起, 各段切面 分别标记为 01、02⋯⋯16。根据 Han [ 3]的方法, 将升 主动脉-主动脉弓全长记为 L,各切面距瓣环基底平 面沿血管轴线的长度记为 x ,这样,主动脉上任一切 面的位置可以用 x / L 表示。 图 1　人升主动脉-主动脉弓模式图。示取材部位: 0 1:主动脉瓣环基底平面 A:头臂动脉起始处近端( 08) B:左颈总动脉起始处近端( 09) C :左锁骨下动脉起始处近端( 10) D:主动脉狭部中点( 11) E :动脉韧带附着处近端( 12) Fig. 1　Diagram of the human ascendin g aorta an d aort ic arch, show ing th e special sect ions w here measur ements w ere taken : 01, Base at tachmen t of the aort ic root . A , Proximal to the origin of th e innominate ar tery( 08) . B, Proximal to the origin of the lef t common carot id 　 artery ( 09) . C, Proximal to the orig in of th e left sub clavian artery( 10) . D , M iddle p oin t of the aort ic isthm us( 11) . E, Proximal to the anastomosis of th e ar terial ligament w ith 　 the aorta( 12) . 2. 切片染色和图像分析 各血管段连续 3张切片分别用 Neubert 酸性茜 素蓝法、Weigert 间苯二酚复红法和苯胺蓝法染血 管平滑肌、弹性纤维和胶原纤维。光镜下用计算机图 像分析测定血管的形态学指标。结果经统计学处理, 两组资料比较用 t 检验, 多组资料比较用方差分析。 结　果 1. 升主动脉根部的几何形态与显微结构 在主动脉瓣环基底平面(切面 01) ,胶原纤维与 弹性纤维含量的比值( C/ E 值)显著大于主动脉其他 部位(图 2) , 血管平滑肌、弹性纤维和胶原纤维的相 对含量在 3个瓣环间均无显著差异,左、右、后 3个瓣 环的壁厚分别为 497. 0±22. 7�m、508. 1±26. 3�m 和499. 9±25. 7�m,三者无显著差异(图 3)。 图 2　人升主动脉-主动脉弓的C/ E 值。主动脉根部(切面 01, 02) 的 C/ E值显著大于主动脉其他部位( P< 0. 01) Fig. 2　T he C/ E of the hum an ascendin g aorta and aort ic arch . T he C/ E of the aort ic r oot ( sect ion 01, 02) is sign ifican tly larg er th an that of the other part of the aorta ( P < 0. 01) 在主动脉窦平面(切面 02) ,左、右、后窦壁厚度 分别为 624. 6±29. 7�m、631. 2±33. 4�m 和 627. 5 ±30. 6�m, 三者无显著差异。窦壁为瓣环向主动脉 壁的延续部分, 其显微结构成分含量也界于两者之 间,仍以胶原纤维为主,各显微结构成分的相对含量 在 3个窦壁间也无显著差异。 2. 升主动脉-主动脉弓的几何形态学 升主动脉-主动脉弓的管径、壁厚、管壁和管腔 横截面积在血管轴向连续变化(图 4)。 表 1 列出自升主动脉管部(切面 03)起各血管 切面在不同周向的中膜厚。其中在切面 04～06、08 ～12和切面 14 等部位, 中膜厚在周向呈显著非均 匀性(图 5, 6) ,其在不同周向的两两比较见表 2。 ·83·Vo l. 31, No. 1 蔡国君.人升主动脉-主动脉弓的几何形态与显微结构 图 4　升主动脉-主动脉弓的几何形态在血管轴向的变化。 Fig. 4　Line graph s show th e geomet rical morphology alter con tin uously and unequ ally along the axis of th e as cen ding aorta and aort ic arch . 表 1　升主动脉-主动脉弓各切面不同周向方向的 中膜厚(�m, x-±s ) T able 1　M edia thickness of ao rt a in different circumferential dir ections( �m, x-±s) 切面 sect ion 上 superior 前 anterior 下 inferior 后 posterior 03 768. 4±56. 3 727. 6±52. 1 733. 6±53. 3 706. 1±44. 3 04 831. 5±70. 8 734. 1±51. 6 799. 9±61. 0 747. 6±64. 7** 05 833. 4±51. 6 741. 3±46. 1 825. 7±77. 1 762. 4±33. 6** 06 796. 5±73. 3 738. 7±67. 7 821. 8±54. 2 753. 5±65. 5* 07 770. 3±68. 4 733. 4±59. 4 731. 1±53. 4 746. 8±53. 6 08( A) 810. 6±57. 6 746. 