模擬血液循環(huán)回路的發(fā)展*

黃峰、朱卓玲

（中國計(jì)量大學(xué)計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院，杭州310000）

1 背景和概述

心力衰竭已經(jīng)嚴(yán)重威脅人類健康，同時(shí)，心臟病人的數(shù)據(jù)在連續(xù)攀升，影響了全世界超過2.6億人口[1-2]。醫(yī)學(xué)上治療終末期心衰的最有效辦法是心臟移植[3]，但是供體數(shù)量嚴(yán)重不足，極大地制約了心衰患者的救助率。近年來，心室輔助裝置（VAD）的發(fā)展為心衰的治療帶來了新的思路，已成為終末期心衰治療中的重要手段。血泵是心室輔助裝置的核心，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，血泵自早期的搏動(dòng)容積式發(fā)展到連續(xù)流葉輪式，即目前普遍采用的旋轉(zhuǎn)血泵，血泵性能得到大大提高[4]，但是不可忽視的是，血泵仍然存在著許多的問題，需要更進(jìn)一步的研究發(fā)展。

在血泵的研發(fā)過程中需要對(duì)其性能進(jìn)行評(píng)估，而最有效的辦法是在真實(shí)的血液循環(huán)系統(tǒng)中測(cè)試，即動(dòng)物試驗(yàn)，也可稱為活體試驗(yàn)。但是活體試驗(yàn)的周期長、可重復(fù)性差，在很大程度上延緩研發(fā)進(jìn)展。在活體試驗(yàn)之前采用體外測(cè)試方法評(píng)估血泵的性能，可以加快研制步伐，節(jié)約資源，是活體試驗(yàn)的重要補(bǔ)充。

2 模擬血液循環(huán)回路

體外測(cè)試平臺(tái)需要建立起與人體真實(shí)血液循環(huán)系統(tǒng)相同的宏觀血流動(dòng)力學(xué)環(huán)境，為血泵提供與真實(shí)相似的工作環(huán)境，即模擬循環(huán)回路。模擬循環(huán)回路模擬人體血液循環(huán)系統(tǒng)的各種特征，其復(fù)雜程度隨著模擬功能的增加而增加。例如，主動(dòng)脈和大動(dòng)脈最主要的特征是順應(yīng)性，即可伸縮性，普遍采用基于彈性腔[5]的模擬方法實(shí)現(xiàn)，即使用密封有一定氣體的容器腔，通過調(diào)整氣體與流體的體積比實(shí)現(xiàn)不同的順應(yīng)性值。

根據(jù)血泵的類型和其實(shí)際測(cè)試的需要，模擬循環(huán)回路可分別模擬血液循環(huán)系統(tǒng)的體循環(huán)、肺循環(huán)或者完整的雙循環(huán)，可以測(cè)試血泵的基本水力性能，評(píng)估其輔助血液循環(huán)的能力，也能對(duì)其長期的穩(wěn)定性和可靠性進(jìn)行驗(yàn)證和評(píng)價(jià)。另外，模擬循環(huán)回路還可作為血泵生理控制的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，功能多樣化[6-7]。

3 模擬循環(huán)回路各類結(jié)構(gòu)的發(fā)展

至今為止，模擬循環(huán)回路經(jīng)過了多年的發(fā)展，從早期無心臟搏動(dòng)的模擬，到采用推板活塞方式和氣動(dòng)方式模擬搏動(dòng)，以及近年來較多采用的硬件在環(huán)回路方式，功能越來越完整。

3.1 簡單測(cè)試回路

較早時(shí)，一些研究人員采用了相對(duì)簡單的體外測(cè)試系統(tǒng)，此類系統(tǒng)未模擬心臟搏動(dòng)的功能，主要實(shí)現(xiàn)血管的阻力和順應(yīng)性特征，回路的驅(qū)動(dòng)使用的是測(cè)試泵本身。Makinouchi等[8]設(shè)計(jì)了一個(gè)簡單的測(cè)試回路來評(píng)估離心血泵的水力損失，見圖1（b），該回路包括一個(gè)相當(dāng)于血管阻力的模塊和一個(gè)儲(chǔ)液容器，血管阻力利用一個(gè)夾持裝置來模擬。見圖1（a）、圖 1（c），Yoshino等[9]與 Yoshizawa等[10]采用了類似的測(cè)試回路測(cè)試血泵的性能。由于無心臟搏動(dòng)功能，這些回路并不是嚴(yán)格意義上的模擬循環(huán)回路，只是簡單的體外測(cè)試回路。

