ECMO系統(tǒng)質(zhì)量評(píng)價(jià)思路研究

葉佳宜，李澍

中國(guó)食品藥品檢定研究院 醫(yī)療器械檢定所，北京 102629

引言

體外膜肺氧合（Extracorporeal Membrane Oxygenation，ECMO）又稱體外生命支持，為一種可以替代肺臟和心臟功能的呼吸循環(huán)支持技術(shù)，近十年來(lái)在各種危重癥呼吸和（或）循環(huán)衰竭中應(yīng)用逐漸增多。ECMO常見的適應(yīng)證是急性呼吸窘迫綜合征，它在提供體外氣體交換的同時(shí)，可以實(shí)施肺保護(hù)性通氣策略從而使肺臟得到休息并最終恢復(fù)[1-2]。

ECMO與人體作用機(jī)理復(fù)雜，未探明的潛在影響因素較多；同時(shí)，這類產(chǎn)品往往風(fēng)險(xiǎn)度極高，其質(zhì)量的好壞直接影響到病人臟器功能的康復(fù)，甚至生命安危。在甲型H1N1流感以及中東呼吸綜合征冠狀病毒引起的肺炎中均有不良事件的報(bào)道，諸如設(shè)備失能、電磁騷擾故障，心肌炎、心肌酶明顯增高、血栓栓塞、感染、腎功能衰竭、多臟器功能衰竭等并發(fā)癥的發(fā)病率仍然較高，嚴(yán)重影響患者的生存率[3-4]。

自新冠疫情爆發(fā)初期，中國(guó)ECMO設(shè)備供應(yīng)出現(xiàn)較大缺口，一機(jī)難求，目前國(guó)內(nèi)有多個(gè)團(tuán)隊(duì)正在研發(fā)ECMO裝置。國(guó)家在“十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃對(duì)ECMO相關(guān)附件及膜肺設(shè)計(jì)的團(tuán)隊(duì)予以支持，本文主要討論ECMO系統(tǒng)性能檢測(cè)重點(diǎn)、血液相容性檢測(cè)及多場(chǎng)景下電磁兼容檢測(cè)的評(píng)價(jià)，以推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)和自主創(chuàng)新能力，增強(qiáng)醫(yī)療器械企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力[5-7]。

1 ECMO系統(tǒng)組件基本情況

ECMO設(shè)備主要由泵頭驅(qū)動(dòng)器（用于驅(qū)動(dòng)離心泵）、控制臺(tái)及傳感器等附件組成。工作原理是通過(guò)磁力耦合為泵頭（一次性耗材）提供動(dòng)力，輔助泵頭將體內(nèi)的靜脈血引出體外，經(jīng)過(guò)氧合器氧合后注入病人動(dòng)脈或靜脈系統(tǒng)，起到部分心肺替代作用，維持人體臟器組織氧合血供。同時(shí)，傳感器可以實(shí)時(shí)測(cè)量血液回路的參數(shù)（流量、壓力、溫度、液位等），以輔助用戶進(jìn)行ECMO運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)設(shè)置的決策[8-9]。

耗材各部件（插管、離心泵泵頭、氧合器等）通過(guò)人工血管連接，因此用戶可以根據(jù)需要將各廠家的離心泵泵頭以及氧合器自行搭配組合。離心泵泵頭/泵頭驅(qū)動(dòng)器是ECMO設(shè)備與耗材發(fā)生相互作用的核心部件[10-11]。泵頭驅(qū)動(dòng)器通過(guò)磁耦合驅(qū)動(dòng)離心泵泵頭轉(zhuǎn)動(dòng)，但泵頭驅(qū)動(dòng)器并不接觸血液。壓力、溫度等監(jiān)測(cè)功能，主要依靠控制臺(tái)外接傳感器，并將傳感器接入到耗材回路中相應(yīng)位置進(jìn)行測(cè)量。ECMO系統(tǒng)示意圖及傳感器測(cè)量位置如圖1所示。

