Ⅱ型軸流泵左心輔助裝置的動(dòng)物體內(nèi)植入實(shí)驗(yàn)

　　目的：通過動(dòng)物體內(nèi)植入實(shí)驗(yàn)，觀察改進(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(cè)第4-5 肋間開胸，將“Ⅱ型”軸流泵植入動(dòng)物胸腔內(nèi)，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(cè)”吻合，將心室血液轉(zhuǎn)流至降主動(dòng)脈。由左心房插入細(xì)導(dǎo)管經(jīng)二尖瓣進(jìn)入左心室測(cè)定心室壓，經(jīng)右股動(dòng)脈插管入升主動(dòng)脈測(cè)定主動(dòng)脈壓。

　　結(jié)果：“Ⅱ型”軸流泵可完全植入動(dòng)物胸腔內(nèi)，平均心室收縮壓為(137±23)mmHg(1 mmHg=0.133 kPa)，開啟軸流泵后可見心室收縮壓降低，且隨泵轉(zhuǎn)速增加逐步下降。在轉(zhuǎn)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(jié)果顯示“Ⅱ型”軸流泵可在充分降低心臟負(fù)荷的同時(shí)維持正常的外周循環(huán)。

　　結(jié)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)特性基本滿足左心輔助要求。

　　終末期心衰是目前臨床醫(yī)學(xué)的一個(gè)難題，雖然藥物治療在不斷進(jìn)步，但對(duì)于極度衰竭的心臟，大多數(shù)藥物不能在減低心臟力學(xué)負(fù)荷的同時(shí)改善或維持良好的外周循環(huán)。比如，通過正性肌力藥物作用雖可增強(qiáng)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(zhǎng)期處于超負(fù)荷工作狀態(tài)，能量代謝失衡，對(duì)損傷或病變心肌的恢復(fù)不利。反之，通過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(fù)，但卻有可能使外周循環(huán)狀況進(jìn)一步劣化。隨著心衰的發(fā)展，尋找藥物治療的平衡點(diǎn)將更趨于困難。從理論上看，通過藥物提高心肌能量轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化效率有理論上的極限。所以隨著心衰的進(jìn)展，儲(chǔ)備功能逐步降低，提高心肌效率改善心衰將更難奏效。用人造血泵來代替或輔助心臟做功既可以降低心臟力學(xué)負(fù)荷又可有效地維持外周循環(huán)，可以達(dá)到藥物治療難以實(shí)現(xiàn)的雙重目標(biāo)，是較為合理的治療手段。為此，用機(jī)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(guó)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。近來，小型甚至微型持續(xù)流血泵更成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。國(guó)外代表性的軸流血泵有“MicroMed DeBakey VAD”、“Jarvik 2000”，“Heart-MateⅡ”等，均已在臨床應(yīng)用取得了顯著的效果。

　　自20 世紀(jì)90 年代，在朱曉東院士和李國(guó)榮博士的指導(dǎo)下，我們開始心臟輔助裝置研制，并長(zhǎng)期堅(jiān)持了對(duì)軸流泵心臟輔助裝置的探索。研制的軸流血泵結(jié)構(gòu)汲取了國(guó)外同類裝置的優(yōu)點(diǎn)，融合了自主創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，性能接近國(guó)外同類裝置的技術(shù)水平。最近完成的體外測(cè)試表明，改進(jìn)的“Ⅱ型”軸流泵的特性優(yōu)良。急性動(dòng)物預(yù)實(shí)驗(yàn)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(yàn)旨在進(jìn)一步觀察改進(jìn)后“Ⅱ型”軸流泵的可植入性，以及在不同輔助條件下對(duì)心臟負(fù)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(jié)構(gòu)同先前的文獻(xiàn)報(bào)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(jī)的轉(zhuǎn)子;采用直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)原理，定子繞組通過換向電路控制饋電;軸流葉輪設(shè)置在筒型的軸流泵殼內(nèi)，位于前、后導(dǎo)葉之間泵殼內(nèi)的前、后導(dǎo)葉中心設(shè)置滑動(dòng)軸承以支撐軸流葉輪轉(zhuǎn)軸。本實(shí)驗(yàn)所用樣機(jī)最大外徑25 mm，長(zhǎng)度75 mm，出口由12 mm 人造血管連接，在植入手術(shù)時(shí)長(zhǎng)度根據(jù)需要裁減以便與胸降主動(dòng)脈連接。體外模擬循環(huán)測(cè)試顯示改進(jìn)后的“Ⅱ型”軸流泵在約11 000 r/min 轉(zhuǎn)速和100 mmHg(1 mmHg=0.133 kPa)后負(fù)荷條件下可以達(dá)到約5 L/min 的輸出流量，可滿足左心輔助的要求。

