3 .0 TMRI評價早期COPD引起的右心改變的實(shí)驗(yàn)研究

楊智，付兵，李春平，陳天武，李睿，楊帆，鄧丹，楊大興

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3 .0 TMRI評價早期COPD引起的右心改變的實(shí)驗(yàn)研究

楊智，付兵，李春平，陳天武，李睿，楊帆，鄧丹，楊大興

【摘要】目的：探討3 .0 TMRI對慢性阻塞性肺疾病（COPD）繼發(fā)心臟功能及形態(tài)學(xué)改變的評估作用。方法：使用15頭健康中國小型豬，采用木瓜蛋白酶及胰蛋白酶建立早期COPD動物模型，自建模開始第0、5、10、15、20周行心臟MRI掃描，測量并分析心臟功能參數(shù)及各形態(tài)學(xué)指標(biāo)在疾病發(fā)展過程中的變化規(guī)律；同期進(jìn)行肺功能測量，采用Spearman相關(guān)分析法分析肺功能各指標(biāo)與心臟形態(tài)學(xué)、功能參數(shù)的相關(guān)性。結(jié)果：在早期COPD的病程中，舒張末期右心室肌質(zhì)量、右心室與左心室肌質(zhì)量比均增大，造模組各周舒張末期右心室肌質(zhì)量、右心室與左心室肌質(zhì)量比與造模前均存在顯著差異（P均= 0 .001）；右室舒張末期容積隨疾病進(jìn)展而逐漸減少，但僅造模前與造模后第20周差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P= 0 .000）；右室射血分?jǐn)?shù)（RVEF）在造模第20周末與造模前差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P= 0 .001）；舒張末期右心室肌質(zhì)量與呼氣氣道阻力（Re）、吸氣氣道阻力（Ri）、功能殘氣量（FRC）、肺總量（TLC）均相關(guān)（r = 0 .422、0 .381、0 .360、0 .262，P均＜0 .05）；舒張末期右心室與左心室肌質(zhì)量比與Re、Ri、FRC、TLC均相關(guān)（r = 0 .401、0 .350、0 .357、0 .283，P均＜0 .05）；右室舒張末容積與Ri、FRC、TLC均呈負(fù)相關(guān)（r = - 0 .343、- 0 .343、- 0 .259，P均＜0 .05）。結(jié)論：MRI可評估早期COPD引起的心臟功能及形態(tài)改變，右室舒張末期容積及舒張末期右心室與左心室肌質(zhì)量比是重要的評估指標(biāo)。

【關(guān)鍵詞】磁共振成像；心臟；肺疾病，慢性阻塞性；疾病模型，動物

作者單位：611130 成都，成都市第五人民醫(yī)院放射科（楊智、付兵、楊大興）；637000 四川，川北醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院放射科（李春平、陳天武、李睿、楊帆）；637000 四川，南充市中心醫(yī)院放射科（鄧丹）

在中國，40歲及以上的人群中，慢性阻塞性肺疾?。╟hronic obstructive pulm onary diseases，COPD）發(fā)病率達(dá)8 .2 %［1］。肺功能檢查是目前診斷COPD的金標(biāo)準(zhǔn)，同時可評估當(dāng)前肺疾病的嚴(yán)重程度；然而，肺功能檢查卻不能反映COPD患者右心及肺循環(huán)的病變嚴(yán)重程度。常規(guī)影像學(xué)檢查，如X線、CT檢查可評估COPD的嚴(yán)重性［2］，而心臟MRI（cardiac magneticresonance imaging，CMRI），是一種無創(chuàng)性、無電離輻射的成像方法，相對于心臟超聲、心導(dǎo)管等檢查方法能較好地反映右心室功能及形態(tài)的改變［3］。本研究采用3 .0 T高場強(qiáng)MRI來評估由早期COPD引起的小型豬心臟功能及形態(tài)學(xué)改變，并探討舒張末期右心室肌質(zhì)量、右心室與左心室肌質(zhì)量比、右心室容積與早期COPD患者肺功能之間的關(guān)系。

