離心泵驅(qū)動閉式體外循環(huán)系統(tǒng)的工作效率研究

閆姝潔，李勇男，劉 剛，滕 媛，劉銘月，李景文，吉冰洋，樓 松

·基礎(chǔ)研究·

離心泵驅(qū)動閉式體外循環(huán)系統(tǒng)的工作效率研究

閆姝潔，李勇男，劉 剛，滕 媛，劉銘月，李景文，吉冰洋，樓 松

目的建立離體離心泵驅(qū)動閉式體外循環(huán)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究模型，研究離心泵工作效率影響因素。比較ROTAFLOW(MAQUET)和Revolution 5(SORIN)離心泵的工作效率。方法建立離體離心泵驅(qū)動閉式體外循環(huán)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究模型，以生理鹽水作為研究介質(zhì)，于模擬不同靜脈回流及泵后阻力條件下，分別采用ROTAFLOW和Revolution 5離心泵進(jìn)行轉(zhuǎn)流，記錄離心泵轉(zhuǎn)速、流量、工作效率(即流量轉(zhuǎn)速比值)、泵前壓力、泵后壓力，并繪制上述變量相關(guān)曲線。結(jié)果離心泵流量與轉(zhuǎn)速呈線性正相關(guān)，工作效率與轉(zhuǎn)速正相關(guān)。ROTAFLOW工作效率低于Revolution 5。固定轉(zhuǎn)速時(shí)，離心泵流量及工作效率與泵后壓力呈負(fù)相關(guān)，與泵前負(fù)壓值呈負(fù)相關(guān)。結(jié)論離心泵工作效率受離心泵結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)速、離心泵前壓力及泵后壓力的影響。離體條件下，Revolution 5離心泵工作效率高于ROTAFLOW。

閉式體外循環(huán)系統(tǒng)；體外膜肺氧合；離心泵；離體研究

體外生命支持技術(shù)(extracorporeal life support，ECLS)或體外膜肺氧合(extracorporeal membrane oxygenation，ECMO)技術(shù)是對嚴(yán)重循環(huán)和(或)呼吸功能衰竭患者的重要的支持治療手段，通常用于傳統(tǒng)治療方法失敗的患者。使患者循環(huán)及呼吸系統(tǒng)得到充分休息，減緩疾病進(jìn)程，為心肺功能恢復(fù)贏取時(shí)間[1]。

隨著ECMO技術(shù)的革新，血液驅(qū)動泵已經(jīng)由滾壓泵逐漸發(fā)展至磁浮離心泵[2]，并已得到普遍應(yīng)用。而且越來越多的中心開始采用離心泵驅(qū)動的閉式體外循環(huán)管路，以期降低預(yù)充量。阜外醫(yī)院目前使用Jostra ROTAFLOW(MAQUET公司，德國)和Revolution 5(SORIN公司，意大利)兩種離心泵。ECMO運(yùn)行期間，離心泵高速運(yùn)轉(zhuǎn)，泵頭圓心中央部形成負(fù)壓,使泵前靜脈端血液回流;圓周部形成正壓，驅(qū)動血液流動，產(chǎn)生流量，并克服機(jī)體動脈或靜脈端壓力將血流泵入體內(nèi)[2]。離心泵流量與轉(zhuǎn)速的比值代表離心泵每一轉(zhuǎn)可產(chǎn)生的流量，筆者認(rèn)為該值反映了離心泵的工作效率。本研究將通過建立離體閉合式體外循環(huán)系統(tǒng)，研究離心泵轉(zhuǎn)速、流量、泵前壓力、泵后壓力、流量轉(zhuǎn)速比值之間的關(guān)系，并比較ROTAFLOW和Revolution 5兩種離心泵的動力學(xué)特性及工作效率。本研究無商業(yè)資助，與研究中涉及產(chǎn)品無利益相關(guān)。

