磁驅動微型主動脈內軸流泵動力性主動脈瓣的動物試驗

摘要：目的研究磁驅動主動脈內軸流泵一動力性主動脈瓣進行動物體內植入的可行性。方法選取家豬33頭，全身麻醉后開胸手術暴露胸降主動脈和心臟。在降主動脈側壁作切口與26 min Dacron人造血管行端一側吻合，然后通過人造血管將軸流泵推入升主動脈，環繞結扎“動力瓣”。結果 隨著動脈內軸流泵轉速的增加，左心室的收縮期峰值壓和平均壓力逐步下降。當轉速達到10 000 r／min時，左心室內壓力可降為零。結論 整個左心功能可被軸流泵替代，初步揭示動脈內軸流泵動力性主動脈瓣具有一定可行性。

關鍵詞：心功能衰竭；心臟輔助；動力性主動脈瓣

中圖分類號：R542.5 R256 2

文獻標識碼：A

文章編號：1672—1349(2007)05—0416—02

可植入式心臟輔助裝置在晚期心力衰竭治療中已得到臨床應用，植入式心臟輔助裝置的核心是高性能的血泵，從結構上來看主要分為兩大類，即提供搏動血流的隔膜式血泵和非搏動血流的旋轉葉輪式血泵。可植入式心臟輔助裝置應具有體積小、效率高、工作穩定可靠、耐久性好等特點，以提高可植入性，減少并發癥。旋轉葉輪式血泵具有的獨特優點，可較好地滿足以上多種要求，更由于近年來的觀察證實非搏動血流完全可被機體適應，因此葉輪泵已成為近年來該領域的一個重要研究方向。Li等曾提出在主動脈內植入微型軸流泵的心臟輔助設想，并在體外模擬中證實了其可行性。本研究采用急性動物實驗，初步觀察了該裝置的左心輔助作用。

1 材料與方法

1．1 裝置描述動力瓣的動脈腔內結構由“支架籠”和“轉了葉輪”體組成。支架籠中心有軸穿過葉輪中心以將其崮定在正確的位置一該支架籠的外肜適合于植入到升主動脈腔內，并有縫合環可縫合固定于主動脈瓣環上。轉子的一端連接同定于葉輪，以便提供主動運動的轉矩。轉子由永磁材料制成，在周圍空間存在適當的交變磁場時可吸收其能量轉變為動能，這樣就可用簡單的方法實現電動機的驅動功能。此外，“轉子一葉輪”體還應能沿轉軸縱向滑動，通過接近和遠離動脈瓣口的運動，在保持收縮期較小阻力的條件下，有助于防止舒張期反流，可更好地完成瓣功能。在此結卡勾中，轉子的作用實際上是吸收外界交變磁場的能量并將其轉變為機械能、而從理論上看，外界磁場的場源既可以來自包繞轉子的類似于電動機的筒開定子，也可以來自遠距離的磁場源。

本實驗的體內植入部分總體積36mL，總重量25g。葉輪表面涂有生物相容性良好的聚氯酯材料，保證了良好的泉特性。1.2動物實驗選擇90k左右的豬，術前采血1200mL備用。常規備皮，消毒后氣管切開插管行全身麻醉。四肢插入導線連接心電監護儀，選擇左或右后下肢做動脈切開插入導管連接壓力表。術中行胃造瘺插入胃管持續胃腸減壓，并插入導尿管觀測尿量。

動物取左側臥位，右側第3肋～第5肋間開胸手術暴露胸降主動脈和心臟。在左心尖處向心室內插入細導管測量左心室壓力。在降主動脈側壁作切口與人造血管吻合，然后通過人造血管將軸流泵推入降主動脈，逐步按摩送入升主動脈，環繞結扎“動力瓣”。縫合動脈切口后清洗胸腔，放置引流管，關閉胸腔。在胸外心前區外固定驅動磁源，通電驅動。植入裝置后連續靜脈給藥保持肝素化，用APT儀進行檢測，每隔1h測1次，APT值保持在300～400范圍內。術后第2天開始從胃管推注華法林，等到華法林開始起作用，停用肝素。

2 結果

體外測試動脈內軸流泵的被動阻力要在15nmHg(1mmHg=0.133 kPa)之內，在前負荷為7mmHg時輸出壓力可達到100mmHg，流量達到5L／min，以滿足維持生理循環。體外交變磁場用60mm×100mm的稀土永磁體旋轉產生。驅動距離要達到80mm。

動物實驗植入后在非工作狀態對心室收縮壓和動脈血雎都沒有明顯影響，不造成明顯的負荷增加。在工作狀態，動脈內軸流泵可以驅動血液流動，產生足夠的壓力和流量輸出。隨著動脈內軸流泵轉速的增加，左心室的收縮期峰值壓和平均壓力逐步下降，當達到額定轉速時，左右心室內壓力可降為零。動脈血壓可維持在100mmHg以上，且在整個實驗過程中無明顯波動。平均動脈壓及心室壓力與轉速的關系詳見表1。

當動力瓣轉速達到4000r／min以上時，左心室壓明顯低于動脈壓，當達到10000r／min時左心室壓降為0，說明動力瓣取代心臟做功成為維持外周循環的動力來源。在實際應用時可根據需要，調節使泵在低轉速下運行，可以實現有效的左心輔助。

