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方法文章

标准化猪心室颤动模型与高级心脏生命支持

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DOI:

10.3791/60707

2020年1月30日

本文内容

摘要

心肺复苏和除颤是治疗由心室颤动引起的心脏骤停的唯一有效治疗手段。本模型提供了一种标准化的方案,用于在猪模型中诱导、评估和治疗这种生理状态,从而提供一种临床方法,并具有多种数据采集和分析的机会。

摘要

无论病因如何,心脏骤停后的 cardiopulmonary resuscitation(心肺复苏)都是医院和院前急救环境中经常遇到的医疗紧急情况。在人体中开展前瞻性随机对照试验设计困难,且存在伦理上的不确定性,导致目前缺乏循证医学支持的治疗方法。本报告中介绍的模型在大型动物模型中标准化地模拟了心脏骤停最常见的病因之一——心室颤动。该模型可在临床高度模拟的条件下实现可重复的观察和多种治疗干预,从而有助于产生更高质量的证据,并最终为改进临床治疗提供可能。

引言

心脏骤停和心肺复苏(CPR)是医院病房以及院前急救人员场景中经常遇到的医疗急症1,2。尽管已有大量研究致力于明确该情况下的最佳治疗方案3,4,5,6,但由于缺乏前瞻性随机对照试验,国际指南和专家建议(如ERC和ILCOR)通常依赖于低等级证据3,4,5,7,8,9。这部分原因在于对人类试验中采用随机复苏方案存在明显的伦理顾虑10。然而,这也可能反映出在面对危及生命且高压力的情境时,严格遵循方案的依从性不足11,12。本报告所介绍的方案旨在提供一种在真实临床环境中标准化的复苏模型,在无需使用人体受试者的情况下,生成有价值、前瞻性的数据,并尽可能保证其有效性与准确性。该方案遵循常见的复苏指南,易于实施,使研究人员能够在关键但受控的条件下,对各种干预措施和相关因素进行观察与表征。这将有助于:1)更深入理解心脏骤停和心室颤动背后的病理机制;2)获得更高质量的证据,以优化治疗方案并提高生存率。

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方案

本方案中的实验已获得州及机构动物护理委员会(德国莱茵兰-普法尔茨州科布伦茨地区检验局,主席:Silvia Eisch-Wolf 博士;批准号:G16-1-042)的批准。实验实施遵循 ARRIVE 指南。本方案共纳入7只雄性猪(sus scrofa domestica),平均体重为 30 ± 2 kg,年龄为 12–16 周。