圖1 ECMO系統(tǒng)示意圖及測(cè)量位置

2 基本評(píng)價(jià)思路

2.1 總體思路

結(jié)合針對(duì)ECMO系統(tǒng)相關(guān)的不良事件數(shù)據(jù)分析匯總，ECMO質(zhì)量的三大突出的問(wèn)題為：① 缺乏針對(duì)ECMO特定核心部件性能的評(píng)價(jià)方法與評(píng)價(jià)設(shè)備，ECMO采用大量創(chuàng)新式、革命式新型技術(shù)，目前缺乏相應(yīng)的評(píng)價(jià)方法、技術(shù)，無(wú)法滿足評(píng)價(jià)需求；② 缺乏針對(duì)ECMO血流動(dòng)力學(xué)的評(píng)價(jià)方法和平臺(tái)，ECMO要求設(shè)備工作在體內(nèi)環(huán)境，且預(yù)期使用時(shí)間較長(zhǎng)，需要有滿足人體循環(huán)的血流動(dòng)力學(xué)特性；③ 缺乏針對(duì)ECMO的多應(yīng)用場(chǎng)景電磁兼容評(píng)價(jià)技術(shù)，ECMO預(yù)期使用場(chǎng)景包含醫(yī)院，車載轉(zhuǎn)運(yùn)、機(jī)載轉(zhuǎn)運(yùn)等特殊場(chǎng)景，這些場(chǎng)景下的電磁兼容問(wèn)題在ECMO評(píng)價(jià)領(lǐng)域也很突出。

因此，本文主要針對(duì)ECMO的性能參數(shù)、血流動(dòng)力學(xué)評(píng)價(jià)系統(tǒng)、電磁兼容及專用配套檢測(cè)裝置與平臺(tái)展開討論，為ECMO的設(shè)計(jì)研發(fā)、檢測(cè)、評(píng)價(jià)和監(jiān)管等提供科學(xué)技術(shù)支撐。根據(jù)三個(gè)突出問(wèn)題，本文主要討論：①ECMO核心質(zhì)量評(píng)價(jià)方法與檢驗(yàn)平臺(tái)研究；②ECMO模擬循環(huán)檢測(cè)系統(tǒng)研究，目的在于搭建符合生理參數(shù)的模擬循環(huán)系統(tǒng)，從而輔助ECMO進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)；③ECMO相關(guān)電磁兼容測(cè)試方法學(xué)與平臺(tái)研究，主要針對(duì)ECMO用電磁兼容評(píng)價(jià)方法，外界高頻高功率瞬時(shí)能量的抗干擾性能評(píng)價(jià)方法和其他設(shè)備的串?dāng)_評(píng)價(jià)方法展開研究。

2.2 ECMO離心泵核心質(zhì)量評(píng)價(jià)方法

ECMO設(shè)備的核心功能部件是驅(qū)動(dòng)離心泵，考察核心指標(biāo)是系統(tǒng)對(duì)其所驅(qū)動(dòng)的離心泵轉(zhuǎn)速的控制精度及轉(zhuǎn)速輸出范圍。檢測(cè)時(shí)可將ECMO設(shè)備設(shè)置至臨床常用工況，在充滿電后斷開網(wǎng)電源，ECMO系統(tǒng)應(yīng)該可以持續(xù)工作一定時(shí)間，通常應(yīng)不少于90 min。最后，作為相對(duì)長(zhǎng)效的生命支持設(shè)備，ECMO系統(tǒng)的可靠性及其應(yīng)對(duì)災(zāi)難性故障（如電機(jī)故障）的應(yīng)對(duì)措施應(yīng)該被重點(diǎn)考核檢測(cè)。同時(shí)，需要考慮離心泵轉(zhuǎn)速準(zhǔn)確性、流量的準(zhǔn)確性、氣泡監(jiān)測(cè)及溫度準(zhǔn)確性?；谝陨蠝y(cè)試項(xiàng)目，研究了圖2的近生理試驗(yàn)平臺(tái)，以求得上述試驗(yàn)項(xiàng)目的合理可靠。該平臺(tái)的主要作用是模擬人體血液循環(huán)，在這個(gè)平臺(tái)中可以測(cè)試泵前壓力、泵后壓力、流量等參數(shù)。

