应用新型超声诊断仪检测大鼠心功能

陈婷婷，廖献杉，曾 兰，梁榜辉，杨楚仪，吴 莹，李 璇，欧阳轶强，何 萍，黄 勤*

(1.广西医科大学基础医学院，南宁 530021； 2.广西医科大学第一附属医院超声科，南宁 530021； 3.广西医科大学实验动物中心，南宁 530021)

大鼠被广泛应用于多种疾病研究的模型，包括心血管领域的研究模型。超声技术作为一种无创的检查方法大量应用于临床，而随着科学技术的不断发展，技术日趋精细成熟，目前已经广泛使用于动物实验的观察研究，可精细到检查小动物的内脏器官。本研究介绍使用一种新型彩色多普勒超声诊断仪检测大鼠心功能的方法，并探讨其可行性和准确性。

1 材料和方法

1.1 实验动物

雄性8周龄SD大鼠6只，购自广西医科大学实验动物中心[SCXK (桂) 2014-0002]，洁净级别为SPF级，体重210～240 g，饲养于广西医科大学实验动物中心[SYXK (桂) 2014-0003]，实验操作在动物中心影像操作室进行，动物实验经由实验动物管理委员会批准(201710012)，实验动物使用按照3R原则给予人道的关怀照顾。

1.2 主要仪器

小动物麻醉呼吸机，型号为R510IP；意大利百胜MyLabTMSix型彩色多普勒超声诊断仪，配置有三个探头，分别为线阵探头、心脏探头和腹部(微凸)探头。

1.3 实验方法

1.3.1 超声心动图检查

实验动物称重后，将大鼠放于麻醉诱导盒中，打开挥发罐注入一定量的异氟烷，并调整氧气流量计，大鼠一般调整为500～700 mL/min，诱导麻醉时，可将浓度调至3%～3.5%，待动物完全麻醉(动物身体翻倒为侧姿且并未试着恢复其卧姿状态)后(约2～3 min)，调维持麻醉浓度为2%～2.5%，并将气体流量阀拨向“Mask”，使气体流向麻醉面罩，并将大鼠口鼻对准麻醉面罩，放置于手术操作台上，用电动剃须刀剃掉胸毛[1-4]，未剃干净的毛发可用脱毛膏进行二次脱毛，使之摆好左侧卧位，大鼠左侧上下肢均用固定器固定于手术台面，右侧上下肢则用固定绳固定于手术台架上。打开超声诊断仪电源，新建病例，根据需要在LED屏上选择合适的探头(被选择的探头指示灯亮)，本研究选用的是高频线阵浅表探头Biosound SL 2325，探头频率为6 MHz～19 MHz，并且注意探头指示灯在超声图上的位置显示，开始检查，涂适量耦合剂于探头上，并将探头置于左胸前乳头肌水平，并指向右上(指示灯在下方)，角度为45°，使探头指示灯与屏幕上的“e”(左)指示一致，并调整二维超声图深度为1.5～2.0 cm，当获得满意的左心室长轴切面图时，由二维图像引导取M型曲线，将M型取样线置于乳头肌及心尖等位置，可获得相应的M型曲线，保存图片，并进行测量左室收缩末期和舒张末期内径、室间隔舒厚度、左室后壁厚度，并计算左室收缩功能指标：搏出量、心输出量、短轴缩短率、射血分数。一般测量3个连续心动周期取其平均值。检查结束后可选择静态存储和动态存储进行图像的保存，将信息导出到电子设备作为数据储备。所有实验操作均经过广西医科大学实验动物中心批准，并严格按照实验动物使用的3R原则给予特定的人道关怀和照顾。

1.3.2 超声检测指标

①左心室舒张末期内径(LVDd)及左心室收缩末期内径(LVDs)；②根据左室内径(D)数据，用容量公式V=1.04 × D3计算出左心室收缩末期容积(LVESV)和左心室舒张末期容积(LVEDV)[5]；③每搏输出量(SV)=LVEDV - LVESV；④左室短轴缩短分数(FS)=(LVDd - LVDs)/LVDd × 100%；⑤射血分数(EF)=SV/LVEDV × 100%；⑥心率(HR)；⑦室间隔厚度(IVSTh)。超声的测量是根据美国超声心动图学会制定的标准[6]来执行。

