國產氣動搏動性心室輔助裝置的體外流體力學及動物實驗觀察

史國寧，陳慶良，陳彤云，劉建實△

國產氣動搏動性心室輔助裝置的體外流體力學及動物實驗觀察

史國寧1，2，陳慶良2，陳彤云2，劉建實2△

目的對我國自主研發氣動搏動性心室輔助裝置進行體外流體力學檢驗及活體動物應用實驗，檢驗其是否滿足臨床心室輔助裝置要求。方法通過體外模擬循環實驗臺，30%甘油水溶液作為循環介質，接入心室輔助裝置，測定不同模式下血泵的后負荷和流量，以此檢測裝置的流體力學效果。對6只實驗犬應用心室輔助裝置左心輔助模式1 h，之后藥物KCl誘顫心臟，5 min后除顫。監測心室輔助裝置對實驗犬的心率、血壓支持效果。結果心室輔助裝置流體力學實驗后負荷100 mmHg條件下，流量可達到4 L/min以上。實驗犬經左室安裝輔助裝置后，各時間點心率無明顯變化。輔助后即刻與輔助前相比收縮壓升高約30 mmHg，舒張壓升高約19 mmHg。輔助過程中未見明顯血壓波動。誘顫后可維持收縮壓60 mmHg，除顫后撤除裝置存活良好。結論該心室輔助裝置所產生的流體壓力可基本滿足臨床心室輔助要求，短期應用于實驗犬有效、安全、穩定，長期使用效果尚需進一步實驗證明。

心臟，人工；心臟輔助裝置；血流動力學；動物實驗；心室輔助裝置；流體力學

近年來我國心血管疾病的發病率逐年增高，尤其是終末期心力衰竭的增加已成為嚴重的社會公共衛生問題。人工心臟——心室輔助裝置（ventricular assistance device，VAD）的出現為藥物和外科治療無效的心力衰竭或心臟移植前的過渡支持提供了新的治療手段。但在我國由于裝置材料的生物相容性、耐久性等問題，尚未能達到生產出成品的要求。由中國科學院化學研究所和天津市胸科醫院共同設計并初步生產的一種具有自主知識產權的氣動隔膜式搏動性心臟輔助裝置已通過溶血實驗、細胞毒性實驗等檢驗，現通過體外模擬循環臺對裝置進行體外流體力學實驗，以檢驗其后負荷壓力和流量是否可達到臨床應用標準，并進一步應用于動物實驗，為接下來的臨床應用奠定基礎。

1 材料與方法

1.1實驗動物及材料選取天津市心臟病研究所提供的實驗用雜交犬6只，體質量（35±2）kg。儲血罐、體外循環用管道（天津塑料儀器廠生產）；阻尼閥、超聲流量計探頭（大連海峰TDS-100H超聲流量計）；壓力計探頭（德國testo管路內液體壓力測試儀）。采用30%甘油水溶液（上海恒興分析純級甘油）作為循環介質。

1.2心室輔助裝置的結構與原理裝置設計為雙氣動膜結構的泵體。其主要包括血腔動作膜、雙層氣動膜、血腔、氣動腔、出入口及相關附件等7個部分，見圖1。

此裝置的氣室和血室之間以隔膜分開，氣室通過管路直接和體外驅動器連接，血室有2個接口，均裝有聚胺酯制作的三葉瓣膜，以維持血流單向流動。如作為左室輔助裝置，流入道和左心房或左心室尖連接，流出道直接和升主動脈吻合；如作為右室輔助裝置，流入道則連接右心房，流出道連接到肺動脈。

1.3心室輔助裝置的流體力學實驗體外模擬循環臺在天津市心臟病研究所動物實驗室內建立。由儲血罐、體外循環用管道、阻尼閥、超聲流量計探頭、壓力計探頭、心室輔助裝置出入接口組成，見圖2。超聲流量計探頭置于血泵流入端，壓力計探頭連接于血泵流出端與阻尼閥之間。

采用30%甘油水溶液作為循環介質，其黏滯度接近于血液。氣動腔接口連接MEDOS-VAD心室輔助系統，分別采用10 mL、25 mL、60 mL模式進行驅動。血泵前負荷通過變動儲血罐與血泵高度調節為1.5 m（13 mmHg，1 mmHg=0.133 kPa），后負荷通過阻尼閥進行調節，分別以阻尼閥全開和調節阻尼閥至后負荷為100 mmHg時進行血泵輸出量檢測。

1.4心室輔助裝置的動物實驗將實驗犬常規全麻后氣管插管，呼吸機維持呼吸，肝素化血液，正中鋸開胸骨，分別以4-0 porlin線于左心耳和升主動脈縫荷包，插入體外循環管路（已灌注預充液），固定，充分排氣后分別連接心室輔助裝置出入口。

