二維斑點追蹤超聲心動圖在實驗動物兔中的應用進展

畢亮亮 韓若凌 焦子義

[摘要] 二維斑點追蹤技術通過對心肌組織的斑點回聲進行追蹤，可獲得心肌整體及局部變形參數。與其他小型嚙齒動物比較，兔的心臟在結構及功能的評價中具有相對優勢。其中以缺血性心臟病兔模型應用最廣泛，其他領域，如高血壓性心室肥厚、甲亢性心肌病以及高膽固醇血癥、感染、創傷等致心肌功能改變方面也有一定研究。本文就二維斑點追蹤技術原理、兔模型的優缺點及斑點追蹤在兔模型中的應用情況作一綜述，為臨床前的預實驗研究提供參考。

[關鍵詞] 二維斑點追蹤;超聲心動圖;兔;左心室收縮功能

[中圖分類號] R445.1 ? ? ? ? ?[文獻標識碼] A ? ? ? ? ?[文章編號] 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

超聲心動圖技術的發展為臨床評估心功能提供了準確、無創的技術保證。其中，二維斑點追蹤超聲心動圖（two dimensional speckle tracking echocardiography，2D-STE）是近年來發展起來的一項新的定量分析技術。因其不存在角度依賴性、不受周圍室壁組織牽拉等影響，更有助于理解心肌生理及機械變形[1]。動物模型對于心血管疾病的研究是必不可少的。與其他小型嚙齒動物相比，兔的心臟體積及質量較大，且與人類心臟功能更為相似，因而近年來，兔模型廣泛應用于心臟結構及功能的研究中?，F對2D-STE的技術原理及在實驗動物兔中的應用進展綜述如下：

1 二維斑點追蹤超聲心動圖技術

灰階圖像中，小于入射超聲波波長的細小結構會產生散射現象，這些散射體即回聲斑點。它們均等地分散在心肌組織內并緊隨心肌運動。對于每個心肌區域，該斑點是唯一的，且相對位置穩定。斑點追蹤成像軟件系統能夠識別這些回聲斑點，在心動周期中，實時跟蹤其在每一幀圖像中的位置并計算出運動軌跡，從而獲得位移曲線，生成各項參數，獲取心肌變形的信息，稱為斑點追蹤技術。

應變是指當物體受力后而發生的形態學改變。心肌應變是指心肌隨著心臟的舒縮運動而發生的形態變化。心肌應變率是指心肌發生變形的速度，是心肌運動在超聲束方向上的速度梯度。應變率通過時間積分即為應變值。2D-STE既可以追蹤心肌長軸（縱向）方向的運動，也可以追蹤短軸方向上的徑向和圓周運動，從而獲得心肌局部和整體的應變與應變率[2]?？v向應變是相對于心尖的側向位移，徑向應變是短軸方向心肌厚度的變化，圓周應變則是從橫斷面觀察心肌的順時針或逆時針旋轉。目前，歐洲和美國超聲心動圖協會指南已經認可應變超聲心動圖在評估心肌性能方面的重要價值[3]。

2 兔模型的選擇及注意事項

與其他物種比較，兔的心臟在形態、功能、分子組成、生理特征和肌纖維的螺旋形構建等方面與人類的心臟更為相似[4]，尤其是冠狀動脈清晰且分布較為固定。但動物實驗普遍存在的瓶頸是：對清醒狀態下的動物行超聲心動圖檢查，操作難度很大;而應用麻醉劑又可能會干擾心功能的評估。為了克服這一矛盾，Sara等[5]對兔模型進行超聲心動圖測量時采用了面罩式吸入異氟烷淺鎮靜的麻醉方式，結果提示：實驗兔平均心率與沒有任何藥物影響下的生理心率相近;且兔的左室射血分數和右室面積變化率與正常人類數值相似;應用超聲心動圖深入評估兔的心臟結構和功能是可行的。