圖2 模擬人體血液循環(huán)的近生理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

為了驗(yàn)證模擬血液循環(huán)試驗(yàn)平臺(tái)的穩(wěn)定性，在60 min內(nèi)每隔10 min記錄一次數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包括圖1所示的泵前壓力、泵后壓力、流量、管內(nèi)液體溫度4個(gè)參數(shù)。測(cè)試管路中充滿水和甘油的混合液，粘度為3.5 mPa·s，具體結(jié)果如表1所示。其中變異系數(shù)=（標(biāo)準(zhǔn)偏差/平均值）×100%。本試驗(yàn)結(jié)果表明，在認(rèn)為離心泵穩(wěn)定的前提下，該測(cè)試平臺(tái)穩(wěn)定，結(jié)果可靠。

表1 模擬人體血液循環(huán)的近生理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)參數(shù)重復(fù)性

2.3 關(guān)鍵部件的血液相容性測(cè)試

膜肺（即膜式氧合器）作為ECMO系統(tǒng)中與血液接觸面積最大的部件，且需要提供核心的氧合功能。核心部件（包括血泵和膜肺）的檢測(cè)有以下幾個(gè)重要測(cè)試指標(biāo)：① 血泵不同轉(zhuǎn)速下壓力流量曲線（H-Q curve）：測(cè)試血泵樣機(jī)在不同轉(zhuǎn)速情況下，出入口壓力差和流量的變化曲線關(guān)系。出入口壓力差是血泵的關(guān)鍵指標(biāo)，關(guān)系到氧合效率、血栓形成等。H-Q curve是ECMO系統(tǒng)核心部件的關(guān)鍵指標(biāo)，基本可以反映出血泵的性能優(yōu)劣；② 氧合效率：采用新鮮抗凝牛血作為載體，氧合器應(yīng)能在其標(biāo)稱流量下，使靜脈血氧飽和度為65%的血液達(dá)到動(dòng)脈血氧飽和度＞95%；③ 熱交換效率：體現(xiàn)氧合器中變溫部分的效率，通常不應(yīng)該低于0.4；④ 內(nèi)部流場(chǎng)分布：通過(guò)CFD仿真觀察內(nèi)部流場(chǎng)是否有低流量區(qū)域，在此類區(qū)域容易形成血栓、血液破壞相關(guān)指標(biāo)（游離血紅蛋白、白細(xì)胞、血小板下降情況）；⑤ 流量范圍及對(duì)應(yīng)跨膜肺壓降：在同等流量情況下，跨膜肺壓差較小的氧合器往往具有較好的流場(chǎng)特性以及較低的血液破壞，可以在設(shè)定最大流量下測(cè)試氧合器的壓降；⑥ 靜態(tài)預(yù)充量：在其他條件相同情況下，預(yù)充量較小的氧合器有助于減少血液稀釋，可以以水代替血液對(duì)氧合器進(jìn)行預(yù)充，充滿所需水量即為氧合器預(yù)充量[12-14]。

本測(cè)試平臺(tái)是依據(jù)YY/T 1620-2018《心肺流轉(zhuǎn)系統(tǒng)連續(xù)流血泵紅細(xì)胞損傷評(píng)價(jià)方法》中提到的項(xiàng)目及試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)的?；谝陨蠝y(cè)試項(xiàng)目，研究了圖3的氣血傳輸試驗(yàn)平臺(tái)，以上項(xiàng)目均可在該平臺(tái)中進(jìn)行測(cè)試，以求得上述試驗(yàn)項(xiàng)目的合理可靠。

圖3 氣血傳輸試驗(yàn)平臺(tái)

2.4 ECMO系統(tǒng)的電磁兼容性

由于ECMO系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景的電磁環(huán)境復(fù)雜，內(nèi)部傳感器多，對(duì)精度要求高?；谝陨显?，為了減少不良事件的發(fā)生，對(duì)ECMO的電磁兼容評(píng)價(jià)需考慮以下內(nèi)容[15-17]。

