体外循环心脏手术模拟系统的研究

魏天娇，胡兆燕,，陈正龙，孙珵琭

1 上海理工大学机械工程学院，上海市，200093

2 上海理工大学医疗器械与食品学院，上海市，200093

3 上海医疗器械高等专科学校医疗器械工程系，上海市，200093

体外循环心脏手术模拟系统的研究

【作 者】魏天娇1，胡兆燕1,2,3，陈正龙3，孙珵琭1

1 上海理工大学机械工程学院，上海市，200093

2 上海理工大学医疗器械与食品学院，上海市，200093

3 上海医疗器械高等专科学校医疗器械工程系，上海市，200093

根据临床体外循环手术的要求，建立了一套心脏体外循环手术模拟系统。该模拟系统主要由静脉储血腔、可变平衡腔、血液吸引腔、心室吸引腔、阻力阀、压力表以及管路组成。灌注师可利用该系统对预先制定的手术方案进行模拟，预判手术中可能出现的各种异常状况，并进行相应的紧急处理，提高手术成功率，以保证患者生命安全。

心脏手术；体外循环；灌注师；模拟系统；人工心肺机

0 引言

1953年Gibbon 用心肺转流辅助装置成功进行了世界上第1例心内直视手术后，体外循环技术进入快速发展时期。体外循环(extracorporeal circulation, ECC)又称心肺转流(cardiopulmonary bypass, CPB)，其原理如图1所示。CPB就是靠人工心脏（血泵）将流回心脏的静脉血阻止进入右心房，通过管路系统引入到体外的氧合器（亦叫人工肺）内进行气体交换，使之变成含氧气的动脉血，经人工肺充氧后的血液再由人工心脏（血泵）通过主动脉的分支管输回主动脉, 供给大脑及全身各部组织器官以维持机体在循环阻断时的生理功能，保证心内直视手术的安全，为心脏外科医生提供必要的条件。这样靠人工心脏和人工肺在体外进行的循环, 称作体外循环。人工心肺机（artificial heart lung machine）主要是在心内直视手术时代替心脏和肺脏功能。在进行心脏手术时，心脏必须处于无血状态，以保证手术视野清晰[1-6]。

目前，体外循环不仅用于心血管疾病，如新生儿先天性心脏病、风湿性心脏病、冠心病等心内直视手术、心脏瓣膜置换术和冠状动脉架桥等手术时阻断回心血流，在非心血管领域，如体外膜肺氧合、肝脏移植、肿瘤治疗、脑外科、意外抢救等中也有广泛的应用[7]。

图1 体外循环原理图Fig.1 The schematic of cardiopulmonary bypass

体外循环的出现使得心血管外科的发展突飞猛进。国内医院中，专门成立体外循环科室的还不多，大部分医院的体外循环工作都是由外科医师、麻醉师、护士和其他技术人员兼职，与近5年来新开展心血管手术的大部分医院没有设置专职灌注师有很大关系[8]。随着心血管手术量的增多，我国高素质的灌注师数量严重不足。

临床体外循环手术高度复杂，需要外科医师、麻醉师、灌注师以及护理人员相互配合，如果灌注师对体外循环手术流程不够熟悉，手术中管路联接错误或者人工心肺机操作不当，易出现各种问题甚至发生意外。因此一套体外循环模拟系统可以帮助灌注师在临床手术前熟练掌握体外循环管路的联接以及人工心肺机的操作，在体外循环发生意外时能够进行及时有效处理，保证患者安全。

1 系统的设计要求

体外循环启动后要随时观察上、下腔静脉引流是否满意，中心静脉压是否升高，左心引流是否通畅，心脏是否膨胀，以便及时发现并排除故障。因此，体外循环过程中，灌注师要时刻观察以下指标，发现异常时及时与外科医生沟通，排除故障。

