多種治療腦積水抗虹吸模擬仿真模型閥門的研究

張洪馳，程云章

上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海 200093

引言

腦積水治療一般以手術(shù)的方式為主，目前一般采用“腦室腹腔分流術(shù)”，即用埋藏在皮膚下的閥門和導(dǎo)管系統(tǒng)將腦脊液引流進(jìn)腹腔[1]。腦積水的治療過(guò)程多數(shù)耗時(shí)較長(zhǎng)，術(shù)后有眾多的并發(fā)癥，如裂隙狀側(cè)腦室綜合征、堵管、顱內(nèi)感染等[2]。其中，由于患者術(shù)后恢復(fù)過(guò)程中頻繁的體位改變，導(dǎo)致分流系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生虹吸力，從而發(fā)展成裂隙狀側(cè)腦室綜合征，引發(fā)硬腦膜下血腫，腦室端導(dǎo)管堵塞和囟門早閉（嬰幼兒）。如何選擇帶有抗虹吸功能的分流閥門成為臨床醫(yī)生關(guān)注的問(wèn)題[3]，本文通過(guò)對(duì)幾種抗虹吸功能閥門的仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)給出具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以幫助臨床醫(yī)生對(duì)帶有抗虹吸功能閥門的特點(diǎn)進(jìn)一步深入了解。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)臺(tái)，電腦，液壓檢測(cè)軟件，數(shù)字螺旋步進(jìn)器（Micro Press30-60-63），固定容積的水囊，醫(yī)用注射器（100 mL），3種不同的抗虹吸閥門，三通閥門（直徑2.4 mm；3/32英寸），塑料水管（直徑2.4 mm），生理鹽水。

1.2 方法

數(shù)字螺旋步進(jìn)器給予注射器相對(duì)恒定的液體壓力，將生理鹽水以恒定的壓力注射進(jìn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中；固定容積的水囊是用來(lái)模仿人的兩側(cè)側(cè)腦室環(huán)境，內(nèi)部放兩根塑料管，一根向水囊內(nèi)注入生理鹽水，另外一根將生理鹽水從水囊內(nèi)導(dǎo)出。固定壓力的生理鹽水注入水囊后，再經(jīng)過(guò)導(dǎo)管進(jìn)入三通閥門，三通閥門分別連接3個(gè)抗虹吸閥門，當(dāng)三通閥門打開后，所有的抗虹吸閥門都在相同的測(cè)試環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)。第一組實(shí)驗(yàn)先將所有閥門平放在試驗(yàn)臺(tái)上，用來(lái)模擬抗虹吸閥門植入在患者體內(nèi)后，患者平躺的狀態(tài)；得到數(shù)據(jù)后進(jìn)行記錄。第二組實(shí)驗(yàn)是將3個(gè)閥門垂直懸放試驗(yàn)臺(tái)下，用來(lái)模擬抗虹吸閥門植入在患者體內(nèi)后，患者站立的狀態(tài)，得到數(shù)據(jù)后進(jìn)行記錄。所有閥門終端連接壓力傳感器，壓力傳感器將經(jīng)過(guò)不同抗虹吸閥門的流體液壓傳遞到計(jì)算機(jī)上，由軟件顯示相關(guān)流體的變化情況?？傮w來(lái)說(shuō)，整體實(shí)驗(yàn)過(guò)程是數(shù)字螺旋步進(jìn)器不停的向系統(tǒng)內(nèi)注入固定壓力的生理鹽水，經(jīng)過(guò)水囊后流向三通閥門，先測(cè)試模擬患者平躺狀態(tài)下3個(gè)抗虹吸閥門的流速和壓力情況，然后轉(zhuǎn)換三通閥門的擺放狀態(tài)，再測(cè)試模擬患者站立狀態(tài)下3個(gè)抗虹吸閥門的流速和壓力情況。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖，見圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

2 閥門原理和測(cè)試數(shù)據(jù)