（1）不同應(yīng)用場(chǎng)景下的ECMO的電磁兼容專用抗擾性評(píng)價(jià)。根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景ECMO的環(huán)境特點(diǎn)以及作用部位特點(diǎn)，研究測(cè)試設(shè)備對(duì)10 mT及50 mT的磁場(chǎng)抗干擾能力、10 Hz～3 GHz電磁場(chǎng)干擾的抗干擾能力。通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)分析方法明晰不同參數(shù)可能造成的后果，制定電磁兼容評(píng)估內(nèi)容，確定質(zhì)控指標(biāo)等級(jí)。考量ECMO（特別是磁懸浮ECMO）在頻段（30 MHz～3 GHz）射頻電磁場(chǎng)輻射抗擾度，在靜磁場(chǎng)、10 Hz～30 MHz交變磁場(chǎng)抗擾度水平。相對(duì)于YY 0505-2012中要求的80 MHz～2.5 GHz，增加了抗擾頻段范圍。關(guān)鍵參數(shù)：① 靜磁場(chǎng)、交變磁場(chǎng)＞ 0～30 MHz可調(diào)；② 磁場(chǎng)強(qiáng)度 50 mT；③ 磁場(chǎng)均勻度：0～3 dB；④ 磁場(chǎng)需覆蓋ECMO系統(tǒng)。

（2）手術(shù)過(guò)程中高頻高功率瞬時(shí)能量對(duì)ECMO的抗擾性評(píng)價(jià)（圖4）。研究ECMO在外部大功率電場(chǎng)、大功率磁場(chǎng)、大傳導(dǎo)電流直接作用于患者時(shí)的抗擾水平；通過(guò)考慮外部能量作用時(shí)間、位置、耦合方法等不同參數(shù)下抗擾性的差異，從而確認(rèn)ECMO設(shè)計(jì)的合理性及安全性，評(píng)估高頻電刀作用瞬間對(duì)ECMO性能的影響?？剂縀CMO對(duì)于外界高頻高功率能量（模擬高頻電刀、除顫器等）的抗干擾性能。關(guān)鍵參數(shù)：① 測(cè)試電壓：0～10000 V；② 測(cè)試磁場(chǎng)：≤0.1 Tesla；③ 測(cè)試頻率：≤1 MHz；④ 測(cè)試模式：電凝、電切、混合；⑤ 頻率設(shè)置：掃頻、定頻。

圖4 高頻高功率瞬時(shí)能量測(cè)試平臺(tái)

3 結(jié)論

本文通過(guò)分析ECMO系統(tǒng)及其核心部件：離心泵頭、氧合器的產(chǎn)品特點(diǎn)及其特性參數(shù)和使用環(huán)境中的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，搭建模擬人體血液試驗(yàn)平臺(tái)、氣血傳輸試驗(yàn)平臺(tái)，并設(shè)計(jì)了電磁輻射抗騷擾試驗(yàn)方案。面向應(yīng)用條件下ECMO產(chǎn)品核心流體性能表現(xiàn)、流體力學(xué)性能、電磁兼容性能的評(píng)價(jià)研究，解決我國(guó)高風(fēng)險(xiǎn)ECMO設(shè)備生產(chǎn)廠家自主研發(fā)的產(chǎn)品無(wú)統(tǒng)一驗(yàn)證方法和平臺(tái)的困難，從提高該類產(chǎn)品科學(xué)評(píng)價(jià)的能力。從目前的測(cè)試結(jié)果表明，所搭建模擬人體血液試驗(yàn)平臺(tái)、氣血傳輸試驗(yàn)平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)測(cè)量并未為研發(fā)生產(chǎn)企業(yè)提供相應(yīng)的技術(shù)指導(dǎo)服務(wù)，為該類產(chǎn)品設(shè)計(jì)、檢測(cè)、評(píng)價(jià)和監(jiān)管提供科學(xué)技術(shù)支撐。