離體肺臟機(jī)械灌注設(shè)備一體式耗材的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與功能驗(yàn)證

劉強(qiáng)，盧艷

廣東順德工業(yè)設(shè)計(jì)研究院·廣東順德創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究院 （廣東佛山 528311）

離體肺臟機(jī)械灌注是一種通過體外肺通氣和肺灌注來保存、評估和調(diào)節(jié)肺功能的新技術(shù)[1]。該技術(shù)的主要原理為，在獲取肺臟后，將其血管和氣管連接至器官機(jī)械灌注系統(tǒng)，系統(tǒng)在肺臟修復(fù)階段將灌流液持續(xù)灌注至離體肺臟，同時(shí)向其供給氧氣及混合氣等，使其保持在接近生理?xiàng)l件。該技術(shù)的提出為解決邊緣供體肺臟的臨床應(yīng)用及器官短缺問題提供了新思路，有望提高供肺利用率并改善供肺質(zhì)量，促進(jìn)肺移植的發(fā)展[2-6]。

目前，國內(nèi)外有多個(gè)研發(fā)團(tuán)隊(duì)致力于肺臟機(jī)械灌注系統(tǒng)的研發(fā)，但僅少數(shù)實(shí)現(xiàn)了臨床試用或應(yīng)用。就行業(yè)生態(tài)環(huán)境而言，相關(guān)產(chǎn)品仍比較單一。國際上現(xiàn)有的肺臟機(jī)械灌注系統(tǒng)主要包括XVIVO 常溫機(jī)械灌注系統(tǒng)及常溫肺臟機(jī)械灌注系統(tǒng)TransMedics[Organ Care Systems（OSCTMLung System）,North Andover, MA, US]，以上兩個(gè)系統(tǒng)均采用閉環(huán)式循環(huán)回路設(shè)計(jì)方案，且均屬于常溫（37 ℃）灌注系統(tǒng)[7]；但前者采用的是雙循環(huán)回路，灌注液由肺動脈流入，并經(jīng)肺靜脈流出至儲液器（圖1），后者采用的是單條肺臟灌注管路，主要通過單離心泵單膜肺將灌注液輸送至肺動脈（圖2）。XVIVO 常溫機(jī)械灌注系統(tǒng)能夠起到灌注和修復(fù)肺臟的功能，但其耗材管路設(shè)計(jì)得較為分散，占用空間大，導(dǎo)致使用前安裝操作煩瑣，且不利于對實(shí)驗(yàn)耗材進(jìn)行無菌處理。OSCTMLung System 主要用于離體肺臟的轉(zhuǎn)運(yùn)，無法進(jìn)行長時(shí)間的灌注和肺臟修復(fù)。基于此，本研究設(shè)計(jì)了離體肺臟機(jī)械灌注設(shè)備一體式耗材，其采用開環(huán)式雙循環(huán)回路設(shè)計(jì)，且與一次性套包集成為一體，占用空間小，安裝方便，操作簡單，便于耗材的整體滅菌，適用于常溫離體肺臟機(jī)械灌注模式。

圖1 XVIVO 常溫機(jī)械灌注系統(tǒng)

圖2 OSCTM 肺系統(tǒng)

1 設(shè)計(jì)背景

截至目前，關(guān)于離體肺臟機(jī)械灌注的研究均使用單個(gè)供血系統(tǒng)進(jìn)行血液灌注；在循環(huán)管路設(shè)計(jì)方面，涉及開環(huán)式循環(huán)回路和閉環(huán)式循環(huán)回路兩種。本設(shè)計(jì)供血系統(tǒng)采用開環(huán)式循環(huán)灌注，即灌注液從肺動脈進(jìn)入血管，再從肺靜脈流入儲液罐；為了維持離體肺臟的生理?xiàng)l件，需要通過實(shí)時(shí)監(jiān)控灌注系統(tǒng)的壓力、流量、溫度、pH、血氧飽和度等指標(biāo)來調(diào)節(jié)氧氣、混合氣以及營養(yǎng)物質(zhì)的供應(yīng)量；此外，由于離體肺臟的常溫機(jī)械灌注至少維持在4 h 以上，因此在灌注過程中需要通過灌注系統(tǒng)持續(xù)補(bǔ)充新陳代謝所需的營養(yǎng)物和提供相應(yīng)的氧氣；同時(shí)，灌注液系統(tǒng)也需通過不斷地過濾和濾過排除有害物質(zhì)，來防止肺臟代謝有害物質(zhì)進(jìn)入肺臟以及在灌注系統(tǒng)中積累。

