基于輸尿管模型的尿動力學研究

趙雪豐　華針

摘 要：雙J管是一種在臨床上使用廣泛的輸尿管支架。在輸尿管阻塞的病理情況下，它用來恢復上尿道排尿通暢。當支架置入人體內后，它可以迅速釋放腎盂中的壓力，減輕疼痛。然而，對輸尿管支架而言，輸尿管中的流體場很大程度上決定了它們作用的成效。然而至今為止，幾乎沒有基礎研究涉及到了探查能夠影響支架功能的尿動力學因素。因此，我們現在的工作就是開發(fā)一個輸尿管的人工模型，來模擬置入支架以后的輸尿管內的流體力學環(huán)境，來研究那些能影響腎盂中壓強的因素，包括流體力學粘度、體積流速和腎盂輸尿管阻塞率。并且。最終，在此模型的幫助下，受阻塞的并且置入了支架的輸尿管中的一些獨特的尿動力學特性被揭示了出來。

關鍵詞：雙J管；阻塞；輸尿管模型；尿動力學

1 研究背景

雙J管在臨床上使用廣泛[1]，特別是在輸尿管結石的治療中。但是與之相關的并發(fā)癥仍舊相當頻繁地出現[2]，對患者產生各種各樣的副作用。在這個方面來說，放置有支架的輸尿管內的尿動力學，在結晶形成和生長、生物膜及細菌菌落形成等這些物理化學作用或者是生物作用中起到了至關重要的作用[3，4]。不論是從數學角度還是實驗角度，一些研究者也嘗試著去模擬置入支架后的輸尿管中的尿液流動，但是對于量化支架性能上的流體動力學參數卻的基礎研究卻幾乎沒有。因此，了解輸尿管支架的置入對上泌尿道尿動力學的影響，以及其與一些臨床相關因素的關系，變得十分有必要，這些因素包括因細菌感染引起的尿液濃度變化，或者是輸尿管內腔的不同程度阻塞。所以，本課題的主要目標，是通過一個模仿輸尿管結構制作的人工模型，研究置入輸尿管支架后并且有結石阻塞的輸尿管中的尿動力學。借助此模型，測得腎盂壓強在尿液粘度、液體流速和輸尿管阻塞率這些不同物理因素的變化下的定量數據。這項研究的結果會幫助我們理解這些參數是如何同時地或者獨立地影響輸尿管支架的性能，以及對整個上泌尿道起何作用。

2 實驗方法

2.1 設計制作輸尿管模型

使用ICEM CFD 14.0制作家豬輸尿管的CAD模型（輸尿管尺寸數據取自當地屠宰場）。與此同時，使用一個直徑2cm、高3.6cm的圓柱形空腔作為腎盂。使用3D打印機根據設計好的CAD圖形打印出硬質陽模。然后準備好一個透明空心塑料圓筒（內直徑3.8cm，長33cm），將陽模沿圓筒中軸線置入其中，接著緩慢向圓筒內灌入去除氣體的聚二甲基硅氧烷（PDMS）前體和固化劑的混合物（10：1 w/w）并加熱固化，完成模型制作。

由于PDMS材料高度透明，因此最終的輸尿管模型就是可以從外部一覽無余的一個中空圓柱體，內腔道尺寸和之前實驗測得的尺寸一致。具本制作過程如圖1所示。

2.2 檢測腎盂內液體壓強

正常情況下，腎盂內的壓強的生理值低于20cmH2O[5]。本實驗模型中腎盂部分的壓強是通過一只導管頂端壓力傳感器測得的，其中分別有三個獨立的變化量：體積流速、流體動力學粘度和輸尿管阻塞率。記錄壓強時使用一個在LabVIEW 環(huán)境下編寫的簡易程序。嚴格按照臨床操作步奏向輸尿管模型中置入一根41cm長的雙J管，恰使其末端卷曲部分分別處于模型的腎盂部分和膀胱部分。此支架內直徑1.28mm，外直徑2.08mm。為了研究尿液粘度變化對腎盂內壓強的影響（例如尿液感染或者是腎功能障礙時），輸尿管模型中的尿液是由蒸餾水和甘油以不同濃度混合的甘油溶液所替代。實驗過程中，我們準備了六種濃度的甘油溶液，每種都具有不用的流體動力學粘度，其質量分數如下：0，10，20，30，40，50。粘度值見表1。