材料與方法

1.實(shí)驗(yàn)動物

中國小型豬15頭（由川北醫(yī)學(xué)院動物實(shí)驗(yàn)中心提供），其中雄性10頭，雌性5頭；月齡8～9月，體重（25±5）kg。

2.實(shí)驗(yàn)方法

COPD動物模型制作：用木瓜蛋白酶（Papain，sig ma，USA）聯(lián)合胰蛋白酶（Elastase，sig ma，USA）建立早期COPD模型［4］。具體方案如下：麻醉動物后，行氣管插管，測定肺功能，在支氣管內(nèi)注入木瓜蛋白酶6 U／kg，3 d后再次注入胰蛋白酶300 U／kg，以上造模計(jì)劃每周一次，并持續(xù)造模至第20周，以此建立小型豬早期COPD模型。

肺功能及MRI實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備：檢查前24 h進(jìn)流質(zhì)飲食，前12 h禁食，前4 h禁水。首先于耳后肌肉內(nèi)注射鹽酸氯氨酮20 m g／kg行麻醉前誘導(dǎo)；然后用20 G留置針行小型豬耳緣靜脈穿刺建立靜脈通道，并將鹽酸氯胺酮與安定以30：1（鹽酸氯胺酮600 m g，安定20 m g）混于500 m L生理鹽水中進(jìn)行靜脈滴注（流率為85滴／min［5］），以進(jìn)行全麻及降低實(shí)驗(yàn)動物的呼吸頻率及深度，使之維持在呼吸深度均勻、節(jié)律整齊的陳-斯呼吸狀態(tài)；同時在行CMRI檢查期間，間斷使用安定平穩(wěn)心率，使其脈博在65～85次／min。

肺功能檢查及參數(shù)測量：分別于造模前0周，造模后5、10、15及20周末行肺功能測定，測定參數(shù)包括：肺總量（total lung capacity，TLC）、功能殘氣量（functional residual capacity，F(xiàn)RC）、吸氣氣道阻力（inspiratory airway resistance，Ri）、呼氣氣道阻力（expiratory airway resistance，Re）。

CMRI檢查的設(shè)備及相關(guān)技術(shù)：采用3 .0 T高場強(qiáng)MRI掃描儀（Discovery MR750，USA），32通道腹部相控陣線圈，應(yīng)用呼吸門控、前瞻性心電向量門控，矢量心電圖（vector electrocardiogra m，VCG）放置方法：3個電極片放置在胸骨左緣第2、4肋間隙和肋弓下緣，另一電極放置在左鎖骨中線外第5肋間隙，左鎖骨中線第2肋間隙電極與肋弓下緣電極配對成A組，余下兩枚電極配對成B組，連線根部相同顏色對應(yīng)放置A、B組。

CMRI定位像掃描：采用頭先進(jìn)，心臟標(biāo)準(zhǔn)定位步驟如圖1［6］：①在標(biāo)準(zhǔn)橫軸面上，經(jīng)過心尖平行于室間隔定位單斜左室長軸面；②在單斜左室長軸面上，于心尖與二尖瓣連線中點(diǎn)獲得四腔心層面；③在四腔心層面上，垂直于心尖和二尖瓣的連線定位獲得兩腔心標(biāo)準(zhǔn)短軸面。

成像序列及參數(shù)：采用快速自由穩(wěn)態(tài)平衡進(jìn)動序列（fast imaging em ploying steady-state acquisition，F(xiàn)IESTA），呼吸導(dǎo)航回波觸發(fā)，TR3 .0 ms，TE1 .5 ms，翻轉(zhuǎn)角20°，視野30 m m×30 m m，矩陣256× 256，激勵次數(shù)1，帶寬83 .33 k Hz，層厚8 m m，層間距0 m m；約采集7～8層，每層約20個期相。

