直接心室輔助裝置的研究進(jìn)展與趨勢

安大偉，楊明，許自豪，孟凡

上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 儀器科學(xué)與工程系，上海 200240

直接心室輔助裝置的研究進(jìn)展與趨勢

安大偉，楊明，許自豪，孟凡

上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 儀器科學(xué)與工程系，上海 200240

直接心室輔助裝置具有與血非接觸的特點(diǎn)，從根本上避免了血液感染、手術(shù)大創(chuàng)傷等問題，可用于心肺復(fù)蘇、心衰輔助等場合，有著重要的臨床研究意義。本文通過介紹直接心室輔助裝置的生理學(xué)意義及國內(nèi)外研究進(jìn)展，梳理了直接心室輔助裝置目前取得的主要研究成果及存在的問題，為該領(lǐng)域的進(jìn)一步研究提供了參考依據(jù)。

直接心室輔助；與血非接觸；心衰

0 前言

心血管疾病通常會(huì)導(dǎo)致心臟泵血功能下降及充血性心力衰竭。據(jù)2014年公布的數(shù)據(jù)表明，在美國每9例死亡證明中有1例提到心力衰竭，由于心力衰竭引起的死亡人數(shù)達(dá)279000人。同時(shí)，每10萬人中有235.5人死于心血管疾病，占死亡總?cè)藬?shù)的31.9%[1]。在中國，心血管疾病的患病率更呈上升趨勢，目前全國心血管病患者約2.7億，心力衰竭患者450萬。2013年農(nóng)村、城市的心血管疾病死亡率分別為293.69/105和259.40/105，高于腫瘤及其他疾病，居各種疾病之首[2]。心血管疾病及其引起的心力衰竭已是威脅人類生命的嚴(yán)重疾病。對于終末期心衰患者，藥物治療僅能暫時(shí)緩解心衰癥狀，并不能延長患者的存活時(shí)間；而心臟移植是應(yīng)對終末期心衰較為成功的治療手段[3]。然而，心臟供體不足的限制使得心臟移植手術(shù)無法得到有效開展。在這種背景下，機(jī)械式心輔助裝置的研發(fā)得到廣泛開展并成功應(yīng)用于臨床，為心肌功能恢復(fù)及心臟移植的過渡提供了有效的治療方法。

心室輔助裝置可分為與血接觸式及非與血接觸式[3]。與血接觸式心室輔助裝置通常為泵類輔助，在手術(shù)使用中需要在心尖及主動(dòng)脈上取孔插管，通過與自然心臟并聯(lián)以實(shí)現(xiàn)維持人體血液循環(huán)的功能。該類輔助裝置自20世紀(jì)70年代開始迅速發(fā)展，并應(yīng)用于臨床。然而由于其與血接觸的固有特性，使該類輔助裝置不可避免的面臨著血液破壞、氣栓、右心衰竭等一系列難以克服的問題；同時(shí)，由于需對心臟取孔插管的手術(shù)要求，也使得手術(shù)難度及危險(xiǎn)性增大，且不利于心肌功能的恢復(fù)。

1 直接心室輔助的生理學(xué)意義

心臟在直接心室輔助裝置的包裹下，心臟輸出量及泵血能力隨著外力對心外膜的同步擠壓而提升，通常用收縮末期壓力容積關(guān)系曲線（ESPVR）的斜率表示[4]。心衰時(shí)ESPVR的斜率較正常心臟小，心室收縮能力減弱，如圖1(a)所示。在直接心室輔助裝置的同步輔助下，ESPVR的斜率增大，心室收縮能力增強(qiáng)，如圖1(b)所示。同時(shí)，輔助后的壓力-容積環(huán)較輔助前位置左移、面積增大，血液動(dòng)力學(xué)指標(biāo)得到明顯改善。

圖1 壓力-容積環(huán)