將注射器泵連接至腎盂部分，來模擬尿液在腎臟的產生過程。在實驗中采用四種不同的流速（Q）（表1），范圍在豬體內尿液流速的生理范圍內（0-20ml/min）。

我們利用八只塑料小球體來充當阻塞物，通過給每個小球沿中軸線方向鉆不同大小的圓孔，來控制阻塞率（表1）。

3 實驗結果

圖2中列舉了在兩種阻塞率（圖2a中OB%=98.84%；圖2b中OB%=87.62%）之下，腎盂壓強與流速和尿液粘度的關系，其中不同濃度的甘油溶液，代表了不同的粘度，在圖中用符號區(qū)分開。通過圖2，可以看出，腎盂壓強與輸尿管內流體流速和流體粘度分別成線性關系，并隨著流速的增大、粘度的增加而增加。

輸尿管模型中，腎盂壓力與液體流速Q和輸尿管阻塞率OB%的關系如圖2所示。

圖2a中顯示，模型上段阻塞率100% ，液體粘度μ=1cP（蒸餾水）時的情形。圖中回歸線的斜率表示了系統里的流體阻力（m=1.06cmH2O/（ml/min））。同時我們可以看到，此時腎盂內壓強只有在一種試驗情況下超過了臨界值20cmH2O，即流速Q=20ml/min。腎盂壓強和阻塞率的關系如圖2所示，在μ=1cP，Q=20ml/min時，可以看到有三組數據腎盂壓強超過了臨界值，分別為阻塞率OB%=96，99，100。 結合μ和OB%的整個變化范圍，流體阻力（m）可以表示為P-Q插值函數的斜率，如圖2a。m的值見表2。隨著阻塞率OB%從0增至100（由下至上），或者隨著粘度μ從1cP增加至6 cP（由左至右），m的值也隨之增長。大多數R2數值接近0.9，表示腎盂內壓強P和阻塞率OB%存在線性關系，P和粘度μ也是線性關系。小一些的m和R2數值是由于處在輸尿管無阻塞的情況（OB%=0，輸尿管模型中無支架，也無塑料小球），這種情況下粘度μ的增加對壓強P影響很小。

圖2a為阻塞率OB=100%，粘度為1cP時，腎盂壓強隨流速變化的情況（流速變化范圍為0-20ml/min）；圖2b為流速為20ml/min，粘度為1cP時，腎盂壓強隨阻塞率變化的情況（阻塞率變化范圍為80%-100%）。圖中上部橫線表示生理上腎盂可承受的最大壓強的臨界值（20cmH2O）。

表2 m為流體阻力（cmH2O*60s/ml），即回歸線斜率（壓強與流速之比），R2為線性回歸分析中的一個參數，值越接近于1，說明數據的擬合度越高。此表展示了流體阻力與粘度和阻塞率之間的關系。

圖3中的A、B、C、D、E區(qū)域表示在流體力學粘度作用下的輸尿管模型中的腎盂壓強，其中X軸表示粘度（cP），Y軸表示流速（ml/min），數據來自對實驗測得數據點的線性內插。圖中字母代表不同數值的壓強，依據對腎臟的不同影響，A部分表示生理上的“安全區(qū)域”（P<15cmH2O），B部分表示生理上的“警示區(qū)域”（15cmH2O< P<20cmH2O），C和D部分則表示“危險區(qū)域”（P>20cmH2O）。

圖3a所示為未阻塞的輸尿管中的情況，即使當流體粘度和流速都最高時，腎盂內液體壓強也始終低于臨界值。這種情況下，最小壓強（當Q=5ml/min，μ=1cP時）為0.4±0.08cmH2O，最大壓強（當Q=20ml/min，μ=6cP時）為1.4±0.11cmH2O。

