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方法文章

山羊重度爆震性肺损伤模型的建立及其超声影像学评估

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DOI：

10.3791/70656

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2026年5月29日

 ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Trauma Medical Center, Daping Hospital, 2No. 951 Hospital of PLA

本文内容

摘要

本研究在4.5 MPa驱动压力下成功建立了山羊严重的爆震性肺损伤模型，导致显著损伤和41.67%的死亡率。肺部超声评分可动态评估损伤程度，并与传统指标具有良好相关性，显示出其诊断价值。该可重复的模型有助于推动急性肺损伤的诊断与治疗研究。

摘要

爆炸性肺损伤（BLI）可导致严重的肺部损害和高发病率，尤其在军事和工业环境中，常引发出血和潜在的呼吸衰竭，凸显了改进诊断和治疗方法的迫切需求。本研究旨在建立一种标准化的山羊重度BLI模型，以评估床旁超声在动态监测中的准确性和可行性。采用生物冲击波管（BST-Ⅰ）对山羊施加受控的爆炸超压，驱动压力分别为4.0 MPa（n = 4）、4.5 MPa（n = 12）和5.0 MPa（n = 4）。记录峰值超压等关键参数。在损伤前基线（0 h）以及损伤后0.5 h、3 h、6 h、9 h和12 h监测生命体征、肺部超声评分（LUS）、氧合指数（PaO₂/FiO₂）和血管外肺水（EVLW）。在0 h和12 h进行胸部计算机断层扫描（CT）以量化肺损伤比例，并在安乐死后通过大体解剖评估肺出血程度和损伤评分。在4.5 MPa条件下，峰值超压为396.92 kPa，损伤后死亡率为41.67%，而4.0 MPa组死亡率为0%。LUS随时间逐渐升高，在3 h、6 h和9 h时与PaO₂/FiO₂呈负相关，与EVLW呈正相关；在12 h时与肺损伤比例呈正相关。4.5 MPa组的大体肺损伤面积比为42.14%，表明存在重度损伤，而4.0 MPa组表现为中度损伤。4.5 MPa模型适用于重度损伤研究，而4.0 MPa仅引起中度损伤，5.0 MPa则导致100%死亡率。本研究成功建立了可重复的山羊爆炸性肺损伤模型，有效利用LUS无创地动态评估肺部损伤，为急性肺损伤的监测及治疗策略的探索提供了基础。

引言

无论是在军事还是民用环境中，爆炸暴露仍然是导致发病和死亡的重要因素，其中肺损伤是决定预后的主要因素1。现有证据证实，肺挫伤是引发严重呼吸系统并发症（如肺炎和急性呼吸窘迫综合征（ARDS））的关键危险因素，显著影响患者的预后2。因此，及时而准确地评估肺损伤程度对于指导临床治疗、改善患者生存率至关重要。

计算机断层扫描（CT）在评估爆炸性肺损伤（BLI）严重程度方面具有有效性3。然而，该方法存在电离辐射暴露风险，在大规模伤亡事件或医疗资源有限的情况下可能难以实施。临床检查中鼓膜穿孔曾被研究作为肺部爆炸伤的潜在标志物，但研究表明，孤立性鼓膜穿孔并非隐匿性肺部爆炸伤或预后不良的可靠指标，因此不能排除进一步检查的必要性4。爆炸伤患者的临床表现差异极大；部分患者表现为急性发病，而另一些患者可能在12–24小时后才出现呼吸衰竭，这凸显了在急诊科频繁再评估以发现漏诊损伤（尤其是BLI）的关键重要性5。这些局限性突显出迫切需要一种快速、适用于床旁的影像学技术，以及时评估肺挫伤的严重程度。在大规模伤亡事件中，能够实现快速分诊和评估的工具对于优化资源分配并改善整体预后至关重要5。

由于具有实时、无创和便携的特性，胸部超声已成为重症监护环境中不可或缺的工具6。其在诊断多种胸膜和肺实质疾病方面已确立重要作用，因此在爆炸性肺损伤的动态评估中具有广阔应用前景。超声征象如肺实变、支气管征、胸膜线异常及彗尾 artifacts 可作为肺挫伤和肺水肿程度与严重性的指标7。由于不存在电离辐射，该技术特别适用于需要多次评估的患者，且在资源有限的环境中具备显著优势。