2.1 1號(hào)閥門

1號(hào)閥門結(jié)構(gòu)示意圖，見圖2。此閥門內(nèi)徑中的抗虹吸倉(cāng)有3個(gè)球狀結(jié)構(gòu)，進(jìn)端口處的球略小，遠(yuǎn)端口處的球略大，當(dāng)閥門中壓力為正時(shí)，液體將進(jìn)端口的小球推開，腦脊液可以正常進(jìn)行分流；當(dāng)閥門中壓力為負(fù)時(shí)，遠(yuǎn)端口的小球會(huì)因?yàn)楹缥Φ脑蚨伦∵h(yuǎn)端口，阻止由于虹吸力導(dǎo)致的腦脊液過(guò)度分流。

患者平躺狀態(tài)下1號(hào)閥門的狀態(tài)，見圖3。閥門中液體的壓力和流速，見表1。將10個(gè)節(jié)點(diǎn)（將相隔5 s的讀數(shù)進(jìn)行記錄）的壓力和流速計(jì)算均值后可知，當(dāng)壓力平均在9.16 cmH2O時(shí)，閥門內(nèi)部流速的平均值是32.06 mL/hr。患者站立狀態(tài)下1號(hào)閥門的狀態(tài)，見圖4。閥門中液體的壓力和流速，見表2。將10個(gè)節(jié)點(diǎn)的壓力和流速計(jì)算均值后可知，當(dāng)壓力平均在-5.51 cmH2O時(shí)，閥門內(nèi)部流速的平均值是250.9 mL/hr。

圖2 1號(hào)閥門結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 患者平躺狀態(tài)下的1號(hào)閥門狀態(tài)

表1 患者平躺狀態(tài)下1號(hào)閥門中液體的壓力和流速

圖4 患者站立狀態(tài)下的1號(hào)閥門的狀態(tài)

表2 患者站立狀態(tài)下1號(hào)閥門中液體的壓力和流速表

2.2 2號(hào)閥門

2號(hào)閥門結(jié)構(gòu)示意圖，見圖5。此閥門中的抗虹吸倉(cāng)內(nèi)有1個(gè)球狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)閥門內(nèi)的壓力為正時(shí)，小球因?yàn)榱黧w壓力的原因，讓開流出端端口；當(dāng)閥門內(nèi)的壓力為負(fù)時(shí)，由于負(fù)壓的原因，小球會(huì)堵住流出端端口，防止進(jìn)一步的過(guò)度分流。

患者平躺狀態(tài)下2號(hào)閥門的狀態(tài)，見圖6。閥門中液體的壓力和流速，見表3。將10個(gè)節(jié)點(diǎn)的壓力和流速計(jì)算均值后可知，當(dāng)壓力平均在8.41 cmH2O時(shí)，閥門內(nèi)部流速的平均值是71.86 mL/hr。

圖5 2號(hào)閥門結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 患者平躺狀態(tài)下2號(hào)閥門的狀態(tài)

表3 患者平躺狀態(tài)下2號(hào)閥門中液體的壓力和流速

患者站立狀態(tài)下2號(hào)閥門的狀態(tài)，見圖7。閥門中液體的壓力和流速，見表4。將10個(gè)節(jié)點(diǎn)的壓力和流速計(jì)算均值后可知，當(dāng)壓力平均在7.4 cmH2O時(shí)，閥門內(nèi)部流速的平均值是121.3 mL/hr。

圖7 患者站立狀態(tài)下2號(hào)閥門的狀態(tài)

表4 患者站立狀態(tài)下2號(hào)閥門中液體的壓力和流速

2.3 3號(hào)閥門

3號(hào)閥門的結(jié)構(gòu)示意圖，見圖8。此閥門中的抗虹吸倉(cāng)上表面是一層硅膠膜，當(dāng)閥門內(nèi)的壓力為正時(shí)，液體將硅膠膜撐開，液體由閥門中間的柱狀孔流出，當(dāng)閥門內(nèi)的壓力為負(fù)時(shí)，硅膠膜被負(fù)壓吸住，蓋住閥門中間的柱狀孔，液體不會(huì)流出。

