磁悬浮植入式心室辅助装置体外水力学及溶血实验

吴广辉1,蔺嫦燕1,徐创业1,刘修健1,何玉娜1,杨朋2,陈琛2

1.首都医科大学附属北京安贞医院 北京市心肺血管疾病研究所 生物医学工程研究室,北京100029;2.苏州同心医疗器械有限公司 研发部,江苏 苏州215125

[摘 要]目的测试一款小型磁悬浮植入式心室辅助装置的基本工作性能和体外溶血性能。方法 通过体外水力学实验获得装置的基本工作性能;通过体外模拟实验(参照ASTM F1841标准)检测装置体外溶血性能。结果该磁悬浮植入式心室辅助装置主体血泵在3500 rpm左右能够提供5 L/min流量,100 mmHg压力的辅助支持;体外实验标准溶血指数值为(0.0007±0.0003)mg/dL。结论体外水力学实验证实该装置工作性能稳定,可以满足成人心室辅助的需求,同时也具有较好的体外溶血性能。

[关键词]心力衰竭;心室辅助装置;磁悬浮;水力学实验;溶血实验

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年生存率和恶性肿瘤类似[1]。据统计[2],全球已有超过3800万HF患者。随着高血压、冠心病等心血管疾病的高发,我国HF发病率和病死率也在逐年升高,形势日趋严峻。流行病学调查显示[1-3],中国成年人群心衰发病率为0.9%,确诊患者达600万,中重度心衰患者5年病死率高达30%~50%。总之,心力衰竭已经成为一个全球性的问题,给全球医疗事业带来巨大经济压力和社会负担,也严重威胁着我国国民的生命健康。对于重度HF患者,药物治疗效果有限,心脏移植受供体来源限制,心室辅助装置(Ventricular Assist Device,VAD)已逐渐成为重要的治疗方法[4]

VAD在国外发达国家作为心脏恢复过度期辅助、心脏移植供体等待期间桥梁过度及心脏永久替代等方面已被广泛应用于临床,应用例数也在逐年增加[4-8],但价格昂贵[9-10],很难在国内推广使用,随着我国老龄化社会的到来及心梗患者生存率的逐渐提高,我国终末期心衰患者的人数将逐年增加,因此研发国产自主知识产权VAD迫在眉睫。临床发现溶血是VAD辅助患者的一个主要并发症之一,VAD植入会对患者血液产生影响。目前体积小、耐用性久、溶血性能好的磁悬浮无轴承离心式VAD是VAD研发和临床应用的热门。本研究对苏州同心医疗有限公司研制的磁悬浮无轴承离心式VAD进行了体外水力学性能及体外溶血实验研究,为下一步动物在体试验提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 VAD

本实验的同心Demo IV VAD由苏州同心医疗有限公司设计加工,VAD主要由泵体、流入管道、流出管道、馈穿密封和经皮式电缆等植入体内部件,以及外置电源和控制器等体外部件组成。装置主体血泵,见图1,泵体接触血液的材料均采用溶血性能较好的钛合金。血泵直径42 mm,厚22 mm,重量130 g左右。血泵内部转子无轴承,利用磁悬浮技术通过无位置传感器的反馈信号调节转子叶轮转速,进而调节血泵输出流量和输出压力。

图1 同心Demo IV心室辅助装置

1.2 实验动物

实验动物为3只雄性绵羊,体重约55 kg左右,通过常规体征观察确认健康,无发烧、咳嗽等症状,并接种过疫苗。实验羊由北京平谷模拟医院提供,动物批号:SYXK(京)2010-0019。

1.3 体外水力学实验

体外水力学实验通过体外模拟循环实验系统完成,系统包括储液器(5 L的烧杯)、流道(医用体外循环管道)、阻尼器、一次性使用压力传感器(MMBPTSA20,北京天地和协科技),数据采集设备(PCI-6251,美国国家仪器)、电磁流量计(SM6000,德国易福门电子)和恒温水浴锅等构成。流体介质为水和甘油混合液(2∶1)。

实验时,将恒温水浴锅的温度设定为37 ℃,将压力传感器分别连接于VAD的入口和出口,逐步调整辅助装置转速为1600,1800,2000,……,3800 rpm,每个转速下通过调节阻尼器,使循环流量分别达到0,1,2,3……L/min,至最大流量,记录每一转速下流量所对应的出入口压力,最后绘制出流量—压力曲线图。实验装置整体见图2,原理图见图3。

1.4 体外溶血实验

实验通过体外溶血实验通过体外循环模拟试验台完成。试验台由储血器、医用肝素化体外循环管道、阻尼器、压力计、流量计、信号采集系统构成,体外溶血试验模拟图,见图4。实验采用500 mL CPDA储血袋作为储血器,1 m长内径10 mm的医用体外循环管道作为循环管道。储血器有2个直径10 cm的接口,方便作为血泵流入和流出道,血袋还带有1个采血口,方便循环实验中采血。实验时流量计(SM6000,易福门电子)放置在出口管道,压力计(MMBPTSA20,北京天地和协科技有限公司)的管状探头分别置于血泵的前、后端,分别检测循环回路的进出口压力。

