劉利興，馬燕蘭

1. 解放軍醫(yī)學(xué)院，北京 100853；2. 解放軍總醫(yī)院 護(hù)理部，北京 100048

引言

經(jīng)外周置入中心靜脈導(dǎo)管（Peripherally Inserted Central Catheters，PICC），因其置管簡(jiǎn)便、安全性高、留置時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于臨床，已成為腫瘤患者輸注化療藥物的首選途徑[1]。PICC置入靜脈血管后，導(dǎo)管周圍容易形成纖維蛋白鞘，從而引發(fā)導(dǎo)管相關(guān)性血栓[2]。研究顯示，PICC導(dǎo)管相關(guān)癥狀性血栓發(fā)生率達(dá)到3%～20%，無(wú)癥狀血栓發(fā)生率高達(dá)51.4%～61.9%[3-4]。一旦發(fā)生血栓，不僅增加患者痛苦及經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，嚴(yán)重者可危及生命[5]。靜脈治療指南中建議，正確地沖管和封管可以預(yù)防血栓形成[6]。但目前PICC沖管的方法只能預(yù)防PICC管腔內(nèi)的血栓，暫無(wú)有效的方法預(yù)防導(dǎo)管外壁形成的血栓。

因此，本研究設(shè)計(jì)了一款新型的PICC沖洗套管，通過(guò)增加導(dǎo)管外壁沖洗功能，沖刷導(dǎo)管外壁，防止血液有形成分的粘附，預(yù)防血栓形成。同時(shí)通過(guò)沖洗加快導(dǎo)管周圍血流速度，以降低導(dǎo)管相關(guān)性血栓發(fā)生率。目前，已經(jīng)完成新型PICC沖洗套管的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，但對(duì)于此套管最佳的切縫方案，尚無(wú)定論。另外，也尚未確定合適的沖洗速度。由于臨床治療的原因，不可能大劑量高速?zèng)_洗，因此要選擇一個(gè)合適的沖洗速度，既保證盡可能的少量低速，又不影響沖洗效果。由于沖洗套管管壁微小，沖刷效果難以用儀器測(cè)量出來(lái)，需要采用更為精細(xì)科學(xué)地方法進(jìn)行研究分析。

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）是對(duì)包含有流體流動(dòng)和熱傳導(dǎo)等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示進(jìn)行分析[7]。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，CFD越來(lái)越多地應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，如心臟運(yùn)動(dòng)力學(xué)研究、動(dòng)脈血管中血流動(dòng)力學(xué)研究、以及醫(yī)用導(dǎo)管在人體內(nèi)的血流動(dòng)力學(xué)性能分析[8-10]。Clark等[11]運(yùn)用CFD模擬，研究比較了三種商用對(duì)稱頭透析導(dǎo)管的局部血流動(dòng)力學(xué)；Mareels等[12]利用CFD的方法對(duì)某款中心靜脈導(dǎo)管的性能參數(shù)（流速、壓降、剪切速率、通道再循環(huán)）進(jìn)行分析評(píng)估產(chǎn)品的性能。鑒于CFD方法已在醫(yī)用導(dǎo)管領(lǐng)域有較廣泛的應(yīng)用，本研究也擬應(yīng)用CFD的方法，比較新型沖洗套管不同切縫設(shè)計(jì)在不同沖洗速度下，各縫隙出水的流量、壓力和流速，以得到最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案和沖洗速度。

1 材料與方法

1.1 基本結(jié)構(gòu)

新型PICC沖洗套管基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1a為新型PICC沖洗套管的整體結(jié)構(gòu)。新型PICC沖洗套管為“Y”型接頭內(nèi)外兩層導(dǎo)管設(shè)計(jì)的套管結(jié)構(gòu)；內(nèi)層為臨床上目前常用巴德三向瓣膜的PICC導(dǎo)管，用于藥物輸注；在內(nèi)層導(dǎo)管外覆蓋了一層硅膠材質(zhì)的外套管作為沖洗套管；內(nèi)外兩層導(dǎo)管之間是末端封閉的管腔，僅在外層沖洗套管管壁上有數(shù)個(gè)切縫；沖洗液進(jìn)入內(nèi)外管間隙，只能從外套管切縫流出，起到?jīng)_刷套管壁及血管的作用。外層沖洗套管同樣采用三向瓣膜結(jié)構(gòu)（圖2），在不沖洗時(shí)，切縫處于封閉狀態(tài)，防止血液回流到內(nèi)外管腔間隙；沖洗時(shí)，沖洗液依次順著切縫流出，沖刷導(dǎo)管壁及血管壁，阻止血液有形成分粘附，防止血栓形成。目前，此設(shè)計(jì)已獲得發(fā)明型專利。

