體外循環(huán)心臟手術(shù)模擬系統(tǒng)的研究

魏天嬌，胡兆燕,，陳正龍，孫珵琭

1 上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海市，200093

2 上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海市，200093

3 上海醫(yī)療器械高等?？茖W(xué)校醫(yī)療器械工程系，上海市，200093

體外循環(huán)心臟手術(shù)模擬系統(tǒng)的研究

【作 者】魏天嬌1，胡兆燕1,2,3，陳正龍3，孫珵琭1

1 上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海市，200093

2 上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海市，200093

3 上海醫(yī)療器械高等?？茖W(xué)校醫(yī)療器械工程系，上海市，200093

根據(jù)臨床體外循環(huán)手術(shù)的要求，建立了一套心臟體外循環(huán)手術(shù)模擬系統(tǒng)。該模擬系統(tǒng)主要由靜脈儲(chǔ)血腔、可變平衡腔、血液吸引腔、心室吸引腔、阻力閥、壓力表以及管路組成。灌注師可利用該系統(tǒng)對(duì)預(yù)先制定的手術(shù)方案進(jìn)行模擬，預(yù)判手術(shù)中可能出現(xiàn)的各種異常狀況，并進(jìn)行相應(yīng)的緊急處理，提高手術(shù)成功率，以保證患者生命安全。

心臟手術(shù)；體外循環(huán)；灌注師；模擬系統(tǒng)；人工心肺機(jī)

0 引言

1953年Gibbon 用心肺轉(zhuǎn)流輔助裝置成功進(jìn)行了世界上第1例心內(nèi)直視手術(shù)后，體外循環(huán)技術(shù)進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期。體外循環(huán)(extracorporeal circulation, ECC)又稱心肺轉(zhuǎn)流(cardiopulmonary bypass, CPB)，其原理如圖1所示。CPB就是靠人工心臟（血泵）將流回心臟的靜脈血阻止進(jìn)入右心房，通過管路系統(tǒng)引入到體外的氧合器（亦叫人工肺）內(nèi)進(jìn)行氣體交換，使之變成含氧氣的動(dòng)脈血，經(jīng)人工肺充氧后的血液再由人工心臟（血泵）通過主動(dòng)脈的分支管輸回主動(dòng)脈, 供給大腦及全身各部組織器官以維持機(jī)體在循環(huán)阻斷時(shí)的生理功能，保證心內(nèi)直視手術(shù)的安全，為心臟外科醫(yī)生提供必要的條件。這樣靠人工心臟和人工肺在體外進(jìn)行的循環(huán), 稱作體外循環(huán)。人工心肺機(jī)（artificial heart lung machine）主要是在心內(nèi)直視手術(shù)時(shí)代替心臟和肺臟功能。在進(jìn)行心臟手術(shù)時(shí)，心臟必須處于無血狀態(tài)，以保證手術(shù)視野清晰[1-6]。

目前，體外循環(huán)不僅用于心血管疾病，如新生兒先天性心臟病、風(fēng)濕性心臟病、冠心病等心內(nèi)直視手術(shù)、心臟瓣膜置換術(shù)和冠狀動(dòng)脈架橋等手術(shù)時(shí)阻斷回心血流，在非心血管領(lǐng)域，如體外膜肺氧合、肝臟移植、腫瘤治療、腦外科、意外搶救等中也有廣泛的應(yīng)用[7]。

圖1 體外循環(huán)原理圖Fig.1 The schematic of cardiopulmonary bypass

體外循環(huán)的出現(xiàn)使得心血管外科的發(fā)展突飛猛進(jìn)。國內(nèi)醫(yī)院中，專門成立體外循環(huán)科室的還不多，大部分醫(yī)院的體外循環(huán)工作都是由外科醫(yī)師、麻醉師、護(hù)士和其他技術(shù)人員兼職，與近5年來新開展心血管手術(shù)的大部分醫(yī)院沒有設(shè)置專職灌注師有很大關(guān)系[8]。隨著心血管手術(shù)量的增多，我國高素質(zhì)的灌注師數(shù)量嚴(yán)重不足。

臨床體外循環(huán)手術(shù)高度復(fù)雜，需要外科醫(yī)師、麻醉師、灌注師以及護(hù)理人員相互配合，如果灌注師對(duì)體外循環(huán)手術(shù)流程不夠熟悉，手術(shù)中管路聯(lián)接錯(cuò)誤或者人工心肺機(jī)操作不當(dāng)，易出現(xiàn)各種問題甚至發(fā)生意外。因此一套體外循環(huán)模擬系統(tǒng)可以幫助灌注師在臨床手術(shù)前熟練掌握體外循環(huán)管路的聯(lián)接以及人工心肺機(jī)的操作，在體外循環(huán)發(fā)生意外時(shí)能夠進(jìn)行及時(shí)有效處理，保證患者安全。