(1) 灌注流量 灌注流量是体外循环中重要的灌注指标和监测项目之一。常温下一般采用高流量灌注，成人灌注流量大于2.4 L/(m2·min)，儿童流量维持在3.2 L/(m2·min)左右[1]。

(2) 静脉压力 体外循环中，静脉压力无法直接测量，一般监测中心静脉压(central venous pressure，CVP)，中心静脉压通过上、下腔静脉或右房内置管测得，其正常值为(0.59～1.18) kPa[1]，是体外循环心脏外科必备的监测。

(3) 动脉压力 CPB期间因无搏动型灌注，需要直接动脉内测压，且只能监测平均动脉压（mean arterial pressure, MAP）。MAP是CPB中评价循环功能的最重要的指标之一[1]，反映了容量、有效灌注流量、血管阻力三者之间的关系。通常在足够的灌注流量下患者可维持在5.33 kPa以上的平均动脉压，超过12.0 kPa时应该使用扩血管药物，以平衡动脉血压和灌注流量的关系。

(4) 主泵压力 CPB中动脉管路压力除与灌注流量、灌注压力有关外，更直接与体外循环动脉泵前阻力有关，主要来自于动脉泵到动脉内插管尖端的阻力。正常情况下为26.67 kPa左右，不应超过40.0 kPa[1]。如果太高则可发生各部分连接处崩脱，将引起CPB被迫停机，机体遭受缺血、缺氧的严重后果。因此，泵压的持续监测在CPB全程至关重要，是必不可少的监测项目。

2 系统的结构设计

根据上述设计要求，设计了图2所示的体外循环手术模拟系统。该系统主要由静脉储血腔、可变平衡腔、血液吸引腔、心室吸引腔、阻力阀、压力表以及管路组成。可模拟心脏手术由于动静脉插管不当、外周血管阻力变化引起的压力变化，手术时心室或胸腔内充血，手术中自体血液回收等问题，并可观察灌注流量、灌注压力、动静脉压力、外周血管阻力、动静脉插管阻力之间的相互关系。

图2 体外循环心脏手术模拟系统原理图Fig.2 The schematic of simulation system for cardiopulmonary bypass surgery

静脉储血腔模拟静脉储血，满足体外循环手术中的循环血量，阻力阀3模拟静脉插管时的阻力，通过调节阻力大小观察压力变化，压力表8用于监测中心静脉压。

血液由静脉引出后，经过氧合器氧合成动脉血，再由血泵通过主动脉输送到人体。阻力阀1模拟动脉插管时的阻力，阻力阀2模拟外周血管阻力。通过调节阻力阀1、2阻尼的大小观察动脉压力的变化，压力表9用来监测平均动脉压。

在体外循环时,会有少量血液回流到左心房,左心插管的作用就是对心腔进行减压或吸引心脏内的血液，否则由于主动脉阻断,左心室回流的血液使心脏膨胀等,无法手术。心室吸引腔模拟心室，当心室吸引指示器液面上升时，心室内充血，此时外科医生通知灌注师开启心室吸引泵将血液吸引至储血罐。

体外循环中，可能会有少量血液流入胸腔内，影响手术视野，灌注师要将手术视野中的血液吸引至储血罐，回收患者的失血。血液吸引腔模拟胸腔，当血液吸引指示器液面上升时，胸腔内充血，此时外科医生通知灌注师开启血液吸引泵将血液吸引至储血罐。

根据体外循环临床经验与手术需求，模拟系统与人工心肺机的连接用临床标准管径，其中：静脉引流管为1/2 in(1 in=25.4 mm)，动脉灌注管为3/8 in，主泵管为1/2 in。心内吸引回收血液使用内径1/4 in的聚氯乙烯管[9]。