尽管现有文献支持将床旁超声（POCUS）用于分诊和监测，超声目前已常规应用于创伤评估（例如，创伤超声重点评估扩展方案，eFAST），以检测气胸和血胸8。然而，要严格验证其在严重肺挫伤分级中的准确性与可行性，仍需建立一种具有转化价值且符合生理特征的动物模型。本研究旨在建立一种标准化的山羊重度爆炸性肺损伤模型，为系统评估床旁超声在该危及生命疾病中的快速分诊和持续监测效用提供平台。

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方案

本手稿中所述的所有实验方法均获得第三军医大学动物福利与伦理委员会的批准（批准号：SCXK (渝) 2017-0002）。此外，所有涉及动物的操作均严格遵循该批准委员会制定的动物使用指南。

1. 实验动物

  1. 准备健康的雌性山羊，年龄3–6个月，体重约15 kg。

2. 损伤平台

  1. 使用生物冲击波管（大型）（BST-Ⅰ）造成肺爆震伤，该冲击波管长39.4 m（图1），由两层半刚性铝膜分为驱动段和实验段，分别采用4.0 MPa、4.5 MPa和5.0 MPa的驱动压力。

3. 动物准备

  1. 实验前将动物禁食 24 小时，并禁水 8 小时。
  2. 称重并记录。
  3. 使用咪达唑仑进行麻醉（肌肉注射：1 mg/kg）。
  4. 剃除山羊胸部、颈部和腹股沟部位的毛发，然后涂抹脱毛膏以彻底清除残留的毛发。

4. 超声检测的分区绘制

  1. 通过隐静脉留置针注射3%戊巴比妥钠（10–20 mg/kg）对山羊进行麻醉。将其保持在放松的侧卧位，四肢与躯干垂直，头部伸展。
  2. 将超声探头从下至上、从背部向腹侧平行于肋间隙移动，以标记肺的边界。
  3. 沿肋间隙在肺区连续绘制长2.5厘米的矩形，作为超声检测的分区。共66个分区，左右两侧各33个，从第一到第十肋间隙的分区数量分别为1、2、2、5、5、5、5、4、3、1（图2）。

5. 手术操作

  1. 确保山羊处于麻醉状态。若未麻醉，追加注射3%戊巴比妥钠，剂量为10 mg/kg。
  2. 颈静脉插管
    1. 将山羊置于右侧卧位，并妥善固定。
    2. 在颈静脉沟中段区域做一长约4 cm的纵行皮肤切口。钝性分离皮下组织和颈浅肌，暴露并游离外颈静脉。
    3. 在导引针引导下插入双腔中心静脉导管（7Fr）。将导管推进约15至20 cm，使其尖端位于山羊前腔静脉内，距右心房约2 cm处。结扎并牢固固定导管。
    4. 通过三通阀将远端腔连接至温度传感器和压力换能器，用于中心静脉压监测和冷盐水注射。通过另一三通阀将近端腔连接至静脉输液管路，用于输液及追加麻醉药物。
  3. 气管插管
    1. 将山羊置于仰卧位，颈部伸展并固定。
    2. 沿正中线做一5–6 cm的纵行皮肤切口。采用钝性分离法分开胸骨舌骨肌，暴露一段2–3 cm长的气管。
    3. 在暴露的气管下方穿入不可吸收缝线，轻柔提起并稳定气管。在固定段中点处，通过2–3个气管环做横向"T"形切口。
    4. 将6.0号带套囊气管导管插入气管腔内，并向远端推进。充盈套囊。将气管切口松散缝合，并将导管牢固缝合固定于皮肤。将气管导管直接连接至机械通气回路。
      注：呼吸机参数设置如下：通气模式为间歇性正压通气（IPPV）；潮气量（VT）设定为8 mL/kg；呼吸频率（RR）维持在15次/分钟；吸气与呼气时间比（I:E）设为1:1.5；流速（V）设定为7.2 L/min；吸入氧浓度（FIO2）调整为21%；呼气末正压（PEEP）设定为3.9 cm H2O；吸气压（Pinsp）范围为9至12 cm H2O。
  4. 股动脉插管
    1. 将山羊置于右侧卧位，并妥善固定。
    2. 在腹股沟内侧做一3–4 cm的纵行皮肤切口。采用钝性分离技术暴露股血管神经束，并结合钝性与锐性分离方法，仔细将股动脉与邻近的静脉和神经分离。
    3. 在游离出的股动脉段上做一小的横向动脉切口，插入Picco热稀释导管（4Fr）。将导管推进至16 cm深度，确保其尖端位于髂总动脉。将导管牢固缝合固定于周围皮肤或皮下组织。
      注：操作时应避免导管扭曲或顶住血管壁，以免影响压力传导和热稀释测量的准确性。
    4. 通过三通阀将导管连接至压力换能器，用于持续血流动力学监测，如血压和肺外血管水量。该通路也可用于间歇性动脉血采样。维持持续肝素化生理盐水冲洗（1–2 mL/h），以防导管堵塞。

