磁懸浮植入式心室輔助裝置體外水力學(xué)及溶血實(shí)驗(yàn)

吳廣輝，藺嫦燕，徐創(chuàng)業(yè)，劉修健，何玉娜，楊朋，陳琛

1.首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京安貞醫(yī)院 北京市心肺血管疾病研究所 生物醫(yī)學(xué)工程研究室，北京100029；2.蘇州同心醫(yī)療器械有限公司 研發(fā)部，江蘇 蘇州215125

磁懸浮植入式心室輔助裝置體外水力學(xué)及溶血實(shí)驗(yàn)

吳廣輝1，藺嫦燕1，徐創(chuàng)業(yè)1，劉修健1，何玉娜1，楊朋2，陳琛2

1.首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京安貞醫(yī)院 北京市心肺血管疾病研究所 生物醫(yī)學(xué)工程研究室，北京100029；2.蘇州同心醫(yī)療器械有限公司 研發(fā)部，江蘇 蘇州215125

目的測(cè)試一款小型磁懸浮植入式心室輔助裝置的基本工作性能和體外溶血性能。方法 通過體外水力學(xué)實(shí)驗(yàn)獲得裝置的基本工作性能；通過體外模擬實(shí)驗(yàn)（參照ASTM F1841標(biāo)準(zhǔn)）檢測(cè)裝置體外溶血性能。結(jié)果該磁懸浮植入式心室輔助裝置主體血泵在3500 rpm左右能夠提供5 L/min流量，100 mmHg壓力的輔助支持；體外實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)溶血指數(shù)值為（0.0007±0.0003）mg/dL。結(jié)論體外水力學(xué)實(shí)驗(yàn)證實(shí)該裝置工作性能穩(wěn)定，可以滿足成人心室輔助的需求，同時(shí)也具有較好的體外溶血性能。

心力衰竭；心室輔助裝置；磁懸?。凰W(xué)實(shí)驗(yàn)；溶血實(shí)驗(yàn)

引言

心力衰竭（Heart Failure，HF）是心血管疾病患者的主要致死原因之一，其5年生存率和惡性腫瘤類似[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)[2]，全球已有超過3800萬HF患者。隨著高血壓、冠心病等心血管疾病的高發(fā)，我國HF發(fā)病率和病死率也在逐年升高，形勢(shì)日趨嚴(yán)峻。流行病學(xué)調(diào)查顯示[1-3]，中國成年人群心衰發(fā)病率為0.9%，確診患者達(dá)600萬，中重度心衰患者5年病死率高達(dá)30%～50%?？傊?，心力衰竭已經(jīng)成為一個(gè)全球性的問題，給全球醫(yī)療事業(yè)帶來巨大經(jīng)濟(jì)壓力和社會(huì)負(fù)擔(dān)，也嚴(yán)重威脅著我國國民的生命健康。對(duì)于重度HF患者，藥物治療效果有限，心臟移植受供體來源限制，心室輔助裝置（Ventricular Assist Device，VAD）已逐漸成為重要的治療方法[4]。

VAD在國外發(fā)達(dá)國家作為心臟恢復(fù)過度期輔助、心臟移植供體等待期間橋梁過度及心臟永久替代等方面已被廣泛應(yīng)用于臨床，應(yīng)用例數(shù)也在逐年增加[4-8]，但價(jià)格昂貴[9-10]，很難在國內(nèi)推廣使用，隨著我國老齡化社會(huì)的到來及心梗患者生存率的逐漸提高，我國終末期心衰患者的人數(shù)將逐年增加，因此研發(fā)國產(chǎn)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)VAD迫在眉睫。臨床發(fā)現(xiàn)溶血是VAD輔助患者的一個(gè)主要并發(fā)癥之一，VAD植入會(huì)對(duì)患者血液產(chǎn)生影響。目前體積小、耐用性久、溶血性能好的磁懸浮無軸承離心式VAD是VAD研發(fā)和臨床應(yīng)用的熱門。本研究對(duì)蘇州同心醫(yī)療有限公司研制的磁懸浮無軸承離心式VAD進(jìn)行了體外水力學(xué)性能及體外溶血實(shí)驗(yàn)研究，為下一步動(dòng)物在體試驗(yàn)提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 VAD

