机械瓣的空化研究进展
作者：贺照明 席葆树
单位：清华大学 工程力学系，北京 100084
关键词：机械瓣；空化；血流动力学
生物医学工程学杂志990229贺照明 席葆树 综述 朱克勤 审校
摘要 综述了近年来机械瓣空化的研究状况，讨论了有关研究方法，总结了机械瓣空化的研究成果，指出了机械瓣空化研究趋势。
Progress in Studies on Cavitation of Mechanical Heart Valve
He Zhaoming Xi Baoshu Zhu Keqin
Department of Engineering Mechanics, Tsinghua University, Beijing 100084
, http://www.100md.com
Abstract This paper reviews the researches on cavitation of mechanical heart valve in recent years and presents a discussion on the research methods.The achievements are summarized and the prospects of further research on cavitation in mechanical heart valve are brought forth.
Key words Mechanical heart valve Cavitation Hemodynamics
1 引 言
所谓空化[1](cavitation)就是由于压强降低使液体汽化的过程。空化原理为：液体内部含有称为气核(nuclei)的很小的气泡，当液体温度不变，压强降低到某临界点，液体中气核将迅速膨胀成为明显的空泡(bubble)。当空泡流经高于临界压力值的区域时，空泡将发生溃灭(collapse)，空泡溃灭时可能会产生空蚀(cavitation damage)。空蚀的现象是：空泡在近固体边壁的高压区受到压缩并迅速溃灭，溃灭过程中产生高速微射流，这股微射流将猛烈冲击固体表面并引起固体材料的破坏，多次这种作用导致过流部件表面形成微小密集的凹坑，这类似于滴水穿石。
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自60年代人工心瓣成功地植入人体后，人工心瓣已经发展成许多类型，按制造材料来分，人工心瓣分为生物瓣和机械瓣两大类。到目前为止，生物瓣的空蚀尚无报道，但机械瓣的空蚀近年来已有发现，空蚀一般发生在被植入的机械二尖瓣上。
机械瓣的空蚀最初在其体外试验中发现[2]，当时人们认为机械瓣或左心辅助装置的空蚀是由加速试验所致，在正常的生理条件下可能没有空蚀发生。1988年研究人员检验了从病人体内取出的机械瓣，他们发现在热解碳材料的表面出现了类似于空蚀所造成的凹坑[3]，这个事实为人体内机械瓣的空蚀提供了有力的证据。
机械瓣发生空化对移植者有危害。首先，机械瓣空化能导致溶血。1981年Freed等[4]用在血液中的振荡活塞造成空化的方法研究了空化对血液成分的破坏作用，他发现空化大大地损坏空化区域附近的红细胞、血小板，甚至在低强度的空化也超过了人体血液的忍受限度。1993年Lamson等[5]研究了绕机械瓣的前向流、回流和关闭三种流态分别对血液的破坏程度，同时又研究了机械瓣的不同空化历时对血液的破坏。以溶血率作为血液破坏指标，发现空化所产生的溶血率远远高于各种流动剪切应力造成的溶血率。1994年Garrison等[6]的研究表明空化对猪血有溶血作用。近年来也出现了有关强超声波在体内造成的空化对血细胞造成伤害的报道。其次，机械瓣的空蚀能造成血栓。通常机械瓣的表面被磨得很光亮以防止血细胞附着，但机械瓣空蚀凹坑使之粗糙度增加，滋长了血栓的趋势，这对机械瓣移植者的健康和生命构成潜在的威胁。再者，机械瓣空蚀能导致其结构破坏。空蚀所造成的凹坑可能是强度最薄弱之处，初生裂纹最有可能在此产生[7]，随着空蚀的加剧和心瓣在关闭时的水击作用，材料产生疲劳并使裂纹增长，最终导致心瓣的彻底损坏。1994年Richard等[8]在超过空化阀值的条件下做了机械瓣的空蚀试验，在试验中，每隔100万次取下心瓣，放在扫描电子显微镜下观察空蚀的严重程度。试验结果表明：材料裂纹从空蚀凹坑的边缘处产生并向外延伸。
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机械瓣空化研究具有重要的临床意义。首先，该问题的研究可以发现空化的原因，制造商可以有针对性地改进机械瓣设计，改善心瓣流体动力学性能，避免或减轻空化，把它的危害降低到最低限度，从而提高机械瓣的可靠性。其次，机械瓣空化研究可以使我们发现适合机械瓣制造的抗空蚀材料，用以提高机械瓣的强度和耐久性，同时消除或减轻血栓的隐患。最后，机械瓣空化的研究可以为制造商和使用部门提供理论和应用指导，建立合理的心瓣空化检验手段和评价指标，并对机械瓣空化进行预测，最终筛选出合格的产品。
