我们介绍一种 离体 用于教学演示肺部力学和肺泡复张操作的猪肺模型。该肺脏可使用超过一天（最长可达五天），且肺部力学参数变化极小。
本文内容
摘要
摘要
机械通气被广泛使用，需要具备特定的知识才能理解与管理。该领域的卫生专业人员可能由于培训和教学方法不足而感到信心不足且缺乏相关知识。因此，本文旨在概述生成 离体 猪肺模型可用于未来肺力学的研究与教学。为构建该模型，根据动物研究伦理委员会的指导原则，谨慎地从胸腔中取出五对猪肺，并通过气管插管连接至机械通气机。随后对这些肺实施肺泡募集手法。记录呼吸力学参数，并在操作过程中使用摄像机拍摄肺部视频。该过程连续重复五天。未使用时，肺组织均保存于冷藏环境中。模型在每日实施肺泡募集手法后表现出不同的肺力学特征，其变化不受天数影响，仅与操作本身相关。因此，我们得出结论： 离体 肺模型能够提供对肺部力学及其效应的更好理解，甚至可以通过全过程各阶段的视觉反馈来阐明肺泡复张操作。
引言
机械通气（MV）在重症监护室（ICUs）和外科中心被广泛应用。对其进行监测至关重要，有助于识别人机不同步现象并预防所有患者发生损伤，尤其是对于存在严重肺损伤的患者1,2,3,4,5,6。监测呼吸力学参数还有助于临床医生理解疾病的进展过程以及治疗措施的应用，例如呼气末正压（PEEP）或肺泡复张手法（ARM）。然而，这些技术的应用需要熟练掌握呼吸波形图和基本的肺力学知识3,4。
医学生、住院医师和医疗专业人员在机械通气管理方面感到缺乏信心，从启动呼吸机和初始参数调节，到监测平台压和驱动压，均存在此类问题，而这种不安全感与知识不足及缺乏充分的前期培训密切相关7,8,9,10。我们观察到，参与模拟培训并使用肺模型的专业人员报告了更高的信心水平，对各项参数的理解更为深入，并更好地掌握了肺力学的各个组成部分8,11,12。
用于研究和培训机械通气的测试肺、风箱和活塞模型可模拟不同的压力和容积，以及不同的肺力学状况13,14,15计算和软件模型通过生成模拟来帮助研究心肺相互作用，这些模拟可用于教授机械通气（MV）的基本原理11 向医疗专业人员16,17.
尽管计算模型在模拟肺部滞后现象时可能存在困难16，但使用测试肺和风箱装置的模型13,14,15能够生成与生理曲线相似的压力-容积曲线，并展示肺部动力学特征。ex vivo 猪肺模型具有与人类相似的解剖结构18，也可产生通气曲线、肺部滞后现象，并在肺力学分析过程中通过亚克力箱提供肺部运动的可视化反馈。可视化模型具有重要意义，有助于理解难以想象的结构与概念。因此，ex vivo 肺模型是一种有效的教学手段。
研究 离体 猪肺，例如在正压和负压机械通气下的猪肺19,20,21气溶胶分布分析22,23，儿科模拟24和肺灌注25 可加深对MV的认识。近期针对正压和负压通气模型的分析研究表明，与负压通气相比，正压通气可能导致突然的肺泡复张、更大的局部形变、更大的扩张程度、滞后环差异以及可能的组织损伤。19,20,21然而，正压模型是必要的，因为患者在机械通气期间处于正压状态19,20,21开发用于临床前研究的肺部模型为新研究和应用开辟了可能性，包括机械通气教学与培训。
在此，我们介绍一种 离体 用于研究和培训的猪肺模型。我们的主要目标是描述构建该模型的步骤 离体 在正压机械通气下的猪肺模型。该模型未来可用于肺力学的研究与教学。
方案
本实验方案已获本机构动物研究伦理委员会批准（方案编号：1610/2021）。
1. 麻醉与动物准备
- 首先，将动物置于电子秤上测量体重，以调整手术所需药物及镇静剂的剂量。
- 按5 mg/kg剂量肌肉注射氯胺酮，按0.25 mg/kg剂量肌肉注射咪达唑仑。