在心室容積不變的情況下，心室收縮的強(qiáng)度也可通過心室壓力來表征。輔助后的心室壓力等于心肌收縮壓力與施加在心外膜上的壓力之和[5]。即：

其中，Pic表示心室內(nèi)壓力，Ptm表示心室跨壁壓，PDCC表示直接心室輔助裝置對心外膜施加的壓力。

2 國外研究進(jìn)展

直接心室輔助裝置產(chǎn)生于20世紀(jì)50年代，Bencini等[6]首次嘗試?yán)脵C(jī)械擠壓方法輔助心臟泵血。利用心包無彈性的特點(diǎn)，將導(dǎo)管引入心包腔，通過間歇性地?cái)D壓與導(dǎo)管另一端連接的氣囊來提高心臟的射血能力。然而這種方法會(huì)使心房同時(shí)受到擠壓。經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，研究者對不同結(jié)構(gòu)、不同驅(qū)動(dòng)方式、不同輔助方式的直接機(jī)械性心室致動(dòng)裝置進(jìn)行了研究與探索。

2.1 結(jié)構(gòu)形式

直接心室輔助裝置的結(jié)構(gòu)主要分為杯狀、袖口狀及帶狀。1965年，Anstadt等[7]設(shè)計(jì)了用于心肺復(fù)蘇術(shù)的杯狀心外膜擠壓裝置。其外殼為半剛性材料，內(nèi)層為硅膠隔膜，其上端套于房室溝處以避免裝置對心房的擠壓。在內(nèi)、外層中間區(qū)域引出導(dǎo)管連接氣壓驅(qū)動(dòng)設(shè)備來輔助心臟收縮和舒張。經(jīng)過廣泛的實(shí)驗(yàn)研究，1989年Anstadt輔助杯被批準(zhǔn)應(yīng)用于臨床。其第一例病人采用輔助杯進(jìn)行了56 h的心臟移植過渡且無并發(fā)癥，在移植后的一年跟蹤隨訪中，病人生存狀態(tài)良好[8]。

CardioSupport System[9]是一種被設(shè)計(jì)為袖口狀的直接心室輔助裝置。其袖口狀可膨脹部件圍繞在心尖至房室溝之間的部位，可以避免對心尖的擠壓。裝置通過在心尖位置處施加抽吸負(fù)壓使袖口緊貼在心臟表面，同時(shí)在袖口下端至心尖之間設(shè)計(jì)有縱肋以防止袖口膨脹部件的移動(dòng)。此外，裝置內(nèi)層薄膜上還包括2個(gè)電極，可以用于與心臟的心電同步和心臟電復(fù)律。其控制器可提供抽真空、充氣膨脹、心電監(jiān)測等功能，提供了心衰輔助及心肺復(fù)蘇2種模式。在心衰輔助模式下，裝置可以跟隨心電圖同步收縮；在心肺復(fù)蘇模式下，可以設(shè)置不同頻率使裝置按照所需頻率對心室擠壓。Williams等[9]對CardioSupport System進(jìn)行了臨床前研究，通過采用冠脈栓塞的方法來構(gòu)建動(dòng)物急性心衰模型，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明CardioSupport System可以明顯提高心臟輸出量和平均動(dòng)脈壓等血液動(dòng)力學(xué)參數(shù)。CardioSupport System進(jìn)行了7 d動(dòng)物實(shí)驗(yàn)沒有發(fā)現(xiàn)不良反應(yīng)。

EHAM[10]是一種帶狀直接心室輔助裝置。其塑膠外殼及聚氨酯薄膜部分連接其驅(qū)動(dòng)部分，通過正負(fù)壓力的變換來實(shí)現(xiàn)對心室的擠壓或增加心室充盈。因直接心室擠壓有可能影響冠脈循環(huán)，該裝置可對帶狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行松緊調(diào)整以避免對冠脈血流的影響。通過3 h的健康動(dòng)物急性實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了EHAM在血液動(dòng)力學(xué)及心肌組織灌注方面的輔助效果。

1.消除立場和利益的差異。外方監(jiān)督是法國人，認(rèn)為工期就是承諾，具有契約精神，雖然道路問題很嚴(yán)重，也要在總工期上保證按時(shí)完成，加之外方監(jiān)督坐飛機(jī)參加婚禮時(shí)間上的確定更加凸顯出外方人員對于時(shí)間的重視。我方項(xiàng)目經(jīng)理表現(xiàn)出對外國監(jiān)督文化背景的了解和深刻認(rèn)識(shí)，避免了分歧的擴(kuò)大化和更大矛盾的產(chǎn)生。

