磁懸浮植入式心室輔助裝置體外水力學及溶血實驗

吳廣輝，藺嫦燕，徐創業，劉修健，何玉娜，楊朋，陳琛

1.首都醫科大學附屬北京安貞醫院 北京市心肺血管疾病研究所 生物醫學工程研究室，北京100029；2.蘇州同心醫療器械有限公司 研發部，江蘇 蘇州215125

磁懸浮植入式心室輔助裝置體外水力學及溶血實驗

吳廣輝1，藺嫦燕1，徐創業1，劉修健1，何玉娜1，楊朋2，陳琛2

1.首都醫科大學附屬北京安貞醫院 北京市心肺血管疾病研究所 生物醫學工程研究室，北京100029；2.蘇州同心醫療器械有限公司 研發部，江蘇 蘇州215125

目的測試一款小型磁懸浮植入式心室輔助裝置的基本工作性能和體外溶血性能。方法 通過體外水力學實驗獲得裝置的基本工作性能；通過體外模擬實驗（參照ASTM F1841標準）檢測裝置體外溶血性能。結果該磁懸浮植入式心室輔助裝置主體血泵在3500 rpm左右能夠提供5 L/min流量，100 mmHg壓力的輔助支持；體外實驗標準溶血指數值為（0.0007±0.0003）mg/dL。結論體外水力學實驗證實該裝置工作性能穩定，可以滿足成人心室輔助的需求，同時也具有較好的體外溶血性能。

心力衰竭；心室輔助裝置；磁懸浮；水力學實驗；溶血實驗

引言

心力衰竭（Heart Failure，HF）是心血管疾病患者的主要致死原因之一，其5年生存率和惡性腫瘤類似[1]。據統計[2]，全球已有超過3800萬HF患者。隨著高血壓、冠心病等心血管疾病的高發，我國HF發病率和病死率也在逐年升高，形勢日趨嚴峻。流行病學調查顯示[1-3]，中國成年人群心衰發病率為0.9%，確診患者達600萬，中重度心衰患者5年病死率高達30%～50%。總之，心力衰竭已經成為一個全球性的問題，給全球醫療事業帶來巨大經濟壓力和社會負擔，也嚴重威脅著我國國民的生命健康。對于重度HF患者，藥物治療效果有限，心臟移植受供體來源限制，心室輔助裝置（Ventricular Assist Device，VAD）已逐漸成為重要的治療方法[4]。

VAD在國外發達國家作為心臟恢復過度期輔助、心臟移植供體等待期間橋梁過度及心臟永久替代等方面已被廣泛應用于臨床，應用例數也在逐年增加[4-8]，但價格昂貴[9-10]，很難在國內推廣使用，隨著我國老齡化社會的到來及心梗患者生存率的逐漸提高，我國終末期心衰患者的人數將逐年增加，因此研發國產自主知識產權VAD迫在眉睫。臨床發現溶血是VAD輔助患者的一個主要并發癥之一，VAD植入會對患者血液產生影響。目前體積小、耐用性久、溶血性能好的磁懸浮無軸承離心式VAD是VAD研發和臨床應用的熱門。本研究對蘇州同心醫療有限公司研制的磁懸浮無軸承離心式VAD進行了體外水力學性能及體外溶血實驗研究，為下一步動物在體試驗提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 VAD

本實驗的同心Demo IV VAD由蘇州同心醫療有限公司設計加工，VAD主要由泵體、流入管道、流出管道、饋穿密封和經皮式電纜等植入體內部件，以及外置電源和控制器等體外部件組成。裝置主體血泵，見圖1，泵體接觸血液的材料均采用溶血性能較好的鈦合金。血泵直徑42 mm，厚22 mm，重量130 g左右。血泵內部轉子無軸承，利用磁懸浮技術通過無位置傳感器的反饋信號調節轉子葉輪轉速，進而調節血泵輸出流量和輸出壓力。

圖1 同心Demo IV心室輔助裝置

1.2 實驗動物

實驗動物為3只雄性綿羊，體重約55 kg左右，通過常規體征觀察確認健康，無發燒、咳嗽等癥狀，并接種過疫苗。實驗羊由北京平谷模擬醫院提供，動物批號：SYXK（京）2010-0019。

1.3 體外水力學實驗

體外水力學實驗通過體外模擬循環實驗系統完成，系統包括儲液器（5 L的燒杯）、流道（醫用體外循環管道）、阻尼器、一次性使用壓力傳感器（MMBPTSA20，北京天地和協科技），數據采集設備（PCI-6251，美國國家儀器）、電磁流量計（SM6000，德國易福門電子）和恒溫水浴鍋等構成。流體介質為水和甘油混合液（2∶1）。

