Ⅱ型軸流泵左心輔助裝置的動(dòng)物體內植入實(shí)驗
目的：通過(guò)動(dòng)物體內植入實(shí)驗，觀(guān)察改進(jìn)后的“Ⅱ型”軸流泵的生理效果及工作特性。
方法：普通家豬6 只，體質(zhì)量60~70 kg，全麻后于左側第4-5 肋間開(kāi)胸，將“Ⅱ型”軸流泵植入動(dòng)物胸腔內，泵入口引流管經(jīng)心尖插入左心室腔，出口用人造血管與降主動(dòng)脈行“端-側”吻合，將心室血液轉流至降主動(dòng)脈。由左心房插入細導管經(jīng)二尖瓣進(jìn)入左心室測定心室壓，經(jīng)右股動(dòng)脈插管入升主動(dòng)脈測定主動(dòng)脈壓。
結果：“Ⅱ型”軸流泵可完全植入動(dòng)物胸腔內，平均心室收縮壓為(137±23)mmHg(1 mmHg=0.133 kPa)，開(kāi)啟軸流泵后可見(jiàn)心室收縮壓降低，且隨泵轉速增加逐步下降。在轉速為10 000 r/min 時(shí)平均心室收縮壓可降低至(32±14)mmHg，而平均動(dòng)脈壓仍然維持在(122±28)mmHg 的正常范圍，此結果顯示“Ⅱ型”軸流泵可在充分降低心臟負荷的同時(shí)維持正常的外周循環(huán)。
結論：“Ⅱ型”軸流泵有較好的解剖相容性和可植入性，血液動(dòng)力學(xué)特性基本滿(mǎn)足左心輔助要求。
終末期心衰是目前臨床醫學(xué)的一個(gè)難題，雖然藥物治療在不斷進(jìn)步，但對于極度衰竭的心臟，大多數藥物不能在減低心臟力學(xué)負荷的同時(shí)改善或維持良好的外周循環(huán)。比如，通過(guò)正性肌力藥物作用雖可增強心臟做功但常伴隨心肌耗氧量的增加，雖然可改善外周循環(huán)和灌注減輕癥狀，但使心肌長(cháng)期處于超負荷工作狀態(tài)，能量代謝失衡，對損傷或病變心肌的恢復不利。反之，通過(guò)β-受體阻滯藥物抑制心臟做功，雖然減低能量消耗有利于損傷心肌恢復，但卻有可能使外周循環(huán)狀況進(jìn)一步劣化。隨著(zhù)心衰的發(fā)展，尋找藥物治療的平衡點(diǎn)將更趨于困難。從理論上看，通過(guò)藥物提高心肌能量轉化效率可在不增加能量消耗的前提下提高心臟的做功和輸出是最理想的方法，但能量轉化效率有理論上的極限。所以隨著(zhù)心衰的進(jìn)展，儲備功能逐步降低，提高心肌效率改善心衰將更難奏效。用人造血泵來(lái)代替或輔助心臟做功既可以降低心臟力學(xué)負荷又可有效地維持外周循環(huán)，可以達到藥物治療難以實(shí)現的雙重目標，是較為合理的治療手段。為此，用機械血泵輔助或替代衰竭心臟一直是研究者們探索的課題。國外已有多種可植入式心臟輔助裝置應用于臨床，取得了顯著(zhù)的療效。近來(lái)，小型甚至微型持續流血泵更成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。國外代表性的軸流血泵有“MicroMed DeBakey VAD”、“Jarvik 2000”，“Heart-MateⅡ”等，均已在臨床應用取得了顯著(zhù)的效果。
自20 世紀90 年代，在朱曉東院士和李國榮博士的指導下，我們開(kāi)始心臟輔助裝置研制，并長(cháng)期堅持了對軸流泵心臟輔助裝置的探索。研制的軸流血泵結構汲取了國外同類(lèi)裝置的優(yōu)點(diǎn)，融合了自主創(chuàng )新的結構優(yōu)勢，性能接近國外同類(lèi)裝置的技術(shù)水平。最近完成的體外測試表明，改進(jìn)的“Ⅱ型”軸流泵的特性?xún)?yōu)良。急性動(dòng)物預實(shí)驗揭示研制的軸流泵有較好的生理相容性。本文的動(dòng)物實(shí)驗旨在進(jìn)一步觀(guān)察改進(jìn)后“Ⅱ型”軸流泵的可植入性，以及在不同輔助條件下對心臟負荷的影響。
