模拟血液循环回路的发展*

黄峰、朱卓玲

（中国计量大学计量测试工程学院，杭州310000）

1 背景和概述

心力衰竭已经严重威胁人类健康，同时，心脏病人的数据在连续攀升，影响了全世界超过2.6亿人口[1-2]。医学上治疗终末期心衰的最有效办法是心脏移植[3]，但是供体数量严重不足，极大地制约了心衰患者的救助率。近年来，心室辅助装置（VAD）的发展为心衰的治疗带来了新的思路，已成为终末期心衰治疗中的重要手段。血泵是心室辅助装置的核心，经过几十年的发展，血泵自早期的搏动容积式发展到连续流叶轮式，即目前普遍采用的旋转血泵，血泵性能得到大大提高[4]，但是不可忽视的是，血泵仍然存在着许多的问题，需要更进一步的研究发展。

在血泵的研发过程中需要对其性能进行评估，而最有效的办法是在真实的血液循环系统中测试，即动物试验，也可称为活体试验。但是活体试验的周期长、可重复性差，在很大程度上延缓研发进展。在活体试验之前采用体外测试方法评估血泵的性能，可以加快研制步伐，节约资源，是活体试验的重要补充。

2 模拟血液循环回路

体外测试平台需要建立起与人体真实血液循环系统相同的宏观血流动力学环境，为血泵提供与真实相似的工作环境，即模拟循环回路。模拟循环回路模拟人体血液循环系统的各种特征，其复杂程度随着模拟功能的增加而增加。例如，主动脉和大动脉最主要的特征是顺应性，即可伸缩性，普遍采用基于弹性腔[5]的模拟方法实现，即使用密封有一定气体的容器腔，通过调整气体与流体的体积比实现不同的顺应性值。

根据血泵的类型和其实际测试的需要，模拟循环回路可分别模拟血液循环系统的体循环、肺循环或者完整的双循环，可以测试血泵的基本水力性能，评估其辅助血液循环的能力，也能对其长期的稳定性和可靠性进行验证和评价。另外，模拟循环回路还可作为血泵生理控制的实验平台，功能多样化[6-7]。

3 模拟循环回路各类结构的发展

至今为止，模拟循环回路经过了多年的发展，从早期无心脏搏动的模拟，到采用推板活塞方式和气动方式模拟搏动，以及近年来较多采用的硬件在环回路方式，功能越来越完整。

3.1 简单测试回路

较早时，一些研究人员采用了相对简单的体外测试系统，此类系统未模拟心脏搏动的功能，主要实现血管的阻力和顺应性特征，回路的驱动使用的是测试泵本身。Makinouchi等[8]设计了一个简单的测试回路来评估离心血泵的水力损失，见图1（b），该回路包括一个相当于血管阻力的模块和一个储液容器，血管阻力利用一个夹持装置来模拟。见图1（a）、图 1（c），Yoshino等[9]与 Yoshizawa等[10]采用了类似的测试回路测试血泵的性能。由于无心脏搏动功能，这些回路并不是严格意义上的模拟循环回路，只是简单的体外测试回路。

图1 Yoshino等人建立的简单测试回路Fig 1 The simple testing loops

3.2 推板式模拟循环回路

随着对体外测试功能要求的增多，循环回路增加了心室搏动的模拟，从而为血泵测试提供更接近真实的生理环境。

Yokoyama等[11]设计了一个新的脉动循环回路，见图2，包含左心室模型、动脉系统模型、静脉系统模型、代表右心的离心泵以及肺循环。左心室袋放置在一个充满空气和液体的密封腔中，通过改变两者的比例，改变心室的弹性值，从而实现不同水平的收缩性，由线性执行器与推板的组合来实现心室的收缩和舒张。心室袋出入口均安装有单向阀门来防止流体的倒流。回路中静脉系统容器均与大气相通，以消除动脉脉动的影响。

Legendre和 Fonseca等[12-13]建立的模拟循环回路中，使用引擎驱动活塞推动模拟心室腔内的隔膜以实现搏动，见图3。图4为Zannoli等[14]构建的心血管系统机械模拟器，采用了与Legendre的装置类似的心室搏动模拟方法。