實驗時，將恒溫水浴鍋的溫度設定為37 ℃，將壓力傳感器分別連接于VAD的入口和出口，逐步調整輔助裝置轉速為1600，1800，2000，……，3800 rpm，每個轉速下通過調節阻尼器，使循環流量分別達到0，1，2，3……L/min，至最大流量，記錄每一轉速下流量所對應的出入口壓力，最后繪制出流量—壓力曲線圖。實驗裝置整體見圖2，原理圖見圖3。

1.4 體外溶血實驗

實驗通過體外溶血實驗通過體外循環模擬試驗臺完成。試驗臺由儲血器、醫用肝素化體外循環管道、阻尼器、壓力計、流量計、信號采集系統構成，體外溶血試驗模擬圖，見圖4。實驗采用500 mL CPDA儲血袋作為儲血器，1 m長內徑10 mm的醫用體外循環管道作為循環管道。儲血器有2個直徑10 cm的接口，方便作為血泵流入和流出道，血袋還帶有1個采血口，方便循環實驗中采血。實驗時流量計（SM6000，易福門電子）放置在出口管道，壓力計（MMBPTSA20，北京天地和協科技有限公司）的管狀探頭分別置于血泵的前、后端，分別檢測循環回路的進出口壓力。

圖2 外水模擬循環系統

圖3 體外水力學實驗模擬圖

共進行3次實驗，實驗前用醫用取血袋（生復200 mL采血袋，長春泰爾茂醫療器具有限公司）分別從3只實驗羊頸靜脈取新鮮血液100～200 mL。將取得血液混合裝入上述特制貯血袋，連接循環回路中各個檢測設備，連接完成后排氣。轉泵前用5 mL帶帽離心管（Corning，美國）在血泵轉泵前采血2 mL左右作為基線值。轉泵后，通過調節阻尼閥及血泵轉速使泵的輸出為：流量5 L/min左右，出入口壓差為13.3 kPa左右，至標記實驗開始后1，2，…，6 h時分別再采血樣2 mL左右，采血時，先從采血口采集1 mL左右廢棄血，然后再采樣本血樣2 mL，將采集血樣通過高速離心機（Eppendorf，德國）離心、移液器（Eppendorf，德國）采血漿，放置于-80℃冰箱（海爾，青島海爾公司）保存。實驗結束后，測量實驗采集血清樣本中血漿游離血紅蛋白（Free Hemoglobin，FHB）濃度和紅細胞壓積（Hematocrit，Hct）。實驗轉泵前及轉泵后每小時通過便攜式紅外溫度計（F561，美國福祿克公司）測量泵表溫度。實驗血泵工況（轉速、功耗等）通過其控制軟件記錄到PC機。

圖4 體外溶血實驗模擬圖

目前國際上葉片血泵通常采用美國材料與試驗協會（American Society for Testing and Materials，ASTM）F1841-97（Reapproved 2013）[11]標準測量溶血性能，標準中的標準溶血指數（Normalized Index of Hemolysis，NIH）的計算公式為：

NIH＝ΔFHB×V×[（100-Hct）/100]×[100/（Q×T）]

這里，ΔFHB：測試時間間隔內FHB的增量值（g/L）；V：總循環容量（L）；Hct：紅細胞壓積（%）；Q：血泵流量（L/min）；T：測試間隔時間（min）。

由于紅細胞遭到損壞，血紅蛋白被釋放入血漿內，而形成溶血。標準溶血指數：以紅細胞壓積校正血漿容積并以血液流速和循環時間標準化后，100 L泵出血液血漿游離血紅蛋白增加的克數。

2 結果

2.1 體外水力學實驗結果

不同轉速壓力—流量曲線，見圖5。由圖可以看出，輔助裝置可以提供最大9 L/min的輔助流量，在3500 rpm左右能夠提供5 L/min流量，100 mmHg壓力的輔助支持，可以滿足成人心室輔助的需求。

圖5 不同轉速下流量-壓力曲線

2.2 體外溶血實驗結果

實驗測得的標準溶血指數NIH平均值為（0.0007±0.0003）g /100 L。

3 討論

血泵設計加工好后，要通過體外模擬循環實驗以測定血泵的流量、壓力、轉速、效率等參數，看看是否達到設計要求，還可以通過長時間的體外模擬循環實驗評估血泵的可靠性和穩定性等。

