人工心脏电动叶轮血泵动物试验及临床试用*
作者：钱坤喜1 曾 培1 茹为民1 袁海宇1 郑 铭1 陈锁成2
单位：1(江苏理工大学，镇江 212013)；2(江苏镇江市一院，镇江 212002)
关键词：叶轮血泵；左心室辅助；双心室辅助；动物试验；临床试用
生物医学工程学杂志980304 内容摘要 研制的叶轮血泵在动物小公牛身上做左心室辅助存活试验，其中三头牛存活约2个月，血液生化检测表明，动物血液成分及器官功能均未有显著改变，在此基础上叶轮血泵被用来抢救一名患法乐氏三联症幼儿，在心脏直视手术后三次脱不开心肺机的情况下，用叶轮血泵作双心室辅助43小时，血泵工作始终正常。
The Animal Experiments and Clinical Trial of
, 百拇医药
Impeller Pump Used as Left Ventricular or
Biventricular Assist Device
Qian Kunxi Zeng Pei Ru Weimin Yuan Haiyu Zheng Ming
(Jiangsu Uni of Sci & Tech,Zhenjiang 212013)
Abstract The authors′ impeller pump as a left ventricular or biventricular assist device was evaluated in animal experiments and clinical trial. Three calves survived over 6 weeks in left ventricular assist experiments and neither blood damage nor organ dysfunction of the animals was detected. In clinical trial, the pump supported both the greater and lesser circulation of a 6-year-old child with trilogy of Fallot and low output syndrome after open heart surgery. In 43 hours the pump worked properly. The pump weighing 240g can perform either in pulsatile or in nonpulsatile mode. In pulsatile pumping, the impeller changes its rotating speed periodically by introducing a square wave form voltage into the motor coil.
, 百拇医药
Key words Impeller pump Left ventricular assist Biventricular assist Animal experiments Clinical trial
用心室辅助装置抢救心脏衰竭病人在国外早已成为医疗常规，存活率由80年代初的20%左右上升至90年代的50%以上[1～3]。国内因没有国产商品化的心室辅助装置，从国外进口又因价格昂贵普通病人不堪承担费用，该项工作尚未展开，许多病人在使用IABP失效后，不得不放弃治疗。
作者研制的离心型人工心脏电动叶轮血泵，在动物试验中已经能稳定地维持血液循环二个月左右，初步具备了中、长期动物试验及短期临床试用的条件[4，5]。本文报道三次存活超过6周的动物试验及一次临床试用的情况，供国内广大心脏外科医师参考。
1 叶轮血泵
, 百拇医药
与传统的隔膜型血泵不同，叶轮血泵模拟自然心室的功能，而不是模仿自然心脏泵血的机理和结构。在叶轮血泵内，血液的输送靠叶轮带动血液旋转产生离心力来实现，因此叶轮血泵也称作离心血泵。尽管叶轮血泵内不存在自然心室那样收缩舒张的泵血过程，但叶轮血泵也可以产生类似于自然心室输出的搏动血流，其方法是叶轮周期性地改变转速[6，7]。叶轮是由直流无刷电机带动旋转的，叶轮转速周期性改变是通过输入电机线圈方波电压来实现的。血泵射血的频率、收缩舒张比以及每次射血的血流量，均由方波电压来控制。