1、材料方法
1.1、“Ⅱ型”軸流泵特性
“Ⅱ型”軸流泵(如圖1 所示)的基本結構同先前的文獻報道：軸流泵葉輪由鈦合金制成，中心包埋柱狀永磁體，徑向充磁后作為電動(dòng)機的轉子;采用直流無(wú)刷電動(dòng)機的動(dòng)力驅動(dòng)原理，定子繞組通過(guò)換向電路控制饋電;軸流葉輪設置在筒型的軸流泵殼內，位于前、后導葉之間泵殼內的前、后導葉中心設置滑動(dòng)軸承以支撐軸流葉輪轉軸。本實(shí)驗所用樣機最大外徑25 mm，長(cháng)度75 mm，出口由12 mm 人造血管連接，在植入手術(shù)時(shí)長(cháng)度根據需要裁減以便與胸降主動(dòng)脈連接。體外模擬循環(huán)測試顯示改進(jìn)后的“Ⅱ型”軸流泵在約11 000 r/min 轉速和100 mmHg(1 mmHg=0.133 kPa)后負荷條件下可以達到約5 L/min 的輸出流量，可滿(mǎn)足左心輔助的要求。
圖1 “Ⅱ型”軸流泵樣機照片
1.2、動(dòng)物體內植入實(shí)驗
普通家豬6 只，體質(zhì)量60~70 kg，雌雄不限。術(shù)前0.5 h肌肉注射嗎啡20 mg，安定20 mg。麻醉誘導用靜脈點(diǎn)滴1%普魯卡因混合液維持麻醉，1~1.5 mL/(kg·h)靜脈點(diǎn)滴。氣管切開(kāi)插氣管插管，接麻醉機維持呼吸。經(jīng)股動(dòng)脈、頸靜脈插入導管測定動(dòng)、靜脈壓力并建立輸液通道。局部皮膚脫毛消毒后經(jīng)左側第4-5 肋間開(kāi)胸，游離降主動(dòng)脈后用側壁鉗部分阻斷，用12 mm 直徑的人造血管與降主動(dòng)脈行“端-側”吻合。釋放少量自體血灌入人造血管管腔內預凝。打開(kāi)心包后將心尖部抬起，環(huán)繞心尖縫合滌綸墊片，中心環(huán)狀暴露心肌直徑約15 mm。由左心房插入導管經(jīng)二尖瓣進(jìn)入左心室，連接壓力表測定心室壓。軸流泵的入口引流管直徑13 mm，管外壁圍繞綁扎的縫合裙以便于縫合在心肌表面，縫合裙距離入口前端距離約25 mm。靜脈內注入肝素(約2 mg/kg)后助手拉起預置的心尖周?chē)臓恳�(xiàn)使心尖抬起，術(shù)者用尖刀刺破心肌并進(jìn)入室腔，然后將入口引流管插入心腔(如圖2 所示)，同時(shí)用手指擠壓控制出血。將入口引流管的縫合裙與心尖滌綸片間斷縫合以固定血泵引流管，反復檢查無(wú)出血后將心臟送回自然位置。軸流泵泵體置于胸腔內的肋-膈角位置，或用尼龍線(xiàn)綁扎在第4-5 肋間胸膜的內表面，將泵出口端的人造血管裁剪成適當長(cháng)度，繞過(guò)肺葉表面后與先前已與降主動(dòng)脈吻合好的人造血管殘端行“端-端”吻合。軸流泵的導線(xiàn)經(jīng)膈肋角穿入皮下，經(jīng)左側背部皮膚切口引出并與控制器相連。充分排氣后開(kāi)啟血泵并松開(kāi)阻斷鉗。調節泵轉速并測定記錄心腔壓、動(dòng)脈壓及相關(guān)數據。血液動(dòng)力學(xué)參數測試完成后充分止血，置胸引管關(guān)胸。留置各導管監測左心室及動(dòng)脈血壓。
圖2 血泵入口引流管的植入：由心尖插入心室腔