1. 麻醉、插管和机械通气13,14

  1. 尽可能将动物维持在其正常环境中,以尽量减少应激。在预定实验开始前6 h禁食,以降低误吸风险,但不禁水。
  2. 使用氯胺酮(4 mg/kg)和阿扎哌隆(8 mg/kg)混合溶液,通过肌肉注射针头(20 G)在猪的颈部或臀部肌肉注射进行镇静。注射后将动物置于圈舍内静置,避免干扰,直至镇静起效(15–20 分钟)。
    警告:处理动物时必须佩戴手套。
  3. 将已镇静的动物转运至实验室,转运时间不应超过有效镇静时长(此处为30-60分钟)。
  4. 监测外周血氧饱和度(SpO₂)2用夹在尾巴或耳朵上的传感器。
  5. 使用酒精消毒剂在耳缘静脉穿刺前对皮肤进行消毒。先喷洒消毒区域,擦拭1次,再次喷洒,然后让消毒剂自然干燥。
  6. 通过静脉注射芬太尼(4 µg/kg)给予镇痛。通过静脉注射异丙酚(3 mg/kg)诱导麻醉。
  7. 将猪置于带有真空垫的担架上,仰卧位,并用绷带固定。通过静脉注射阿曲库铵(0.5 mg/kg)给予肌松剂。
  8. 使用犬用通气面罩(2号尺寸)直接开始无创通气。通气参数如下:FiO₂2 (吸入氧浓度)= 100%,呼吸频率 = 18–20 次/分钟,吸气峰压 = <20 cmH₂O20,PEEP(呼气末正压)= 5 cmH₂O20.
  9. 通过持续输注芬太尼(0.1–0.2 mg/kg)维持麻醉-1 h-1)和丙泊酚(8-12 mg kg-1 h-1)。开始持续输注平衡电解质溶液(5 mL/kg-1 h-1).
  10. 通过使用普通气管插管(内径 6-7)和管芯进行插管以固定气道。使用带有 Macintosh 叶片(4 号)的普通喉镜。此步骤需要两人配合完成。
    1. 确保一人用一块组织固定舌头外部,同时另一人用手掰开吻部。
      1. 确保第二人对猪喉部进行喉镜检查。当会厌进入视野时,将喉镜向腹侧移动,抬起会厌,即可看到声带。
        注意:如果会厌未向腹侧移动,它将粘附于软腭,此时可用导管尖端将其松动。
  11. 小心地将导管经声门移动。
    注意:气管最狭窄的部位并不在声带水平,而是在声门下。如果无法插入导管,可尝试顺时针旋转导管或使用较细的导管。
  12. 将导引器从管中抽出。使用10 mL注射器向套囊注入10 mL空气以封闭套囊。使用套囊压力计控制套囊压力(30 cmH₂O)。2O
  13. 连接呼吸机后开始机械通气(PEEP = 5 cmH₂O)2氧,潮气量 = 8 mL/kg,吸入氧浓度(FiO₂)2 = 0.4,吸呼比(I:E)= 1:2,呼吸频率 = 可调,以达到目标呼气末二氧化碳分压2 的 <6 kPa,通常为20–30次/分钟)。通过定期使用二氧化碳波形图监测呼出二氧化碳,确保导管位置正确。
  14. 通过听诊检查双侧通气情况。
    注意:若导管位置不正确,充气的胃会迅速通过腹壁形成明显可见的隆起。此时需立即重新放置导管并插入胃管。若插管不成功,应切换回面罩通气,并尝试使用更小的导管或调整吻部位置。
  15. 两人协作将胃管置入胃内,以防止反流和呕吐。
    1. 用一块组织固定住舌头,另一只手撑开吻部。
      1. 确保由第二人对猪喉部进行喉镜检查,随后观察食管。使用马吉氏钳将胃管推入食管,直至引流出胃液。
        注意:视野可能难以观察。此时可用喉镜将气管向前上方抬起,以打开食管。

2. 仪器设备

  1. 使用绷带向后固定后肢,以展平股部区域的皱褶,便于进行血管插管。
  2. 准备以下材料:注射器(5 mL、10 mL 和 50 mL)、Seldinger 针、导引鞘(6 Fr、8 Fr、8 Fr)、鞘用导丝、三腔中心静脉导管(7 Fr,30 cm)及其配套导丝、心输出量监测仪(材料表)以及导管(5 Fr,20 cm)。
  3. 对腹股沟区域进行消毒(见步骤 1.6)。重复此过程 2 次。
  4. 用生理盐水充满所有导管。在超声探头上涂抹超声耦合剂。用无菌开窗洞巾覆盖腹股沟区域。
  5. 使用超声扫描右侧股血管,并采用多普勒技术识别动脉和静脉15。先以横轴位观察右侧股动脉,再将探头旋转 90° 转为纵切面观察动脉。
  6. 在超声引导下,使用 Seldinger 针穿刺右侧股动脉,同时持续用 5 mL 注射器抽吸。
    注:据我们认为,超声引导下的 Seldinger 技术相比其他血管通路方法,可显著减少失血量和组织损伤。
  7. 通过观察鲜红色搏动性血液确认针尖位置正确。断开注射器,迅速将导丝插入右侧股动脉。
  8. 以超声观察右侧股静脉的纵轴。使用 Seldinger 针在持续抽吸状态下穿刺(5 mL 注射器),抽吸暗红色、无搏动的静脉血。
    注:若无法通过视觉确认针尖在不同血管中的位置,可采集血液样本并分析血气含量。高氧水平提示为动脉血,而低氧饱和度则提示位于静脉内。
  9. 断开注射器后,将中心静脉导管用导丝插入右侧股静脉,随后撤出 Seldinger 针。
  10. 使用超声观察双侧右侧血管,以确认导丝位置正确。沿导丝将动脉导引鞘(6 Fr)推入右侧动脉,并通过回抽血液确认其位置固定。
    注:将导引鞘穿过皮肤可能较为困难,可沿导丝做一小切口以利于顺利置入。
  11. 采用 Seldinger 技术将中心静脉导管置入右侧股静脉。回抽各腔并用生理盐水冲洗。
  12. 在左侧腹股沟区域重复相同操作,采用 Seldinger 技术将另一组导引鞘分别置入左侧股动脉(8 Fr)和股静脉(8 Fr)。
  13. 将右侧动脉导引鞘和中心静脉导管分别连接至两个换能系统,用于有创血流动力学监测。将两个换能器置于心脏水平位置。
  14. 将两个换能器的三通旋塞打开通向大气,以校准系统归零。
    注:必须避免系统内存在气泡或血迹,以确保获得可靠的测量数值。
  15. 将维持麻醉的所有输液从外周静脉转移至中心静脉通路。在动物恢复 15 分钟后,记录基线值(血流动力学、肺量测定及其他心功能监测仪输出参数;见第 3 节)。
  16. 诱发心室颤动(见第 4 节)。

