右心室（RV）功能障碍在心血管疾病的发病机制中至关重要，但目前可用于评估右心室功能的方法十分有限。近年来超声成像技术的进步为长期纵向研究右心室提供了无创且准确的选择。本文中，我们详细描述了一种利用右心室压力超负荷小鼠模型进行的逐步超声心动图检测方法。
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方法文章
经胸超声心动图评估肺动脉缩窄小鼠模型中右心室结构与功能
* These authors contributed equally
本文内容
摘要
摘要
新兴的临床数据支持右心室（RV）功能障碍在心血管疾病和心力衰竭发病机制中的关键作用1-3。此外，在肺动脉高压（PAH）等肺部疾病中，右心室也受到显著影响。同时，右心室对多种心脏病变极为敏感，包括左心室（LV）功能障碍、瓣膜性心脏病或右心室梗死4。为了深入理解右心室在心脏疾病发病机制中的作用，迫切需要一种可靠且无创的方法，以评估右心室的结构与功能。
建立并验证了一种基于无创经胸超声心动图（TTE）的方法，用于监测成年小鼠右心室（RV）结构和功能的动态变化。为施加右心室压力负荷，我们采用肺动脉缩窄（PAC）手术模型，并利用高频超声微成像系统在术后7天内监测右心室的反应。假手术小鼠作为对照组。在基础状态（术前）、第0天（术后即刻）、第3天和第7天（术后），对轻度麻醉的小鼠进行图像采集。数据随后使用软件进行离线分析。
多个可在小鼠中稳定获取的声窗（B型、M型和彩色多普勒模式），能够实现对右心室结构（包括右心室壁厚度、舒张末期）的可靠且可重复的测量 以及正常小鼠和PAC术后的小鼠的收缩末期尺寸）和功能（分数面积变化、分数缩短率、肺动脉峰值流速和峰值压力梯度）
采用该方法，可通过彩色多普勒模式实时准确测量由PAC产生的压力梯度，其结果与使用Millar高保真微型导管进行的直接压力测量相当。综上所述，这些数据表明，通过超声心动图从多个互补切面获取的右心室（RV）测量参数具有可靠性和可重复性，能够提供有关右心室结构和功能的信息。该方法将有助于更深入地理解右心室心功能障碍的作用。
引言
历史上，心力衰竭的预后评估主要集中在左心室（LV），因其可通过超声心动图方便地成像。大量利用超声心动图对左心室结构和功能进行的研究，已确立了左心室结构与功能的正常值范围1,5,6。通过二维和彩色多普勒图像获取的左心室大小及收缩功能测量值具有重要意义，因为它们能够对左心室的腔室划分和几何结构进行细致的可视化显示7。M型超声常用于测量小鼠左心室的尺寸和射血缩短率（FS）。采用该模式测量直径时，观察者间和观察者内变异度较低，但室壁厚度的测量结果往往变异较大7。脉冲多普勒结合彩色血流成像（PW或彩色多普勒）已被用于评估瓣膜反流情况8,9。
与左心室类似，右心室在 cardiopulmonary disease 患者中具有重要作用，是发病率和死亡率的重要预测指标1,7,10然而，由于右心室（RV）形状复杂，利用超声心动图对其进行评估本身就具有挑战性5,11 及其位于胸骨后方的位置，会阻碍超声波的传播8,9右心室（RV）是一个新月形结构，包绕左心室（LV），其解剖结构复杂，管壁较薄，适应于肺血管床的低压力和低阻力环境。6为克服增高的肺血管阻力（PVR），右心室首先增大并发生肥厚。在肺动脉高压或肺血管疾病等慢性疾病中，右心室逐渐扩张，最终导致收缩功能和舒张功能恶化4,5,10.
