下腔静脉植入式呼吸辅助器实验室研究(Ⅰ)——阻力特性及氧气传递研究*
作者：黄 勇 谭小苹 裴觉民
单位：(四川联合大学西区 工程力学系，成都 610065)
关键词：下腔静脉；植入式呼吸辅助；阻力特性；氧传递
生物医学工程学杂志980303
内容摘要 采用自行研制的下腔静脉呼吸辅助器(IVOX)，进行了实验室研究。阻力特性实验(实验段分别采用刚性管和柔性管)结果表明，IVOX的植入给下腔静脉带来了一定的附加阻力压降，刚性管压降较柔性管压降大，尺寸越大的IVOX在两种实验段的压降差别越大。通过水中的氧气传递实验发现，IVOX的氧合能力随水流量、氧气流量的增加而增加，进口氧浓度越低，氧合效率越高。在出口压力一定时，为防止出现气泡，应控制氧气流量，并考虑采用真空抽气方法。
In Vitro Testing of the Intravenacaval Respiratory Assist
, http://www.100md.com
Device (Ⅰ)——Pressure Drop Characteristics andⅠ)——Pressure Drop Characteristics and
Oxygen Transfer Performance
Huang Yong Tan Xiaoping Pei Juemin
(Engineering Mechanics Department, Sichuan Union University, West Campus，Chengdu 610065)
Abstract The intravenacaval respiratory assist device(IVOX) of three different sizes developed by the present authors were evaluated experimentally in vitro.The tests using in turn two different test chamber materials(rigid and elastic)showed that a pressure drop occured.The pressure drop was higher in rigid test chamber than that in the elastic one,and the pressure drop difference between these two kinds of chamber increased with the diameter of the bundle of IVOX. Oxygen transfer rate, with water as the medium in the tests,was augmented with increasing water flow rate and gas flow rate,and with decreasing inlet oxygen concentration in water.It was concluded that, to avoid bubbles produced by IVOX,the gas flow rate should be controlled with fixed outlet water pressure,and vacancy be used in the effluent gas system.
, 百拇医药
Key words Intravenacaval respiratory assist device Pressure drop Oxygen transfer rate
1 前 言
人体下腔静脉植入式呼吸辅助器即血管内氧合器(IVOX)[1]，是用来救助患急性呼吸衰竭
的病人(ARDS)的。它出现在1987年，由美国的Mortenson[2]首先提出构想，并研制成第一只原型。IVOX与体外呼吸辅助(ECMO)相比具有以下一些优点：不需要附加的体外循环回路，而是通过简单的外科手术植入人体下腔静脉，利用人体本身的循环动力，从而减少了体外循环所必需的复杂装置；不存在血液预充量的问题，维护、使用方便，大大降低了费用等。由于以上优点，IVOX引起了国外许多研究工作者的注意。有些人也开始从事IVOX的研究开发。现已研制出各式各样的IVOX，并进行了实验室测试及临床研究。
, 百拇医药
