离体 猪肺力学研究与教学的实验模型

我们提出了一个 离体 猪肺模型，用于演示肺力学和肺泡复张操作，用于教学目的。肺可以使用超过一天（最多五天），肺力学变量的变化很小。

机械通气被广泛使用，需要特定的知识来理解和管理。由于培训和教学方法不足，该领域的卫生专业人员可能会感到不安全和缺乏知识。因此，本文的目的是概述生成离 体 猪肺模型所涉及的步骤，以供将来使用，以研究和教授肺力学。为了生成模型，按照动物研究伦理委员会的指导方针，小心翼翼地从胸部取出五个猪肺，并通过气管插管连接到机械呼吸机。然后对这些肺进行肺泡复张操作。在此过程中记录了呼吸力学参数，并使用摄像机获取肺部视频。这个过程连续重复了五天。不使用时，肺保持冷藏。该模型每天在肺泡复张操作后显示出不同的肺力学;不受日子的影响，只受机动的影响。因此，我们得出结论， 离体 肺模型可以更好地了解肺力学及其影响，甚至可以通过过程各个阶段的视觉反馈来更好地理解肺泡复张操作。

机械通气 （MV） 广泛用于重症监护病房 （ICU） 和外科中心。其监测对于帮助识别不同步和预防所有患者的损伤至关重要，尤其是当患者有严重的肺损伤^时 1,2,3,4,5,6。监测呼吸力学还有助于临床了解疾病进展和治疗应用，例如使用呼气末正压通气 （PEEP） 或肺泡复张操作 （ARM）。然而，使用这些技术需要熟练了解曲线和基本的肺力学 ^3,4。

学生、住院医师和医疗专业人员对 MV 管理感到不安全，从打开呼吸机和初始调整到监测平台和驾驶压力，这种不安全感与缺乏知识和足够的先前培训有关 7,8,9,10。我们观察到，参与模拟并使用肺模型的专业人员报告了更高的信心、对参数的理解以及对肺力学组成部分的理解 ^8,11,12。

用于研究和训练具有测试肺、波纹管和活塞的MV的模型可以模拟不同的压力和体积，以及不同的肺力学条件13,14,15。计算和软件模型还通过生成可用于向卫生专业人员教授 MV¹¹ 原理的模拟来促进心肺相互作用的研究^16,17。

虽然计算模型在表示肺滞后¹⁶ 方面可能存在困难，但具有测试肺和波纹管^13、14、15的模型可以产生类似于生理曲线的压力-容积曲线并显示肺动力学。作为一个优点， 离体 猪肺呈现出与人类相似的解剖结构¹⁸，还产生MV曲线，肺滞后，并在肺力学分析期间提供亚克力盒内肺的视觉反馈。可视化模型很重要，可以帮助理解难以想象的组件和概念。因此， 离体 肺模型代表了一种实用的教学方式。

对离体猪肺的研究，例如在正负压下对MV的研究19,20,21，气溶胶分布分析^22,23，儿科模拟²⁴和肺灌注²⁵可以提高对MV的了解。最近分析正压和负压模型的研究表明，与负压相比，正压通气可导致突然募集，局部变形更大、膨胀更大、滞后曲线差异和可能的组织损伤 19,20,21。然而，正压模型是必要的，因为患者在 MV^{压力 19、20、21} 期间处于正压之下。用于临床前研究的肺模型的开发为新的研究和应用提供了可能性，包括 MV 教学和培训。

在这里，我们提出了一个用于研究和训练目的 的离体 猪肺模型。我们的主要目的是描述在正压MV下生成这种 离体 猪肺模型的步骤。将来可以用它来研究和教授肺力学。

该协议已获得我们机构动物研究伦理委员会的批准（协议编号 1610/2021）。

1.麻醉和动物准备

1. 最初，将动物放在秤上并检查体重以调整手术所需的药物和镇静剂。
2. 肌肉注射氯胺酮 5 mg/kg 和咪达唑仑 0.25 mg/kg。
3. 用 20 G 静脉导管刺穿边缘耳静脉，静脉注射异丙酚 （5 mg/kg） 进行麻醉诱导。
4. 静脉注射 3 mL 肝素进入边缘耳静脉，以协助心肺提取和灌注。
5. 麻醉后，使用 6.5 mm 口气管插管 （OTC） 进行口气管插管，并用胶带固定 OTC，使其牢固固定以避免在手术过程中移位。
   注意:通过监测血流动力学参数和使用气体分析仪来检查镇静深度，例如平均动脉压、心率和吸入/呼出的异氟醚浓度。