- 使用20 G静脉导管穿刺耳缘静脉，并静脉注射丙泊酚（5 mg/kg）以诱导麻醉。
- 通过耳缘静脉通路静脉注射3 mL肝素，以辅助心肺器官的摘取与灌注。
- 麻醉后，使用6.5 mm的口鼻气管导管（OTC）进行气管插管，并用胶带固定导管，确保牢固固定，防止术中移位。
注意：通过监测血流动力学参数及使用气体分析仪（如平均动脉压、心率以及吸入/呼出异氟烷浓度）来评估镇静深度。
2. 术中机械通气
- 通过OTC将动物连接至呼吸机，使用1.5%异氟烷（氧气吸入浓度（FiO2）为50%）维持镇静，并给予芬太尼10 mcg/kg推注，随后以10 mcg/kg/h持续输注。
- 点击呼吸机屏幕，选择容量控制通气（VCV）模式，点击潮气量（TV）按钮，旋转滚轮直至潮气量值达到8 mL/kg。
- 点击呼吸机屏幕，选择FiO2，旋转滚轮直至数值达到50%。
- 点击呼吸机屏幕，选择呼吸频率（RR），旋转滚轮直至达到理想值，以维持通过与呼吸机连接的微流红外二氧化碳监测仪测得的呼气末CO2在35–45 mmHg范围内。
注意：通过监测血流动力学参数（如平均动脉压、心率及吸入/呼出异氟烷浓度）并结合气体分析仪使用，评估镇静深度。
3. 组织解剖与 OTC 交换
- 从胸骨柄上方2 cm处至剑突下方2 cm处做一正中胸骨切口，以进入胸腔。放置肋骨牵开器，以在手术过程中扩大视野。
- 使用手术刀在环状软骨水平（即第一气管环处）做一横向气管切口，切口宽度应足以插入新的气管套管。
- 放空气道内原有气管套管（OTC）的气囊，并缓慢将其拔出。同时，在取出旧套管后，将新的OTC插入气管切口。由于气囊放气可能导致漏气，但在重新放置新OTC后漏气将停止。
- 将20 mL注射器连接至导管气囊的指示球囊以充气新插入的气管导管气囊。注射器在压力下输送空气，使指示球囊和气囊膨胀。气囊充气后，取下注射器。
- 使用2-0聚酯缝线将新的气管套管直接缝合固定于气管上，以防止漏气和移位，同时便于将肺置于有机玻璃通气箱中。
- 使用手术刀分离组织，将心肺器官从胸腔中完整取出。
4. 动物安乐死
- 将异氟烷浓度增加至5%，并给予10 mL 19.1%的氯化钾。随后检查生命体征是否消失。
注意：该操作根据美国国立卫生研究院《实验动物护理与使用指南》进行。
5. 心肺组织提取
- 安乐死后，解剖呼吸韧带以取出肺脏。
- 组织解剖完成后，在吸气末使用适当的凯利止血钳夹闭气管套管（OTC），保持肺脏处于充气状态。
- 将气管套管（OTC）从机械呼吸机上断开，但仍保持夹闭状态。
- 切开主动脉，将吸引器置于胸腔内以清除外渗血液，在完成解剖过程中保持胸腔视野清晰，并将需移除的器官从胸腔中游离出来。
注意：应小心松解下肺韧带，避免造成肺组织撕裂。 - 在气管套管（OTC）保持夹闭的情况下，将心脏和肺脏一同从肋骨框架中取出，不要分离二者，并将其放置于托盘上。
6. 心肺准备
- 将肺置于托盘上，用大孔径单腔导管插管肺动脉，并连接输液装置，持续灌注 2,000 mL 冷的 0.9% 氯化钠溶液（SS），直至主动脉流出澄清液体。
注意：应以正常速度输注 SS，避免挤压静脉输液袋。 - 冲洗完毕后，用 2-0 聚酯缝线缝闭主动脉，并再灌注 100 mL 0.9% SS。关闭单腔导管出口，使液体保留在肺内直至实验结束。
- 松开 OTC 夹子，此时肺将塌陷并保持闭合状态，准备接受机械通气（MV）和肺复张措施（ARM）。
7. 丙烯酸盒内的微型车辆
- 制备完成后，打开丙烯酸箱并将肺组织垂直置于箱内。将 OTC 穿过箱盖上的孔洞，并将气管插管连接至机械呼吸机。
注意：确保气管插管牢固固定在气管中。 - 点击 启动通气 按钮。