3. 脉搏轮廓心输出量

  1. 将跨肺热稀释导管插入右侧动脉导入鞘中。
    注意:在临床医学中,热稀释导管通常通过塞丁格技术直接置入。但通过导入鞘置入也是可行的。在本方案中,导入鞘作为标准化的血管通路,以便在不同实验中实现最大程度的仪器使用灵活性。
  2. 将导管连接至心功能监测系统中的动脉导线。将动脉换能器直接切换至心功能监测系统的端口,并按照步骤2.14所述重新校准。将心功能监测系统的静脉测量单元连接至左侧静脉导入鞘。
    注意:必须尽可能将静脉和动脉探头连接在相距较远的位置;否则,向静脉系统注入冷水会影响动脉测量结果,导致测量受到干扰。关于PiCCO2的更多细节此前已有报道16
  3. 打开心功能监测系统。确认正在测量新患者。输入身高和体重。
  4. 将类别切换为成人。输入实验方案名称和编号。点击 退出
  5. 将注射体积设置为10 mL。
    注意:所选注射液的体积可在软件中调整。较大的注射体积可使测量值更具可靠性。本实验选择较小体积以避免任何血液稀释效应。
  6. 输入中心静脉压。
  7. 打开三通旋塞至大气。
  8. 点击 归零 进行系统校准。点击 退出
  9. 校准连续心输出量测量。
    1. 点击 TD(热稀释)。用10 mL注射器准备4 °C的生理盐水溶液。点击 开始
    2. 迅速而稳定地将10 mL冷盐水注入静脉测量单元。等待测量完成,直至系统提示重复操作。
    3. 重复上一步骤,直至完成三次测量。系统将计算所有参数的平均值。点击 退出
      注意:校准完成后,测量将立即开始。尽管心肺复苏(CPR)期间的心输出量测量并非常规进行,但在充分校准后已可获得合理可靠的结果17,18