圖像評估：由兩位有經(jīng)驗(yàn)的心血管MRI診斷醫(yī)師對心臟定位圖像進(jìn)行主觀評估，評判指標(biāo)：0級，無法進(jìn)行心臟功能及形態(tài)評估；Ⅰ級較差；Ⅱ級較好；Ⅲ級很好。兩位醫(yī)師均行盲法共同觀察分析，評判為Ⅱ或Ⅲ級者納入分析，0或Ⅰ級將重新進(jìn)行CMRI掃描，以獲得Ⅱ或Ⅲ級質(zhì)量圖像進(jìn)行分析。

測量指標(biāo)：采用美國心臟病學(xué)會（AHA）2002年心臟標(biāo)準(zhǔn)平面命名方式［7］，將獲得的CMRI圖像應(yīng)用seg ment軟件進(jìn)行后處理及分析。測量指標(biāo)如下：室間隔厚度、肺動脈主干管徑、舒張末期左、右心室肌質(zhì)量、右心室與左心室肌質(zhì)量比、右室舒張末容積、左室射血分?jǐn)?shù)（left ventricular ejection fraction，LVEF）及右室射血分?jǐn)?shù)（right ventricular ejection fraction， RVEF）。

表1　造模各階段TLC、FRC、Ri、Re變化規(guī)律

表2　造模前后心臟形態(tài)學(xué)參數(shù)的變化

表3　造模各階段心臟功能參數(shù)的變化

3 .統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS16 .0統(tǒng)計(jì)軟件包，計(jì)量資料以（x±s）表示。室間隔厚度、肺動脈主干管徑、舒張末期左、右心室肌質(zhì)量、右心室與左心室肌質(zhì)量比、右室舒張末容積、LVEF、RVEF均符合正態(tài)分布或近似正態(tài)分布，用可重復(fù)測量數(shù)據(jù)的方差分析法比較上述指標(biāo)的差異性，P＜0 .01認(rèn)為統(tǒng)計(jì)學(xué)差異顯著；采用Spearman相關(guān)分析法分析肺功能各指標(biāo)與心臟形態(tài)學(xué)、功能參數(shù)的相關(guān)性，P＜0 .05認(rèn)為具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

結(jié) 果

1 .實(shí)驗(yàn)動物COPD模型的建立

實(shí)驗(yàn)動物造模后，5周末死亡2頭，11周末死亡2頭，16周末死亡1頭，20周末完成實(shí)驗(yàn)后死亡4頭；其中4頭死于急性肺部感染，5頭在造模中死亡。在造模開始后第0、5、10、15及20周，存活豬平均體重分別為（27 .0±1 .31）、（28 .1±2 .41）、（28 .0±2 .45）、（29 .3±2 .81）及（29 .5±1 .78）kg，存活豬在造模過程中體重未見明顯增加（P＞0 .05）。于造模第5周，實(shí)驗(yàn)動物夜間出現(xiàn)咳嗽、咯痰癥狀，并進(jìn)行性加重，部分動物除上述癥狀之外還出現(xiàn)流涕、進(jìn)食量減少等癥狀；對實(shí)驗(yàn)過程中死亡的實(shí)驗(yàn)動物肺組織進(jìn)行病理檢查發(fā)現(xiàn)：肺組織內(nèi)肺泡壁變薄，肺泡腔擴(kuò)大，部分肺泡融合。

2 .早期COPD模型下肺功能及心臟結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律

在早期COPD持續(xù)造模階段，肺功能參數(shù)TLC、FRC、Ri、Re見表1；代表COPD呼吸性受限嚴(yán)重程度的Re明顯上升（圖2），且在造模各階段間存在明顯差異（P= 0 .000）。于造模開始后第0、5、10、15、20周測得的舒張末期左、右心室肌質(zhì)量、右心室與左心室肌質(zhì)量比、室間隔厚度、肺動脈主干管徑見表2；造模組各周舒張末期右心室肌質(zhì)量、右心室與左心室肌質(zhì)量比與造模前相比均存在顯著差異（P均= 0 .001）；室間隔厚度、舒張末期左心室肌質(zhì)量、肺動脈主干管徑于造模前及造模中各組之間均無明顯差異（P均＞0 .01）。