目前在实验室研究的IVOX大致有两种类型，一种以Mortensen[2]等人所研制的IVOX为代表，即由一束数百根外径为0.38 mm的中空纤维封端而成，纤维长30～40 cm，氧气从内管进入中空纤维，二氧化碳由外管排出体外。另外一类以Snider等人研制的为代表，外形更为复杂，纤维被编成各种复杂的几何形状单元，由若干个这样的单元串联起来组成，有的还带有气囊，其制作工艺较前种复杂[3～5]。
为检测不同IVOX的气体传递特性，国际上对IVOX的实验室检测按工作介质可分为两种：(1)水-氧实验：即以水作为工作介质进行IVOX的气体传递实验，如Snider[3]等人都采用了这种方式，水-氧实验优点是可以初步探讨IVOX的气体交换性能，实验介质获取容易，并可对IVOX的流体动力特性和机械工作耐久性作出评估。(2)血-气实验：即以动物血液为工作介质进行气体传递实验，国外进行这类实验的研究人员以Mortenson[1]、乾一清重[6]等人为代表，血-气实验更贴近临床实验，但取血不易，实验要受血液活性时间等多方面的限制。
, 百拇医药
目前在各种IVOX实验室测试中，测试的实验段多采用刚性管来代替人体的下腔静脉，着重于IVOX的气体传递性能研究。IVOX植入人体下腔静脉后，其对人体的血液循环系统有何影响?不同尺寸的IVOX对人体血液循环系统的这种影响有多大差别?这些问题对IVOX的临床应用具有重大的意义，但现今的实验室研究少有探讨。人体的静脉管是柔性管，具有许多和刚性管不同之处。静脉管壁较薄，其杨氏模量较小，当管内压低于外压时可能产生塌陷；当管内压高于管外压时管腔膨胀。静脉内的流动很容易受压力变化等因素的影响而产生波动，在IVOX的实验室测试中若用刚性管代替静脉管，因两者的弹性模量有很大差别，显然不可能准确反映IVOX对人体下腔静脉血流的影响。
笔者自行研制了IVOX(中空纤维由复旦大学及德国AKZO公司提供)，并对其性能进行多方面的实验室测定，如阻力特性，氧气传递性能(包括如何防止气泡的产生)，二氧化碳传递性能等。本文仅介绍阻力特性及氧气传递性能的实验室测定。
2 实验装置
, http://www.100md.com
实验室测试回路如图1所示：
图1 实验流程与装置
Fig 1 Schematic diagram of the in vitro test circuit
以一血泵(TXT12滚柱式血泵，上海医疗器械厂)提供水循环的动力，并调节流量。回路中的脱氧器用来调节水的氧含量，而热交换器用来调节、控制水温。调节好温度、溶氧量的水进入实验管段内、中空纤维管间。氧气由钢瓶经气体流量计进入IVOX的内导管，经其头部的封帽进入各个中空纤维内，经壁面微孔与纤维外的水进行气体交换。实验段分别采用刚性管(有机玻璃)和柔性管(硅橡胶，由成都有机硅中心提供)。采用柔性管时，管外的气室充气注水，可以调节气室内的压力，使柔性管自然状态与人体平卧时下腔静脉的状态相似。因下腔静脉血液脉动很小，故回路中安置了削减脉动的缓冲装置，以更好地模拟人体下腔静脉管腔的血液流动状态。实验段进出口处分别装有测氧仪，以连续地测出进出口处水中氧含量的变化。实验段两端安有测压点，以观测将IVOX置于实验段后所产生的阻力压降。
, http://www.100md.com
3 阻力特性实验及其结果
3.1 实验段和IVOX氧合器几何参数
根据人体下腔静脉的尺寸，刚性管采用内径为20 mm，长500 mm的有机玻璃管；柔性管采用内径为20 mm，长500 mm的硅橡胶管。为了进行以猪为对象的动物试验，模拟猪下腔静脉在小变形下的环向应变关系，而采用硅橡胶管壁厚为0.2 mm，弹性模量为14.985g/cm2。IVOX的材料为聚丙烯中空纤维，其中3号IVOX的纤维为德国进口纤维，1、2号IVOX的纤维为复旦大学纤维，其几何参数如表1所示：
3.2 阻力实验及测试结果
根据人体下腔静脉血流速度的生理参数，实验中流量变化范围控制在0.7～6.0 l/min
表1 几种IVOX的几何参数
, 百拇医药
Table 1 Geometric parameter of IVOX Size
IVOX diameter
(cm)
Fibers number
Area
(m2)
Length
(mm)
Out diameter of fiber
(mm)
Membrane well thickness
, 百拇医药
(mm)
1
11.0
1000
0.383
400
0.31
0.05
2
8.0
460
0.183
400
, 百拇医药
0.31
0.05
3
8.0
360
