便攜式體外生命支持系統(tǒng)離體和在體實(shí)驗(yàn)研究

劉 宇，周圓圓，尹宗濤，李洪誼，王輝山

·基礎(chǔ)研究·

便攜式體外生命支持系統(tǒng)離體和在體實(shí)驗(yàn)研究

劉 宇，周圓圓，尹宗濤，李洪誼，王輝山

目的 初步考察便攜式體外生命支持系統(tǒng)的離體和在體性能。方法 離體實(shí)驗(yàn)檢測(cè)便攜式體外生命支持系統(tǒng)的穩(wěn)定性;在體實(shí)驗(yàn)中12只雌性巴馬香豬隨機(jī)分為實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組，每組6只。分別應(yīng)用便攜式體外生命支持系統(tǒng)及Maquet公司Rotaflow系統(tǒng)進(jìn)行體外循環(huán)，4.0 L/min運(yùn)轉(zhuǎn)6 h，于轉(zhuǎn)流前、轉(zhuǎn)流中每2 h及轉(zhuǎn)流后取靜脈血檢測(cè)游離血紅蛋白含量評(píng)價(jià)裝置溶血性能并檢測(cè)血小板激活率。結(jié)果 離體實(shí)驗(yàn)證實(shí)便攜式體外生命支持系統(tǒng)穩(wěn)定性優(yōu)于或等于同類Maquet公司Rotaflow系統(tǒng);在體實(shí)驗(yàn)提示4.0 L/min流量運(yùn)行6 h，血漿游離血紅蛋白含量均在50 g/L以下，血小板激活均小于8%。結(jié)論便攜式體外生命支持系統(tǒng)離體和在體性能穩(wěn)定、可靠。

便攜;體外生命支持;動(dòng)物實(shí)驗(yàn);體外實(shí)驗(yàn)

戰(zhàn)傷及外傷所致的嚴(yán)重心臟、大血管損傷救治難度大、死亡率高，很多由于無(wú)法接受及時(shí)、合理的治療導(dǎo)致死亡?；仡櫺匝芯堪l(fā)現(xiàn)，心肺復(fù)蘇等院前急救措施的普及顯著提高了院前心跳驟?；颊叩膿尵瘸晒β剩?］，但搶救成功率也僅有30%。體外膜肺氧合(extracorporeal membrane oxygenation，ECMO)技術(shù)為體外生命支持治療提供了一個(gè)新的方向和選擇，應(yīng)用ECMO救治戰(zhàn)傷和嚴(yán)重創(chuàng)傷可能會(huì)為這部分傷員的后送和救治贏得時(shí)間，這同時(shí)也對(duì)ECMO救治的現(xiàn)場(chǎng)性提出了新的要求［2］。目前，臨床應(yīng)用的ECMO系統(tǒng)便攜性較差并且長(zhǎng)期以來(lái)為進(jìn)口產(chǎn)品，無(wú)法滿足現(xiàn)場(chǎng)救治的便攜性要求，同時(shí)限制了國(guó)產(chǎn)醫(yī)療設(shè)備的發(fā)展。本課題前期初步構(gòu)建了國(guó)產(chǎn)化便攜式體外生命支持系統(tǒng)(portable extracorporeal life support system，PELS)，此研究主要考察該系統(tǒng)部分離體和在體性能。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物 健康成年雌性巴馬香豬(沈陽(yáng)軍區(qū)總醫(yī)院實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心提供)12只，體重38～52(44.92 ±4.5)kg，術(shù)前12 h禁食，4 h禁飲。

1.2 主要儀器及材料 對(duì)照組采用Maquet公司Rotaflow系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)組采用自行研制PELS系統(tǒng)，兩套系統(tǒng)均采用Maquet公司ECMO套包，Sorin公司變溫水箱。體外插管:Edward公司16 F股動(dòng)脈插管、18 F股靜脈插管;Datex－Ohmeda公司S/5多功能監(jiān)護(hù)儀，預(yù)充液總量約為600 ml(其中包括復(fù)方乳酸鈉注射液600 ml，肝素4 000 U)。血漿游離血紅蛋白(plasma free hemoglobin，PFH)試劑盒(Sigma公司，StLouis，MO)，血小板激活試劑盒(Sigma公司，St Louis，MO)等。

