劉 宇，周圓圓，尹宗濤，李洪誼，王輝山

·基礎研究·

便攜式體外生命支持系統(tǒng)離體和在體實驗研究

劉 宇，周圓圓，尹宗濤，李洪誼，王輝山

目的 初步考察便攜式體外生命支持系統(tǒng)的離體和在體性能。方法 離體實驗檢測便攜式體外生命支持系統(tǒng)的穩(wěn)定性;在體實驗中12只雌性巴馬香豬隨機分為實驗組和對照組，每組6只。分別應用便攜式體外生命支持系統(tǒng)及Maquet公司Rotaflow系統(tǒng)進行體外循環(huán)，4.0 L/min運轉6 h，于轉流前、轉流中每2 h及轉流后取靜脈血檢測游離血紅蛋白含量評價裝置溶血性能并檢測血小板激活率。結果 離體實驗證實便攜式體外生命支持系統(tǒng)穩(wěn)定性優(yōu)于或等于同類Maquet公司Rotaflow系統(tǒng);在體實驗提示4.0 L/min流量運行6 h，血漿游離血紅蛋白含量均在50 g/L以下，血小板激活均小于8%。結論便攜式體外生命支持系統(tǒng)離體和在體性能穩(wěn)定、可靠。

便攜;體外生命支持;動物實驗;體外實驗

戰(zhàn)傷及外傷所致的嚴重心臟、大血管損傷救治難度大、死亡率高，很多由于無法接受及時、合理的治療導致死亡。回顧性研究發(fā)現(xiàn)，心肺復蘇等院前急救措施的普及顯著提高了院前心跳驟停患者的搶救成功率［1］，但搶救成功率也僅有30%。體外膜肺氧合(extracorporeal membrane oxygenation，ECMO)技術為體外生命支持治療提供了一個新的方向和選擇，應用ECMO救治戰(zhàn)傷和嚴重創(chuàng)傷可能會為這部分傷員的后送和救治贏得時間，這同時也對ECMO救治的現(xiàn)場性提出了新的要求［2］。目前，臨床應用的ECMO系統(tǒng)便攜性較差并且長期以來為進口產(chǎn)品，無法滿足現(xiàn)場救治的便攜性要求，同時限制了國產(chǎn)醫(yī)療設備的發(fā)展。本課題前期初步構建了國產(chǎn)化便攜式體外生命支持系統(tǒng)(portable extracorporeal life support system，PELS)，此研究主要考察該系統(tǒng)部分離體和在體性能。

1 材料與方法

1.1 實驗動物 健康成年雌性巴馬香豬(沈陽軍區(qū)總醫(yī)院實驗動物中心提供)12只，體重38～52(44.92 ±4.5)kg，術前12 h禁食，4 h禁飲。

1.2 主要儀器及材料 對照組采用Maquet公司Rotaflow系統(tǒng)，實驗組采用自行研制PELS系統(tǒng)，兩套系統(tǒng)均采用Maquet公司ECMO套包，Sorin公司變溫水箱。體外插管:Edward公司16 F股動脈插管、18 F股靜脈插管;Datex－Ohmeda公司S/5多功能監(jiān)護儀，預充液總量約為600 ml(其中包括復方乳酸鈉注射液600 ml，肝素4 000 U)。血漿游離血紅蛋白(plasma free hemoglobin，PFH)試劑盒(Sigma公司，StLouis，MO)，血小板激活試劑盒(Sigma公司，St Louis，MO)等。

1.3 裝置設計 PELS系統(tǒng)以磁耦合離心驅動系統(tǒng)為基礎，輔助有轉速控制，血流量檢測，血液壓力檢測的多傳感血液循環(huán)裝置。該裝置通過磁耦合驅動的方式實現(xiàn)驅動機構對離心泵頭轉動驅動。采用Maxon高速電機提供動力驅動，集成有超聲波血液流量監(jiān)測傳感器及高精度血液壓力監(jiān)測傳感器，可實現(xiàn)血液循環(huán)壓力連續(xù)在線監(jiān)測與報警。同時為了滿足便攜式的野外急救需要，本裝置還集成了基于鋰電池供電的電源管理系統(tǒng)，可實現(xiàn)市電與鋰電池供電工作兩種工作方式，鋰電池供電下系統(tǒng)運行時長不小于4 h。該裝置整體尺寸不超過300mm×300 mm×400 mm，總體重量不超過10 kg，見圖1。