左室輔助裝置氣動腔接口連接MEDOS-VAD心室輔助系統，選用25 mL左室單心室輔助模式啟動。分別于心室輔助前，輔助后即刻、10 min、30 min、1 h記錄實驗犬心率、血壓等生命體征。1 h后以KCl誘顫心律，將左室輔助裝置氣室搏動量調至60 mL，記錄心率、血壓。5 min后心外膜電除顫，恢復實驗犬正常心律，見圖3。實驗過程中如血壓有較大波動即時記錄，并分析原因。實驗結束后拔出實驗犬左心耳及主動脈插管管路，關胸，記錄關胸后生命體征。

1.5統計學方法使用SPSS 13.0統計軟件進行數據處理。正態分布數據采用均值±標準差表示，不同時點間數據比較應用重復測量資料的方差分析，P＜0.05為差異有統計學意義。

Fig.2The schematic diagram of hydrodynamic testing of ventricular assist device圖2 心室輔助系統體外流體力學實驗臺示意圖

2 結果

2.1體外流體力學實驗結果在阻尼閥全開時，心室輔助系統最大可產生69 mmHg壓力、6.6 L/min流量，而在后負荷壓力達到100 mmHg以上（即滿足人體正常血壓）時，裝置最大可產生5.3 L/min流量。如采用較小驅動模式，則可相應減少流量，以滿足不同輸出要求，見表1。

Tab.1The in vitro hydrodynamic record of ventricular assist device表1 心室輔助裝置體外流體力學記錄

心室輔助裝置運行過程中氣室活動度、密閉性及瓣膜抗返流均良好，由MEDOS-VAD心室輔助系統帶動，性能穩定。

2.2動物實驗結果實驗犬在心室輔助裝置啟動后，心率在輔助期間各時間點、關胸后與輔助前比較無明顯變化，輔助后即刻與輔助前比較動脈收縮壓升高約30 mmHg，舒張壓升高約19 mmHg，輔助過程中未見明顯血壓波動。在室顫后，心室輔助可維持收縮壓在60 mmHg以上，除顫后血壓、心率恢復正常，撤除輔助裝置關胸后6只實驗犬循環穩定，血壓、心率正常，生命體征正常。見表2。實驗過程中均未見明顯血紅蛋白尿，血泵拆除后血腔內未見明顯血栓，但瓣膜處可見少量血栓。

Tab.2The record of basic and vital signs in experimental dogs表2 實驗犬基本生命體征記（n=6

Tab.2The record of basic and vital signs in experimental dogs表2 實驗犬基本生命體征記（n=6

＊＊P＜0.01；a與T1比較，b與T2比較，c與T3比較，d與T4比較，e與T5比較，f與T6比較，g與T7比較，P＜0.05

輔助前（T1）125±17 95±17 62±10臨床參數心率（次/min）收縮壓（mmHg）舒張壓（mmHg）輔助后即刻（T2）131±22 125±19a 81±11a輔助后10 min（T3）120±10 127±23a 89±12ab輔助后30 min（T4）129±22 135±21a 95±12abc輔助后1 h（T5）127±19 133±22a 92±11ab F 916.211＊＊272.287＊＊360.804＊＊臨床參數心率（次/min）收縮壓（mmHg）舒張壓（mmHg）室顫（T6）-64±9abcde 17±7abcde除顫后（T7）107±29b 102±24bcdef 58±13bcdef關胸后（T8）136±30 119±29f 70±13bcdefg

3 討論

3.1心室輔助裝置概述心室輔助裝置經過多年的發展，先后出現了容積式血泵、軸流式血泵、電磁懸浮式旋轉離心泵，即所謂的第一代、第二代和第三代血泵裝置。第一代血泵具有搏動性泵血，更符合人體生理狀態的特點，是歐洲最早開始也是技術最成熟的一種，并在北美也有一定量的臨床應用［1］。第二代、第三代均為非搏動性泵血，第二代體積更小而第三代對血球破壞小，更耐久［2-4］。本實驗所應用的氣動搏動性心室輔助裝置屬于第一代血泵，和歐美國家生產的Berlin Heart Excor，Abiomed BVS5000等相比，在材料上使用了新型生物相容性聚氨酯，具有自主知識產權，且造價更低［5］。在之前的溶血實驗、細胞毒性實驗、血小板黏附實驗中，材料均表現出良好的生物醫學性能［6］，符合進一步進行整體裝置實驗的要求。