1.3 裝置設(shè)計(jì) PELS系統(tǒng)以磁耦合離心驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，輔助有轉(zhuǎn)速控制，血流量檢測(cè)，血液壓力檢測(cè)的多傳感血液循環(huán)裝置。該裝置通過(guò)磁耦合驅(qū)動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)離心泵頭轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)。采用Maxon高速電機(jī)提供動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，集成有超聲波血液流量監(jiān)測(cè)傳感器及高精度血液壓力監(jiān)測(cè)傳感器，可實(shí)現(xiàn)血液循環(huán)壓力連續(xù)在線監(jiān)測(cè)與報(bào)警。同時(shí)為了滿足便攜式的野外急救需要，本裝置還集成了基于鋰電池供電的電源管理系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)市電與鋰電池供電工作兩種工作方式，鋰電池供電下系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)不小于4 h。該裝置整體尺寸不超過(guò)300mm×300 mm×400 mm，總體重量不超過(guò)10 kg，見(jiàn)圖1。

圖1 PELS系統(tǒng)實(shí)物圖

1.4 離體實(shí)驗(yàn) 建立PELS離體循環(huán)實(shí)驗(yàn)管路，主要包括PELS系統(tǒng)，ECMO套包，超聲波流量計(jì)，循環(huán)水槽等，如圖2。

圖2 PELS體外實(shí)驗(yàn)?zāi)M管路連接圖

PELS系統(tǒng)體外模擬測(cè)試，包括驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性、流量檢測(cè)穩(wěn)定性測(cè)試、壓力穩(wěn)定性測(cè)試及電池供電時(shí)間測(cè)試。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)PELS系統(tǒng)進(jìn)行全面測(cè)評(píng)，在電池供電下，通過(guò)設(shè)置(轉(zhuǎn)速、流量)兩個(gè)參數(shù)，進(jìn)行(轉(zhuǎn)速、流量、壓力)三個(gè)參數(shù)的監(jiān)測(cè)，測(cè)試時(shí)長(zhǎng)4 h。具體參數(shù)設(shè)置如下:設(shè)置PELS的轉(zhuǎn)速分別為2 000 r/min和4 000 r/min，流量分別為1.0 L/ min和4.5 L/min，然后檢測(cè)PELS系統(tǒng)輸出的(轉(zhuǎn)速、流量、壓力)三個(gè)參數(shù)。具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下:按圖示連接好管路系統(tǒng)后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)充，設(shè)置PELS系統(tǒng)轉(zhuǎn)速分別為2 000 r/min和4 000 r/min，通過(guò)調(diào)節(jié)節(jié)流閥設(shè)置超聲波流量計(jì)顯示流量分別為1.0 L/min和4.5 L/min，啟動(dòng)PELS數(shù)據(jù)保存功能，系統(tǒng)將自動(dòng)保存(轉(zhuǎn)速、流量、壓力)三個(gè)檢測(cè)參數(shù)，每次采用電池供電運(yùn)行，運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)4 h，重復(fù)實(shí)驗(yàn)4次。

1.5 在體實(shí)驗(yàn)

1.5.1 動(dòng)物模型建立 實(shí)驗(yàn)用豬采用氯胺酮20 mg/kg及阿托品0.5 mg肌內(nèi)注射誘導(dǎo)麻醉，1.5%～2.0%異氟烷面罩吸入5 min后行氣管內(nèi)插管，呼吸機(jī)輔助呼吸，吸入氧濃度40%，潮氣量10 ml/kg，呼吸頻率15～20次/min。右頸部、胸部、下腹部、雙側(cè)腹股溝備皮，胸部貼電極片行心電監(jiān)護(hù)，豬舌中部夾氧飽和度探頭監(jiān)測(cè)末梢血氧飽和度，肛門置溫度探頭監(jiān)測(cè)直腸溫度。術(shù)區(qū)以安爾碘消毒，鋪無(wú)菌單。雙側(cè)腹股溝穿刺左側(cè)股靜脈及右側(cè)股動(dòng)靜脈，分別置入5 F中心靜脈導(dǎo)管、20 G動(dòng)脈穿刺針作為中心靜脈壓、靜脈輸液通路及動(dòng)脈監(jiān)測(cè)。右頸部氣管旁行約4 cm長(zhǎng)縱切口，切開(kāi)皮膚、皮下組織，胸鎖乳突肌中點(diǎn)內(nèi)側(cè)肌間溝內(nèi)分離出右側(cè)頸總動(dòng)脈及頸內(nèi)靜脈，以5－0 Prolene縫線于頸總動(dòng)脈及頸內(nèi)靜脈預(yù)置荷包縫線，切開(kāi)血管后分別置入16 F股動(dòng)脈插管及18 F股靜脈插管(股靜脈插管需置入右心房?jī)?nèi))，股靜脈注射肝素鈉300 U/kg全身肝素化。體外生命支持系統(tǒng)及ECMO系統(tǒng)管道預(yù)充排氣，連接動(dòng)靜脈插管建立體外循環(huán)。4.0 L/min運(yùn)轉(zhuǎn)6 h，于轉(zhuǎn)流前、轉(zhuǎn)流期間每2 h和轉(zhuǎn)流后采集靜脈血10 ml用于后續(xù)檢測(cè)，而后逐漸減低流量并停機(jī)。拔除頸總動(dòng)脈及頸內(nèi)靜脈插管，收緊荷包線打結(jié)止血，魚精蛋白中和肝素。

