床旁超声分区计数识别进行性气胸张力生理的血流动力学变化及侧别差异：一项巴马小型猪模型研究

Hemodynamic changes and side-dependent differences in tension physiology during progressive pneumothorax identified by point-of-care ultrasound: A Bama miniature pig model study

摘要

背景 在部分血流动力学稳定的创伤性气胸患者中，传统生命体征对病情进展的早期指示作用有限，亟需可用于床旁动态监测的量化评估方法。 目的 在标准化进行性气胸动物模型中评估床旁超声(point-of-care ultrasound，POCUS)六分区计数对张力生理状态的识别能力，并比较左右侧胸腔在压力负荷耐受及血流动力学代偿方面的差异。 方法 选取32只成年巴马小型猪，随机分为左侧气胸组(n=16)与右侧气胸组(n=16)在全身麻醉及机械通气条件下，于建模侧腋中线第6肋间穿刺置入双腔导管，实施阶梯式胸膜腔注气(每次60 mL，间歇2 min)。连续监测心输出量、平均动脉压及胸膜腔内压。每阶段由盲态操作者执行标准化六分区床旁超声检查。以心输出量较基线下降≥50%且仍可监测到动脉波形定义为张力生理的操作性终点。采用Pearson相关分析评估超声受累分区数与心输出量的关系，ROC曲线确定POCUS识别张力生理的最佳分区阈值。 结果 随胸膜腔内压阶梯式升高，心输出量呈进行性下降，而平均动脉压下降低相对滞后。超声受累分区数与心输出量呈显著负相关(P＜0.001)。ROC曲线分析显示，受累分区≥4个时识别张力生理的效能最佳(AUC=0.961)。在阶梯式升高胸膜腔内压力过程中，右侧气胸组达到张力生理终点所需的胸膜腔内压显著低于左侧组(P＜0.001)。 结论 六分区POCUS计数可作为进行性气胸过程中提示循环抑制风险上升的床旁半定量指标，左右侧气胸在到达张力生理状态时胸膜腔内压存在显著差异，临床动态评估中应纳入受累侧别因素，提高病情进展监测的准确性。

Abstract

Background In some hemodynamically stable patients with traumatic pneumothorax, conventional vital signs may have limited sensitivity in detecting early disease progression. Quantitative bedside indicators capable of dynamic monitoring are therefore needed. Objective To evaluate the diagnostic performance of a six-zone point-of-care ultrasound (POCUS) counting method in identifying tension physiology in a standardized progressive pneumothorax animal model, and to compare pressure tolerance and hemodynamic compensation between left- and right-sided pneumothorax. Methods Thirty-two healthy adult Bama miniature pigs (body weight 45 - 50 kg) were randomly assigned to left-sided (n=16) or right-sided pneumothorax groups (n=16). Under general anesthesia and mechanical ventilation, a double-lumen catheter was inserted via the sixth intercostal space at the mid-axillary line for stepwise intrapleural air insufflation (60 mL per step, 2-min interval). Cardiac output (CO), mean arterial pressure (MAP), and intrapleural pressure (IPP) were continuously monitored. Standardized six-zone POCUS examinations were performed by blinded operators at each stage. Tension physiology was operationally defined as a ≥50% reduction in CO from baseline with preservation of an arterial waveform. Pearson correlation analysis was used to assess the relationship between the number of ultrasound-involved zones and CO, and receiver operating characteristic (ROC) curve analysis was performed to determine the optimal zone threshold for identifying tension physiology. Results CO declined progressively with increasing IPP, whereas MAP reduction occurred relatively later. The number of involved zones detected by POCUS was significantly negatively correlated with CO (P＜0.001). ROC analysis demonstrated that ≥4 involved zones provided the best diagnostic performance (AUC=0.961). The right-sided group required significantly lower IPP to reach the tension physiology endpoint compared with the left-sided group (P＜0.001). Conclusion Six-zone POCUS counting may serve as a bedside semi-quantitative indicator of increasing risk of circulatory compromise during progressive pneumothorax. There is a significant side-related difference in intrapleural pressure upon reaching the tension physiology endpoint, suggesting that the affected side should be incorporated into clinical assessment to improve the accuracy of disease progression monitoring.