圖1 PELS系統(tǒng)實物圖

1.4 離體實驗 建立PELS離體循環(huán)實驗管路，主要包括PELS系統(tǒng)，ECMO套包，超聲波流量計，循環(huán)水槽等，如圖2。

圖2 PELS體外實驗模擬管路連接圖

PELS系統(tǒng)體外模擬測試，包括驅動轉速穩(wěn)定性、流量檢測穩(wěn)定性測試、壓力穩(wěn)定性測試及電池供電時間測試。為了實現(xiàn)對PELS系統(tǒng)進行全面測評，在電池供電下，通過設置(轉速、流量)兩個參數(shù)，進行(轉速、流量、壓力)三個參數(shù)的監(jiān)測，測試時長4 h。具體參數(shù)設置如下:設置PELS的轉速分別為2 000 r/min和4 000 r/min，流量分別為1.0 L/ min和4.5 L/min，然后檢測PELS系統(tǒng)輸出的(轉速、流量、壓力)三個參數(shù)。具體實驗過程如下:按圖示連接好管路系統(tǒng)后，對系統(tǒng)進行預充，設置PELS系統(tǒng)轉速分別為2 000 r/min和4 000 r/min，通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥設置超聲波流量計顯示流量分別為1.0 L/min和4.5 L/min，啟動PELS數(shù)據(jù)保存功能，系統(tǒng)將自動保存(轉速、流量、壓力)三個檢測參數(shù)，每次采用電池供電運行，運行時長4 h，重復實驗4次。

1.5 在體實驗

1.5.1 動物模型建立 實驗用豬采用氯胺酮20 mg/kg及阿托品0.5 mg肌內(nèi)注射誘導麻醉，1.5%～2.0%異氟烷面罩吸入5 min后行氣管內(nèi)插管，呼吸機輔助呼吸，吸入氧濃度40%，潮氣量10 ml/kg，呼吸頻率15～20次/min。右頸部、胸部、下腹部、雙側腹股溝備皮，胸部貼電極片行心電監(jiān)護，豬舌中部夾氧飽和度探頭監(jiān)測末梢血氧飽和度，肛門置溫度探頭監(jiān)測直腸溫度。術區(qū)以安爾碘消毒，鋪無菌單。雙側腹股溝穿刺左側股靜脈及右側股動靜脈，分別置入5 F中心靜脈導管、20 G動脈穿刺針作為中心靜脈壓、靜脈輸液通路及動脈監(jiān)測。右頸部氣管旁行約4 cm長縱切口，切開皮膚、皮下組織，胸鎖乳突肌中點內(nèi)側肌間溝內(nèi)分離出右側頸總動脈及頸內(nèi)靜脈，以5－0 Prolene縫線于頸總動脈及頸內(nèi)靜脈預置荷包縫線，切開血管后分別置入16 F股動脈插管及18 F股靜脈插管(股靜脈插管需置入右心房內(nèi))，股靜脈注射肝素鈉300 U/kg全身肝素化。體外生命支持系統(tǒng)及ECMO系統(tǒng)管道預充排氣，連接動靜脈插管建立體外循環(huán)。4.0 L/min運轉6 h，于轉流前、轉流期間每2 h和轉流后采集靜脈血10 ml用于后續(xù)檢測，而后逐漸減低流量并停機。拔除頸總動脈及頸內(nèi)靜脈插管，收緊荷包線打結止血，魚精蛋白中和肝素。

1.5.2 PFH檢測 待測全血1 ml，4℃，15 000 g離心10 min，分離血清，再次4℃，15 000 g離心10 min。應用PFH試劑盒，在試管內(nèi)分別加入待測血漿20μl，空白管加去離子水20μl，標準管加血紅蛋白標準液20μl。于上述各管內(nèi)加入1.0 ml 0.2%鄰甲苯胺溶液，再加入1.0 m l 1%過氧化氫溶液，混勻放置10 min，各管加入10 ml 10%冰乙酸溶液，于分光光度計波長為435 nm測定濃度。

1.5.3 血小板激活 檢測應用血小板激活檢測試劑盒，待測全血20μl，加入熒光素標記的抗血小板單克隆抗體各10μl，室溫避光反應20 min，立即加入1.0ml1%多聚甲醛混勻，4℃保存，24 h內(nèi)在流式細胞儀上分析。以CSD、FSC和CD61識別獲取血小板，以速度300個/s獲取10 000個血小板進行FL1和FL2分析。ELISA定量測定血漿中WF及CD62P水平。計算血小板激活指數(shù)。

2 結果

2.1 離體實驗結果 離體實驗統(tǒng)計結果表明，PELS系統(tǒng)可以穩(wěn)定輸出預設的轉速及相應流量，本系統(tǒng)各項參數(shù)均優(yōu)于目前Maquet公司Rotaflow產(chǎn)品的公開技術參數(shù)。見表1～3。