1 資料與方法

1.1離體閉合式體外循環(huán)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒?實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?/8管路(PLS管路，MAQUET公司)、膜式氧合器(PLS-i氧合器，MAQUET公司)、離心泵及控制器(ROTAFLOW離心泵及控制器，MAQUET公司；Revolution 5離心泵及控制器，SORIN公司)、儲血罐(模擬假人)及 F24動脈插管(上海祥盛醫(yī)療器械公司)構(gòu)成。并于離心泵前后設(shè)置壓力監(jiān)測(壓力傳感器，美國血液技術(shù)公司)及可調(diào)控管道變徑鉗(圖1)。通過變徑鉗可調(diào)節(jié)離心泵前后管路阻力以模擬不同靜脈回流情況及泵后阻力。

系統(tǒng)采用2 000 ml生理鹽水預(yù)充，其中管路內(nèi)約600 ml，儲血罐內(nèi)1 400 ml。維持每次實(shí)驗(yàn)儲血罐(模擬假人)、離心泵及測壓傳感器高度一致。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì) 在離體閉合式體外循環(huán)系統(tǒng)研究模型基礎(chǔ)上，分別使用ROTAFLOW離心泵及Revolution 5離心泵完成下述實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)三次，記錄數(shù)據(jù)取均值。

1.2.1每組模擬閉合式體外循環(huán)系統(tǒng)理想狀況，泵前靜脈充分回流，泵后管路通暢(離心泵前后管路未夾變徑鉗)。離心泵轉(zhuǎn)速從1 000 rpm起每100 rpm遞增至 4 000 rpm(考慮到臨床中，成人ECMO或體外循環(huán)期間，離心泵轉(zhuǎn)速極少低于1 500 rpm，試驗(yàn)最低轉(zhuǎn)速設(shè)置為1 000 rpm)，記錄該轉(zhuǎn)速下離心泵所產(chǎn)生的流量、流量轉(zhuǎn)速比值、離心泵前、泵后壓力，繪制兩種離心泵的轉(zhuǎn)速-流量、轉(zhuǎn)速-流量轉(zhuǎn)速比、轉(zhuǎn)速-泵前壓力、轉(zhuǎn)速-泵后壓力關(guān)系圖。

1.2.2模擬離心泵梯度泵后阻力情況，保證靜脈充分回流(通過離心泵泵后管路變徑，建立泵后壓力梯度，泵前管路未夾變徑鉗)，離心泵轉(zhuǎn)速分別設(shè)為1 500 rpm，2 000 rpm，2 500 rpm，3 000 rpm，3 500 rpm，4 000 rpm，記錄不同轉(zhuǎn)速下離心泵所產(chǎn)生的流量及流量轉(zhuǎn)速比，繪制兩種離心泵不同轉(zhuǎn)速下的泵后壓力-流量、泵后壓力-流量轉(zhuǎn)速比關(guān)系圖。

1.2.3模擬離心泵泵前梯度靜脈回流情況，保證泵后管路通暢(離心泵泵后管路變徑，建立泵前負(fù)壓梯度，泵前管路未夾變徑鉗)，離心泵轉(zhuǎn)速分別設(shè)為1 500 rpm，2 000 rpm，2 500 rpm，3 000 rpm，3 500 rpm，4 000 rpm，記錄不同轉(zhuǎn)速下離心泵所產(chǎn)生的流量及流量轉(zhuǎn)速比，繪制兩種離心泵不同轉(zhuǎn)速下的泵前壓力-流量、泵前壓力-流量轉(zhuǎn)速比關(guān)系圖。

1.3統(tǒng)計(jì)方法 統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS 22軟件，繪制離心泵轉(zhuǎn)速、流量、泵前壓力、泵后壓力關(guān)系曲線。對符合線性關(guān)系的變量關(guān)系作線性擬合方程，得到擬合系數(shù)R2，R2>0.9則認(rèn)為線性擬合度良好。

