生命支持装置前沿理论与技术：血流动力学

作者简介

常？？宇 博士研究生导师，浙江大学医学院附属儿童医院特聘研究员、教授，利为惠德集团创始人，中国生物医学工程学会机械循环支持分会副主任委员，中国心胸血管麻醉学会体外生命支持分会副主任委员。从事生命与医疗领域的科学研究与成果转化工作。在生命与医疗领域的科学研究中，探索了心室辅助卸载的生理学机制，为人工心脏在临床上的应用提供了理论参考，其中包括人工心脏与自然心脏的相互作用机制、心衰患者血流模式的纠正与重要脏器灌注、血泵对主动脉血管内血流动力学特征的影响等。在成果转化方面，致力于人工心脏的设计方法与优化，提出并建立了人工心脏生理控制理论与系统。 高？？斌 硕士研究生导师，北京工业大学环境与生命学部副教授，中国生物医学工程学会会员，北京生物医学工程学会生物力学委员会青年委员，中国生物医学工程学会人工心脏分会会员。2014 年获得北京市优秀人才项目资助，2019 年获得北京市教委青年拔尖人才培育计划资助。研究方向为心脑血管血流动力学与生物力学。主持及参与国家重点研发计划、国家自然科学金及其他省部级科研项目 10 余项。以第一或通讯作者身份发表相关 SCI 期刊收载论文 40 余篇，出版学术专著 2 部，申领国家发明专利 10 余项。 李？？澍 硕士研究生导师，中国科学院物理电子学博士、研究员，国家药监局重点实验室学术带头人，国家医疗器械质量管理体系（GMP）检查员，中国合格评定国家认可委员会（CNAS）审核员，全国外科植入物和矫形器械标准化技术委员会有源植入物分技术委员会委员，中国医学装备协会核医学装备与技术专业委员会委员。现于中国食品药品检定研究院工作，主要研究方向为有源植入医疗器械质量评价，多次承担人工心脏、ECMO 等创新医疗器械的应急检验及国家抽验工作。作为项目首席科学家，承担国家“十三五”重点研发计划项目 1 项、课题2 项，中国红十字会基金项目 1 项，省部级科研项目 2 项。以第一或通讯作者身份发表学术论文 40 余篇。