机械瓣空化的研究是一个很有意义的新课题，虽然空化造成的事故发生率只有0.002%[9]，但该问题自1988年被发现以来一直受到人工心瓣生产厂商、生物医学工程研究人员和政府部门的重视。美国食品与药品管理局(FDA)于1994年在美国迈阿密召开专门的机械瓣空化研讨会并将机械瓣空化趋势(cavitation potential)作为一项机械瓣检验指标。本文要介绍国外90年代以来所做的机械瓣空化的研究工作。
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2 机械瓣空化试验研究
由于空间小，空化时间短暂，机械瓣空化研究是一个十分困难的课题，至今还在不断探索中。
2.1 机械瓣空化可视化技术
机械瓣空化在瓣关闭瞬时产生。当心室收缩时，心室压力升高，在回流作用下，机械二尖瓣开始关闭，在其关闭的瞬时，机械二尖瓣的心房侧(入流侧)紧靠瓣叶表面处有时会有云状空泡群或个别游移空泡出现[10]，当空泡在瓣表面处溃灭时就会对其表面造成空蚀。这种液体空化现象从空泡产生、发展到溃灭，其全过程为ms甚至μs数量级，而且是随机的，空泡的直径也不到2 mm[2，3]，这些事实给空化的研究带来极大的困难。
通常研究空化的手段是采用光学方法，即人们依赖高速摄影来观察空化这一短暂过程，依靠肉眼观察照片来判断液体中有无空泡的出现。1977年Tokuno拍摄了人工心脏中Lillehei-Kaster斜碟瓣上的空化现象[3]。这种高速摄影方法的代价比较大，胶片的后处理工作在时间上滞后，而且图像处理还需要人工直接判读，所以到1991年Lamson等[10]发展了实时观察技术(Realtime Observation Technique)，这种技术是使用CCD瞬时成像并存储单帧画面于计算机内存中。1991年Stinebring等类似于Lamson的做法采用触发闪光技术(Stroboscopic Lighting Technique)，他在黑暗环境里布置普通照相机，其快门保持打开，镜头焦距对准机械的入流侧，用闪光灯照亮机械瓣以使胶片曝光成像。为了准确地抓拍到空泡，以及与空化发生有关的事件作为参考初始时刻，经过可调延时电路再触发闪光灯，调整不同延时所获得的一系列照片就表示空化发生的过程。这种拍摄单张照片方法的优点是后处理简单迅速，其缺点是这种方法只能观察不同空化周期的空化过程。如果用CCD拍摄，图像的分辨率受到CCD点阵的限制，通常不是很高。
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Lamson等用实时观察技术拍摄了MH斜碟瓣关闭时空泡，他们发现心瓣的空化有三种(1)空泡空化：在阻塞体表面任何地方；(2)旋涡Ⅰ空化：在挡座部位，呈新月形状；(3)旋涡Ⅱ空化：在阻塞体中心。空化周期都不超过1 ms。1996年Lee用触发闪光技术对MH斜碟瓣Φ27，Φ29进行观察，他发现在挡座出现云状空泡，在周边缝隙处也产生空化现象。这一现象支持挤压流动产生空化的理论。
2.2 空化时心房压力特性
发生空化根本原因是液体压力低于某个临界压力，这个压力通常为液体的饱和蒸气压力，并且空泡的膨胀和溃灭都伴随压力脉动，所以压力是影响空化最重要的指标。
1994年Garrison等[6]用高频动态压力传感器测量了机械瓣关闭后的压力降，传感器装在距瓣4.5 mm处，他测到了高频压力脉动，1995年Wu等[11]用Φ2.5 mm、自然频率250 kHz的压力传感器探针伸至距阻塞体1 mm处，测量了动态压力过程。他们发现瓣关闭后的高频压力脉动，并认为压力脉动由心瓣空化时空泡的溃灭产生。Wu等人表示心瓣关闭时的高频压力脉动与空化有较好的相关性并可被用来作为检测手段。1996年Lee等[3]用直径Φ1.5 mm、自然频率250 kHz 的超小型压力传感器，测量了瓣后压力。测量结果表明：除了流体减速效应以外，挤压流动是空化的另一个主要原因。流动减速效应在载荷率较高时能产生低于-700 mmHg的压力，仅仅这种效应就足以产生空化。1996年Sneckenberger[12]等研究了瓣在关闭时刻心房的高频压力脉动与空化程度的关系，并以此为基础研究了不同泄漏程度(均符合临床应用标准)的瓣的心房高频压力脉动，研究表明：空化程度与瓣关闭时的心房压力脉动有很大的相关性，建议用均方根(root mean square)来衡量压力脉动[6]。1996年Zapanta等[13]将装有B-S斜碟瓣的左心辅助装置植入4只牛的体内，通过二尖瓣入口的压力传感器测得与离体试验类似的心瓣关闭产生的压力脉动，用RMS指标推测心瓣在牛的体内发生空化。
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2.3 空化时的心房声波及模型试验