4. 心室颤动与机械复苏

  1. 将除颤贴片电极以胸前-背后位置放置于躯干上。后侧电极应置于左侧胸腔中央区域。
    注意:使用剃刀去除多余的毛发和污垢,以促进最佳导电性。
  2. 将电极连接至除颤器,并建立心电图(ECG)监测。
  3. 将猪固定于真空担架内。抽空担架内部空气,以防止心肺复苏(CPR)期间发生不必要的移动。同时固定四肢。
  4. 根据制造商的建议,将胸外按压装置(此处为LUCAS-2)环绕胸部并置于真空担架下方。调整按压垫位置,使其对准胸骨中线的下三分之一处。
  5. 启动胸外按压装置(按下"电源"按钮),并将按压垫降至皮肤水平。若实验方案中无特殊规定,将按压频率设为100次/分钟。按下暂停按钮,使按压装置准备就绪,以开始胸外按压。
  6. 通过静脉鞘管将除颤/起搏导管插入左侧股静脉。
  7. 向导管气囊内注入1–2 mL空气。缓慢推进已充气的气囊,直至其位于右心房附近(通常约50 cm深度)。
  8. 将导管电极连接至合适的示波器或函数发生器。调节除颤参数至所需数值(此处为13.8 V电流,频率介于50–200 Hz之间)。
  9. 开启发生器并监测心电图变化。缓慢前推导管,直至心电图中出现心律失常。
    警告:应避免导管末端的独立电极接触人体皮肤或彼此接触,以防短路及可能危及生命的情况发生。
  10. 仔细调整导管位置,直至可检测到心室颤动。
    注意:有时难以立即诱发心室颤动。若导管到达某一位置后已可观察到心电图变化,尝试改变频率或反复开启/关闭发生器可能有助于诱发心室颤动。
  11. 一旦确认心室颤动,关闭发生器,放空气囊,并移除除颤导管。根据需要,维持心室颤动状态,可继续通气或停止通气。
  12. 通过按下按压装置上的开始按钮启动机械胸外按压。如需暂停按压,可按下按压装置上的暂停按钮。
  13. 分析心电图模式。若心室颤动持续存在,准备进行除颤。
    1. 在除颤器菜单中选择手动模式。将能量设定为200 J双相波。
    2. 按下充电按钮。等待声信号提示,表明电击已准备就绪。随后启动电击。
      警告:仅限有经验的操作人员使用除颤器和除颤导管。若发现设备材料存在故障或磨损迹象,不得启动电击。每次电击前,必须向室内所有人员清晰大声地宣布电击即将进行,且操作除颤者须确保在释放电击前无人接触动物或担架。
      注意:本实验采用基于指南的复苏流程(即:2分钟胸外按压、心电图评估、电击、再行2分钟胸外按压、给予肾上腺素等)。更多详情请参阅相关指南4
  14. 若出现自主循环恢复(ROSC),停止胸外按压,继续通气,并根据需要进行充分且持续的监测。
    注意:在心肺复苏期间是否暂停麻醉药物输注,取决于具体实验方案。若已暂停镇静,应在确认ROSC后重新开始输注。
  15. 建议采用目标导向策略,指导液体与儿茶酚胺类药物的使用,并采用标准化的呼吸与通气参数设置,以预防ROSC阶段出现心肺功能恶化,从而避免实验失败。

5. 实验结束与安乐死(在ROSC情况下)

  1. 向中心静脉导管内注射 0.5 mg 芬太尼,等待 5 分钟,随后向中心静脉导管内注射 200 mg 丙泊酚。
  2. 通过注射 40 mmol 氯化钾实施安乐死。
  3. 根据需要进行器官摘除/固定或相关分析。

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结果

在七头猪中诱导心脏骤停。四头猪(57%)在心肺复苏后恢复了自主循环,平均需要 3 ± 1 次双相波除颤。健康且麻醉充分的猪在整个实验过程中应保持仰卧位,无寒战及躁动迹象。在诱发心室颤动前,平均动脉血压不应低于 50 mmHg18。为获得最佳实验结果,可进行血气分析,并将包括温度在内的所有指标调整至正常范围。

若将起搏导管置于正确位置,其应开始影响心脏节律。这可能导致期前收缩、心动过速以及各种室性和室上性心律失常。当出现以下情况时,可判定为心脏停搏:1)心电图显示心室颤动;2)动脉导管未测到心输出量或压力波动(图1)。若此状态在发生器关闭后仍持续存在,则颤动很可能不再自行终止17

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讨论

我们课题组此前已描述过猪模型麻醉中存在的一些主要技术问题13,14。这些问题包括必须严格避免动物遭受应激和不必要的疼痛、气道管理过程中可能出现的解剖学难题,以及特定的人员配置要求19

此外,超声引导下导管置入术的优势此前已有阐述,该方法仍是避免操作过程中血管损伤的首选方案。然而,只有经过专业培训的人员才能使用该技术,以确保发挥其优势20。对于本实验模型,必须强调,电频率发生器以及除颤器的操作仅可由经过专门培训的人员进行,或在其直接监督下实施。在开展此类实验时,若缺乏足够的专业技能,可能导致严重伤害,甚至危及生命。

正确放置起搏导管并诱发心室颤动可能较为困难,有时需要重新插入导管或调整刺激频率。在重新定位或拔出导管时,应首先放空球囊,以防止造成内部损伤以及导管本身的损坏。若需调整频率,应将导管置于心肌附近以监测心电图...