圖1 閉式體外循環(huán)系統(tǒng)模擬系統(tǒng)管路設(shè)計(jì)

2 結(jié) 果

2.1理想狀況模擬結(jié)果 理想狀況下(保證泵前靜脈充分回流，泵后管路通暢)，閉合式體外循環(huán)系統(tǒng)離心泵流量與轉(zhuǎn)速呈線性正相關(guān)(圖2-B)，擬合線性方程，Revolution 5：流量=2.5844×轉(zhuǎn)速-670.62，R2=0.99997，ROTAFLOW：流量=1.8304×轉(zhuǎn)速-493.75，R2=0.9997。在研究范圍內(nèi)，相同轉(zhuǎn)速下，Revolution 5 離心泵所產(chǎn)的流量大于ROTAFLOW。

離心泵流量轉(zhuǎn)速比值代表離心泵每一轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的流量，該比值隨離心泵轉(zhuǎn)速增加而增大，并趨向于最大值(離心泵達(dá)最大轉(zhuǎn)速時(shí))(圖2-A)。

Revolution 5流量轉(zhuǎn)速比=2.5844～670.62/轉(zhuǎn)速，當(dāng)轉(zhuǎn)速1 500～3 500 rpm，該比值為2.1～2.4 ml/r,最大值為2.40 ml/r(最大轉(zhuǎn)速3 500 rpm)，ROTAFLOW流量轉(zhuǎn)速比=1.8304～493.75/轉(zhuǎn)速，當(dāng)轉(zhuǎn)速1 500～3 500 rpm，該比值為1.5～1.7 ml/r，最大值為1.73 ml/r(最大轉(zhuǎn)速5 000 rpm)，Revolution 5流量轉(zhuǎn)速比值明顯高于ROTAFLOW。

隨著離心泵轉(zhuǎn)速提高，離心泵泵前負(fù)壓值增大，泵后壓力增大。相同轉(zhuǎn)速下，Revolution 5 離心泵對應(yīng)的泵前負(fù)壓值、泵后壓力高于ROTAFLOW(圖2-C，圖2-D)。當(dāng)離心泵轉(zhuǎn)速為3 000 rpm時(shí)，Revolution 5泵前負(fù)壓值為-194 mm Hg，泵后壓力值為261 mm Hg，ROTAFLOW泵前負(fù)壓值為-81 mm Hg，泵后壓力為126 mm Hg。兩種離心泵呈現(xiàn)基本相同的流量-泵后壓力、流量-泵前壓力曲線關(guān)系(圖2-E，圖2-F)，離心泵流量分別與泵前負(fù)壓值和泵后壓力正相關(guān)。

2.2離心泵泵后壓力梯度、泵前負(fù)壓值梯度模擬結(jié)果 在保證泵前管路回流充分條件下。相同轉(zhuǎn)速下，隨著泵后阻力增大(體現(xiàn)于泵后壓力增大)，Revolution 5和ROTAFLOW離心泵所產(chǎn)生的流量均減少，流量轉(zhuǎn)速比值減小(圖3)。泵后管路通暢條件下，隨著泵前回流效果變差(表現(xiàn)為泵前負(fù)壓值增大)，兩種離心泵所產(chǎn)生的流量減少，流量轉(zhuǎn)速比值減小(圖4)。

在低轉(zhuǎn)速時(shí)，流量-泵前壓力曲線、流量-泵后壓力曲線、流量轉(zhuǎn)速比-泵前壓力曲線、流量轉(zhuǎn)速比-泵后壓力曲線斜率更大，即表示低轉(zhuǎn)速時(shí)，離心泵流量變化和流量轉(zhuǎn)速比值對泵后阻力、泵前負(fù)壓值更敏感。