当选用动物血液作为模拟流体或在体试验时，由于这些流体是不透明的，因此，用光学方法观察空化就不适用，由于空泡的产生和溃灭都会产生超声，所以有些学者尝试采用空化声波来探测空化。Herman等[14]用记录械机瓣关闭时空化产生的声波并努力建立声波与空化的相关关系。在试验中，他在心房侧安装了一个小型水听器用以记录心瓣空化产生的声音，分析了由于空泡溃灭造成的宽带噪音的高频声波的能量转换，结果表明：空化对高频声波能量影响不大，空化不是唯一导致高频能量转换的机制。Chahine[15]指出在空化的文吐里管中压力信号的频域特性与单个空泡的生长、发育和溃灭有关，这些频率与空泡泡壁振荡速度有很好的相关性，事实上在空化文吐里管里试验材料的抗空蚀性能时早就发现空化噪音是空蚀的较好指标，通常空泡的确与声波有相关关系[1]，只要把空化对高频声波能量转换所做的贡献分离出来即可。但测量信号中混和着关闭时产生的噪声，故信号分离困难。
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原型试验受到时间和空间的限制，空泡动力学的特征时间是几十到几百微妙，空泡特征长度为几十到几百微米，所以Chahine[15]提出用模型试验研究机械瓣的空化，目的在于增加特征时间和空间长度，但实型与模型的相似关系一直是空化研究的难点。
3 有关空化试验研究的几个问题
由于试验台的形式、安装方式、心室载荷率和模拟血液流体的物性对机械瓣空化有很大影响，因此在试验中应当对这些条件给与考虑和控制。
3.1 试验台的形式及机械瓣的安装方式
目前，研究机械瓣空化的试验台主要有两类，一类是近似生理流动条件的脉动流模拟试验台，在它的机械瓣入流侧加一个玻璃视窗。这类试验台的生理参数和试验资料比较全面可靠。另一类是机械瓣的单次关闭过程的模拟，即强迫液体流过事先全开的机械瓣，回流促使心瓣迅速关闭。为了保证单次关闭过程与生理状态相近，心室的压力变化曲线被控制为接近生理条件，关闭周期由心脏收缩期决定。这种试验台试验资料还不全面，尤其在关闭后的瞬间，压力偏离生理条件较大[3]。目前美国食品与药品管理局制订的人工心瓣测试指南还未规定心室驱动形式，但是为了便于各类机械瓣性能的比较，应建立统一的试验标准和指标。
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正常植入人体的机械瓣是将缝合环缝在心脏血管内壁组织上，这些组织有较好的弹性，因此机械瓣是固定在“软基座”上，而在离体模拟血液循环试验台上，心瓣的缝合环被夹紧在刚性的基座上，因此机械瓣的离体试验环境和生理环境有一定的差别，为了研究支座弹性差别对机械瓣血流动力学的影响，1995年Wu等人[11]研究了心瓣的安装方式对空化后压力脉动的影响，他发现刚性安装和柔性安装时的心瓣关闭后的压力脉动有很大的不同，但并不影响心瓣的关闭速度和瞬时压力降，他们解释压力降将发生在心瓣撞击瓣座之前。
1996年Lee等[16]用弹性系数不同的三种材料：有机玻璃、聚四氯乙烯和聚乙烯作为心瓣安装支座进行了空化测量试验，研究了支座弹性对空化的影响。他们发现空化引发是与空化产生机理有关，而与机械瓣安装支座的弹性无直接关系，所以对于某些心瓣，由于空化引发机理不同，人体心脏组织的缓冲作用可能不会减轻空化。1996年Chandran指出机械瓣阻塞体本身的柔性可减轻空化，它比心瓣安装的柔性更能控制心瓣空化[16]。
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3.2 心瓣的结构、关闭速度及心室的载荷率
机械瓣的空化特性主要由本身结构形式决定，例如对于MH斜碟瓣和双叶瓣，由于空化发生在阻塞体和瓣架的挤压处，所以研究人员在机械瓣结构设计上应考虑挤压结构问题，另外机械瓣的结构影响着血流动力学特性，机械瓣关闭时形成的水锤作用在瓣的心室侧形成瞬时高压区，在心房侧形成瞬时低压区，这个瞬时低压和阻塞体与瓣架间的射流共同构成了空化的两个重要原因。水锤作用在一定程度上取决于心瓣的关闭速度，于是许多学者进行了心瓣关闭特性的研究。起初，有些学者用高速摄影机观察心瓣的关闭过程，甚至用关闭时的声音判断瓣的关闭速度[17]。直到1990年Guo等[17]用激光扫描技术LST(Laser Sweeping Technique)才较为准确的测量了双叶瓣瓣叶在关闭终点的运动角速度。1995年Rau等人[18]用光学和声学相结合测量了Bjork-Shiley斜碟瓣的关闭速度。Guo测得双叶瓣的关闭速度约为2 m/s。Rau测得斜碟瓣的关闭速度略小于2 m/s，并且Guo发现瓣关闭速度与成正比。机械瓣关闭过程是非定常绕流的流固耦合问题，在很大程度上心瓣的结构特性和绕流特性都反映在关闭速度和心室载荷率上，它不仅是心瓣试验的重要指标，而且也是空化试验研究的重要指标，这不仅因为它反映了水锤造成的压力降，而且它表征着跨瓣压差射流速度和瓣叶与瓣架之间的挤压射流速度，所以在心瓣空化试验研究上，它常用作空化初生的阀值。Graf等[19，20]，在脉动流模拟循环试验台上研究了十种商业瓣的空化初生载荷率，他采用最大的作为载荷率，发现在5000 mmHg/s时，大多数瓣表现出空化。
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3.3 模拟血液流体的物性
