돼지 모델에서 심박출량(Cardiac Prov) 측정

요약

열희석, 압력-부피 루프 카테터 및 조영제 심실조영술은 돼지의 실험실 환경에서 뇌졸중 용적 및 심박출량과 같은 심장 생리학을 결정하기 위한 신뢰할 수 있고 정확한 방법입니다.

초록

돼지는 인간의 심장 생리학이 유사하기 때문에 의학 연구에 자주 사용됩니다. 뇌졸중 용적(stroke volume) 및 심박출량(cardiac output)과 같은 심장 매개변수를 측정하는 것은 이러한 유형의 연구에서 필수적입니다. 조영제 심실조영영술, 열희석 및 압력-부피 루프(PV-loop) 카테터를 사용하여 사용 가능한 자원과 전문 지식에 따라 심장 성능 데이터를 정확하게 얻을 수 있습니다. 이 연구를 위해 5마리의 요크셔 돼지를 마취하고 삽관했습니다. 필요한 측정 기구를 배치하기 위해 중앙 정맥 및 동맥 접근을 얻었습니다. 온도 프로브를 대동맥 뿌리에 배치했습니다. 차가운 식염수 덩어리를 우심방으로 전달하고 온도 편향 곡선을 기록했습니다. 곡선 아래 영역의 통합으로 현재 심박출량을 계산할 수 있었습니다. 피그테일 카테터를 좌심실에 경피적으로 삽입하고 30mL의 요오드화 조영제를 2초에 걸쳐 주입했습니다. 디지털 감산 혈관 조영술 이미지를 체적 분석 소프트웨어에 업로드하여 스트로크 볼륨과 심박출량을 계산했습니다. 압력 용적 루프 카테터를 좌심실(LV)에 삽입하고 LV의 지속적인 압력 및 용적 데이터를 제공하여 뇌졸중 용적과 심박출량을 모두 계산할 수 있었습니다. 세 가지 방법 모두 서로 좋은 상관 관계를 보여주었습니다. PV-루프 카테터와 열희석은 3% 오차와 0.99의 Pearson 계수로 95% CI=0.97 - 1.1(p=0.002)로 가장 좋은 상관관계를 보였다. 심실조영술에 대한 PV-루프 카테터도 6% 오차와 Pearson 계수 0.95, 95% CI=0.96 - 1.1(p=0.01)로 양호한 상관관계를 보였다. 마지막으로, 심실조영술에 대한 열희석은 r=0.95, 95% CI=0.93 - 1.11, (p=0.01)로 2%의 오차를 보였다. 결론적으로, 우리는 PV-루프 카테터, 조영제 심실 조영술 및 열희석이 각각 연구자의 요구 사항에 따라 특정 이점을 제공한다고 말합니다. 각 방법은 뇌졸중 용적 및 심박출량과 같은 돼지의 다양한 심장 매개변수를 측정하는 데 신뢰할 수 있고 정확합니다.

서문

돼지는 인간과 유사한 생리학으로 인해 출혈 통제 및 소생술 연구에 자주 사용됩니다. 소생술 연구의 핵심은 중재에 대한 생리학적 반응을 평가하기 위한 지속적인 심박출량 모니터링입니다. 폐동맥(PA) 카테터와 맥박 윤곽 분석 기반 시스템과 같은 여러 임상 시스템이 존재한다¹. 또한 심장초음파검사(echo), 컴퓨터 단층촬영(CT) 및 자기공명영상(MRI)을 모두 사용하여 혈역학적 데이터를 캡처할 수 있습니다. 확장기 말기와 수축기 동안 얻은 이미지는 해당 심장 주기 동안 배출되는 혈액의 양을 결정하는 데 사용할 수 있습니다. 이러한 기법은 최소 침습적이지만, 이미징 시점에 획득한 데이터만 제시하고 지속적인 측정을 제공하지는 않습니다². 또한 작업자에 크게 의존하거나(ECHO) 고가의 고급 장비(CT 및 MRI)가 필요합니다. 다양한 실험실의 역량과 자원을 감안할 때 각 사례에서 심박출량을 최적으로 측정할 수 있는 다양한 대체 방법이 있습니다.