綜合對比以上三種不同結(jié)構(gòu)形式的直接心室輔助裝置，其區(qū)別見表1。

表1 結(jié)構(gòu)形式對比

2.2 驅(qū)動(dòng)形式

氣壓驅(qū)動(dòng)及液壓驅(qū)動(dòng)是目前直接心室輔助裝置的主要驅(qū)動(dòng)形式。Anstadt輔助杯及CardioSupport System均是采用氣壓致動(dòng)，而EHAM則是采用了液壓驅(qū)動(dòng)。此外，ABIOMED的Heart Booster[11]也是采用液壓驅(qū)動(dòng)的一種直接輔助裝置，其最大特點(diǎn)是容積放大，即用于薄壁管變形的液體容積較心室博出量要小的多。Heart Booster由圓周方向的一組薄壁管組成，當(dāng)薄壁管為橢圓形（接近于平面）時(shí)，Heart Booster周長變大，此時(shí)心室充盈；當(dāng)液體充滿薄壁管時(shí)，其變?yōu)閳A形，此時(shí)Heart Booster周長變小擠壓心室射血。Heart Booster已經(jīng)進(jìn)行了體外實(shí)驗(yàn)及小牛動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該輔助裝置可以使平均動(dòng)脈壓得到提升。然而Heart Booster不能與心肌表面良好貼合是該裝置仍需解決的問題。

2.3 控制方式

直接心室輔助裝置的控制方式分為異步控制及同步控制。直接心室輔助裝置產(chǎn)生之初，由于技術(shù)的限制，其主要通過異步控制用于心搏停止時(shí)的心肺復(fù)蘇手術(shù)。近20年來，同步輔助控制逐步成為主流，通過輔助裝置與心電同步，直接心室輔助裝置已廣泛開展起了同步控制的仿真實(shí)驗(yàn)、體外實(shí)驗(yàn)及動(dòng)物實(shí)驗(yàn)。

2.4 實(shí)驗(yàn)方法

對于一種新設(shè)計(jì)的直接心室輔助裝置，其實(shí)驗(yàn)方法通常分為仿真分析、體外模擬循環(huán)實(shí)驗(yàn)、動(dòng)物實(shí)驗(yàn)。而動(dòng)物實(shí)驗(yàn)又分為健康動(dòng)物急性實(shí)驗(yàn)、急性心衰實(shí)驗(yàn)及慢性心衰實(shí)驗(yàn)。健康動(dòng)物急性實(shí)驗(yàn)用于初步驗(yàn)證輔助裝置對血液動(dòng)力學(xué)參數(shù)的影響效果，是初期的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，如EHAM裝置所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。而急性心衰實(shí)驗(yàn)是初步驗(yàn)證輔助裝置對于心衰心臟輔助效果的一種快速有效的實(shí)驗(yàn)方法，其應(yīng)用最為廣泛。Anstadt輔助杯、CardioSupport System及Heart Booster均進(jìn)行了該類實(shí)驗(yàn)，然而該類方法無法驗(yàn)證直接心室輔助裝置對慢性心衰的輔助效果。2014年，McConnell等[12]首次應(yīng)用直接心室輔助裝置在慢性心衰模型上進(jìn)行了2 h的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在直接心室輔助裝置的支持下，血液動(dòng)力學(xué)參數(shù)及心臟輸出量得到了安全的輔助效果，在輔助后階段，左心室的收縮、舒張功能及心臟儲(chǔ)備功能均得以提升或保持。

3 國內(nèi)研究進(jìn)展

國內(nèi)對于直接心室輔助裝置的研究相對較少。2008年，李世陽等[4]建立了包含直接心室輔助的血液循環(huán)系統(tǒng)電網(wǎng)絡(luò)模型，對健康心臟、心力衰竭和直接心室輔助下的循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行了血液動(dòng)力學(xué)仿真分析。模擬了直接心室輔助裝置對心衰心臟的支持效果，為新型直接心室輔助裝置的設(shè)計(jì)、動(dòng)物實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作提供了直觀、方便的研究手段。循環(huán)系統(tǒng)電網(wǎng)絡(luò)模型如圖2所示。