1.5.2 PFH檢測(cè) 待測(cè)全血1 ml，4℃，15 000 g離心10 min，分離血清，再次4℃，15 000 g離心10 min。應(yīng)用PFH試劑盒，在試管內(nèi)分別加入待測(cè)血漿20μl，空白管加去離子水20μl，標(biāo)準(zhǔn)管加血紅蛋白標(biāo)準(zhǔn)液20μl。于上述各管內(nèi)加入1.0 ml 0.2%鄰甲苯胺溶液，再加入1.0 m l 1%過(guò)氧化氫溶液，混勻放置10 min，各管加入10 ml 10%冰乙酸溶液，于分光光度計(jì)波長(zhǎng)為435 nm測(cè)定濃度。

1.5.3 血小板激活 檢測(cè)應(yīng)用血小板激活檢測(cè)試劑盒，待測(cè)全血20μl，加入熒光素標(biāo)記的抗血小板單克隆抗體各10μl，室溫避光反應(yīng)20 min，立即加入1.0ml1%多聚甲醛混勻，4℃保存，24 h內(nèi)在流式細(xì)胞儀上分析。以CSD、FSC和CD61識(shí)別獲取血小板，以速度300個(gè)/s獲取10 000個(gè)血小板進(jìn)行FL1和FL2分析。ELISA定量測(cè)定血漿中WF及CD62P水平。計(jì)算血小板激活指數(shù)。

2 結(jié)果

2.1 離體實(shí)驗(yàn)結(jié)果 離體實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，PELS系統(tǒng)可以穩(wěn)定輸出預(yù)設(shè)的轉(zhuǎn)速及相應(yīng)流量，本系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)均優(yōu)于目前Maquet公司Rotaflow產(chǎn)品的公開(kāi)技術(shù)參數(shù)。見(jiàn)表1～3。

表1 PELS系統(tǒng)與Maquet公司Rotaflow產(chǎn)品參數(shù)對(duì)照表

2.2 在體實(shí)驗(yàn)結(jié)果 PELS系統(tǒng)及Maquet公司Rotaflow系統(tǒng)均運(yùn)行平穩(wěn)，全組實(shí)驗(yàn)動(dòng)物無(wú)死亡。

2.2.1 PFH檢測(cè) PFH檢測(cè)結(jié)果顯示，4.0 L/min裝置運(yùn)行6 h后，兩組PFH含量均在50 g/L以下，兩組間比較無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，提示兩套裝置對(duì)血細(xì)胞損傷較弱，并且在應(yīng)用相同ECMO套包的條件下，PELS系統(tǒng)與Rotaflow系統(tǒng)相比紅細(xì)胞損傷無(wú)顯著性差異。見(jiàn)圖3。

圖3 PFH檢測(cè)

2.2.2 血小板激活檢測(cè) 血小板激活性能檢測(cè)結(jié)果顯示，4.0 L/min裝置運(yùn)行6 h，兩種裝置對(duì)血小板激活均在8%以下，實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組血小板激活無(wú)顯著差異。見(jiàn)圖4。

圖4 血小板激活檢測(cè)

3 討論

表2 PELS系統(tǒng)離體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表(±s)

表2 PELS系統(tǒng)離體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表(±s)