3 .早期COPD模型下心臟功能的變化規(guī)律

將實(shí)驗(yàn)動物兩腔心短軸電影圖像（圖3）導(dǎo)入segment軟件中獲得肺部正常、早期COPD不同時期右室舒張末容積、LVEF、RVEF（表3）。RVEF在造模第20周末與造模前差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P= 0 .001）；右室舒張末容積逐漸縮?。▓D4），造模前與造模后第5、10、15周末差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P均＞0 .01），但與造模第20周末差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P= 0 .000）。

表4　肺功能各指標(biāo)與心臟結(jié)構(gòu)、功能指標(biāo)的相關(guān)性

4肺功能各指標(biāo)與舒張末期右心室肌質(zhì)量、右心室與左心室質(zhì)量比及右室舒張末容積間的相關(guān)性

從肺部正常進(jìn)展到早期COPD持續(xù)病程中，舒張末期右心室肌質(zhì)量與Re、Ri、FRC、TLC均呈正相關(guān)（r依次為0 .422、0 .381、0 .360、0 .262，P均＜0 .05）；舒張末期右心室與左心室肌質(zhì)量比與Re、Ri、FRC、TLC均呈正相關(guān)（r依次為0 .401、0 .350、0 .357、0 .283，P均＜0 .05）；右室舒張末容積與Ri、FRC、TLC均呈負(fù)相關(guān)（r依次為- 0 .343、- 0 .343、- 0 .259，P均＜0 .05），與Re無相關(guān)性（r = 0 .208，P＞0 .05，表4）。

討 論

COPD是一種以不完全可逆的氣流受限為特征，并呈進(jìn)行性發(fā)展的肺部疾患。小氣道、肺實(shí)質(zhì)和肺血管的慢性炎癥是COPD的特征性病理變化［8］。長期的慢性缺氧可導(dǎo)致肺小血管的廣泛收縮，同時伴隨肺小血管內(nèi)膜的增厚及多發(fā)性肺小動脈原位血栓形成，引起肺動脈高壓及肺循環(huán)的結(jié)構(gòu)重組，最終導(dǎo)致慢性肺源性心臟病及右心衰竭。早期發(fā)現(xiàn)肺循環(huán)的結(jié)構(gòu)性改變對于早期檢測、治療COPD繼發(fā)心臟改變有著非常重要的意義。臨床上采用心臟超聲長期檢測肺循環(huán)結(jié)構(gòu)及功能改變，但其較難發(fā)現(xiàn)早期COPD所致右心結(jié)構(gòu)及功能改變，且還具有較低的準(zhǔn)確性等缺點(diǎn)；CT及心導(dǎo)管造影分別因其電離輻射及有創(chuàng)性限制各自在臨床上的廣泛應(yīng)用。CMRI因其無輻射性及心臟“一站式”成像已被臨床廣泛認(rèn)同，彌補(bǔ)了上述影像學(xué)檢查對COPD患者早期肺循環(huán)評價的不足。

采用動物作為研究對象可克服不能對COPD早期右心功能及結(jié)構(gòu)改變進(jìn)行連續(xù)性觀察等局限性。本實(shí)驗(yàn)采用中國小型豬作為實(shí)驗(yàn)對象，對早期COPD引起的右心功能及結(jié)構(gòu)改變進(jìn)行探討和評估。