0.172
400
0.38
0.05
内。测定不同流量情况下，两种尺寸的IVOX在刚性管和柔性管内所引起的阻力压降，并与该实验段在无IVOX情况下的压降进行比较。实验结果如图2所示。
图中a、b分别为2号IVOX在刚性管和柔性管内所产生的阻力压降；c、d线分别为1号IVOX在刚性和柔性管内的实验结果；e线为无IVOX时的情况。从图中可以看出：(1)IVOX的植入确实带来了一定的附加阻力压降，其大小与IVOX的尺度有关。在相同流量下，尺度越大则压降越大，且压降随流量的增加而增加，基本上呈线性关系。(2)柔性管两端的压降较刚性管两端压降低，这种偏差随流量的增加而增加。
, 百拇医药
当流量在1.0～6.0 l/min范围内时，雷诺数Re<1000，管内流动为层流状态，两种尺寸的IVOX在柔性管两端产生的阻力压降在10～100 mmH2O(0.74～7.35 mmHg)内。对于通道内的层流流动，其阻力系数可表达为：
λ=a/Re
其中： a为一系数。对于装有中空纤维的管道，a=f(n do/D)，n为纤维根数，do为纤维外径，D为实验管内径；Re=ud/ν，u为管内平均流速，d为当量直径，d=4×过流面积/润湿周边长，ν为流体运动粘性系数。阻力系数λ与压降一次方成正比。假定在小变形情况下上述关系对柔性管也适用，则可推知，由于ν血约等于4～5倍ν水，故当u血=u水时，IVOX植入人体下腔静脉引起的压降为其在实验柔性管中压降的4倍，即ΔP血约为4倍ΔP水。按照成人一般生理参数，取下腔静脉血流量为3 l/min，推算出1、2号IVOX对人体下腔静脉引起的阻力压降分别为：ΔP1=15.7 mmHg：ΔP2=9.7 mmHg。一般认为附加阻力应小于人体血压的十分之一，则1号IVOX对于2 cm管径的静脉来说有些偏大。
, http://www.100md.com
图2 1号、2号IVOX流量-压降关系图
Fig 2 The pressure drops vs average water flow rate for size 1 and size 2 device,respectively
Rigid test chamber:curves a,c；
Elastic test chamber:curves b,d.
Size 1 device:curves c,d；Size 2 device:curves a,b；
With out-IVOX:curve e.
从图2分析，在相同流量下，刚性管压降较柔性管压降高，对小尺寸的Ⅰ型IVOX来说，这种偏差随流量的增加不算很大，当流量Q=5 l/min时，ΔP的偏差=2 cmH2O；但对大尺寸的2号IVOX来说，随着流量的增加，这种偏差逐渐加大，当流量达4.5 l/min时，这种偏差可达柔性管两端压降的3.8倍。这是因为1号IVOX的纤维数量多，外径较大，对管内流动的阻碍也较2号IVOX大，从而导致管内压的增加。当内压大于外压时，柔性管产生弹性形变，管腔内径增加，又降了对管内流的阻碍，故两端压差不会因流量的增加而急剧变化。通过以上实验结果的分析，可得出这样的结论：采用刚性管或柔性管模拟下腔静脉时，小横截面的IVOX(ndo/D=7)在两种实验段的压降相差很小，故都能较好的模拟IVOX植入人体下腔静脉的状况；但对大横面的IVOX(ndo/D=15.5)进行实验时，由于刚性管与柔性管的实验结果相差较大，故最好采用柔性管作为实验段。
, 百拇医药
4 氧气传递实验及其结果
4.1 实验条件
实验采用2号和3号IVOX，2号IVOX的纤维束呈自然状态，3号IVOX的纤维编成辫子状。分别进行开路和闭路氧气传递实验，开路实验目的在于测定恒定入口氧浓度条件下，不同流量时IVOX的氧合情况；闭路实验目的在于观察恒定水体在不同流量下氧的浓度随时间的变化。实验温度控制在36～37.5℃。用氮气通过脱氧器，将去离子水中的溶解氧脱除到一定浓度，然后从进气管向IVOX通入99.5%氧气，用测氧仪连续测定流经IVOX的去离子水含氧量。为避免IVOX在人体血液产生气泡，实验观察了IVOX产生气泡的临界条件。
4.2 实验结果
图3为3号IVOX在闭路条件下的氧合实验结果。反映在水体体积一定、气体流量一定的条件下，改变水体循环速率，水中氧浓度随时间的变化。
, 百拇医药
图3 水中氧浓度变化与时间的关系曲线 3号IVOX闭路实验
Fig 3 Oxygen concentration changing in water for size 3 device
