郝宗超 田步升 象天工 祝會占

[摘要] 目的 李國榮博士在導師朱曉東院士的指導下研制的心尖微型軸流泵式心臟輔助裝置流體力學特性已達實際應(yīng)用的需要。本文擬通過動物體內(nèi)植入實驗證實此微型軸流泵的可植入性及解剖結(jié)構(gòu)的合理性,為進一步研究奠定基礎(chǔ)。方法 “曉東—國榮”心尖軸流泵,外殼由鈦合金制成。直徑18.6mm,長度55mm。動物采用6-8月齡豬,重量65±5kg。全麻后右側(cè)第5肋間開胸,用人造血管與降主動脈行“端—側(cè)”吻合。在膈神經(jīng)上方切開心包,在左心尖部用特制的環(huán)形刀將心肌環(huán)狀切除直徑15mm左右,與心室相通。肝素化后將泵插入左心室。間斷縫和泵的環(huán)狀縫合裙與心肌后嚴密止血。開始啟動血泵后去除人造血管的阻斷鉗。調(diào)節(jié)泵轉(zhuǎn)速,測定心腔壓力。結(jié)果 體外模擬測試表明“曉東—國榮” 心尖軸流泵可在100毫米汞柱條件下輸出5L/分鐘流量。手術(shù)植入方法安全。動物試驗總共8只豬,6只順利完成手術(shù)植入。動物實驗的壓力測試表明:血泵可充分降低左心室壓力負荷,同時維持穩(wěn)定的外周血壓。結(jié)論 “曉東-國榮” 心尖軸流泵結(jié)構(gòu)設(shè)計可行,體積小,重量輕,可植入性和流體力學特性達臨床應(yīng)用要求。

[關(guān)鍵詞] 心臟輔助; “曉東—國榮”心尖軸流泵; 人工心臟; 心功能衰竭

[中圖分類號] R751[文獻標識碼] A[文章編號] 1004-8650(2009)05-021-03

The Surgical management of “Xiaodong-Guorong” Apex Pump in Animal Implantation Experiments

HAO Zong-chao,TIAN Bu-sheng,XIANG Tian-gong,ZHU Hui-zhan

[Abstract] Objective“Xiaodong-Guorong”apex pump is a new type of micro-axial flow pump,intented to be implanted in left ventricular apex. This article describes the surgical implantation of this pump in animal experiments and its physiological performance. Methods “Xiaodong-Guorong” apex pump is 18.6 mm in diameter and 55 mm in length. After the animal,swines of weight between 60–70kg, was anesthetized intravenously, respiration was maintained with a volume-limited ventilator via a tracheotomy tube. The left chest was entered through a posterolateral thoracotomy at the fifth costal space. A section of artificial blood vessel was connected to the descending thoracic aorta by a side-to-end anastomosis. Then, the axial flow pump was inserted into the left ventricular through a circular cut, about 15 mm of diameter, at the ventricular apex. Catheter for pressure records was inserted into the aortic arch via the right femoral artery and into the left ventricular via the left atrium for aortic and left ventricular pressure moitoring. Results The testing in a mock circulation suggest that the “Xiaodong-Guorong” apex pump is excellent of hydrodynamic characteristics,producing output of 5L/min against the pressure of 100 mmHg, which is enough for left ventricular assistance. The surgical implantation of “Xiaodong—Guorong” apex pump was feasible and uneventfully in six of the eight animals. The preliminary in vivo study shows that significant change in the left ventricular pressure can be produced by the operation of pump. The left ventricular systolic pressure was greatly decreased with the increase of pump speed while the aortic pressure remained normal, indicating that the axial pump can effectively unload the ventricle and sustain the circulation. Conclusion “Xiaodong-Guorong” apex pump has a good anatomy fit and was promise to be used in the clinical practice in near future.

[Key words] Heart assiast device; “Xiaodong-Guorong” apex pump; Artificial heart; Cardiac failure

近年來,心臟疾病和心功能衰竭的發(fā)病率不斷增加,探索新的有效治療方法成為重要的醫(yī)學課題。用植入式血泵長期輔助或替代衰竭心臟一直是研究者們探索的方法。國外已有多種可植入式心臟輔助裝置應(yīng)用于臨床,取得了顯著的療效。目前,心臟輔助裝置的研究正轉(zhuǎn)向旋轉(zhuǎn)葉輪泵,特別是小型甚至微型軸流泵更成為該領(lǐng)域的研究熱點[1,2]。在設(shè)計時,可植入的血泵應(yīng)該有盡可能小和盡可能合理的外形尺寸以適應(yīng)人體內(nèi)的間隙,減小對相鄰器官的壓迫性影響。裝置的良好的解剖相容性是避免嚴重并發(fā)癥的基礎(chǔ)。其次還要盡可能降低能耗,減小對體熱平衡的干擾,便于從環(huán)境中獲得能量?？芍踩塍w內(nèi)的微型軸流式血泵從結(jié)構(gòu)上看屬于電動機械和流體機械的集成裝置,因此,優(yōu)化設(shè)計將需要該類技術(shù)的進步。