1早期COPD模型的建立

現(xiàn)今最常見的COPD模型為吸煙肺氣腫模型、炎癥機(jī)制肺氣腫模型、氧化應(yīng)激肺氣腫模型、蛋白酶／抗蛋白酶肺氣腫模型等。本實(shí)驗(yàn)采用胰蛋白酶聯(lián)合木瓜蛋白酶聯(lián)合誘發(fā)COPD肺氣腫模型。胰蛋白酶聯(lián)合木瓜蛋白酶是最早、最廣泛用于誘導(dǎo)肺氣腫的化學(xué)物質(zhì)，其機(jī)理是胰蛋白酶及木瓜蛋白酶破壞肺組織及氣道內(nèi)的蛋白酶與抗蛋白酶之間的平衡，從而形成COPD的肺氣腫改變［9］。胰蛋白酶及木瓜蛋白酶聯(lián)合長期、反復(fù)損傷肺實(shí)質(zhì)，可加速肺氣腫的形成，從而縮短造模時間。早期COPD即0級（高危）及Ⅰ級COPD患者。0級（高危）：具有患COPD危險因素（如長期吸煙者、常處于污染空氣者及有家族病史者）、肺功能正常、有慢性咳嗽、咯痰癥狀。Ⅰ級（輕度）：用力呼氣容積≥80 %預(yù)計(jì)值且用力呼氣容積／用力肺活量＜70 %，有或無慢性咳嗽、咯痰癥狀［10］。本實(shí)驗(yàn)于造模第5周實(shí)驗(yàn)動物出現(xiàn)夜間咳嗽、咯痰癥狀，并呈進(jìn)行性加重，符合早期COPD。

2早期COPD模型進(jìn)展?fàn)顟B(tài)下右心結(jié)構(gòu)及功能的變化規(guī)律

CMRI評價右心室-肺循環(huán)最常見指標(biāo)為右室擴(kuò)大程度、三尖瓣運(yùn)動幅度降低、右心室肌肥厚、室間隔展平或矛盾運(yùn)動、右心室形狀改變、主肺動脈管徑、右室射血分?jǐn)?shù)及右室收縮末容積等［11，12］。COPD患者在肺循環(huán)障礙下，右心后負(fù)荷增加，導(dǎo)致心肌重構(gòu)，隨著后負(fù)荷的持續(xù)增加，進(jìn)而發(fā)展成肺心?。?3］。早期COPD進(jìn)展期，由于肺動脈壓力的輕度增加或不增加，導(dǎo)致心臟收縮功能完全能代償后負(fù)荷的增加，故早期COPD合并肺氣腫患者的心室擴(kuò)大、三尖瓣的運(yùn)動幅度、動脈主干管徑擴(kuò)大等改變均不明顯，而右室肌質(zhì)量增加明顯，這與Pattyna ma等［14］的結(jié)論相同。本研究發(fā)現(xiàn)：實(shí)驗(yàn)動物從肺部正常到早期COPD階段，室間隔厚度、肺動脈主干內(nèi)徑、舒張末期左心室肌質(zhì)量、LVEF未見明顯變化，而RVEF在造模第20周末與造模前相比差異明顯（P= 0 .001）；舒張末期右心室肌質(zhì)量、右室與左室肌質(zhì)量比變化明顯，且造模各階段與造模前差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。舒張末期右心室肌質(zhì)量增加與早期COPD患者右室心肌重塑有關(guān)，這說明右室長期、持續(xù)的負(fù)荷增大，導(dǎo)致右室心肌代償性肥厚以維持右室心肌收縮射血功能，但隨著心室容積的逐步縮小，右心射血功能會降低。目前的研究認(rèn)為，大部分早期COPD患者的RVEF早期相對正常，直到中晚期右室失代償才出現(xiàn)明顯下降［15，16］。舒張末期右心室容積降低，說明早期COPD患者心肌肥厚是以右室舒張末期容量減小為代價的，同時心室肌質(zhì)量增加最終會導(dǎo)致右心功能的降低。

3.早期COPD模型肺功能與右心結(jié)構(gòu)、功能的相關(guān)性

本實(shí)驗(yàn)造模持續(xù)期，實(shí)驗(yàn)動物的呼吸阻力明顯增加，肺功能明顯損傷。從肺功能正常到受損的不同階段，舒張末期右心室肌質(zhì)量、右室與左室肌質(zhì)量比及右室舒張末期容積變化明顯。舒張末期右心室肌質(zhì)量增加及舒張末期右心室容積縮小原因基于以下幾點(diǎn)：COPD常常導(dǎo)致肺小血管床的減少、肺小血管血栓形成，肺動脈壓力進(jìn)行性增加，進(jìn)而導(dǎo)致右心室后負(fù)荷增加，右心室肌繼發(fā)性肥厚，心肌質(zhì)量增加；此外，肺功能受損常常會伴隨缺氧，缺氧會進(jìn)一步導(dǎo)致肺動脈壓力增高及肺血管的重構(gòu)，導(dǎo)致右心負(fù)荷進(jìn)一步增加［17］。上述研究結(jié)果與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性；同時本實(shí)驗(yàn)研究也發(fā)現(xiàn)，舒張末期右心室肌質(zhì)量、右室左室肌質(zhì)量比及右心室舒張末容積與肺功能參數(shù)具有相關(guān)性。因此，對早期COPD繼發(fā)心臟改變的隨訪和評估，舒張末期右心室肌質(zhì)量、左右心室肌質(zhì)量比及右心室容積改變可作為重要參考指標(biāo)。