圖1 新型PICC沖洗套管結(jié)構(gòu)圖

圖2 三向瓣膜管壁內(nèi)壁受壓形變圖

1.2 方法

1.2.1 建立模型

本研究采用硅膠管制作外層的沖洗導(dǎo)管，導(dǎo)管外徑為3 mm，內(nèi)徑為1 mm，總長(zhǎng)度為250 mm。對(duì)沖洗管選取等間距切割3道縫和5道縫兩種設(shè)計(jì)工況進(jìn)行模擬，切割口之間的間距分別為66 mm和30 mm，其中第一個(gè)切口距離入口距離均為88 mm，管子另一端封閉，如圖3a所示。

研究人員采用Gambit 6.2建立幾何模型，并劃分網(wǎng)格。網(wǎng)格均采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格為了更好的捕捉流體在邊界層區(qū)域內(nèi)的流動(dòng)，對(duì)邊壁附近網(wǎng)格做邊界層處理，并對(duì)切口附近流動(dòng)復(fù)雜區(qū)域網(wǎng)格局部加密，如圖3b和3c所示。

圖3 套管模型及網(wǎng)格圖

1.2.2 求解參數(shù)和邊界條件

本研究采用CFD專業(yè)計(jì)算軟件FLUENT軟件完成仿真分析。以0.9%氯化鈉溶液作為沖洗液位，為簡(jiǎn)化分析過(guò)程，將其假定為不可壓縮的黏性牛頓流體。其在沖洗管管腔內(nèi)的流動(dòng)可以認(rèn)為是層流，流動(dòng)滿足質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒定律。在不可壓縮流體的流動(dòng)中，熱量交換很小，能量分析可不考慮，因此主要通過(guò)對(duì)連續(xù)性方程和N-S方程進(jìn)行求解，得出流場(chǎng)信息。具體方程如式(1)和式(2)所示。

式(1)為連續(xù)性方程，式(2)為N-S方程。其中，ρ為密度，u為速度，p為壓力。

對(duì)方程求解采用了壓力-速度耦合的SIM-PLE算法，壓力和動(dòng)量離散格式均采用二階迎風(fēng)格式。迭代計(jì)算中亞松弛因子保持默認(rèn)。進(jìn)口條件：在流道入口給不同速度值（分別對(duì)應(yīng)10、20、50、75、100 mL/h），用于模擬不同沖洗速度下管道切縫的出水情況。出口條件：壓力出口，表壓設(shè)置為0。沖洗液是0.9%氯化鈉注射液，液體密度為1004 kg/m3，工作溫度為37℃。

2 結(jié)果

2.1 兩種切縫設(shè)計(jì)的沖洗套管各切縫流量對(duì)比

切縫1為距離入水口最近的切縫，切縫3（或切縫5）是距離入水口最遠(yuǎn)的切縫。隨著沖洗速度的增加，切縫的出水量都會(huì)隨之增加；在同一沖洗速度下，切縫流量由進(jìn)水口近端的切縫往遠(yuǎn)端遞減。5個(gè)切縫質(zhì)量流量分布更加均勻。3道切縫沖洗套管各切縫流量，見表1；5道切縫沖洗套管各切縫流量，見表2；兩種管道各切縫質(zhì)量流量曲線圖，見圖4。

表1 3道切縫沖洗套管各切縫流量 (mg/s)

表2 5道切縫沖洗套管各切縫流量 (mg/s)

圖4 兩種管道各切縫質(zhì)量流量曲線

2.2 兩種切縫設(shè)計(jì)的沖洗套管各切縫壓力對(duì)比

通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)處理后，可以得到不同沖洗速度下，各切縫處壓力圖，見圖5和圖6，表3和表4。

圖5 3道切縫套管不同沖洗速度下切縫1壓力圖

圖6 100 mL/h沖洗速度下3道縫套管各切縫壓力圖

表3 3道切縫沖洗管道各切縫壓力 (Pa)

表4 5道切縫沖洗管道各切縫壓力 (Pa)