目前臨床上使用的植入式心室輔助裝置主要是葉片式血泵。葉片式血泵對血液的破壞主要是由于血泵與血液接觸材料、驅動葉片產生的高剪切力和泵體發熱等。本研究同心Demo IV血泵與血液接觸材料使用的是質量輕、血液相容性好的鈦合金材料；血泵采用計算機輔助設計和計算機輔助流體力學分析的方法設計，盡可能地降低了高剪切力導致的血液破壞；葉片采用磁力懸浮驅動，功耗小，發熱少。葉片式血泵驅動葉片工作時產生的高剪切力作用于血液，部分紅細胞破碎后FHB被釋放入血漿產生溶血，因此溶血性能是血泵血液相容性研究中一個重要部分。最大限度減少血液損傷是所有VAD的基本要求。血泵的體外溶血評估實驗，對評價溶血性能，揭示溶血機理，探討溶血后治療方案也有重大意義，并可以對血泵結構優化設計提供寶貴的反饋信息。

溶血特性是評估VAD對接觸血液成分和理化性質影響的重要指標，通常由血漿FHB含量來衡量。美國材料與試驗協會（American Society for Testing and Materials，ASTM）編制了針對葉片血泵的溶血測試標準。本實驗就是參考ASTM的標準設計，實驗測得同心Demo IV血泵的NIH值為（0.0007±0.0003）g/100 L，國外研究表明[12-14]，NIH在0.04～0.2 mg /L之間的血泵才具有較好的血液相容性能，才具有臨床應用的可能性，同心Demo IV的實驗結果滿足這一要求，且較同心Demo Ⅰ（NIH為（0.0075±0.0017）g/100 L[15]）有了很大的提升，和其他國產血泵比也具有很明顯優勢，如北京阜外醫院FW型軸流泵NIH為（0.017±0.006）g/100 L[16]、泰達國際心血管病醫院的MLSBP血泵NIH為0.002 g/100 L[17]，同時也優于國外一些研發或應用于臨床的血泵，如TMDU/ TIH血泵NIH為0.001～0.002 g/100 L[18]、Apico主動脈血泵NIH為（0.009±0.002）g/100 L[19]、CentriMag血泵NIH為（0.0011±0.0005）g/100 L[20]。血泵體外溶血測試采用新鮮羊血，由于羊的紅細胞比人的脆性大，同等外界刺激下更易破裂，因此有理由認為同心Demo IV VAD血泵用于人時溶血性能更好。

4 結論

本文通過體外實驗獲得了同心Demo IV的體外力學性能及體外血液相容性。VAD在3500 rpm左右時可以實現5 L/min、100 mmHg的設計輸出工況。實驗測試得的標準溶血指數NIH值為（0.0007±0.0003）g/100 L。

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本文編輯 張丹妮

Hydraulics and in Vitro Hemolysis Test of Implantable Magnetic Suspending Ventricular Assist Device

WU Guang-hui1, LIN Chang-yan1, XU Chuang-ye1, LIU Xiu-jian1, HE Yu-na1, YANG Peng2, CHEN Chen2
1. Biomedical Engineering Laboratory, Beijing Institute of Heart Lung and Blood Vessel Diseases, Beijing Anzhen Hospital, Capital Medical University, Beijing 100029, China; 2. Research and Development Department, ChinaHeart Biomedical Inc, Suzhou Jiangsu 215125, China

ObjectiveTo test the working performance and hemocompatibility of a small implantable magnetic suspending ventricular assist device. Methods The hydraulic pump performance has been tested through in vitro mock circulation loop experiments. The in vitro tests referring to ASTM F1841 standard were made to test the in vitro hemolytic performance.ResultsIt turned out that the pump can deliver 5 L/min for pressures of 100 mmHg at a rotational speed of approximately 3500 rpm. The average normalized index of hemolysis values of the device was (0.0007±0.0003) mg/dL.ConclusionThe in vitro hydraulics test indicated that the device works with stable performance and can meet the requirements of adult ventricular assist, meanwhile, it has good hemolytic performance.

heart failure; ventricular assist device; maglev; hydraulics test; hemolysis test

R318.11

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.01.004

1674-1633(2017)01-0014-04

2016-09-18

2016-10-09

國家高技術研究發展計劃（863計劃）（2012AA041605）；國家自然科學基金（81670371）。

藺嫦燕，博士，研究員，主要研究方向為心室輔助裝置及心血管生物力學。

通訊作者郵箱：llbl@sina.com