2.术中机械通气

1. 通过OTC将动物连接到MV，在吸入氧分数（FiO₂）的50%下用1.5%异氟醚和芬太尼10mcg / kg推注+ 10mcg / kg / h连续输注保持镇静。
   1. 点击机械呼吸机屏幕并选择容量控制通气 （VCV） 模式，选择潮气量 （TV） 按钮，然后转动滚轮，直到潮气量值对应于 8 mL/kg。
   2. 点击机械呼吸机屏幕。选择 FiO₂ 并转动滚轮，直到达到 50% 的值。
   3. 点击机械呼吸机屏幕并选择呼吸频率 （RR）。转动轮子，直到达到理想值，以保持通过与机械呼吸机耦合的二氧化碳图测量的 35-45 mmHg 的末期 CO₂ 。
      注意:通过监测血流动力学参数并使用气体分析仪（例如平均动脉压、心率和吸入/呼出的异氟醚浓度）来检查镇静深度。

3. 组织解剖和OTC交换

1. 从胸骨上方 2 cm 到胸骨剑突下方 2 cm 处做一个胸骨内侧切口，以进入胸腔。放置肋骨牵开器，在手术过程中扩大视野。
2. 使用手术刀在环状软骨的高度（仅在第一个气管环处）做一个水平气管切口，宽度足以引入新的气管插管。
3. 给气道内的 OTC 袖带放气，然后慢慢拉动以将其取下。同时，在移除旧的OTC后，将新的OTC插入气管中的切口中。由于袖带放气，可能会发生泄漏，在重新定位新的 OTC 时停止。
4. 通过将 20 mL 注射器连接到先导球囊，给新插入的气管插管袖带充气。注射器在压力下输送空气，并为先导球囊和袖带充气。袖带充气后，取出注射器。
5. 用 2-0 聚酯将新的气管插管直接绑在气管上，以防止渗漏和移动，同时将肺放入有机玻璃通气箱中。
6. 用手术刀解剖组织，从胸部取出心肺器官。

4.动物安乐死

1. 将异氟醚浓度增至 5%，并施用 10 mL 19.1% 氯化钾。随后，检查生命体征是否缺失。
   注意:此程序是根据美国国立卫生研究院实验动物护理和使用指南执行的。

5.心肺抽吸

1. 安乐死后，解剖呼吸韧带以切除肺部。
2. 组织解剖后，在吸气结束时用适当的凯利镊子夹住 OTC，保持肺部充气。
3. 断开 OTC 与机械呼吸机的连接，但保持夹紧。
4. 切开主动脉，将抽吸器放置在胸腔内以去除外渗的血液，在完成解剖的同时保持腔的可见性，并将要从胸腔中取出的器官释放出来。
   注意:应小心松开下肺韧带，以避免肺部撕裂伤。
5. 用 OTC 夹住胸腔取出心脏和肺，不要将它们分开，然后将它们放在托盘上。

6.心肺准备

1. 将肺放在托盘上，用大口径单腔导管插管肺动脉，并将其连接到输液装置，以连续给予 2,000 mL 冷 0.9% 盐水溶液 （SS） 或直到清澈的液体从主动脉流出。
   注意:SS应以正常速率给药，避免挤压静脉注射（IV）袋。
2. 清除流量后，用 2-0 聚酯缝合主动脉，再施用 100 mL 0.9% SS。 关闭单腔导管出口，因为液体将保留在内部直到实验结束。
3. 松开 OTC，注意肺部会放气并保持关闭，准备接受 MV 和 ARM。

7. 亚克力盒内的 MV

1. 准备好后，打开亚克力盒，将肺垂直放置在盒内。将OTC穿过盖子上的孔，并将气管插管连接到机械呼吸机。
   注意: 确保气管插管牢固地固定在气管中。
2. 选择" 开始通风 "按钮。
   1. 点击机械呼吸机屏幕，然后选择用于 VCV 的机械呼吸机。
   2. 点击 VCV 模式设置屏幕，然后选择 电视 按钮，转动滚轮直到达到 6 mL/kg 的值。执行相同的操作，将 PEEP 调整为 5 cm H₂O， 将 FiO₂ 调整为 21%， 将 RR 调整为每分钟 15 次呼吸，将吸气暂停时间调整为 10%。