1.4 统计学方法

2 结果

2.1 正常大鼠心脏超声心动图表现

由左室长轴切面图可以清晰地显示出左室腔近似椭圆形，可以清楚地显示出左室前后壁、心内膜、心外膜以及主动脉和主动脉瓣，二维图像引导的M型图像，见图1。通过此图像可以测定大鼠各项参数，并计算心脏的收缩功能，见表1。

3 讨论

已有研究[7-8]表明，二维超声及M型超声心动图是公认无创检查心脏结构和功能的比较理想的方法。由于鼠科动物的胸壁隆起，心脏体积小，传统的低频(3.5 MHz～5 MHz)超声是不能获得较清晰的图像的，而如今随着超声技术的不断发展，7.5 MHz～12 MHz的高频探头的应用[9-10]，可以使得图像清晰度升高，并且分辨率也得到提升，这为超声的诊断提供了更多的机会。由于科研的发展需要，目前已有多种专门应用于动物研究的超声诊断仪，进一步表明超声诊断在动物研究中的重要性，近年已大量应用于心衰[11]、高血压[12]及糖尿病心肌病等[13-14]的辅助诊断。

注：图中IVS所示为室间隔，LV表示左心室，LA表示左心房，AO表示主动脉图；图中Dd箭头所示为左室舒张末期内径，Ds箭头所示为左室收缩末期内径，IVSTh箭头所示为室间隔厚度。图1 正常大鼠心脏二维及M型超声心动图Note. In the figure, IVS is the ventricular septum, LV is the left ventricle, LA is the left atrium, AO is the aortic view; the Dd arrow indicates the left ventricular end diastolic diameter, the Ds arrow indicates the left ventricular end systolic diameter, and the IVSTh arrow indicates the septal thickness.Figure 1 Two-dimensional and M-mode echocardiography of the normal rats

指标Indices均值±标准差Mean±standard deviation95%可信区间95% confidence intervalLVDd(mm)5.522±0.2265.284～5.759LVDs(mm)2.775±0.3162.443～3.107LVEDV(mL)0.177±0.0220.154～0.199LVESV(mL)0.023±0.0100.013～0.034SV(mL)0.154±0.0190.134～0.174CO(mL)0.047±0.0070.040～0.054EF(%)86.940±4.03382.710～91.180FS(%)49.710±5.20044.260～55.160IVSTh(mm)1.377±0.1371.233～1.521HR(bpm)318.934±39.475269.920～367.948

注：LVDd：左室舒张末期内径，LVDs：左室收缩末期内径，LVEDV：左室舒张末容积，LVESV：左室收缩末容积，SV：每搏输出量，CO：心排血量，EF：射血分数，FS：短轴缩短率，IVSTh：室间隔厚度，HR：心率。

Note. LVDd: left ventricular end diastolic diameter, LVDs: left ventricular end systolic diameter, LVEDV: left ventricular end diastolic volume, LVESV: left ventricular end systolic volume, SV: stroke volume; CO: cardiac output, EF: ejection fraction, FS: short axis shortening rate, IVSTh: septal thickness, HR: heart rate.

本实验中，本课题组应用一种新型的彩色多普勒超声诊断仪。该仪器最适用于检测中型动物的内脏器官，具有快速精确、高度灵活的增强型超声系统，由于它可提供各式各样的换能器(二维和三维)，因此可使用在心血管及其它各系统常规成像，包括从腹部小器官和乳腺影像到肌肉骨骼、心脏及妇科和产科应用。目前应用于心功能检测的超声类型主要包括M型超声心动图[15-16]、二维超声心动图[17-19]、三维超声心动图[20]及组织多普勒超声心动图[21-24]几种类型，已经大量用于临床及科研研究。