檢查當日，兔子應禁食4～6 h，以減少腹脹對圖像的干擾。通常采取左側臥位的檢查體位。連接心電圖導聯。待兔子進入安靜呼吸狀態后行超聲心動圖檢查，動作輕柔。檢查時間最好控制在20 min以內[5]。心內膜的清晰完整顯示是2D-STE獲取準確數據的前提。心內膜邊界可通過軟件確認和視覺評估的方法來確定適當的追蹤。因透聲窗差、家兔呼吸心率過快、混響偽影等因素導致的圖像質量不佳，將會妨礙應變分析。如果在3次人工校正后仍無法實現適當的追蹤，則圖像應被排除在外;當≥2個節段被排除時，整個數據集應被排除在應變分析之外[5]。

雖然兔模型在心血管疾病中的應用已得到肯定，但也存在一定的局限性。一方面，兔的胸部近似球形，心臟在胸腔內的位置、方向與人類存在一些差別，兔的心尖更向后、向左，心底更向前，使圖像采集變得復雜，尤其是心尖的標準切面較胸骨旁切面不易獲得。有研究指出[5]，兔模型中，心尖切面和由此測得的縱向應變較胸骨旁切面測得的圓周應變及徑向應變的可行性稍低。另一方面，家兔心率快，為了可靠地捕獲峰值變形速度，就需要對超聲儀器及探頭做出合理選擇。推薦使用帶有嚙齒動物模式的心臟專用電子相控陣探頭，頻率10～12 MHz，二維幀頻>100 fps，以獲得可靠的應變數據，避免取樣不足[6]。

3 2D-STE在兔模型中的應用

3.1 對缺血性心臟病模型的診斷作用

正常情況下，心肌由最外層的心外膜下肌纖維、中層肌纖維和最內層的心內膜下肌纖維構成。心內膜下肌纖維收縮引起縱向縮短，而心外膜下肌纖維收縮引起圓周方向縮短，各個方向的收縮均可引起徑向增厚。心肌功能異常根據累及的心肌層不同分為心內膜下、透壁性和心外膜下心肌功能異常。

3.1.1 缺血再灌注模型 ?急性心肌梗死后，早期開通閉塞的冠狀動脈是恢復心肌供血的最常用方法，然而缺血再灌注損傷（reperfusion injury，RI）是影響再灌注效果的因素之一。藥物后適應（pharmacological postconditioning，P-Post）是目前比較實用且有效減輕RI的方法[7]。P-Post是指某些藥物通過模擬機體自身內源性保護物質而對缺血再灌注的心肌產生保護作用[8]。姜中慧等[9]對阻斷的兔冠狀動脈左室支于再灌注后5 min內緩慢靜推三磷酸腺苷制作藥物后適應動物模型，對比病理學檢查結果，研究發現：二維斑點追蹤多層分析技術可準確評價再灌注后不同時間點各層心肌的應變功能變化;且心內膜應變較心外膜更加敏感，提示了心肌缺血或梗死不均勻分布的特征，與van Horssen等[10]研究結果一致。

3.1.2 冬眠心肌模型 ?所謂“心肌冬眠”現象是指心肌在長期低血流灌注下，通過自身調節機制、降低氧耗，以維持正常能量代謝、避免壞死的一種適應性下調，當血供恢復后，心肌功能可延遲恢復正常的現象。但當血流動力學變化及應激反應造成灌注-代謝-功能失衡時，冬眠的心肌最終將演變為壞死心肌。因此，早期正確識別冬眠心肌對于冠心病治療方案的制訂意義重大。鐘慧穎等[11]通過不全結扎兔冠狀動脈左前降支建立冬眠心肌動物模型，應用2D-STE比較腺苷負荷超聲心動圖（adenosine stress echocardiography，ASE）與多巴酚丁胺負荷超聲心動圖（dobutamine stress echocardiography，DSE）在識別冬眠心肌中的應用價值。研究發現藥物負荷由低濃度到高濃度滴注時，其應變能力由增強變為明顯減弱，此“雙向反應”是提示冬眠心肌的可靠指征;2D-STE結合ASE或DSE大大提高了檢測冬眠心肌的敏感性和特異性。