表1 PELS系統(tǒng)與Maquet公司Rotaflow產(chǎn)品參數(shù)對照表

2.2 在體實驗結果 PELS系統(tǒng)及Maquet公司Rotaflow系統(tǒng)均運行平穩(wěn)，全組實驗動物無死亡。

2.2.1 PFH檢測 PFH檢測結果顯示，4.0 L/min裝置運行6 h后，兩組PFH含量均在50 g/L以下，兩組間比較無統(tǒng)計學差異，提示兩套裝置對血細胞損傷較弱，并且在應用相同ECMO套包的條件下，PELS系統(tǒng)與Rotaflow系統(tǒng)相比紅細胞損傷無顯著性差異。見圖3。

圖3 PFH檢測

2.2.2 血小板激活檢測 血小板激活性能檢測結果顯示，4.0 L/min裝置運行6 h，兩種裝置對血小板激活均在8%以下，實驗組與對照組血小板激活無顯著差異。見圖4。

圖4 血小板激活檢測

3 討論

表2 PELS系統(tǒng)離體實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計表(±s)

表2 PELS系統(tǒng)離體實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計表(±s)

序號 設定轉速(r/min) 設定流量(L/min) 平均轉速(r/min) 平均流量(L/min) 平均壓力(mm Hg) 1 2 000 1.0 1 987±6.0 1.02±0.04 105±0.69 2 2 000 1.0 1 989±5.2 1.03±0.04 106±0.69 3 2 000 1.0 2 002±4.3 1.01±0.05 113±0.54 4 2 000 1.0 1 999±3.8 1.06±0.03 104±1.45平均 2 000 1.0 1 994±4.8 1.03±0.04 107±0.84

表3 PELS系統(tǒng)離體實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計表(±s)

表3 PELS系統(tǒng)離體實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計表(±s)

序號 設定轉速(r/min) 設定流量(L/min) 平均轉速(r/min) 平均流量(L/min) 平均壓力(mm Hg) 1 4 000 4.5 3 977±6.5 4.45±0.03 370±0.72 2 4 000 4.5 3 976±6.8 4.55±0.03 364±1.32 3 4 000 4.5 3 983±5.5 4.55±0.03 366±0.72 4 4 000 4.5 4 000±3.7 4.48±0.03 373±0.8平均 4 000 4.5 3 984±6.5 4.51±0.03 368±1.32

戰(zhàn)場及外傷后心臟及大血管損傷可以迅速導致失血性休克救治難度較大，通過PELS在院前或基層醫(yī)療機構用于這類傷員的救治可以贏得寶貴的救治時間。因此，研制國產(chǎn)化的PELS系統(tǒng)對于國產(chǎn)醫(yī)療設備的發(fā)展及危重患者救治均具有積極作用。但是，目前臨床應用的ECMO系統(tǒng)設備龐大、操作復雜、移動性差，無法滿足現(xiàn)場救治等惡劣條件下的應用需要［3］。針對這些問題，本課題組前期工作中設計、開發(fā)了PELS系統(tǒng)，以磁耦合離心血泵為基礎構建了PELS系統(tǒng)的泵裝置。

氧合器、泵裝置和循環(huán)管路是體外生命支持設備必不可少的三大組件。其中，影響設備便攜性的瓶頸主要在于泵裝置。因此，筆者首先僅對泵裝置進行了設計及開發(fā)，使其可以兼容Maquet公司的ECMO套包。由于氧合器和循環(huán)管路共同組成ECMO套包，動物實驗期間氧合效率及CO2排出等考察氧合器的這種指標并不在本考察范圍內(nèi)。本次主要考察了泵裝置與Maquet公司離心泵頭兼容性能。

本研究的PELS系統(tǒng)基于磁耦合離心驅動原理，實現(xiàn)了體外輔助循環(huán)的小型化便攜式集成。該裝置通過磁耦合驅動的方式實現(xiàn)驅動機構對離心泵頭轉動驅動［4］，離心泵頭與驅動機構分離，可實現(xiàn)血液循環(huán)過程中的封閉運行，減少血液污染，離心泵頭可為一次性耗材，減少了血液交叉感染。采用高速電機提供動力驅動，可滿足成人血液循環(huán)所需流量［5］。由于本系統(tǒng)集成了血液流量監(jiān)測傳感器及高精度血液壓力監(jiān)測傳感器，可以滿足體外生命支持過程中的安全使用。同時，為了實現(xiàn)便攜式的野外急救，本裝置集成了大容量鋰電池，可以滿足長時間運轉。此外，整機尺寸不超過300mm×300 mm×400 mm，總體重量不超過10 kg，實現(xiàn)救護車搭載或單人攜帶，也保證了該裝置的便攜性能，大大提高了體外輔助循環(huán)應用范圍。離體實驗提示，該裝置可以很好的兼容Maquet公司ECMO套包，在相同條件下其轉速、流量學、電池工作時長上均優(yōu)于Maquet公司的Rotaflow系統(tǒng)。

