二维斑点追踪超声心动图在实验动物兔中的应用进展

毕亮亮 韩若凌 焦子义

[摘要] 二维斑点追踪技术通过对心肌组织的斑点回声进行追踪，可获得心肌整体及局部变形参数。与其他小型啮齿动物比较，兔的心脏在结构及功能的评价中具有相对优势。其中以缺血性心脏病兔模型应用最广泛，其他领域，如高血压性心室肥厚、甲亢性心肌病以及高胆固醇血症、感染、创伤等致心肌功能改变方面也有一定研究。本文就二维斑点追踪技术原理、兔模型的优缺点及斑点追踪在兔模型中的应用情况作一综述，为临床前的预实验研究提供参考。

[关键词] 二维斑点追踪;超声心动图;兔;左心室收缩功能

[中图分类号] R445.1          [文献标识码] A          [文章编号] 1673-7210（2019）12（c）-0050-04

[Abstract] The two-dimensional speckle tracking echocardiography can track the speckle echo of cardiac tissue to obtain the global and regional deformation parameters of myocardium. Compared with other small rodents， rabbit hearts have a comparative advantage in the evaluation of structure and function. Among the application fields， ischemic heart disease rabbit models are the most widely used. Other fields， such as hypertensive ventricular hypertrophy， hyperthyroidism cardiomyopathy and hypercholesterolemia， trauma， infection induced myocardial damage have also been studied. This paper reviews the principle of two-dimensional speckle tracking technology， the advantages and disadvantages of the rabbit models and the application of speckle tracking in the rabbit models， so as to provide reference for preclinical experimental study.

[Key words] Two dimensional speckle tracking; Echocardiography; Rabbits; Left ventricular systolic function

超声心动图技术的发展为临床评估心功能提供了准确、无创的技术保证。其中，二维斑点追踪超声心动图（two dimensional speckle tracking echocardiography，2D-STE）是近年来发展起来的一项新的定量分析技术。因其不存在角度依赖性、不受周围室壁组织牵拉等影响，更有助于理解心肌生理及机械变形[1]。动物模型对于心血管疾病的研究是必不可少的。与其他小型啮齿动物相比，兔的心脏体积及质量较大，且与人类心脏功能更为相似，因而近年来，兔模型广泛应用于心脏结构及功能的研究中。现对2D-STE的技术原理及在实验动物兔中的应用进展综述如下：

1 二维斑点追踪超声心动图技术

灰阶图像中，小于入射超声波波长的细小结构会产生散射现象，这些散射体即回声斑点。它们均等地分散在心肌组织内并紧随心肌运动。对于每个心肌区域，该斑点是唯一的，且相对位置稳定。斑点追踪成像软件系统能够识别这些回声斑点，在心动周期中，实时跟踪其在每一帧图像中的位置并计算出运动轨迹，从而获得位移曲线，生成各项参数，获取心肌变形的信息，称为斑点追踪技术。

应变是指当物体受力后而发生的形态学改变。心肌应变是指心肌随着心脏的舒缩运动而发生的形态变化。心肌应变率是指心肌发生变形的速度，是心肌运动在超声束方向上的速度梯度。应变率通过时间积分即为应变值。2D-STE既可以追踪心肌长轴（纵向）方向的运动，也可以追踪短轴方向上的径向和圆周运动，从而获得心肌局部和整体的应变与应变率[2]。纵向应变是相对于心尖的侧向位移，径向应变是短轴方向心肌厚度的变化，圆周应变则是从横断面观察心肌的顺时针或逆时针旋转。目前，欧洲和美国超声心动图协会指南已经认可应变超声心动图在评估心肌性能方面的重要价值[3]。

2 兔模型的选择及注意事项

与其他物种比较，兔的心脏在形态、功能、分子组成、生理特征和肌纤维的螺旋形构建等方面与人类的心脏更为相似[4]，尤其是冠状动脉清晰且分布较为固定。但动物实验普遍存在的瓶颈是：对清醒状态下的动物行超声心动图检查，操作难度很大;而应用麻醉剂又可能会干扰心功能的评估。为了克服这一矛盾，Sara等[5]对兔模型进行超声心动图测量时采用了面罩式吸入异氟烷浅镇静的麻醉方式，结果提示：实验兔平均心率与没有任何药物影响下的生理心率相近;且兔的左室射血分数和右室面积变化率与正常人类数值相似;应用超声心动图深入评估兔的心脏结构和功能是可行的。

检查当日，兔子应禁食4～6 h，以減少腹胀对图像的干扰。通常采取左侧卧位的检查体位。连接心电图导联。待兔子进入安静呼吸状态后行超声心动图检查，动作轻柔。检查时间最好控制在20 min以内[5]。心内膜的清晰完整显示是2D-STE获取准确数据的前提。心内膜边界可通过软件确认和视觉评估的方法来确定适当的追踪。因透声窗差、家兔呼吸心率过快、混响伪影等因素导致的图像质量不佳，将会妨碍应变分析。如果在3次人工校正后仍无法实现适当的追踪，则图像应被排除在外;当≥2个节段被排除时，整个数据集应被排除在应变分析之外[5]。