叶轮血泵重量约240 g，其中驱动电机190 g(图1)。虽然叶轮血泵体积和重量均已减小至可完全植入受试者体内，为了及时发现并且排除血泵或电机的故障，试验时装置仍放在体外(图2)。
图1 叶轮血泵实物图(不带泵壳)
, 百拇医药
Fig 1 Impeller pump without housing
2 动物试验
动物试验用小公牛，出生约三个月，体重60～80 kg。术前先禁食24 h，不限制喝水。麻醉由静脉注射硫喷妥钠引发，小公牛右侧平躺手术台上。气管插管后呼吸由人工呼吸机维持，并不断由气体麻醉机加入氟烷。左侧第五肋骨处进胸后，心脏充分暴露，以便插血泵进口管于左心房，血管出口管经人造血管缝合在降主动脉侧壁。这样，叶轮血泵与自然左心室形成旁路。血泵启动后停止麻醉剂供给并关胸。如前提及，尽管作者研制的叶轮血泵仅200 g左右，可以完全植入体体，但为了观察血泵工作情形，以及万一发生故障时可及时更换血泵，所以试验期血泵暂时放在体外。这就要求关胸时血泵进口、出口两根管子周围注意密封以防止气胸。血泵的流量通过手动调节输入血泵电机的电压，控制在总流量的40%～50%。
, 百拇医药
图2 叶轮血泵经透皮管道与左心房及主动脉连接
Fig 2 Impeller pump used as an acute left ventricular assist device in pigs
手术结束后，动物安放在特殊设计的牛栏里。一般情况下，小公牛手术后半小时左右便能苏醒，3至4小时后便能站立(图3)。在大多数存活期内，动物处良好的生理状态。在整个试验期，动物血液抽样检查。主要指标有：红细胞数，血红蛋白，血球压积，游离血红蛋白，血小板数，乳酸脱氢酶，肌酸酐，血尿氮，胆红素，谷草转氨酶，等等。
生理检测在术前及术后前三天连续进行，之后视动物恢复情况及时拆除测量管路，防止引发感染。
在整个试验期，动物均用肝素抗凝，方法是：在500 ml葡萄糖盐水中加肝素5 ml，每小时经静脉连续注射50 ml混合液，每小时等于注射0.5 g肝素，延长血液激活凝血时间至正常值的1.5～2.0倍。
, 百拇医药
试验共进行18次，前15头小公牛因手术及术后监护等一列问题，存活最长仅11天。最后三头小公牛存活超过6周，分别为62天，54天及46天。试验中断或动物死亡的原因，与血泵内的机械磨损有关，一定时候转子产生振动，引发机械故障。如果血泵不产生故障，一般情况下动物能无限期地存活下去。对此，作者已经在结构上、材料上采取了措施，更长期的试验正在积极准备之中。
图3 叶轮血泵辅助小公牛左心室试验
Fig 3 Impeller pump used as a chronic left ventricular assist device in calves
图4 试验小公牛在存活62天时间里，红细胞没有受到破坏
, 百拇医药
Fig 4 The red blood cells of experimental calves were not damaged during survival up to 62 days
动物血液生化检测结果显示，大多数据均在正常值或在可接受的范围内，说明血液成分和器官功能没有受到明显的损害(图4)。这一结果和事实反映叶轮血泵的血液相容性已经达到设计要求。
试验动物的生理参数也均在正常值范围，试验小公牛在绝大多数的试验期内均处于良好的精神状态。
3 临床试用
在动物试验的基础上，叶轮血泵日前进行
了一次双心室辅助人体试验。患者，男，6岁，法乐氏三联症，心功能Ⅲ级，在体外循环下行先心矫治术。术中见主动脉与肺动脉直径比约1∶1.5，左右心室及右心房均增大，右室尤为显著。肺动脉瓣口直径4 mm，中央型房缺直径10 mm，探查未发现其它畸形，行房缺修补加肺动脉瓣口扩大术。术毕心跳自动恢复，但心脏搏动无力，以右心室为主，继而累及左心，若瞬时停止体外循环，主动脉平均压降至40 mmHg以下，呈现典型的低心排综合症，脱不开心肺机。
, 百拇医药
