羔羊心脏功能与肺动脉高压的超声心动图评估

摘要

本方案描述了在支气管肺发育不良进展的羔羊模型中，利用超声心动图评估心脏结构、功能及肺动脉高压的方法。该技术可实现对心肺疾病的连续性评价，并可应用于其他新生儿及成人心血管疾病的大型动物模型。

摘要

早产与心脏功能障碍密切相关，包括心室功能受损和心脏结构改变，这些可能引发进行性心力衰竭以及其他短期和长期的并发症。然而，早产婴儿心脏功能障碍的自然病程尚不明确。在伴有肺动脉高压的支气管肺发育不良（BPD-PH）羔羊模型中，羔羊在妊娠110至128天时出生（足月约为145天），并接受机械通气。这些羔羊会出现早产相关的 cardiopulmonary 并发症，包括肺组织学上的肺泡简化（BPD的典型特征）以及超声心动图上显示的肺血管阻力升高的征象，符合进展性BPD-PH的表现。本文介绍了一种通过超声心动图对早产及曾早产的羔羊（出生后年龄最长至约两个月）进行心脏形态测量和功能连续评估的实验方案。该方案基于美国超声心动图学会（American Society of Echocardiography）的指南进行调整优化。在经气管插管并接受中度镇静的羔羊中，使用床旁超声系统进行系列超声心动图检查。每次检查均获取心房和心室的尺寸、左右心室功能以及与肺动脉高压相关的各项参数。所测得的数据具有良好的可重复性，并与临床状况相关。该用于评估羔羊心脏结构和功能的超声心动图方案，有助于对BPD-PH的特征进行刻画，并可用于治疗策略的评估。

引言

发育中支气管肺发育不良和肺动脉高压（BPD-PH）的羔羊模型可模拟早产儿在新生儿重症监护室（NICU）中所经历的肺发育阶段及临床护理环境。在该BPD-PH羔羊模型中，羔羊在不同胎龄（从妊娠110天（肺发育的终末细支气管期，相当于人类22–24周胎龄）至足月145天）出生后接受机械通气，并持续随访长达六个月以观察心肺疾病的发展。该模型重现了早产新生儿因吸入富氧气体进行机械通气所导致的病理生理和组织病理学改变，包括肺泡简化和肺泡隔增厚¹。BPD-PH羔羊模型的优势在于其肺发育阶段与人类高度相似，且羔羊体型相对较大，便于频繁采血以及直接采用NICU中的临床设备²。本文报道了一种对羔羊心脏功能和肺动脉高压（PH）进行连续超声心动图评估的实验方案。

支气管肺发育不良相关性肺动脉高压（BPD-PH）是早产存活婴儿中常见且重要的心肺并发症^3,4,5。胎龄越小、出生体重越低的婴儿，发生BPD及BPD-PH的风险最高³。BPD-PH的发生是由于早产及其继发的机械性和氧化应激导致肺发育异常，在数月过程中引起肺血管重构⁴。这会导致肺血管阻力升高，进而引起右心室负荷增加，严重时可导致右心室功能衰竭，最终增加婴儿后期及幼儿早期的发病率和死亡率⁵。

超声心动图可对左右心室的多种解剖和生理特征进行无创性连续评估。美国超声心动图学会已发布了小儿经胸超声心动图检查的指南^6,7。然而，目前尚无针对BPD-PH新生羔羊模型等临床前模型的类似指南。本文介绍了一种针对新生羔羊模型优化的超声心动图检查方案。尽管羔羊胸腔和腹腔的解剖结构限制了剑突下切面的获取，但心尖和胸骨旁切面易于获得。这些切面可通过多个参数对心脏功能和肺动脉高压（PH）进行全面评估，包括室间隔位置、肺动脉加速时间（PAAT）、三尖瓣环平面收缩期位移（TAPSE）、三尖瓣反流、右心室（RV）面积变化分数（FAC）以及左心室（LV）射血分数（EF）。此外，我们将超声心动图测量结果与临床状态及心导管检查结果进行了相关性分析，验证了超声心动图作为BPD-PH羔羊模型中无创性心脏评估方法的有效性。

方案

所有实验操作均严格遵守犹他大学机构动物照护与使用委员会（Institutional Animal Care and Use Committee）规定的动物饲养与实验操作标准。