虽然兔模型在心血管疾病中的应用已得到肯定，但也存在一定的局限性。一方面，兔的胸部近似球形，心脏在胸腔内的位置、方向与人类存在一些差别，兔的心尖更向后、向左，心底更向前，使图像采集变得复杂，尤其是心尖的标准切面较胸骨旁切面不易获得。有研究指出[5]，兔模型中，心尖切面和由此测得的纵向应变较胸骨旁切面测得的圆周应变及径向应变的可行性稍低。另一方面，家兔心率快，为了可靠地捕获峰值变形速度，就需要对超声仪器及探头做出合理选择。推荐使用带有啮齿动物模式的心脏专用电子相控阵探头，频率10～12 MHz，二维帧频>100 fps，以获得可靠的应变数据，避免取样不足[6]。

3 2D-STE在兔模型中的应用

3.1 对缺血性心脏病模型的诊断作用

正常情况下，心肌由最外层的心外膜下肌纤维、中层肌纤维和最内层的心内膜下肌纤维构成。心内膜下肌纤维收缩引起纵向缩短，而心外膜下肌纤维收缩引起圆周方向缩短，各个方向的收缩均可引起径向增厚。心肌功能异常根据累及的心肌层不同分为心内膜下、透壁性和心外膜下心肌功能异常。

3.1.1 缺血再灌注模型  急性心肌梗死后，早期开通闭塞的冠状动脉是恢复心肌供血的最常用方法，然而缺血再灌注损伤（reperfusion injury，RI）是影响再灌注效果的因素之一。药物后适应（pharmacological postconditioning，P-Post）是目前比较实用且有效减轻RI的方法[7]。P-Post是指某些药物通过模拟机体自身内源性保护物质而对缺血再灌注的心肌产生保护作用[8]。姜中慧等[9]对阻断的兔冠状动脉左室支于再灌注后5 min内缓慢静推三磷酸腺苷制作药物后适应动物模型，对比病理学检查结果，研究发现：二维斑点追踪多层分析技术可准确评价再灌注后不同时间点各层心肌的应变功能变化;且心内膜应变较心外膜更加敏感，提示了心肌缺血或梗死不均匀分布的特征，与van Horssen等[10]研究结果一致。

3.1.2 冬眠心肌模型  所谓“心肌冬眠”现象是指心肌在长期低血流灌注下，通过自身调节机制、降低氧耗，以维持正常能量代谢、避免坏死的一种适应性下调，当血供恢复后，心肌功能可延迟恢复正常的现象。但当血流动力学变化及应激反应造成灌注-代谢-功能失衡时，冬眠的心肌最终将演变为坏死心肌。因此，早期正确识别冬眠心肌对于冠心病治疗方案的制订意义重大。钟慧颖等[11]通过不全结扎兔冠状动脉左前降支建立冬眠心肌动物模型，应用2D-STE比较腺苷负荷超声心动图（adenosine stress echocardiography，ASE）与多巴酚丁胺负荷超声心动图（dobutamine stress echocardiography，DSE）在识别冬眠心肌中的应用价值。研究发现药物负荷由低浓度到高浓度滴注时，其应变能力由增强变为明显减弱，此“双向反应”是提示冬眠心肌的可靠指征;2D-STE结合ASE或DSE大大提高了检测冬眠心肌的敏感性和特异性。

3.1.3 心肌梗死模型  通过结扎兔左冠状动脉前降支诱导心肌梗死模型。多项研究表明[12-15]，左室纵向、径向及圆周应变对判断早期心肌梗死及梗死部位的灵敏度、特异度均较高，明显优于传统指标，且与病理结果相一致;此外，左室各壁旋转度的变化还可用来跟踪急性心肌梗死后左室的重塑过程;另外，急性心肌梗死后，左心室功能异常的同时，左心房的功能也会发生改变，借助2D-STE还可评估左心房的三大机械应变功能（即储器功能、通道功能和辅泵功能）的改变情况，具有重要的臨床价值[16]。

3.1.4 心肌梗死并室壁瘤模型  通过结扎兔冠状动脉左前降支及左回旋支制作心肌梗死并室壁瘤形成模型。研究显示[17]，室壁瘤形成后，二维应变指标左室心尖部旋转角度显著减少，其对左室收缩功能的恶化起着至关重要的作用。此外，室壁瘤形成后，左室前壁、侧壁径向及周向收缩期峰值应变率均明显降低，这些指标与实时三维超声测得的左室射血分数高度相关[18]，说明2D-STE对于心肌梗死后并发室壁瘤形成后左室整体功能的评估具有较高的灵敏性和特异性。