本研究認(rèn)為木瓜蛋白酶聯(lián)合胰蛋白酶制作小型豬COPD模型簡單可控，將有助于CMRI對COPD繼發(fā)的心臟結(jié)構(gòu)及功能的評價。

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Evaluation of the changes of right heart secondary to early COPDwith 3 .0TMRI：an experimental study

YANGZhi，F(xiàn)UBing，LIChun-ping，et al.Department of Radiology，Chengdu Fifth People's Hospital，Chengdu 611130，P.R.China

【Abstract】Objective：To explore the 3 .0 TMRIevaluation of the changes of cardiac function and ventricle m orphology secondary to early COPD.Methods：Fifteen piglets were prospectively used to m odel early COPDby injecting papain and elastase into the pigs .On the 0th，5th，10th，15th and 20th weekends after the construction of the m odeling，all piglets were examined by MRI.The cardiac structure was measured and function parameters were statistically analyzed to find out rules in the course of develop ment of the disease .Results：In the course of early COPD，end-diastolic right ventricular m yocardial mass and the ratio of end-diastolic right ventricular m yocardial mass to end-diastolic left ventricular m yocardial mass both increased，and there were significant differences of these changes between normal lung and that in the 0th、5th、10th、15th、20th weeks（all P= 0 .001）.During the early COPD，right ventricular end-diastolic volu me gradually decreased，and there were significant differences between the normallung and that after the 20th week（P= 0 .000），and in the right ventricular ejection fraction there were also significant differences between the normallung and that after the 20th week（P= 0 .001）. In the course of early COPD，right ventricular end-diastolic m yocardial mass was correlated with expiratory airway resistance（Re），inspiratory airway resistance（Ri），functional residual capacity（FRC），and total lung capacity（TLC）（r = 0 .422，0 .381，0 .360，0 .262，respectively；all P＜0 .05）；and the ratio of right ventricular m yocardial mass to left ventricular m yocardial mass was correlated with expiratory airway resistance，inspiratory airway resistance，functionalresidual capacity，and totallung capacity（r = 0 .401，0 .350，0 .357，0 .283，respectively；all P＜0 .05）；and right ventricular end-diastolic volu me was negatively correlated with inspiratory airway resistance，functional residual capacity，and total lung capacity（r = - 0 .343，- 0 .343，- 0 .259，respectively；all P＜0 .05）.Conclusion：MRIcan be used to assess cardiac function and m orphology changes in early COPD，and the right ventricular end-diastolic volu me，and the ratio of end-diastolic right ventricular m yocardial mass to end-diastolic left ventricular m yocardial mass have im portant value in assessing these changes .

【Key words】Magnetic resonance imaging；Heart；Pulm onary disease，chronic obstructive；Disease m odels，animal

收稿日期：（2015-06-30 修回日期：2015-09-24）

基金項(xiàng)目：四川省教育廳計(jì)劃項(xiàng)目（11ZA186）

通訊作者：李春平，E-mail：lichunping_1＠163 .co m

作者簡介：楊智（1987 -），男，四川達(dá)州人，碩士研究生，住院醫(yī)師，主要從事胸部影像學(xué)研究。

DOI：10 .13609／j.cnki.1000-0313 .2016 .02 .012

【中圖分類號】R563 .9；R445 .2；R- 332

【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【文章編號】1000-0313（2016）02-0145-06