6. 监测与测量

  1. 生命体征
    1. 在以下时间点测量并记录生命体征：伤前 0 h，伤后 0.5 h、3 h、6 h、9 h 和 12 h。
    2. 将所有传感器导线连接至 PiCCO 监测模块。将压力传感器置于心脏水平位置。打开传感器上的三通阀使其与大气相通，并对动脉和静脉压力导管同时进行零点校准。
    3. 监测并记录平均动脉压（MAP）。将用于监测核心体温（T）、呼吸频率（RR）和心率（HR）的电极片放置于指定位置：左侧胸部第二与第三肋骨之间；左侧胸部第五与第六肋骨之间；右侧胸部第二与第三肋骨之间。
  2. 超声检查（B 模式）
    1. 在以下时间点进行肺部超声检查：伤前 0 h，伤后 0.5 h、3 h、6 h、9 h 和 12 h。保持一致的扫描顺序：每次检查均先扫描右肺，再扫描左肺。
    2. 将超声探头垂直置于每个分区中点的皮肤表面。确保探头上的标记点朝向脊柱方向。
    3. 沿第 10 肋至第 1 肋的肋间隙进行扫描，获取视频片段。保存包含至少两个完整呼吸周期的视频记录。
    4. 对保存的图像采用以下标准化肺部超声评分（LUS）进行评估9：指派两名经过培训的超声医师独立完成评分过程，最终评估结果取两人评分的平均值。
      注：评分为 0 表示存在 A 线。评分为 1 的特征为多条明显分离的 B 线，或融合的 B 线累及胸膜线范围小于 50%。评分为 2 表示弥漫性融合的 B 线，通常称为 "白肺"。评分为 3 时提示存在实变，可能表现为组织样回声结构或动态支气管充气征。
  3. 动脉血气（ABG）分析
    1. 在以下时间点采集动脉血样本进行分析：伤前 0 h，伤后 0.5 h、3 h、6 h、9 h 和 12 h。
    2. 使用注射器首先抽出并弃去 PiCCO 动脉导管中的肝素化生理盐水冲洗液及约 5 mL 血液，随后通过导管直接采集 0.3 mL 新鲜动脉血。
    3. 立即将血液样本注入 CG4+ 检测 cartridge 中，并将 cartridge 插入便携式血气分析仪进行检测。
    4. 记录测得的 pH 值、氧分压（PaO2）及其他相关参数。计算氧合指数（即氧分压与吸入氧浓度比值，PaO₂/FiO₂）。
  4. 肺外血管水（EVLW）测量
    1. 在以下时间点通过跨肺热稀释法进行 EVLW 测量：伤前 0 h，伤后 0.5 h、3 h、6 h、9 h 和 12 h。
    2. 按照第 6.1.2 节所述方法重新对动脉和静脉压力传感器进行零点校准。确保监护仪上显示稳定的动脉波形后再继续操作。
    3. 通过中心静脉导管的温度传感器快速推注 10 mL 冰冷（0 °C）生理盐水作为团注，注射时间控制在 7 秒内完成。每个时间点连续进行三次注射，最终 EVLW 值取三次测量结果的平均值。
    4. 记录 PiCCO 系统提供的 EVLW 及其他血流动力学参数。
  5. 计算机断层扫描（CT）
    1. 在伤前 0 h 和伤后 12 h 获取胸部 CT 扫描图像。
    2. 使用 64 层 CT 扫描仪进行扫描，扫描参数如下：管电流：200 mAs；管电压：100 kV；旋转时间：0.4 s。
    3. 由具备资质的放射科医师在不知晓实验分组的情况下完成扫描及后续分析。使用专用工作站，根据定义的 Hounsfield 单位（HU）阈值对总肺容积和损伤肺容积进行三维容积分析，并手动校正损伤范围。
    4. 使用公式计算损伤肺容积百分比（肺损伤比率）： （损伤肺容积 / 总肺容积） × 100%。

