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左心辅助装置中血泵的发展现状

来源:北京生物医学工程 作者:姜以岭蔺嫦燕 2004-9-23
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摘要: 单向瓣允许血液从进口端流入和从出口端流出,当动力部分挤压血袋时,血袋的容积减少,从而把血液挤压出去,类似于心脏的收缩过程。当血袋的压力减少时外部的血液就会流入血袋,类似于心脏的舒张过程。另外,由于与血液的接触面积大,溶血也比较严重。其优点是这类泵类似于自然的心脏,都是搏动的,与人的正常生理结构相适......


  1 容积式血泵

  在早期开发的全人工心脏和辅助循环装置中的血泵,由于主要模拟人的自然心脏,故这个时期的血泵主要是容积式血泵。容积式血泵是由一个血袋、控制血流方向的瓣及动力部分组成。单向瓣允许血液从进口端流入和从出口端流出,当动力部分挤压血袋时,血袋的容积减少,从而把血液挤压出去,类似于心脏的收缩过程;当血袋的压力减少时外部的血液就会流入血袋,类似于心脏的舒张过程。按血泵的血袋结构可将泵分为两类:

  (1)袋的一部分是由易弯曲的膜组成,其余的部分由硬壳组成,称为膜式泵,如Toru Masuzawa开发的血泵[1]、Utah-100全人工心脏中的血泵、Millner等制造的全人工心脏[2]。

  (2)袋的全部是由易弯曲的膜组成,称为囊式泵,如宾西法尼亚州立大学和3M康复中心联合制造的人工心脏中的血泵[3]、Erik等制造的全人工心脏[4]。囊式泵有三种:①气动血泵,靠气体驱动;泵体积比较大,通常动力源置于体外,有比较粗的管路经过皮肤。②靠液体驱动的电液泵;③直接靠直流无刷电动机驱动的电动泵。

  总之,容积式泵缺点是体积大,不易植入;由于有庞大的附属机构,要有管道和线使得内外连通,故易感染;瓣和膜是这类血泵关键部件,它们易损坏,且是血栓易形成的部位;另外,由于与血液的接触面积大,溶血也比较严重。其优点是这类泵类似于自然的心脏,都是搏动的,与人的正常生理结构相适应,有利于各主要脏器的血液微循环灌注。

  2 叶片式血泵

  由于各种容积式血泵存在上述的缺点严重制约其进一步的广泛应用,于是人们开始研究体积小、可植入式的叶片泵。由于叶片泵是平流泵,与人的搏动血流不一样。故在研究叶片泵的同时人们一直广泛地探讨平流对人体生理状态的影响,有的学者认为:在急性左心衰的早期治疗过程中,搏动式辅助循环对肾脏、外周器官及细胞的新陈代谢将产生优越的血流,另一方面,非搏动流对维持体循环无效,若连续辅助时间超过三个小时,将会对一些主要器官产生不可逆转的损坏[5,6]。但Hindman 等在1995年报道了,虽然在低温条件下,搏动的心脏转流对脑的血液循环和代谢比非搏动的心肺转流要优越得多;而在37℃时对兔子的左心转流过程中,发现其脑血流量和脑代谢耗氧量搏动流和平流差别不大[7]。1977年,Nose等发现:如果使用平流泵泵出的血流量比所需搏动血泵流量大20%时,将不会发生异常的生理循环[9]。

  叶片式血泵的优点是:结构比较简单,体积小,易于植入;与血液接触面积小,抗血栓性能好;因可植入,感染问题也可得到较好解决;耐久性好;低功耗;易于操作;价格也较低等。研究较多的叶片血泵主要包括离心泵和轴流泵,下面分别叙述之:

  (1) 离心血泵 离心血泵是将叶片装在轴上,当轴高速旋转时,这些叶片将引导血液并将其抛至外沿,叶片对血液的动力作用将形成动脉压,显然,压力的大小取决于叶轮的转速,一般情况下,转速越高则所形成的动脉压也越高。属于这种类型的血泵有:Biomedicus(Minneapolis,MN)离心泵、钱坤喜等研制的血泵、Delphin离心泵、Sarns离心泵等[9—11]。Biomedicus(Minneapolis,MN)离心泵、Sarns离心泵已应用于临床。其它的还在研究中,而Nojiri[12]等研制的微型悬浮式磁力耦合离心泵,叶片靠磁力悬浮在泵内,无需支撑,从而解决了密封问题,减少了血栓的发生。目前这种离心泵在体动物实验已超过了1年。

  由于离心泵工作时,叶片要高速旋转,由此对红细胞所引起的机械破坏引起了人们的重视,Schima[13]报道了离心泵对红细胞所引起的机械破坏与红细胞的弹性无关。

  (2)轴流血泵 轴流泵的叶片也是装在轴上,当轴旋转时,血液是沿着倾斜的方向抛出(沿螺旋线方向运动),经过导叶导流后,血液基本上是沿轴流方向运动,故称为轴流泵。它能提供较大的流量。这类泵有:Hemopump泵、Nimbus Axipump泵、Javik2000轴流泵。

  目前已应用于临床的只有Hemopump,其它的还在研究阶段。

  这类泵的最大优点是体积小、流量大、效率高,如:Hemopump[14]泵的直径仅为7mm,可通过周围动脉(股动脉)沿主动脉放入左室,将左室的血液泵入主动脉。其转速可达到25000rpm/s,流量可达到3.5L/min。德州心脏研究所研制的Jarvik 2000微型轴流泵[15]、Baylor大学和美国国家宇航局一同研制的Baylor/NASA微型轴流泵均在动物实验阶段[16]、Kennjl[17]等研制的轴流泵其长为10cm,直径为14cm,压差为90mmHg时,其流量可达8L/min。