本實(shí)驗(yàn)的同心Demo IV VAD由蘇州同心醫(yī)療有限公司設(shè)計(jì)加工，VAD主要由泵體、流入管道、流出管道、饋穿密封和經(jīng)皮式電纜等植入體內(nèi)部件，以及外置電源和控制器等體外部件組成。裝置主體血泵，見圖1，泵體接觸血液的材料均采用溶血性能較好的鈦合金。血泵直徑42 mm，厚22 mm，重量130 g左右。血泵內(nèi)部轉(zhuǎn)子無軸承，利用磁懸浮技術(shù)通過無位置傳感器的反饋信號(hào)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子葉輪轉(zhuǎn)速，進(jìn)而調(diào)節(jié)血泵輸出流量和輸出壓力。

圖1 同心Demo IV心室輔助裝置

1.2 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物

實(shí)驗(yàn)動(dòng)物為3只雄性綿羊，體重約55 kg左右，通過常規(guī)體征觀察確認(rèn)健康，無發(fā)燒、咳嗽等癥狀，并接種過疫苗。實(shí)驗(yàn)羊由北京平谷模擬醫(yī)院提供，動(dòng)物批號(hào)：SYXK（京）2010-0019。

1.3 體外水力學(xué)實(shí)驗(yàn)

體外水力學(xué)實(shí)驗(yàn)通過體外模擬循環(huán)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)完成，系統(tǒng)包括儲(chǔ)液器（5 L的燒杯）、流道（醫(yī)用體外循環(huán)管道）、阻尼器、一次性使用壓力傳感器（MMBPTSA20，北京天地和協(xié)科技），數(shù)據(jù)采集設(shè)備（PCI-6251，美國國家儀器）、電磁流量計(jì)（SM6000，德國易福門電子）和恒溫水浴鍋等構(gòu)成。流體介質(zhì)為水和甘油混合液（2∶1）。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，將恒溫水浴鍋的溫度設(shè)定為37 ℃，將壓力傳感器分別連接于VAD的入口和出口，逐步調(diào)整輔助裝置轉(zhuǎn)速為1600，1800，2000，……，3800 rpm，每個(gè)轉(zhuǎn)速下通過調(diào)節(jié)阻尼器，使循環(huán)流量分別達(dá)到0，1，2，3……L/min，至最大流量，記錄每一轉(zhuǎn)速下流量所對(duì)應(yīng)的出入口壓力，最后繪制出流量—壓力曲線圖。實(shí)驗(yàn)裝置整體見圖2，原理圖見圖3。

1.4 體外溶血實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)通過體外溶血實(shí)驗(yàn)通過體外循環(huán)模擬試驗(yàn)臺(tái)完成。試驗(yàn)臺(tái)由儲(chǔ)血器、醫(yī)用肝素化體外循環(huán)管道、阻尼器、壓力計(jì)、流量計(jì)、信號(hào)采集系統(tǒng)構(gòu)成，體外溶血試驗(yàn)?zāi)M圖，見圖4。實(shí)驗(yàn)采用500 mL CPDA儲(chǔ)血袋作為儲(chǔ)血器，1 m長內(nèi)徑10 mm的醫(yī)用體外循環(huán)管道作為循環(huán)管道。儲(chǔ)血器有2個(gè)直徑10 cm的接口，方便作為血泵流入和流出道，血袋還帶有1個(gè)采血口，方便循環(huán)實(shí)驗(yàn)中采血。實(shí)驗(yàn)時(shí)流量計(jì)（SM6000，易福門電子）放置在出口管道，壓力計(jì)（MMBPTSA20，北京天地和協(xié)科技有限公司）的管狀探頭分別置于血泵的前、后端，分別檢測(cè)循環(huán)回路的進(jìn)出口壓力。

圖2 外水模擬循環(huán)系統(tǒng)

