模擬血液循環回路的發展*

黃峰、朱卓玲

（中國計量大學計量測試工程學院，杭州310000）

1 背景和概述

心力衰竭已經嚴重威脅人類健康，同時，心臟病人的數據在連續攀升，影響了全世界超過2.6億人口[1-2]。醫學上治療終末期心衰的最有效辦法是心臟移植[3]，但是供體數量嚴重不足，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，經過幾十年的發展，血泵自早期的搏動容積式發展到連續流葉輪式，即目前普遍采用的旋轉血泵，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，需要更進一步的研究發展。

在血泵的研發過程中需要對其性能進行評估，而最有效的辦法是在真實的血液循環系統中測試，即動物試驗，也可稱為活體試驗。但是活體試驗的周期長、可重復性差，在很大程度上延緩研發進展。在活體試驗之前采用體外測試方法評估血泵的性能，可以加快研制步伐，節約資源，是活體試驗的重要補充。

2 模擬血液循環回路

體外測試平臺需要建立起與人體真實血液循環系統相同的宏觀血流動力學環境，為血泵提供與真實相似的工作環境，即模擬循環回路。模擬循環回路模擬人體血液循環系統的各種特征，其復雜程度隨著模擬功能的增加而增加。例如，主動脈和大動脈最主要的特征是順應性，即可伸縮性，普遍采用基于彈性腔[5]的模擬方法實現，即使用密封有一定氣體的容器腔，通過調整氣體與流體的體積比實現不同的順應性值。

根據血泵的類型和其實際測試的需要，模擬循環回路可分別模擬血液循環系統的體循環、肺循環或者完整的雙循環，可以測試血泵的基本水力性能，評估其輔助血液循環的能力，也能對其長期的穩定性和可靠性進行驗證和評價。另外，模擬循環回路還可作為血泵生理控制的實驗平臺，功能多樣化[6-7]。

3 模擬循環回路各類結構的發展

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

3.1 簡單測試回路

較早時，一些研究人員采用了相對簡單的體外測試系統，此類系統未模擬心臟搏動的功能，主要實現血管的阻力和順應性特征，回路的驅動使用的是測試泵本身。Makinouchi等[8]設計了一個簡單的測試回路來評估離心血泵的水力損失，見圖1（b），該回路包括一個相當于血管阻力的模塊和一個儲液容器，血管阻力利用一個夾持裝置來模擬。見圖1（a）、圖 1（c），Yoshino等[9]與 Yoshizawa等[10]采用了類似的測試回路測試血泵的性能。由于無心臟搏動功能，這些回路并不是嚴格意義上的模擬循環回路，只是簡單的體外測試回路。

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

3.2 推板式模擬循環回路

隨著對體外測試功能要求的增多，循環回路增加了心室搏動的模擬，從而為血泵測試提供更接近真實的生理環境。

Yokoyama等[11]設計了一個新的脈動循環回路，見圖2，包含左心室模型、動脈系統模型、靜脈系統模型、代表右心的離心泵以及肺循環。左心室袋放置在一個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，從而實現不同水平的收縮性，由線性執行器與推板的組合來實現心室的收縮和舒張。心室袋出入口均安裝有單向閥門來防止流體的倒流。回路中靜脈系統容器均與大氣相通，以消除動脈脈動的影響。

Legendre和 Fonseca等[12-13]建立的模擬循環回路中，使用引擎驅動活塞推動模擬心室腔內的隔膜以實現搏動，見圖3。圖4為Zannoli等[14]構建的心血管系統機械模擬器，采用了與Legendre的裝置類似的心室搏動模擬方法。

Leopaldi等[15]設計的體外測試平臺見圖 5，利用計算機控制的活塞泵直接驅動心室壁，使其周期性運動，從而實現循環泵功能。Mueller等[16]建立了右心室模擬循環回路，利用帶有位置控制的活塞系統的直線電機，實現右心室模型的收縮與舒張，模擬心動周期及心臟的跳動。

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

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

圖4 Zannoli等人建立的心血管系統機械模擬器Fig 4 The mechanical simulator of the cardiovascular system by Zannol

3.3 氣動式模擬循環回路

一些研究人員以壓縮空氣作為驅動，模擬心臟的搏動，開發了另一類型的體外模擬循環回路。

Timms等人[17-18]建立了一個包含體循環和肺循環的完整的模擬循環系統，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現，這里氣路的換向采用了二位三通電磁閥，其換向的頻率對應了心率的大小。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充盈。止回閥在回路中相當于心臟瓣膜，防止流體的倒流。該裝置使用了傳統的彈性腔實現血管順應性，體循環和肺循環血管的阻力則通過比例控制閥調整。

圖5 Leopaldi等人設計的體外測試平臺Fig 5 The testing loop by Leopaldi

Liu等人[19]設計的循環模擬系統見圖 7（a），包括了體循環和肺循環，使用氣體擠壓硅膜組成的心室腔來模擬心室的搏動。Krabatsch等人[20]在測試HeartWare LVAD時搭建了一個模擬循環回路，直接使用了一個氣動式血泵作為模擬心室，驅動整個回路，回路見圖7（b）。