7. 山羊爆炸伤操作步骤

  1. 使用BST-Ⅰ生物冲击波管，将山羊随机分配至三个不同的爆炸超压组别。分别将驱动压力调节至4.0 MPa（n = 4）、4.5 MPa（n = 12）和5.0 MPa（n = 4），以产生相应的初级冲击波。
  2. 按照第6节所述完成所有伤前测量与监测。使用帆布带将山羊固定于冲击波管内的固定架上，保持直立姿势。将山羊置于距爆源37.5 m处，使其右侧朝向爆炸中心（图3）。
  3. 在BST-Ⅰ内部动物所在位置放置气压传感器。将信号调理模块连接至数据采集系统。记录每次损伤事件的损伤参数：峰值超压、上升时间、正压相持续时间和正压相冲量。
    注：峰值超压：冲击波产生的超压最大值。上升时间：压力从0升至峰值所需的时间。正压相持续时间：冲击波波阵面通过后，超压保持在环境压力以上的时间。正压相冲量：冲击波超压在单位面积上施加的总动量。
  4. 爆炸后立即从冲击波管中取出山羊，迅速评估其整体状况。使用吸引装置及时清除气管插管及气道内的血性分泌物。若观察到呼吸暂停，应立即开始人工通气。
  5. 按照第6节所述完成所有伤后测量与监测。

8. 安乐死与尸体解剖

  1. 在完成伤后12小时观察期后，通过静脉注射3%戊巴比妥钠使山羊深度麻醉。通过动脉导管或其他主要血管进行放血。随后进行胸骨切开术，小心取出肺组织。
  2. 使用ImageJ软件进行大体评分。
    1. 在ImageJ中打开肺组织大体图像，并通过菜单路径：图像 > 类型 > 16位将其转换为16位灰度图像 （图4A–B）。
    2. 将损伤组织与正常组织交界处的灰度值设为阈值。将所有高于该阈值的区域标记为红色，以表示损伤区域（图4C）。
    3. 手动勾画肺组织的外缘，以定义整个肺面积的边界（图4D）。
    4. 使用菜单路径：分析 > 设置测量值 > Ctrl + M，计算背侧和腹侧两面的像素比（损伤面积 / 总肺面积）。确保选中“面积”、“面积分数”和“限制于阈值”选项。将这两个比值取平均，以确定整个肺的最终损伤面积比。
  3. 根据Yelverton等人10改良的标准评分系统以及本实验室的历史标准，对肺挫伤进行分级。
    注：肺组织大体损伤评分标准：0级（无损伤）：无可见挫伤或出血。1级（轻度）：散在瘀点或挫伤，累及肺表面总面积的10%以下。2级（中度）：挫伤或肝样变累及肺表面总面积的30%以内。3级（重度）：挫伤或肝样变累及肺表面总面积的50%以内。4级（极重度）：挫伤或肝样变累及肺表面总面积的50%以上。