1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求

體外循環(huán)啟動(dòng)后要隨時(shí)觀察上、下腔靜脈引流是否滿意，中心靜脈壓是否升高，左心引流是否通暢，心臟是否膨脹，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除故障。因此，體外循環(huán)過程中，灌注師要時(shí)刻觀察以下指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)異常時(shí)及時(shí)與外科醫(yī)生溝通，排除故障。

(1) 灌注流量 灌注流量是體外循環(huán)中重要的灌注指標(biāo)和監(jiān)測(cè)項(xiàng)目之一。常溫下一般采用高流量灌注，成人灌注流量大于2.4 L/(m2·min)，兒童流量維持在3.2 L/(m2·min)左右[1]。

(2) 靜脈壓力 體外循環(huán)中，靜脈壓力無法直接測(cè)量，一般監(jiān)測(cè)中心靜脈壓(central venous pressure，CVP)，中心靜脈壓通過上、下腔靜脈或右房內(nèi)置管測(cè)得，其正常值為(0.59～1.18) kPa[1]，是體外循環(huán)心臟外科必備的監(jiān)測(cè)。

(3) 動(dòng)脈壓力 CPB期間因無搏動(dòng)型灌注，需要直接動(dòng)脈內(nèi)測(cè)壓，且只能監(jiān)測(cè)平均動(dòng)脈壓（mean arterial pressure, MAP）。MAP是CPB中評(píng)價(jià)循環(huán)功能的最重要的指標(biāo)之一[1]，反映了容量、有效灌注流量、血管阻力三者之間的關(guān)系。通常在足夠的灌注流量下患者可維持在5.33 kPa以上的平均動(dòng)脈壓，超過12.0 kPa時(shí)應(yīng)該使用擴(kuò)血管藥物，以平衡動(dòng)脈血壓和灌注流量的關(guān)系。

(4) 主泵壓力 CPB中動(dòng)脈管路壓力除與灌注流量、灌注壓力有關(guān)外，更直接與體外循環(huán)動(dòng)脈泵前阻力有關(guān)，主要來自于動(dòng)脈泵到動(dòng)脈內(nèi)插管尖端的阻力。正常情況下為26.67 kPa左右，不應(yīng)超過40.0 kPa[1]。如果太高則可發(fā)生各部分連接處崩脫，將引起CPB被迫停機(jī)，機(jī)體遭受缺血、缺氧的嚴(yán)重后果。因此，泵壓的持續(xù)監(jiān)測(cè)在CPB全程至關(guān)重要，是必不可少的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。

2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了圖2所示的體外循環(huán)手術(shù)模擬系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由靜脈儲(chǔ)血腔、可變平衡腔、血液吸引腔、心室吸引腔、阻力閥、壓力表以及管路組成?？赡M心臟手術(shù)由于動(dòng)靜脈插管不當(dāng)、外周血管阻力變化引起的壓力變化，手術(shù)時(shí)心室或胸腔內(nèi)充血，手術(shù)中自體血液回收等問題，并可觀察灌注流量、灌注壓力、動(dòng)靜脈壓力、外周血管阻力、動(dòng)靜脈插管阻力之間的相互關(guān)系。

圖2 體外循環(huán)心臟手術(shù)模擬系統(tǒng)原理圖Fig.2 The schematic of simulation system for cardiopulmonary bypass surgery

靜脈儲(chǔ)血腔模擬靜脈儲(chǔ)血，滿足體外循環(huán)手術(shù)中的循環(huán)血量，阻力閥3模擬靜脈插管時(shí)的阻力，通過調(diào)節(jié)阻力大小觀察壓力變化，壓力表8用于監(jiān)測(cè)中心靜脈壓。

血液由靜脈引出后，經(jīng)過氧合器氧合成動(dòng)脈血，再由血泵通過主動(dòng)脈輸送到人體。阻力閥1模擬動(dòng)脈插管時(shí)的阻力，阻力閥2模擬外周血管阻力。通過調(diào)節(jié)阻力閥1、2阻尼的大小觀察動(dòng)脈壓力的變化，壓力表9用來監(jiān)測(cè)平均動(dòng)脈壓。

在體外循環(huán)時(shí),會(huì)有少量血液回流到左心房,左心插管的作用就是對(duì)心腔進(jìn)行減壓或吸引心臟內(nèi)的血液，否則由于主動(dòng)脈阻斷,左心室回流的血液使心臟膨脹等,無法手術(shù)。心室吸引腔模擬心室，當(dāng)心室吸引指示器液面上升時(shí)，心室內(nèi)充血，此時(shí)外科醫(yī)生通知灌注師開啟心室吸引泵將血液吸引至儲(chǔ)血罐。