8. 手臂

1. 要开始招募，请将 PEEP 从 5 cm H₂O 增加到 6 cm H₂O，然后以 2 cm H₂O 的逐步增量增加，直到达到 14 cm H₂O.PEEP 使用屏幕上显示的 PEEP 值下方的屏幕按钮增加。转动轮子以增加值。
   1. 对于每个 PEEP，记下机械呼吸机屏幕上显示的峰值压力、平台压、动态顺应性和气道阻力值。记下驱动压力，即平台压力值减去当时调整的PEEP值。
2. 达到 14 cm H₂O 后，逐步减少 PEEP，递减 2 cm H₂O，直到达到 6 cm H₂O，然后将其减少到 5 cm H₂O。转动滚轮以减小该值。
   1. 对于每个 PEEP，记下机械呼吸机屏幕上显示的峰值压力、平台压、动态顺应性和气道阻力值。记下驱动压力，即平台压力值减去当时调整的PEEP值。
      注意:在递增过程中将每个 PEEP 值保持 10 分钟，在递减过程中每步保持 5 分钟。

9. 心肺维持

1. 在复张阶段结束时，在吸气过程中用夹子轻轻夹住气管插管，保持肺部充气。打开亚克力盒。
2. 从亚克力盒中取出肺，小心地将它们放入玻璃容器中。
   注意: 确保气管插管牢固地固定在气管中。
3. 倒入 500 mL 0.9% SS。
4. 将其存放在冰箱中，在塑料包装的玻璃容器中，温度为2至8°C24小时。
5. 连续五天重复步骤 7、8 和 9。

图1:研究流程图。 请点击这里查看此图的较大版本.

我们使用了五头体重在23.4-26.9公斤之间的母猪，并按照所述方案进行心肺提取和肺力学分析。我们的目的是，该模型通过分析直接从机械呼吸机屏幕收集的峰值压力、平台压、阻力、驱动压力和动态顺应性变量，可用于肺力学研究。模型流程图如 图1所示。

连续五天对肺部进行分析，重复方案第 7.2、8.1、8.2、9.1、9.2 和 9.3 项中描述的整个过程。我们试图展示肺变量在募集前后的表现，并验证离 体 肺模型在既定时期的持久性。

在ARM前后<所有变量均存在显著差异（p 0.05）。操作后峰值压力、平台压（图2）和驱动压力（图3）降低（p = 0.0005），而动态顺应性（p = 0.0007）增加（图4），表明肺泡塌陷和肺面积增加。募集后耐药性（图5）也增加（p = 0.0348）。没有一个变量受到当天的显着影响。

基于这些结果，我们表明该模型在通过ARM展示视觉肺力学变化（图6）以及研究和教授肺力学（图7）方面是有效的。此外，我们展示了该模型可以至少连续使用五天。由于我们没有在此期限之后评估模型，因此我们无法确认肺模型的最终耐久性。

图 2:压力。 （A） 峰值压力。在五个肺中，ARM 前 Ppeak 范围为 21 ± 3.2 至 23 ± 2.3 cmH₂O，而 ARM 后 Ppeak 范围为 9 ± 0.6 至 12.6 ± 1.4 cmH2O。采用双因素方差分析统计分析计算p值0.0005，认为p值显著。（B） 平台压力。ARM 前 Pplateau 范围为 21 ± 3.2 至 22 ± 2.3 cmH₂O，而 ARM 后 Pplateau 范围在 8.8 ± 0.4 和 11.6 ± 1.6 cmH2O 之间。采用双因素方差分析统计分析计算p值0.0005，认为p值显著。 请点击这里查看此图的较大版本.

图 3:驱动压力。 在五个肺中，ARM前驱动压力范围为16±3.2至17±2.3 cmH₂O，而ARM后驱动压力范围在3.8±0.4至6.6±1.6 cmH₂O之间。采用双因素方差分析统计分析计算p值0.0005，认为p值显著。 请点击这里查看此图的较大版本.

图 4:动态合规性。 ARM Dynamic 前的顺应性范围为 9.1 ± 1.2 至 10.2 ± 2.6 mL/cmH₂O，而 ARM Dynamic 后的顺应性范围为 23.6 ± 3.5 至 43.8 ± 11.3 mL/cmH₂O。采用双因素方差分析统计分析计算p值0.0007，认为p值显著。 请点击这里查看此图的较大版本.