自上世紀九十年代,在朱曉東院士的指導下李國榮博士開始了對可植入式心臟輔助裝置的探索。根據(jù)他們的研究成果[3,4],我公司研制了“曉東-國榮”心尖軸流泵的樣機。在對血泵進行了系統(tǒng)的體外測試后確證此微型軸流泵的電機特性和流體力學特性均達到了實際應(yīng)用的要求。本文的實驗?zāi)康氖峭ㄟ^動物體內(nèi)植入試驗證實此微型軸流泵的可植入性及解剖結(jié)構(gòu)的合理性,為進一步的研究和臨床應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1材料與方法

1.1“曉東-國榮”心尖軸流泵

植入部分為圓柱狀的泵體,外殼由鈦合金制成。泵的工作原理與一般的軸流泵原理類似,但采用了在筒型泵管的入口端由管壁向中心伸出的前懸臂支撐前滑動軸套,避免采用傳統(tǒng)的導流葉。轉(zhuǎn)子采用高性能稀土永磁材料,密封包被在葉輪體的輪轂中?！稗D(zhuǎn)子-葉輪體”置于筒型泵管內(nèi),轉(zhuǎn)軸在前、后軸套的支持下可自由轉(zhuǎn)動。筒型泵管內(nèi)的出口端設(shè)置尾導葉。定子總成由環(huán)形的矽鋼片疊成定子筒,環(huán)繞泵管外壁。在泵管的外壁與定子筒內(nèi)壁間的空隙內(nèi)鑲嵌"空心杯"式三相漆包線繞組,三相繞組順序通電時可產(chǎn)生與泵管同心的旋轉(zhuǎn)磁場,推動“轉(zhuǎn)子-葉輪體”旋轉(zhuǎn)。矽鋼片疊成的定子筒外壁由薄壁的定子外殼緊密包背將矽鋼片定子及繞組完全密封,達到防止液體滲入的目的。定子外殼構(gòu)成的泵體外壁上有環(huán)形的縫合裙鑲嵌槽。由凸起的環(huán)狀鑲嵌槽前唇和后唇組成。鑲嵌槽前唇和后唇間距為2mm,可在前、后唇間形成的鑲嵌槽內(nèi)綁扎編織的縫合裙。植入時將縫合裙環(huán)狀縫接在心肌外表面以達到固定血泵的目的。

體外控制部分由電源電池和控制電路組成?？刂齐娐返墓ぷ髟眍愃朴谄胀ǖ臒o刷直流電動機,泵轉(zhuǎn)速通過輸入電壓調(diào)節(jié)。目前樣機的最大直徑18.6mm, 定子外殼長度38mm,泵管直徑13mm,長度55mm。出口由相似口徑的人造血管導引,長度可根據(jù)需要裁減以便與大動脈連接。體內(nèi)植入部分的總體積72ml,總重量約50g。

1.2動物及手術(shù)方法

采用6-8月齡豬,雌雄不限,重量(65±5)kg。術(shù)前胃腸準備3天,僅飲流質(zhì),體表清洗一次,手術(shù)日進行徹底清洗。在基礎(chǔ)麻醉狀況下,在豬的耳部建立靜脈通路,接準靜脈復(fù)合麻醉藥,控制麻醉深度。豬的手術(shù)區(qū)域的皮毛清除、消毒準備后在豬頸部行氣管切開術(shù),置入氣管導管(8mm),接呼吸機,控制豬的呼吸,頻率12-15次,潮氣量(680±50)ml,氧濃度>45%,呼吸比2:1。在靜脈復(fù)合麻醉液中加入琥珀膽堿400mg。全肌松狀態(tài)下控制呼吸。在豬的頸部手術(shù)切開暴露頸部深靜脈,向心端針刺導管法置入多腔孔靜脈導管達心臟入口處,作靜脈快速通路及中心靜脈測量管,同位置暴露頸總動脈,針刺向心端置管5cm,作動脈壓測量管,連接三通接頭,壓力換能器等。膀胱造瘺引流術(shù),接引流管尿袋,做液體出量記錄及尿液顏色變化的觀察記錄。胃造瘺術(shù),預(yù)防術(shù)中及術(shù)后胃積氣。術(shù)中靜脈復(fù)合麻醉(1%普魯卡因500ml,安定40mg,嗎啡200-400mg,氯胺酮200-400mg,司考林400mg),點滴速率,第一小時200ml/h,此后(100±40)ml/h,依據(jù)麻醉深度調(diào)控。

