各种辅助泵对心室功能恢复的影响
作者：钱坤喜 曾培 茹伟民 袁海宇
单位：(江苏理工大学 生物医学工程研究所，镇江 212013)
关键词：左心室和双心室辅助；搏动流及非搏动流；隔膜泵及旋转泵 血液循环流量和冠状动脉灌注
生物医学工程学杂志000212 摘要 应用自制隔膜泵、非搏动流叶轮泵和搏动流叶轮泵，以及临床用的美国Sarns转子泵分别在迷你猪和小公牛身上做左心室或双心室辅助试验，结果显示搏动流泵在自然心脏衰竭时能维持动物主动脉压的搏动特性，从而降低周身循环阻力而增加血液循环流量，而叶轮泵及转子泵因没有瓣膜返流能提高动物主动脉舒张压，增加自然心脏冠状动脉灌注，因此搏动流叶轮泵对于衰竭心脏功能的恢复，最为有利。
Effect of Various Assist Pumps on Recovering the Ventricular Function
, 百拇医药
Qian Kunxi Zeng Pei Ru Weimin Yuan Haiyu
(Inst of Biomed Eng., Jiangsu Uni of Sci & Tech, Zhenjiang 212013)
Abstract With the authors' diaphragm pump and pulsatile as well as nonpulastile impeller pumps, and the clinically used Sarns Roller, both left ventricular assist and biventricular assist experiments were performed on mini pigs and calves. The results demonstrate that the pulsatile impeller pump is the best assist pump for recovering the heart function, because it maintains the pulsatility of aortic pressure by heart failure and thus increases the circulation volume, and it enlarges the diastolic pressure so as to increase the perfusion in coronary artery because it has no backflow.
, 百拇医药
Key words Left ventricular and biventricular assist Pulsatile and nonpulsatile pumping Diaphragm pump and rotary pump Circulation volume and coronary arterial perfusion
1 引 言
用心室辅助装置抢救心脏衰竭病人在国外已经成为医疗常规，但目前临床上使用的搏动流隔膜泵及非搏动流离心泵和转子泵，均存在血流动力学方面的缺陷。搏动流隔膜泵因存在瓣膜返流等原因必须在自然心脏舒张期射血，不仅增加系统控制的复杂性，而且在心电不正常时根本检测不到赖以控制的信号(R波)；非搏动流离心泵和转子泵在自然心脏衰竭时由于不能产生主动脉压的搏动性，从而增加病人周身阻力而降低血液循环流量。
为克服临床用心室辅助泵的血流动力学缺陷，作者研制成搏动流离心型叶轮血泵，并与自制隔膜泵，非搏动流叶轮泵及临床用的美国Sarns转子泵在迷你猪和小公牛身上进行左心室或双心室辅助试验。本文报道试验的方法及其结果。
, 百拇医药
2 材料与方法
2.1 试验用血泵
(1)隔膜泵：也称排积泵。它由左、右进、出口两个阀门及中间1个血腔组成。血腔内有振动的隔膜。当隔膜与泵外壳之间的空气被抽空时，隔膜往泵壳运动，左端进口阀门打开，右端出口阀门关闭，血液从进口流入，血腔完成充盈；然后是隔膜在压缩空气作用下往轴心运动，左端阀门关闭，右端阀门打开，血腔容积减小，血液便从出口压出。如此循环往复以辅助心脏。泵及其驱动装置与控制系统等已有另文报道[1～4]，此处不再赘述。
(2)叶轮泵：离心泵有旋涡泵(Vortex pump)和叶轮泵两种，前者靠血液粘性，由旋转锥体(无叶片)带动血液旋转产生离心力；后者由叶轮叶片带动血液旋转，达到输送血液的目的。我们使用的叶轮泵分非搏动流及搏动流两种。非搏动流叶轮泵转速不变，输出的血流压力及流量均为常数[5～7]。搏动流叶轮泵输入驱动电流的电压是1个方波，因此叶轮转速呈周期性变化，所输送的血流压力及流量均是搏动的[8～11]。