3.2本裝置流體力學檢驗作為輔助心室功能的血泵，首先要求在維持一定血壓的前提下，輸出量能夠滿足人體需求。本流體力學實驗通過調整儲血罐液面高度，模擬正常人體左心室舒張末期壓力5～15 mmHg，阻尼閥調節心室輔助裝置后負荷至100 mmHg左右（即正常成人平均血壓），在氣室60 mL驅動模式下，流量可到達5.3 L/min，符合正常成人心搏出量；而在10 mL、20 mL驅動模式下，流量分別為2.7 L/min和4.2 L/min，也基本可滿足臨床對小兒心衰的輔助要求。此外，當實驗中后負荷壓力下降，流量（血泵搏出量）會相應上升，這是氣動搏動性血泵的優勢之一，臨床應用時，當患者血壓降低，經過輔助后的心搏出量會相應增加，以彌補器官灌注的不足。該心室輔助裝置實驗過程中未發現有漏液等現象，且通過壓力計讀數觀察未發現人工瓣膜有明顯返流。

3.3本裝置動物學實驗本實驗依照犬心臟大小選取25 mL模式啟動，可見將收縮壓提高30 mmHg左右，而舒張壓提高19 mmHg左右，從啟動即刻至1 h，未見血壓有明顯波動，且心率無明顯變化，說明心室輔助應用于實驗動物安全穩定。但實驗犬在實驗過程中處于麻醉靜息狀態，如在清醒活動狀態下，自身基礎血壓和心率可能會有波動，且隨著體位的變化，血泵的穩定性和與心臟搏動的同步性均需要進一步驗證。室顫時，提高血泵搏出量至60 mL，收縮壓與舒張壓均可維持于一定水平，持續室顫5 min，除顫復律后心臟搏動良好，血壓與室顫前一致。臨床中慢性心衰患者通常心室擴大，心臟電傳導性差，易發生室性心律失常。應用心室輔助裝置，可為提高電除顫復蘇成功率提供有效保障。實驗過程中實驗犬未出現血紅蛋白尿，表明血泵對血細胞破壞較小，無明顯溶血發生，但在實驗完畢后清洗血泵時發現人工瓣膜處有少量血栓。血栓的形成是影響心室輔助裝置長期使用的最主要制約因素，目前在Berlin Heart Excor等應用中已提出應用肝素涂層管路可有效降低血栓發生率［7］。在今后的裝置設計中如嘗試對人工瓣膜進行肝素處理，或在材料選用上改用組織相容性更好的人工材料甚至同種材料，將會對該血泵的耐久性有更好的提升。

通過體外流體力學實驗和短期動物實驗，該心室輔助裝置運行穩定，輸出量達到預期目的。但目前心室輔助裝置實驗尚為短效實驗，且僅為左室單心室輔助模式，距離進入臨床試驗階段還需長期動物實驗以及全心室輔助模型等的進一步檢驗。

（圖1、3見插頁）

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（2014-11-10收稿 2015-03-10修回）

（本文編輯 李鵬）

Study of hydrodynamic in vitro and animal experiment of a homebred pneumatic pulsatile ventricular assist device

SHI Guoning1，2，CHEN Qingliang2，CHEN Tongyun2，LIU Jianshi2△
1 Tianjin Medical University，Tianjin 300070，China；2 Department of Cardiac Surgery，Tianjin Chest Hospital△

ObjectiveTo study in vitro hydrodynamics of a pneumatic pulsatile ventricular assist device developed ex?clusively by China，and establish an animal model for the detection by the device.MethodsThe hydromechanics experi?ment was performed on an in vitro test loop using MEDOS-System to drive the ventricular assist device，and lycerl-water so?lution was used as circulating medium.The changes of afterload pressure and the output of the pump were monitored，and the impermeability and stability were also assessed after the experiment.Six adult dogs were used as the experimental animals. The device worked in the left heart assistance mode for 1 hour then the ventricular fibrillation was induced by potassium chloride，and then defibrillated after 5 min while the device remained working.The hemodynamics data were monitored con?secutively during the trial.ResultsThe ventricular assist device worked stably and reliably during the hemodynamic exper?iment.The pump can generate more than 4 L/min flow against the afterload pressure of 100 mmHg.There were no significant changes in heart rate at different time points in experimental dogs after left ventricular assist.Comparison between after auxil?iary immediately and former auxiliary，the diastolic blood pressure of dogs increased 30 mmHg with the ventricular assist，and the diastolic pressure increased 19 mmHg.No obvious fluctuation in blood pressure was found during the auxiliary pro?cess.The diastolic blood pressure stayed at 60 mmHg when the heart was in ventricular fibrillation，and returned to normal after electrical defibrillation.ConclusionThe ventricular assist device works stably in vitro test，and the pump can meet the need of adult’s ventricular assist.It is effective and security to dogs in short term.The effects of long-term use need to be future proved.

heart，artificial；heart-assist devices；hemodynamics；animal experimentation；ventricular assist device；hydromechanics

R318.11，R356

A

10.11958/j.issn.0253-9896.2015.07.011

天津市科委科技支撐計劃（08ZCKFSF03300）

1天津醫科大學（郵編300070）；2天津市胸科醫院心臟外科

史國寧（1981），男，碩士在讀，主要從事胸心外科方面的研究

△通訊作者E-mail：jianshiliu@aliyun.com