열희석(Thermodilution)은 임상 환경에서 Swan-Ganz 카테터를 사용하여 심박출량을 측정하는 일반적인 방법입니다³. 이 방법은 심박출량을 직접 측정하기 위해 돼지의 실험실 환경에서 재현할 수 있습니다. 조영제 심실조영술은 형광투시 기능을 쉽게 이용할 수 있는 경우 활용할 수도 있습니다⁴. 마지막으로, 압력-부피 루프 카테터는 심실 압력과 부피를 박동 단위로 직접 측정할 수 있는 수단을 제공하며 보다 미묘한 데이터를 생성할 수 있습니다⁵. 이 방법은 전기 어드미턴스와 Wei 방정식을 사용하여 챔버 부피를 측정합니다. 이전의 컨덕턴스 기반 카테터와 비교했을 때, 어드미턴스 카테터는 혈액과 심장 근육 사이의 병렬 전도 현상을 제거함으로써 반복적인 교정을 요구하지 않고 보다 정확한 측정을 생성한다⁶.

이 연구의 목적은 건강한 돼지 모델에서 심장 뇌졸중, 용적 및 배출량을 측정하는 측면에서 이 세 가지 방법의 정확성을 서로 비교하여 검증하는 것입니다. 궁극적으로 각 연구자는 연구 요구 사항과 사용 가능한 리소스에 따라 자신의 필요에 가장 적합한 접근 방식을 선택할 수 있습니다.

프로토콜

이 절차는 메릴랜드 대학교 볼티모어 기관 동물 관리 및 사용 위원회(승인 #0320017)의 승인을 받았으며 윤리적 동물 연구에 대한 미국 국립보건원(National Institutes of Health)의 지침을 준수했습니다. 체중이 50kg에서 70kg 사이인 성인 수컷 요크셔 돼지 5마리가 연구에 등록되었습니다. 이 연구는 디지털 데이터 수집 시스템과 페어링된 소프트웨어를 사용하여 모든 혈역학 및 온도 데이터를 기록했습니다. 돼지 모델에서 심장 매개변수를 측정하는 것은 준비, 열희석, 심실 조영술, PV 루프 카테터 삽입 및 마지막으로 안락사 단계로 구성되었습니다. 5마리의 동물 모두 3가지 심박출량 측정 프로토콜을 각각 받았습니다.

1. 동물 선택 및 수용

1. 체중이 50-70kg인 사춘기 수컷 요크셔 돼지(Sus Scrofa)를 사용하십시오.
2. 동물을 케이지에 수용하려면 건초, 짚 또는 소나무 부스러기와 같은 고탄소 침구가 있는 지역에서 최소 30제곱피트 면적을 차지합니다. 시술 전날 밤에 동물을 개별적으로 수용하십시오.
3. 기관 지침에 따라 새로운 동물에 대한 적응 기간을 허용합니다.
   참고: 이것은 일반적으로 대형 포유류의 경우 48-72시간입니다⁷.
4. 동물에게 표준 사료를 먹이고 실험 전날 밤까지 물을 무료로 제공합니다.
5. 기관내 삽관 중 흡인 위험을 최소화하기 위해 시술 전날 밤에 동물을 금식시킵니다.
6. 딱지, 긁힌 자국 또는 찰과상과 같은 부상 징후가 있는지 피부를 검사하여 매주 동물의 건강을 모니터링하십시오. 정상적인 호흡(15-30회/분)과 적절하고 상호 작용적인 행동을 보장합니다. 구강 점막이 분홍색이고 촉촉하며 분비물이 없는지 확인하십시오.
   1. 동물의 체중을 정기적으로 측정하여 적절한 영양 섭취를 하고 있는지 확인하십시오. 이상이 있을 경우 수의사에게 보고한 후 해당 동물을 프로토콜에서 제외합니다.