體外循環(huán)中，可能會(huì)有少量血液流入胸腔內(nèi)，影響手術(shù)視野，灌注師要將手術(shù)視野中的血液吸引至儲(chǔ)血罐，回收患者的失血。血液吸引腔模擬胸腔，當(dāng)血液吸引指示器液面上升時(shí)，胸腔內(nèi)充血，此時(shí)外科醫(yī)生通知灌注師開啟血液吸引泵將血液吸引至儲(chǔ)血罐。

根據(jù)體外循環(huán)臨床經(jīng)驗(yàn)與手術(shù)需求，模擬系統(tǒng)與人工心肺機(jī)的連接用臨床標(biāo)準(zhǔn)管徑，其中：靜脈引流管為1/2 in(1 in=25.4 mm)，動(dòng)脈灌注管為3/8 in，主泵管為1/2 in。心內(nèi)吸引回收血液使用內(nèi)徑1/4 in的聚氯乙烯管[9]。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 動(dòng)脈插管不當(dāng)對(duì)灌注壓的影響

主動(dòng)脈軟管阻力閥用來模擬動(dòng)脈插管壓力，打開阻力閥1、2、3，關(guān)閉閥4和閥5，開啟人工心肺機(jī)的主泵，通過調(diào)節(jié)閥1來模擬插管位置是否正確。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，我們將主動(dòng)脈阻力閥1調(diào)至三種不同的開度：阻力1、阻力2和阻力3，來模擬不同的插管情況，插管順暢時(shí)對(duì)應(yīng)最小的阻力1；反之，當(dāng)動(dòng)脈導(dǎo)管誤入動(dòng)脈夾層時(shí)對(duì)應(yīng)最大阻力3，由圖3可以看出，維持恒定的灌注流量時(shí)，灌注壓會(huì)隨著主動(dòng)脈軟管阻力的增大而增加；另外，當(dāng)主動(dòng)脈阻力一定時(shí)，灌注壓會(huì)隨著流量的增大而增加，且流量越大，灌注壓增長越快。灌注師應(yīng)及時(shí)提示外科醫(yī)生主動(dòng)脈插管有誤，外科醫(yī)生做相應(yīng)處理。

圖3 主動(dòng)脈軟管阻力、灌注流量和灌注壓之間的關(guān)系Fig.3 Relationship of aortic cannula resistance, perfusion fow and pressure

3.2 靜脈插管不當(dāng)對(duì)灌注壓的影響

模擬系統(tǒng)中，靜脈儲(chǔ)血腔處的靜脈壓力表8測(cè)量插管后的靜脈壓力，打開閥門3將靜脈血引出，若插管不當(dāng)，血液不能充分引流，通過增大閥3阻力來模擬引流不充分。

圖4 靜脈引流阻力、灌注流量和灌注壓之間的關(guān)系Fig.4 Relationship of venous outfow, perfusion fow and pressure

圖4的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)靜脈引流阻力一定時(shí)，灌注壓力會(huì)隨著流量的增大而增加，當(dāng)灌注流量不變時(shí)，灌注壓會(huì)隨著靜脈引流阻力的增大而增加。隨著靜脈引流閥阻力的增加，靜脈引流不暢，若灌注流量增大，靜脈儲(chǔ)血腔壓力會(huì)急劇增大，此時(shí)灌注師應(yīng)減小泵速，提示外科醫(yī)生檢查靜脈插管。

3.3 外周血管阻力變化對(duì)灌注壓的影響

心臟手術(shù)中，若體外循環(huán)降溫，外周血管阻力增加[1]，此時(shí)應(yīng)使用血管擴(kuò)張藥物，減小血管阻力。模擬系統(tǒng)中阻力閥2模擬外周血管阻力的變化。圖5是外周血管阻力變化時(shí)，灌注流量以及灌注壓力的變化。圖5的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，灌注流量一定時(shí)，動(dòng)脈壓力會(huì)隨著外周血管阻力的增大而增大[10]。外周血管阻力一定時(shí)，動(dòng)脈壓力會(huì)隨著灌注流量的增加而增大。

圖5 外周血管阻力阻力、灌注流量和灌注壓之間的關(guān)系Fig.5 Relationship of peripheral resistance, perfusion fow and pressure

3.4 體外循環(huán)自體血的回收利用

（1）心室內(nèi)血液回收利用

在體外循環(huán)時(shí)，雖然肺動(dòng)脈沒有右心室的供血,但是由于支氣管動(dòng)脈與肺小動(dòng)脈存在交通支,因此肺不是完全沒有血液灌注的，這部分血液通過肺小動(dòng)脈到肺靜脈，回流到左心房，左心插管的作用就是對(duì)心腔內(nèi)進(jìn)行減壓或吸引心臟內(nèi)的血液，否則由于主動(dòng)脈阻斷，左心室的回流血液積聚導(dǎo)致心臟膨脹等,從而無法手術(shù)。