1. 实验步骤设置

1. 将羔羊置于俯卧位的吊带中。
2. 除非另有说明，进行本方案所述大多数超声心动图检查时，操作者应位于羔羊的左侧。
3. 将超声设备置于吊带装置的头部方向，以便操作者可用左手控制设备按钮，右手持探头。
4. 安排一名助手协助固定羔羊体位，助手应位于羔羊的对侧。有关经胸超声心动图图像采集时的实验设置和羔羊体位，请参见图1。
5. 在整个操作过程中持续监测血氧饱和度（SpO₂）、动脉血压和心率。若SpO₂持续低于<90%达2分钟、心率<60次/分钟、呼吸频率>100次/分钟，尽管已调整呼吸机参数和吸入氧浓度，或动脉血压较操作前基线值下降>15%，则应暂停操作使生命体征恢复稳定，或终止操作。

图1. 羔羊经胸超声心动图图像采集的实验装置。图示为羔羊在吊带中体位的代表性设置。请点击此处查看该图的放大版本。

2. 超声设备设置

1. 记录受试者信息，包括识别号、体重以及血压（收缩压、舒张压和平均压）。
2. 选择合适的换能器。对于羔羊，使用 12S（5–11 MHz）相控阵心脏换能器。
3. 如有可用的预设程序，选择心脏成像的超声预设。
   注意：在进行超声心动图采集时，应保持稳定的生理状态（例如心率、呼吸状态和镇静水平），因为这些因素可能影响多普勒衍生的测量结果。

3. 羔羊体位与换能器位置

1. 获取标准经胸超声心动图切面所需的精确羔羊体位及探头位置，可能因出生时的胎龄、出生后年龄、肺部充气程度以及腹部膨胀情况而有所差异。
2. 将羔羊置于俯卧位，使其左腿自然屈曲紧贴胸壁，并置于吊带中，从下方暴露左侧腋窝及胸壁。根据需要调整羔羊在吊带中的位置，以获得最佳图像。如有需要，可将羔羊在吊带内调整为部分至完全右侧卧位。
3. 在探头尖端和羔羊胸壁涂抹超声耦合剂，以确保超声波传导效果最佳。
   注意：以下所述切面通常在胸壁较腹侧（即靠近胸骨侧）的第3–6肋间获得。

4. 获取标准心尖切面

注意：在早产和足月羔羊中更容易获得心尖切面。根据我们的经验，当羔羊年龄超过2个月后，胸廓增大，心脏心尖远离胸壁，使得从左侧胸壁获取这些切面变得困难。

1. 将探头置于第5–6肋间。
2. 将探头指向右肩方向。
3. 起始时将探头指示器朝背侧，指向羔羊的左耳。
4. 为获得标准的心尖四腔（A4C）切面，将探头尾部向尾侧扇动，并根据需要顺时针或逆时针旋转探头，直至右心室和左心室的最大外缘均可见，且右心房和左心房无缩短变形。在最佳A4C切面中，三尖瓣和二尖瓣可见，但左心室流出道（LVOT）不可见（图2A）^6,7。
5. 获得A4C切面后，获取以下参数：
   1. 记录至少3个心动周期的动态图像（推荐5–7个心动周期），用于测量右心房（RA）和左心房（LA）大小、右心室（RV）大小、右心室面积变化分数（FAC）、室间隔位置的主观评估，以及左心室射血分数（LVEF）（后者还需下文所述的聚焦左心室的心尖两腔切面）^6,7。
   2. 通过将光标对准三尖瓣外侧瓣环并记录M型超声图像，测量三尖瓣环平面收缩期位移（TAPSE）^6,7,8。
   3. 通过将光标对准二尖瓣外侧瓣环并记录M型超声图像，测量二尖瓣环平面收缩期位移（MAPSE）⁹。
6. 在保持A4C切面的同时，启用彩色多普勒，并尽可能使光标与多普勒血流方向平行（理想情况下入射角 <20°），获取以下参数：
   1. 将感兴趣区框置于三尖瓣上，光标与穿过三尖瓣的彩色信号平行对齐，记录连续波多普勒频谱，以评估三尖瓣反流的存在及其峰值流速^6,7。
   2. 将感兴趣区框置于二尖瓣上，光标与穿过二尖瓣的彩色信号平行对齐，记录连续波多普勒频谱，以评估二尖瓣反流的存在及其峰值流速^6,7,10。
   3. 将感兴趣区框置于二尖瓣上，光标与二尖瓣流入道的彩色信号平行对齐，在舒张期将取样门置于开放的二尖瓣叶尖端处，记录脉冲波多普勒频谱，测量二尖瓣流入E波和A波（E/A比值）^6,7,10。
7. 获取聚焦左心室的心尖两腔（A2C）切面：
   1. 在保持A4C切面及探头心尖位置的前提下，围绕左心室轴线逆时针旋转探头约45°–90°，直至右心房和右心室消失，出现显示左心室和左心房的左心室聚焦A2C切面（图2B）。
   2. 在左心室聚焦A2C切面中记录至少3个心动周期的动态图像（推荐5–7个心动周期），该图像用于采用Simpson法计算左心室射血分数^6,7,11。
      注：可使用步骤4.6.2和4.6.3所述方法，在左心室聚焦A2C切面中进一步评估二尖瓣反流及流入情况。
8. 获取聚焦左心室流出道的心尖五腔（A5C）切面：
   1. 返回标准A4C切面，将探头轻微向前倾斜并做旋转调整，直至左心室流出道（LVOT）可见（图2C）。
   2. 将光标与左心室流出道血流方向平行对齐，取样门置于主动脉瓣环近端稍前方，获取脉冲波多普勒频谱以测定左心室流出道速度时间积分（LVOT VTI）。结合主动脉瓣环直径（在PLAX切面测量，见下文步骤6.2.2）和LVOT VTI，按照成人方法估算左心室心输出量（CO），公式如下^6,7,12,13：
      