3.2 评价心衰模型的心肌应变表现

心力衰竭包括收缩性心力衰竭（systolic heart failure，SHF）和舒张性心力衰竭（diastolic heart failure，DHF），二者的鉴别诊断主要依靠超声心动图对心功能的评估。对兔腹主动脉行缩窄术，根据缩窄的部位及缩窄率分别建立舒张性和收缩性心力衰竭模型。借助2D-STE对左室扭转及解旋运动的定量测定，结果发现，DHF兔的左室扭转较正常对照组无显著变化，反而略有升高趋势，考虑这可能与心外膜下心肌病变相对较轻和左室构型为向心性肥厚有关，而SHF兔由于左室心腔的扩大和显微镜下观察到的心肌纤维断裂导致了左室扭转的减低;对于左室解旋运动，解旋速度峰值是评估SHF兔左室舒张功能的有价值指标，因此2D-STE有助于判断左室的射血和充盈特点[19]。

3.3 对高胆固醇血症模型心功能的评价

Liu等[20]通过高脂饮食饲喂来制作高胆固醇血症兔模型，利用2D-STE探讨高胆固醇血症与心肌功能的关系。研究表明，高胆固醇血症组与正常对照组兔的左室形态、射血分数均无显著差异，但较正常对照组左室纵向应变明显减少，且与血清总胆固醇、低密度脂蛋白胆固醇和心肌胆固醇水平呈显著负相关;此外，心肌纵向功能障碍是首先出现的，其次是周向应变，这表明纵向应变在亚临床期左室收缩功能评估中的重要价值;但有趣的是，左室径向应变却明显增加，一种可能的解释是心肌外半部肌纤维走向的重新排列有助于心外膜纤维的“跨壁补偿”[20]。

3.4 高血压模型的心肌应变表现

目前，人们已经认识到，常规超声心动图在评估高血压对心肌功能影响方面存在很大的局限性。而2D-STE的应用可为临床提供更多有价值的参考。通过腹主动脉缩窄术建立的高血压性左心室肥厚（left ventricular hypertrophy，LVH）兔模型研究发现：LVH组，反映心内膜下状态的左室纵向应变减低最早出现也最显著[21]，考虑这可能与心内膜下心肌承受的应力最大，最易发生心肌缺血、微血管功能障碍以及心肌纤维化等改变有关[22];此外，LVH组左室的扭转运动增强，而研究中常规收缩功能参数没有发生任何改变，这也支持了当前的观点：左室泵功能主要由中层和心外膜下心肌决定[23]，扭转的增强可用来补偿长轴方向的收缩功能减低，有助于维持正常的射血分数。

3.5 评价甲亢性心肌病模型心功能异常

甲亢性心肌病是甲状腺功能亢进症最常见的并发症之一。毕文君等[24]通过腹腔注射左旋甲状腺素建立甲亢兔动物模型，又进一步依据超声参数分为向心性肥厚（concentric hypertrophy，CH）和离心性肥厚（eccentric hypertrophy，EH）两个亚组。研究发现：CH亚组LVEF未见明显减低，而2D-STE测得的径向应变和周向应变均减低，且这一改变得到了病理结果的证实：该组心肌纤维明显增大，胶原纤维大量增生;EH亚组径向应变及周向应变降低更为明显，出现了更为严重的心肌细胞空泡变性和肌束中断等现象。因此，2D-STE能够早期、准确地评价兔甲亢性心肌病不同左室构型心肌收缩功能的改变，并且同病理变化程度基本一致，是监测甲亢性心肌病的有效手段之一。

3.6 对感染、创伤模型心功能的评价

经兔的耳缘静脉注射内毒素构建脓毒血症动物模型[25]，通过检测2D-STE指标并对照心肌病理标本，发现：左室整体纵向应变和圆周应变能更加敏感地判定左室心肌收缩功能的改变，且与血清心肌损伤标志物肌钙蛋白T的浓度呈现良好的负相关。

将实验动物兔置于特定的半封闭爆破环境中，采用瞬发电雷管爆炸方式制作胸部爆震伤兔模型[26]，结果发现：2D-STE即使在心脏整体功能尚可代偿时，也能反映心肌节段的异常运动和心功能的急性期变化，为早期评估严重创伤后心脏受损及严重程度提供了一种便捷、准确的检查手段。

4 小结

2D-STE通过对心肌组织的斑点回声进行追踪，可辅助理解心肌的（病理）生理改变及机械变形。将这一技术应用于兔模型中，通过应变、应变率等参数的变化，对比传统超声心动图，同时结合实验室检查及病理所见，可以得出，2D-STE不仅可以评价心肌整体及局部的变形功能，还能在一些特定疾病的亚临床期或左心功能存在细微变化时，早期、敏感、准确地反映心功能的变化，为临床提供更有价值的信息，应用前景广阔。

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（收稿日期：2019-09-11  本文编辑：张瑜杰）