圖2 理想狀態(tài)離心泵轉(zhuǎn)速、流量、流量轉(zhuǎn)速比、泵前后壓力關(guān)系圖

圖3 泵前回流情況梯度變化，泵后壓力-流量、流量轉(zhuǎn)速比關(guān)系圖

圖4 泵后阻力梯度變化，泵后壓力-流量、流量轉(zhuǎn)速比關(guān)系圖

3 討 論

評價(jià)離心泵的關(guān)鍵性能為生物相容性(即降低血液破壞和血栓形成)[3-5]，另外需考慮工作效率、安全性、使用時(shí)限及操作便捷性。筆者認(rèn)為離心泵流量與轉(zhuǎn)速比值，即離心泵每一轉(zhuǎn)可產(chǎn)生的流量，反映了離心泵的工作效率。離心泵高轉(zhuǎn)速條件下會產(chǎn)生高剪切力環(huán)境。近幾年的研究表明高剪切力環(huán)境與獲得性Von Willebrand綜合征相關(guān)，是導(dǎo)致ECMO期間出血的重要機(jī)制之一[5-6]。此外，離心泵的高轉(zhuǎn)速還是ECMO游離血紅蛋白增加的獨(dú)立危險(xiǎn)因素，與患者不良預(yù)后相關(guān)[7]。由此，筆者推測優(yōu)化離心泵的工作效率可能會減輕ECMO期間離心泵相關(guān)的血液破壞及出血并發(fā)癥發(fā)生率。

本研究比較了ROTAFLOW和Revolution 5離心泵的工作效率。在保證泵前靜脈充分回流、泵后管路通暢的理想情況下，使用生理鹽水為研究介質(zhì)時(shí)，Revolution 5離心泵工作效率更高。ROTAFLOW 和Revolution 5 均為磁力驅(qū)動離心泵。驅(qū)動器通過磁力耦合傳動，驅(qū)動離心泵泵頭內(nèi)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)。ROTAFLOW離心泵采用單點(diǎn)軸承設(shè)計(jì)，以減少摩擦力。而Revolution 5 離心泵則采用無軸封低摩擦力的軸承設(shè)計(jì)。此外，磁力驅(qū)動離心泵還包括磁懸浮離心泵。電動機(jī)帶動外磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，形成磁場帶動與葉輪或軸承內(nèi)部內(nèi)磁轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了動力的無接觸傳遞[8]。當(dāng)離心泵內(nèi)葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉輪同時(shí)受內(nèi)外磁場的相互作用磁力以及液體流動產(chǎn)生的流體力共同作用，當(dāng)作用力互相平衡時(shí)，葉輪即可達(dá)到懸浮，可極大減輕葉輪轉(zhuǎn)動時(shí)的摩擦力，是磁浮離心泵工作效率增高的關(guān)鍵[9-11]。筆者推測兩者工作效率的差異可能與兩種離心泵葉輪所受磁場力及流體力的差異有關(guān)。

離心泵的工作效率與轉(zhuǎn)速相關(guān)，在高轉(zhuǎn)速條件下離心泵表現(xiàn)出更為出色的工作效率。在2 200 rpm以上時(shí)，理想狀態(tài)下，Revolution 5 和ROTAFLOW離心泵的工作效率均可達(dá)到最大值的95%以上，而在低轉(zhuǎn)速時(shí)離心泵工作效率較低。

除了離心泵本身的結(jié)構(gòu)及特性外，不容忽視的是，離心泵的工作效率也與離心泵泵前泵后壓力息息相關(guān)。本研究結(jié)果顯示，離心泵泵后阻力增大(體現(xiàn)于泵后壓力增大)或者泵前靜脈回流不暢(體現(xiàn)于泵前負(fù)壓值增大)時(shí)，Revolution 5和ROTAFLOW離心泵所產(chǎn)生的流量均減少，流量轉(zhuǎn)速比值減小。在臨床工作中，泵后阻力增大的情況見于患者外周血管阻力增大、高血壓、泵后管路扭折、動脈插管位置不佳與膜式氧合器內(nèi)血栓形成。泵前負(fù)壓值增大回流不暢的情況見于患者有效循環(huán)血容量不足、靜脈插管位置不佳、泵前管路扭折[12]。可以通過流量轉(zhuǎn)速比值來判斷是否存在靜脈回流不暢或泵后阻力增大的問題，并通過調(diào)節(jié)插管位置、排除管路扭折、膜肺血栓形成、增加有效循環(huán)血量、適當(dāng)降低患者外周血管阻力以使離心泵達(dá)到更為理想的工作效率，可能可以減輕高剪切力帶來的并發(fā)癥。