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披露

LUCAS-2 设备由美国华盛顿州雷德蒙德市的 Stryker/Physio-Control 公司无偿提供,用于实验研究。所有作者均声明不存在任何利益冲突。

致谢

作者感谢 Dagmar Dirvonskis 提供出色的技术支持。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
1 M 氯化钾溶液ösung 7,46% 20mlFresenius, Kabi Deutschland GmbH氯化钾
去甲肾上腺素 1mg/ml 25 ml赛诺菲-安万特德国有限公司去甲肾上腺素
阿曲库铵 Hikma 50 mg/5 mlHikma Pharma GmbH,马丁斯里德阿曲库铵
BD Discardit II 注射器 2,5,10,20 mlBecton Dickinson S.A. Carretera Mequinenza Fraga,西班牙注射器
BD Luer ConnectaBecton Dickinson Infusion Therapy AB,赫尔辛堡,瑞典三通止流夹
BD Microlance 3 20 GBecton Dickinson S.A. Carretera Mequinenza Fraga,西班牙导管
CorPatch Easy 电极CorPuls,德国考弗林除颤器电极
Corpuls 3Corpuls,Kaufering,德国除颤器
Datex Ohmeda S5GE Healthcare Finland Oy,赫尔辛基,芬兰血流动力学监测仪
恩格斯特öm CarestationGE Healthcare,美国麦迪逊呼吸机
芬太尼-杨森 0.05 mg/ml扬森-西拉格有限公司,诺伊斯芬太尼
Fü搅拌棒,直径 4.3Rüsch气管插管导引器
Incetomat-线 150 cmFresenius, Kabi Deutschland GmbH灌注管路
Ketamin-Hameln 50mg/ml哈梅尔恩制药有限公司氯胺酮
喉镜Rüsch喉镜
logicath 7 Fr 三腔 30 cm 长Smith- Medical Deutschland GmbH中心静脉导管
LUCAS-2Physio-Control/Stryker,雷德蒙德,华盛顿州,美国胸外按压装置
Masimo Radical 7Masimo Corporation Irvine, Ca 92618 美国外周血氧饱和度
Neofox 氧传感器 300 微米光纤海洋光学,佛罗里达州拉戈,美国超快pO2测量
Ölsä油酸 醇重 磷酸盐欧洲标准 美国国家处方集 C18H34O2 M0282,47g/mol 密度 0,9德国达姆施塔特 Applichem GmbH油酸
原装 Perfusor 注射器 50 ml,鲁尔锁扣德国 B.Braun Melsungen AG灌注器注射器
Osypka pace,110 厘米Osypka Medical GmbH,德国莱茵费尔登-赫滕起搏/除颤导管
PA-导管 Swan Ganz 7.5 Fr 110 cm美国加利福尼亚州尔湾市 Edwards Lifesciences LLCPAC
8.5 和 9 Fr 带止血阀/侧孔的经皮鞘管导入套装,10 cmArrow国际公司,宾夕法尼亚州雷丁,美国导入鞘
Perfusor FM Braun德国 B.Braun Melsungen AG注射泵
丙泊酚 2% 20 mg/ml(50 ml 瓶装)Fresenius, Kabi Deutschland GmbH丙泊酚
Radifocus 导引器 II,5-8 Fr日本东京 Terumo Corporation导入鞘
Rüschelit Super Safety Clear >ID 6 / 6.5 / 7.0 mmTeleflex Medical Sdn. Bhd,马来西亚气管插管
带固定翼的塞丁格针ü凝胶Smith- Medical Deutschland GmbH塞丁格导管
Sonosite Micromaxx 超声系统美国华盛顿州博瑟尔 Sonosite 公司超声
不锈钢Macintosh喉镜öße 4Welch Allyn 69604喉镜片
Stresnil 40mg/ml礼来德国有限公司,Elanco动物保健部门azaperone
Vasofix Safety 22G-16G德国 B.Braun Melsungen AG静脉导管
Voltcraft 型号 8202Voltcraft,德国黑尔绍示波器/函数发生器

参考文献

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