動物試驗總共33頭豬，其中14頭成活少于24 h；7頭成活3d；6頭成活5d；4頭成活7d；2頭成活10d。死亡原因：①支架固定不平衡，導致葉輪轉動受阻，形成血栓，栓塞死亡6頭；②術后各種原因導致出血死亡15頭；③其他原因死亡12頭。

動力瓣植入動物體，在開始驅動后，每隔1h測1次尿潛血實驗，均為陰性。說明溶血非常輕微，在生理范圍內。對驅動后死亡的動物做解剖觀察動力瓣的血栓形成情況，看到轉子與支架籠接觸點的縫隙在3d以后形成細小血栓，隨著時間的推移逐漸增大。通過多次的試驗已發現改進點。目前，此問題正在得到解決。

3 討論

各種心臟疾病的嚴重階段都可發生泵功能衰竭，心力衰竭引發的內環境紊亂是威脅機體生理穩態的原因。機械性循環輔助裝置可以直接糾正心泵衰竭引起的生理紊亂，因此一直是國內外研究的熱點。動力瓣是我國學者在國際上首先提出的循環輔助裝置，具有獨特創新點。該裝置需要植入體內的部分僅僅是一個由支架支撐的“轉子一葉輪體”，結構更簡單，體積更小，解剖相容性也更好。由于植入部分全部包在動脈腔內，因此有更好的抗感染特性。去除了引流管道，進一步使“血液一異物”接觸面減小，抗血栓形成的能力增強。血液中活性因子的激活幾率也隨之減低，進而可保護血液，防止其蛻化。若機體內引入體積很大的引流管道，對周圍組織、器官會產生壓迫性影響，加之體內大量的異物存在，將大大降低機體的抗感染能力，病人的生活質量也嚴重下降。而動力瓣在植人體內時對心臟和動脈的損傷很小，特別是對心室肌肉不產生植人性損傷，加之動力瓣可對心室直接卸負荷，這些都特別有利于心臟功能的恢復。有些研究者曾提出瓣泵的輔助裝置，認為在主動脈瓣位置植入軸流泵對心室直接卸負荷可能比傳統的植入式軸流泵有更多的優越性。動力瓣與瓣泵有相似之處。比如兩者均植入到主動脈瓣的位置。但動力瓣有很多特點優于瓣泵。動力瓣不需要供電導線穿入主動脈壁，甚至不需要穿人體內。由此避免了供能導線可能帶來的感染、血栓形成等并發癥。轉軸和電機之間的密封問題是限制植入裝置工作壽命的主要因素，在遠距離驅動動力瓣的設計中，沒有微電機的定子繞組線圈需要隔離，滑動軸承完全浸于血液中，故完全去除了密封問題。在瓣泵植入動脈后，微型電機的外殼是一個靜止的表面，電機背面也難免有血液流無效腔，這些都極有助于血栓形成。在動力瓣轉子表而與血液接觸的為一個高速運動的表面，因此不易形成血栓。在控制下，轉子轉速不斷的波動將改變血流流場，有助于去除相對恒定的血液流死區，這些都有利于進一步提高抗血栓特性。近年來的大量研究表明：高速旋轉的葉輪雖然可造成一定程度的血細胞破壞，但在仔細設計葉輪曲線后完全可將破壞程度降到極其輕微的程度。

本研究選擇豬做動物試驗，是因為豬的心臟與人的心臟體積和重量都接近，主動脈粗細幾乎相同。豬的其他一些生理指標與人的也相近。手術后也比較容易監護和喂養。通過動物試驗觀察到，動力瓣植入后，由于其與血液的接觸面積小，因此由血液接觸異物所引起的血栓形成概率極小，加之血液在泵的驅動下高速運動，除了在轉子與支架籠的接觸點，也是渦流的中心點，可形成細小血栓，其他部位沒有發現血栓形成。在試驗中發現，給動物應用肝素、華法林等抗凝血藥物是關鍵，使用藥量很重要。藥量多時，動物胸腔和內臟出血，手術刀口滲血，以至動物因出血死亡達15頭。但用藥量小時，又容易形成血栓，這個平衡點還需要更進一步摸索。由于動力瓣的葉輪是經過多次試驗改進，運用計算機輔助設計，按照最佳流體力學與動物生物學特性的結合點設計。試驗中觀察到高速運轉的葉輪對血液細胞的破壞微乎其微。動物實驗監測的尿潛血一直為陰性。經過二十幾次的實驗改進后，動力瓣高速運轉時的發熱問題已解決。裝置長時間運轉其溫度維持在38℃～39℃，通過動物的血液循環帶走熱量從體表散發，動物體表溫度升高不超過1℃。通過動物試驗表明：該裝置的基本原理是可以實現的，各項技術指標在進一步改進后可達到長期值入動物體內的要求。需要進一步優化裝置的抗血栓形成能力，尋找抗凝血藥物的使用量、應用時間及各種藥物的銜接。雖然本研究是初步的，但結果令人鼓舞，表明遠距離驅動動力瓣可行性，有希望實現體外磁場驅動動力瓣的技術。

作者簡介：陳海豐(1962—)，男，畢業于長治醫學院，副主任醫師，現工作于山西省長治市商業醫院(郵編：046000)；郝素萍、江斌，工作于山西省．長治市商業醫院；田步升、郝宗超，工作于山西長治醫學院附屬醫院；李國榮，工作于中國醫學科學疏阜外心研所。

(本文編輯 于雅潔)