图 5:电阻。 在五个肺中，ARM 前阻力范围为 1.4 ± 1.0 至 7 ± 3.2 cmH₂O/L/seg，而 ARM 后阻力范围在 2.4 ± 0.4 和 6.6 ± 5.1 cmH₂O/L/seg 之间。采用双因素方差分析统计分析计算p值0.0348，认为p值显著。 请点击这里查看此图的较大版本.

图6:肺模型。 （A） PEEP 为 5 cm 的肺。 （B） PEEP 为 6 cm 的肺。 （C） PEEP 为 8 cm 的肺。 （D） PEEP 为 10 cm 的肺。 （E） PEEP 为 12 cm 的肺。 （F） PEEP 为 14 cm 的肺。 请点击这里查看此图的较大版本.

图7.机械通气图。请点击这里查看此图的较大版本.

所描述的方案可用于在正压MV下生产 离体 猪肺模型。它可用于研究和教授肺力学，在募集过程中通过肺部的视觉反馈以及分析投影在设备屏幕上的曲线和值。为了达到这一结果，需要进行试点研究，以了解肺在肋骨外的行为，并确定适应的必要性。

我们发现关键点是在连接机械呼吸机时在胸膜中形成气泡、瘘管和病变，以及吸入和呼气电视之间的差异以及体积曲线的变化。因此，最早的方案修改之一是使用胸腔的宽手术开口，在解剖心肺器官期间在手术开始时切开膈肌，这可以改善结构的可视化，并有助于小心释放下肺韧带，保持肺的完整性。此外，在解剖结构后对先导肺进行手动充气表明，这种充气超过了压力极限，并有助于水泡和瘘管的形成。一些使用离体肺的研究提出了使用纤维蛋白胶进行渗漏的可能性，并取得了积极的结果;虽然我们在研究中没有使用这种方法，但它可能是改进模型^26,27 的替代方案。另一个相关点是，在初步研究中，肺部被切除并完全放气，从器官准备到MV启动，使它们完全塌陷，这使得肺部难以向MV开放，并增加了瘘管形成的可能性。因此，我们开始夹住 OTC，并在解剖过程中保持肺部充气，直到施用 SS。之后，释放OTC，放气，并将肺连接到机械呼吸机以启动ARM，并进行肺力学分析以证明肺滞后曲线。这并不影响肺复张或肺力学分析，因为即使在 MV^{28、29、30、31} 期间，麻醉患者也有肺不张和肺顺应性降低。

在初步研究中，使用了 5 cm H₂O 的初始 PEEP，并以 5 cm H₂O 的增量增加到 25 cm H₂O^32,33。然而，峰值和平台压力分别达到大于 40 和 30 cm H₂O 的值，并形成瘘管。因此，以 2 cm H₂O 增量逐渐增加，以更好地分析压力随时间的变化行为，并了解我们的离体肺模型中的 PEEP 限制。持续充气和增量充气在死亡率上没有差异，但增量充气是最常用的，可以促进肺力学的逐步分析³⁴。至于负压^20,21的使用，该模型仅在正压下进行测试，因为MV上的患者受到正压。我们不排除将来使用负压，但这需要更换亚克力外壳。

文献介绍了一些用测试肺、活塞和离体模型^13,14 生产的模型，这些模型被放置在模拟胸腔的密封盒中。我们的模型被放置在一个传统的亚克力盒子中，尽管减少了施加负压的可能性，但可以促进模型的生产。为临床前研究¹⁸ 生产的另一个模型与我们的模型相似，但肺水平定位，而我们的肺保持垂直，在没有器官和胸腔支持的情况下接受重力作用。这些肺在安乐死后 48 小时内的实验中使用 18,19,20,21,35。我们的模型总共使用了120 h，在实验的24 h期间保持在2-8°C的温度下，显示了代表性结果部分中描述的阳性结果。

教学和培训方面的差距在第一时间没有得到解决，但该模型对于分析肺力学是有效的，可以用作研究和教学的工具。此外，我们的目的不是研究灌注溶液，而是以与我们在步骤6.1中注入SS相同的方式，可以使用灌注和保存溶液，为使用相同模型的研究开辟了新的可能性。

这种技术有一些局限性:1）动物解剖学知识，以确保肺部被正确切除;2）模型未被评估超过五天;3）该模型似乎适用于教学通风，但尚未在教学环境中进行测试;4）它是一种动物模型，因此重要的是要考虑其在人类中的适用性局限性。

作者声明没有利益冲突。

我们感谢所有为构建该 离体 猪肺模型方案做出贡献和支持的同事和专业人士。

这项研究没有资金来源。