1994年Zapanta等[2]等用四种不同物性的模拟血液流体在相同的生理条件下的空化试验，他们发现在各种模拟血液流体中的空化历时随着心房压力的提高而减少，空化历时都不超过1 ms，粘性较大的甘油水溶液有最长的空化历时。这说明液体粘性有阻止空泡迅速溃灭的作用。液体的物性对空化有很大影响，这部分的理论和试验研究还有待于更深一步的探索，例如，各种液体的空化趋势的量化评价，另外空化的气核理论表明模拟血液流体中的含气量对空化有较大的影响，所有心瓣的理论和试验都未对此考虑、评价和控制。
4 心瓣空化的理论与计算研究
4.1 目前空化的理论
空化产生的根本原因是压力减小到临界压力以下。围绕着液体压力降低这个根本条件，研究人员提出了以下五种可能的空化理论[3]：(1)动脉压力理论；(2)流动减速理论；(3)梢部旋涡理论。(4)流线收缩理论；(5)挤压射流理论。
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1986年Leuer[3]提出脉动压力空化理论，认为由流体可压缩性和湍流所产生的关闭时的高频压力脉动导致空化。1991年Graf等[3]提出流动减速空化理论，认为心瓣阻塞体关闭运动的突然停止使流动骤然减速，心房侧流体依惯性脱离心瓣的趋势所造成的低压导致空化。1991年Stinebring等[3]提出梢部旋涡空化理论，认为心室与心房的压力差造成缝隙间的高速射流，在心瓣梢部较大的射流产生较强的剪切流旋涡，旋涡中心的低压低于临界压力时便产生空化。1994年lee等[21]提出流线收缩空化理论，认为沿心瓣间隙的流动产生文吐里效应导致空化。1994年Makhijani、Chandran、Lee和Blustein等提出挤压射流空化理论[3，22]，该理论认为在机械瓣关闭的最后阶段，在机械瓣梢部和瓣环之间的流体受到趋近的上下固壁挤压而在固壁缝隙中形成高速流动，这股射流从缝隙中射出并与缝隙出口的流体相混构成强剪切层，由于剪切层中的旋涡强度非常大，环境流体压力又比较低，所以旋涡中心的压力低于发生空化的临界压力，故液体发生空化。由于该理论能够较好解释瓣叶靠内侧周边空蚀造成的凹坑。所以这种理论普遍为学者所接受。
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这几种因素在机械瓣的关闭瞬间都存在，但又很难分清哪一种作用是主要贡献。试验研究存在时间和空间上的困难，在时间上，空化过程是微秒级的，这对测量仪器动态响应和精度要求较高，在空间上，机械瓣空化部位狭小，这要求传感器的体积要小，所以用试验证明某种空化理论仍很困难。从距心瓣表面1 mm处的压力测量表明，流动减速造成的低压是相当大的，有时足以产生空化[3，11]，因此流动减速对空化有很大作用。1991年Gross等[23]用LDA对Φ27双叶瓣做了瓣间中缝泄漏射流速度测试，并得出Venturi效应不会造成空化的结论。
4.2 运用CFD研究空化
为了证明流体挤压流动导致空化的理论，1994年Bluestein等[22]用有限元方法对ED双叶瓣的阻塞体与侧壁处计算了二维粘性挤压流动，1996年Makhijani等[24]用有限差分方法对MH斜碟瓣阻塞体与瓣环支杆处计算了三维粘性挤压流动，他们都算得局部压力低于空化临界压力。
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另外，Makhijani等运用数值方法计算了平面接触和微弯曲面局部点接触的挤压流场，计算表明在挤压流场中出现高速和低速，Bluestein等计算挤压流场中有高速射流存在，且通过论述说明，当速度超过14 m/s时空化即会发生，由此，得出挤压流动造成空化的结论。总之，这两种计算都表明挤压造成的射流为空化提供了充分的条件。
Makhijani等还运用二维模型计算了有缝合环缓冲的柔性安装和无缝合环缓冲的刚性安装的流固耦合挤压流动，对柔性安装，他们建立了固体变形模型，挤压速度为考虑固体变形速度的相对速度，结果表明：在柔性安装下，挤压流场的峰值速度明显低于刚性安装时的峰值速度。当瓣表面微弯形成局部接触时，峰值速度和挤压压力骤增。Makhijani等在最后用挤压流动计算所得的射流速度计算了高速射流向挤压缝隙外射流的湍流流动，并得出结论：缝隙出口为圆角的射流在出口有空化的危险，而缝隙出口为直角的射流在出口无空化。
4.3 空化程度的衡量指标
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Zapanta等[2]用实时观察技术观察到MH心瓣有两种空化存在：旋涡空化和空泡空化。对这两种空化比较，他采用空化照片上的空泡面积作为空化强度的指标，由此推得旋涡空化是MH心瓣内空化的主要形式。从空化历时的角度，Zapanta也发现旋涡空化比空泡空化持续时间长，空泡空化持续540 μs，旋涡空化持续637 μs。Wu[11]用压力传感器探针测量阻塞体关闭时其表面附近的压力动态过程，他采用压力脉动的幅度来评价空化的强度。Sneckenberger等[12]也用压力传感器探针测量阻塞体关闭时其表面附近的压力动态过程，他采用这一过程的均方根作为评价空化程度的指标。在测量空化产生的噪音时，许多学者用均方根作为空化的评价指标，并发现有较好的相关性。