序號(hào) 設(shè)定轉(zhuǎn)速(r/min) 設(shè)定流量(L/min) 平均轉(zhuǎn)速(r/min) 平均流量(L/min) 平均壓力(mm Hg) 1 2 000 1.0 1 987±6.0 1.02±0.04 105±0.69 2 2 000 1.0 1 989±5.2 1.03±0.04 106±0.69 3 2 000 1.0 2 002±4.3 1.01±0.05 113±0.54 4 2 000 1.0 1 999±3.8 1.06±0.03 104±1.45平均 2 000 1.0 1 994±4.8 1.03±0.04 107±0.84

表3 PELS系統(tǒng)離體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表(±s)

表3 PELS系統(tǒng)離體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表(±s)

序號(hào) 設(shè)定轉(zhuǎn)速(r/min) 設(shè)定流量(L/min) 平均轉(zhuǎn)速(r/min) 平均流量(L/min) 平均壓力(mm Hg) 1 4 000 4.5 3 977±6.5 4.45±0.03 370±0.72 2 4 000 4.5 3 976±6.8 4.55±0.03 364±1.32 3 4 000 4.5 3 983±5.5 4.55±0.03 366±0.72 4 4 000 4.5 4 000±3.7 4.48±0.03 373±0.8平均 4 000 4.5 3 984±6.5 4.51±0.03 368±1.32

戰(zhàn)場(chǎng)及外傷后心臟及大血管損傷可以迅速導(dǎo)致失血性休克救治難度較大，通過(guò)PELS在院前或基層醫(yī)療機(jī)構(gòu)用于這類傷員的救治可以贏得寶貴的救治時(shí)間。因此，研制國(guó)產(chǎn)化的PELS系統(tǒng)對(duì)于國(guó)產(chǎn)醫(yī)療設(shè)備的發(fā)展及危重患者救治均具有積極作用。但是，目前臨床應(yīng)用的ECMO系統(tǒng)設(shè)備龐大、操作復(fù)雜、移動(dòng)性差，無(wú)法滿足現(xiàn)場(chǎng)救治等惡劣條件下的應(yīng)用需要［3］。針對(duì)這些問(wèn)題，本課題組前期工作中設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)了PELS系統(tǒng)，以磁耦合離心血泵為基礎(chǔ)構(gòu)建了PELS系統(tǒng)的泵裝置。

氧合器、泵裝置和循環(huán)管路是體外生命支持設(shè)備必不可少的三大組件。其中，影響設(shè)備便攜性的瓶頸主要在于泵裝置。因此，筆者首先僅對(duì)泵裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)及開(kāi)發(fā)，使其可以兼容Maquet公司的ECMO套包。由于氧合器和循環(huán)管路共同組成ECMO套包，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)期間氧合效率及CO2排出等考察氧合器的這種指標(biāo)并不在本考察范圍內(nèi)。本次主要考察了泵裝置與Maquet公司離心泵頭兼容性能。

本研究的PELS系統(tǒng)基于磁耦合離心驅(qū)動(dòng)原理，實(shí)現(xiàn)了體外輔助循環(huán)的小型化便攜式集成。該裝置通過(guò)磁耦合驅(qū)動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)離心泵頭轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)［4］，離心泵頭與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)分離，可實(shí)現(xiàn)血液循環(huán)過(guò)程中的封閉運(yùn)行，減少血液污染，離心泵頭可為一次性耗材，減少了血液交叉感染。采用高速電機(jī)提供動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，可滿足成人血液循環(huán)所需流量［5］。由于本系統(tǒng)集成了血液流量監(jiān)測(cè)傳感器及高精度血液壓力監(jiān)測(cè)傳感器，可以滿足體外生命支持過(guò)程中的安全使用。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)便攜式的野外急救，本裝置集成了大容量鋰電池，可以滿足長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)。此外，整機(jī)尺寸不超過(guò)300mm×300 mm×400 mm，總體重量不超過(guò)10 kg，實(shí)現(xiàn)救護(hù)車搭載或單人攜帶，也保證了該裝置的便攜性能，大大提高了體外輔助循環(huán)應(yīng)用范圍。離體實(shí)驗(yàn)提示，該裝置可以很好的兼容Maquet公司ECMO套包，在相同條件下其轉(zhuǎn)速、流量學(xué)、電池工作時(shí)長(zhǎng)上均優(yōu)于Maquet公司的Rotaflow系統(tǒng)。