3 实验结果

3.1 动脉插管不当对灌注压的影响

主动脉软管阻力阀用来模拟动脉插管压力，打开阻力阀1、2、3，关闭阀4和阀5，开启人工心肺机的主泵，通过调节阀1来模拟插管位置是否正确。

实验结果如图3所示，我们将主动脉阻力阀1调至三种不同的开度：阻力1、阻力2和阻力3，来模拟不同的插管情况，插管顺畅时对应最小的阻力1；反之，当动脉导管误入动脉夹层时对应最大阻力3，由图3可以看出，维持恒定的灌注流量时，灌注压会随着主动脉软管阻力的增大而增加；另外，当主动脉阻力一定时，灌注压会随着流量的增大而增加，且流量越大，灌注压增长越快。灌注师应及时提示外科医生主动脉插管有误，外科医生做相应处理。

图3 主动脉软管阻力、灌注流量和灌注压之间的关系Fig.3 Relationship of aortic cannula resistance, perfusion fow and pressure

3.2 静脉插管不当对灌注压的影响

模拟系统中，静脉储血腔处的静脉压力表8测量插管后的静脉压力，打开阀门3将静脉血引出，若插管不当，血液不能充分引流，通过增大阀3阻力来模拟引流不充分。

图4 静脉引流阻力、灌注流量和灌注压之间的关系Fig.4 Relationship of venous outfow, perfusion fow and pressure

图4的实验结果表明，当静脉引流阻力一定时，灌注压力会随着流量的增大而增加，当灌注流量不变时，灌注压会随着静脉引流阻力的增大而增加。随着静脉引流阀阻力的增加，静脉引流不畅，若灌注流量增大，静脉储血腔压力会急剧增大，此时灌注师应减小泵速，提示外科医生检查静脉插管。

3.3 外周血管阻力变化对灌注压的影响

心脏手术中，若体外循环降温，外周血管阻力增加[1]，此时应使用血管扩张药物，减小血管阻力。模拟系统中阻力阀2模拟外周血管阻力的变化。图5是外周血管阻力变化时，灌注流量以及灌注压力的变化。图5的实验结果表明，灌注流量一定时，动脉压力会随着外周血管阻力的增大而增大[10]。外周血管阻力一定时，动脉压力会随着灌注流量的增加而增大。

图5 外周血管阻力阻力、灌注流量和灌注压之间的关系Fig.5 Relationship of peripheral resistance, perfusion fow and pressure

3.4 体外循环自体血的回收利用

（1）心室内血液回收利用

在体外循环时，虽然肺动脉没有右心室的供血,但是由于支气管动脉与肺小动脉存在交通支,因此肺不是完全没有血液灌注的，这部分血液通过肺小动脉到肺静脉，回流到左心房，左心插管的作用就是对心腔内进行减压或吸引心脏内的血液，否则由于主动脉阻断，左心室的回流血液积聚导致心脏膨胀等,从而无法手术。

打开阀5至阻力最小状态，此时血液会流入心室吸引腔，心室吸引指示器液面上升，模拟心室内充血。此时手术医生通知灌注师心室充血，灌注师应开启心室吸引泵将血液吸引至储血罐内。在吸引过程中要控制泵速，防止过度吸引造成负压。临床手术中，灌注师根据手术医生指示调节吸引泵，直至心室无血且不造成负压[11]。图6是实验中不同灌注流量下吸引泵的吸引流量。

（2）胸腔内血液回收利用

体外循环中，可能会有少量血液流入胸腔内，影响手术视野，灌注师要将手术视野中的血液吸引至储血罐，回收患者的失血。在吸引过程中要避免过度吸引造成负压，用低压吸引来避免血液破坏[12]。

图6 灌注流量与吸引流量之间的关系Fig.6 Relationship between perfusion fow and suction fow

打开阀4，血液流入血液吸引腔，血液吸引指示器液面上升，模拟胸腔内充血。此时手术医生提醒灌注师胸腔内充血，灌注师应开启血液吸引泵将血液吸引至储血罐内。

（3）可变平衡腔内自体血的回收利用

系统中设计可变平衡腔的目的就是平衡体外循环中的血流量，使体外循环维持正常压力。动脉堵塞，外周血管阻力升高导致灌注量减少时，动脉压力会升高，可开启移液阀6，此时血液会进入可变平衡腔，外科医生检查完毕重新开启CPB；或者静脉引流不畅时，氧合器储血罐液面会急剧下降，由灌注师首先发现，此时开启平衡腔的加液阀7，平衡腔内血液会流入储血罐，实现患者血液回收利用。