5 展 望
近年来的研究表明机械瓣的空化研究是一个具有重要意义的课题。目前这项研究还处于探索之中：
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(1)机械瓣空化的原因仍需探究。心瓣关闭时同时存在几个效应的作用，但是它们各自对空化的贡献还不甚清楚。
(2)试验手段有待加强。测试手段从空间上和时间上进一步提高，如提高传感器和有关测试和分析仪器的精度，微观缝隙内的流动测量等。
(3)制订机械瓣空化试验标准及确定合理的空化趋势评价指标以提高机械瓣的可比较性和可靠性。
(4)进行机械瓣的空化在体试验研究以了解空化对生理环境的影响。
(5)用CFD研究空化仍不失为一个很好的方法。计算技术已经成为一种研究方法，它可以弥补试验手段的不足，在空化计算中，可采用非牛顿流体、多相流和流固耦合等复杂模型。
(6)改进机械瓣的结构设计，使瓣叶开启迅速，关闭缓慢。研制或发现高抗空蚀材料。
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参考文献
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收稿：1998-05-20, 百拇医药
单位：清华大学 工程力学系，北京 100084
关键词：机械瓣；空化；血流动力学
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机械瓣发生空化对移植者有危害。首先，机械瓣空化能导致溶血。1981年Freed等[4]用在血液中的振荡活塞造成空化的方法研究了空化对血液成分的破坏作用，他发现空化大大地损坏空化区域附近的红细胞、血小板，甚至在低强度的空化也超过了人体血液的忍受限度。1993年Lamson等[5]研究了绕机械瓣的前向流、回流和关闭三种流态分别对血液的破坏程度，同时又研究了机械瓣的不同空化历时对血液的破坏。以溶血率作为血液破坏指标，发现空化所产生的溶血率远远高于各种流动剪切应力造成的溶血率。1994年Garrison等[6]的研究表明空化对猪血有溶血作用。近年来也出现了有关强超声波在体内造成的空化对血细胞造成伤害的报道。其次，机械瓣的空蚀能造成血栓。通常机械瓣的表面被磨得很光亮以防止血细胞附着，但机械瓣空蚀凹坑使之粗糙度增加，滋长了血栓的趋势，这对机械瓣移植者的健康和生命构成潜在的威胁。再者，机械瓣空蚀能导致其结构破坏。空蚀所造成的凹坑可能是强度最薄弱之处，初生裂纹最有可能在此产生[7]，随着空蚀的加剧和心瓣在关闭时的水击作用，材料产生疲劳并使裂纹增长，最终导致心瓣的彻底损坏。1994年Richard等[8]在超过空化阀值的条件下做了机械瓣的空蚀试验，在试验中，每隔100万次取下心瓣，放在扫描电子显微镜下观察空蚀的严重程度。试验结果表明：材料裂纹从空蚀凹坑的边缘处产生并向外延伸。
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机械瓣空化研究具有重要的临床意义。首先，该问题的研究可以发现空化的原因，制造商可以有针对性地改进机械瓣设计，改善心瓣流体动力学性能，避免或减轻空化，把它的危害降低到最低限度，从而提高机械瓣的可靠性。其次，机械瓣空化研究可以使我们发现适合机械瓣制造的抗空蚀材料，用以提高机械瓣的强度和耐久性，同时消除或减轻血栓的隐患。最后，机械瓣空化的研究可以为制造商和使用部门提供理论和应用指导，建立合理的心瓣空化检验手段和评价指标，并对机械瓣空化进行预测，最终筛选出合格的产品。
机械瓣空化的研究是一个很有意义的新课题，虽然空化造成的事故发生率只有0.002%[9]，但该问题自1988年被发现以来一直受到人工心瓣生产厂商、生物医学工程研究人员和政府部门的重视。美国食品与药品管理局(FDA)于1994年在美国迈阿密召开专门的机械瓣空化研讨会并将机械瓣空化趋势(cavitation potential)作为一项机械瓣检验指标。本文要介绍国外90年代以来所做的机械瓣空化的研究工作。
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2 机械瓣空化试验研究
由于空间小，空化时间短暂，机械瓣空化研究是一个十分困难的课题，至今还在不断探索中。
2.1 机械瓣空化可视化技术
机械瓣空化在瓣关闭瞬时产生。当心室收缩时，心室压力升高，在回流作用下，机械二尖瓣开始关闭，在其关闭的瞬时，机械二尖瓣的心房侧(入流侧)紧靠瓣叶表面处有时会有云状空泡群或个别游移空泡出现[10]，当空泡在瓣表面处溃灭时就会对其表面造成空蚀。这种液体空化现象从空泡产生、发展到溃灭，其全过程为ms甚至μs数量级，而且是随机的，空泡的直径也不到2 mm[2，3]，这些事实给空化的研究带来极大的困难。