心肺转流8 h后，情况仍未见好转，改用叶轮血泵行双心室辅助，形成左房至升主动脉及右房至肺动脉双侧旁路。左心辅助泵转速3500转/min左右，流量约1.5 L/min；右心辅助泵转速3000转/min左右，流量也是1.5 L/min。数小时后生命体征平稳，心率从辅助前140～150次/min降至100～110次/min，体循环动脉平均压由辅助前40 mmHg上升至60 mmHg，排尿量60～80 ml/h。辅助24 h后平均动脉压上升至80 mmHg，曾尝试降低右心辅助流量至0.5 L/min，体循环平均压降至60 mmHg，随即恢复右心辅助流量至1.5 L/min左右。辅助32 h之后排尿量逐渐减小并伴有血尿，直至完全停止排尿，动脉平均压维持在60 mmHg左右，对升压药反应不敏感。辅助43 h后患者出现明显水肿，瞳孔放大至6 mm，无望恢复，只得中止抢救，拆除左心室辅助泵，平均动脉压降至40 mmHg，再拆除右心辅助泵，动脉压降至0，病人立即死亡。
从本例人体试验中看出，心室辅助是抢救急性心功能衰竭的有效方法。本例患者在双心室辅助的43 h内，血液循环基本上由人工心脏维持，其间心功能得到一定程度的恢复，平均动脉压曾达到80 mmHg的正常值。直至拆除辅助泵时，心律及心电均正常。病人没有存活的原因，据作者分析，有以下几个方面：
, 百拇医药
(1)心室辅助泵使用过迟。心内直视手术后三次脱不开心肺机，体外循环8 h后才使用叶轮血泵，以至右心衰竭诱发全心衰竭，不得不使用双心室辅助，无疑给抢救增加了难度。
(2)在抢救过程中有二次主动脉平均压达80 mmHg，心室辅助流量降至1 L/min以内，届时曾尝试拆除右心辅助泵，减小辅助流量至0，结果引起主动脉压骤降，给心功能造成新的伤害。对于成人患者，辅助流量在1 L/min以内可考虑拆除辅助泵，但本例患者是幼儿，且当时升压药仍在不断的滴注，尝试拆除辅助装置是过早了些。
(3)升压药在心室辅助治疗中应慎用。病人血压的上升，应依靠辅助泵逐渐实现，不宜急于用升压药。当主动脉压回升后，应首先考虑降低升压药的剂量或完全停用，然后再考虑是否能拆除辅助泵。长时期使用升压药将导致血管收缩及器官动脉灌注的降低，影响器官功能，本例出现的肾衰竭，可能与此有关。
4 讨论和结论
, http://www.100md.com
随着国内心脏外科的不断发展，心室辅助最终必将在临床普遍推广应用。使用国产心室辅助装置，抢救急性心衰病人，迟早将成为医疗常规。更长远的将来，用人工心脏长期甚至永久维持慢性不可逆性病患者的生命，也是必然的趋势。当然，这方面还有许多问题需要作进一步的探讨和研究。作者愿意同国内同行一起，共同努力，互相合作，为发展具有中国特色的心室辅助装置及人工心脏作出应有的贡献。
* 国家自然科学基金项目。批准号：39570699
参 考 文 献
1 Rowles JR, Olsen DB.Ventricular assist and total artificial heart device for clinical use in 1993. ASAIO J, 1993;39∶840
2 Pae WE. Ventricular assist device and total artificial heart: A combined registry experience. Ann. Thoracis Surg. 1993；55∶295
, 百拇医药
3 Lee WA. Centrifugal ventricular assist device for support of the failing heart after cardiac surgery. Critical Care Medicine. 1993；21(8)∶1186
4 钱坤喜，郑 铭.离心型人工心脏叶轮血泵的设计原理和动物试验结果.航天医学与医学工程，1996；9(6)∶349
5 钱坤喜，郑 铭，朱家麟等.叶轮泵辅助小公牛血流循环62天.中华胸心血管外科杂志，1996；12(6)∶364
6 Qian KX. Pulsatile flow from impeller pump: a dream has come true. J Biomaterials Applications. 1994；9(2)∶158
7 Qian KX. Pulsatile centrifugal heart: a successful application of engineering to medicine. Biomed. Eng. Appl Basis Comm. 1995；7(3)∶265