2.3 兩種設(shè)計(jì)的沖洗套管各切縫液體流速對(duì)比

由軟件仿真分析可以得到，不同沖洗速度下，兩種設(shè)計(jì)的沖洗套管各切縫液體流速圖，本文截取了兩種設(shè)計(jì)的沖洗套管，在100 mL/h的沖洗速度下，各切縫的液體流速，見圖7及圖8。圖中箭頭表示速度的方向，底部涂層顏色對(duì)應(yīng)代表速度的大小。從圖中可以看到每一個(gè)出口的速度分布在管子壁面附近比較低，到中心比較大，這與次流動(dòng)速度、管直徑、液體物性下的雷諾數(shù)有關(guān)，符合理論上管子中流動(dòng)狀態(tài)速度分布。同時(shí)，從圖中可以看到，這兩種設(shè)計(jì)的管道，在最末一個(gè)切縫出口都可以看到小范圍的回流現(xiàn)象，這是由于管子的另一端出口被堵死，液體無(wú)法流出所致，見表5～6。

圖7 100 mL/h沖洗速度下5道縫套管各切縫液體流速圖

圖8 100 mL/h沖洗速度下3道縫套管各切縫液體流速圖

表5 3道切縫沖洗管道各切縫液體流速對(duì)比 (cm/s)

表6 5道切縫沖洗管道不同切縫液體流速對(duì)比 (cm/s)

3 討論

近年來(lái)，PICC導(dǎo)管被廣泛應(yīng)用于臨床，為需要化療及長(zhǎng)期腸外營(yíng)養(yǎng)的患者提供了安全穩(wěn)定的靜脈輸液途徑。但是PICC使用過(guò)程中導(dǎo)致的導(dǎo)管相關(guān)性血栓一直是臨床護(hù)理亟待解決的難題。圍繞如何降低PICC相關(guān)性血栓發(fā)生率，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了很多研究，如選擇聚氨酯與硅樹脂材料降低血栓發(fā)生率、改進(jìn)穿刺方法、預(yù)防性使用抗凝劑、通過(guò)主動(dòng)運(yùn)動(dòng)或被動(dòng)運(yùn)動(dòng)加快置管肢體血流速度等[13-16]。但這些預(yù)防措施均無(wú)法有效解決導(dǎo)管外壁血液成分粘附的問(wèn)題。因此，本研究從改變導(dǎo)管本身的結(jié)構(gòu)角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了一款帶沖洗功能的PICC雙層導(dǎo)管，外層導(dǎo)管管壁上設(shè)計(jì)有切縫，沖洗液進(jìn)入內(nèi)外導(dǎo)管之間的管腔，管腔末端封閉，沖洗液只能從外套管切縫流出，沖刷導(dǎo)管外壁及血管壁，防止血液有形成分在導(dǎo)管外壁及血管壁的附著。PICC作為異物置入人體血管內(nèi)，本身就會(huì)導(dǎo)致血管血流減慢，另外血管留置在體內(nèi)會(huì)對(duì)血管產(chǎn)生機(jī)械性刺激，增厚血管內(nèi)膜，加大血流阻力[17]。多項(xiàng)研究表明，采用不同的方式加快血液流動(dòng)，可有效預(yù)防PICC相關(guān)性血栓[18-20]。新型的PICC套管通過(guò)外層導(dǎo)管的沖洗功能，也能有效增加置管血管的血流速度，降低導(dǎo)管相關(guān)性血栓發(fā)生率。

新型PICC沖洗套管設(shè)計(jì)完畢后，通過(guò)預(yù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，外套管如果切縫數(shù)目過(guò)少，則沖洗功能無(wú)法覆蓋導(dǎo)管全長(zhǎng)，無(wú)法達(dá)到完整的沖洗效果；如果切縫數(shù)目過(guò)多，則容易出現(xiàn)某些切縫無(wú)法流出沖洗液，形成無(wú)效切縫。同時(shí)，沖洗速度到達(dá)多少才能有效地增加血流速度，也尚無(wú)定論。為了挑選出最優(yōu)的切縫設(shè)計(jì)方案和適宜的沖洗速度，本實(shí)驗(yàn)應(yīng)用CFD模型模擬沖洗液在沖洗套管內(nèi)的流動(dòng)，比較了兩種設(shè)計(jì)的套管各切縫流量、壓力值及液體流速。在CFD計(jì)算中，入口設(shè)置為質(zhì)量入口，切口處均設(shè)置為壓力出口，其余邊界設(shè)置為wall。以0.9%氯化鈉注射液為介質(zhì)進(jìn)行數(shù)值模擬。由于流速較小，整個(gè)流動(dòng)過(guò)程中流動(dòng)雷諾數(shù)較小，黏性模型選擇為laminar模型。壓力與速度的耦合算法為Simple算法，為保證計(jì)算精度，壓力和動(dòng)量求解均采用二階迎風(fēng)格式。