Leopaldi等[15]设计的体外测试平台见图 5，利用计算机控制的活塞泵直接驱动心室壁，使其周期性运动，从而实现循环泵功能。Mueller等[16]建立了右心室模拟循环回路，利用带有位置控制的活塞系统的直线电机，实现右心室模型的收缩与舒张，模拟心动周期及心脏的跳动。

图2 Yokoyama等建立的模拟循环回路Fig 2 The mock loop established by Yokoyama

图3 Legendre等人建立的模拟循环装置Fig 3 The mock loop by Legendre

图4 Zannoli等人建立的心血管系统机械模拟器Fig 4 The mechanical simulator of the cardiovascular system by Zannol

3.3 气动式模拟循环回路

一些研究人员以压缩空气作为驱动，模拟心脏的搏动，开发了另一类型的体外模拟循环回路。

Timms等人[17-18]建立了一个包含体循环和肺循环的完整的模拟循环系统，可以用于左、右心室辅助装置以及双心室辅助装置的体外性能评估，见图6。心室的收缩和舒张通过向模拟心室腔中通入压缩空气或者将心室腔与大气相通来实现，这里气路的换向采用了二位三通电磁阀，其换向的频率对应了心率的大小。模拟心房腔中的流体高度，建立与舒张心室之间的压力梯度，从而让模拟心室腔在舒张期能够被动充盈。止回阀在回路中相当于心脏瓣膜，防止流体的倒流。该装置使用了传统的弹性腔实现血管顺应性，体循环和肺循环血管的阻力则通过比例控制阀调整。

图5 Leopaldi等人设计的体外测试平台Fig 5 The testing loop by Leopaldi

Liu等人[19]设计的循环模拟系统见图 7（a），包括了体循环和肺循环，使用气体挤压硅膜组成的心室腔来模拟心室的搏动。Krabatsch等人[20]在测试HeartWare LVAD时搭建了一个模拟循环回路，直接使用了一个气动式血泵作为模拟心室，驱动整个回路，回路见图7（b）。

图6 Timms等人的气动式模拟循环回路，包含完整的体循环和肺循环Fig 6 The pneumatic mock loop by Timms，including the systemic circulation and the pulmonary circulation

图7 其它气动式模拟循环回路Fig 7 The other pneumatic mock loops

3.4 混合式模拟循环回路

随着血液循环系统数学模型的发展，一些研究者开始采用半实物仿真的方法来搭建混合式的模拟循环回路。

Ochsner等人[21]建立的“硬件在环”形式的混合模拟循环回路见图8，包括软件模型、硬件回路以及软硬件之间的数据接口三部分。集总参数描述的血液循环数学模型[17]，在Matlab/Simulink软件中进行实时数值模拟，获得所需的血液循环系统关键位置处，如左心室、主动脉等处的血压，并以此为设定值，通过反馈控制使实际物理容器中的压力实时跟随设定值，此时即可将相应的物理容器视为模拟左心室或者主动脉，它们为血泵进出口提供了与人体循环系统相应位置相似的压力环境。在该进出口压力情况下，测试血泵产生的流量可与接入真实循环系统相比拟。测试血泵的流量经由超声血流仪测量后又重新反馈到循环系统数学模型中，从而改变了下一时刻左心室、主动脉等处的压力，即产生了新的设定值。通过此方式，软件中的循环系统数学模型与测试血泵实现了实时交互。物理容器中的压力控制通过电比例阀调节进入和排出容器的气体流量来实现，同时，为了平衡物理容器中的流体体积，需要使用一个回流泵以保持容器中液位的相对恒定。

图8 Ochsner等人使用的混合模拟循环回路Fig 8 The hybrid mock loop used by Ochsner

Nestler等[22]也设计了一些混合模拟循环回路用于血泵体外测试，见图 9（a）。图 9（b）、图 9（c）为Darowski等[23]建立的循环系统混合模型，该模型具有参数连续可调、模拟波形准确和使用灵活等优点，得到了许多研究者的青睐。

