一種新型PICC沖洗套管沖洗方案性能分析

劉利興，馬燕蘭

1. 解放軍醫學院，北京 100853；2. 解放軍總醫院 護理部，北京 100048

引言

經外周置入中心靜脈導管（Peripherally Inserted Central Catheters，PICC），因其置管簡便、安全性高、留置時間長等特點廣泛應用于臨床，已成為腫瘤患者輸注化療藥物的首選途徑[1]。PICC置入靜脈血管后，導管周圍容易形成纖維蛋白鞘，從而引發導管相關性血栓[2]。研究顯示，PICC導管相關癥狀性血栓發生率達到3%～20%，無癥狀血栓發生率高達51.4%～61.9%[3-4]。一旦發生血栓，不僅增加患者痛苦及經濟負擔，嚴重者可危及生命[5]。靜脈治療指南中建議，正確地沖管和封管可以預防血栓形成[6]。但目前PICC沖管的方法只能預防PICC管腔內的血栓，暫無有效的方法預防導管外壁形成的血栓。

因此，本研究設計了一款新型的PICC沖洗套管，通過增加導管外壁沖洗功能，沖刷導管外壁，防止血液有形成分的粘附，預防血栓形成。同時通過沖洗加快導管周圍血流速度，以降低導管相關性血栓發生率。目前，已經完成新型PICC沖洗套管的整體結構設計，但對于此套管最佳的切縫方案，尚無定論。另外，也尚未確定合適的沖洗速度。由于臨床治療的原因，不可能大劑量高速沖洗，因此要選擇一個合適的沖洗速度，既保證盡可能的少量低速，又不影響沖洗效果。由于沖洗套管管壁微小，沖刷效果難以用儀器測量出來，需要采用更為精細科學地方法進行研究分析。

計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）是對包含有流體流動和熱傳導等相關物理現象的系統通過計算機數值計算和圖像顯示進行分析[7]。近年來，隨著計算機科學技術的發展，CFD越來越多地應用于醫學領域，如心臟運動力學研究、動脈血管中血流動力學研究、以及醫用導管在人體內的血流動力學性能分析[8-10]。Clark等[11]運用CFD模擬，研究比較了三種商用對稱頭透析導管的局部血流動力學；Mareels等[12]利用CFD的方法對某款中心靜脈導管的性能參數（流速、壓降、剪切速率、通道再循環）進行分析評估產品的性能。鑒于CFD方法已在醫用導管領域有較廣泛的應用，本研究也擬應用CFD的方法，比較新型沖洗套管不同切縫設計在不同沖洗速度下，各縫隙出水的流量、壓力和流速，以得到最優的設計方案和沖洗速度。

1 材料與方法

1.1 基本結構

新型PICC沖洗套管基本結構如圖1所示。圖1a為新型PICC沖洗套管的整體結構。新型PICC沖洗套管為“Y”型接頭內外兩層導管設計的套管結構；內層為臨床上目前常用巴德三向瓣膜的PICC導管，用于藥物輸注；在內層導管外覆蓋了一層硅膠材質的外套管作為沖洗套管；內外兩層導管之間是末端封閉的管腔，僅在外層沖洗套管管壁上有數個切縫；沖洗液進入內外管間隙，只能從外套管切縫流出，起到沖刷套管壁及血管的作用。外層沖洗套管同樣采用三向瓣膜結構（圖2），在不沖洗時，切縫處于封閉狀態，防止血液回流到內外管腔間隙；沖洗時，沖洗液依次順著切縫流出，沖刷導管壁及血管壁，阻止血液有形成分粘附，防止血栓形成。目前，此設計已獲得發明型專利。

圖1 新型PICC沖洗套管結構圖

圖2 三向瓣膜管壁內壁受壓形變圖

1.2 方法

1.2.1 建立模型

本研究采用硅膠管制作外層的沖洗導管，導管外徑為3 mm，內徑為1 mm，總長度為250 mm。對沖洗管選取等間距切割3道縫和5道縫兩種設計工況進行模擬，切割口之間的間距分別為66 mm和30 mm，其中第一個切口距離入口距離均為88 mm，管子另一端封閉，如圖3a所示。

研究人員采用Gambit 6.2建立幾何模型，并劃分網格。網格均采用六面體結構化網格為了更好的捕捉流體在邊界層區域內的流動，對邊壁附近網格做邊界層處理，并對切口附近流動復雜區域網格局部加密，如圖3b和3c所示。