結(jié)果顯示，3道切縫設(shè)計(jì)和5道切縫設(shè)計(jì)的PICC沖洗套管都能保證各個(gè)切縫均有沖洗液流出，不存在無(wú)效切縫。在同樣的沖洗速度下，3道切縫設(shè)計(jì)的沖洗套管，從切縫1到切縫3，液體流量、壓力、和流速呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)。而5道切縫設(shè)計(jì)的沖洗管道，各切縫遞減趨勢(shì)較小，各切縫液體流量、壓力及流速分布較均勻。為有效沖刷管道表層附著物，防止血栓形成，每個(gè)切縫均勻的出水量和速度，才能保證導(dǎo)管各段的沖洗效果一致，避免遠(yuǎn)端切縫沖洗效果弱于近端切縫。因此，5道切縫的設(shè)計(jì)優(yōu)于3道縫的設(shè)計(jì)。

從模擬結(jié)果可以看出，雖然兩種沖洗套管切縫數(shù)目不同，但是在同一沖洗速度下，切縫能達(dá)到的最大液體流速大致相同。10 mL/h沖洗速度時(shí)，切縫最大液體流速約為6 cm/s；20 mL/h工況下切縫最大液體流速約在12 cm/s；50 mL/h工況下，切縫最大液體流速約在30 cm/s；75 mL/h工況下切縫最大液體流速約在60 cm/s；100 mL/h工況下切縫最大液體流速為130 cm/s。靜息狀態(tài)下，腋靜脈TMFV（單位時(shí)間內(nèi)平均血流速度）約為9.94～11.53 cm/s[21]。周曄等通過(guò)隨機(jī)對(duì)照干預(yù)實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，握拳運(yùn)動(dòng)能加快血流速度,有效的握拳運(yùn)動(dòng)后，腋靜脈TMVF約為（21.94±7.77）cm/s，通過(guò)有效的握拳運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)組的PICC血栓率低于未運(yùn)動(dòng)組[22]。從目前的研究中可以看出，當(dāng)腋靜脈TMVF增加到（21.94±7.77）cm/s時(shí)能有效地預(yù)防血栓形成。比較各沖洗速度下的液體流速，本研究中認(rèn)為導(dǎo)管沖洗速度選擇為50 mL/h比較適宜。此時(shí)液體流速約為30 cm/s接近于握拳運(yùn)動(dòng)對(duì)血流的影響效果?？梢员苊鉀_洗液體速度過(guò)小以至于對(duì)血流速度影響弱，也防止沖洗速度會(huì)過(guò)快影響患者循環(huán)狀況。

綜上所述，通過(guò)有限元分析，本研究認(rèn)為5道切縫設(shè)計(jì)的新型PICC沖洗套管最優(yōu)，50 mL/h為適宜的沖洗速度。但本次實(shí)驗(yàn)也存在一定的局限性：① 本研究將整個(gè)沖洗過(guò)程假設(shè)為了一個(gè)穩(wěn)態(tài)過(guò)程，對(duì)穩(wěn)態(tài)的N-S方程進(jìn)行求解；② 由于流速較小，黏性模型采用了層流laminar模型，但在流速發(fā)生改變的區(qū)域模型的正確性有待下一步研究；③ 目前只模擬了沖洗套管內(nèi)部的液體流動(dòng)情況，沒(méi)有結(jié)合套管在血管內(nèi)，模擬套管對(duì)血流及血管的沖刷效果，這也是本課題下一步的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)；④ 有限元實(shí)驗(yàn)結(jié)果，尚無(wú)實(shí)物實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，下一步擬于豬身上進(jìn)行動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，在豬身上分別置入新型PICC沖洗套管與普通PICC套管，通過(guò)血管超聲探測(cè)沖洗套管沖洗對(duì)血流的影響，同時(shí)驗(yàn)證新型PICC沖洗套管預(yù)防血栓的效果。