綜上，本設(shè)計(jì)的離體肺臟機(jī)械灌注設(shè)備一體式耗材結(jié)構(gòu)由雙循環(huán)管路系統(tǒng)和一次性套包兩部分組成。

2 雙循環(huán)管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

雙循環(huán)管路系統(tǒng)分為主循環(huán)管路和濾過循環(huán)管路。其中，主循環(huán)管路主要負(fù)責(zé)營養(yǎng)物質(zhì)的輸送，以保證離體肺臟所需的生理?xiàng)l件；濾過循環(huán)管路主要負(fù)責(zé)有害物質(zhì)的排除，以保證灌注液的有效性，避免有害物質(zhì)對肺臟造成傷害。具體肺臟機(jī)械灌注循環(huán)系統(tǒng)路線設(shè)計(jì)（專利號：CN212753970U）見圖3。

圖3 肺臟機(jī)械灌注循環(huán)系統(tǒng)路線設(shè)計(jì)圖

2.1 主循環(huán)管路

主循環(huán)管路主要由離心泵、微栓過濾器、膜肺、單向閥、PVC 管、接頭以及傳感器等組成。在離體肺臟的灌注過程中，由于離心泵對血液和大分子物質(zhì)的破壞較小，且能夠提供恒定的流量，故選用其作為動力部件。由離心泵為灌注液流動提供動力，液體通過微栓過濾器排除大分子有害物質(zhì)，再由膜肺提供肺臟所需的氧氣、氮?dú)獾葰怏w，最終流入肺動脈；由于該灌注為攜氧灌注，故灌注系統(tǒng)中需要氧合器、呼吸機(jī)來實(shí)現(xiàn)離體肺臟對氧氣、氮?dú)獾葰怏w的需求。在灌注過程中，可采用恒流控制模式和恒壓控制模式，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行數(shù)據(jù)設(shè)定，并通過流量傳感器以及壓力傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控和信號反饋，配合離心泵進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)；此外，可通過溫度傳感器進(jìn)行溫度監(jiān)控，以保證灌注液溫度符合生理要求。

2.2 濾過循環(huán)管路

濾過循環(huán)管路主要由蠕動泵Ⅰ、白細(xì)胞過濾器、血液濾過器、蠕動泵Ⅱ、pH 在線監(jiān)測儀、廢液袋、接頭以及PVC 管等組成。由蠕動泵為濾過循環(huán)管路提供動力，并通過白細(xì)胞過濾器和血液透析器來過濾和濾過，將灌注循環(huán)管路中的血栓和有害細(xì)胞類物質(zhì)排除，以防止其損傷肺臟。

需要注意的是，在灌注過程中，蠕動泵Ⅱ?qū)⒂泻ξ镔|(zhì)排除會導(dǎo)致灌注液體量下降，需通過補(bǔ)液袋、開關(guān)閥和液位傳感器進(jìn)行液位調(diào)節(jié)，以確保灌注液體量維持在同一標(biāo)準(zhǔn)，并通過液位調(diào)節(jié)隨時(shí)補(bǔ)充、添加所需的營養(yǎng)物質(zhì)。

3 一次性套包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于循環(huán)管路系統(tǒng)比較復(fù)雜，為避免實(shí)驗(yàn)或臨床使用時(shí)的二次組裝以及因二次組裝產(chǎn)生的污染，本設(shè)計(jì)的一次性套包（專利號：CN111937860B）結(jié)合了該管路系統(tǒng)的特點(diǎn)，將管路系統(tǒng)集成在其中，以便于在使用時(shí)拆開包裝，即可將該管路系統(tǒng)和一次性套包整體直接安裝到設(shè)備上。套包結(jié)構(gòu)主要包括耗材外殼、肺容器、夾具等，整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見圖4。