圖3 套管模型及網格圖

1.2.2 求解參數和邊界條件

本研究采用CFD專業計算軟件FLUENT軟件完成仿真分析。以0.9%氯化鈉溶液作為沖洗液位，為簡化分析過程，將其假定為不可壓縮的黏性牛頓流體。其在沖洗管管腔內的流動可以認為是層流，流動滿足質量守恒、動量守恒和能量守恒定律。在不可壓縮流體的流動中，熱量交換很小，能量分析可不考慮，因此主要通過對連續性方程和N-S方程進行求解，得出流場信息。具體方程如式(1)和式(2)所示。

式(1)為連續性方程，式(2)為N-S方程。其中，ρ為密度，u為速度，p為壓力。

對方程求解采用了壓力-速度耦合的SIM-PLE算法，壓力和動量離散格式均采用二階迎風格式。迭代計算中亞松弛因子保持默認。進口條件：在流道入口給不同速度值（分別對應10、20、50、75、100 mL/h），用于模擬不同沖洗速度下管道切縫的出水情況。出口條件：壓力出口，表壓設置為0。沖洗液是0.9%氯化鈉注射液，液體密度為1004 kg/m3，工作溫度為37℃。

2 結果

2.1 兩種切縫設計的沖洗套管各切縫流量對比

切縫1為距離入水口最近的切縫，切縫3（或切縫5）是距離入水口最遠的切縫。隨著沖洗速度的增加，切縫的出水量都會隨之增加；在同一沖洗速度下，切縫流量由進水口近端的切縫往遠端遞減。5個切縫質量流量分布更加均勻。3道切縫沖洗套管各切縫流量，見表1；5道切縫沖洗套管各切縫流量，見表2；兩種管道各切縫質量流量曲線圖，見圖4。

表1 3道切縫沖洗套管各切縫流量 (mg/s)

表2 5道切縫沖洗套管各切縫流量 (mg/s)

圖4 兩種管道各切縫質量流量曲線

2.2 兩種切縫設計的沖洗套管各切縫壓力對比

通過計算流體力學處理后，可以得到不同沖洗速度下，各切縫處壓力圖，見圖5和圖6，表3和表4。

圖5 3道切縫套管不同沖洗速度下切縫1壓力圖

圖6 100 mL/h沖洗速度下3道縫套管各切縫壓力圖

表3 3道切縫沖洗管道各切縫壓力 (Pa)

表4 5道切縫沖洗管道各切縫壓力 (Pa)

2.3 兩種設計的沖洗套管各切縫液體流速對比

由軟件仿真分析可以得到，不同沖洗速度下，兩種設計的沖洗套管各切縫液體流速圖，本文截取了兩種設計的沖洗套管，在100 mL/h的沖洗速度下，各切縫的液體流速，見圖7及圖8。圖中箭頭表示速度的方向，底部涂層顏色對應代表速度的大小。從圖中可以看到每一個出口的速度分布在管子壁面附近比較低，到中心比較大，這與次流動速度、管直徑、液體物性下的雷諾數有關，符合理論上管子中流動狀態速度分布。同時，從圖中可以看到，這兩種設計的管道，在最末一個切縫出口都可以看到小范圍的回流現象，這是由于管子的另一端出口被堵死，液體無法流出所致，見表5～6。

圖7 100 mL/h沖洗速度下5道縫套管各切縫液體流速圖

圖8 100 mL/h沖洗速度下3道縫套管各切縫液體流速圖

表5 3道切縫沖洗管道各切縫液體流速對比 (cm/s)

表6 5道切縫沖洗管道不同切縫液體流速對比 (cm/s)

3 討論

近年來，PICC導管被廣泛應用于臨床，為需要化療及長期腸外營養的患者提供了安全穩定的靜脈輸液途徑。但是PICC使用過程中導致的導管相關性血栓一直是臨床護理亟待解決的難題。圍繞如何降低PICC相關性血栓發生率，國內外學者進行了很多研究，如選擇聚氨酯與硅樹脂材料降低血栓發生率、改進穿刺方法、預防性使用抗凝劑、通過主動運動或被動運動加快置管肢體血流速度等[13-16]。但這些預防措施均無法有效解決導管外壁血液成分粘附的問題。因此，本研究從改變導管本身的結構角度出發，設計了一款帶沖洗功能的PICC雙層導管，外層導管管壁上設計有切縫，沖洗液進入內外導管之間的管腔，管腔末端封閉，沖洗液只能從外套管切縫流出，沖刷導管外壁及血管壁，防止血液有形成分在導管外壁及血管壁的附著。PICC作為異物置入人體血管內，本身就會導致血管血流減慢，另外血管留置在體內會對血管產生機械性刺激，增厚血管內膜，加大血流阻力[17]。多項研究表明，采用不同的方式加快血液流動，可有效預防PICC相關性血栓[18-20]。新型的PICC套管通過外層導管的沖洗功能，也能有效增加置管血管的血流速度，降低導管相關性血栓發生率。