圖1 “Ⅱ型”軸流泵樣機(jī)照片

　　1.2、動(dòng)物體內(nèi)植入實(shí)驗(yàn)

　　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(dǎo)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。氣管切開插氣管插管，接麻醉機(jī)維持呼吸。經(jīng)股動(dòng)脈、頸靜脈插入導(dǎo)管測(cè)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(cè)第4-5 肋間開胸，游離降主動(dòng)脈后用側(cè)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(cè)”吻合。釋放少量自體血灌入人造血管管腔內(nèi)預(yù)凝。打開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(dǎo)管經(jīng)二尖瓣進(jìn)入左心室，連接壓力表測(cè)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(nèi)注入肝素(約2 mg/kg)后助手拉起預(yù)置的心尖周圍的牽引線使心尖抬起，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(fù)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(nèi)的肋-膈角位置，或用尼龍線綁扎在第4-5 肋間胸膜的內(nèi)表面，將泵出口端的人造血管裁剪成適當(dāng)長(zhǎng)度，繞過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(dǎo)線經(jīng)膈肋角穿入皮下，經(jīng)左側(cè)背部皮膚切口引出并與控制器相連。充分排氣后開啟血泵并松開阻斷鉗。調(diào)節(jié)泵轉(zhuǎn)速并測(cè)定記錄心腔壓、動(dòng)脈壓及相關(guān)數(shù)據(jù)。血液動(dòng)力學(xué)參數(shù)測(cè)試完成后充分止血，置胸引管關(guān)胸。留置各導(dǎo)管監(jiān)測(cè)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(jié)果

　　在模擬循環(huán)臺(tái)上對(duì)軸流泵樣機(jī)測(cè)試表明，在輸出壓力100 mmHg 條件下，泵轉(zhuǎn)速為11 000 r/min 時(shí)流量可達(dá)5 L/min。在泵的輸出壓力恒定時(shí)泵的流量輸出隨轉(zhuǎn)速增加而增加，而在泵轉(zhuǎn)速恒定時(shí)流量隨輸出壓力的增加而減小。

　　動(dòng)物體內(nèi)植入顯示整個(gè)手術(shù)過程較平穩(wěn)，發(fā)現(xiàn)1 例動(dòng)物在手術(shù)后軸流泵無(wú)法順利納入胸腔，與泵入口管道過長(zhǎng)、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(cè)試顯示，血泵運(yùn)行時(shí)可大幅度降低左心室后負(fù)荷，表現(xiàn)為心室收縮壓明顯降低，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過8000 r/min 時(shí)，心室收縮壓低于同時(shí)測(cè)定的動(dòng)脈壓。此現(xiàn)象顯示了“Ⅱ型”軸流泵的心臟輔助作用———在降低心臟負(fù)荷的同時(shí)維持穩(wěn)定外周血壓。隨著泵轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速之間的關(guān)系見表1。

表1 泵轉(zhuǎn)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(nèi)蘇醒，但在蘇醒前易出現(xiàn)較嚴(yán)重的并發(fā)癥，有時(shí)可導(dǎo)致死亡。

3、討論

　　在研制心臟輔助裝置過程中，改進(jìn)設(shè)計(jì)的血泵可通過體外模擬測(cè)試進(jìn)行觀察，一般的方法是在模擬循環(huán)管路中測(cè)定血泵的流量、壓力、轉(zhuǎn)速及效率等參數(shù)，還可在體外測(cè)試血泵溶血特性，一定程度上刻畫其血液相容性。但此類體外測(cè)試方法并不能完全反映血泵在體內(nèi)工作時(shí)的實(shí)效應(yīng)。通過動(dòng)物體內(nèi)植入后觀察循環(huán)系統(tǒng)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動(dòng)物實(shí)驗(yàn)來確定。由此動(dòng)物體內(nèi)植入實(shí)驗(yàn)直接觀察輔助裝置對(duì)動(dòng)物機(jī)體影響，是輔助裝置研制過程的重要環(huán)節(jié)。從輔助裝置的原理來看，它對(duì)機(jī)體的治療作用主要通過2 個(gè)方面的效應(yīng)實(shí)現(xiàn)：