尽管在临床诊断能力方面存在某些局限性，超声心动图在肺动脉高压（PAH）的筛查和诊断中仍发挥着重要作用。经胸超声心动图（TTE）的主要优势在于其无创性，且可在轻度镇静甚至清醒动物身上进行9。TTE 还能合理估算肺动脉压力，并持续评估右心室（RV）结构和功能的变化12,13。由于 TTE 技术的进步，包括高频率机械探头的开发（可在 5–12 mm 深度实现约 50 μm 的轴向分辨率）、高帧率（大于 300 帧/秒）以及高采样率，超声心动图已成为成像快速收缩的小型小鼠心脏的首选工具8,11。
通过多个切面进行右心室功能的纵向监测，包括二维（2D）短轴和长轴、M型及多普勒声学切面，可提供关于右心室解剖结构和功能的互补信息。综合而言，该方法能够对生理及病理状态下右心室血流动力学进行全面的纵向评估4,7。
本文中，我们提供了一种利用非侵入性经胸超声心动图（TTE）对小鼠因肺动脉收缩（PAC）引起的右心室（RV）解剖和功能改变进行表征的详细分步方法。
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方案
手术步骤
- 获取8周龄雄性C57BL/6小鼠，在进行任何实验操作前适应环境一周。
- 成像前，按照AVMA指南及经IACUC批准的实验方案，如前所述进行肺动脉阻断14 。
超声心动图图像采集与测量
所有使用的缩写词汇总于表1中。
1. 通过胸骨旁长轴（PLAX）M型超声心动图获取右心室腔径、缩短分数（FS）和右心室壁厚度
- 使用B模式获取完整的心脏左室胸骨旁长轴切面。将动物仰卧于平台上（见注释6.1和6.2），将40 MHz超声探头（MS550D）置于动物体表，探头与左侧胸骨旁线呈约30°逆时针角度，缺口朝向尾侧方向（图1A）。通过沿探头y轴轻微倾斜调整探头角度（图1D），以在屏幕中央获得居中的完整左室腔图像。
- 当右心室（RV）、左心室（LV）、二尖瓣（MV）、主动脉（Ao）和左心房（LA）等解剖标志清晰可见（如图2A和2B所示）时，切换至M模式。此时屏幕上将出现一条指示线。应以主动脉为解剖标志，将该线置于右心室腔最宽处（图2A和2B）。
- 在此切面中，应清晰显示右心室壁和室间隔（IVS）。请确保焦点深度位于右心室腔中心。使用 cine store 功能记录数据，以便离线测量右心室腔尺寸、缩短分数（FS）及右心室壁厚度。M模式图像示例如图2C和2D所示。（见注释6.3。）
2. 在乳头肌中部水平的胸骨旁短轴切面获取分数面积变化（FAC）
- 从上述位置（图1A）切换至B模式，并将探头顺时针旋转90°，以获得胸骨旁短轴切面（图1B）。沿探头的x轴方向轻微倾斜探头，以避免胸骨遮挡视野。
- 沿探头的y轴方向轻微上下移动，以获得乳头肌水平的切面（参见注释6.4）。
- 在此切面中，乳头肌通常位于时钟2点和5点位置（图3）。
3. 胸骨旁主动脉瓣水平短轴切面（右心室胸骨旁短轴主动脉瓣水平切面）以获取右心室壁厚度和肺动脉峰值流速
- 从上述位置（图1B）开始，沿y轴方向将探头向颅侧移动，直至主动脉瓣的横切面出现在图像窗口中央。
- 右心室流出道（RVOT）应显示在图像上方，呈新月形结构，三尖瓣位于右心室与右心房之间，如图4A和图2B所示。使用电影存储功能记录数据，以便离线测量右心室壁厚度。（参见注释6.5。）
- 保持探头位置不变。（参见注释6.6。）
- 切换至彩色多普勒模式，将黄色脉冲波（PW）虚线与血管内血流方向平行对齐。注意蓝色表示血流方向远离探头，红色表示血流方向朝向探头（图4C和图4D）。
- 将脉冲波取样容积置于肺动脉瓣叶尖端处。（参见注释6.7。）使用电影存储功能记录数据，并在离线状态下测量肺动脉峰值流速。
4. 改良胸骨旁长轴切面观察右心室和肺动脉以获取肺动脉峰值流速
- 保持在B模式设置下，将探头（MS550D或MS250）置于右侧胸骨旁线（图1C），并沿探头的y轴方向缓慢倾斜约30–45°角（图1D），朝向小鼠胸部，以清晰显示肺动脉跨越主动脉的结构，如图5A和图5B所示。
- 切换至彩色多普勒模式，将黄色脉冲波（PW）虚线与血管内血流方向平行对齐（图5C和图5D）。将PW取样门置于肺动脉瓣叶尖端处。（参见注释6.6。）使用动态图像存储功能记录数据，并在离线状态下测量肺动脉峰值流速。
5. 数据计算与分析
- 可根据上述（方案3）中从右心室左心室短轴主动脉水平获取的B模式数据计算右心室壁厚度。选择二维区域描记工具，在舒张期描记右心室壁的面积（如图6中粉色区域所示）。然后，使用距离描记工具描记右心室流出道（RVOT）壁的内周长和外周长（如图6中蓝色线条所示）。取内周长和外周长的平均值。利用公式
，计算右心室壁（RVW）厚度。（参见注释6.8。） - 对于其他标准参数，请参考相应制造商提供的手册进行数据分析。
6. 注意事项