9. 统计分析

  1. 使用 SPSS 软件（版本 22.0）进行所有统计分析。
  2. 以均值 ± 标准差（x ± s）表示连续型测量数据。
  3. 对所有数据集进行正态性检验。
  4. 采用独立样本 t 检验比较两组之间的均值。
  5. 相关性分析使用 Pearson 相关系数。
  6. 显著性阈值设定为 p < 0.05。
    注：“#”表示与损伤前评分相比，p < 0.05；“##”表示与损伤前评分相比，p < 0.01；“*”表示 4.0 MPa 组与 4.5 MPa 组之间的比较，p < 0.05；“**”表示 4.0 MPa 组与 4.5 MPa 组之间的比较，p < 0.01。

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结果

在4.5 MPa组中，测得的损伤参数如下：峰值超压为396.92 ± 23.11 kPa，上升时间为9.41 ± 0.32 ms，正压相持续时间为51.57 ± 1.39 ms，正压相冲量为5884.26 ± 231.44 kPa·ms。冲击波的压力-时间曲线如图5所示。在4.0 MPa组中，伤后即刻和12小时的死亡率均为0%。在4.5 MPa组中，伤后即刻死亡率为16.67%（2/12），至12小时时上升至41.67%（5/12）。5.0 MPa组的伤后即刻死亡率为100%（4/4）。4.0 MPa组和4.5 MPa组的心率（HR）、呼吸频率（RR）和平均动脉压（MAP）的动态变化如图6和表1所示。

4.0 MPa 和 4.5 MPa 组在损伤后基线（0 h）以及随后的 0.5 h、3 h、6 h、9 h 和 12 h 时间点的肺部超声评分（LUS）、动脉血氧分压与吸入氧浓度比值（PaO₂/FiO₂）、血管外肺水（EVLW）及肺...

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讨论

爆震性肺损伤是一种因暴露于爆炸冲击波而引起的严重病症。其特征为肺实质损伤、肺泡出血、炎症反应及凝血功能障碍，且常进展为急性呼吸窘迫综合征（ARDS），死亡率较高11,12,13。目前的诊断方法包括利用CT进行详细的形态学评估3,14，以及采用食管压力测量等技术评估呼吸力学15。然而，CT存在明显局限性，包括依赖固定设备、暴露于电离辐射，以及在院前或资源有限环境下难以实现即时现场评估16。相比之下，肺部超声（LUS）因其便携性、实时成像能力以及在识别肺挫伤和肺水肿等病变方面的有效性，已成为肺损伤早期检测和动态监测的重要工具16。为验证LUS在爆震性肺损伤（BLI）中的应用价值，需采用在解剖结构上与...

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披露

所有作者均已声明不存在利益冲突。

致谢

本工作得到国防科技卓越青年科学基金（2023-JCJQ-ZQ-001）、国防生物技术卓越青年人才项目（01-SWKJYCJJ06）、重庆市杰出青年科学基金（CSTB2022NSCQ-JQX0017）以及军队临床重点专科建设项目的支持。

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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
64层CT扫描仪GE Lightspeed，美国5133730-3
Babylog 8000博士äger，德国https://www.draeger.com/zh_cn/Products/Babylog-8000-plus
生物冲击管（大型）（BST-I）陆军军医大学大坪医院BST-I
CG4+ 检测卡Abbott，美国CG4+
双腔中心静脉导管德国布劳恩Duo V730
电动吸引装置江苏鱼跃医疗设备 & Supply Co., Ltd.7A-23D
气管内导管中国台湾，杭州ETT6014C
肝素钠常州千红生化制药股份有限公司
一次性使用静脉导管威海洁瑞医用制品有限公司22G × 25毫米/年-克
ImageJ 软件
IOTech  WaveView 7.15.6 软件IOtech，美国https://iotechsoftware.com/
咪达唑仑中国南京先声药业有限公司http://pharma-api.com/2-2-5-咪达唑仑注射液/
PCB  传感器PCB压电技术公司（美国）M102A02
戊巴比妥钠上海医药NA
Philips IntelliSpace Portal 工作站https://www.philips.ca/healthcare/product/HC881101/intellispace-portal-12
Picco监测套件德国 PULSIONPV8215
便携式血气分析仪Abbott，美国i-STAT 300G
便携式无线彩色超声设备中国优科生物医学电子有限公司D-236
Veet脱毛膏Reckitt Benckiserhttps://www.veet.co.in/en/products/hair-removal-creams/

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