圖3 體外水力學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)M圖

共進(jìn)行3次實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)前用醫(yī)用取血袋（生復(fù)200 mL采血袋，長春泰爾茂醫(yī)療器具有限公司）分別從3只實(shí)驗(yàn)羊頸靜脈取新鮮血液100～200 mL。將取得血液混合裝入上述特制貯血袋，連接循環(huán)回路中各個(gè)檢測(cè)設(shè)備，連接完成后排氣。轉(zhuǎn)泵前用5 mL帶帽離心管（Corning，美國）在血泵轉(zhuǎn)泵前采血2 mL左右作為基線值。轉(zhuǎn)泵后，通過調(diào)節(jié)阻尼閥及血泵轉(zhuǎn)速使泵的輸出為：流量5 L/min左右，出入口壓差為13.3 kPa左右，至標(biāo)記實(shí)驗(yàn)開始后1，2，…，6 h時(shí)分別再采血樣2 mL左右，采血時(shí)，先從采血口采集1 mL左右廢棄血，然后再采樣本血樣2 mL，將采集血樣通過高速離心機(jī)（Eppendorf，德國）離心、移液器（Eppendorf，德國）采血漿，放置于-80℃冰箱（海爾，青島海爾公司）保存。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，測(cè)量實(shí)驗(yàn)采集血清樣本中血漿游離血紅蛋白（Free Hemoglobin，F(xiàn)HB）濃度和紅細(xì)胞壓積（Hematocrit，Hct）。實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)泵前及轉(zhuǎn)泵后每小時(shí)通過便攜式紅外溫度計(jì)（F561，美國福祿克公司）測(cè)量泵表溫度。實(shí)驗(yàn)血泵工況（轉(zhuǎn)速、功耗等）通過其控制軟件記錄到PC機(jī)。

圖4 體外溶血實(shí)驗(yàn)?zāi)M圖

目前國際上葉片血泵通常采用美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)（American Society for Testing and Materials，ASTM）F1841-97（Reapproved 2013）[11]標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量溶血性能，標(biāo)準(zhǔn)中的標(biāo)準(zhǔn)溶血指數(shù)（Normalized Index of Hemolysis，NIH）的計(jì)算公式為：

NIH＝ΔFHB×V×[（100-Hct）/100]×[100/（Q×T）]

這里，ΔFHB：測(cè)試時(shí)間間隔內(nèi)FHB的增量值（g/L）；V：總循環(huán)容量（L）；Hct：紅細(xì)胞壓積（%）；Q：血泵流量（L/min）；T：測(cè)試間隔時(shí)間（min）。

由于紅細(xì)胞遭到損壞，血紅蛋白被釋放入血漿內(nèi)，而形成溶血。標(biāo)準(zhǔn)溶血指數(shù)：以紅細(xì)胞壓積校正血漿容積并以血液流速和循環(huán)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)化后，100 L泵出血液血漿游離血紅蛋白增加的克數(shù)。

2 結(jié)果

2.1 體外水力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

不同轉(zhuǎn)速壓力—流量曲線，見圖5。由圖可以看出，輔助裝置可以提供最大9 L/min的輔助流量，在3500 rpm左右能夠提供5 L/min流量，100 mmHg壓力的輔助支持，可以滿足成人心室輔助的需求。

圖5 不同轉(zhuǎn)速下流量-壓力曲線

2.2 體外溶血實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)測(cè)得的標(biāo)準(zhǔn)溶血指數(shù)NIH平均值為（0.0007±0.0003）g /100 L。

3 討論

血泵設(shè)計(jì)加工好后，要通過體外模擬循環(huán)實(shí)驗(yàn)以測(cè)定血泵的流量、壓力、轉(zhuǎn)速、效率等參數(shù)，看看是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，還可以通過長時(shí)間的體外模擬循環(huán)實(shí)驗(yàn)評(píng)估血泵的可靠性和穩(wěn)定性等。

目前臨床上使用的植入式心室輔助裝置主要是葉片式血泵。葉片式血泵對(duì)血液的破壞主要是由于血泵與血液接觸材料、驅(qū)動(dòng)葉片產(chǎn)生的高剪切力和泵體發(fā)熱等。本研究同心Demo IV血泵與血液接觸材料使用的是質(zhì)量輕、血液相容性好的鈦合金材料；血泵采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助流體力學(xué)分析的方法設(shè)計(jì)，盡可能地降低了高剪切力導(dǎo)致的血液破壞；葉片采用磁力懸浮驅(qū)動(dòng)，功耗小，發(fā)熱少。葉片式血泵驅(qū)動(dòng)葉片工作時(shí)產(chǎn)生的高剪切力作用于血液，部分紅細(xì)胞破碎后FHB被釋放入血漿產(chǎn)生溶血，因此溶血性能是血泵血液相容性研究中一個(gè)重要部分。最大限度減少血液損傷是所有VAD的基本要求。血泵的體外溶血評(píng)估實(shí)驗(yàn)，對(duì)評(píng)價(jià)溶血性能，揭示溶血機(jī)理，探討溶血后治療方案也有重大意義，并可以對(duì)血泵結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供寶貴的反饋信息。