图2 外水模拟循环系统

图3 体外水力学实验模拟图

共进行3次实验,实验前用医用取血袋(生复200 mL采血袋,长春泰尔茂医疗器具有限公司)分别从3只实验羊颈静脉取新鲜血液100~200 mL。将取得血液混合装入上述特制贮血袋,连接循环回路中各个检测设备,连接完成后排气。转泵前用5 mL带帽离心管(Corning,美国)在血泵转泵前采血2 mL左右作为基线值。转泵后,通过调节阻尼阀及血泵转速使泵的输出为:流量5 L/min左右,出入口压差为13.3 kPa左右,至标记实验开始后1,2,…,6 h时分别再采血样2 mL左右,采血时,先从采血口采集1 mL左右废弃血,然后再采样本血样2 mL,将采集血样通过高速离心机(Eppendorf,德国)离心、移液器(Eppendorf,德国)采血浆,放置于-80℃冰箱(海尔,青岛海尔公司)保存。实验结束后,测量实验采集血清样本中血浆游离血红蛋白(Free Hemoglobin,FHB)浓度和红细胞压积(Hematocrit,Hct)。实验转泵前及转泵后每小时通过便携式红外温度计(F561,美国福禄克公司)测量泵表温度。实验血泵工况(转速、功耗等)通过其控制软件记录到PC机。

图4 体外溶血实验模拟图

目前国际上叶片血泵通常采用美国材料与试验协会(American Society for Testing and Materials,ASTM)F1841-97(Reapproved 2013)[11]标准测量溶血性能,标准中的标准溶血指数(Normalized Index of Hemolysis,NIH)的计算公式为:

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

这里,ΔFHB:测试时间间隔内FHB的增量值(g/L);V:总循环容量(L);Hct:红细胞压积(%);Q:血泵流量(L/min);T:测试间隔时间(min)。

由于红细胞遭到损坏,血红蛋白被释放入血浆内,而形成溶血。标准溶血指数:以红细胞压积校正血浆容积并以血液流速和循环时间标准化后,100 L泵出血液血浆游离血红蛋白增加的克数。

2 结果

2.1 体外水力学实验结果

不同转速压力—流量曲线,见图5。由图可以看出,辅助装置可以提供最大9 L/min的辅助流量,在3500 rpm左右能够提供5 L/min流量,100 mmHg压力的辅助支持,可以满足成人心室辅助的需求。

图5 不同转速下流量-压力曲线

2.2 体外溶血实验结果

实验测得的标准溶血指数NIH平均值为(0.0007±0.0003)g /100 L。

3 讨论

血泵设计加工好后,要通过体外模拟循环实验以测定血泵的流量、压力、转速、效率等参数,看看是否达到设计要求,还可以通过长时间的体外模拟循环实验评估血泵的可靠性和稳定性等。

目前临床上使用的植入式心室辅助装置主要是叶片式血泵。叶片式血泵对血液的破坏主要是由于血泵与血液接触材料、驱动叶片产生的高剪切力和泵体发热等。本研究同心Demo IV血泵与血液接触材料使用的是质量轻、血液相容性好的钛合金材料;血泵采用计算机辅助设计和计算机辅助流体力学分析的方法设计,尽可能地降低了高剪切力导致的血液破坏;叶片采用磁力悬浮驱动,功耗小,发热少。叶片式血泵驱动叶片工作时产生的高剪切力作用于血液,部分红细胞破碎后FHB被释放入血浆产生溶血,因此溶血性能是血泵血液相容性研究中一个重要部分。最大限度减少血液损伤是所有VAD的基本要求。血泵的体外溶血评估实验,对评价溶血性能,揭示溶血机理,探讨溶血后治疗方案也有重大意义,并可以对血泵结构优化设计提供宝贵的反馈信息。

溶血特性是评估VAD对接触血液成分和理化性质影响的重要指标,通常由血浆FHB含量来衡量。美国材料与试验协会(American Society for Testing and Materials,ASTM)编制了针对叶片血泵的溶血测试标准。本实验就是参考ASTM的标准设计,实验测得同心Demo IV血泵的NIH值为(0.0007±0.0003)g/100 L,国外研究表明[12-14],NIH在0.04~0.2 mg /L之间的血泵才具有较好的血液相容性能,才具有临床应用的可能性,同心Demo IV的实验结果满足这一要求,且较同心Demo Ⅰ(NIH为(0.0075±0.0017)g/100 L[15])有了很大的提升,和其他国产血泵比也具有很明显优势,如北京阜外医院FW型轴流泵NIH为(0.017±0.006)g/100 L[16]、泰达国际心血管病医院的MLSBP血泵NIH为0.002 g/100 L[17],同时也优于国外一些研发或应用于临床的血泵,如TMDU/ TIH血泵NIH为0.001~0.002 g/100 L[18]、Apico主动脉血泵NIH为(0.009±0.002)g/100 L[19]、CentriMag血泵NIH为(0.0011±0.0005)g/100 L[20]。血泵体外溶血测试采用新鲜羊血,由于羊的红细胞比人的脆性大,同等外界刺激下更易破裂,因此有理由认为同心Demo IV VAD血泵用于人时溶血性能更好。

4 结论

本文通过体外实验获得了同心Demo IV的体外力学性能及体外血液相容性。VAD在3500 rpm左右时可以实现5 L/min、100 mmHg的设计输出工况。实验测试得的标准溶血指数NIH值为(0.0007±0.0003)g/100 L。

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本文编辑 张丹妮

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

Abstract: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.

Key words:heart failure; ventricular assist device; maglev; hydraulics test; hemolysis test

[中图分类号]R318.11

[文献标识码]A

doi:10.3969/j.issn.1674-1633.2017.01.004

[文章编号]1674-1633(2017)01-0014-04

收稿日期:2016-09-18

修回日期:2016-10-09

基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)(2012AA041605);国家自然科学基金(81670371)。

通讯作者:蔺嫦燕,博士,研究员,主要研究方向为心室辅助装置及心血管生物力学。