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

圖7 其它氣動式模擬循環回路Fig 7 The other pneumatic mock loops

3.4 混合式模擬循環回路

隨著血液循環系統數學模型的發展，一些研究者開始采用半實物仿真的方法來搭建混合式的模擬循環回路。

Ochsner等人[21]建立的“硬件在環”形式的混合模擬循環回路見圖8，包括軟件模型、硬件回路以及軟硬件之間的數據接口三部分。集總參數描述的血液循環數學模型[17]，在Matlab/Simulink軟件中進行實時數值模擬，獲得所需的血液循環系統關鍵位置處，如左心室、主動脈等處的血壓，并以此為設定值，通過反饋控制使實際物理容器中的壓力實時跟隨設定值，此時即可將相應的物理容器視為模擬左心室或者主動脈，它們為血泵進出口提供了與人體循環系統相應位置相似的壓力環境。在該進出口壓力情況下，測試血泵產生的流量可與接入真實循環系統相比擬。測試血泵的流量經由超聲血流儀測量后又重新反饋到循環系統數學模型中，從而改變了下一時刻左心室、主動脈等處的壓力，即產生了新的設定值。通過此方式，軟件中的循環系統數學模型與測試血泵實現了實時交互。物理容器中的壓力控制通過電比例閥調節進入和排出容器的氣體流量來實現，同時，為了平衡物理容器中的流體體積，需要使用一個回流泵以保持容器中液位的相對恒定。

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

Nestler等[22]也設計了一些混合模擬循環回路用于血泵體外測試，見圖 9（a）。圖 9（b）、圖 9（c）為Darowski等[23]建立的循環系統混合模型，該模型具有參數連續可調、模擬波形準確和使用靈活等優點，得到了許多研究者的青睞。

3.5 小兒模擬循環回路

前述的模擬循環回路均是針對成人設計的，隨著小兒心臟病人數的不斷上升[24]，許多研究者開始關注小兒心室輔助裝置的研發[25]，繼而對小兒體外模擬循環測試系統的需求也越來越多。小兒循環系統的血壓、血流量、血管順應性和阻力均與成人具有很大的不同，而且隨著年齡的增長，這些數值不斷地變化，所以不能簡單地在成人模擬循環回路上評估小兒心室輔助裝置。Pantalos等人[26]開發了一個包括體循環和肺循環的小兒模擬循環回路，見圖10（a），采用了氣動血泵產生脈動流，該回路可以實現正常和心衰狀況下小兒血流動力學的復制。除此，Vandenberghe、Huang、Pugovkin等人[27-29]皆開發了小兒模擬循環回路，用于小兒心室輔助裝置的測試，見圖10（b）、圖10（c）、圖 11。總之，目前小兒模擬循環回路的數量和功能都有局限性，有待于進一步的研究開發。

圖9 （a）.Nestler等的混合模擬循環回路；（b）.Darowski等建立的混合模型連接LVAD的原理圖；（c）.混合循環模型照片Fig 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 研究人員開發的小兒模擬循環回路Fig 10 The pediatric mock loops developed by researchers

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

3.6 國內對模擬循環回路的研究

國內的研究者們也開展了一些關于體外模擬循環回路的研究。錢坤喜等[30]在測試其葉輪血泵時，基于Pantalos等[31]的研究，建立了模擬循環回路，包含順應性和外周阻力的模擬，無心臟搏動的模擬。樊瑜波等[32]研制的含主要動脈分支的體循環模擬系統，采用了與Yokoyama[11]幾乎相同的設計。潘仕榮、呂雪烽等[33-34]也設計了相應的模擬循環回路，模擬左心室收縮和舒張，實現正常和心衰等多種心室狀態。總的來說，國內學者使用的模擬循環回路相對簡單，主要實現動脈彈性腔和血管阻力的模擬，較少關注完整心臟功能的模擬，同時也較少采用混合式的模擬循環回路。

4 總結與展望

隨著心室輔助裝置的發展，模擬循環回路已經逐漸趨于完善。早期的一些測試回路無心臟搏動的模擬，只關注血管阻力和順應性的簡單實現。此后基于推板活塞方式或者氣動驅動方式模擬心臟功能的模擬循環回路，雖然實現了心臟泵功能的模擬，但是由于血管阻力和順應性的模擬通過使用節流和密封氣體的彈性腔方式實現，其值存在準確模擬困難、無法做到大范圍連續可調等缺點。相比推板式，雖然氣動方式的模擬心室在定性上具有一定的前負荷敏感性，但是這種敏感性在定量上是與生理數值不相吻合的。混合式體外模擬循環回路結合了數值模擬和物理回路的優勢，能夠靈活方便地實現多種生理狀況下血液循環系統多個關鍵位置的血流動力學模擬。

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系統自身生理反饋調節功能，這在一定程度上限制了血泵和血液循環系統之間的交互影響研究。其二，混合式模擬循環回路采用的血液循環系統數值模型是集總參數，而不是分布式的，在血泵插管方式變化時需要對模型進行一定程度的擴展。且現有的裝置以左心室輔助裝置偏多，忽略右心臟因為該裝置的操作而加快衰竭，自然也較少有用于測試右心室輔助裝置的模擬循環回路。在實驗操作上，有部分把肺循環或者體循環獨立開，前后負荷直接耦合，事實上，兩者之間相互聯系，如果要準確地模擬自然心臟，仍需進一步研究。另外，目前針對小兒的體外模擬循環回路相對較少，也需要更進一步發展。