圖1 Yoshino等人建立的簡單測(cè)試回路Fig 1 The simple testing loops

3.2 推板式模擬循環(huán)回路

隨著對(duì)體外測(cè)試功能要求的增多，循環(huán)回路增加了心室搏動(dòng)的模擬，從而為血泵測(cè)試提供更接近真實(shí)的生理環(huán)境。

Yokoyama等[11]設(shè)計(jì)了一個(gè)新的脈動(dòng)循環(huán)回路，見圖2，包含左心室模型、動(dòng)脈系統(tǒng)模型、靜脈系統(tǒng)模型、代表右心的離心泵以及肺循環(huán)。左心室袋放置在一個(gè)充滿空氣和液體的密封腔中，通過改變兩者的比例，改變心室的彈性值，從而實(shí)現(xiàn)不同水平的收縮性，由線性執(zhí)行器與推板的組合來實(shí)現(xiàn)心室的收縮和舒張。心室袋出入口均安裝有單向閥門來防止流體的倒流?；芈分徐o脈系統(tǒng)容器均與大氣相通，以消除動(dòng)脈脈動(dòng)的影響。

Legendre和 Fonseca等[12-13]建立的模擬循環(huán)回路中，使用引擎驅(qū)動(dòng)活塞推動(dòng)模擬心室腔內(nèi)的隔膜以實(shí)現(xiàn)搏動(dòng)，見圖3。圖4為Zannoli等[14]構(gòu)建的心血管系統(tǒng)機(jī)械模擬器，采用了與Legendre的裝置類似的心室搏動(dòng)模擬方法。

Leopaldi等[15]設(shè)計(jì)的體外測(cè)試平臺(tái)見圖 5，利用計(jì)算機(jī)控制的活塞泵直接驅(qū)動(dòng)心室壁，使其周期性運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)循環(huán)泵功能。Mueller等[16]建立了右心室模擬循環(huán)回路，利用帶有位置控制的活塞系統(tǒng)的直線電機(jī)，實(shí)現(xiàn)右心室模型的收縮與舒張，模擬心動(dòng)周期及心臟的跳動(dòng)。

圖2 Yokoyama等建立的模擬循環(huán)回路Fig 2 The mock loop established by Yokoyama

圖3 Legendre等人建立的模擬循環(huán)裝置Fig 3 The mock loop by Legendre

圖4 Zannoli等人建立的心血管系統(tǒng)機(jī)械模擬器Fig 4 The mechanical simulator of the cardiovascular system by Zannol

3.3 氣動(dòng)式模擬循環(huán)回路

一些研究人員以壓縮空氣作為驅(qū)動(dòng)，模擬心臟的搏動(dòng)，開發(fā)了另一類型的體外模擬循環(huán)回路。

Timms等人[17-18]建立了一個(gè)包含體循環(huán)和肺循環(huán)的完整的模擬循環(huán)系統(tǒng)，可以用于左、右心室輔助裝置以及雙心室輔助裝置的體外性能評(píng)估，見圖6。心室的收縮和舒張通過向模擬心室腔中通入壓縮空氣或者將心室腔與大氣相通來實(shí)現(xiàn)，這里氣路的換向采用了二位三通電磁閥，其換向的頻率對(duì)應(yīng)了心率的大小。模擬心房腔中的流體高度，建立與舒張心室之間的壓力梯度，從而讓模擬心室腔在舒張期能夠被動(dòng)充盈。止回閥在回路中相當(dāng)于心臟瓣膜，防止流體的倒流。該裝置使用了傳統(tǒng)的彈性腔實(shí)現(xiàn)血管順應(yīng)性，體循環(huán)和肺循環(huán)血管的阻力則通過比例控制閥調(diào)整。

圖5 Leopaldi等人設(shè)計(jì)的體外測(cè)試平臺(tái)Fig 5 The testing loop by Leopaldi

Liu等人[19]設(shè)計(jì)的循環(huán)模擬系統(tǒng)見圖 7（a），包括了體循環(huán)和肺循環(huán)，使用氣體擠壓硅膜組成的心室腔來模擬心室的搏動(dòng)。Krabatsch等人[20]在測(cè)試HeartWare LVAD時(shí)搭建了一個(gè)模擬循環(huán)回路，直接使用了一個(gè)氣動(dòng)式血泵作為模擬心室，驅(qū)動(dòng)整個(gè)回路，回路見圖7（b）。