　　(1)通過轉(zhuǎn)流心室內(nèi)血液降低心臟的工作負(fù)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(yīng)可通過植入血泵后心臟輸出流量反映，但以前的實(shí)驗(yàn)顯示流量測(cè)定耗時(shí)較長(zhǎng)，流量測(cè)試裝置誤差較大且難以長(zhǎng)期植入，并可增加動(dòng)物血栓和出血危險(xiǎn)，尋找簡(jiǎn)單可靠的觀測(cè)指標(biāo)是實(shí)驗(yàn)成功的重要環(huán)節(jié)。從理論上看，當(dāng)機(jī)體血容量正常的條件下，心臟的后負(fù)荷可通過心室收縮壓來反映，前負(fù)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(rèn)為，同時(shí)測(cè)定心室腔內(nèi)壓力和動(dòng)脈壓并比較這些壓力的變化，是觀察心臟負(fù)荷和外周循環(huán)狀態(tài)的簡(jiǎn)單可靠的指標(biāo)。心室腔內(nèi)壓力降低可反映血泵工作時(shí)對(duì)心臟的卸負(fù)荷作用。而當(dāng)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(yīng)。另外，心腔壓力測(cè)定法可通過皮膚切口留置測(cè)壓管，便于慢性動(dòng)物實(shí)驗(yàn)觀測(cè)。植入式血泵，由于連接管道短，體內(nèi)空間有限，往往難以在管道中連接流量傳感器，即使勉強(qiáng)放置，�？蓪�(dǎo)致人造血管折疊變形，不僅使讀數(shù)誤差加大而且可致實(shí)驗(yàn)失敗。本實(shí)驗(yàn)采用插入導(dǎo)管直接觀察心室壓和動(dòng)脈壓指標(biāo)，簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)過程，而且使手術(shù)更容易成功。實(shí)驗(yàn)觀察到，在平均動(dòng)脈壓正常的情況下，隨著泵轉(zhuǎn)速的提高，心室壓明顯降低，證實(shí)了“Ⅱ型”軸流泵對(duì)心臟的卸負(fù)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(yàn)還驗(yàn)證了“Ⅱ型”軸流泵的可植入性。體內(nèi)植入要求輔助裝置體積小、質(zhì)量輕，很多技術(shù)指標(biāo)，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程中，新改進(jìn)的輔助裝置在這些基本特性滿足要求后，是否能夠順利植入體內(nèi)是檢驗(yàn)輔助裝置實(shí)用性的一個(gè)重要依據(jù)。國(guó)外的體內(nèi)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(nèi)，入口和出口管道均需穿過膈肌與動(dòng)脈或心臟相連接。這種連接方式需要在上腹壁內(nèi)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(jī)會(huì)。將血泵泵體直接植入在胸腔內(nèi)可減少損傷，有利于在心臟手術(shù)后直接完成。但胸腔內(nèi)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(nèi)的解剖結(jié)構(gòu)要求。本實(shí)驗(yàn)的手術(shù)過程順利，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(nèi)。

　　盡可能降低輔助裝置的能量消耗可減小裝置在體內(nèi)的產(chǎn)熱量，本實(shí)驗(yàn)沒有發(fā)現(xiàn)泵體工作時(shí)局部溫度升高的現(xiàn)象，表明在正常工作狀態(tài)下輔助裝置不會(huì)導(dǎo)致局部組織熱損傷，也不會(huì)對(duì)機(jī)體的熱平衡機(jī)制產(chǎn)生不良影響。

　　研制可長(zhǎng)期植入的血泵還要有可靠的機(jī)械性能和足夠持久的工作壽命，在本文的研究中未發(fā)現(xiàn)泵損壞。但由于是急性動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，泵持續(xù)工作時(shí)間較短，因此目前還難以確定泵在體內(nèi)的耐久性和長(zhǎng)期工作的可靠性。“Ⅱ型”軸流泵動(dòng)物體內(nèi)植入后已經(jīng)能實(shí)現(xiàn)短期存活，最長(zhǎng)存活時(shí)間達(dá)到25 d，說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(nèi)后的抗凝藥物應(yīng)用是整體治療的重要環(huán)節(jié)，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，說明肝素用量和用法尚不穩(wěn)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到泵內(nèi)有少量血栓形成，多集中在葉輪的前后間隙和葉片根部，說明此處的血流沖刷效應(yīng)仍需要進(jìn)一步提高。此外，加強(qiáng)抗凝治療是否可防止這些少量血栓的出現(xiàn)需在今后進(jìn)一步觀察。總之，探索更好的抗凝治療方法對(duì)泵植入后的長(zhǎng)期存活有重要價(jià)值，是為今后動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的一個(gè)重要目標(biāo)。