通常研究空化的手段是采用光学方法，即人们依赖高速摄影来观察空化这一短暂过程，依靠肉眼观察照片来判断液体中有无空泡的出现。1977年Tokuno拍摄了人工心脏中Lillehei-Kaster斜碟瓣上的空化现象[3]。这种高速摄影方法的代价比较大，胶片的后处理工作在时间上滞后，而且图像处理还需要人工直接判读，所以到1991年Lamson等[10]发展了实时观察技术(Realtime Observation Technique)，这种技术是使用CCD瞬时成像并存储单帧画面于计算机内存中。1991年Stinebring等类似于Lamson的做法采用触发闪光技术(Stroboscopic Lighting Technique)，他在黑暗环境里布置普通照相机，其快门保持打开，镜头焦距对准机械的入流侧，用闪光灯照亮机械瓣以使胶片曝光成像。为了准确地抓拍到空泡，以及与空化发生有关的事件作为参考初始时刻，经过可调延时电路再触发闪光灯，调整不同延时所获得的一系列照片就表示空化发生的过程。这种拍摄单张照片方法的优点是后处理简单迅速，其缺点是这种方法只能观察不同空化周期的空化过程。如果用CCD拍摄，图像的分辨率受到CCD点阵的限制，通常不是很高。
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Lamson等用实时观察技术拍摄了MH斜碟瓣关闭时空泡，他们发现心瓣的空化有三种(1)空泡空化：在阻塞体表面任何地方；(2)旋涡Ⅰ空化：在挡座部位，呈新月形状；(3)旋涡Ⅱ空化：在阻塞体中心。空化周期都不超过1 ms。1996年Lee用触发闪光技术对MH斜碟瓣Φ27，Φ29进行观察，他发现在挡座出现云状空泡，在周边缝隙处也产生空化现象。这一现象支持挤压流动产生空化的理论。
2.2 空化时心房压力特性
发生空化根本原因是液体压力低于某个临界压力，这个压力通常为液体的饱和蒸气压力，并且空泡的膨胀和溃灭都伴随压力脉动，所以压力是影响空化最重要的指标。
1994年Garrison等[6]用高频动态压力传感器测量了机械瓣关闭后的压力降，传感器装在距瓣4.5 mm处，他测到了高频压力脉动，1995年Wu等[11]用Φ2.5 mm、自然频率250 kHz的压力传感器探针伸至距阻塞体1 mm处，测量了动态压力过程。他们发现瓣关闭后的高频压力脉动，并认为压力脉动由心瓣空化时空泡的溃灭产生。Wu等人表示心瓣关闭时的高频压力脉动与空化有较好的相关性并可被用来作为检测手段。1996年Lee等[3]用直径Φ1.5 mm、自然频率250 kHz 的超小型压力传感器，测量了瓣后压力。测量结果表明：除了流体减速效应以外，挤压流动是空化的另一个主要原因。流动减速效应在载荷率较高时能产生低于-700 mmHg的压力，仅仅这种效应就足以产生空化。1996年Sneckenberger[12]等研究了瓣在关闭时刻心房的高频压力脉动与空化程度的关系，并以此为基础研究了不同泄漏程度(均符合临床应用标准)的瓣的心房高频压力脉动，研究表明：空化程度与瓣关闭时的心房压力脉动有很大的相关性，建议用均方根(root mean square)来衡量压力脉动[6]。1996年Zapanta等[13]将装有B-S斜碟瓣的左心辅助装置植入4只牛的体内，通过二尖瓣入口的压力传感器测得与离体试验类似的心瓣关闭产生的压力脉动，用RMS指标推测心瓣在牛的体内发生空化。
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2.3 空化时的心房声波及模型试验
当选用动物血液作为模拟流体或在体试验时，由于这些流体是不透明的，因此，用光学方法观察空化就不适用，由于空泡的产生和溃灭都会产生超声，所以有些学者尝试采用空化声波来探测空化。Herman等[14]用记录械机瓣关闭时空化产生的声波并努力建立声波与空化的相关关系。在试验中，他在心房侧安装了一个小型水听器用以记录心瓣空化产生的声音，分析了由于空泡溃灭造成的宽带噪音的高频声波的能量转换，结果表明：空化对高频声波能量影响不大，空化不是唯一导致高频能量转换的机制。Chahine[15]指出在空化的文吐里管中压力信号的频域特性与单个空泡的生长、发育和溃灭有关，这些频率与空泡泡壁振荡速度有很好的相关性，事实上在空化文吐里管里试验材料的抗空蚀性能时早就发现空化噪音是空蚀的较好指标，通常空泡的确与声波有相关关系[1]，只要把空化对高频声波能量转换所做的贡献分离出来即可。但测量信号中混和着关闭时产生的噪声，故信号分离困难。
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原型试验受到时间和空间的限制，空泡动力学的特征时间是几十到几百微妙，空泡特征长度为几十到几百微米，所以Chahine[15]提出用模型试验研究机械瓣的空化，目的在于增加特征时间和空间长度，但实型与模型的相似关系一直是空化研究的难点。
3 有关空化试验研究的几个问题
由于试验台的形式、安装方式、心室载荷率和模拟血液流体的物性对机械瓣空化有很大影响，因此在试验中应当对这些条件给与考虑和控制。
3.1 试验台的形式及机械瓣的安装方式