打開閥5至阻力最小狀態(tài)，此時(shí)血液會(huì)流入心室吸引腔，心室吸引指示器液面上升，模擬心室內(nèi)充血。此時(shí)手術(shù)醫(yī)生通知灌注師心室充血，灌注師應(yīng)開啟心室吸引泵將血液吸引至儲(chǔ)血罐內(nèi)。在吸引過程中要控制泵速，防止過度吸引造成負(fù)壓。臨床手術(shù)中，灌注師根據(jù)手術(shù)醫(yī)生指示調(diào)節(jié)吸引泵，直至心室無血且不造成負(fù)壓[11]。圖6是實(shí)驗(yàn)中不同灌注流量下吸引泵的吸引流量。

（2）胸腔內(nèi)血液回收利用

體外循環(huán)中，可能會(huì)有少量血液流入胸腔內(nèi)，影響手術(shù)視野，灌注師要將手術(shù)視野中的血液吸引至儲(chǔ)血罐，回收患者的失血。在吸引過程中要避免過度吸引造成負(fù)壓，用低壓吸引來避免血液破壞[12]。

圖6 灌注流量與吸引流量之間的關(guān)系Fig.6 Relationship between perfusion fow and suction fow

打開閥4，血液流入血液吸引腔，血液吸引指示器液面上升，模擬胸腔內(nèi)充血。此時(shí)手術(shù)醫(yī)生提醒灌注師胸腔內(nèi)充血，灌注師應(yīng)開啟血液吸引泵將血液吸引至儲(chǔ)血罐內(nèi)。

（3）可變平衡腔內(nèi)自體血的回收利用

系統(tǒng)中設(shè)計(jì)可變平衡腔的目的就是平衡體外循環(huán)中的血流量，使體外循環(huán)維持正常壓力。動(dòng)脈堵塞，外周血管阻力升高導(dǎo)致灌注量減少時(shí)，動(dòng)脈壓力會(huì)升高，可開啟移液閥6，此時(shí)血液會(huì)進(jìn)入可變平衡腔，外科醫(yī)生檢查完畢重新開啟CPB；或者靜脈引流不暢時(shí)，氧合器儲(chǔ)血罐液面會(huì)急劇下降，由灌注師首先發(fā)現(xiàn)，此時(shí)開啟平衡腔的加液閥7，平衡腔內(nèi)血液會(huì)流入儲(chǔ)血罐，實(shí)現(xiàn)患者血液回收利用。

4 討論

通過實(shí)驗(yàn)證明，該模擬系統(tǒng)可以模擬心臟手術(shù)中典型的臨床問題，可直接觀察心臟體外循環(huán)手術(shù)中灌注流量、灌注壓力、動(dòng)靜脈壓力、外周血管阻力、動(dòng)靜脈插管阻力之間的相互關(guān)系，使灌注師能夠根據(jù)預(yù)先制定的手術(shù)方案，借助模擬系統(tǒng)模擬手術(shù)，預(yù)判手術(shù)中可能出現(xiàn)的各種異常狀況，并進(jìn)行相應(yīng)的緊急處理，提高手術(shù)成功率，以保證患者生命安全。此外，該模擬系統(tǒng)也極大地方便了體外循環(huán)相關(guān)的教學(xué)實(shí)踐。

但是由于現(xiàn)階段體外循環(huán)手術(shù)模擬系統(tǒng)相關(guān)研究較少，該系統(tǒng)存在許多需要完善的地方，如在今后的研究中，可向小型化、智能化的方向發(fā)展，提高系統(tǒng)的精確度，使模擬系統(tǒng)更接近真實(shí)生理情況。

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The Study of Simulation System for
Cardiopulmonary Bypass Cardiac Surgery

【W(wǎng)riters】Wei Tianjiao1, Hu Zhaoyan1,2,3, Chen Zhenglong3, Sun Chenglu1
1 College of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai, 200093
2 School of Medical Instrument and Food Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai, 200093
3 Department of Medical Device Engineering, Shanghai Medical Instrumentation College, Shanghai, 200093

cardiac surgery, cardiopulmonary bypass, perfusionist, simulation system, artifcial heart-lung machine

R654.2

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2014.05.008

1671-7104(2014)05-0341-04

2014-05-28

魏天嬌，E-mail: wtianj902@163.com

【 Abstract 】According to the clinical requirements of cardiopulmonary bypass surgery, this paper established a simulation system for cardiac surgery which consists of venous reservoir, variable balance chamber, blood suction bag, ventricle suction bag, resistance valves, pressure gauges and tubings. Using the proposed system, perfusionists can mimic the implementation of pre-established surgery strategy, predict various abnormal conditions in the operation, and accordingly take the urgent actions so as to improve the success rate of surgery and to ensure the safety of patients.