Graphical abstract

关键词

气胸 / 床旁超声检查 / 血流动力学 / 疾病模型，动物 / 心输出量

Key words

pneumothorax / ultrasonography / point-of-care / hemodynamics / models / animal / cardiac output

近年来，创伤救治理念逐渐由单一终末指标判断转向早期生理功能变化的动态评估^[1]。张力性气胸是胸部创伤中具有潜在致命风险的并发症。针对部分血流动力学稳定、小量或隐匿性气胸患者，临床逐步采用严密监测下的保守观察策略，以减少不必要置管相关的医源性风险，但其实施前提在于能够及时识别病情进展^[2-3]。现有监测主要依赖心率和动脉血压，但既往研究表明，在气胸进展早期，心输出量下降可先于血压变化出现，单纯依赖血压可能低估循环功能受损程度^[4-8]。同时，左右侧气胸在压力耐受方面的差异尚缺乏充分的定量证据^[9]。

床旁超声(point-of-care ultrasound，POCUS)已广泛用于创伤评估^[10-12]。但其在动态量化气胸范围并关联血流动力学变化方面仍缺乏标准化方法^[13-17]。因此，本研究通过构建标准化进行性气胸猪模型，评估胸部六分区POCUS的受累分区计数对气胸进展及循环功能变化的监测价值，并比较左右侧在达到相同循环终点时的压力负荷差异。

1 材料与方法

1.1 实验动物与分组

选取健康成年巴马小型猪32只，体质量45 ~ 50 kg。实验前所有动物均在实验动物中心进行适应性饲养不少于7 d，饲养环境为标准屏障环境，室温20 ~ 25℃，相对湿度40% ~ 60%，采用12 h明暗交替光照制度。动物给予标准实验动物饲料，自由摄食与饮水。实验当日禁食12 h、禁水4 h。本研究通过实验动物福利委员会批准(编号：KBSC21-2409-04)。

采用随机数字表法将动物分为左侧(16只)和右侧(16只)进行性气胸组。通过阶梯式注气建立进行性气胸模型，并于不同注气阶段重复测量血流动力学指标，以评估超声分区计数与循环功能变化之间的关系。

1.2 血流动力学监测

经股动脉置入PiCCO导管，持续记录心输出量(cardiac output，CO)，平均动脉压(mean arterial pressure，MAP)、心率(heart rate，HR)及每搏量变异度(stroke volume variation，SVV)；经颈内静脉置入中心静脉导管以监测中心静脉压(central venous pressure，CVP)。上述参数由多参数监护系统随时采集并储存，供后续分析使用。

1.3 进行性气胸建模及阶梯式压力负荷测试

在全身麻醉与机械通气条件下建立阶梯式注气模型^[4,16]。在超声实时引导下，从建模侧腋中线第6肋间经由胸壁实施穿刺，并放置双腔导管，其中一个腔室连接压力传感器，以持续监测胸膜腔压力(intrapleural pressure，IPP)；另一腔室连接注气装置，向胸膜腔内定量注入空气(图1A)。

实验过程分为基线期与注气期。(1)基线期是指在未注气的情况下记录CO、MAP等生命体征，执行一次标准的六分区POCUS扫描作为基线数据。(2)注气期采用“注气—短暂停顿—采集”阶梯式流程，通过注射器向胸膜腔分次缓慢注入空气，每次60 mL。每完成一次注气后暂停约2 min，使IPP和血流动力学参数趋于稳定。在稳定阶段持续记录IPP，CO，MAP等相关指标，完成一次六分区POCUS扫描，而后转入下一级。重复上述步骤，阶梯负荷逐级推进，每只动物根据循环反应完成多次注气操作，直至达到预定目标或出现安全终止条件。

为保证动物安全并避免不可逆循环事件，当存在严重循环衰竭(即MAP＜40 mmHg)或者发生心搏骤停时，立即停止注气并终止实验。按照预先制定的救治步骤做紧急处理(包含减压和复苏等)，还要做好相关的观察与记录工作。