- 轻触机械呼吸机屏幕，选择用于容积控制通气（VCV）的机械呼吸机。
- 进入 VCV 模式设置界面，点击 TV 按钮，旋转旋钮直至设定值达到 6 mL/kg。同样方法将 PEEP 调整为 5 cm H2O，FiO2 调整为 21%，RR 调整为 15 次/分钟，吸气暂停时间调整为 10%。
8. ARM
- 开始 recruitment 时，将 PEEP 从 5 cm H2O 逐步增加至 6 cm H2O，然后以每次 2 cm H2O 的幅度逐步增加，直至达到 14 cm H2O。通过屏幕上显示的 PEEP 数值下方的屏幕按钮调节 PEEP，旋转旋钮以增加数值。
- 对于每个 PEEP 水平，记录呼吸机屏幕上显示的峰压、平台压、动态顺应性和气道阻力值。同时记录驱动压，即平台压数值减去当前设定的 PEEP 数值。
- 达到 14 cm H2O 后，以每次 2 cm H2O 的幅度逐步降低 PEEP，直至降至 6 cm H2O，然后再降至 5 cm H2O。通过屏幕上显示的 PEEP 数值下方的屏幕按钮调节 PEEP，旋转旋钮以减小数值。
- 对于每个 PEEP 水平，记录呼吸机屏幕上显示的峰压、平台压、动态顺应性和气道阻力值。同时记录驱动压，即平台压数值减去当前设定的 PEEP 数值。
注意：在递增过程中，每个 PEEP 水平需维持 10 分钟；在递减过程中，每个步骤需维持 5 分钟。
- 对于每个 PEEP 水平，记录呼吸机屏幕上显示的峰压、平台压、动态顺应性和气道阻力值。同时记录驱动压，即平台压数值减去当前设定的 PEEP 数值。
9. 心肺功能维持
- 招募阶段结束时，在吸气期间用夹子轻轻夹住气管插管，保持肺部膨胀。打开亚克力箱。
- 将肺组织从亚克力箱中取出，小心放入玻璃容器中。
注意：确保气管插管牢固固定在气管内。 - 加入 500 mL 的 0.9% 生理盐水（SS）。
- 用塑料膜包裹玻璃容器后置于冰箱中，在 2 至 8 °C 条件下保存 24 小时。
- 连续五天重复步骤 7、8 和 9。
图 1：研究流程图。 请点击此处查看此图的放大版本。
结果
我们使用了五只体重在23.4–26.9 kg之间的雌性猪，并按照所述方案进行心肺组织摘取及肺力学分析。本模型旨在通过分析直接从机械呼吸机屏幕采集的峰压、平台压、阻力、驱动压和动态顺应性等变量，用于肺力学研究。模型流程图见图1。
肺脏连续五天进行分析，重复执行方案中第7.2、8.1、8.2、9.1、9.2和9.3步骤所描述的全部过程。我们试图展示肺部参数在肺复张前后的变化情况，并验证复张效果的持续性 离体 疾病确立期的肺部模型
所有变量在肺复张操作前与操作后之间均观察到显著差异（p < 0.05）。操作后，峰压、平台压（图2）和驱动压（图3）均下降（p = 0.0005），而动态顺应性升高（p = 0.0007）（图4），表明塌陷的肺泡被打开且肺区域面积增加。复张后气道阻力也有所升高（p = 0.0348）（图5）。各变量均未受到操作日期的显著影响。
根据这些结果，我们证明了该模型在通过 ARM 展示肺部力学变化 (图 6) 以及在肺部力学的研究与教学中具有有效性 (图 7)。此外，我们证实该模型至少可连续使用五天。由于我们未对模型超过此期限的性能进行评估，因此无法确认该肺模型的最终耐用性。