2、結果
在模擬循環(huán)臺上對軸流泵樣機測試表明，在輸出壓力100 mmHg 條件下，泵轉速為11 000 r/min 時(shí)流量可達5 L/min。在泵的輸出壓力恒定時(shí)泵的流量輸出隨轉速增加而增加，而在泵轉速恒定時(shí)流量隨輸出壓力的增加而減小。
動(dòng)物體內植入顯示整個(gè)手術(shù)過(guò)程較平穩，發(fā)現1 例動(dòng)物在手術(shù)后軸流泵無(wú)法順利納入胸腔，與泵入口管道過(guò)長(cháng)、動(dòng)物心臟較大有關(guān)。其余5 例軸流泵均可順利植入。心室及動(dòng)脈壓力測試顯示，血泵運行時(shí)可大幅度降低左心室后負荷，表現為心室收縮壓明顯降低，當轉速超過(guò)8000 r/min 時(shí)，心室收縮壓低于同時(shí)測定的動(dòng)脈壓。此現象顯示了“Ⅱ型”軸流泵的心臟輔助作用———在降低心臟負荷的同時(shí)維持穩定外周血壓。隨著(zhù)泵轉速的增加，左心室收縮壓進(jìn)一步下降，心室平均收縮壓、平均動(dòng)脈壓和泵轉速之間的關(guān)系見(jiàn)表1。
表1 泵轉速與左心室收縮壓、動(dòng)脈收縮壓的關(guān)系
術(shù)后動(dòng)物一般在8 h 內蘇醒，但在蘇醒前易出現較嚴重的并發(fā)癥，有時(shí)可導致死亡。
3、討論
在研制心臟輔助裝置過(guò)程中，改進(jìn)設計的血泵可通過(guò)體外模擬測試進(jìn)行觀(guān)察，一般的方法是在模擬循環(huán)管路中測定血泵的流量、壓力、轉速及效率等參數，還可在體外測試血泵溶血特性，一定程度上刻畫(huà)其血液相容性。但此類(lèi)體外測試方法并不能完全反映血泵在體內工作時(shí)的實(shí)效應。通過(guò)動(dòng)物體內植入后觀(guān)察循環(huán)系統的變化才能較可靠地確定血泵的輔助循環(huán)作用。此外，有關(guān)心臟輔助裝置的解剖相容性、可植入性、組織相容性、外科植入技術(shù)及術(shù)后處理方法等都必須通過(guò)動(dòng)物實(shí)驗來(lái)確定。由此動(dòng)物體內植入實(shí)驗直接觀(guān)察輔助裝置對動(dòng)物機體影響，是輔助裝置研制過(guò)程的重要環(huán)節。從輔助裝置的原理來(lái)看，它對機體的治療作用主要通過(guò)2 個(gè)方面的效應實(shí)現：
(1)通過(guò)轉流心室內血液降低心臟的工作負荷;
(2)維持正常的動(dòng)、靜脈血壓及外周血液循環(huán)。
心臟輔助裝置的這2 種效應可通過(guò)植入血泵后心臟輸出流量反映，但以前的實(shí)驗顯示流量測定耗時(shí)較長(cháng)，流量測試裝置誤差較大且難以長(cháng)期植入，并可增加動(dòng)物血栓和出血危險，尋找簡(jiǎn)單可靠的觀(guān)測指標是實(shí)驗成功的重要環(huán)節。從理論上看，當機體血容量正常的條件下，心臟的后負荷可通過(guò)心室收縮壓來(lái)反映，前負荷由心室舒張壓反映，而外周循環(huán)狀態(tài)可由平均動(dòng)脈血壓反映。我們認為，同時(shí)測定心室腔內壓力和動(dòng)脈壓并比較這些壓力的變化，是觀(guān)察心臟負荷和外周循環(huán)狀態(tài)的簡(jiǎn)單可靠的指標。心室腔內壓力降低可反映血泵工作時(shí)對心臟的卸負荷作用。而當心室收縮壓低于外周動(dòng)脈壓時(shí)，可明確顯示血泵工作的輔助效應。