离心泵驱动闭式体外循环系统的工作效率研究

闫姝洁，李勇男，刘 刚，滕 媛，刘铭月，李景文，吉冰洋，楼 松

·基础研究·

离心泵驱动闭式体外循环系统的工作效率研究

闫姝洁，李勇男，刘 刚，滕 媛，刘铭月，李景文，吉冰洋，楼 松

目的建立离体离心泵驱动闭式体外循环系统实验研究模型，研究离心泵工作效率影响因素。比较ROTAFLOW(MAQUET)和Revolution 5(SORIN)离心泵的工作效率。方法建立离体离心泵驱动闭式体外循环系统实验研究模型，以生理盐水作为研究介质，于模拟不同静脉回流及泵后阻力条件下，分别采用ROTAFLOW和Revolution 5离心泵进行转流，记录离心泵转速、流量、工作效率(即流量转速比值)、泵前压力、泵后压力，并绘制上述变量相关曲线。结果离心泵流量与转速呈线性正相关，工作效率与转速正相关。ROTAFLOW工作效率低于Revolution 5。固定转速时，离心泵流量及工作效率与泵后压力呈负相关，与泵前负压值呈负相关。结论离心泵工作效率受离心泵结构、转速、离心泵前压力及泵后压力的影响。离体条件下，Revolution 5离心泵工作效率高于ROTAFLOW。

闭式体外循环系统；体外膜肺氧合；离心泵；离体研究

体外生命支持技术(extracorporeal life support，ECLS)或体外膜肺氧合(extracorporeal membrane oxygenation，ECMO)技术是对严重循环和(或)呼吸功能衰竭患者的重要的支持治疗手段，通常用于传统治疗方法失败的患者。使患者循环及呼吸系统得到充分休息，减缓疾病进程，为心肺功能恢复赢取时间[1]。

随着ECMO技术的革新，血液驱动泵已经由滚压泵逐渐发展至磁浮离心泵[2]，并已得到普遍应用。而且越来越多的中心开始采用离心泵驱动的闭式体外循环管路，以期降低预充量。阜外医院目前使用Jostra ROTAFLOW(MAQUET公司，德国)和Revolution 5(SORIN公司，意大利)两种离心泵。ECMO运行期间，离心泵高速运转，泵头圆心中央部形成负压,使泵前静脉端血液回流;圆周部形成正压，驱动血液流动，产生流量，并克服机体动脉或静脉端压力将血流泵入体内[2]。离心泵流量与转速的比值代表离心泵每一转可产生的流量，笔者认为该值反映了离心泵的工作效率。本研究将通过建立离体闭合式体外循环系统，研究离心泵转速、流量、泵前压力、泵后压力、流量转速比值之间的关系，并比较ROTAFLOW和Revolution 5两种离心泵的动力学特性及工作效率。本研究无商业资助，与研究中涉及产品无利益相关。

1 资料与方法

1.1离体闭合式体外循环系统实验模型建立 实验模型由3/8管路(PLS管路，MAQUET公司)、膜式氧合器(PLS-i氧合器，MAQUET公司)、离心泵及控制器(ROTAFLOW离心泵及控制器，MAQUET公司；Revolution 5离心泵及控制器，SORIN公司)、储血罐(模拟假人)及 F24动脉插管(上海祥盛医疗器械公司)构成。并于离心泵前后设置压力监测(压力传感器，美国血液技术公司)及可调控管道变径钳(图1)。通过变径钳可调节离心泵前后管路阻力以模拟不同静脉回流情况及泵后阻力。

系统采用2 000 ml生理盐水预充，其中管路内约600 ml，储血罐内1 400 ml。维持每次实验储血罐(模拟假人)、离心泵及测压传感器高度一致。

1.2试验设计 在离体闭合式体外循环系统研究模型基础上，分别使用ROTAFLOW离心泵及Revolution 5离心泵完成下述实验，每组实验重复三次，记录数据取均值。

1.2.1每组模拟闭合式体外循环系统理想状况，泵前静脉充分回流，泵后管路通畅(离心泵前后管路未夹变径钳)。离心泵转速从1 000 rpm起每100 rpm递增至 4 000 rpm(考虑到临床中，成人ECMO或体外循环期间，离心泵转速极少低于1 500 rpm，试验最低转速设置为1 000 rpm)，记录该转速下离心泵所产生的流量、流量转速比值、离心泵前、泵后压力，绘制两种离心泵的转速-流量、转速-流量转速比、转速-泵前压力、转速-泵后压力关系图。

