新型机械胸外按压装置的开发与评估：推动啮齿类动物心肺复苏研究标准化

《Scientific Reports》：Development and evaluation of a mechanical chest compression device for standardized rodent cardiopulmonary resuscitation

本研究针对啮齿类动物CPR研究中手动胸外按压存在频率和按压点变异大的问题，开发了一种新型机械胸外按压装置(MCD)。通过体外和体内实验验证，该装置在200 bpm目标频率下精度显著优于手动按压(201±1.2 vs 218±21 bpm)，按压点变异减少84%，为目标频率±10%范围内时间占比达100%。该研究为小动物CPR研究提供了重要标准化工具。

　　

心脏骤停是全球范围内主要死亡原因之一，高质量的心肺复苏（CPR）是决定生存率的关键因素。在实验研究中，小动物模型特别是大鼠模型，因其易得性、标准化程度高以及生理特征与人类具有一定相似性，成为探索心脏骤停病理生理机制、优化复苏策略的重要平台。然而，这类研究面临一个长期存在的技术挑战：如何实现胸外按压的标准化。

在临床实践中，胸外按压的质量——包括按压频率、深度和位置的准确性——直接影响患者的生存结局。同样，在临床前研究中，按压操作的一致性对于获得可靠、可重复的科学数据至关重要。目前，大多数实验室仍采用手动方式进行胸外按压，通常由操作者听着节拍器，以每分钟200至400次的高频率对大鼠胸部进行按压。这种手动方法虽然简单，但极易受到操作者疲劳、技术差异以及个体间变异等人为因素的影响，导致按压参数（尤其是频率和按压点）存在显著波动。这种变异可能引入实验误差，混淆研究结果，阻碍不同研究机构之间数据的可比性。尽管一些研究团队尝试使用自制的机械装置来改善这一状况，但迄今为止，尚未有经过充分验证和详细描述的标准化机械胸外按压装置（MCD）适用于小动物模型。

为了解决这一瓶颈问题，由Sam Joe Brixius和Jakob Wollborn等人组成的研究团队在《Scientific Reports》上发表了他们的最新研究成果。他们设计、开发并系统评估了一款专为啮齿类动物（主要是大鼠）量身定制的新型机械胸外按压装置。该研究旨在通过技术创新，为心脏骤停基础研究提供一个能够实现高度标准化、高精度胸外按压的工具，从而提升整个研究领域的严谨性和可重复性。

为了开展这项研究，研究人员运用了多项关键技术方法。首先，他们利用计算机辅助设计（CAD）软件进行装置的设计和模拟，并主要采用熔融沉积成型（FDM）3D打印技术制造原型机核心部件。其次，他们建立了一套创新的体外实验系统，使用充满液体的聚合物储液囊模拟胸腔，通过压力传感器记录按压产生的压力变化，从而精确分析按压频率和变异度，此举也符合动物实验的3R（减少、优化、替代）原则。此外，研究还纳入了在体实验验证，使用5只斯普拉格-杜勒（Sprague-Dawley）大鼠建立经食道电诱导心脏骤停模型，随后使用该MCD进行为期8分钟的胸外按压，并将结果与体外实验数据进行对比。数据分析则采用专业的生理信号采集和处理软件。

结果

体外评估

研究人员首先在体外设置中比较了手动按压与MCD按压的性能。共有10名有经验的参与者进行了手动按压，同时使用MCD原型机进行了相同参数的测试。

在目标频率为200 bpm时，结果显示出显著差异。手动按压的平均实际频率为218 ± 21.0 bpm，远高于目标值，而MCD按压的平均频率为201 ± 1.2 bpm，与目标值高度吻合。MCD按压的频率标准差、方差以及最大最小频率范围均显著优于手动按压。更重要的是，MCD在100%的按压时间内都将频率维持在目标值±10%的范围内，而手动按压仅能达到58.8%的时间。研究还发现，随着目标频率的升高，手动按压的变异度进一步增大，而MCD则能始终保持稳定。在按压点的一致性方面，MCD也表现出巨大优势，其按压累积面积显著小于手动按压，表明按压位置更为集中和精确。

在体评估

在验证了体外性能后，研究团队在大鼠心脏骤停模型上进行了在体验证。

分析显示，MCD在活体动物实验中的实际按压频率为204 ± 3.3 bpm，其标准差与体外实验结果无显著差异，并且同样实现了100%时间内的目标频率维持。颈动脉血压监测显示，使用MCD能够产生可重复的血压峰值，证明了其在活体环境下维持血流动力学效应的有效性。

讨论与结论

本研究的讨论部分首先强调了小动物模型在CPR研究中的不可替代性，并指出胸外按压质量是影响复苏结果的关键变量。研究结果清晰地揭示了手动胸外按压在频率控制和按压点一致性方面存在显著的局限性，尤其是在高频率要求下，这种变异性更为突出。相比之下，本研究开发的机械胸外按压装置成功克服了这些弱点，能够在宽频率范围内（100-400 bpm）提供高度一致且精确的按压。

该装置的核心优势在于其标准化能力。通过电机驱动飞轮和连接杆带动活塞进行正弦波式按压，装置确保了每次按压的波形、压缩-减压比（固定为50:50）和深度的一致性。这种机械上的确定性极大减少了人为因素引入的变异，为不同实验、不同实验室之间的数据比较提供了可靠基础。此外，装置的模块化设计允许根据动物大小调整按压点位置和按压深度，增加了其适用性。

当然，研究也指出了当前原型机的一些局限性。例如，其按压波形是固定的正弦波，无法根据研究需求进行调整；压缩-减压比也是固定的；此外，装置目前缺乏数据导出功能，不利于后续分析和标准化报告。这些为未来的设备迭代指明了方向。

总之，这项研究成功地开发并验证了一款适用于啮齿类动物CPR研究的机械胸外按压装置。该装置显著提高了胸外按压的频率精度和按压点一致性，有效解决了手动按压固有的变异性问题。通过为研究人员提供这样一个标准化工具，本研究有望显著提升心脏骤停基础研究的可靠性、可重复性和可比性，从而加速我们对心肺复苏病理生理机制的理解和新型治疗策略的开发。研究人员在文中公开了装置的设计细节，希望其他科学家能够使用并进一步优化该设备，共同推动复苏研究领域的标准化进程。