圖2 包含直接心室輔助的循環(huán)系統(tǒng)電網(wǎng)絡(luò)模型

2011年，鄔順捷[13]、楊明等[14]設(shè)計(jì)了一種氣動(dòng)直接心室輔助裝置。輔助裝置由醫(yī)用硅膠制成，采用剛性外殼，可以防止氣體向外膨脹變形；內(nèi)膜由2個(gè)腔體構(gòu)成，可以對左右心室選擇性擠壓，避免兩心室承受同等壓力，對右心室造成不必要的損傷。其控制程序有標(biāo)準(zhǔn)及外部觸發(fā)2種模式，在標(biāo)準(zhǔn)模式下，裝置會(huì)根據(jù)設(shè)置的輔助頻率進(jìn)行心室輔助，便于體外模擬循環(huán)實(shí)驗(yàn)；在外部觸發(fā)模式下，通過外接ECG信號或血壓信號控制輔助頻率，適用于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)等場合。體外模擬循環(huán)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，應(yīng)用該裝置后主動(dòng)脈壓為94～120 mmHg，主動(dòng)脈流達(dá)5.9 L/min，滿足人體循環(huán)需求。其結(jié)構(gòu)及模擬循環(huán)系統(tǒng)如圖3所示。由于其硬質(zhì)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，在植入的過程中對胸腔創(chuàng)傷較大，且如何根據(jù)心臟大小調(diào)節(jié)貼合度也是存在的一個(gè)問題。

圖3 輔助杯和模擬循環(huán)系統(tǒng)

4 展望

直接心室輔助裝置遵從與血非接觸的設(shè)計(jì)原則直接對心室進(jìn)行擠壓輔助，有效避免了對血液的破壞，具有仿生學(xué)意義。同時(shí)，其在手術(shù)過程中，無需接入旁路循環(huán)系統(tǒng)，手術(shù)相對簡單易操作，適用于臨床急救。然而現(xiàn)有直接心室輔助裝置仍然存在有手術(shù)切口大、便攜性差、控制方式單一、動(dòng)物實(shí)驗(yàn)不充分等問題。因此，在未來的研究中，直接心室輔助裝置有以下5個(gè)方面亟待重點(diǎn)關(guān)注。

（1）柔性化設(shè)計(jì)：微創(chuàng)是外科手術(shù)的發(fā)展方向之一，杯狀輔助裝置采用剛性或半剛性外殼，其外形尺寸固定，手術(shù)創(chuàng)傷大，不利于術(shù)后恢復(fù)；而袖口狀、帶狀的直接心室輔助裝置采用柔性化設(shè)計(jì)，更便于進(jìn)行微創(chuàng)移植，減小手術(shù)對患者的創(chuàng)傷。因此，柔性化設(shè)計(jì)是直接心室輔助裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化的一個(gè)發(fā)展方向。

（2）便攜式設(shè)計(jì)：傳統(tǒng)直接心室輔助裝置多采用氣壓驅(qū)動(dòng)，然而由于空壓機(jī)、真空泵體積龐大，使得患者活動(dòng)范圍受限；而采用電動(dòng)液壓驅(qū)動(dòng)的方式則可以大大減小其驅(qū)動(dòng)設(shè)備體積，是開展直接心室輔助裝置便攜式設(shè)計(jì)的一種可行方案。

（3）生理控制：直接心室輔助裝置主要采用異步輔助或同步輔助方式來驗(yàn)證其血液動(dòng)力學(xué)參數(shù)的變化。然而隨著人工心臟的深入研究，心室輔助裝置的輔助水平需要根據(jù)循環(huán)系統(tǒng)的血液灌注需求進(jìn)行調(diào)整。因此，研究滿足血液灌注需求的生理控制策略是直接心室輔助裝置下一步研究的重要方向。

（4）動(dòng)物實(shí)驗(yàn)：為驗(yàn)證直接心室輔助裝置的輔助效果，多數(shù)研究者選擇了快速易行的急性心衰模型動(dòng)物實(shí)驗(yàn)；而對于慢性心衰模型動(dòng)物實(shí)驗(yàn)開展較少，這就限制了直接心室輔助裝置的應(yīng)用范圍。因此，驗(yàn)證直接心室輔助裝置在慢性心衰模型中的中長期動(dòng)物實(shí)驗(yàn)是推進(jìn)直接心室輔助裝置發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