Water volume:10 L； Water temprature:36℃；
Water flow rate(l/min) a:2.61 b:2.18 c:1.71 d:1.37
在图3中，曲线斜率反映了水中氧浓度变化的速率。随着流量的增加，曲线的斜率增大，说明氧合效率越高；此外，随着水中氧浓度的增加，曲线的斜率变小，IVOX的氧合效率也下降。
图4反映了在开路实验中水流量与氧传递效率的关系：
, 百拇医药
图4 氧传递速率与水流量关系
图5 氧传递速率与气体流量关系
a：3号IVOX b:2号IVOX3号IVOX
Fig 4 Oxygen transfer vs average water flow rate for size 3(curve a) and size 2 (curve b) devicefor Gas flow Inlet oxygen concentration:4.0mg/L.Water rate:670 L(STP)/min
Fig 5 Oxygen transfer vs average gas flow rate for size 3 device
inlet oxygen concentration:4.0mg/L；flow rate:1.47 l/min
, http://www.100md.com
由图4分析，在进口浓度一定时，氧传递效率随水流量的增加而提高，并基本呈线性关系：a曲线的斜率明显较b曲线大，说明随着流量增加，3号IVOX的氧合效率增加得比2号IVOX快。这与3号IVOX的几何外型有关，由于3号IVOX的纤维束编成辫子状，水流经纤维时，水流受到比2号IVOX更强的搅合作用，纤维表面的传质边界层受到破坏，中空纤维内的氧更容易进入水中。
图5反映了在开路实验中氧气流量与氧传递效率的关系。在氧气流量为330～1000ml/min范围内，氧气流量越大，氧传递效率越大，二者呈明显的线性关系。
实验中观测到，当P出为40 cmH2O，气量大于330 ml/min时，开始出现气泡；而P出为75 cmH2O，气量大于660 ml/min时，开始出现气泡，这说明在IVOX几何尺寸一定时，气泡产生的临界条件与出口压力和氧气流量有关，当实验段出口压力一定，氧气流量达到一定值时，IVOX将出现气泡，因此氧气流量不能过大。
, http://www.100md.com
5 结 论
(1)本实验研究表明，IVOX植入人体下腔静脉会带来一定的附加阻力压降。用刚性管模拟血管，结果较柔性管偏大。若按人体可以承受10%的血压波动考虑，对内径为2 cm的静脉管腔可植入外径为8～9 mm的IVOX。
(2)在传递面积、进口氧浓度、温度一定的情况下，IVOX的氧传递速率受流量、氧气气量的影响，其中流量的影响十分明显。
(3)在实验段出口压力一定时，为防止出现气泡，应采取相应措施，如：控制氧气流量，排气口采取负压方式等。
*该课题为国家自然科学基金资助课题
参 考 文 献
1 Mortonsen JD,Berry G.Conceptual and design features of a practical,clinical,effective intravenous blood oxygenator and carbon dioxide removal device(IVOX).Int J Artif Organs， 1989;12∶384
, 百拇医药
2 Mortonsen JD.An intravenacaval blood gas exchange device(IVCBDE).ASAIO Trans， 1987;33∶570
3 Snider MT.Small intrapulmonary artery lung prototypes:design,construction,and in vitro water testing.ASAIO Journal， 1994;40∶M533
4 Makarewicz AJ.A dynamic intravascular artificial lung.ASAIO Journal， 1994;40∶M747
5 Tao W.Improved gas exchange performance of the intravascular oxygenator by active blood mixing.ASAIO Journal， 1994；40∶M527
6 乾一清重.人工脏器，1994；23∶323