(收稿：1997-07-02), 百拇医药(钱坤喜1 曾 培1 茹为民1 袁海宇1 郑 铭1 陈锁成2)
单位：1(江苏理工大学，镇江 212013)；2(江苏镇江市一院，镇江 212002)
关键词：叶轮血泵；左心室辅助；双心室辅助；动物试验；临床试用
生物医学工程学杂志980304 内容摘要 研制的叶轮血泵在动物小公牛身上做左心室辅助存活试验，其中三头牛存活约2个月，血液生化检测表明，动物血液成分及器官功能均未有显著改变，在此基础上叶轮血泵被用来抢救一名患法乐氏三联症幼儿，在心脏直视手术后三次脱不开心肺机的情况下，用叶轮血泵作双心室辅助43小时，血泵工作始终正常。
The Animal Experiments and Clinical Trial of
, 百拇医药
Impeller Pump Used as Left Ventricular or
Biventricular Assist Device
Qian Kunxi Zeng Pei Ru Weimin Yuan Haiyu Zheng Ming
(Jiangsu Uni of Sci & Tech,Zhenjiang 212013)
Abstract The authors′ impeller pump as a left ventricular or biventricular assist device was evaluated in animal experiments and clinical trial. Three calves survived over 6 weeks in left ventricular assist experiments and neither blood damage nor organ dysfunction of the animals was detected. In clinical trial, the pump supported both the greater and lesser circulation of a 6-year-old child with trilogy of Fallot and low output syndrome after open heart surgery. In 43 hours the pump worked properly. The pump weighing 240g can perform either in pulsatile or in nonpulsatile mode. In pulsatile pumping, the impeller changes its rotating speed periodically by introducing a square wave form voltage into the motor coil.
, 百拇医药
Key words Impeller pump Left ventricular assist Biventricular assist Animal experiments Clinical trial
用心室辅助装置抢救心脏衰竭病人在国外早已成为医疗常规，存活率由80年代初的20%左右上升至90年代的50%以上[1～3]。国内因没有国产商品化的心室辅助装置，从国外进口又因价格昂贵普通病人不堪承担费用，该项工作尚未展开，许多病人在使用IABP失效后，不得不放弃治疗。
作者研制的离心型人工心脏电动叶轮血泵，在动物试验中已经能稳定地维持血液循环二个月左右，初步具备了中、长期动物试验及短期临床试用的条件[4，5]。本文报道三次存活超过6周的动物试验及一次临床试用的情况，供国内广大心脏外科医师参考。
1 叶轮血泵
, 百拇医药
与传统的隔膜型血泵不同，叶轮血泵模拟自然心室的功能，而不是模仿自然心脏泵血的机理和结构。在叶轮血泵内，血液的输送靠叶轮带动血液旋转产生离心力来实现，因此叶轮血泵也称作离心血泵。尽管叶轮血泵内不存在自然心室那样收缩舒张的泵血过程，但叶轮血泵也可以产生类似于自然心室输出的搏动血流，其方法是叶轮周期性地改变转速[6，7]。叶轮是由直流无刷电机带动旋转的，叶轮转速周期性改变是通过输入电机线圈方波电压来实现的。血泵射血的频率、收缩舒张比以及每次射血的血流量，均由方波电压来控制。