2. 전신 마취의 진정 및 유도

1. Telazol (4-5 mg / kg) / Xylazine (1.8-2.2 mg / kg)을 귀의 뚱뚱한 패드에 근육 주사하여 주거 부위의 동물을 진정시킵니다.
2. 동물이 완전히 진정되고 자극에 대한 반응이 최소화되거나 전혀 없을 때까지 기다렸다가 동물의 안전한 취급 및 운송을 보장합니다.
3. 사육 구역에서 시술실로 동물을 운반하고 수술대에 등쪽 누운 자세로 놓습니다.
4. 동물의 귀에 맥박 산소 측정 프로브를 놓고 100% O₂의 기계식 인공호흡기를 사용하여 마스크로 동물을 환기시키기 시작합니다. 마스크의 고무 개스킷이 제대로 밀봉되었는지 확인하십시오. 적절한 밀봉이 확인되면 전신 마취가 유도되고 턱이 이완될 때까지 3-4% 이소플루란을 투여합니다.
   알림: 흡입 휘발성 물질 사용에 대한 기관 지침을 따르십시오. 일반적으로 시술실은 환기가 잘 되어야 하며 흡입 노출을 방지하기 위해 적절한 청소/환기 장치를 사용해야 합니다.
5. 이소플루란 기화기를 끄고 마스크를 제거하여 후두경을 사용하여 구기관관을 삽입합니다. 시술자가 후두경을 삽입하고 후두개를 연구개에서 복부 방향으로 밀어내는 동안 두 번째 사람이 턱을 벌리게 합니다. 성대가 시각화되면 8-0을 삽입합니다. 성대를 통해 기관내(ET) 튜브가 최소 5cm 이상 있습니다.
6. ET 커프에 10mL의 공기를 주입하고 배꼽 테이프를 사용하여 ET 튜브를 동물의 주둥이에 고정합니다. 흉부 상승, 호기말 CO₂ 및/또는 흉부 청진으로 튜브 배치를 확인합니다.
7. ET 튜브를 열 및 수분 교환기가 있는 마취 기계에 연결합니다.
8. 38-42mmHg의 호기말 CO 2 장력을 유지하기 위해 일회 호흡량 7-10mL/kg, 호흡수 10-16회/분으로 30%의 영감을_{받은 O 2} 분율을 제공하도록 기계식 인공호흡기 설정을 조정합니다.
9. 1.5-3% 이소플루란을 사용하여 흡입 마취제를 반환하고 유지하십시오. 동물에게 비자발적 움직임이나 빈맥과 같은 통증과 불편함의 징후가 있는지 모니터링합니다. 움직임이 사라지거나 빈맥이 해소될 때까지 이소플루란을 조정합니다.

3. 수술 부위 살균 및 준비

1. 전기 이발기를 사용하여 위에 있는 모발과 경피 접근 부위(양측 복부 목)를 자릅니다.
2. 베타딘과 이소프로필 알코올로 모든 경피 천자 부위를 준비하고 문지른 다음 완전히 건조시킵니다.
3. 멸균 수술 부위를 보존하고 오염을 방지하기 위해 수술 부위 주변에 멸균 커튼을 놓습니다. 스테이플로 제자리에 고정하십시오.
4. 테이프나 로프를 사용하여 앞다리와 뒷다리를 수술대에 고정하여 동물을 수술대에 고정합니다. 동물 아래에 가열 패드를 놓고 37 °C로 설정합니다.
5. 온도 프로브 끝에 수성 윤활제를 바르고 프로브를 직장에 삽입하여 지속적인 체온 데이터를 제공합니다.
6. ECG 접착 전극을 오른쪽과 왼쪽 측면 흉벽에 놓습니다. ECG 리드를 접착 전극에 연결하고 ECG 리드를 데이터 수집 장치에 연결합니다.
7. 조심스럽게 동물을 복부 누운 상태로 뒤집어 이식 중에 기도 튜브와 ECG 리드가 제어되도록 합니다.

4. 외부 경정맥 캐뉼레이션

참고: 경정맥 접근은 열희석 절차 중 우심방 정맥 캐뉼라 삽입을 위해 얻습니다.

