离心式血泵对血液损伤影响研究进展.pdf

文章编号：1671-7104(2024)02-0199-04离心式血泵对血液损伤影响研究进展【作者】叶成红，邹艳果，李洁，杨宇希，王永清国家药品监督管理局医疗器械技术审评中心，北京市，100081【摘要】离心式血泵通过调节血液流速，进而驱动血液流动，已被广泛应用于临床，包括体外膜氧合、心肺旁路手术、体外循环二氧化碳清除等。但由于不同结构、不同形式的离心泵在临床应用场景下对血液体外循环要求不同，导致血泵在临床使用过程中面临不同的应用工况。该文概述了离心泵结构及不同使用工况下对血液破坏的影响，供相关机构及研发人员参考使用。【关键词】离心式血泵；血液损伤；进展【中图分类号】R-1;R318;TH77【文献标志码】Adoi:10.12455/j.issn.1671-7104.230457Research Progress on Influence of Centrifugal BloodPump on Blood Injury【Authors 】YEChenghong,ZOUYanguo,LIJie,YANGYuxi,WANGYongqingCenterforMedicalDeviceEvaluation,NMPA,Beijing,100081【Abstract 】Centrifugalbloodpumpsdrivebloodflowbyregulatingbloodflowrate,andhavebeenwidelyusedinclinicalapplications,includingextracorporealmembraneoxygenation(ECMO),cardiopulmonarybypass(CPB),and extracorporeal circulation carbon dioxide removal(ECCO2R).However,because differentstructuresanddifferentformsofcentrifugalpumpshavedifferentrequirementsforbloodextracorporealcirculationinclinicalapplicationscenarios,bloodpumpsfacedifferentapplicationconditionsinclinicaluse.Inthisstudy,theeffectsofdifferentstructuresofcentrifugalpumpsanddifferentworkingconditionsonblooddamagearesummarizedforreferencebyrelevantinstitutionsandR&Dpersonnel.【Key words】centrifugalbloodpump,bloodinjury,progress0引言引言心脏的主要生理功能是推动血液流动，向器官、组织提供充足的血流量，以供应氧和各种营养物质，并带走代谢的终产物（如二氧化碳等），使细胞维持正常的代谢和功能。但当心脏功能受损或短时间内需要让心脏休息以便为其他治疗争取时间时，临床就需要通过在体外或体内建立旁路，利用血泵来部分或全部替代心脏的泵血功能，更好地维持全身血液循环。体外循环是利用一系列特殊的人工装置将人体静脉血引流到体外，经人工方法进行气体交换或对血液进行必要的处理（如透析、滤过或吸附等），必要时还需要对血液或血液成分进行温度调节和过滤后，输回体内循环系统的生命支持技术，主要应用于包括血液透析（hemodialysis,HD）、血液透析滤过（hemodiafiltration,HDF）、体外膜肺膜氧合（extracorporealmembraneoxygenation,ECMO）、心肺旁路手术（cardiopulmonarybypass,CPB）、体外循环二氧化碳清除（extracorporealcarbondioxideremoval,ECCO2R）等。不同的循环技术需要器械不同，但均需要血泵承担推动血液作用。例如，以HD、HDF为代表的血液净化技术常通过滚压泵驱动血液流动，以ECMO和CPB为代表的生命支持技术通过离心式血泵代替心脏工作，又称为人工心脏，在整个体外循环过程中发挥着重要的作用。1离心泵与血液损伤离心泵与血液损伤早期的血泵主要由滚压泵来实现，其工作原理是通过挤压体外循环管道推动血液流动，但由于长期挤压状态下使用会导致严重的血液损伤，因此在某些临床治疗场景下已逐渐被离心泵取代。