另外，心腔壓力測定法可通過(guò)皮膚切口留置測壓管，便于慢性動(dòng)物實(shí)驗觀(guān)測。植入式血泵，由于連接管道短，體內空間有限，往往難以在管道中連接流量傳感器，即使勉強放置，�？蓪е氯嗽煅苷郫B變形，不僅使讀數誤差加大而且可致實(shí)驗失敗。本實(shí)驗采用插入導管直接觀(guān)察心室壓和動(dòng)脈壓指標，簡(jiǎn)化了實(shí)驗過(guò)程，而且使手術(shù)更容易成功。實(shí)驗觀(guān)察到，在平均動(dòng)脈壓正常的情況下，隨著(zhù)泵轉速的提高，心室壓明顯降低，證實(shí)了“Ⅱ型”軸流泵對心臟的卸負荷作用和外周循環(huán)的支持作用。
植入性心臟輔助裝置動(dòng)物實(shí)驗還驗證了“Ⅱ型”軸流泵的可植入性。體內植入要求輔助裝置體積小、質(zhì)量輕，很多技術(shù)指標，比如效率、流量、壓力等正是由于體積和外形的限制才難以提高。在研制心臟輔助裝置過(guò)程中，新改進(jìn)的輔助裝置在這些基本特性滿(mǎn)足要求后，是否能夠順利植入體內是檢驗輔助裝置實(shí)用性的一個(gè)重要依據。國外的體內植入式軸流泵一般仍沿用隔膜式血泵的植入方式：即將泵體植入到腹壁內，入口和出口管道均需穿過(guò)膈肌與動(dòng)脈或心臟相連接。這種連接方式需要在上腹壁內創(chuàng )建容納泵體的囊袋，不僅增大了植入時(shí)的創(chuàng )面，而且還增大了感染機會(huì )。將血泵泵體直接植入在胸腔內可減少損傷，有利于在心臟手術(shù)后直接完成。但胸腔內植入泵體需要裝置體積更小，還需要合理的外形以適合胸腔內的解剖結構要求。本實(shí)驗的手術(shù)過(guò)程順利，表明“Ⅱ型”軸流泵的體積、外形較為合理，容易直接植入到動(dòng)物胸腔內。
盡可能降低輔助裝置的能量消耗可減小裝置在體內的產(chǎn)熱量，本實(shí)驗沒(méi)有發(fā)現泵體工作時(shí)局部溫度升高的現象，表明在正常工作狀態(tài)下輔助裝置不會(huì )導致局部組織熱損傷，也不會(huì )對機體的熱平衡機制產(chǎn)生不良影響。
研制可長(cháng)期植入的血泵還要有可靠的機械性能和足夠持久的工作壽命，在本文的研究中未發(fā)現泵損壞。但由于是急性動(dòng)物實(shí)驗，泵持續工作時(shí)間較短，因此目前還難以確定泵在體內的耐久性和長(cháng)期工作的可靠性。“Ⅱ型”軸流泵動(dòng)物體內植入后已經(jīng)能實(shí)現短期存活，最長(cháng)存活時(shí)間達到25 d，說(shuō)明該泵已有可能作為臨時(shí)性輔助裝置進(jìn)入臨床試用。目前，軸流泵植入體內后的抗凝藥物應用是整體治療的重要環(huán)節，在術(shù)后早期采用肝素靜脈注射抗凝，ACT 波動(dòng)為120~700 s，范圍較大，說(shuō)明肝素用量和用法尚不穩定。后期采用華發(fā)令口服，均用5 mg/d，未加用任何血小板抑制藥物。在短期存活的動(dòng)物，泵取出后肉眼檢查偶可見(jiàn)到泵內有少量血栓形成，多集中在葉輪的前后間隙和葉片根部，說(shuō)明此處的血流沖刷效應仍需要進(jìn)一步提高。此外，加強抗凝治療是否可防止這些少量血栓的出現需在今后進(jìn)一步觀(guān)察�？傊�，探索更好的抗凝治療方法對泵植入后的長(cháng)期存活有重要價(jià)值，是為今后動(dòng)物實(shí)驗的一個(gè)重要目標。