1. 초음파(미국) 안내를 사용하여 측면 목 부위에 위치한 경정맥 고랑에서 외부 경정맥을 찾습니다. 18G 바늘을 피부에 45° 각도로 꽂아 피부에 구멍을 뚫고 미국의 안내에 따라 팁을 정맥 내강으로 전진시킵니다.
2. 0.035" Seldinger 가이드와이어를 바늘을 통해 정맥 내강으로 통과시킵니다. 가이드와이어를 정맥 내강 내의 제자리에 두면서 바늘을 제거합니다.
3. #11 블레이드 메스를 사용하여 와이어에 인접한 5mm 피부 절개를 만들고 확장기가 있는 15cm, 7Fr 덮개를 가이드와이어 위의 정맥에 끼웁니다. 가이드와이어와 확장기를 제거합니다. 덮개가 제자리에 유지되는지 확인합니다. 3-0 실크 봉합사로 피부에 봉합하여 칼집을 제자리에 꿰매십시오.
4. 4.1단계부터 4.3단계까지 반복하여 반대쪽 외부 경정맥을 캐뉼레이션합니다.

5. 경동맥 캐뉼레이션

참고: 경동맥 캐뉼레이션은 열희석, 조영제 심실 조영술 및 PV 루프 카테터 삽입 중에 LV 및 대동맥근에 대한 접근을 제공하기 위해 수행됩니다.

1. US 프로브를 사용하여 기관 측면의 경동맥을 찾습니다. 가능한 경우 컬러 도플러 이미징을 사용하여 박동 흐름을 보장합니다.
2. 피부에 대해 45° 각도로 놓인 18G 바늘로 피부에 구멍을 뚫고 미국 시야 하의 동맥 내강으로 전진시킵니다. 0.035" Seldinger 가이드와이어를 바늘을 통해 동맥 내강으로 전진시킵니다. 가이드와이어를 동맥 내강 내의 위치에 두면서 바늘을 제거합니다.
3. #11 블레이드 메스로 와이어에 인접한 5mm 피부 절개를 만들고 확장기로 20cm 7 Fr 칼집을 가이드와이어 위의 동맥에 끼웁니다. 칼집의 5-10cm를 피부 바깥쪽에 두십시오. 가이드와이어와 확장기를 제거하고 덮개가 제자리에 유지되는지 확인합니다. 3-0 실크 봉합사로 피부에 봉합하여 칼집을 제자리에 고정합니다⁸.

6. 심박출량 측정

참고: 다음 방법은 모두 이 연구에 사용된 5마리의 동물 각각에서 순차적으로 수행됩니다.