目前，研究机械瓣空化的试验台主要有两类，一类是近似生理流动条件的脉动流模拟试验台，在它的机械瓣入流侧加一个玻璃视窗。这类试验台的生理参数和试验资料比较全面可靠。另一类是机械瓣的单次关闭过程的模拟，即强迫液体流过事先全开的机械瓣，回流促使心瓣迅速关闭。为了保证单次关闭过程与生理状态相近，心室的压力变化曲线被控制为接近生理条件，关闭周期由心脏收缩期决定。这种试验台试验资料还不全面，尤其在关闭后的瞬间，压力偏离生理条件较大[3]。目前美国食品与药品管理局制订的人工心瓣测试指南还未规定心室驱动形式，但是为了便于各类机械瓣性能的比较，应建立统一的试验标准和指标。
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正常植入人体的机械瓣是将缝合环缝在心脏血管内壁组织上，这些组织有较好的弹性，因此机械瓣是固定在“软基座”上，而在离体模拟血液循环试验台上，心瓣的缝合环被夹紧在刚性的基座上，因此机械瓣的离体试验环境和生理环境有一定的差别，为了研究支座弹性差别对机械瓣血流动力学的影响，1995年Wu等人[11]研究了心瓣的安装方式对空化后压力脉动的影响，他发现刚性安装和柔性安装时的心瓣关闭后的压力脉动有很大的不同，但并不影响心瓣的关闭速度和瞬时压力降，他们解释压力降将发生在心瓣撞击瓣座之前。
1996年Lee等[16]用弹性系数不同的三种材料：有机玻璃、聚四氯乙烯和聚乙烯作为心瓣安装支座进行了空化测量试验，研究了支座弹性对空化的影响。他们发现空化引发是与空化产生机理有关，而与机械瓣安装支座的弹性无直接关系，所以对于某些心瓣，由于空化引发机理不同，人体心脏组织的缓冲作用可能不会减轻空化。1996年Chandran指出机械瓣阻塞体本身的柔性可减轻空化，它比心瓣安装的柔性更能控制心瓣空化[16]。
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3.2 心瓣的结构、关闭速度及心室的载荷率
机械瓣的空化特性主要由本身结构形式决定，例如对于MH斜碟瓣和双叶瓣，由于空化发生在阻塞体和瓣架的挤压处，所以研究人员在机械瓣结构设计上应考虑挤压结构问题，另外机械瓣的结构影响着血流动力学特性，机械瓣关闭时形成的水锤作用在瓣的心室侧形成瞬时高压区，在心房侧形成瞬时低压区，这个瞬时低压和阻塞体与瓣架间的射流共同构成了空化的两个重要原因。水锤作用在一定程度上取决于心瓣的关闭速度，于是许多学者进行了心瓣关闭特性的研究。起初，有些学者用高速摄影机观察心瓣的关闭过程，甚至用关闭时的声音判断瓣的关闭速度[17]。直到1990年Guo等[17]用激光扫描技术LST(Laser Sweeping Technique)才较为准确的测量了双叶瓣瓣叶在关闭终点的运动角速度。1995年Rau等人[18]用光学和声学相结合测量了Bjork-Shiley斜碟瓣的关闭速度。Guo测得双叶瓣的关闭速度约为2 m/s。Rau测得斜碟瓣的关闭速度略小于2 m/s，并且Guo发现瓣关闭速度与
成正比。机械瓣关闭过程是非定常绕流的流固耦合问题，在很大程度上心瓣的结构特性和绕流特性都反映在关闭速度和心室载荷率上，它不仅是心瓣试验的重要指标，而且也是空化试验研究的重要指标，这不仅因为它反映了水锤造成的压力降，而且它表征着跨瓣压差射流速度和瓣叶与瓣架之间的挤压射流速度，所以在心瓣空化试验研究上，它常用作空化初生的阀值。Graf等[19，20]，在脉动流模拟循环试验台上研究了十种商业瓣的空化初生载荷率，他采用最大的作为载荷率，发现在5000 mmHg/s时，大多数瓣表现出空化。, http://www.100md.com
3.3 模拟血液流体的物性
1994年Zapanta等[2]等用四种不同物性的模拟血液流体在相同的生理条件下的空化试验，他们发现在各种模拟血液流体中的空化历时随着心房压力的提高而减少，空化历时都不超过1 ms，粘性较大的甘油水溶液有最长的空化历时。这说明液体粘性有阻止空泡迅速溃灭的作用。液体的物性对空化有很大影响，这部分的理论和试验研究还有待于更深一步的探索，例如，各种液体的空化趋势的量化评价，另外空化的气核理论表明模拟血液流体中的含气量对空化有较大的影响，所有心瓣的理论和试验都未对此考虑、评价和控制。
4 心瓣空化的理论与计算研究
4.1 目前空化的理论
空化产生的根本原因是压力减小到临界压力以下。围绕着液体压力降低这个根本条件，研究人员提出了以下五种可能的空化理论[3]：(1)动脉压力理论；(2)流动减速理论；(3)梢部旋涡理论。(4)流线收缩理论；(5)挤压射流理论。