圖8 3號(hào)閥門結(jié)構(gòu)示意圖

圖9 患者平躺狀態(tài)下3號(hào)閥門的狀態(tài)

表5 患者平躺狀態(tài)下3號(hào)閥門中液體的壓力和流速表

患者平躺狀態(tài)下3號(hào)閥門的狀態(tài)，見圖9。閥門中液體的壓力和流速，見表5。將10個(gè)節(jié)點(diǎn)的壓力和流速計(jì)算均值后可知，當(dāng)壓力平均在11.41 cmH2O時(shí)，閥門內(nèi)部流速的平均值是35.6 mL/hr?；颊哒玖顟B(tài)下3號(hào)閥門的狀態(tài)，見圖10。閥門中液體的壓力和流速，見表6。將10個(gè)節(jié)點(diǎn)的壓力和流速計(jì)算均值后可知，當(dāng)壓力平均在10.36 cmH2O時(shí)，閥門內(nèi)部流速的平均值是23.8 mL/hr。

圖10 患者站立狀態(tài)下3號(hào)閥門的狀態(tài)

表6 患者站立狀態(tài)下3號(hào)閥門中液體的壓力和流速表

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

模擬患者平躺時(shí)佩戴3種不同閥門的壓力流速，見表7。從數(shù)據(jù)上來(lái)看，模擬1號(hào)閥門佩戴在患者在平躺的狀態(tài)下是有一定的分流量的，但是從整體的數(shù)據(jù)上來(lái)看，隨著液體壓力增大，引流量有所下降，當(dāng)液體壓力升高到達(dá)一定值的時(shí)候，閥門遠(yuǎn)端口的小球會(huì)堵塞閥門，導(dǎo)致分流中斷，而且壓力逐漸增高的初期引流量還是過(guò)大。

表7 模擬患者平躺時(shí)佩戴3種不同閥門的壓力流速

從模擬2號(hào)閥門的數(shù)據(jù)來(lái)看，當(dāng)患者平躺時(shí)，整體的閥門系統(tǒng)表現(xiàn)相對(duì)比較平穩(wěn)，但是引流量過(guò)高。

模擬3號(hào)閥門的據(jù)說(shuō)可以看出，當(dāng)患者處于平臥位時(shí)，分流的速度相對(duì)比較平穩(wěn)，按照20 mL/h的正常值來(lái)看[4]，數(shù)據(jù)雖然偏高了一點(diǎn)，但是對(duì)于腦積水患者來(lái)說(shuō)，除了考慮腦脊液流速的問(wèn)題還需要考慮顱內(nèi)壓是否正常[5]，所以這個(gè)分流量還是可以接受的。

模擬患者站立時(shí)佩戴3種不同閥門的壓力流速，見表8。模擬1號(hào)閥門從數(shù)據(jù)上看，這個(gè)結(jié)構(gòu)的閥門沒有對(duì)虹吸力形成有效的截抗，整個(gè)測(cè)試過(guò)程中有比較明顯的過(guò)度分流的現(xiàn)象。當(dāng)然，在實(shí)際的臨床情況下，也會(huì)考慮腹壓對(duì)于整體的閥門系統(tǒng)有一定的影響[6]。

表8 模擬患者站立時(shí)佩戴3種不同閥門的壓力流速表

模擬2號(hào)閥門從數(shù)據(jù)上可以看的出，當(dāng)患者站立狀態(tài)下，引流量還是偏多，尤其是體位發(fā)生突然變化時(shí)，流速的變化呈現(xiàn)一定規(guī)律，但是有點(diǎn)劇烈。臨床中，以上結(jié)果也有可能因?yàn)橹踩氩划?dāng)引起[7]。

模擬3號(hào)閥門從數(shù)據(jù)上可以看的出，當(dāng)患者處于站立狀態(tài)時(shí)，分流量還是比較穩(wěn)定的，并且對(duì)于腦積水患者來(lái)說(shuō)，這個(gè)分流量還是非常接近正常水平的[7]。