1. 열희석
   1. 경동맥초를 통해 T형 열전대 프로브를 삽입하고 형광투시 유도를 사용하여 프로브를 대동맥근으로 안내합니다.
   2. 프로브를 데이터 수집 시스템에 부착합니다. 신뢰할 수 있는 기준 대동맥 온도를 설정하기 위해 몇 분 동안 데이터를 수집할 수 있습니다. 신뢰할 수 있는 기준 온도는 데이터 수집 2-3분 동안 온도가 중심 값의 1°C 이내로 유지될 때 달성됩니다.
   3. 다음으로, 외부 경정맥초를 통해 5 Fr, 110cm 카테터를 삽입하고 형광투시법을 사용하여 카테터를 오른쪽 심방으로 이동합니다.
   4. 위치가 확인되면 12°C 식염수 20mL를 카테터에 강제로 플러시합니다.
   5. 데이터 수집 소프트웨어에서 온도 변형 곡선을 관찰합니다. 이 영역을 강조 표시하고 소프트웨어의 심박출량 기능을 사용하여 심박출량을 계산합니다(그림 1).
   6. 이 측정을 통해 평균값을 얻기 위해 필요에 따라 이 프로세스를 3-5회 반복합니다.
2. 심실 조영술
   1. 휴대용 X선 형광 투시 유도를 사용하여 경동맥초를 통해 좌심실에 0.035인치 가이드와이어를 삽입합니다. 팁이 대동맥 판막을 가로지르도록 덮개를 앞으로 이동합니다. 0.035" 가이드 와이어를 제거하고 경동맥초를 통해 80cm 마커 피그테일 카테터를 삽입하여 피그테일이 LV 정점에 놓이도록 합니다. 피그테일을 제자리에 두면서 칼집이 더 이상 LV 내에 있지 않도록 덮개를 5cm 빼냅니다.
      1. 회의실의 모든 직원이 0.5mm 납 앞치마를 착용하고 있는지 확인하십시오. 이미터에서 1m 이내의 모든 사람이 납 안경을 착용하도록 하십시오.
      2. 빔온 시간을 최소화하고 이미터가 잘 시준되어 실험실 직원에 대한 노출을 줄이십시오.
      3. 모든 직원이 이미터에서 가능한 한 멀리 떨어져 있으면서 노출을 줄이기 위해 절차를 계속 수행할 수 있도록 합니다.
   2. 카테터를 최소 30mL의 요오드화 조영제가 로드된 조영제 파워 인젝터에 부착합니다. 동물의 현재 심박수를 확인합니다.
   3. 총 30mL에 대해 15mL/s의 조영제를 전달하도록 파워 인젝터를 구성하고 장치를 준비합니다.
   4. 30° 좌측 전방 경사에서 30프레임/초로 디지털 감산 혈관 조영술(DSA)을 위한 형광투시를 구성합니다.
   5. 형광투시에서 DSA를 시작하고 이미지가 뺄 때까지 기다립니다. 감산 이미지가 형광 투시법에 표시되는 즉시 파워 주입을 시작하십시오. 형광투시법이 이미지에서 방사선 불투명 물질을 빼자마자 주입기 버튼을 눌러 이미지 시리즈 동안 LV 챔버만 불투명화되도록 합니다(그림 2A).
      참고: 또는 DSA를 사용할 수 없는 경우 심실 조영술에 고전적인 형광투시법을 사용할 수 있습니다.
   6. 이러한 이미지를 PACS(Picture Archiving and Communication System)에 업로드합니다.
   7. 심실조영술 이미지를 정량적 이미징 소프트웨어로 가져옵니다.
   8. 좌심실 분석 기능을 사용하여 마커 피그테일의 1cm 표시를 참조로 사용하여 소프트웨어를 이미지로 보정합니다.
   9. End Diastole 버튼을 클릭하고 DSA 이미지에서 이완말기를 나타내는 가장 큰 LV 부피를 나타내는 프레임을 검색합니다. 그런 다음 마우스를 사용하여 LV 테두리를 조금씩 추적하여 정확성을 확인합니다.
   10. 그런 다음 End Systole 버튼을 클릭하고 LV 볼륨이 가장 적은 수축기 종료를 나타내는 프레임을 검색합니다. 다시 말하지만, 이전 단계와 동일한 방식으로 LV 테두리를 추적합니다.
   11. 분석 버튼을 클릭합니다. 그런 다음 프로그램은 Dodge-Sandler 면적 길이 방법⁹을 사용하여 정량적 체적 분석을 수행하여 수축기 말 용적, 이완기 말 용적 및 스트로크 용적을 계산합니다. 그런 다음 데이터는 LV 분석 문서에 출력됩니다.
   12. 측정된 스트로크 볼륨에 이전에 기록된 심박수를 곱하여 심박출량을 결정합니다.
3. 압력-부피 루프 카테터
   1. 사용하기 전에 PV-loop 카테터를 최소 20분 동안 생리식염수에 미리 담그십시오. 카테터를 데이터 수집 시스템에 연결합니다.
   2. 압력 변환기가 포함된 PV 루프 카테터의 끝을 식염수 주사기에 삽입하고 압력 변환기를 반월판 바로 아래에 놓습니다. 카테터 모듈의 거친 조정 및 미세 조정 버튼을 사용하여 데이터 수집 소프트웨어에서 0mmHg를 읽을 때까지 출력 압력 신호를 조정합니다.
   3. 제조업체의 지침에 따라 PV-루프 카테터 혈액 저항률 및 스트로크 볼륨을 보정합니다.
      참고: 제조업체는 대형 동물 모델의 경우 1.5mΩ의 혈액 저항률과 60mL의 스트로크 부피를 사용할 것을 제안합니다.
   4. 6.2.1단계에서와 같이 0.035" 가이드와이어를 경동맥초에 삽입하고 형광투시 유도를 사용하여 LV로 전진시킵니다. 대동맥 판막을 통과할 때까지 덮개를 전진시킵니다. 덮개가 제자리에 있는 상태에서 가이드와이어를 제거하고 피그테일 부분이 LV 정점에 놓일 때까지 경동맥 덮개를 통해 형광 투시 유도에 따라 PV 루프 카테터를 삽입합니다(그림 2B). 피그테일은 제자리에 두고 더 이상 LV 내에 있지 않도록 덮개를 ~5cm 빼냅니다.
   5. 제조업체 지침에 따라 데이터 수집 화면의 Baseline scan 옵션으로 이동하여 데이터를 수집하기 전에 Baseline scan을 수행하고 Enter 버튼을 누릅니다. 정확한 심박수 측정을 확인하기 위해 PV-루프 카테터 시스템을 사용하여 기준선 스캔을 수행합니다. Enter 버튼을 다시 눌러 압력 및 부피 데이터 수집을 시작합니다. 볼륨 세그먼트를 스크롤하여 최상의 볼륨 파형을 얻을 수 있습니다.
   6. 데이터 수집 소프트웨어로 출력되는 압력 볼륨 곡선을 확인하십시오. PV 루프가 적절하게 기록되었는지 확인하고 가장자리가 부드러운 직사각형이어야 합니다. (그림 2C). 그렇지 않은 경우 적절한 루프가 기록될 때까지 비틀거나 앞뒤로 움직여 카테터의 위치를 부드럽게 조정하십시오. 심박수에 이완기 말기용적과 수축기 말기 용적의 차이를 곱하여 뇌졸중 용적과 심박출량을 계산합니다.
   7. 테이프나 봉합사로 카테터를 제자리에 고정하여 전체적으로 적절한 위치를 확보합니다.