1.2.2模拟离心泵梯度泵后阻力情况，保证静脉充分回流(通过离心泵泵后管路变径，建立泵后压力梯度，泵前管路未夹变径钳)，离心泵转速分别设为1 500 rpm，2 000 rpm，2 500 rpm，3 000 rpm，3 500 rpm，4 000 rpm，记录不同转速下离心泵所产生的流量及流量转速比，绘制两种离心泵不同转速下的泵后压力-流量、泵后压力-流量转速比关系图。

1.2.3模拟离心泵泵前梯度静脉回流情况，保证泵后管路通畅(离心泵泵后管路变径，建立泵前负压梯度，泵前管路未夹变径钳)，离心泵转速分别设为1 500 rpm，2 000 rpm，2 500 rpm，3 000 rpm，3 500 rpm，4 000 rpm，记录不同转速下离心泵所产生的流量及流量转速比，绘制两种离心泵不同转速下的泵前压力-流量、泵前压力-流量转速比关系图。

1.3统计方法 统计分析采用SPSS 22软件，绘制离心泵转速、流量、泵前压力、泵后压力关系曲线。对符合线性关系的变量关系作线性拟合方程，得到拟合系数R2，R2>0.9则认为线性拟合度良好。

图1 闭式体外循环系统模拟系统管路设计

2 结 果

2.1理想状况模拟结果 理想状况下(保证泵前静脉充分回流，泵后管路通畅)，闭合式体外循环系统离心泵流量与转速呈线性正相关(图2-B)，拟合线性方程，Revolution 5：流量=2.5844×转速-670.62，R2=0.99997，ROTAFLOW：流量=1.8304×转速-493.75，R2=0.9997。在研究范围内，相同转速下，Revolution 5 离心泵所产的流量大于ROTAFLOW。

离心泵流量转速比值代表离心泵每一转所产生的流量，该比值随离心泵转速增加而增大，并趋向于最大值(离心泵达最大转速时)(图2-A)。

Revolution 5流量转速比=2.5844～670.62/转速，当转速1 500～3 500 rpm，该比值为2.1～2.4 ml/r,最大值为2.40 ml/r(最大转速3 500 rpm)，ROTAFLOW流量转速比=1.8304～493.75/转速，当转速1 500～3 500 rpm，该比值为1.5～1.7 ml/r，最大值为1.73 ml/r(最大转速5 000 rpm)，Revolution 5流量转速比值明显高于ROTAFLOW。

随着离心泵转速提高，离心泵泵前负压值增大，泵后压力增大。相同转速下，Revolution 5 离心泵对应的泵前负压值、泵后压力高于ROTAFLOW(图2-C，图2-D)。当离心泵转速为3 000 rpm时，Revolution 5泵前负压值为-194 mm Hg，泵后压力值为261 mm Hg，ROTAFLOW泵前负压值为-81 mm Hg，泵后压力为126 mm Hg。两种离心泵呈现基本相同的流量-泵后压力、流量-泵前压力曲线关系(图2-E，图2-F)，离心泵流量分别与泵前负压值和泵后压力正相关。

2.2离心泵泵后压力梯度、泵前负压值梯度模拟结果 在保证泵前管路回流充分条件下。相同转速下，随着泵后阻力增大(体现于泵后压力增大)，Revolution 5和ROTAFLOW离心泵所产生的流量均减少，流量转速比值减小(图3)。泵后管路通畅条件下，随着泵前回流效果变差(表现为泵前负压值增大)，两种离心泵所产生的流量减少，流量转速比值减小(图4)。

在低转速时，流量-泵前压力曲线、流量-泵后压力曲线、流量转速比-泵前压力曲线、流量转速比-泵后压力曲线斜率更大，即表示低转速时，离心泵流量变化和流量转速比值对泵后阻力、泵前负压值更敏感。