圖6 Timms等人的氣動(dòng)式模擬循環(huán)回路，包含完整的體循環(huán)和肺循環(huán)Fig 6 The pneumatic mock loop by Timms，including the systemic circulation and the pulmonary circulation

圖7 其它氣動(dòng)式模擬循環(huán)回路Fig 7 The other pneumatic mock loops

3.4 混合式模擬循環(huán)回路

隨著血液循環(huán)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的發(fā)展，一些研究者開始采用半實(shí)物仿真的方法來搭建混合式的模擬循環(huán)回路。

Ochsner等人[21]建立的“硬件在環(huán)”形式的混合模擬循環(huán)回路見圖8，包括軟件模型、硬件回路以及軟硬件之間的數(shù)據(jù)接口三部分。集總參數(shù)描述的血液循環(huán)數(shù)學(xué)模型[17]，在Matlab/Simulink軟件中進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)值模擬，獲得所需的血液循環(huán)系統(tǒng)關(guān)鍵位置處，如左心室、主動(dòng)脈等處的血壓，并以此為設(shè)定值，通過反饋控制使實(shí)際物理容器中的壓力實(shí)時(shí)跟隨設(shè)定值，此時(shí)即可將相應(yīng)的物理容器視為模擬左心室或者主動(dòng)脈，它們?yōu)檠眠M(jìn)出口提供了與人體循環(huán)系統(tǒng)相應(yīng)位置相似的壓力環(huán)境。在該進(jìn)出口壓力情況下，測(cè)試血泵產(chǎn)生的流量可與接入真實(shí)循環(huán)系統(tǒng)相比擬。測(cè)試血泵的流量經(jīng)由超聲血流儀測(cè)量后又重新反饋到循環(huán)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型中，從而改變了下一時(shí)刻左心室、主動(dòng)脈等處的壓力，即產(chǎn)生了新的設(shè)定值。通過此方式，軟件中的循環(huán)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型與測(cè)試血泵實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)交互。物理容器中的壓力控制通過電比例閥調(diào)節(jié)進(jìn)入和排出容器的氣體流量來實(shí)現(xiàn)，同時(shí)，為了平衡物理容器中的流體體積，需要使用一個(gè)回流泵以保持容器中液位的相對(duì)恒定。

圖8 Ochsner等人使用的混合模擬循環(huán)回路Fig 8 The hybrid mock loop used by Ochsner

Nestler等[22]也設(shè)計(jì)了一些混合模擬循環(huán)回路用于血泵體外測(cè)試，見圖 9（a）。圖 9（b）、圖 9（c）為Darowski等[23]建立的循環(huán)系統(tǒng)混合模型，該模型具有參數(shù)連續(xù)可調(diào)、模擬波形準(zhǔn)確和使用靈活等優(yōu)點(diǎn)，得到了許多研究者的青睞。

3.5 小兒模擬循環(huán)回路

前述的模擬循環(huán)回路均是針對(duì)成人設(shè)計(jì)的，隨著小兒心臟病人數(shù)的不斷上升[24]，許多研究者開始關(guān)注小兒心室輔助裝置的研發(fā)[25]，繼而對(duì)小兒體外模擬循環(huán)測(cè)試系統(tǒng)的需求也越來越多。小兒循環(huán)系統(tǒng)的血壓、血流量、血管順應(yīng)性和阻力均與成人具有很大的不同，而且隨著年齡的增長，這些數(shù)值不斷地變化，所以不能簡單地在成人模擬循環(huán)回路上評(píng)估小兒心室輔助裝置。Pantalos等人[26]開發(fā)了一個(gè)包括體循環(huán)和肺循環(huán)的小兒模擬循環(huán)回路，見圖10（a），采用了氣動(dòng)血泵產(chǎn)生脈動(dòng)流，該回路可以實(shí)現(xiàn)正常和心衰狀況下小兒血流動(dòng)力學(xué)的復(fù)制。除此，Vandenberghe、Huang、Pugovkin等人[27-29]皆開發(fā)了小兒模擬循環(huán)回路，用于小兒心室輔助裝置的測(cè)試，見圖10（b）、圖10（c）、圖 11。總之，目前小兒模擬循環(huán)回路的數(shù)量和功能都有局限性，有待于進(jìn)一步的研究開發(fā)。