7. 안락사

1. 경정맥초를 통해 >2 mEq/kg 염화칼륨(2 mEq/mL KCl 50-70 mL) 주사를 사용하여 동물을 안락사시킵니다.
2. ECG 추적에서 심장 전기 활동이 나타나지 않고 호기말 CO₂ 장력이 0mmHg에 도달할 때까지 전신 마취 및 심장 모니터링을 계속합니다.
   참고: 혈역학적 모니터링은 실험 내내 유지되었습니다.

결과

돼지의 무게는 51.4kg에서 61.5kg 사이였으며 평균 체중은 56.6kg에서 3.6kg± 나왔습니다. 5명의 피험자 모두에서 PV-루프 카테터, 심실 조영술 및 열희석으로 측정한 평균 뇌졸중 부피는 각각 58.0 ± 12.0 mL, 57.6 ± 8.5 mL, 53.0 ± 9.8 mL였다. 5명의 피험자 모두에서 PV-루프 카테터, 심실 조영술 및 열희석으로 측정한 평균 심박출량은 각각 5.0 ± 1.1 L/분, 5.3 ± 1.2 L/분, 5.2 ± 1.0 L/분이었습니...

토론

이 연구는 돼지의 심박출량을 정확하게 측정하는 세 가지 다른 방법의 표준화된 방법을 자세히 설명합니다. 돼지는 인간과 유사한 심혈관 해부학 및 생리학을 가지고 있으며, 특히 수술 및 중재 과정의 전임상 평가를 위해 인간 심장 생리학의 모델로 일반적으로 사용됩니다¹⁰. 이를 통해 돼지는 심혈관 생리학, 병리학 및 신흥 생명공학의 기본 모델 역?...

자료

Name	Company	Catalog Number	Comments
0.9% sodium chloride injection	Hospira	0409-4888-50
7 Fr Introducer Kit	Terumo	RCFW-5.0-35
Anesthesia Machine	Drager	Fabius Tiro
Contrast Power Injector	GEHealthcare	E8004N
Fluoroscope	GEHealthcare	OEC 9800
Heating/Cooling T/pump	Gaymar	Tp-700
Isoflurane	Baxter	10019-360-40
Jackie catheter	Terumo	40-5023
Omnipaque	GEHealthcare	559289
PowerChart	ADinstruments	ML866/P	Software
PowerLab	ADinstruments	PL3516
PV-loop catheter	Transonic		Prefer pigtail tip to straight tip
PV-loop module	Transonic	FFS-097-A004
Surgical suture, black braided silk, 3.0	Surgical Speciaties Corp.
Thermocouple probe	ADinstruments	MLT1401
Ultrasound probe	Philips	L12-4
Various-sized syringes
ViewPlus	Sanders Data Systems		Software