5±44. 0 641. 2±46. 3 749. 1±42. 7** 09( B) 736. 6±46. 8 586. 1±34. 6 558. 5±64. 8 589. 8±40. 0** 10( C) 633. 9±51. 2 567. 6±44. 8 587. 5±49. 5 583. 8±46. 9** 11( D) 667. 3±68. 1 584. 2±48. 5 621. 0±34. 2 571. 6±38. 1* 12( E) 629. 7±55. 4 623. 8±81. 7 705. 4±41. 8 588. 1±60. 2** 13 635. 7±45. 1 629. 7±75. 6 623. 2±70. 2 570. 1±52. 1 14 571. 0±33. 1 598. 4±64. 9 551. 9±49. 2 508. 7±62. 1* 15 549. 5±33. 9 556. 9±57. 1 569. 3±72. 3 522. 3±54. 3 16 534. 6±34. 9 554. 6±31. 2 541. 1±35. 8 512. 6±33. 5 * 各方向差异显著( P < 0. 05) , ** 各方向差异非常显著( P< 0. 01) , * and ** repres ent signif icant dif feren ces at P < 0. 05 and P < 0. 01, respectively, as com pared in cir cumferent ial direct ions , ANOVA. 表 2　升主动脉-主动脉弓各切面中膜厚周向两两比较 T able 2. Compar ison of m edia thickness of ao rt a bet ween one cir cum ferential dir ect ion and ano ther 切面( sect ion) 04 05 06 08 09 10 11 12 14 上-前( S: A) ** ** * ** ** * 上-下( S : I) ** ** * * 上-后( S : P) * ** * ** * * 前-下( A : I) * ** * ** * 前-后( A : P) * 下-后( I: P) ** ** ** * 差异显著( P < 0. 05) , ** 差异非常显著( P < 0. 01) * and ** repr esent signif icant dif ferences at P < 0. 05 and P < 0. 01, respect ively , Newm an-Keul tes t . S , superior; A , anterior; I, infer ior ; P, pos terior 3. 升主动脉-主动脉弓的显微结构成分 自升主动脉管部起的升主动脉-主动脉弓连续 分段切面内,血管中膜平滑肌、弹性纤维和胶原纤维 的含量是连续变化的,但 C/ E 值基本恒定(图 2) , 在 不同周向方向, 3种显微结构成分的相对含量也多 是不均匀的(图 7～10)。 ·84· 解　　剖　　学　　报 31 卷, 1期 图 7　升主动脉-主动脉弓各切面不同周向方向显微结构成分的相对含量。 * P< 0. 05,各周向方向差异显著, ** P< 0. 01,各周向方向差异非常显著。 Fig. 7　T he relat ive area( Aa% ) of th e microst ructu ral components in dif f er ent ci rcumferent ial d irection s of the aortic media along the axis of the human aortic arch. * P < 0. 05, ** P < 0. 01, ANOVA. 讨　论 1. 升主动脉根部的解剖特点 在主动脉窦部, 管径和腔面积最大, 使 心收缩期开放的主动脉瓣并不贴附窦壁, 血 液在窦内形成涡流, 对主动脉瓣关闭功能和 冠状动脉充分灌注十分重要[ 4]。在血管周向, 左、右、后瓣环和窦壁在厚度与显微结构成 分含量上均无显著差异,左、右、后 3个瓣叶 在形态和大小上也基本一致[ 5] ,这从形态上 旁证了在主动脉口血流作用力可能均匀地 分布在血管周向。升主动脉根部的结构成分 是以胶原纤维为主的致密结缔组织, C/ E 值 显著大于主动脉其他部位,这种坚韧结构对 维持主动脉根部形态, 保障主动脉瓣功能很 重要。 2. 升主动脉-主动脉弓几何形态的轴向非均 匀性 弯曲和分支是升主动脉-主动脉弓最显 著的几何形态特点, 从整体看, 管腔面积逐 渐减小, 呈一定锥度, 但变化并不均匀。此 外,升主动脉-主动脉弓还存在一些生理或病 理性的局部狭窄或扩张。血管的弯曲、分支、 狭窄或扩张等几何形态非均匀性对血液流 动有重要影响。 3. 升主动脉-主动脉弓结构的周向非均匀性 Fung [ 6]在研究残余应力时发现主动脉 的结构在周向是变化的。本研究证实自升主 动脉管部起的升主动脉-主动脉弓存在结构 的周向非均匀性, 反映血管应力、应变不均 匀。在升主动脉管部,血流在收缩期首先沿 下壁达到速度高峰, 并因离心力逐渐移向上 壁, 再形成二次流返向下壁 [ 7] , 血管壁在上、 下方向所受血流切应力高,其中膜厚和结构 成分含量明显大于前、后方向(图 5) ;在主动 脉弓三大分支附近, 血流作用于血管上壁的 切应力达到动脉中的最高值[ 8] ,因而, 上壁中 膜厚和各结构成分相对含量普遍较大(图 6) ;在弓远端, 后壁中膜薄, 弹性纤维、平滑 肌含量低, 反映此处血流慢,应力低, 这是动 脉硬化斑块好发原因之一。