(收稿：1997-04-16), 百拇医药
单位：(四川联合大学西区 工程力学系，成都 610065)
关键词：下腔静脉；植入式呼吸辅助；阻力特性；氧传递
生物医学工程学杂志980303
内容摘要 采用自行研制的下腔静脉呼吸辅助器(IVOX)，进行了实验室研究。阻力特性实验(实验段分别采用刚性管和柔性管)结果表明，IVOX的植入给下腔静脉带来了一定的附加阻力压降，刚性管压降较柔性管压降大，尺寸越大的IVOX在两种实验段的压降差别越大。通过水中的氧气传递实验发现，IVOX的氧合能力随水流量、氧气流量的增加而增加，进口氧浓度越低，氧合效率越高。在出口压力一定时，为防止出现气泡，应控制氧气流量，并考虑采用真空抽气方法。
In Vitro Testing of the Intravenacaval Respiratory Assist
, http://www.100md.com
Device (Ⅰ)——Pressure Drop Characteristics andⅠ)——Pressure Drop Characteristics and
Oxygen Transfer Performance
Huang Yong Tan Xiaoping Pei Juemin
(Engineering Mechanics Department, Sichuan Union University, West Campus，Chengdu 610065)
Abstract The intravenacaval respiratory assist device(IVOX) of three different sizes developed by the present authors were evaluated experimentally in vitro.The tests using in turn two different test chamber materials(rigid and elastic)showed that a pressure drop occured.The pressure drop was higher in rigid test chamber than that in the elastic one,and the pressure drop difference between these two kinds of chamber increased with the diameter of the bundle of IVOX. Oxygen transfer rate, with water as the medium in the tests,was augmented with increasing water flow rate and gas flow rate,and with decreasing inlet oxygen concentration in water.It was concluded that, to avoid bubbles produced by IVOX,the gas flow rate should be controlled with fixed outlet water pressure,and vacancy be used in the effluent gas system.
, 百拇医药
Key words Intravenacaval respiratory assist device Pressure drop Oxygen transfer rate
1 前 言
人体下腔静脉植入式呼吸辅助器即血管内氧合器(IVOX)[1]，是用来救助患急性呼吸衰竭
的病人(ARDS)的。它出现在1987年，由美国的Mortenson[2]首先提出构想，并研制成第一只原型。IVOX与体外呼吸辅助(ECMO)相比具有以下一些优点：不需要附加的体外循环回路，而是通过简单的外科手术植入人体下腔静脉，利用人体本身的循环动力，从而减少了体外循环所必需的复杂装置；不存在血液预充量的问题，维护、使用方便，大大降低了费用等。由于以上优点，IVOX引起了国外许多研究工作者的注意。有些人也开始从事IVOX的研究开发。现已研制出各式各样的IVOX，并进行了实验室测试及临床研究。
, 百拇医药