3.1.3 心肌梗死模型 ?通過結扎兔左冠狀動脈前降支誘導心肌梗死模型。多項研究表明[12-15]，左室縱向、徑向及圓周應變對判斷早期心肌梗死及梗死部位的靈敏度、特異度均較高，明顯優于傳統指標，且與病理結果相一致;此外，左室各壁旋轉度的變化還可用來跟蹤急性心肌梗死后左室的重塑過程;另外，急性心肌梗死后，左心室功能異常的同時，左心房的功能也會發生改變，借助2D-STE還可評估左心房的三大機械應變功能（即儲器功能、通道功能和輔泵功能）的改變情況，具有重要的臨床價值[16]。

3.1.4 心肌梗死并室壁瘤模型 ?通過結扎兔冠狀動脈左前降支及左回旋支制作心肌梗死并室壁瘤形成模型。研究顯示[17]，室壁瘤形成后，二維應變指標左室心尖部旋轉角度顯著減少，其對左室收縮功能的惡化起著至關重要的作用。此外，室壁瘤形成后，左室前壁、側壁徑向及周向收縮期峰值應變率均明顯降低，這些指標與實時三維超聲測得的左室射血分數高度相關[18]，說明2D-STE對于心肌梗死后并發室壁瘤形成后左室整體功能的評估具有較高的靈敏性和特異性。

3.2 評價心衰模型的心肌應變表現

心力衰竭包括收縮性心力衰竭（systolic heart failure，SHF）和舒張性心力衰竭（diastolic heart failure，DHF），二者的鑒別診斷主要依靠超聲心動圖對心功能的評估。對兔腹主動脈行縮窄術，根據縮窄的部位及縮窄率分別建立舒張性和收縮性心力衰竭模型。借助2D-STE對左室扭轉及解旋運動的定量測定，結果發現，DHF兔的左室扭轉較正常對照組無顯著變化，反而略有升高趨勢，考慮這可能與心外膜下心肌病變相對較輕和左室構型為向心性肥厚有關，而SHF兔由于左室心腔的擴大和顯微鏡下觀察到的心肌纖維斷裂導致了左室扭轉的減低;對于左室解旋運動，解旋速度峰值是評估SHF兔左室舒張功能的有價值指標，因此2D-STE有助于判斷左室的射血和充盈特點[19]。

3.3 對高膽固醇血癥模型心功能的評價

Liu等[20]通過高脂飲食飼喂來制作高膽固醇血癥兔模型，利用2D-STE探討高膽固醇血癥與心肌功能的關系。研究表明，高膽固醇血癥組與正常對照組兔的左室形態、射血分數均無顯著差異，但較正常對照組左室縱向應變明顯減少，且與血清總膽固醇、低密度脂蛋白膽固醇和心肌膽固醇水平呈顯著負相關;此外，心肌縱向功能障礙是首先出現的，其次是周向應變，這表明縱向應變在亞臨床期左室收縮功能評估中的重要價值;但有趣的是，左室徑向應變卻明顯增加，一種可能的解釋是心肌外半部肌纖維走向的重新排列有助于心外膜纖維的“跨壁補償”[20]。

3.4 高血壓模型的心肌應變表現

目前，人們已經認識到，常規超聲心動圖在評估高血壓對心肌功能影響方面存在很大的局限性。而2D-STE的應用可為臨床提供更多有價值的參考。通過腹主動脈縮窄術建立的高血壓性左心室肥厚（left ventricular hypertrophy，LVH）兔模型研究發現：LVH組，反映心內膜下狀態的左室縱向應變減低最早出現也最顯著[21]，考慮這可能與心內膜下心肌承受的應力最大，最易發生心肌缺血、微血管功能障礙以及心肌纖維化等改變有關[22];此外，LVH組左室的扭轉運動增強，而研究中常規收縮功能參數沒有發生任何改變，這也支持了當前的觀點：左室泵功能主要由中層和心外膜下心肌決定[23]，扭轉的增強可用來補償長軸方向的收縮功能減低，有助于維持正常的射血分數。