4 讨论

通过实验证明，该模拟系统可以模拟心脏手术中典型的临床问题，可直接观察心脏体外循环手术中灌注流量、灌注压力、动静脉压力、外周血管阻力、动静脉插管阻力之间的相互关系，使灌注师能够根据预先制定的手术方案，借助模拟系统模拟手术，预判手术中可能出现的各种异常状况，并进行相应的紧急处理，提高手术成功率，以保证患者生命安全。此外，该模拟系统也极大地方便了体外循环相关的教学实践。

但是由于现阶段体外循环手术模拟系统相关研究较少，该系统存在许多需要完善的地方，如在今后的研究中，可向小型化、智能化的方向发展，提高系统的精确度，使模拟系统更接近真实生理情况。

[1] 龙村. 体外循环灌注技术[M] . 北京: 人民卫生出版社, 2008.

[2] 葛斌. 人体机能替代装置[M] . 上海: 科学出版社, 2007.

[3] 樊翔, 曾繁丰. 浅谈人工心肺机[J]. 中国医疗器械信息, 2009, 15(12), 34-35.

[4] 胡卫. 微型体外循环应用的进展[J]. 重庆医学, 2009-03, 711-713.

[5] 龚庆成. 体外循环技术指导[M]. 北京: 人民军医出版社, 2006.

[6] Gravlee GP. Cardiopulmonary bypass: principles and practice[M]. Lippincott Williams & Wilkins, 2008.

[7] 胡小琴. 我国体外循环研究的现状与未来[J]. 中华医学杂志, 2003, 83(16), 1377-1378.

[8] 赵明霞, 吴蓓, 杨舒娅, 等. 中国体外循环专业及从业人员构成变化分析[J]. 中国胸心血管外科临床杂志, 2013 (2): 222-225.

[9] 龙村, 黑飞龙. 体外循环教程[M]. 北京: 人民卫生出版社, 2011.

[10] 李洪, 钱坤喜. 体外模拟心血管系统血液动力学性能分析[J]. 生物医学工程学杂志, 2006, 23(4): 778-780.

[11] Reesink K, Dekker A, Van der Nagel T, et al. Suction due to left ventricular assist: implications for device control and management[J]. Artifcial Organs, 2007, 31(7): 542-549.

[12] 张尔永, 陈槐卿. 体外循环中应用超滤法对血液流变学的影响[J].中华麻醉学杂志, 1990, 10(4): 205-208.

The Study of Simulation System for
Cardiopulmonary Bypass Cardiac Surgery

【Writers】Wei Tianjiao1, Hu Zhaoyan1,2,3, Chen Zhenglong3, Sun Chenglu1
1 College of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai, 200093
2 School of Medical Instrument and Food Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai, 200093
3 Department of Medical Device Engineering, Shanghai Medical Instrumentation College, Shanghai, 200093

cardiac surgery, cardiopulmonary bypass, perfusionist, simulation system, artifcial heart-lung machine

R654.2

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2014.05.008

1671-7104(2014)05-0341-04

2014-05-28

魏天娇，E-mail: wtianj902@163.com

【 Abstract 】According to the clinical requirements of cardiopulmonary bypass surgery, this paper established a simulation system for cardiac surgery which consists of venous reservoir, variable balance chamber, blood suction bag, ventricle suction bag, resistance valves, pressure gauges and tubings. Using the proposed system, perfusionists can mimic the implementation of pre-established surgery strategy, predict various abnormal conditions in the operation, and accordingly take the urgent actions so as to improve the success rate of surgery and to ensure the safety of patients.