1.4 六分区POCUS扫描与判读

采用标准化床旁超声六分区法对患侧胸壁进行扫描^[11-12,17]。以腋前线与腋中线为界，将同侧胸壁分为前区、侧区、后区；再以乳头连线近似水平将每一区分为上、下两层，共6个分区(图1B)。在基线期及每一阶梯注气结束后的稳定阶段完成一次六分区扫描，并记录每个分区的超声表现。每个分区按照二分类的方式记录是否出现气胸征象(图2)，即肺滑动消失以及/或者肺点征。两个具备创伤胸部超声经验的超声医师各自独立判断并记录出现气胸征象的分区数量，范围为0 ~ 6分，在判断过程中，两位观察者并不知晓分组情况(左右侧)，也不参考血流动力学参数(IPP、CO、MAP等)。

1.5 终点与定义

本研究以“张力生理”定义为终点指标，含义为CO较基线下降≥50%，且仍可见动脉波形^[4]，此终点体现循环代偿已接近极限，但尚未达到心搏停止状态，利于在不可逆转事件出现之前确定一个可重现的观测点。

安全终止标准及其应对程序已在1.3节叙述。

1.6 统计学分析

采用R 4.3.2软件进行统计分析。连续变量符合正态分布以x±s表示。重复测量数据采用线性混合效应模型分析POCUS受累分区数与CO、MAP的关系，动物个体作为随机效应纳入模型。两位超声医师对分区层面气胸征象的二分类判定结果采用Cohen's κ系数评估一致性，受累分区计数总分采用双向随机、绝对一致性的组内相关系数ICC(2，1)评估。ROC曲线评估POCUS受累分区数与IPP对张力生理的识别效能。由于每只动物在阶梯式注气过程中贡献多个时间点的配对观测，传统ROC分析独立性假设不成立，故采用以动物个体为聚类单位的bootstrap重抽样法(B=1 000)估算AUC，最佳截断值依据Youden指数确定。所有检验均为双侧检验，P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 实验动物建模情况

32只巴马小型猪左右侧组各16只。两组在体重及基线CO、MAP等指标方面差异均无统计学意义(P均＞0.05)。

每只动物平均完成8 ~ 12次阶梯注气，总注气量为480 ~ 720 mL。各动物均在逐步增加的压力负荷下达到预设主要终点，未发生非计划性循环崩溃事件。

2.2 生命体征及POCUS受累分区数的变化

在阶梯式注气过程中，IPP在早期负荷阶段升高较为平缓，随阶梯推进升高速率逐渐加快，直至进入主要终点压力范围(图3)。CO呈持续下降趋势。MAP在注气早期阶段变化不明显，直至CO接近主要终点时出现下降。基线与主要终点血流动力学参数比较结果见表1，终点时CO、MAP、HR、CVP及SVV均较基线发生显著变化(P＜0.001)。POCUS受累分区数随注气阶梯增加而逐步增多。线性混合效应模型分析显示，受累分区数与CO之间存在显著相关性(P＜0.001)。

2.3 POCUS分区计数与IPP对张力生理的识别

ROC分析表明，POCUS受累分区数可用来识别是否达到张力生理，其AUC为0.961，且显著优于IPP的识别能力(AUC=0.862)。根据Youden指数，POCUS受累分区最佳截断值为4。

对该截断值进行分层分析，当受累分区＜4时，多数观测点未达到张力生理状态；当受累分区≥4时，达到张力生理的比例明显增加(图4)。

2.4 张力生理状态下IPP的侧别差异

在到达张力生理时，右侧气胸组的IPP低于左侧组(5.62±0.42 mmHg vs 8.40±0.40 mmHg，P＜0.001)。随注气过程推进，胸部X线显示患侧肺受压萎陷，并伴纵隔向健侧移位(图5)。