图 2：压力。（A）峰压。五对肺组织在 ARM 前的 Ppeak 范围为 21 ± 3.2 至 23 ± 2.3 cmH2O，ARM 后的 Ppeak 范围为 9 ± 0.6 至 12.6 ± 1.4 cmH2O。采用双因素方差分析（two-way ANOVA）进行统计分析，计算得 p 值为 0.0005，具有显著性意义。（B）平台压。五对肺组织在 ARM 前的 Pplateau 范围为 21 ± 3.2 至 22 ± 2.3 cmH2O，ARM 后的 Pplateau 范围为 8.8 ± 0.4 至 11.6 ± 1.6 cmH2O。采用双因素方差分析（two-way ANOVA）进行统计分析，计算得 p 值为 0.0005，具有显著性意义。 请点击此处查看该图的放大版本。
图3：驱动压。 五例肺脏在肺复张（ARM）前的驱动压范围为16 ± 3.2 至 17 ± 2.3 cmH2O，而在肺复张后的驱动压则介于3.8 ± 0.4 至 6.6 ± 1.6 cmH2O之间。采用双因素方差分析（two-way ANOVA）进行统计分析，得出p值为0.0005，具有统计学意义。请点击此处查看该图的放大版本。
图 4：动态顺应性。 五例肺组织在实施肺复张（ARM）前的动态顺应性范围为 9.1 ± 1.2 至 10.2 ± 2.6 mL/cmH2O，而在实施 ARM 后的动态顺应性范围为 23.6 ± 3.5 至 43.8 ± 11.3 mL/cmH2O。采用双因素方差分析（two-way ANOVA）进行统计分析，得到 p 值为 0.0007，具有统计学意义。请点击此处查看该图的放大版本。
图5：阻力。 五个肺样本在ARM前的阻力范围为1.4 ± 1.0至7 ± 3.2 cmH2O/L/seg，ARM后的阻力范围为2.4 ± 0.4至6.6 ± 5.1 cmH2O/L/seg。采用双因素方差分析（two-way ANOVA）进行统计分析，得到p值为0.0348，具有统计学意义。请点击此处查看该图的放大版本。
图 6：肺模型。（A）PEEP 为 5 cm 的肺。（B）PEEP 为 6 cm 的肺。（C）PEEP 为 8 cm 的肺。（D）PEEP 为 10 cm 的肺。（E）PEEP 为 12 cm 的肺。（F）PEEP 为 14 cm 的肺。请点击此处查看此图的放大版本。
图 7．机械通气监测图表。 请点击此处查看此图的放大版本。
讨论
所述方案适用于制备一种 离体 在正压机械通气下的猪肺模型。该模型可通过肺复张过程中肺部的视觉反馈，以及设备屏幕上显示的曲线和数值分析，用于肺力学的研究与教学。为实现这一目标，需开展预实验以了解肺脏在胸廓外的行为特征，并评估是否需要进行模型改良。
我们发现，关键问题在于连接机械呼吸机时，胸膜出现气泡、瘘管和病变，表现为吸入与呼出潮气量之间的差异以及容积曲线的改变。因此，首个方案改进措施是在手术开始时，于解剖心肺器官过程中采用广泛的胸腔外科切口，并切开膈肌，以改善结构的可视化程度，有助于仔细松解下肺韧带，同时保持肺组织的完整性。此外，在结构解剖完成后对试验肺进行手动充气发现，该操作的充气压力超过安全限值，易导致水疱和瘘管的形成。一些使用 离体 肺部表现出使用纤维蛋白胶处理漏气的可能性，并取得了积极效果；尽管我们在本研究中未采用该方法，但它可能是一种改进模型的替代方案26,27另一个需要注意的问题是，在预实验中，肺脏被取出后完全放气，从器官准备到开始机械通气（MV）期间始终保持完全塌陷状态，这使得肺脏难以顺利开启通气，并增加了瘘管形成的可能性。因此，我们开始在分离过程中夹闭气管残端（OTC）并保持肺脏处于充气状态，直至给予SS（硫氰酸盐）后。随后松开OTC，使肺脏排气并连接至机械呼吸机以启动肺开放复张（ARM），并进行肺力学分析以展示肺的滞后曲线。这一操作并未影响肺的复张效果或肺力学分析的准确性，因为即使在接受机械通气时，麻醉状态下的患者仍存在肺不张及肺顺应性降低的情况。28,29,30,31.