圖4 肺臟機(jī)械灌注套包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

整個(gè)耗材的一體性設(shè)計(jì)不僅便于臨床醫(yī)務(wù)人員在使用時(shí)快速拆裝，避免污染風(fēng)險(xiǎn)，還可保證科研實(shí)驗(yàn)條件的一致性。在將耗材安裝于主機(jī)上時(shí)，僅需離心泵頭卡在離心泵驅(qū)動器上，以及過濾管路和排液管路安裝在蠕動泵驅(qū)動器上，同時(shí)用管路將耗材的進(jìn)、出水口與恒溫水箱對應(yīng)接口連通即可，見圖5。

圖5 一體式耗材安裝示意圖

4 豬肺實(shí)驗(yàn)

為了評估離體肺臟機(jī)械灌注設(shè)備一體式耗材的灌注性能，在同等條件下進(jìn)行了3次生理狀況相似的巴馬香豬（廣州市白云區(qū)江高文毅實(shí)驗(yàn)養(yǎng)殖廠）豬肺常溫離體機(jī)械灌注實(shí)驗(yàn)，并于實(shí)驗(yàn)過程中對不同灌注時(shí)間的肺氧合指數(shù)、肺順應(yīng)性、肺動脈壓力、泵速及流量等數(shù)據(jù)進(jìn)行了監(jiān)控和采集，且采用SPSS 13.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析，以設(shè)備測試值來顯示測量數(shù)值，結(jié)果顯示，經(jīng)單因數(shù)方差分析和Dunnett-t檢驗(yàn)，不同灌注時(shí)間的數(shù)據(jù)差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），證實(shí)了灌注性能的一致性，見表1～3。

表1 不同時(shí)間點(diǎn)的血?dú)夂头喂δ苤笜?biāo)（第1次實(shí)驗(yàn)）

表2 不同時(shí)間點(diǎn)的血?dú)夂头喂δ苤笜?biāo)（第2次實(shí)驗(yàn)）

表3 不同時(shí)間點(diǎn)的血?dú)夂头喂δ苤笜?biāo)（第3次實(shí)驗(yàn)）

根據(jù)供肺標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)肺氧合指數(shù)＞300 mmHg[8-9]、肺動脈壓力≤15 mmHg[10-11]時(shí)可用于移植。由表1～3可知，肺氧合指數(shù)和肺動脈壓力均在可移植的范圍內(nèi)，表明該實(shí)驗(yàn)結(jié)果是有效的。經(jīng)對表1～3的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，發(fā)現(xiàn)肺氧合指數(shù)的P＜0.05，肺順應(yīng)性、肺動脈壓力、泵速、流量的P＞0.05。分析其原因在于，氧合指數(shù)為動脈血氧分壓與吸入氧濃度的比值，由于每個(gè)離體肺臟都有一定的生理差別，故實(shí)驗(yàn)對應(yīng)因素的參數(shù)也會存在誤差。上述3次實(shí)驗(yàn)的肺氧合指數(shù)的最大波動范圍在8%以內(nèi)，參數(shù)波動較小，表明使用本設(shè)計(jì)的一次性耗材套包進(jìn)行灌注實(shí)驗(yàn)，其性能穩(wěn)定。

5 小結(jié)

本設(shè)計(jì)的一體式耗材結(jié)構(gòu)簡單，拆裝方便，且一體式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)避免了安裝時(shí)的二次污染；通過3次生理狀況相似的豬肺離體機(jī)械灌注實(shí)驗(yàn)表明，該一體式耗材性能穩(wěn)定可靠，滿足離體肺臟的常溫灌注實(shí)驗(yàn)要求；此外，該耗材拆開即可使用，無須再次組裝，降低了實(shí)驗(yàn)難度，提高了實(shí)驗(yàn)效率。