手術(shù)步驟:動物左側(cè)臥位,行左側(cè)前外側(cè)切口,經(jīng)第五肋間進入胸腔。充分暴露手術(shù)野,切斷結(jié)扎奇靜脈,游離降主動脈,套阻斷帶。在降主動脈處夾側(cè)壁鉗,縱形剪開降主動脈約15mm,取直徑12mm的人造血管10cm,行人造血管與降主動脈端側(cè)吻合(用0/4或0/5普理線)連續(xù)縫合。在膈神經(jīng)上方切開心包(上至肺動脈下至膈肌)。由左心耳插入測壓導管到左心室,小心通過二尖瓣到左心室。在心包腔內(nèi)填入紗布,將心尖抬起。在左心尖部用帶墊片無損線縫一周,然后分成三組,用紋氏鉗夾持牽引。用尖刀在心尖部刺入心室腔,迅速用手指壓住,再用止血鉗擴張后將帶球囊的尿管插入到左心室,然后經(jīng)球囊內(nèi)注生理鹽水,向外提尿管。順著尿管向下將心肌切開,用特制的環(huán)形刀將心肌在尿管周環(huán)狀切除心尖肌,約15mm直徑,與心室相通。肝素化后助手將三組牽引線提起,術(shù)者左手持泵,右手拔出尿管后將泵迅速插入左心室。將三組牽引線分開,將每針間斷縫在泵的環(huán)狀縫合裙上,打結(jié),固定泵體,嚴密止血。阻斷鉗阻斷泵出口端的人造血管,與降主動脈的側(cè)枝人造血管行端端吻合并排氣。經(jīng)皮將電源線引出,連接體外控制器。將心包腔內(nèi)紗布取出。用生理鹽水浸沒心尖部接口處,以防負壓時進氣,開始啟動血泵后調(diào)整轉(zhuǎn)速,去除阻斷鉗。植入裝置后用APT儀進行檢測,每隔1小時測一次,APT值保持在300-400范圍內(nèi)。

2結(jié)果

手術(shù)植入過程平穩(wěn),僅在早期實驗時有兩頭動物在術(shù)中因血管吻合口出血而死亡,隨后的改進避免了這些意外的發(fā)生。動物試驗總共8只豬,6只順利完成手術(shù)植入。其中4頭成活少于24h;3頭成活3d;死亡原因是術(shù)后抗凝過度導致出血死亡。尸體解剖檢測未發(fā)現(xiàn)心室腔、泵和管道內(nèi)血栓形成。軸流泵開始驅(qū)動后,間歇性留尿樣觀測,發(fā)現(xiàn)各時段內(nèi)的尿樣內(nèi)均有中等程度的血紅蛋白尿,說明有一定的機械性溶血。軸流泵可以產(chǎn)生足夠的輔助壓力和流量輸出。動脈血壓可維持在100mmHg以上,且在整個實驗過程中無明顯波動。當軸流泵轉(zhuǎn)速達到8000rpm以上時,左心室內(nèi)平均壓明顯低于動脈壓,當達到14000rpm左心室內(nèi)平均壓降為0,說明軸流泵取代左心室做功成為維持外周循環(huán)的動力來源。

3討論

作為心臟輔助裝置的動物實驗,首先需要驗證兩方面的特性。第一是血泵的解剖相容性,即可植入性。因為達到體內(nèi)植入的要求是輔助循環(huán)裝置設(shè)計和研制的關(guān)鍵,很多技術(shù)性能正是由于體積和外型的限制才難以提高。比如效率、流量、壓力等指標。因此,在這些指標滿足基本要求后,是否能夠順利植入體內(nèi)是檢驗泵研制水平的一個重要的客觀依據(jù)。其次是血泵對動物循環(huán)系統(tǒng)的作用,即血液動力學效果。對輔助裝置流體力學特性的體外模擬測試并不能完全再現(xiàn)體內(nèi)血液動力學的真實情況,因此只有通過動物體內(nèi)植入后心臟和循環(huán)系統(tǒng)變化的實際觀測才能確定血泵有足夠的卸負荷和對外周循環(huán)的維持作用,證實裝置的輔助循環(huán)的作用。

“曉東-國榮” 心尖軸流泵的結(jié)構(gòu)汲取了國外同類裝置的優(yōu)點,性能達到輔助左室功能的要求。其主要的特性接近國外同類裝置的水平。通過動物實驗了解裝置的性能是該系列研究的重要環(huán)節(jié),也是臨床應(yīng)用前的必要準備,本文的急性動物實驗證實了該型血泵的可植入性和對動物左心室的卸負荷作用,為下一階段的動物實驗奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻:

[1] DeBakey ME, Teitel ER. Use of the MicroMed DeBakey VAD for the treatment of end-stage heart failure. Expert Rev Med Devices. 2005,2(2):137-40.

[2] Westaby S., Katsumata, T., Evans, R., etal. The Jarvik 2000 Oxford system: increasing the scope of mechanical circulatory support. J. Thorac. Cardiovasc. Surg., 1997,114:467.

[3] 李國榮,朱曉東.心尖室壁內(nèi)軸流泵,專利申請?zhí)?200720147958.9.

[4] 彭遠儀,郝宗超,田步升."曉東-國榮"型軸流泵的流體力學特性研究[J].中外健康文摘, 2008,3:66-68.

(收稿日期2009-04-09)