图2. 羔羊典型的心尖和胸骨旁长轴超声心动图切面。（A）收缩末期标准心尖四腔（A4C）切面。（B）以左心室（LV）为中心的心尖两腔（A2C）切面，突出显示收缩末期的左心室和左心房（LA）。（C）以左心室流出道（LVOT）为中心的心尖五腔（A5C）切面，显示左心室流出道。（D）包含主动脉瓣和升主动脉的胸骨旁长轴（PLAX）切面。Ao，主动脉；LA，左心房；LV，左心室；LVOT，左心室流出道；RA，右心房；RV，右心室。 请点击此处查看该图的放大版本。

5. 获取胸骨旁短轴切面（PSAX）

1. 将探头置于胸骨附近的第4与第5肋间隙之间，指示器朝向背侧并略偏尾侧。
2. 通过将探头稍远离胸骨滑动、轻微向任意方向旋转和/或将探头尾部向头侧或尾侧扇形摆动，精细调整胸骨旁短轴（PSAX）切面，直至获得主动脉瓣的正对观PSAX图像（图3A）。
3. 当主动脉瓣正对观位于图像中心时，扇形摆动探头尾部，直至显示右心室流出道（RVOT）和肺动脉（PA）（图3B）。添加彩色多普勒，并获取以下信息：
   1. 使用彩色多普勒评估血流方向和图像质量，将取样线光标与血流方向平行对齐，取样门置于肺动脉瓣近端，获取脉冲波多普勒频谱，测量肺动脉加速时间（PAAT）（图3D）^13,14。
   2. 通过彩色多普勒和脉冲波多普勒评估动脉导管未闭的存在及其血流方向¹⁵。
4. 返回主动脉瓣正对观的PSAX切面，将探头尾部向头部方向扇形摆动，获得二尖瓣水平的PSAX切面。继续扇形摆动，直至达到乳头肌中部水平（图3C）。
   1. 记录至少3个心动周期的动态图像序列（推荐5–7个心动周期），用于评估室间隔的位置与厚度，并测量左心室收缩末期偏心指数（LVesEI）以及右心室与左心室收缩末期直径比（RV:LV）^6,7。

图3. 羔羊的代表性胸骨旁短轴切面超声心动图图像。 （A）主动脉瓣水平的胸骨旁短轴切面。 （B）探头扇形扫描后显示右心室流出道（RVOT）和肺动脉的胸骨旁短轴切面。 （C）乳头肌中部水平获取的胸骨旁短轴切面。 （D）用于测量肺动脉加速时间（PAAT）的代表性脉冲波多普勒频谱图。 Ao，主动脉；AV，主动脉瓣；LA，左心房；PA，肺动脉；PAAT，肺动脉加速时间；RV，右心室；RVOT，右心室流出道。 请点击此处查看该图的放大版本。