我们还发现胶原 纤维在血管周向的非均匀性不如弹性纤维 ·85·Vo l. 31, No. 1 蔡国君.人升主动脉-主动脉弓的几何形态与显微结构 和平滑肌显著(图 7) ,这可能与其力学性质有关,弹 性纤维和平滑肌有相对低的弹性模量,在低应力下 是主要承载体, 而高应力下, 承载的主要是胶原纤 维,因而正常情况下,胶原纤维对应力变化没有弹性 纤维和平滑肌敏感。 本文图 3, 5～10见插图第 17页 图 版 说 明 图 3　主动脉瓣环基底平面(切面 01)切片。L :左瓣环, R :右瓣环, P: 后瓣环。 图 5　升主动脉中段切片(切面 04)。示血管中膜厚周向非均匀性, S : 上壁, A :前壁, I:下壁, P:后壁。 图 6　主动脉弓切面A 切片。示血管中膜厚周向非均匀性, S :上壁, A :前壁, I:下壁, P:后壁。 图 8　主动脉弓(切面 A)平滑肌相对含量的周向比较。Neubert 酸性 茜素蓝染色, 8A:血管上壁, 8B:血管下壁,×10 图 9　主动脉弓(切面 A)弹性纤维相对含量的周向比较。Weigert 间 苯二酚复红染色, 9A:血管上壁, 9B:血管下壁,×10 图 10　主动脉弓(切面 A)胶原纤维相对含量的周向比较。苯胺蓝染 色, 10A:血管上壁, 10B:血管下壁,×4 Explanat ion of figu res Fig. 3　Cross-sect ional view of th e base at tachmen t of the aort ic root( s ect ion 01 ) . L, left aort ic rin g; R, right aort ic ring ; P, pos terior aort ic ring. T he dif ference of w al l thickness a- mong th ree aort ic rings is not signif icant . Fig. 5　Cross-sect ional view of the middle part of the ascending aor- ta( sect ion 04 ) , s how ing the media th ickness is u nequal in dif feren t circumferent ial direct ions. S , s uperior ; A , anteri- or ; I, inferior , P, pos terior. Fig. 6　Cross-sect ional view of th e aort ic arch (s ect ion A) , sh ow ing the media thickness is unequal in dif f er ent circum ferent ial direct ions. S , s uperior; A , anterior; I, inferior; P, posterior. Fig. 8　Comparison of relative area( Aa% ) of smooth muscle in dif- ferent cir cumferent ial dir ect ion of aort ic arch ( sect ion A) , s tained w ith neubert acid alizarine blue B, 8A, superior w all; 8B, infer ior w all　×10 Fig. 9　Com paris on of Aa% of elast in in dif ferent circumferent ial di- rect ion of aort ic arch( s ect ion A) , stained w ith Weigert re- sorcinol and bas ic fushsin, 9A, superior w all ; 9B, in ferior w all　×10 Fig. 10　C om paris on of Aa% of collagen in dif feren t circumfer ent ial direct ion of aort ic arch ( sect ion A ) , s tained w ith Anil in Blu e, 10A, superior w all ; 10B, inferior w all　×4 参 考 文 献 [ 1 ] Wasan o K, Yamam oto T . T ridimensional arch itectur e of elas t ic t is sue in th e rat aorta an d fem or al ar tery: a scann ing elect ron m icroscope study[ J ] . J E lect ron M icrosc, 1983, 32( 1) : 33-44. [ 2 ]S an s M , Moragas A. M athematical morph ologic analys is of the aort ic m edial st ructu re: biom ech anical im plicat ions [ J ] . 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