目前在实验室研究的IVOX大致有两种类型，一种以Mortensen[2]等人所研制的IVOX为代表，即由一束数百根外径为0.38 mm的中空纤维封端而成，纤维长30～40 cm，氧气从内管进入中空纤维，二氧化碳由外管排出体外。另外一类以Snider等人研制的为代表，外形更为复杂，纤维被编成各种复杂的几何形状单元，由若干个这样的单元串联起来组成，有的还带有气囊，其制作工艺较前种复杂[3～5]。
为检测不同IVOX的气体传递特性，国际上对IVOX的实验室检测按工作介质可分为两种：(1)水-氧实验：即以水作为工作介质进行IVOX的气体传递实验，如Snider[3]等人都采用了这种方式，水-氧实验优点是可以初步探讨IVOX的气体交换性能，实验介质获取容易，并可对IVOX的流体动力特性和机械工作耐久性作出评估。(2)血-气实验：即以动物血液为工作介质进行气体传递实验，国外进行这类实验的研究人员以Mortenson[1]、乾一清重[6]等人为代表，血-气实验更贴近临床实验，但取血不易，实验要受血液活性时间等多方面的限制。
, 百拇医药
目前在各种IVOX实验室测试中，测试的实验段多采用刚性管来代替人体的下腔静脉，着重于IVOX的气体传递性能研究。IVOX植入人体下腔静脉后，其对人体的血液循环系统有何影响?不同尺寸的IVOX对人体血液循环系统的这种影响有多大差别?这些问题对IVOX的临床应用具有重大的意义，但现今的实验室研究少有探讨。人体的静脉管是柔性管，具有许多和刚性管不同之处。静脉管壁较薄，其杨氏模量较小，当管内压低于外压时可能产生塌陷；当管内压高于管外压时管腔膨胀。静脉内的流动很容易受压力变化等因素的影响而产生波动，在IVOX的实验室测试中若用刚性管代替静脉管，因两者的弹性模量有很大差别，显然不可能准确反映IVOX对人体下腔静脉血流的影响。
笔者自行研制了IVOX(中空纤维由复旦大学及德国AKZO公司提供)，并对其性能进行多方面的实验室测定，如阻力特性，氧气传递性能(包括如何防止气泡的产生)，二氧化碳传递性能等。本文仅介绍阻力特性及氧气传递性能的实验室测定。
2 实验装置
, http://www.100md.com
实验室测试回路如图1所示：
图1 实验流程与装置
Fig 1 Schematic diagram of the in vitro test circuit
以一血泵(TXT12滚柱式血泵，上海医疗器械厂)提供水循环的动力，并调节流量。回路中的脱氧器用来调节水的氧含量，而热交换器用来调节、控制水温。调节好温度、溶氧量的水进入实验管段内、中空纤维管间。氧气由钢瓶经气体流量计进入IVOX的内导管，经其头部的封帽进入各个中空纤维内，经壁面微孔与纤维外的水进行气体交换。实验段分别采用刚性管(有机玻璃)和柔性管(硅橡胶，由成都有机硅中心提供)。采用柔性管时，管外的气室充气注水，可以调节气室内的压力，使柔性管自然状态与人体平卧时下腔静脉的状态相似。因下腔静脉血液脉动很小，故回路中安置了削减脉动的缓冲装置，以更好地模拟人体下腔静脉管腔的血液流动状态。实验段进出口处分别装有测氧仪，以连续地测出进出口处水中氧含量的变化。实验段两端安有测压点，以观测将IVOX置于实验段后所产生的阻力压降。
, http://www.100md.com
3 阻力特性实验及其结果
3.1 实验段和IVOX氧合器几何参数
根据人体下腔静脉的尺寸，刚性管采用内径为20 mm，长500 mm的有机玻璃管；柔性管采用内径为20 mm，长500 mm的硅橡胶管。为了进行以猪为对象的动物试验，模拟猪下腔静脉在小变形下的环向应变关系，而采用硅橡胶管壁厚为0.2 mm，弹性模量为14.985g/cm2。IVOX的材料为聚丙烯中空纤维，其中3号IVOX的纤维为德国进口纤维，1、2号IVOX的纤维为复旦大学纤维，其几何参数如表1所示：
3.2 阻力实验及测试结果
根据人体下腔静脉血流速度的生理参数，实验中流量变化范围控制在0.7～6.0 l/min
表1 几种IVOX的几何参数
, 百拇医药
Table 1 Geometric parameter of IVOX Size
IVOX diameter
(cm)
Fibers number
Area
(m2)
Length
(mm)
Out diameter of fiber
(mm)
Membrane well thickness
, 百拇医药
(mm)
1
11.0
1000
0.383
400
0.31
0.05
2
8.0
460
0.183
400
, 百拇医药
0.31
0.05
3
8.0
360
0.172
400
0.38
0.05