内容简介

第 1 章? 旋动血流的研究概述 一、研究背景及意义 心力衰竭（心衰）是一种全球性疾病，是各种心血管疾病的终末期阶段 [1]，严重地威胁着人类的健康 [2]。目前，我国心衰患者已超过 1200 万，发病率达到 0.9% [3] ，5 年的病死率约 60% [4]。治疗心衰的最有效方法是心脏移植，但由于供体心脏数量无法满足实际需求 [5]，心室辅助逐渐成为心衰的主要治疗手段 [6]，即利用生物与机械手段部分或全部替代心脏的泵血功能。 目前，临床上的心室辅助装置分为脉动流（pulsatile flflow）心室辅助装置与持续流（continuous flflow）心室辅助装置两类。其中脉动流心室辅助装置由于噪音大与体积大等问题难以解决，已经逐步被持续流心室辅助装置所替代。持续流心室辅助装置由于具有体积小、血液相容性好及故障率低等优势，目前已经成为临床上主要使用的心室辅助装置 [7]，因而与心室辅助装置相关的研究已经成为国内外学者研究的热点 [8]。在国外，研究人员针对 DeBakey [9] 、HeartMate [10] 、HeartWare [11] 与 Impella [12] 等心室辅助装置，在心室辅助装置的结构设计 [13, 14]、手术方案规划 [15, 16]、患者筛选标准确定 [17, 18] 及术后治疗策略制定 [19-21] 等方面展开了系统的研究，并且逐步将心室辅助推广到心衰的临床治疗中。在国内，人工心脏的研究已经进入快速发展阶段。多个团队积极开展心室辅助治疗心衰的研究。中国医学科学院阜外医院胡盛寿团队研发的 FW-Ⅱ型心室辅助装置于 2011 年获得临床试验许可，成为国内第一个获得临床试验资格的心室辅助装置。苏州同心医疗器械有限公司的磁悬浮人工心脏已经提交创新医疗器械特别审批程序 [22]、重庆永仁心医疗器械有限公司的 EVAHEART 也已经提交创新医疗器械特别审批程序、首都医科大学附属安贞医院微型轴流血泵 [23]、泰达国际心血管病医院磁液悬浮血泵 [24]、中科院磁悬浮血泵 [25]、清华大学中空式轴流血泵 [26]、浙江大学液力悬浮式人工血泵 [27] 及北京工业大学 BJUT-Ⅱ型人工心脏泵 [28] 等大多在动物实验阶段取得了良好的试验结果。此外，作者所在的北京工业大学常宇团队、江苏大学徐博翎团队及中国人民解放军空军军医大学魏旭峰团队等在心室辅助改善左心室功能、避免右侧心衰发生及防止心肌重构等方面也已经开展系统的研究。总之，目前国内外研究者在心室辅助满足器官灌注、维持患者生命及改善心脏功能等方面已经取得良好结果，而由心室辅助引起的主动脉结构与功能变化正在成为研究热点。 随着心室辅助在临床的广泛应用，其导致的主动脉结构与功能改变受到了越来越多的关注 [29] 。针对这一问题，国内外学者在生物力学与生物学两方面开展了大量有益的研究，并得到了一些重要的研究成果。在生物力学方面，Ambardekar [30] 通过对比心室辅助前后患者的主动脉血管的力学性质，证明心室辅助会增加主动脉血管壁的僵硬度。类似的，Witman [31] 研究发现心室辅助后患者的主动脉扩张功能会受到明显损伤。Estep [32] 指出心室辅助会显著降低主动脉血管的顺应性。Dengel [33] 利用血管内超声发现心室辅助装置会显著降低吻合口处的主动脉顺应性。Templeton [34] 通过临床试验证明心室辅助能够显著增加主动脉处的血管阻力。同样，Boilson [35] 对比心室辅助前后患者血流动力学参数，发现心室辅助能够显著增加主动脉血管阻力。Klotz [36] 研究指出心室辅助引起的主动脉僵硬度增加是导致血管阻力增加的主要原因。在生物学方面，John [37] 研究表明心室辅助能够激活患者主动脉血管中的内皮细胞，进而引起内皮功能异常。Hasin [38] 指出心室辅助会持续性地损伤血管中内皮细胞的功能，引起血管的扩张功能损伤。Ivak [39] 发现心室辅助会引起主动脉部分循环内皮微粒（circulating endothelial microparticle）浓度显著增加，表征内皮细胞功能损伤。Sansone [40] 发现心室辅助会引起内皮细胞功能异常，进而减少一氧化氮分泌水平。Drakos [41] 指出心室辅助能够显著增加主动脉血管壁纤维化程度。Segura [42] 通过临床研究发现心室辅助后主动脉血管壁平滑肌细胞增生，血管弹性降低。总之，目前国内外的研究人员认同心室辅助能够显著改变主动脉的结构与功能，而心室辅助对主动脉内旋动流特性的改变被认为是引起主动脉结构与功能改变的重要原因。 旋动流特性是主动脉的重要血流动力学特征。临床研究发现主动脉内的血流具有明显的旋动流特性 [43]，并且表现出积极的生理效应。Stonebridge [44] 研究指出与普通血流相比，血管内的旋动流能够更加高效地进行血液运输。Morbiducci [45] 发现旋动流能够显著减少血液运输过程中的能量损失。Javadzadegan [46] 指出旋动流能够显著降低血管壁压力防止主动脉的结构与功能发生病理性变化。樊瑜波 [47] 研究发现旋动流能够减小血液低速区面积，加强血液对主动脉的冲刷作用，而随着旋动流强度降低，主动脉血流低速度区域面积显著增大。此外，Morbiducci [48] 研究发现旋动流增加的血管壁面切应力分量会显著影响血管内皮细胞功能与排列。Houston [49] 指出主动脉内的旋动流能够显著降低主动脉血管疾病的发生率。占帆 [50] 研究发现旋动流会提高壁面切应力，从而降低血小板在壁面的沉积，进而减小可能发生血栓的风险。刘肖 [51] 研究表明旋动流对氧的传递具有直接的影响，进而影响动脉粥样硬化的形成和发展。邓小燕 [52] 指出主动脉内的旋动流是抑制血管内皮细胞增生与平滑肌细胞凋亡的重要血流动力学因素。樊瑜波 [53] 发现旋动流能够显著减少主动脉血管壁上的低密度脂蛋白（low density lipoprotein，LDL）浓度，降低低密度脂蛋白浓度的极化程度。刘肖 [54] 通过体外实验指出，提高旋动流强度是抑制动脉粥样硬化斑块形成的重要力学手段；反之降低旋动流强度会导致主动脉血管内膜增生与低密度脂蛋白浓度极化 [55] 。Alin [56] 研究表明，螺旋人造血管在移植物的出口部分诱导旋动流模式，可以减少人造血管吻合处内膜增生和再狭窄所致移植失败的影响。同样，张治国 [57] 也发现采用旋动流引导器的新型小口径人造血管，可以改变壁面附近的血流速度和壁面剪切速率，抑制急性血栓形成和内膜增生的发生，提高人造血管的通畅率。刘肖 [58] 研究发现，旋动流能够改善动脉移植管、支架等血管装置的血流动力学性能，克服流动诱发的血栓生成和内膜增生。 虽然前期研究表明旋动流是保持主动脉正常结构与功能的关键血流动力学因素，但是心室辅助装置对主动脉旋动流特性的影响规律尚不明确。因此通过调节心室辅助装置的辅助水平产生适当的主动脉旋动流进而防止主动脉血管并发症的发生具有重要的临床意义与科研价值。 本书围绕人工心脏如何改变人体心血管系统的血流动力学环境这一前沿问题开展系统研究。基于作者团队近 20 年在人工心脏的设计、优化与临床应用等方面的研究成果，针对人工心脏产生的特殊血流状态及其力学 - 生物学作用，以及人工心脏的血流模式与辅助状态对主动脉、脑部灌注和血栓运动与分布的影响机制开展研究。本书作者团队曾承担多项国家重点研发计划、国家自然科学基金及各类省部级科研课题，书中的部分研究成果已成功应用于临床人工心脏应用及新型人工心脏的设计中，并取得了良好效果。