经收稿日期：2023-08-01基金项目：国家重点研发计划（2020YFC0122205）作者简介：叶成红，E-mail:通信作者：王永清，E-mail:ChineseJournalofMedicalInstrumentation2024年48卷第2期综合评述199检索体外生命支持组织（extracorporeallifesupportorganization，ELSO）注册数据，20052015年离心泵已逐渐取代滚动泵成为CPB和ECMO手术中泵的主要类型。离心泵的发展经历了几个阶段1，从早期的陶瓷多点轴承支撑到后期的单轴承/双轴承甚至无轴承，从早期的4050mL预充量到今天十多毫升预充量变化等改进，离心泵结构的不断优化改进进一步降低了其对血液的损伤，更好地满足了临床需求。同时，体外循环过程中面临不同的使用场景，如不同的血液流速、不同的离心泵叶轮转速、不同压力等使用工况，在一定程度上对血液产生不同程度损伤。加上各家公司专利限制及设计思路差异等因素，不同公司的离心泵产品在结构、材料（如涂层）上也各有差异，在临床使用过程中对血液产生诸如溶血、凝血、血小板激活、补体激活等破坏的影响也各不相同。以溶血为例2，溶血发生的主要原因是红细胞在离心泵流场内受到的剪切应力、流场中的暴露时间及因高速离心产生的升温等共同作用下导致红细胞膜破裂，产生溶血。在此过程中由于过量的血红蛋白流入血液中，不仅使红细胞运输氧气的功能受到损坏，血浆中存在的过量血红蛋白也可能引起肾衰竭等风险，从而加重患者病情，因此需要严格控制溶血等血液损伤现象的发生。总结来说，离心泵使用过程中引起血液破坏的因素主要包括2个方面：一是产品结构设计；二是临床实际使用条件。既往研究主要集中在某一特定工况条件，比如不同的流速下对血液损伤的研究，但整个产品结构设计、使用工况对血液损伤影响方面的研究不多。本文结合离心泵的发展历程简要概述了离心泵实际使用过程中不同因素对血液破坏的影响，以期为相关产品研制机构及监管机构参考使用。2离心泵结构设计影响离心泵结构设计影响离心泵主要包括泵体外壳、转子组件（转子、叶轮、转子磁铁、背铁等）及轴承（部分全磁悬浮可能不带）等组件组成，部分还带有涂层。产品利用转子组件中内置的转子磁铁与泵头驱动器中与电机盘连接的驱动磁铁之间磁耦合作用，驱动转子磁铁以及与其组成整体的转子组件旋转并形成涡流，从而在泵头内部产生负压。负压产生吸力，将血液吸入泵中，并通过离心力将血液引导出泵头。典型的离心泵：Maquet公司的RF-32血泵，如图1所示。2.1支撑结构为保证离心泵中叶轮的高速稳定运转，需要通过轴承结构限制叶轮在其他方向的位移。常见的方式是通过滚动轴承或滑动轴承方式支撑。不管采用哪种方式，均不可避免地带来轴承摩擦、磨损，轴承本身高速旋转产生的发热，轴承与血液接触导致血液破坏出现溶血，机械疲劳导致寿命缩减，机械摩擦导致在轴承结合处产生血栓等问题。为解决该问题，有企业通过减少轴承数量，由原来的多点轴承改成两点或单点轴承，甚至采用磁力悬浮的支撑方法取代接触支撑，使叶轮悬浮在泵腔中，有效地避免组件间的机械摩擦，进一步降低对血液破坏的影响3。2.2叶轮设计依靠磁力作用，叶轮是推动血液流动的直接动力，在整个体外循环过程中，叶轮既与血液直接接触，又依靠其旋转产生的离心力推动血液流动，因此叶轮在整个血泵的结构设计中至关重要，并对血液产生直接影响。叶轮对血液的影响因素包括叶片数量、叶片形状、叶片表面粗糙度在内的物理特征以及叶轮流道扭转角度等4。叶片作为离心泵中为液体提供能量的部件，其数量对于离心泵的水力性能和血液损伤有重要影响，数量越多推动流体的力学性能越强，但过多的叶片数量会增加血液与叶片之间的接触，加剧两者之间的摩擦，加重了叶片对血液的破坏；而较少的叶片数量虽然可以降低叶片与液体之间的摩擦力，但会导致离心泵工作效率降低。例如，根据LI等5对不同离心泵叶片数量的研究分析后得出结论：随着叶片数量的增加，泵体压力增高，溶血指数也随之增加，且随着泵转速的提高，叶片数对溶血的影响更为明显。钱坤喜等6分别通过试验计算获得了相似的结论。叶片形状与叶片弯曲角度一定程度上影响了其推动血流的效率，且由于不同形状叶片与血液接触图1典型的离心泵：Maquet公司的RF-32血泵Fig.1Typicalcentrifugalpump:MaquetRF-32ChineseJournalofMedicalInstrumentation2024年48卷第2期综合评述200面积、产生摩擦力与压力、局部剪切力不同，会对血液产生不同程度的损伤影响。寿宸等7对具有不同叶轮形式的离心式血泵进行研究，且使用了快速溶血模型对所有血泵进行溶血性能分析，研究发现具有螺旋线叶轮的血泵性能较为优异。