3.5 評價甲亢性心肌病模型心功能異常

甲亢性心肌病是甲狀腺功能亢進癥最常見的并發癥之一。畢文君等[24]通過腹腔注射左旋甲狀腺素建立甲亢兔動物模型，又進一步依據超聲參數分為向心性肥厚（concentric hypertrophy，CH）和離心性肥厚（eccentric hypertrophy，EH）兩個亞組。研究發現：CH亞組LVEF未見明顯減低，而2D-STE測得的徑向應變和周向應變均減低，且這一改變得到了病理結果的證實：該組心肌纖維明顯增大，膠原纖維大量增生;EH亞組徑向應變及周向應變降低更為明顯，出現了更為嚴重的心肌細胞空泡變性和肌束中斷等現象。因此，2D-STE能夠早期、準確地評價兔甲亢性心肌病不同左室構型心肌收縮功能的改變，并且同病理變化程度基本一致，是監測甲亢性心肌病的有效手段之一。

3.6 對感染、創傷模型心功能的評價

經兔的耳緣靜脈注射內毒素構建膿毒血癥動物模型[25]，通過檢測2D-STE指標并對照心肌病理標本，發現：左室整體縱向應變和圓周應變能更加敏感地判定左室心肌收縮功能的改變，且與血清心肌損傷標志物肌鈣蛋白T的濃度呈現良好的負相關。

將實驗動物兔置于特定的半封閉爆破環境中，采用瞬發電雷管爆炸方式制作胸部爆震傷兔模型[26]，結果發現：2D-STE即使在心臟整體功能尚可代償時，也能反映心肌節段的異常運動和心功能的急性期變化，為早期評估嚴重創傷后心臟受損及嚴重程度提供了一種便捷、準確的檢查手段。

4 小結

2D-STE通過對心肌組織的斑點回聲進行追蹤，可輔助理解心肌的（病理）生理改變及機械變形。將這一技術應用于兔模型中，通過應變、應變率等參數的變化，對比傳統超聲心動圖，同時結合實驗室檢查及病理所見，可以得出，2D-STE不僅可以評價心肌整體及局部的變形功能，還能在一些特定疾病的亞臨床期或左心功能存在細微變化時，早期、敏感、準確地反映心功能的變化，為臨床提供更有價值的信息，應用前景廣闊。

[參考文獻]

[1] ?Collier P，Phelan D，Klein A. A Test in context：Myocardial strain measured by speckle-tracking echocardiography [J]. J Am Coll Cardiol，2017，69（8）：1043-1056.

[2] ?Smiseth OA，Torp H，Opdahl A，et al. Myocardical strain imaging：How useful is it in clinical decision making？ [J]. Eur Heart J，2016，37（15）：1196-1207.

[3] ?Lang RM，Badano LP，Mor-Avi V，et al. Recommendations for cardiac chamber quantification by echocardiography in adults：an update from the American Society of Echocardiography and the European Association of Cardiovascular Imaging [J]. Eur Heart J Cardiovasc Imaging，2015，16（3）：233-270.

[4] ?Santos A，Fernandez-Friera L，Villalba M，et al. Cardiovascular imaging：what have we learned from animal models？ [J]. Front Pharmacol，2015，6：227.

[5] ?Sara RR，Guido P，Wei H，et al. Comprehensive echocardiographic assessment of biventricular function in the rabbit，animal model in cardiovascular research：feasibility and normal values [J]. Int J Cardiovasc Imaging，2018，34（3）：367-375.

[6] ?Negoita M，Zolgharni M，Dadkho E，et al. Frame rate required for speckle tracking echocardiography：a quantitative clinical study with open-source，vendor-independent software [J]. Int J Cardiol，2016，218：31-36.

[7] ?沈燁渠，沈渠深，張秋子.心肌缺血后適應藥物治療進展[J].中國藥房，2014，25（2）：159-161.

[8] ?楊宏宇，姜中慧，李克婷，等.超聲負荷分層應變評價不同缺血時間兔心肌存活性及收縮功能變化[J].中華超聲影像學雜志，2019，28（6）：538-543.

[9] ?姜中慧，李克婷，田家瑋，等.斑點追蹤成像多層分析技術評價兔心肌缺血藥物后適應模型左心室縱向心肌功能變化[J].中華超聲影像學雜志，2017，26（1）：65-69.