（5）遠(yuǎn)程監(jiān)控：研發(fā)直接心室輔助裝置的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸及監(jiān)控系統(tǒng)，可以使心衰患者從院內(nèi)監(jiān)護(hù)擴(kuò)展到院外監(jiān)護(hù)，使患者在日常生活中被實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)、提前預(yù)警，從而提高其生存質(zhì)量。因此，開展直接心室輔助裝置的遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)是適應(yīng)現(xiàn)代醫(yī)療服務(wù)發(fā)展需求的重要選擇。

通過對以上幾個(gè)方面的關(guān)注研究，直接心室輔助裝置在心臟移植過渡、心肌功能恢復(fù)、臨床急救等領(lǐng)域?qū)?huì)有更廣闊的發(fā)展前景。

[1] Go AS,Mozaffarian D,Roger VL,et al.Heart Disease and Stroke Statistics-2014 Update:A Report From the American Heart Association[J].Circulation,2014,129(3):e28-e292.

[2] 陳偉偉,高潤霖,劉力生,等.《中國心血管病報(bào)告2014》概要[J].中國循環(huán)雜志,2015,(7):617-622.

[3] 楊明,臧旺福.直接心室輔助致動(dòng)方法的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)進(jìn)展,2008,29(1):37-41.

[4] 李世陽,楊明,李存岑,等.心力衰竭及其在直接心室輔助下的建模仿真研究[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),2008,(5):817-821.

[5] Oz MC,Artrip JH,Burkhoff D.Direct Cardiac Compression Devices[J].J Heart Lung Transpl,2002,21(10):1049-1055.

[6] 李衛(wèi)民.直接機(jī)械性心室輔助[J].實(shí)用心腦肺血管病雜志,2002 (2):111-114.

[7] Anstadt GL,Schiff P,Baue AE.Prolonged Circulatory Support by Direct Mechanical Ventricular Assistance[J].Transactions-American Society for Artifi cial Internal Organs,1966,12(1):72-81.

[8] Lowe JE,Anstadt MP.First Successful Bridge to Cardiac Transplantation Using Direct Mechanical Ventricular Actuation[J].Ann Thorac Surg,1991,52(6):1237-1245.

[9] Williams MR,Artrip JH.Direct Cardiac Compression for Cardiogenic Shock With the CardioSupport System[J].Ann Thorac Surg,2001,71(3S):S188-S189.

[10] Wang Q,Yambe T,Shiraishi Y,et al.Non-blood contacting electro-hydraulic artificial myocardium (EHAM) improves the myocardial tissue perfusion[J].Technology and Health Care,2005,13(4):229-234.

[11] Kung RT,Rosenberg M.Heart Booster:A Pericardial Support Device[J].Ann Thorac Surg,1999,68(2):764-767.

[12] Mcconnell PI,Anstadt MP,Del Rio CL,et al.Cardiac Function After Acute Support With Direct Mechanical Ventricular Actuation in Chronic Heart Failure[J].ASAIO J,2014,60(6):701-706.

[13] 鄔順捷,楊明,黃歡,等.一種非血液接觸式氣動(dòng)心室輔助裝置的設(shè)計(jì)及體外測試[J].中國醫(yī)療器械雜志,2011,(6):398-401.

[14] 廖火根,楊明,莊曉奇,等.心電QRS波檢測與心室輔助裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志,2013,(3):617-622.

Research Progress and Prospect of Direct Cardiac Compression Devices

AN Da-wei, YANG Ming, XU Zi-hao, MENG Fan
Department of Instrument Science and Engineering, School of Electronic Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China

Direct cardiac compression devices can be used to prevent blood stream infection and surgical trauma because the device is non-blood contacting and could be used for cardiopulmonary resuscitation and heart failure support. This paper reviews the physiological signifi cance of direct cardiac compression devices and the research progress on this topic both at home and abroad, also introduces the major achievements and problems existing in current research, and thus provides the reference basis for future research in this fi eld.

direct cardiac compression; non-blood contacting; heart failure

TP273

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.01.007

1674-1633(2016)01-0031-04

2015-10-17

2015-12-21

國家自然科學(xué)基金（No. 81027001，81571831）；上海醫(yī)療器械科技支撐項(xiàng)目（No. 14441900500)。

楊明，教授，博士生導(dǎo)師。

通訊作者郵箱：myang@sjtu.edu.cn