3.5 小儿模拟循环回路

前述的模拟循环回路均是针对成人设计的，随着小儿心脏病人数的不断上升[24]，许多研究者开始关注小儿心室辅助装置的研发[25]，继而对小儿体外模拟循环测试系统的需求也越来越多。小儿循环系统的血压、血流量、血管顺应性和阻力均与成人具有很大的不同，而且随着年龄的增长，这些数值不断地变化，所以不能简单地在成人模拟循环回路上评估小儿心室辅助装置。Pantalos等人[26]开发了一个包括体循环和肺循环的小儿模拟循环回路，见图10（a），采用了气动血泵产生脉动流，该回路可以实现正常和心衰状况下小儿血流动力学的复制。除此，Vandenberghe、Huang、Pugovkin等人[27-29]皆开发了小儿模拟循环回路，用于小儿心室辅助装置的测试，见图10（b）、图10（c）、图 11。总之，目前小儿模拟循环回路的数量和功能都有局限性，有待于进一步的研究开发。

图9 （a）.Nestler等的混合模拟循环回路；（b）.Darowski等建立的混合模型连接LVAD的原理图；（c）.混合循环模型照片Fig 9 （a）.The hybrid mock loop by Nestler；（b）.the hybrid mock loop by Darowski；（c）.the photo of hybrid mock circulation model

图10 研究人员开发的小儿模拟循环回路Fig 10 The pediatric mock loops developed by researchers

图11 Pugovkin等建立的儿童模拟循环系统Fig 11 The pediatric hybrid mock loop by Pugovkin

3.6 国内对模拟循环回路的研究

国内的研究者们也开展了一些关于体外模拟循环回路的研究。钱坤喜等[30]在测试其叶轮血泵时，基于Pantalos等[31]的研究，建立了模拟循环回路，包含顺应性和外周阻力的模拟，无心脏搏动的模拟。樊瑜波等[32]研制的含主要动脉分支的体循环模拟系统，采用了与Yokoyama[11]几乎相同的设计。潘仕荣、吕雪烽等[33-34]也设计了相应的模拟循环回路，模拟左心室收缩和舒张，实现正常和心衰等多种心室状态。总的来说，国内学者使用的模拟循环回路相对简单，主要实现动脉弹性腔和血管阻力的模拟，较少关注完整心脏功能的模拟，同时也较少采用混合式的模拟循环回路。

4 总结与展望

随着心室辅助装置的发展，模拟循环回路已经逐渐趋于完善。早期的一些测试回路无心脏搏动的模拟，只关注血管阻力和顺应性的简单实现。此后基于推板活塞方式或者气动驱动方式模拟心脏功能的模拟循环回路，虽然实现了心脏泵功能的模拟，但是由于血管阻力和顺应性的模拟通过使用节流和密封气体的弹性腔方式实现，其值存在准确模拟困难、无法做到大范围连续可调等缺点。相比推板式，虽然气动方式的模拟心室在定性上具有一定的前负荷敏感性，但是这种敏感性在定量上是与生理数值不相吻合的。混合式体外模拟循环回路结合了数值模拟和物理回路的优势，能够灵活方便地实现多种生理状况下血液循环系统多个关键位置的血流动力学模拟。

除上述问题外，回路中仍然存在着其它可待提高的地方。其一，回路中未引入任何循环系统自身生理反馈调节功能，这在一定程度上限制了血泵和血液循环系统之间的交互影响研究。其二，混合式模拟循环回路采用的血液循环系统数值模型是集总参数，而不是分布式的，在血泵插管方式变化时需要对模型进行一定程度的扩展。且现有的装置以左心室辅助装置偏多，忽略右心脏因为该装置的操作而加快衰竭，自然也较少有用于测试右心室辅助装置的模拟循环回路。在实验操作上，有部分把肺循环或者体循环独立开，前后负荷直接耦合，事实上，两者之间相互联系，如果要准确地模拟自然心脏，仍需进一步研究。另外，目前针对小儿的体外模拟循环回路相对较少，也需要更进一步发展。