Ⅱ型轴流泵左心辅助装置的动物体内植入实验

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)长治医学院附属和平医院 作者:田步升

  目的:通过动物体内植入实验,观察改进后的“Ⅱ型”轴流泵的生理效果及工作特性。

  方法:普通家猪6 只,体质量60~70 kg,全麻后于左侧第4-5 肋间开胸,将“Ⅱ型”轴流泵植入动物胸腔内,泵入口引流管经心尖插入左心室腔,出口用人造血管与降主动脉行“端-侧”吻合,将心室血液转流至降主动脉。由左心房插入细导管经二尖瓣进入左心室测定心室压,经右股动脉插管入升主动脉测定主动脉压。

  结果:“Ⅱ型”轴流泵可完全植入动物胸腔内,平均心室收缩压为(137±23)mmHg(1 mmHg=0.133 kPa),开启轴流泵后可见心室收缩压降低,且随泵转速增加逐步下降。在转速为10 000 r/min 时平均心室收缩压可降低至(32±14)mmHg,而平均动脉压仍然维持在(122±28)mmHg 的正常范围,此结果显示“Ⅱ型”轴流泵可在充分降低心脏负荷的同时维持正常的外周循环。

  结论:“Ⅱ型”轴流泵有较好的解剖相容性和可植入性,血液动力学特性基本满足左心辅助要求。

  终末期心衰是目前临床医学的一个难题,虽然药物治疗在不断进步,但对于极度衰竭的心脏,大多数药物不能在减低心脏力学负荷的同时改善或维持良好的外周循环。比如,通过正性肌力药物作用虽可增强心脏做功但常伴随心肌耗氧量的增加,虽然可改善外周循环和灌注减轻症状,但使心肌长期处于超负荷工作状态,能量代谢失衡,对损伤或病变心肌的恢复不利。反之,通过β-受体阻滞药物抑制心脏做功,虽然减低能量消耗有利于损伤心肌恢复,但却有可能使外周循环状况进一步劣化。随着心衰的发展,寻找药物治疗的平衡点将更趋于困难。从理论上看,通过药物提高心肌能量转化效率可在不增加能量消耗的前提下提高心脏的做功和输出是最理想的方法,但能量转化效率有理论上的极限。所以随着心衰的进展,储备功能逐步降低,提高心肌效率改善心衰将更难奏效。用人造血泵来代替或辅助心脏做功既可以降低心脏力学负荷又可有效地维持外周循环,可以达到药物治疗难以实现的双重目标,是较为合理的治疗手段。为此,用机械血泵辅助或替代衰竭心脏一直是研究者们探索的课题。国外已有多种可植入式心脏辅助装置应用于临床,取得了显著的疗效。近来,小型甚至微型持续流血泵更成为该领域的研究热点。国外代表性的轴流血泵有“MicroMed DeBakey VAD”、“Jarvik 2000”,“Heart-MateⅡ”等,均已在临床应用取得了显著的效果。

  自20 世纪90 年代,在朱晓东院士和李国荣博士的指导下,我们开始心脏辅助装置研制,并长期坚持了对轴流泵心脏辅助装置的探索。研制的轴流血泵结构汲取了国外同类装置的优点,融合了自主创新的结构优势,性能接近国外同类装置的技术水平。最近完成的体外测试表明,改进的“Ⅱ型”轴流泵的特性优良。急性动物预实验揭示研制的轴流泵有较好的生理相容性。本文的动物实验旨在进一步观察改进后“Ⅱ型”轴流泵的可植入性,以及在不同辅助条件下对心脏负荷的影响。

1、材料方法

  1.1、“Ⅱ型”轴流泵特性

  “Ⅱ型”轴流泵(如图1 所示)的基本结构同先前的文献报道:轴流泵叶轮由钛合金制成,中心包埋柱状永磁体,径向充磁后作为电动机的转子;采用直流无刷电动机的动力驱动原理,定子绕组通过换向电路控制馈电;轴流叶轮设置在筒型的轴流泵壳内,位于前、后导叶之间泵壳内的前、后导叶中心设置滑动轴承以支撑轴流叶轮转轴。本实验所用样机最大外径25 mm,长度75 mm,出口由12 mm 人造血管连接,在植入手术时长度根据需要裁减以便与胸降主动脉连接。体外模拟循环测试显示改进后的“Ⅱ型”轴流泵在约11 000 r/min 转速和100 mmHg(1 mmHg=0.133 kPa)后负荷条件下可以达到约5 L/min 的输出流量,可满足左心辅助的要求。