圖9 （a）.Nestler等的混合模擬循環(huán)回路；（b）.Darowski等建立的混合模型連接LVAD的原理圖；（c）.混合循環(huán)模型照片F(xiàn)ig 9 （a）.The hybrid mock loop by Nestler；（b）.the hybrid mock loop by Darowski；（c）.the photo of hybrid mock circulation model

圖10 研究人員開發(fā)的小兒模擬循環(huán)回路Fig 10 The pediatric mock loops developed by researchers

圖11 Pugovkin等建立的兒童模擬循環(huán)系統(tǒng)Fig 11 The pediatric hybrid mock loop by Pugovkin

3.6 國內(nèi)對(duì)模擬循環(huán)回路的研究

國內(nèi)的研究者們也開展了一些關(guān)于體外模擬循環(huán)回路的研究。錢坤喜等[30]在測(cè)試其葉輪血泵時(shí)，基于Pantalos等[31]的研究，建立了模擬循環(huán)回路，包含順應(yīng)性和外周阻力的模擬，無心臟搏動(dòng)的模擬。樊瑜波等[32]研制的含主要?jiǎng)用}分支的體循環(huán)模擬系統(tǒng)，采用了與Yokoyama[11]幾乎相同的設(shè)計(jì)。潘仕榮、呂雪烽等[33-34]也設(shè)計(jì)了相應(yīng)的模擬循環(huán)回路，模擬左心室收縮和舒張，實(shí)現(xiàn)正常和心衰等多種心室狀態(tài)?？偟膩碚f，國內(nèi)學(xué)者使用的模擬循環(huán)回路相對(duì)簡單，主要實(shí)現(xiàn)動(dòng)脈彈性腔和血管阻力的模擬，較少關(guān)注完整心臟功能的模擬，同時(shí)也較少采用混合式的模擬循環(huán)回路。

4 總結(jié)與展望

隨著心室輔助裝置的發(fā)展，模擬循環(huán)回路已經(jīng)逐漸趨于完善。早期的一些測(cè)試回路無心臟搏動(dòng)的模擬，只關(guān)注血管阻力和順應(yīng)性的簡單實(shí)現(xiàn)。此后基于推板活塞方式或者氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式模擬心臟功能的模擬循環(huán)回路，雖然實(shí)現(xiàn)了心臟泵功能的模擬，但是由于血管阻力和順應(yīng)性的模擬通過使用節(jié)流和密封氣體的彈性腔方式實(shí)現(xiàn)，其值存在準(zhǔn)確模擬困難、無法做到大范圍連續(xù)可調(diào)等缺點(diǎn)。相比推板式，雖然氣動(dòng)方式的模擬心室在定性上具有一定的前負(fù)荷敏感性，但是這種敏感性在定量上是與生理數(shù)值不相吻合的?；旌鲜襟w外模擬循環(huán)回路結(jié)合了數(shù)值模擬和物理回路的優(yōu)勢(shì)，能夠靈活方便地實(shí)現(xiàn)多種生理狀況下血液循環(huán)系統(tǒng)多個(gè)關(guān)鍵位置的血流動(dòng)力學(xué)模擬。

除上述問題外，回路中仍然存在著其它可待提高的地方。其一，回路中未引入任何循環(huán)系統(tǒng)自身生理反饋調(diào)節(jié)功能，這在一定程度上限制了血泵和血液循環(huán)系統(tǒng)之間的交互影響研究。其二，混合式模擬循環(huán)回路采用的血液循環(huán)系統(tǒng)數(shù)值模型是集總參數(shù)，而不是分布式的，在血泵插管方式變化時(shí)需要對(duì)模型進(jìn)行一定程度的擴(kuò)展。且現(xiàn)有的裝置以左心室輔助裝置偏多，忽略右心臟因?yàn)樵撗b置的操作而加快衰竭，自然也較少有用于測(cè)試右心室輔助裝置的模擬循環(huán)回路。在實(shí)驗(yàn)操作上，有部分把肺循環(huán)或者體循環(huán)獨(dú)立開，前后負(fù)荷直接耦合，事實(shí)上，兩者之間相互聯(lián)系，如果要準(zhǔn)確地模擬自然心臟，仍需進(jìn)一步研究。另外，目前針對(duì)小兒的體外模擬循環(huán)回路相對(duì)較少，也需要更進(jìn)一步發(fā)展。