ZHU等8利用计算流体动力学（computationalfluiddynamics,CFD）对出口压力和回流指数2个指标的不同形状叶片性能进行了评估，提出了优化叶片的模型。表面粗糙度指的是材料表面具有较小间距和微小峰谷的不平度，一般来说粗糙度越低，表面越光滑，和血液接触过程中对血的影响越小；粗糙度越大，越容易在血液流动时血液停滞或出现涡流9。MONROE等10探究了血泵各部分区域的粗糙度对溶血的影响效果，并得出结论：叶轮反面的粗糙度对血液损伤影响更大。方媛11通过正交试验研究了泵内不同表面粗糙度及表面纹理对血液及血细胞的破坏影响，梳理了影响泵流道内表面粗糙度的加工参数，并对加工参数进行优化，通过溶血试验对不同参数进行验证，判断表面纹理与粗糙度对血液的影响，为降低血泵的溶血性能和实用性，减少血液中的血细胞在泵内的破坏，进一步完善离心泵性能提供指导。由于叶轮受到径向力影响，流道扭转角度的改变对径向力产生影响并在一定程度上影响了对血液的损伤。舒崚峰等12研究了利用CFD方法对离心血泵叶轮流道扭转10、20、40时流场内的变化情况，并验证了叶轮流道扭转为20时，血泵的改善效果最为明显；胡婉倩等13利用CFD方法探究影响血泵性能的因素，并得出结论：当叶片出口宽度为2.5mm左右时，泵内溶血值最低；吴华春等14通过仿真实验分析了不同高度的导流锥对于溶血性能的影响，得到：当导流锥为6mm时，溶血的影响最小。2.3顶部空间顶部空间决定了血液在血泵内的预充及滞留时长，谢楠等15研究发现：随着叶顶间隙的减小，标准溶血指数与最大标量切应力均呈显著的单峰变化趋势。间隙1mm模型的抗溶血性能最好，相对于原型降低了45%的溶血，并提升了在叶轮侧壁与泵壳下壁面之间的狭缝内的冲洗效果，有效降低了此区域形成血栓的风险。2.4其他除此之外，血液开口流向16、磁体选择17、叶轮的进出口直径/宽度/安放角度18、驱叶片出口宽度19等也会在一定程度上影响离心泵使用的可靠性，进而对血液产生影响。此处不再赘述。3使用工况影响使用工况影响云忠等20-23对血泵内血液的机械损伤机理进行了系统分析，结果表明高速撞击、内外压差过大、剪切撕裂等不同的使用工况均可对红细胞造成严重的损伤。离心泵使用过程中主要面临不同血液流速、不同转速、不同压力等使用场景。总的来说，通过离心泵泵头的高速运转驱动血液流动，不同转速产生不同血液流速，不同公司产品结构及流道设计上存在差异，相同转速下产生的泵压也略有不同，因此，工况对血液的影响，主要通过血液流速产生的剪切力实现。例如SCHPS等24通过CFD模拟和实际体外验证对DP3离心泵在不同流速下溶血性能进行了比较，结果显示：CFD模拟下1L/min时的溶血指数是4L/min时的2.5倍，但体外检测结果却显著增加了6.2倍。笔者认为该结果的出现是由于在低流速条件下血液更容易出现再循环，导致对血液损伤的影响增加，进而导致低流速下高溶血的发生。类似研究25-26均表明低血液流速下溶血会增加，对此还需要进一步研究和验证。4小结小结体外循环技术发展至今，离心式血泵因其对红细胞破坏小、适合长时间的体外灌注、流场内压力较小等原因，越来越成为体外循环手术中动力泵的主流。但如何开发出满足预期用途且最大限度减少对血液损伤的离心泵仍有较大的改进空间。根据相关研究，离心泵对血液的损伤受到多种因素的影响，在相同的使用工况下，离心泵设计的差异对血液损伤的影响也各不相同，包括支撑结构、叶轮设计、顶部空间、永磁体的选择、叶片出口宽度等均对产品性能以及血液的损伤产生一定程度的影响，因此如何更好地开发出性能均衡、血液损伤最小的血泵仍是当前该产品研制的热点和难点。此外，不同的临床场景会面临不同的应用工况，不同工况对离心式血泵也提出了不同的要求。例如，用于体外二氧化碳清除时，因需要与CRRT联用，其血液流速相对较低。正如前文所述，相同的离心泵在不同血液流速下产生的溶血影响也不相同，在此应用场景下就需要调整血泵设计，以使其更好地适应预期应用场景。ChineseJournalofMedicalInstrumentation2024年48卷第2期综合评述201最后，离心泵对血液的影响除了常见的溶血外，还需要考虑凝血、血小板激活与聚集、补体激活等各个方面，但当前相关研究还主要集中在溶血层面，对其他方面的研究较少，并且大多数的研究为CFD模拟或体外溶血研究，与真实的临床应用场景还有差异，例如，临床应用场景下肝素的使用等。如何更好结合临床真实应用场景获得更真实的数据，还需要更多研究。参考文献BOETTCHER 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