在初步研究中，初始呼气末正压为 5 cm H₂O2O用于并增加了5 cm H₂O2O 增加至 25 cm H2O32,33然而，峰压和平台压达到的数值超过了40和30 cm H₂O2O，分别伴有瘘管形成。因此，2 cm H₂O压力下逐渐增加2O增量被用于更深入地分析压力随时间的变化趋势，并帮助理解我们实验中PEEP的限制。 离体 肺模型。持续性膨胀与渐进性膨胀在死亡率上没有差异，但渐进性膨胀应用最为广泛，且有助于肺力学的逐步分析34至于负压的使用20,21由于接受机械通气的患者承受的是正压，因此该模型仅在正压条件下进行了测试。我们并未排除未来使用负压的可能性，但这将需要对亚克力外壳进行改造。
文献中报道了一些使用测试肺、活塞和ex vivo模型构建的装置13,14，这些模型被置于模拟胸腔的密闭容器中。我们的模型则放置在一个常规的丙烯酸盒中，尽管这种设计可能降低施加负压的可能性，但有助于模型的制备。另一种用于临床前研究的模型18与我们的模型类似，但其肺脏呈水平放置，而我们的模型中肺脏保持垂直方向，能够直接受到重力作用，而不依赖器官和胸廓的支撑。这些肺脏通常在安乐死后48小时内用于实验18,19,20,21,35。我们的模型总共使用了120小时，在每次持续24小时的实验期间均保存在2–8 °C的环境中，实验结果如代表性结果部分所述，显示出良好的效果。
在最初阶段，教学与培训方面的差距尚未得到解决，但该模型对分析肺力学具有有效性，可作为研究和教学的工具。此外，我们并未旨在研究灌注液，但与步骤6.1中灌注SS的方式相同，也可使用灌注和保存液，从而为采用本研究所提出模型的后续研究开辟新的可能性。
该技术存在一些局限性：1）需要掌握动物解剖学知识，以确保肺脏被正确取出；2）该模型未在超过五天的时间范围内进行评估；3）该模型似乎适用于呼吸机通气教学，但尚未在实际教学环境中进行测试；4）这是一种动物模型，因此必须考虑其在人体应用中的局限性。
披露
作者声明无利益冲突。
致谢
感谢所有为本ex vivo猪肺模型方案的建立提供贡献与支持的同事和专业人士。
本研究未获得任何资助。
材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 0.9% 氯化钠溶液 | 2500ml | ||
| 麻醉机 - Primus | Drager | REF 8603800-18 | 本操作中使用的麻醉工作站 |
| 吸引器 | 用于胸腔血液吸引 | ||
| 床旁监护仪 - Life Scope | Nihon Kohden | BSM-7363 | 操作过程中使用的多参数监护仪 |
| Bonney 组织钳 | 任何类型的组织钳均可使用 | ||
| 一次性手术刀片，#23 | 任何类型的手术刀片均可使用 | ||
| 一次性注射器针头，18G x 1 1/2", 23G x 1" | BD | 302814 | 广泛可得 |
| 一次性注射器，10ml | 广泛可得 | ||
| 电外科装置 - SS-501 | WEM | 用于胸腔切口时的切割与凝固 | |
| 芬太尼 | 10 mcg/kg 快速推注 + 10 mcg/kg/小时持续输注 | ||
| Finochietto 胸腔牵开器 | 任何类型的 Finochietto 胸腔牵开器均可使用 | ||
| 肝素 | 3ml | ||
| 输液器 | 任何类型的输液器均可使用 | ||
| 异氟烷 | 1.5% | ||
| Kelly 弯血管钳 | 任何类型的 Kelly 血管钳均可使用 | ||
| 氯胺酮 | 5mg/kg | ||
| 乳酸林格液 | 500ml | ||
| 机械通气机 - Servo I | Maquet | REF 6449701 | 本操作中使用的机械通气机 |
| Metzenbaum 剪刀（直型和弯型） | 任何类型的 Metzenbaum 剪刀均可使用 | ||
| 咪达唑仑 | 0.25mg/kg | ||
| 经口气管插管导管，#6.5 | Rusch | 112282 | 广泛可得 |
| 有机玻璃 | 定制有机玻璃箱：30x45x60cm | ||
| 聚酯缝线，2-0 | 广泛可得 | ||
| 氯化钾 | 10 ml，19.1% 氯化钾 | ||
| 丙泊酚 | 5mg/kg | ||
| 三通旋塞阀 | 广泛可得 | ||
| 静脉导管，G20 x 1" | BD | 38183314 | 广泛可得 |
参考文献
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