内。测定不同流量情况下，两种尺寸的IVOX在刚性管和柔性管内所引起的阻力压降，并与该实验段在无IVOX情况下的压降进行比较。实验结果如图2所示。
图中a、b分别为2号IVOX在刚性管和柔性管内所产生的阻力压降；c、d线分别为1号IVOX在刚性和柔性管内的实验结果；e线为无IVOX时的情况。从图中可以看出：(1)IVOX的植入确实带来了一定的附加阻力压降，其大小与IVOX的尺度有关。在相同流量下，尺度越大则压降越大，且压降随流量的增加而增加，基本上呈线性关系。(2)柔性管两端的压降较刚性管两端压降低，这种偏差随流量的增加而增加。
, 百拇医药
当流量在1.0～6.0 l/min范围内时，雷诺数Re<1000，管内流动为层流状态，两种尺寸的IVOX在柔性管两端产生的阻力压降在10～100 mmH2O(0.74～7.35 mmHg)内。对于通道内的层流流动，其阻力系数可表达为：
λ=a/Re
其中： a为一系数。对于装有中空纤维的管道，a=f(n do/D)，n为纤维根数，do为纤维外径，D为实验管内径；Re=ud/ν，u为管内平均流速，d为当量直径，d=4×过流面积/润湿周边长，ν为流体运动粘性系数。阻力系数λ与压降一次方成正比。假定在小变形情况下上述关系对柔性管也适用，则可推知，由于ν血约等于4～5倍ν水，故当u血=u水时，IVOX植入人体下腔静脉引起的压降为其在实验柔性管中压降的4倍，即ΔP血约为4倍ΔP水。按照成人一般生理参数，取下腔静脉血流量为3 l/min，推算出1、2号IVOX对人体下腔静脉引起的阻力压降分别为：ΔP1=15.7 mmHg：ΔP2=9.7 mmHg。一般认为附加阻力应小于人体血压的十分之一，则1号IVOX对于2 cm管径的静脉来说有些偏大。
, http://www.100md.com
图2 1号、2号IVOX流量-压降关系图
Fig 2 The pressure drops vs average water flow rate for size 1 and size 2 device,respectively
Rigid test chamber:curves a,c；
Elastic test chamber:curves b,d.
Size 1 device:curves c,d；Size 2 device:curves a,b；
With out-IVOX:curve e.
从图2分析，在相同流量下，刚性管压降较柔性管压降高，对小尺寸的Ⅰ型IVOX来说，这种偏差随流量的增加不算很大，当流量Q=5 l/min时，ΔP的偏差=2 cmH2O；但对大尺寸的2号IVOX来说，随着流量的增加，这种偏差逐渐加大，当流量达4.5 l/min时，这种偏差可达柔性管两端压降的3.8倍。这是因为1号IVOX的纤维数量多，外径较大，对管内流动的阻碍也较2号IVOX大，从而导致管内压的增加。当内压大于外压时，柔性管产生弹性形变，管腔内径增加，又降了对管内流的阻碍，故两端压差不会因流量的增加而急剧变化。通过以上实验结果的分析，可得出这样的结论：采用刚性管或柔性管模拟下腔静脉时，小横截面的IVOX(ndo/D=7)在两种实验段的压降相差很小，故都能较好的模拟IVOX植入人体下腔静脉的状况；但对大横面的IVOX(ndo/D=15.5)进行实验时，由于刚性管与柔性管的实验结果相差较大，故最好采用柔性管作为实验段。
, 百拇医药
4 氧气传递实验及其结果
4.1 实验条件
实验采用2号和3号IVOX，2号IVOX的纤维束呈自然状态，3号IVOX的纤维编成辫子状。分别进行开路和闭路氧气传递实验，开路实验目的在于测定恒定入口氧浓度条件下，不同流量时IVOX的氧合情况；闭路实验目的在于观察恒定水体在不同流量下氧的浓度随时间的变化。实验温度控制在36～37.5℃。用氮气通过脱氧器，将去离子水中的溶解氧脱除到一定浓度，然后从进气管向IVOX通入99.5%氧气，用测氧仪连续测定流经IVOX的去离子水含氧量。为避免IVOX在人体血液产生气泡，实验观察了IVOX产生气泡的临界条件。
4.2 实验结果
图3为3号IVOX在闭路条件下的氧合实验结果。反映在水体体积一定、气体流量一定的条件下，改变水体循环速率，水中氧浓度随时间的变化。
, 百拇医药
图3 水中氧浓度变化与时间的关系曲线 3号IVOX闭路实验
Fig 3 Oxygen concentration changing in water for size 3 device
Water volume:10 L； Water temprature:36℃；