為檢測PELS系統(tǒng)實際應用效果，筆者進行了動物實驗。在課題組之前進行ECMO輔助動物模型基礎上［6］，進行了PELS系統(tǒng)及Rotaflow系統(tǒng)長時間ECMO輔助實驗。本動物實驗中檢測了PFH及血小板激活情況，結果表明，PELS系統(tǒng)輔助6 h后血PFH含量及血小板激活情況與Rotaflow系統(tǒng)相比無顯著差異，提示PELS系統(tǒng)輔助6 h以內(nèi)對紅細胞的損害與Rotaflow系統(tǒng)無顯著差異，能夠符合臨床要求，足以滿足戰(zhàn)場救治后送需要。

綜上所述，自行研制的PELS系統(tǒng)與Maquet公司Rotaflow離心泵相比具有相似穩(wěn)定性，優(yōu)秀的便攜性和超長的運行時間，并且可以很好的兼容Maquet公司ECMO套包，6 h內(nèi)不增加紅細胞損傷的風險，可以實現(xiàn)短時間傷病員后送及體外生命支持的需要。

［1］ Daya MR，Schmicker RH，Zive DM，et al.Out－of－h(huán)ospital cardiac arrest survival improving over time:Results from the Resuscitation Outcomes Consortium(ROC)［J］.Resuscitation，2015，91 (1):108－115.

［2］ Schmidt F，Sasse M，Boehne M，et al.Concept of"awake venovenous extracorporealmembrane oxygenation"in pediatric patients awaiting lung transplantation［J］.Pediatr Transplant，2013，17 (3):224－230.

［3］ Wu ZJ，Zhang T，Bianchi G，et al.Thirty－day in－vivo performance of a wearable artificial pump－lung for ambulatory respiratory support［J］.Ann Thorac Surg，2012，93(1):274－281.

［4］ 關醒凡.現(xiàn)代泵技術手冊［M］.第1版.北京:宇航出版社，1995.179－305.

［5］ 張根廣，張鳴遠，楊萬英，等.模型血泵相似性設計及驗證［J］.西安交通大學學報，2008，42(1):32－35.

［6］ 劉宇，張永，韓勁松，等.失血性休克后深低溫救治－復蘇小型豬模型的建立［J］.中國體外循環(huán)雜志，2016，14(2):56－59.

Portable extracorporeal life support system in vitro and in vivo experiment

Liu Yu，Zhou Yuan－yuan，Yin Zong－tao，Li Hong－yi，Wang Hui－shan
Department of Cardiovascular Surgery，General Hospital of Shenyang Military Area Command，Shenyang，110016，China

Wang Hui－shan，Email:huishanwang@hotmail.com

Ob jective To explore the performance of a portable extracorporeal life support(PELS)system in vitro and in vivo.Methods In vitro，PELSsystem was tested for stable assessment;in vivo，12 female swinewere randomized into experimentgroup(n =6)and control group(n=6).Cardiopulmonary bypass(CPB)was repectively established with PELSand RotaFlow with 4 L/min of flow for 6 h.The plasma free hemoglobin and plateletactivation were evaluated before initial of CPB，every 2 hs in CPB and after terminated CPB.Results In vitro，experiments confirmed that the stability of PELSsystem was better than or equal to Maquet company Rotaflow system;in vivo，the plasma free hemoglobin was lower than 20 g/L and the plateletactivation was lower than 10%after 6 h performance of PELS system.Conclusion The portable extracorporeal life support system conducts the reliable performance in vitro and in vivo.

Portable;Extracorporeal life support;In vivo;In vitro

2016-10-12)

2017-01-19)

10.13498/j.cnki.chin.j.ecc.2017.01.10

2013年軍隊裝備研制項目重大項目(ASY135001);2014年遼寧省建設產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新體系示范工程醫(yī)療器械臨床研究平臺(2014305006)

110016沈陽，沈陽軍區(qū)總醫(yī)院心血管外科(劉宇、尹宗濤、王輝山);110167沈陽，中國科學院沈陽自動化研究所(周圓圓、李洪誼)

王輝山，Email:huishanwang@hotmail.com