- 所有图像均使用 Vevo 2100 系统采集。使用其他厂商的超声成像系统也可能获得类似图像，且不同超声仪器的相对优缺点此前已有比较8,12,15。建议在可能的情况下，所有图像均应以盲法方式进行采集和分析。
- 正确选择麻醉方式至关重要，例如使用短时间吸入异氟烷（诱导浓度为 2-3%，维持浓度为 1.0%），以保持心跳处于正常的生理速率（高于 500 次/分钟），从而能够在研究中检测到可重复且一致的基础和升高的肺动脉收缩压。
- 务必以尽可能高的帧率（>200 帧/秒）采集数据。
- 寻找心腔尺寸最大的切面。
- 由于右心室位于胸骨后方，肋骨和胸骨造成的声学遮挡是本方法中获取高质量右心室图像的最大障碍。通过调整动物体位或探头位置，操作者可克服胸骨遮挡，获得所需的右心室图像。该过程可能需要 5-15 分钟，具体时间取决于动物的生理状况。
- 可能需要更换为 MS250 探头，因为 MS550D 探头可用于假手术组及肺动脉收缩压（PAC）前的小鼠，其 40 MHz 探头可记录 300-1,500 m/sec 的峰值流速，而 MS250 探头可捕捉高达 4,000 mm/sec 的峰值流速。
- 探头角度小于 20° 时，仍可准确测量肺动脉峰值流速。
- 通过多个声窗（包括长轴和短轴切面）对右心室壁厚度及面积/尺寸进行了一致性测量。部分声窗的选择取决于操作者的经验，这可能带来一定的变异性，进而影响不同的统计结果。
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结果
本研究中，小鼠在手术前48小时进行基线超声心动图检查。将小鼠随机分为两组，分别接受肺动脉结扎术（PAC）和假手术（Sham）。在手术后第0、3和7天进行超声心动图检查。最后一次超声心动图检查结束后立即处死动物，取心脏组织进行组织学评估。对PAC组中的一部分小鼠（第0天和第7天分别为n=3和n=2）进行导管插入术，通过压力导管测量右心室收缩压（RVSP）。
所有获取的成像数据均进行离线分析。重要的是，超声检查人员对动物所接受的处理过程保持盲态。本研究中展示的图像由两位独立的操作者采集。经检测，观察者间和观察者内变异分别小于6%和11%。测量时利用所有可用的声窗，结合B型、M型和彩色多普勒图像，共同评估右心室的结构与功能。所有测量值均取5个心动周期的平均值。每次测量均计算平均值和标准差（SD）。通常从不同的成像切面进行相似的测量，以获得互补信息，并提供多个数据点用于准确性和可靠性的比较。
如图7A和7B所示，右心室（RV）的收缩功能可在胸骨旁长轴切面（PLAX）以...
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讨论
我们证明，经胸超声心动图（TTE）为小鼠右心室（RV）结构和功能的常规评估提供了一种敏感且可重复的方法。在TTE出现之前，对右心室的研究主要依赖于通过右心导管术测量右心室收缩压（RVSP），这是一种终末性且侵入性的操作6,9,11,17。
既往研究报告已描述了多种进行右心测量的技术3,4,11,17-19。然而，大多数先前的研究对右心室（RV）大小和结构数据的报告主要以定性方式为主，而非定量方式5。尽管近年来对肺动脉高压（PAH）及其他疾病模型中右心室功能的关注日益增加，右心室评估的标准化仍处于初步阶段9,19。
综上所述，这些数据表明，无创成像方法可作为评估右心室功能障碍的可靠且有价值的工具。我们建立了一种成像方法，可通过多个互补的成像窗口无创地实时观察右心室结构和功能的变化，并将基于超声的压差测量方法与导管测量右心室收缩压（RVSP）这一传统金标准进行了对比验证。
在急性损伤（如肺...
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致谢
感谢 Fred Roberts 和 Chris White 提供出色的技术支持。感谢布莱根妇女医院心血管生理学核心部门为本研究提供了仪器设备和资金支持。本研究部分由 NHLBI 基金项目 HL093148、HL086967 和 HL088533（RL）、K99HL107642 以及艾里森基金会（SC）资助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 高频超声 | FUJIFILM VisualSonics, Inc. | Vevo 2100 | |
| 高频机械换能器 | FUJIFILM VisualSonics, Inc. | MS250, MS550D, MS400 | |
| Millar 微型压力导管 | Millar | SPR-1000 |
参考文献
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