圖3b所示情況為置入支架、但并沒有在模型內腔上段放置塑料小球的輸尿管，流體阻力因輸尿管支架的插入，而顯著增大，在略高一些的流速Q和粘度μ值下，圖片上出現了警示區(qū)域、甚至危險區(qū)域。

在有塑料小球存在的情況下（意味著更高的阻塞率，圖3c中OB%=88，圖3d中OB%=100），當流速Q和度μ值都較低時，也會出現更大面積更嚴重的“警告區(qū)域”與“危險區(qū)域”。

4 分析與討論

尿液通過置入有支架的輸尿管的排放，是一個受多種因素影響的復雜過程，它受控于腎盂內的壓強、膀胱內壓強、輸尿管阻塞的嚴重程度、輸尿管支架內徑、外徑的大小、支架長度支架上孔洞的多少以及尿液本身的物理性質（例如尿液粘度）。

在有支架存在的輸尿管內，尿液的流動范圍既可以順著腔外區(qū)域（支架外壁與輸尿管內壁之間的間隙），也可以是支架的內部區(qū)域。一些研究嘗試過從性質上對置有支架的輸尿管內的流體動力學進行描述，然而，就我們所知，定量化的研究數據仍然是一片空白，定量的了解能夠引起腎臟損害、尿液感染或者是輸尿管支架結垢的種種因素才是學術研究更重要的主題。從這個角度來說，我們制作的仿生的透明模型可以作為非常接近地模擬阻塞并且有支架置入的輸尿管內的流體力學環(huán)境的一次嘗試。如圖2和表2里所示的，我們證實了在絕大多數例子里，腎盂內液體壓強與尿液濃度、流速以及輸尿管內腔的阻塞程度之間成線性相關。在無阻塞的情況下，測得模型內的最小流體阻力為0.007cmH2O/（ml/min），并且它并不會隨尿液濃度的改變而發(fā)生顯著變化。

關于輸尿管支架能單方面造成有實質性意義的阻塞的其他證據，我們還可以對比表2中，比較完全無阻塞的輸尿管中的流體阻力和僅放有支架（“僅支架”）時的輸尿管中的阻力兩者的大小，后者明顯高于前者。另外，在圖3b中出現的“警告區(qū)域”和“危險區(qū)域”同樣印證輸尿管支架的阻塞效果。

此輸尿管模型還能為臨床醫(yī)生提供一些幫助，使他們能夠定量的了解，在一些具有臨床意義的情況下，單個或者多個變化因素對腎盂內液體壓強的影響。例如，圖3中，我們可以很直觀的看出，在一定的阻塞率下，不同尿液流速和粘度的組合會產生多大腎盂內的壓強，其究竟是處于20cmH2O等高線以上還是以下。而20cmH2O等高線左下方的區(qū)域是安全區(qū)域，代表了腎臟功能正常，右上方區(qū)域為相對危險的區(qū)域，可能會對腎臟功能造成潛在損害。同時，表2清晰的表明了上尿路中尿液粘度的微小增長或者是阻塞程度的微增在對腎盂內壓強大幅影響的同時，是如何顯著影響系統中的流體阻力的。另外，比較圖3c和圖3d，圖3d較圖3c阻塞率有略微上升（從88%至100%），但是“安全區(qū)域”的范圍卻大大減小，若不想潛在地對腎臟造成損傷，尿液粘度和流速大小都需要加以限制。

5 結束語

目前，我們已經提供了一個旨在了解受阻塞以及置入支架的輸尿管中的尿動力學學特征的技術平臺，在進行耗時費力且昂貴的體內實驗之外，可以多一個選擇。使用此輸尿管支架獲得的初步數據涵蓋了多重不同的簡化了的情況（例如非阻塞的/阻塞的置入支架的輸尿管，尿液濃度和流速的變化），它的作用還可以擴展至模擬更多種的復雜生理/病理情況。這個先進的平臺還會給臨床醫(yī)生帶來幫助，使他們理解并且量化一些在置入支架的輸尿管內的變量在排尿和腎功能中的作用。今后將會利用此輸尿管模型上做更多的研究，如觀測內部的流體運動，計算機仿真等。

參考文獻

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