叶轮血泵重量约240 g，其中驱动电机190 g(图1)。虽然叶轮血泵体积和重量均已减小至可完全植入受试者体内，为了及时发现并且排除血泵或电机的故障，试验时装置仍放在体外(图2)。
图1 叶轮血泵实物图(不带泵壳)
, 百拇医药
Fig 1 Impeller pump without housing
2 动物试验
动物试验用小公牛，出生约三个月，体重60～80 kg。术前先禁食24 h，不限制喝水。麻醉由静脉注射硫喷妥钠引发，小公牛右侧平躺手术台上。气管插管后呼吸由人工呼吸机维持，并不断由气体麻醉机加入氟烷。左侧第五肋骨处进胸后，心脏充分暴露，以便插血泵进口管于左心房，血管出口管经人造血管缝合在降主动脉侧壁。这样，叶轮血泵与自然左心室形成旁路。血泵启动后停止麻醉剂供给并关胸。如前提及，尽管作者研制的叶轮血泵仅200 g左右，可以完全植入体体，但为了观察血泵工作情形，以及万一发生故障时可及时更换血泵，所以试验期血泵暂时放在体外。这就要求关胸时血泵进口、出口两根管子周围注意密封以防止气胸。血泵的流量通过手动调节输入血泵电机的电压，控制在总流量的40%～50%。
, 百拇医药
图2 叶轮血泵经透皮管道与左心房及主动脉连接
Fig 2 Impeller pump used as an acute left ventricular assist device in pigs
手术结束后，动物安放在特殊设计的牛栏里。一般情况下，小公牛手术后半小时左右便能苏醒，3至4小时后便能站立(图3)。在大多数存活期内，动物处良好的生理状态。在整个试验期，动物血液抽样检查。主要指标有：红细胞数，血红蛋白，血球压积，游离血红蛋白，血小板数，乳酸脱氢酶，肌酸酐，血尿氮，胆红素，谷草转氨酶，等等。
生理检测在术前及术后前三天连续进行，之后视动物恢复情况及时拆除测量管路，防止引发感染。
在整个试验期，动物均用肝素抗凝，方法是：在500 ml葡萄糖盐水中加肝素5 ml，每小时经静脉连续注射50 ml混合液，每小时等于注射0.5 g肝素，延长血液激活凝血时间至正常值的1.5～2.0倍。
, 百拇医药
试验共进行18次，前15头小公牛因手术及术后监护等一列问题，存活最长仅11天。最后三头小公牛存活超过6周，分别为62天，54天及46天。试验中断或动物死亡的原因，与血泵内的机械磨损有关，一定时候转子产生振动，引发机械故障。如果血泵不产生故障，一般情况下动物能无限期地存活下去。对此，作者已经在结构上、材料上采取了措施，更长期的试验正在积极准备之中。
图3 叶轮血泵辅助小公牛左心室试验
Fig 3 Impeller pump used as a chronic left ventricular assist device in calves
图4 试验小公牛在存活62天时间里，红细胞没有受到破坏
, 百拇医药
Fig 4 The red blood cells of experimental calves were not damaged during survival up to 62 days
动物血液生化检测结果显示，大多数据均在正常值或在可接受的范围内，说明血液成分和器官功能没有受到明显的损害(图4)。这一结果和事实反映叶轮血泵的血液相容性已经达到设计要求。
试验动物的生理参数也均在正常值范围，试验小公牛在绝大多数的试验期内均处于良好的精神状态。
3 临床试用
在动物试验的基础上，叶轮血泵日前进行
了一次双心室辅助人体试验。患者，男，6岁，法乐氏三联症，心功能Ⅲ级，在体外循环下行先心矫治术。术中见主动脉与肺动脉直径比约1∶1.5，左右心室及右心房均增大，右室尤为显著。肺动脉瓣口直径4 mm，中央型房缺直径10 mm，探查未发现其它畸形，行房缺修补加肺动脉瓣口扩大术。术毕心跳自动恢复，但心脏搏动无力，以右心室为主，继而累及左心，若瞬时停止体外循环，主动脉平均压降至40 mmHg以下，呈现典型的低心排综合症，脱不开心肺机。
, 百拇医药