图2 理想状态离心泵转速、流量、流量转速比、泵前后压力关系图

图3 泵前回流情况梯度变化，泵后压力-流量、流量转速比关系图

图4 泵后阻力梯度变化，泵后压力-流量、流量转速比关系图

3 讨 论

评价离心泵的关键性能为生物相容性(即降低血液破坏和血栓形成)[3-5]，另外需考虑工作效率、安全性、使用时限及操作便捷性。笔者认为离心泵流量与转速比值，即离心泵每一转可产生的流量，反映了离心泵的工作效率。离心泵高转速条件下会产生高剪切力环境。近几年的研究表明高剪切力环境与获得性Von Willebrand综合征相关，是导致ECMO期间出血的重要机制之一[5-6]。此外，离心泵的高转速还是ECMO游离血红蛋白增加的独立危险因素，与患者不良预后相关[7]。由此，笔者推测优化离心泵的工作效率可能会减轻ECMO期间离心泵相关的血液破坏及出血并发症发生率。

本研究比较了ROTAFLOW和Revolution 5离心泵的工作效率。在保证泵前静脉充分回流、泵后管路通畅的理想情况下，使用生理盐水为研究介质时，Revolution 5离心泵工作效率更高。ROTAFLOW 和Revolution 5 均为磁力驱动离心泵。驱动器通过磁力耦合传动，驱动离心泵泵头内转子高速旋转。ROTAFLOW离心泵采用单点轴承设计，以减少摩擦力。而Revolution 5 离心泵则采用无轴封低摩擦力的轴承设计。此外，磁力驱动离心泵还包括磁悬浮离心泵。电动机带动外磁转子旋转，形成磁场带动与叶轮或轴承内部内磁转子同步旋转，实现了动力的无接触传递[8]。当离心泵内叶轮旋转时，叶轮同时受内外磁场的相互作用磁力以及液体流动产生的流体力共同作用，当作用力互相平衡时，叶轮即可达到悬浮，可极大减轻叶轮转动时的摩擦力，是磁浮离心泵工作效率增高的关键[9-11]。笔者推测两者工作效率的差异可能与两种离心泵叶轮所受磁场力及流体力的差异有关。

离心泵的工作效率与转速相关，在高转速条件下离心泵表现出更为出色的工作效率。在2 200 rpm以上时，理想状态下，Revolution 5 和ROTAFLOW离心泵的工作效率均可达到最大值的95%以上，而在低转速时离心泵工作效率较低。

除了离心泵本身的结构及特性外，不容忽视的是，离心泵的工作效率也与离心泵泵前泵后压力息息相关。本研究结果显示，离心泵泵后阻力增大(体现于泵后压力增大)或者泵前静脉回流不畅(体现于泵前负压值增大)时，Revolution 5和ROTAFLOW离心泵所产生的流量均减少，流量转速比值减小。在临床工作中，泵后阻力增大的情况见于患者外周血管阻力增大、高血压、泵后管路扭折、动脉插管位置不佳与膜式氧合器内血栓形成。泵前负压值增大回流不畅的情况见于患者有效循环血容量不足、静脉插管位置不佳、泵前管路扭折[12]。可以通过流量转速比值来判断是否存在静脉回流不畅或泵后阻力增大的问题，并通过调节插管位置、排除管路扭折、膜肺血栓形成、增加有效循环血量、适当降低患者外周血管阻力以使离心泵达到更为理想的工作效率，可能可以减轻高剪切力带来的并发症。

值得一提的是，在低转速低流量时，离心泵流量变化和流量转速比值对泵后阻力、泵前负压值更敏感。在ECMO运行后期，随着患者心功能逐渐恢复，ECMO所需提供流量将减少，即可降低转速，此时泵后泵前压力的变化可能引起较大的流量变化，此时更应该严密观察离心泵的流量变化，避免流量大幅波动。

本研究存在一定局限性。本研究采用生理盐水作为模拟离心泵驱动闭式体外循环系统的研究介质，而血液是一种黏滞度高的非牛顿液体，其流变特性与水不同，进一步研究可以以血液为研究介质对上述结果验证。

4 结 论

离心泵的工作效率同时受离心泵本身结构特性、转速、离心泵前后压力共同决定。临床工作中可通过调节转速、泵前压力、泵后压力使离心泵达到最优工作效率，可能将减轻离心泵高剪切力引起的并发症。本研究建立了离心泵驱动闭式体外循环系统研究平台，当以生理盐水为研究介质的离体模型中，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,中国医学科学院,北京协和医学院,国家心血管病中心,阜外医院体外循环科

楼松,E-mail,lousongfw@163.com

2017-03-30)

2017-05-05)