3 讨论

目前，对于部分血流动力学稳定的创伤性气胸患者，临床上可在严密监测条件下选择保守观察，从而减少不必要的胸腔置管相关并发症^[20-23]。这一策略的关键并不在于是否观察，而在于如何在观察过程中识别病情是否仍处于可代偿范围。既往研究反复提示，在气胸进展早期，心输出量可能已经下降，而动脉血压和心率仍可维持在相对稳定水平，单纯依赖常规生命体征，可能难以及时反映循环功能的早期受损^[6-7,24]。基于此，本研究在标准化进行性气胸动物模型中证实，床旁超声六分区计数与心输出量下降之间存在稳定的定量关联，受累分区≥4个时对张力生理状态具有极佳的识别效能(AUC=0.961)。右侧气胸在显著低于左侧的压力负荷下即可达到相同循环终点，提示左右侧胸腔对进行性气胸的代偿耐受存在差异。上述发现为创伤性气胸观察期的动态监测提供了一种可重复的半定量评估手段，并提示临床评估中需将受累侧别纳入风险分层。

在阶梯式注气推进过程中，心输出量呈现出提前且相对连贯的下降趋势，而平均动脉压的变化相对滞后，往往在接近主要终点时才明显下降。这一结果提示，在当前模型条件下，低血压更可能是一种较晚期的表现形式。参考既往大型动物研究中对循环衰竭前期状态的处理思路，本研究将“心输出量较基线下降≥50%且仍保留动脉波形”作为操作性终点，用以界定循环代偿已明显受限但尚未进入不可逆阶段的时间点^[4]。该终点并非用于重新定义张力性气胸，而是为不同床旁指标在代偿临界阶段的表现提供一个相对稳定、可重复的比较参照。

在上述终点定义框架下，POCUS分区计数表现出较好的稳定性。随着气胸范围的逐步扩大，受累分区数量持续增加，并与心输出量变化呈现出明确关联^[25]。ROC分析结果显示，受累分区≥4可作为区分是否达到主要终点的合适阈值。需要强调的是，该阈值更宜被理解为一种风险提示信号，提示气胸范围已发展至可能伴随明显循环抑制的阶段，而不应被机械化地视为单一干预触发标准^[26]。通气方式、胸壁顺应性以及合并伤情况，均可能影响影像学表现与血流动力学变化之间的对应关系，因此该指标在临床应用中仍需结合具体情境加以解读。

本研究还观察到明显的侧别差异，即在达到相同主要终点时，右侧气胸所需的胸膜腔压力低于左侧。结合既往解剖学研究，右侧胸腔邻近主要静脉回流通路，其压力负荷变化可能更易影响回心血量，从而在较低压力水平下产生相似程度的心输出量下降^[27]。本研究并未直接测量腔静脉塌陷或回流量变化，因此上述解释仍属于推测层面，但这一结果提示，在动态观察和风险评估过程中，将左右侧气胸一概而论可能存在一定局限，侧别因素值得被单独考虑^[28]。

本研究亦存在一定局限。其一，所采用的是高可控性的单因素模型，未涵盖肺挫伤、连枷胸或失血性休克等常见并发损伤，因此分区计数阈值在复杂多发伤场景中的适用性仍需进一步验证^[29]。其二，实验在麻醉和机械通气条件下进行，麻醉状态及正压通气可能影响胸腔顺应性和循环代偿模式，并对心输出量和平均动脉压的绝对数值产生影响。尽管左右侧组采用了相同的实验方案，使侧别比较仍具有可比性，但本研究所得结果更适用于插管通气或重症监测环境下的生理警报，对于清醒且自主呼吸患者的外推应持谨慎态度，后续可在不同通气方式及复合伤模型中进一步检验分区阈值和侧别差异的稳定性。

综上所述，在标准化进行性气胸动物模型中，POCUS分区计数与心输出量下降之间存在稳定关联，其中≥4/6分区可用于识别循环代偿已明显受限的阶段；同时，右侧胸腔在较低压力负荷下即可达到相同循环终点，提示存在侧别耐受差异。这些结果为气胸代偿期“监测盲区”提供了一种可重复的床旁量化观察手段，也为其在不同临床场景中的应用边界提供了实验依据。

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基金资助

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