溶血特性是評(píng)估VAD對(duì)接觸血液成分和理化性質(zhì)影響的重要指標(biāo)，通常由血漿FHB含量來衡量。美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)（American Society for Testing and Materials，ASTM）編制了針對(duì)葉片血泵的溶血測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。本實(shí)驗(yàn)就是參考ASTM的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得同心Demo IV血泵的NIH值為（0.0007±0.0003）g/100 L，國外研究表明[12-14]，NIH在0.04～0.2 mg /L之間的血泵才具有較好的血液相容性能，才具有臨床應(yīng)用的可能性，同心Demo IV的實(shí)驗(yàn)結(jié)果滿足這一要求，且較同心Demo Ⅰ（NIH為（0.0075±0.0017）g/100 L[15]）有了很大的提升，和其他國產(chǎn)血泵比也具有很明顯優(yōu)勢(shì)，如北京阜外醫(yī)院FW型軸流泵NIH為（0.017±0.006）g/100 L[16]、泰達(dá)國際心血管病醫(yī)院的MLSBP血泵NIH為0.002 g/100 L[17]，同時(shí)也優(yōu)于國外一些研發(fā)或應(yīng)用于臨床的血泵，如TMDU/ TIH血泵NIH為0.001～0.002 g/100 L[18]、Apico主動(dòng)脈血泵NIH為（0.009±0.002）g/100 L[19]、CentriMag血泵NIH為（0.0011±0.0005）g/100 L[20]。血泵體外溶血測(cè)試采用新鮮羊血，由于羊的紅細(xì)胞比人的脆性大，同等外界刺激下更易破裂，因此有理由認(rèn)為同心Demo IV VAD血泵用于人時(shí)溶血性能更好。

4 結(jié)論

本文通過體外實(shí)驗(yàn)獲得了同心Demo IV的體外力學(xué)性能及體外血液相容性。VAD在3500 rpm左右時(shí)可以實(shí)現(xiàn)5 L/min、100 mmHg的設(shè)計(jì)輸出工況。實(shí)驗(yàn)測(cè)試得的標(biāo)準(zhǔn)溶血指數(shù)NIH值為（0.0007±0.0003）g/100 L。

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本文編輯 張丹妮

Hydraulics and in Vitro Hemolysis Test of Implantable Magnetic Suspending Ventricular Assist Device

WU Guang-hui1, LIN Chang-yan1, XU Chuang-ye1, LIU Xiu-jian1, HE Yu-na1, YANG Peng2, CHEN Chen2
1. Biomedical Engineering Laboratory, Beijing Institute of Heart Lung and Blood Vessel Diseases, Beijing Anzhen Hospital, Capital Medical University, Beijing 100029, China; 2. Research and Development Department, ChinaHeart Biomedical Inc, Suzhou Jiangsu 215125, China

ObjectiveTo test the working performance and hemocompatibility of a small implantable magnetic suspending ventricular assist device. Methods The hydraulic pump performance has been tested through in vitro mock circulation loop experiments. The in vitro tests referring to ASTM F1841 standard were made to test the in vitro hemolytic performance.ResultsIt turned out that the pump can deliver 5 L/min for pressures of 100 mmHg at a rotational speed of approximately 3500 rpm. The average normalized index of hemolysis values of the device was (0.0007±0.0003) mg/dL.ConclusionThe in vitro hydraulics test indicated that the device works with stable performance and can meet the requirements of adult ventricular assist, meanwhile, it has good hemolytic performance.

heart failure; ventricular assist device; maglev; hydraulics test; hemolysis test

R318.11

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.01.004

1674-1633(2017)01-0014-04

2016-09-18

2016-10-09

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）（2012AA041605）；國家自然科學(xué)基金（81670371）。

藺嫦燕，博士，研究員，主要研究方向?yàn)樾氖逸o助裝置及心血管生物力學(xué)。

通訊作者郵箱：llbl@sina.com