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1986年Leuer[3]提出脉动压力空化理论，认为由流体可压缩性和湍流所产生的关闭时的高频压力脉动导致空化。1991年Graf等[3]提出流动减速空化理论，认为心瓣阻塞体关闭运动的突然停止使流动骤然减速，心房侧流体依惯性脱离心瓣的趋势所造成的低压导致空化。1991年Stinebring等[3]提出梢部旋涡空化理论，认为心室与心房的压力差造成缝隙间的高速射流，在心瓣梢部较大的射流产生较强的剪切流旋涡，旋涡中心的低压低于临界压力时便产生空化。1994年lee等[21]提出流线收缩空化理论，认为沿心瓣间隙的流动产生文吐里效应导致空化。1994年Makhijani、Chandran、Lee和Blustein等提出挤压射流空化理论[3，22]，该理论认为在机械瓣关闭的最后阶段，在机械瓣梢部和瓣环之间的流体受到趋近的上下固壁挤压而在固壁缝隙中形成高速流动，这股射流从缝隙中射出并与缝隙出口的流体相混构成强剪切层，由于剪切层中的旋涡强度非常大，环境流体压力又比较低，所以旋涡中心的压力低于发生空化的临界压力，故液体发生空化。由于该理论能够较好解释瓣叶靠内侧周边空蚀造成的凹坑。所以这种理论普遍为学者所接受。
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这几种因素在机械瓣的关闭瞬间都存在，但又很难分清哪一种作用是主要贡献。试验研究存在时间和空间上的困难，在时间上，空化过程是微秒级的，这对测量仪器动态响应和精度要求较高，在空间上，机械瓣空化部位狭小，这要求传感器的体积要小，所以用试验证明某种空化理论仍很困难。从距心瓣表面1 mm处的压力测量表明，流动减速造成的低压是相当大的，有时足以产生空化[3，11]，因此流动减速对空化有很大作用。1991年Gross等[23]用LDA对Φ27双叶瓣做了瓣间中缝泄漏射流速度测试，并得出Venturi效应不会造成空化的结论。
4.2 运用CFD研究空化
为了证明流体挤压流动导致空化的理论，1994年Bluestein等[22]用有限元方法对ED双叶瓣的阻塞体与侧壁处计算了二维粘性挤压流动，1996年Makhijani等[24]用有限差分方法对MH斜碟瓣阻塞体与瓣环支杆处计算了三维粘性挤压流动，他们都算得局部压力低于空化临界压力。
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另外，Makhijani等运用数值方法计算了平面接触和微弯曲面局部点接触的挤压流场，计算表明在挤压流场中出现高速和低速，Bluestein等计算挤压流场中有高速射流存在，且通过论述说明，当速度超过14 m/s时空化即会发生，由此，得出挤压流动造成空化的结论。总之，这两种计算都表明挤压造成的射流为空化提供了充分的条件。
Makhijani等还运用二维模型计算了有缝合环缓冲的柔性安装和无缝合环缓冲的刚性安装的流固耦合挤压流动，对柔性安装，他们建立了固体变形模型，挤压速度为考虑固体变形速度的相对速度，结果表明：在柔性安装下，挤压流场的峰值速度明显低于刚性安装时的峰值速度。当瓣表面微弯形成局部接触时，峰值速度和挤压压力骤增。Makhijani等在最后用挤压流动计算所得的射流速度计算了高速射流向挤压缝隙外射流的湍流流动，并得出结论：缝隙出口为圆角的射流在出口有空化的危险，而缝隙出口为直角的射流在出口无空化。
4.3 空化程度的衡量指标
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Zapanta等[2]用实时观察技术观察到MH心瓣有两种空化存在：旋涡空化和空泡空化。对这两种空化比较，他采用空化照片上的空泡面积作为空化强度的指标，由此推得旋涡空化是MH心瓣内空化的主要形式。从空化历时的角度，Zapanta也发现旋涡空化比空泡空化持续时间长，空泡空化持续540 μs，旋涡空化持续637 μs。Wu[11]用压力传感器探针测量阻塞体关闭时其表面附近的压力动态过程，他采用压力脉动的幅度来评价空化的强度。Sneckenberger等[12]也用压力传感器探针测量阻塞体关闭时其表面附近的压力动态过程，他采用这一过程的均方根作为评价空化程度的指标。在测量空化产生的噪音时，许多学者用均方根作为空化的评价指标，并发现有较好的相关性。
5 展 望
近年来的研究表明机械瓣的空化研究是一个具有重要意义的课题。目前这项研究还处于探索之中：
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(1)机械瓣空化的原因仍需探究。心瓣关闭时同时存在几个效应的作用，但是它们各自对空化的贡献还不甚清楚。
(2)试验手段有待加强。测试手段从空间上和时间上进一步提高，如提高传感器和有关测试和分析仪器的精度，微观缝隙内的流动测量等。
(3)制订机械瓣空化试验标准及确定合理的空化趋势评价指标以提高机械瓣的可比较性和可靠性。
(4)进行机械瓣的空化在体试验研究以了解空化对生理环境的影响。
(5)用CFD研究空化仍不失为一个很好的方法。计算技术已经成为一种研究方法，它可以弥补试验手段的不足，在空化计算中，可采用非牛顿流体、多相流和流固耦合等复杂模型。
(6)改进机械瓣的结构设计，使瓣叶开启迅速，关闭缓慢。研制或发现高抗空蚀材料。
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收稿：1998-05-20, 百拇医药