  3 其它类型式泵

  除了容积式血泵和叶片式血泵外,也有人在研究其它类型的血泵,如Takesh[18]等报道了由生物人工心室组成的循环辅助设备,该人工心室由骨骼肌组成,其上排列着生物人工心脏内膜。其优点是血栓较少;但若作为长期使用,血栓形成仍是一个大问题。Monties[19]等研制的血泵原理类似于推板式,内有一个椭圆形的转子,转子与定子之间只有一个接触点,是一个没有瓣膜、低转速、半搏动流的旋转泵。也有关于其它种类血泵的报道,在此不作介绍了。

  4 存在问题和展望

  血栓和溶血问题仍然是当前和今后要研究的两大课题。血栓形成的根本原因是材料的生物相容性问题。目前解决的方法基本上可分为两种:一是采用涂层的办法,使表面光滑,允许有微栓形成,但不会形成大的血栓,从而不致影响正常的生理机能;二是采用粗糙表面,使血小板沉积在其上,形成假内膜,从而避免血栓形成。产生溶血的原因:一是血液与非生物材料接触面的大小有关,接触面大溶血程度就严重;二是血液的湍流运动及机械运动对血液的破坏,这可通过优化泵的结构来解决[20]。

  轴承密封问题是当今研究的另一个课题,由于对辅助时间要求的延长,又因叶片泵大多是转动泵,故其存在的密封问题就变得越来越重要。密封对于转动血泵的使用寿命、机械性能、结构简化、溶血和血栓都起着至关重要的作用,磁悬浮轴承的应用对这个问题的解决提供了广阔的前景。然而,使用磁悬浮轴承又为泵的结构增加了复杂性,对缩小泵的体积不利。

  从容积式血泵到叶片式血泵,再到目前轴流式血泵的大量研究。可以看出研究体积小,操作方便,以便能迅速植入的血泵,是血泵发展的一个趋势。总之,为了解决血泵存在的问题,血泵的研究正在结合多学科(如计算机、自动化、材料、医学、机械、力学、物理、数学等)中最新的成果,一步一步地趋向完善。

  作者简介:姜以岭(1966—) 男,生物医学工程研究室助理工程师.

  5 参考文献

  [1] Toru Masuzawa,et al.Set-up,improvement and evaluation of an electrohydraulic total artificial heart with a separately placed energy converter.ASAIO,1996,J 42:M328

  [2] Millner A,et al.Development of an efficient electrohydraulic total artificial heart.ASAIO Journal,1990,36:M245

  [3] Weiss W J,et al.Resent improvements in a completely implanted total artifical heart.ASAIO Journal,1996,42:M342

  [4] Erik Koppert,et al.A total artifical heart of neonates allowing bridging to transplantation.ASAIO Journal,1990,36:M226

  [5] Sezai A,et al.Microcirculation of kindney and skin during left ventricular assisted circulation-comparative studies of pulsatile and nonpulsatile assists.Jpn J Thorac Cardiovasc Surg,1998,46(12):1239

  [6] Sezai A,et al.Major organ function under mechanical support:comparative studies of pulsatile and nonpulsatile circulation.Artif Organs,1999,23(3):280

  [7] Hindman BJ,et al.Pulsatile versus nonpulsatile flow.No difference in cerebral blood flow or metabolism during normothermic cardiopulmonary bypass in rabbits.Anethesiology,1995,82(1):241

  [8] Nose Y,et al.Can we develop a nonpulsatile permanent rotary blood pump?Artif Organs,1996,20(6):467

  [9] Sharp MK. An orbiting scoll blood pump without valves or rtating seals.ASAIO Journal 1994,40:41

  [10] Qian K X,et al.In vivo study of pulsatile implantable impeller assist and total heart.Artificial Organs,1995,19(4):328

  [11] Yoshiyuki Taenaka,et al.Development of a centrifugal pump with improved antithrombogenicity and hemolytic property for chronic circulatory support.Artifical Organs 1996,20(6):491

  [12] Nojiri C, Kijima T. Maekawa J, et al. More than 1 Year Continuous Operation of a Centrifugal Pump with a Magnetically Suspended Impeller. ASAIO J 1997;43:M548-M552.

  [13] Schima H,et al.Influence of centrifugal blood pumps on the elasticity of erythrocytes.ASAIO Trans,1991,37:658

  [14] Bulter KC, Moise JC and Wampler RK. The Hemopump——a New Cardiac Prothesis Device. IEEE Trans Biomed Eng 1990;37:193—6.

  [15] Parnis SM, Conger JL, Fuqua JM< et al. Progress in the Development of a Transcutaneously Powered Axial Flow Blood Pump Ventricular Assist System. ASAIO J 1997;43M567—M580.

  [16] Damm G, Mizuguchi K, Bozeman R, et al. In Vitro Performance of the Baylor/NASA Axial Flow Pump. Artif Organs 1993;17(7):609—613.

  [17] Kennjl Yamazaki,et al.A miniature intraventricular axial blood pump that is introduced through the left ventricular apex.ASAIO Journal,1992,38:M679

  [18] Takeshi Naktani,et al.A bioartificial ventricle used as a totally implantable circulatory assist device.ASAIO Journal,1992,38:M167

  [19] Monties J R,et al.Another way of pumping blood with a rotary but noncentrifugal pump for an artificial heart.ASAIO J,1990,36:M258

  [20] Burgreen G W,et al.A design improvement strategy for axial blood pumps using computational fluid dynamics.ASAIO J,1996,42:M354


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