[10] ?van Horssen P，van den Wijngaard JP，Brandt MJ，et al. Perfusion territories subtended by penetrating coronary arteries increase in size and decrease in number toward the subendocardium [J]. Am J Physiol Heart Circ Physiol，2014，306（4）：H496-H504.

[11] ?鐘慧穎，李金國，鐘玲.腺苷負荷超聲心動圖結合斑點追蹤成像技術檢測兔缺血心肌的研究[J].中國醫藥導報，2013，10（2）：15-17.

[12] ?楊宏宇，田家瑋.超聲斑點追蹤成像多層分析技術結合負荷心肌聲學造影評價兔心肌梗死及心肌存活的價值[J].中國循環雜志，2017，32（z1）：203.

[13] ?周盟，武俊，馮園博，等.二維斑點追蹤技術評價兔急、慢性心肌梗死心肌圓周應變[J].中國臨床醫學影像雜志，2017，28（6）：420-424.

[14] ?孫月，楊道玲，王禹雪，等.超聲心動圖常規及新技術評價兔心肌梗死模型[J].中國超聲醫學雜志，2016，32（7）：648-651.

[15] ?Huang J，Yan ZN，Fan L，et al. Left ventricular longitudinal function assessment in rabbits after acute occlusion of left anterior descending coronary artery by two-dimensional speckle tracking imaging [J]. BMC Cardiovascular Disorders，2017，17（1）：219.

[16] ?宋香廷，顏紫寧，范莉，等.二維斑點追蹤技術評價兔急性心肌缺血早期左心房功能改變[J].臨床超聲醫學雜志，2013，15（1）：5-8.

[17] ?翟虹，穆玉明，王春梅，等.兔室壁瘤形成過程心肌力學演變特點的斑點追蹤顯像研究[J].中國現代醫學雜志，2015，25（6）：8-13.

[18] ?Zhai H，Mu YM，Guan LN，et al. The value of aneurysm volume and myocardial strain rate for evaluating cardiac function of ischemia-related left ventricular aneurysm in a rabbit model using real time three-dimensional echocardiographic imaging combined with speckle tracking imaging [J]. Echocardiography，2013，30（7）：837-842.

[19] ?李楠，靳忠民，任衛東，等.斑點追蹤成像評估心力衰竭兔左心室扭轉和解旋[J].中華超聲影像學雜志，2011， 20（3）：253-257.

[20] ?Liu LY，Mu YM，Han W，et al. Association of hypercholesterolemia and cardiac function evaluated by speckle tracking echocardiography in a rabbit model [J]. Lipids Health Dis，2014，13：128.

[21] ?裴曉黎，左武旭，方曉燕，等.二維斑點追蹤技術評價高血壓兔模型的左心室收縮期應變[J].中國臨床醫學，2017，24（6）：900-903.

[22] ?Beyhoff N，Brix S，Betz IR，et al. Application of speckle-tracking echocardiography in an experimental model of isolated subendocardial damage [J]. J Am Soc Echocardiogr，2017，30（12）：1239-1250.e2.

[23] ?Ishizu T，Seo Y，Kameda Y，et al. Left ventricular strain and transmural distribution of structural remodeling in hypertensive heart disease [J]. Hypertension，2014，63（3）：500-506.

[24] ?畢文君，禮廣森，王亞娟，等.超聲斑點追蹤成像技術評價甲狀腺功能亢進性心肌病兔不同左室構型心肌收縮功能的變化[J].中國超聲醫學雜志，2012，28（4）：297-310.

[25] ?李陶.二維斑點追蹤技術評價膿毒血癥兔模型左心室收縮功能[C]//2012年十一屆全國超聲心動圖學術會議暨新技術國際研討會論文集，2012：99-100.

[26] ?曾欣，鄧旦，梁詩敏，等.超聲斑點追蹤技術評估兔胸部爆震傷后急性期左心功能[J].中國醫學影像技術，2018， 34（1）：10-14.

（收稿日期：2019-09-11 ?本文編輯：張瑜杰）