為檢測(cè)PELS系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用效果，筆者進(jìn)行了動(dòng)物實(shí)驗(yàn)。在課題組之前進(jìn)行ECMO輔助動(dòng)物模型基礎(chǔ)上［6］，進(jìn)行了PELS系統(tǒng)及Rotaflow系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間ECMO輔助實(shí)驗(yàn)。本動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中檢測(cè)了PFH及血小板激活情況，結(jié)果表明，PELS系統(tǒng)輔助6 h后血PFH含量及血小板激活情況與Rotaflow系統(tǒng)相比無(wú)顯著差異，提示PELS系統(tǒng)輔助6 h以內(nèi)對(duì)紅細(xì)胞的損害與Rotaflow系統(tǒng)無(wú)顯著差異，能夠符合臨床要求，足以滿足戰(zhàn)場(chǎng)救治后送需要。

綜上所述，自行研制的PELS系統(tǒng)與Maquet公司Rotaflow離心泵相比具有相似穩(wěn)定性，優(yōu)秀的便攜性和超長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間，并且可以很好的兼容Maquet公司ECMO套包，6 h內(nèi)不增加紅細(xì)胞損傷的風(fēng)險(xiǎn)，可以實(shí)現(xiàn)短時(shí)間傷病員后送及體外生命支持的需要。

［1］ Daya MR，Schmicker RH，Zive DM，et al.Out－of－h(huán)ospital cardiac arrest survival improving over time:Results from the Resuscitation Outcomes Consortium(ROC)［J］.Resuscitation，2015，91 (1):108－115.

［2］ Schmidt F，Sasse M，Boehne M，et al.Concept of"awake venovenous extracorporealmembrane oxygenation"in pediatric patients awaiting lung transplantation［J］.Pediatr Transplant，2013，17 (3):224－230.

［3］ Wu ZJ，Zhang T，Bianchi G，et al.Thirty－day in－vivo performance of a wearable artificial pump－lung for ambulatory respiratory support［J］.Ann Thorac Surg，2012，93(1):274－281.

［4］ 關(guān)醒凡.現(xiàn)代泵技術(shù)手冊(cè)［M］.第1版.北京:宇航出版社，1995.179－305.

［5］ 張根廣，張鳴遠(yuǎn)，楊萬(wàn)英，等.模型血泵相似性設(shè)計(jì)及驗(yàn)證［J］.西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，42(1):32－35.

［6］ 劉宇，張永，韓勁松，等.失血性休克后深低溫救治－復(fù)蘇小型豬模型的建立［J］.中國(guó)體外循環(huán)雜志，2016，14(2):56－59.

Portable extracorporeal life support system in vitro and in vivo experiment

Liu Yu，Zhou Yuan－yuan，Yin Zong－tao，Li Hong－yi，Wang Hui－shan
Department of Cardiovascular Surgery，General Hospital of Shenyang Military Area Command，Shenyang，110016，China

Wang Hui－shan，Email:huishanwang@hotmail.com

Ob jective To explore the performance of a portable extracorporeal life support(PELS)system in vitro and in vivo.Methods In vitro，PELSsystem was tested for stable assessment;in vivo，12 female swinewere randomized into experimentgroup(n =6)and control group(n=6).Cardiopulmonary bypass(CPB)was repectively established with PELSand RotaFlow with 4 L/min of flow for 6 h.The plasma free hemoglobin and plateletactivation were evaluated before initial of CPB，every 2 hs in CPB and after terminated CPB.Results In vitro，experiments confirmed that the stability of PELSsystem was better than or equal to Maquet company Rotaflow system;in vivo，the plasma free hemoglobin was lower than 20 g/L and the plateletactivation was lower than 10%after 6 h performance of PELS system.Conclusion The portable extracorporeal life support system conducts the reliable performance in vitro and in vivo.

Portable;Extracorporeal life support;In vivo;In vitro

2016-10-12)

2017-01-19)

10.13498/j.cnki.chin.j.ecc.2017.01.10

2013年軍隊(duì)裝備研制項(xiàng)目重大項(xiàng)目(ASY135001);2014年遼寧省建設(shè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新體系示范工程醫(yī)療器械臨床研究平臺(tái)(2014305006)

110016沈陽(yáng)，沈陽(yáng)軍區(qū)總醫(yī)院心血管外科(劉宇、尹宗濤、王輝山);110167沈陽(yáng)，中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所(周圓圓、李洪誼)

王輝山，Email:huishanwang@hotmail.com