4 討論與結(jié)論

從實(shí)驗(yàn)的結(jié)果來(lái)看，1號(hào)和2號(hào)閥門無(wú)論是在患者橫臥位還是站立位的情況下，都存在過(guò)度分流的現(xiàn)象，整體表現(xiàn)都不是很好，也就是說(shuō)兩種閥門在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中并沒有表現(xiàn)出良好的截抗虹吸力的能力。3號(hào)閥門在2種實(shí)驗(yàn)環(huán)境下的表現(xiàn)相對(duì)前兩者而言還是比較良好的，雖然3號(hào)閥門存在同樣的過(guò)度分流的問(wèn)題，但是數(shù)值方面相對(duì)可以接受，配合可以控制腦脊液循環(huán)壓力的閥門，可以達(dá)到正常調(diào)節(jié)的水平[8]。值得指出的是，3號(hào)閥門在患者站立的狀態(tài)下本身就比較接近正常的腦脊液循環(huán)狀態(tài)[9]。

通過(guò)以往的臨床數(shù)據(jù)來(lái)看，腦積水在臨床治療中，有64%的病例主要關(guān)注在顱內(nèi)壓的調(diào)節(jié)上面[10]，針對(duì)腦積水的治療，主要目的是要恢復(fù)患者正常的腦脊液循環(huán)過(guò)程，同時(shí)關(guān)注的是腦脊液的流速以及顱內(nèi)壓的水平。首先，正常的腦脊液循環(huán)速度是20 mL/h左右，正常的顱內(nèi)壓大概是 70～200 mmH2O（成年人），50～100 mmH2O（兒童）[11]，治療腦積水患者需要解決的問(wèn)題就是恢復(fù)腦脊液正常的循環(huán)速度，也要恢復(fù)患者正常的顱內(nèi)壓[12]?；颊咴谑褂媚X脊液分流管進(jìn)行治療時(shí)，經(jīng)常會(huì)因?yàn)轶w位的突然變化導(dǎo)致腦脊液分流系統(tǒng)中形成負(fù)壓虹吸力，導(dǎo)致裂隙狀側(cè)腦室，進(jìn)一步引起硬腦膜下血腫、囟門早閉和腦室端導(dǎo)管堵塞等臨床并發(fā)癥。往往臨床上會(huì)因?yàn)楹鲆暳诉@樣一類情況的存在導(dǎo)致23%的腦積水患者在接受治療過(guò)程中出現(xiàn)了各種并發(fā)癥[13]，從而影響了腦積水的治療和恢復(fù)結(jié)果。對(duì)于臨床治療腦積水的過(guò)程來(lái)說(shuō)，近些年學(xué)術(shù)界將截抗虹吸力的問(wèn)題都列為非常重要的關(guān)注點(diǎn)之一[14]。通過(guò)此實(shí)驗(yàn)，對(duì)于臨床醫(yī)生如何選擇抗虹吸閥門，選擇何種抗虹吸閥門有了一個(gè)明確的參考，從而降低臨床上因?yàn)榱严稜顐?cè)腦室癥帶來(lái)的多種并發(fā)癥的比例。另外一方面，也能進(jìn)一步提高臨床醫(yī)生對(duì)于裂隙狀側(cè)腦室癥的關(guān)注度[15]。

最后，整體評(píng)價(jià)全部的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，還沒有針對(duì)患者處于半臥床狀態(tài)下的測(cè)試，并且處于不同角度的半臥床位置時(shí)，還缺乏實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，所以需要進(jìn)一步的全面實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)試相應(yīng)的閥門數(shù)據(jù)。醫(yī)生和患者對(duì)于未來(lái)腦脊液分流系統(tǒng)的期望是更加的智能化[16]，能夠應(yīng)對(duì)患者在日常生活中碰到的各種情況，使得患者在植入腦脊液分流管后，迅速的恢復(fù)到日常生活中去，借助人性化的科技手段，來(lái)幫助臨床醫(yī)生實(shí)現(xiàn)腦脊液分流系統(tǒng)的有效性，適應(yīng)性等需求的應(yīng)對(duì)。

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