6. 获取胸骨旁长轴切面（PLAX）

1. 将探头扇形扫查返回至主动脉瓣的短轴切面（PSAX）正对观，并将探头旋转约90°，使指示器朝向头侧，以获得左心室长轴切面（PLAX）（图2D）。
   注：将探头尾部向头侧倾斜可更多显示左心室心尖，而将探头尾部向尾侧倾斜则可更多显示左心室流出道（LVOT）和升主动脉。
   注：在任一位置，将探头尾部向上扇动（朝向脊柱）可暴露左心室流入道，而将探头尾部向下扇动（朝向腿部）则可更多显示左心室流出道、主动脉瓣和升主动脉。
2. 在PLAX切面中获取以下参数：
   1. 通过将光标垂直于左心室长轴对齐，使其穿过心室中部的左心室短轴，并记录M型超声图像，测量左心室缩短分数^6,7。
   2. 通过优化PLAX切面以清晰显示左心室流出道（LVOT）和主动脉瓣，记录至少一个心动周期的动态图像，于收缩末期在瓣膜交界点处测量主动脉瓣环直径。结合此前所述的速度-时间积分（VTI）使用该数值估算心输出量^6,7,12,13。

7. 从右侧胸腔获取额外图像

1. 根据需要，采用与上述类似的方法，从右侧胸壁获取额外的短轴切面（PSAX）和长轴切面（PLAX）图像。

结果

美国超声心动图学会（ASE）儿科超声心动图指南中推荐的大多数标准切面均可在羔羊中获取。标准的心尖四腔心切面（A4C）、心尖两腔心切面（A2C）以及包含左室流出道（LVOT）的心尖五腔心切面（A5C）均可清晰显示（图2A–2C）。包含左室流出道的胸骨旁长轴切面也可获得（图2D）。完整的胸骨旁短轴切面系列，包括主动脉瓣水平、肺动脉水平及乳头肌水平的切面，均可成功获取（图3A–3C）。通过肺动脉多普勒图像可计算肺动脉加速时间（PAAT）（图3D）。由于羔羊胸廓及腹腔解剖结构的限制，无法获取剑下切面或胸骨上窝切面。

我们将PAAT（肺动脉加速时间）这一肺动脉高压（PH）的关键指标与通过羊的心导管术获得的直接平均肺动脉压测量值进行了比较（表1）。纳入研究的...

讨论

超声心动图提供了一种无创方法，用于评估羔羊（包括早产及曾早产的羔羊，校正胎龄后至约两个月龄）在支气管肺发育不良相关肺动脉高压（BPD-PH）进展过程中的心脏结构、功能及肺动脉高压情况。在新生羔羊中进行超声心动图检查的关键在于采用基于既定指南的标准化操作流程，并在图像采集与测量中应用与临床人类婴儿相同的严格标准和最佳实践方法。

其他研究者曾报道，在反刍动物（如绵羊）中，可靠的超声心动图图像仅能从右侧胸壁获取。然而，早产及幼龄羔羊（根据胎龄校正后约两个月以内）具有独特优势，可从左侧胸部获得心尖切面，以及从羔羊左右两侧获取胸骨旁短轴和长轴切面。这得益于新生羔羊相对较窄且呈龙骨状的胸廓结构，使得心脏更靠近左侧胸壁，而这一情况在成年反刍动物中并不明显。这种龙骨状胸廓也存在于许多其他四足动物中，例如山羊以及某些犬种（如灵缇犬和杜宾犬），其优势在于根据动物的种类和年龄，可能允许从胸廓任一侧获取图像¹⁷。根据我们的经验，当超声心动图检查者难以从胸廓一侧获得满意图像时，往往可从对侧半侧胸廓获取足够质量的图像。其他改善图像获取和图像质量的方法包括调整羔羊...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
相控阵心脏探头	GE	H44901AB	12S-RS 探头；4.5–12.0 MHz
用于动物体位固定的吊带	使用耐用织物现场制作	不适用	用于在成像过程中支撑羔羊处于俯卧位
超声耦合凝胶	Parker Laboratories, Inc.	PLI 01-08	Aquasonic 100 超声传导凝胶
超声成像系统	GE	H48232DM	Vivid iq Vet v208