大鼠是常用的科研动物模型，本研究使用了一种新型超声诊断仪来探究大鼠的心功能测定。由于大鼠心脏体积小、心率快(人心率的4倍)及胸壁突起的特点，若使用凸阵探头，不能清楚地显示出心脏四腔切面和组织多普勒图。文献报道，高频线性探头可用于大鼠心脏结构的检查[4, 25]，获得清晰的图像和参数。因此，本课题组选择尝试用新型超声仪的线阵探头检测大鼠的心脏，获得了高清的大鼠心脏结构图(见图1)。检测过程中，保证每一次大鼠所摆的体位和探头位置一致，将大鼠四肢均固定在操作台上，操作者手法稳定，保证探头的位置和角度保持一致，可获得多项稳定的心功能数据(表1)。结果证明，它能够满足科研实验中检测大鼠心脏大体结构和功能评价的需要，且操作方便快捷。

根据本研究结果总结经验，实验检测中要注意如下几点：①麻醉要适度。麻醉过浅会导致大鼠乱动，心率波动大，并且体位改变，不能快速获得测量结果，并且大鼠受刺激使得心功能变化，结果误差大；麻醉过深可造成大鼠心率过低，影响实验结果，严重的可造成大鼠死亡，本课题组使用小动物麻醉呼吸机严格控制诱导麻醉浓度及维持麻醉浓度，选用的是麻醉并发症少、死亡率低，适用于各种动物的国际认可麻醉剂异氟烷[26-27]，以避免大鼠因麻醉造成的对实验的不利因素。注意用异氟烷麻醉若需长时间麻醉，则需将大鼠放置于保温垫上维持体温。麻醉前空腹8 h以免食物引起窒息及影响药效。②大鼠胸部的毛必须剔除干净，否则毛发会影响观察，本研究尝试过脱毛膏、剪毛及电动剃须刀三种方法，电动剃须刀效果最好，注意不要剃伤大鼠。麻醉使大鼠安静下来之后，再进行剃毛和超声检查。③体位摆放、探头的位置和方向均要保持固定一致，才能获得稳定和精确的数据，避免人为因素造成的误差。④为获得更清晰的图像和更精确的数据，尽量选择频率大的探头进行检测。⑤操作者手法要稳定柔和，要有足够的耐心。

总的来说，使用该新型超声诊断仪可无创、连续和准确检测大鼠心脏功能各项功能参数，并得到心室大体结构的清晰图像。与其它有创性心功能检查(包括心血管造影检查、在体心脏插管血流动力学、离体心脏灌流检测等)相比，本实验方法的优势在于无创伤、无痛苦，操作简单快捷，大鼠死亡率低，并且其数据导出功能强大，可导出到PC(Windows®、MAC®)和各种移动设备(平板电脑、智能手机)，为研究者提供方便。此外，与其他无创性心功能检查(心电图、颈动脉搏动图等)相比，本实验应用的新型超声诊断仪可以获得更直观的心脏结构图像结果，得到的数据更多，可更全面判断心功能情况。

该仪器也有一定的局限性。使用超声诊断仪的凸阵探头时，频率较低，而大鼠体积偏小，不能获得满意的心脏四腔切面，需要选择浅表探头，在左室长轴切面及M型曲线上测量，才能得到满意的精确数据。另一方面，因为大鼠心率很快，而多普勒超声扫描速度有限，E峰和A峰融合，无法准确判断出舒张期血流速度E峰和A峰的位置，即不能准确记录心脏舒张期血流情况，说明这台仪器在检测大鼠心脏舒张功能时需要注意选择合适的检测指标，应使用其它指标综合分析舒张功能。此外，该仪器可用于大鼠及更大的动物，如果想要检测小鼠的心功能，则需要使用更灵敏和更精确的小型动物超声仪。目前现有的经典小动物超声仪，如Vivo2100彩色多普勒超声仪，与本实验超声诊断仪相比，具有更高频率(40 MHz)，它采用的是256振元电子线阵探头技术，并且实时心脏图像采集频率最高可达1000帧/s，能实时连续显示心动周期内心脏各部位的形态学改变。已有研究表明[28]，Vivo2100彩色多普勒超声仪可用于诊断大小鼠心血管疾病密切相关的血流速度和方向等的测量，可清晰获得心脏四腔及五腔切面图，获得准确的冠脉血流参数，为临床诊断血管疾病提供一定的参考。因此，相比之下本实验所应用的超声诊断仪是具有一定局限性的，实验者需根据实验条件及需求选择合适的仪器。