“Ⅱ型”轴流泵样机照片

图1 “Ⅱ型”轴流泵样机照片

  1.2、动物体内植入实验

  普通家猪6 只,体质量60~70 kg,雌雄不限。术前0.5 h肌肉注射吗啡20 mg,安定20 mg。麻醉诱导用静脉点滴1%普鲁卡因混合液维持麻醉,1~1.5 mL/(kg·h)静脉点滴。气管切开插气管插管,接麻醉机维持呼吸。经股动脉、颈静脉插入导管测定动、静脉压力并建立输液通道。局部皮肤脱毛消毒后经左侧第4-5 肋间开胸,游离降主动脉后用侧壁钳部分阻断,用12 mm 直径的人造血管与降主动脉行“端-侧”吻合。释放少量自体血灌入人造血管管腔内预凝。打开心包后将心尖部抬起,环绕心尖缝合涤纶垫片,中心环状暴露心肌直径约15 mm。由左心房插入导管经二尖瓣进入左心室,连接压力表测定心室压。轴流泵的入口引流管直径13 mm,管外壁围绕绑扎的缝合裙以便于缝合在心肌表面,缝合裙距离入口前端距离约25 mm。静脉内注入肝素(约2 mg/kg)后助手拉起预置的心尖周围的牵引线使心尖抬起,术者用尖刀刺破心肌并进入室腔,然后将入口引流管插入心腔(如图2 所示),同时用手指挤压控制出血。将入口引流管的缝合裙与心尖涤纶片间断缝合以固定血泵引流管,反复检查无出血后将心脏送回自然位置。轴流泵泵体置于胸腔内的肋-膈角位置,或用尼龙线绑扎在第4-5 肋间胸膜的内表面,将泵出口端的人造血管裁剪成适当长度,绕过肺叶表面后与先前已与降主动脉吻合好的人造血管残端行“端-端”吻合。轴流泵的导线经膈肋角穿入皮下,经左侧背部皮肤切口引出并与控制器相连。充分排气后开启血泵并松开阻断钳。调节泵转速并测定记录心腔压、动脉压及相关数据。血液动力学参数测试完成后充分止血,置胸引管关胸。留置各导管监测左心室及动脉血压。

血泵入口引流管的植入:由心尖插入心室腔

图2 血泵入口引流管的植入:由心尖插入心室腔

2、结果

  在模拟循环台上对轴流泵样机测试表明,在输出压力100 mmHg 条件下,泵转速为11 000 r/min 时流量可达5 L/min。在泵的输出压力恒定时泵的流量输出随转速增加而增加,而在泵转速恒定时流量随输出压力的增加而减小。

  动物体内植入显示整个手术过程较平稳,发现1 例动物在手术后轴流泵无法顺利纳入胸腔,与泵入口管道过长、动物心脏较大有关。其余5 例轴流泵均可顺利植入。心室及动脉压力测试显示,血泵运行时可大幅度降低左心室后负荷,表现为心室收缩压明显降低,当转速超过8000 r/min 时,心室收缩压低于同时测定的动脉压。此现象显示了“Ⅱ型”轴流泵的心脏辅助作用———在降低心脏负荷的同时维持稳定外周血压。随着泵转速的增加,左心室收缩压进一步下降,心室平均收缩压、平均动脉压和泵转速之间的关系见表1。

表1 泵转速与左心室收缩压、动脉收缩压的关系

泵转速与左心室收缩压、动脉收缩压的关系

  术后动物一般在8 h 内苏醒,但在苏醒前易出现较严重的并发症,有时可导致死亡。

3、讨论

  在研制心脏辅助装置过程中,改进设计的血泵可通过体外模拟测试进行观察,一般的方法是在模拟循环管路中测定血泵的流量、压力、转速及效率等参数,还可在体外测试血泵溶血特性,一定程度上刻画其血液相容性。但此类体外测试方法并不能完全反映血泵在体内工作时的实效应。通过动物体内植入后观察循环系统的变化才能较可靠地确定血泵的辅助循环作用。此外,有关心脏辅助装置的解剖相容性、可植入性、组织相容性、外科植入技术及术后处理方法等都必须通过动物实验来确定。由此动物体内植入实验直接观察辅助装置对动物机体影响,是辅助装置研制过程的重要环节。从辅助装置的原理来看,它对机体的治疗作用主要通过2 个方面的效应实现:

  (1)通过转流心室内血液降低心脏的工作负荷;

  (2)维持正常的动、静脉血压及外周血液循环。

  心脏辅助装置的这2 种效应可通过植入血泵后心脏输出流量反映,但以前的实验显示流量测定耗时较长,流量测试装置误差较大且难以长期植入,并可增加动物血栓和出血危险,寻找简单可靠的观测指标是实验成功的重要环节。从理论上看,当机体血容量正常的条件下,心脏的后负荷可通过心室收缩压来反映,前负荷由心室舒张压反映,而外周循环状态可由平均动脉血压反映。我们认为,同时测定心室腔内压力和动脉压并比较这些压力的变化,是观察心脏负荷和外周循环状态的简单可靠的指标。心室腔内压力降低可反映血泵工作时对心脏的卸负荷作用。而当心室收缩压低于外周动脉压时,可明确显示血泵工作的辅助效应。另外,心腔压力测定法可通过皮肤切口留置测压管,便于慢性动物实验观测。植入式血泵,由于连接管道短,体内空间有限,往往难以在管道中连接流量传感器,即使勉强放置,常可导致人造血管折叠变形,不仅使读数误差加大而且可致实验失败。本实验采用插入导管直接观察心室压和动脉压指标,简化了实验过程,而且使手术更容易成功。实验观察到,在平均动脉压正常的情况下,随着泵转速的提高,心室压明显降低,证实了“Ⅱ型”轴流泵对心脏的卸负荷作用和外周循环的支持作用。

  植入性心脏辅助装置动物实验还验证了“Ⅱ型”轴流泵的可植入性。体内植入要求辅助装置体积小、质量轻,很多技术指标,比如效率、流量、压力等正是由于体积和外形的限制才难以提高。在研制心脏辅助装置过程中,新改进的辅助装置在这些基本特性满足要求后,是否能够顺利植入体内是检验辅助装置实用性的一个重要依据。国外的体内植入式轴流泵一般仍沿用隔膜式血泵的植入方式:即将泵体植入到腹壁内,入口和出口管道均需穿过膈肌与动脉或心脏相连接。这种连接方式需要在上腹壁内创建容纳泵体的囊袋,不仅增大了植入时的创面,而且还增大了感染机会。将血泵泵体直接植入在胸腔内可减少损伤,有利于在心脏手术后直接完成。但胸腔内植入泵体需要装置体积更小,还需要合理的外形以适合胸腔内的解剖结构要求。本实验的手术过程顺利,表明“Ⅱ型”轴流泵的体积、外形较为合理,容易直接植入到动物胸腔内。

  尽可能降低辅助装置的能量消耗可减小装置在体内的产热量,本实验没有发现泵体工作时局部温度升高的现象,表明在正常工作状态下辅助装置不会导致局部组织热损伤,也不会对机体的热平衡机制产生不良影响。

  研制可长期植入的血泵还要有可靠的机械性能和足够持久的工作寿命,在本文的研究中未发现泵损坏。但由于是急性动物实验,泵持续工作时间较短,因此目前还难以确定泵在体内的耐久性和长期工作的可靠性。“Ⅱ型”轴流泵动物体内植入后已经能实现短期存活,最长存活时间达到25 d,说明该泵已有可能作为临时性辅助装置进入临床试用。目前,轴流泵植入体内后的抗凝药物应用是整体治疗的重要环节,在术后早期采用肝素静脉注射抗凝,ACT 波动为120~700 s,范围较大,说明肝素用量和用法尚不稳定。后期采用华发令口服,均用5 mg/d,未加用任何血小板抑制药物。在短期存活的动物,泵取出后肉眼检查偶可见到泵内有少量血栓形成,多集中在叶轮的前后间隙和叶片根部,说明此处的血流冲刷效应仍需要进一步提高。此外,加强抗凝治疗是否可防止这些少量血栓的出现需在今后进一步观察。总之,探索更好的抗凝治疗方法对泵植入后的长期存活有重要价值,是为今后动物实验的一个重要目标。

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