心肺转流8 h后，情况仍未见好转，改用叶轮血泵行双心室辅助，形成左房至升主动脉及右房至肺动脉双侧旁路。左心辅助泵转速3500转/min左右，流量约1.5 L/min；右心辅助泵转速3000转/min左右，流量也是1.5 L/min。数小时后生命体征平稳，心率从辅助前140～150次/min降至100～110次/min，体循环动脉平均压由辅助前40 mmHg上升至60 mmHg，排尿量60～80 ml/h。辅助24 h后平均动脉压上升至80 mmHg，曾尝试降低右心辅助流量至0.5 L/min，体循环平均压降至60 mmHg，随即恢复右心辅助流量至1.5 L/min左右。辅助32 h之后排尿量逐渐减小并伴有血尿，直至完全停止排尿，动脉平均压维持在60 mmHg左右，对升压药反应不敏感。辅助43 h后患者出现明显水肿，瞳孔放大至6 mm，无望恢复，只得中止抢救，拆除左心室辅助泵，平均动脉压降至40 mmHg，再拆除右心辅助泵，动脉压降至0，病人立即死亡。
从本例人体试验中看出，心室辅助是抢救急性心功能衰竭的有效方法。本例患者在双心室辅助的43 h内，血液循环基本上由人工心脏维持，其间心功能得到一定程度的恢复，平均动脉压曾达到80 mmHg的正常值。直至拆除辅助泵时，心律及心电均正常。病人没有存活的原因，据作者分析，有以下几个方面：
, 百拇医药
(1)心室辅助泵使用过迟。心内直视手术后三次脱不开心肺机，体外循环8 h后才使用叶轮血泵，以至右心衰竭诱发全心衰竭，不得不使用双心室辅助，无疑给抢救增加了难度。
(2)在抢救过程中有二次主动脉平均压达80 mmHg，心室辅助流量降至1 L/min以内，届时曾尝试拆除右心辅助泵，减小辅助流量至0，结果引起主动脉压骤降，给心功能造成新的伤害。对于成人患者，辅助流量在1 L/min以内可考虑拆除辅助泵，但本例患者是幼儿，且当时升压药仍在不断的滴注，尝试拆除辅助装置是过早了些。
(3)升压药在心室辅助治疗中应慎用。病人血压的上升，应依靠辅助泵逐渐实现，不宜急于用升压药。当主动脉压回升后，应首先考虑降低升压药的剂量或完全停用，然后再考虑是否能拆除辅助泵。长时期使用升压药将导致血管收缩及器官动脉灌注的降低，影响器官功能，本例出现的肾衰竭，可能与此有关。
4 讨论和结论
, http://www.100md.com
随着国内心脏外科的不断发展，心室辅助最终必将在临床普遍推广应用。使用国产心室辅助装置，抢救急性心衰病人，迟早将成为医疗常规。更长远的将来，用人工心脏长期甚至永久维持慢性不可逆性病患者的生命，也是必然的趋势。当然，这方面还有许多问题需要作进一步的探讨和研究。作者愿意同国内同行一起，共同努力，互相合作，为发展具有中国特色的心室辅助装置及人工心脏作出应有的贡献。
* 国家自然科学基金项目。批准号：39570699
参 考 文 献
1 Rowles JR, Olsen DB.Ventricular assist and total artificial heart device for clinical use in 1993. ASAIO J, 1993;39∶840
2 Pae WE. Ventricular assist device and total artificial heart: A combined registry experience. Ann. Thoracis Surg. 1993；55∶295
, 百拇医药
3 Lee WA. Centrifugal ventricular assist device for support of the failing heart after cardiac surgery. Critical Care Medicine. 1993；21(8)∶1186
4 钱坤喜，郑 铭.离心型人工心脏叶轮血泵的设计原理和动物试验结果.航天医学与医学工程，1996；9(6)∶349
5 钱坤喜，郑 铭，朱家麟等.叶轮泵辅助小公牛血流循环62天.中华胸心血管外科杂志，1996；12(6)∶364
6 Qian KX. Pulsatile flow from impeller pump: a dream has come true. J Biomaterials Applications. 1994；9(2)∶158
7 Qian KX. Pulsatile centrifugal heart: a successful application of engineering to medicine. Biomed. Eng. Appl Basis Comm. 1995；7(3)∶265
(收稿：1997-07-02), 百拇医药(钱坤喜1 曾 培1 茹为民1 袁海宇1 郑 铭1 陈锁成2)