Water flow rate(l/min) a:2.61 b:2.18 c:1.71 d:1.37
在图3中，曲线斜率反映了水中氧浓度变化的速率。随着流量的增加，曲线的斜率增大，说明氧合效率越高；此外，随着水中氧浓度的增加，曲线的斜率变小，IVOX的氧合效率也下降。
图4反映了在开路实验中水流量与氧传递效率的关系：
, 百拇医药
图4 氧传递速率与水流量关系
图5 氧传递速率与气体流量关系
a：3号IVOX b:2号IVOX3号IVOX
Fig 4 Oxygen transfer vs average water flow rate for size 3(curve a) and size 2 (curve b) devicefor Gas flow Inlet oxygen concentration:4.0mg/L.Water rate:670 L(STP)/min
Fig 5 Oxygen transfer vs average gas flow rate for size 3 device
inlet oxygen concentration:4.0mg/L；flow rate:1.47 l/min
, http://www.100md.com
由图4分析，在进口浓度一定时，氧传递效率随水流量的增加而提高，并基本呈线性关系：a曲线的斜率明显较b曲线大，说明随着流量增加，3号IVOX的氧合效率增加得比2号IVOX快。这与3号IVOX的几何外型有关，由于3号IVOX的纤维束编成辫子状，水流经纤维时，水流受到比2号IVOX更强的搅合作用，纤维表面的传质边界层受到破坏，中空纤维内的氧更容易进入水中。
图5反映了在开路实验中氧气流量与氧传递效率的关系。在氧气流量为330～1000ml/min范围内，氧气流量越大，氧传递效率越大，二者呈明显的线性关系。
实验中观测到，当P出为40 cmH2O，气量大于330 ml/min时，开始出现气泡；而P出为75 cmH2O，气量大于660 ml/min时，开始出现气泡，这说明在IVOX几何尺寸一定时，气泡产生的临界条件与出口压力和氧气流量有关，当实验段出口压力一定，氧气流量达到一定值时，IVOX将出现气泡，因此氧气流量不能过大。
, http://www.100md.com
5 结 论
(1)本实验研究表明，IVOX植入人体下腔静脉会带来一定的附加阻力压降。用刚性管模拟血管，结果较柔性管偏大。若按人体可以承受10%的血压波动考虑，对内径为2 cm的静脉管腔可植入外径为8～9 mm的IVOX。
(2)在传递面积、进口氧浓度、温度一定的情况下，IVOX的氧传递速率受流量、氧气气量的影响，其中流量的影响十分明显。
(3)在实验段出口压力一定时，为防止出现气泡，应采取相应措施，如：控制氧气流量，排气口采取负压方式等。
*该课题为国家自然科学基金资助课题
参 考 文 献
1 Mortonsen JD,Berry G.Conceptual and design features of a practical,clinical,effective intravenous blood oxygenator and carbon dioxide removal device(IVOX).Int J Artif Organs， 1989;12∶384
, 百拇医药
2 Mortonsen JD.An intravenacaval blood gas exchange device(IVCBDE).ASAIO Trans， 1987;33∶570
3 Snider MT.Small intrapulmonary artery lung prototypes:design,construction,and in vitro water testing.ASAIO Journal， 1994;40∶M533
4 Makarewicz AJ.A dynamic intravascular artificial lung.ASAIO Journal， 1994;40∶M747
5 Tao W.Improved gas exchange performance of the intravascular oxygenator by active blood mixing.ASAIO Journal， 1994；40∶M527
6 乾一清重.人工脏器，1994；23∶323
(收稿：1997-04-16), 百拇医药