新型PICC沖洗套管設計完畢后，通過預實驗發現，外套管如果切縫數目過少，則沖洗功能無法覆蓋導管全長，無法達到完整的沖洗效果；如果切縫數目過多，則容易出現某些切縫無法流出沖洗液，形成無效切縫。同時，沖洗速度到達多少才能有效地增加血流速度，也尚無定論。為了挑選出最優的切縫設計方案和適宜的沖洗速度，本實驗應用CFD模型模擬沖洗液在沖洗套管內的流動，比較了兩種設計的套管各切縫流量、壓力值及液體流速。在CFD計算中，入口設置為質量入口，切口處均設置為壓力出口，其余邊界設置為wall。以0.9%氯化鈉注射液為介質進行數值模擬。由于流速較小，整個流動過程中流動雷諾數較小，黏性模型選擇為laminar模型。壓力與速度的耦合算法為Simple算法，為保證計算精度，壓力和動量求解均采用二階迎風格式。

結果顯示，3道切縫設計和5道切縫設計的PICC沖洗套管都能保證各個切縫均有沖洗液流出，不存在無效切縫。在同樣的沖洗速度下，3道切縫設計的沖洗套管，從切縫1到切縫3，液體流量、壓力、和流速呈現遞減的趨勢。而5道切縫設計的沖洗管道，各切縫遞減趨勢較小，各切縫液體流量、壓力及流速分布較均勻。為有效沖刷管道表層附著物，防止血栓形成，每個切縫均勻的出水量和速度，才能保證導管各段的沖洗效果一致，避免遠端切縫沖洗效果弱于近端切縫。因此，5道切縫的設計優于3道縫的設計。

從模擬結果可以看出，雖然兩種沖洗套管切縫數目不同，但是在同一沖洗速度下，切縫能達到的最大液體流速大致相同。10 mL/h沖洗速度時，切縫最大液體流速約為6 cm/s；20 mL/h工況下切縫最大液體流速約在12 cm/s；50 mL/h工況下，切縫最大液體流速約在30 cm/s；75 mL/h工況下切縫最大液體流速約在60 cm/s；100 mL/h工況下切縫最大液體流速為130 cm/s。靜息狀態下，腋靜脈TMFV（單位時間內平均血流速度）約為9.94～11.53 cm/s[21]。周曄等通過隨機對照干預實驗后發現，握拳運動能加快血流速度,有效的握拳運動后，腋靜脈TMVF約為（21.94±7.77）cm/s，通過有效的握拳運動，運動組的PICC血栓率低于未運動組[22]。從目前的研究中可以看出，當腋靜脈TMVF增加到（21.94±7.77）cm/s時能有效地預防血栓形成。比較各沖洗速度下的液體流速，本研究中認為導管沖洗速度選擇為50 mL/h比較適宜。此時液體流速約為30 cm/s接近于握拳運動對血流的影響效果。可以避免沖洗液體速度過小以至于對血流速度影響弱，也防止沖洗速度會過快影響患者循環狀況。

綜上所述，通過有限元分析，本研究認為5道切縫設計的新型PICC沖洗套管最優，50 mL/h為適宜的沖洗速度。但本次實驗也存在一定的局限性：① 本研究將整個沖洗過程假設為了一個穩態過程，對穩態的N-S方程進行求解；② 由于流速較小，黏性模型采用了層流laminar模型，但在流速發生改變的區域模型的正確性有待下一步研究；③ 目前只模擬了沖洗套管內部的液體流動情況，沒有結合套管在血管內，模擬套管對血流及血管的沖刷效果，這也是本課題下一步的實驗目標；④ 有限元實驗結果，尚無實物實驗進行驗證，下一步擬于豬身上進行動物實驗，在豬身上分別置入新型PICC沖洗套管與普通PICC套管，通過血管超聲探測沖洗套管沖洗對血流的影響，同時驗證新型PICC沖洗套管預防血栓的效果。