值得一提的是，在低轉(zhuǎn)速低流量時(shí)，離心泵流量變化和流量轉(zhuǎn)速比值對泵后阻力、泵前負(fù)壓值更敏感。在ECMO運(yùn)行后期，隨著患者心功能逐漸恢復(fù)，ECMO所需提供流量將減少，即可降低轉(zhuǎn)速，此時(shí)泵后泵前壓力的變化可能引起較大的流量變化，此時(shí)更應(yīng)該嚴(yán)密觀察離心泵的流量變化，避免流量大幅波動。

本研究存在一定局限性。本研究采用生理鹽水作為模擬離心泵驅(qū)動閉式體外循環(huán)系統(tǒng)的研究介質(zhì)，而血液是一種黏滯度高的非牛頓液體，其流變特性與水不同，進(jìn)一步研究可以以血液為研究介質(zhì)對上述結(jié)果驗(yàn)證。

4 結(jié) 論

離心泵的工作效率同時(shí)受離心泵本身結(jié)構(gòu)特性、轉(zhuǎn)速、離心泵前后壓力共同決定。臨床工作中可通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速、泵前壓力、泵后壓力使離心泵達(dá)到最優(yōu)工作效率，可能將減輕離心泵高剪切力引起的并發(fā)癥。本研究建立了離心泵驅(qū)動閉式體外循環(huán)系統(tǒng)研究平臺，當(dāng)以生理鹽水為研究介質(zhì)的離體模型中，Revolution 5 的工作效率高于ROTAFLOW。

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Efficiencyofcentrifugalpumpinclosedextracorporealcirculationmodel:aninvitrostudy

Yan Shu-jie, Li Yong-nan, Liu Gang, Teng Yuan, Liu Ming-yue, Li Jing-wen, Ji Bing-yang, Lou Song

DepartmentofExtracorporealCirculation,FuwaiHospital,NationalCenterforCardiovascularDiseases,ChineseAcademyofMedicalSciencesandPekingUnionMedicalCollege,Beijing100037,China

LouSong,E-mail:lousongfw@163.com

ObjectiveTo investigate factors influencing centrifugal pump efficiency in closed extracorporeal circulation model and to compare pump efficiency between MAQUET ROTAFLOW and SORIN Revolution 5.MethodsCentrifugal pump speed, pump flow, flow/speed ratio, inlet and outlet pressure were recorded under different afterload and preload conditions with an in vitro saline closed extracorporeal circulation system model. The correlation curves between these variables were plotted.ResultsCentrifugal flow had a significant positive linear correlation with pump speed. Compared with Revolution 5, ROTAFLOW had a lower pump flow/speed ratio. Centrifugal pump flow and flow/speed ratio were inversely correlated with both inlet negative pressure and outlet pressure at any fixed pump speed.ConclusionCentrifugal pump efficiency is determined by pump design, pump speed, inlet and outlet pressure.Revolution 5 has better efficiency than ROTAFLOW.

Closed extracorporeal circulation system; Extracorporeal membrane oxygenation; Centrifugal blood pump; In vitro study

10.13498/j.cnki.chin.j.ecc.2017.04.13

100037 北京,中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院,北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院,國家心血管病中心,阜外醫(yī)院體外循環(huán)科

樓松,E-mail,lousongfw@163.com

2017-03-30)

2017-05-05)