, http://www.100md.com
(3)转子泵：临床用转子泵也属于排积泵，它的工作原理也简单，两个滚轮交替压缩乳胶管，将血液从进口压迫输送到出口。转子泵输出的血液压力及流量均是不搏动的，因此是非搏动流泵。
2.2 左心室辅助试验
叶轮泵先在迷你猪身上做急性左心室辅助试验(搏动流叶轮泵N=5，非搏动流叶轮泵N=4)，然后在小公牛身上做慢性存活试验[12]。在这些试验中，非搏动流叶轮泵及搏动流叶轮泵交替使用。在此基础上，隔膜泵也用来做对照试验(N=3)。血泵进口与动物左心房插管连接，出口与主动脉插管连接，与自然左心室形成旁路(图略)试验动物的各种生理参数，包括心电图、主动脉压、肺动脉压、中心静脉压，以及血泵流量均连续检测并记录。心衰由结扎冠状动脉引发。主动脉平均压降至60 mmHg(1 mmHg=0.133 kPa)开始心室辅助，直至主动脉平均压回复至100 mmHg。
2.3 双心室辅助试验
, 百拇医药
叶轮泵及转子泵在迷你猪体做了双心室辅助试验(搏动流叶轮泵N=4，非搏动流叶轮泵N=3，转子泵N=4)。左泵的连接与左心室辅助试验时相同。右泵的进口连接右心房插管；右泵的出口连接肺动脉插管，与右心室形成旁路(图略)。动物生理参数及两泵流量，均连接检测并记录。
3 结 果
自然心室衰竭需循环辅助时，其输出量以及主动脉和肺动脉压力的搏动性主要由辅助泵维持。图1是左心室辅助时情形，左心电图紊乱，说明左心室衰竭(左图)，主动脉压很低，仅60/90 mmHg，其搏动频率较慢，反映血泵的搏动。几小时后，心脏功能恢复(右图)，心电图恢复正常，主动脉压上升至80/120 mmHg，其搏动呈现复杂波形，是自然心脏及人工心脏搏动的合成。如果心脏衰竭时采用非搏动流泵辅助，则主动脉压不会有搏动，动物周身阻力将会增加，循环流量将会减少。
, 百拇医药
图1 左心室功能衰竭(左)及辅助后恢复正常(右)的试验
Fig 1 Experiments of the left ventricle failed(left) and the heart recoved after assisted by pump(right)
图2是双心室辅助时动物主动脉压(左图)及肺动脉压(右图)波形。从图中知，左心室功能不全，但右心室功能正常，因此主动脉压波形反映辅助泵的搏动，而肺动脉压由右心室输出及右泵输出迭加而成，呈现较复杂的波形。
图2 左心室功能不全(左)及右心室功能正常(右)的试验
Fig 2 The function of the left ventricle is abnormal(left) and normal(rigt)
, 百拇医药
图3比较隔膜泵及非搏动流和搏动流叶轮泵的血流动力学特性。由于隔膜泵存在返流，因此主动脉压(ABP)的舒张压较低，这样会降低冠状动脉灌注流量，不利于自然心脏的功能恢复。非搏动流叶轮泵及搏动流叶轮泵均没有此弊病，图中反映出主动脉压的舒张压升高。
由于自然心脏衰竭是人为制造的，其衰竭程度很难控制，需要心室辅助的时间长短不一，因此在实验中发现，用辅助时间作为比较血流动力学的参数，是不可行的。
图3 隔膜泵(左)、非搏动流泵(中)及搏动流泵(右)试验曲线
Fig 3 Curves of a diaphragm(left), a nonpulsatile impeller pump(middle) and a pulsatile impeller pump(right)
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4 结 论
搏动流叶轮泵辅助血液循环既可保持动脉压力的搏动性，减少循环阻力而提高循环流量，又可以避免返流，提高动脉舒张压，增加冠状动脉流量，对恢复自然心脏功能，最为有利。
本项目为国家自然科学基金(39970736)、国家科委(96-120-12-03)、国家教委博士点基金(97029903)、江苏省科委(BE96056)联合资助
参考文献
1，钱坤喜，费 青.成人及幼儿用左心室辅助泵的研制.中国生物医学工程学报.1987；6(2)∶91
2，钱坤喜，费 青：直线电机——气缸组合式左心辅助装置.医疗器械.1986；10(4)∶31
3，钱坤喜，顾洪熙，林匡定等.直线电机——气缸活塞组合式小型气动装置驱动隔膜泵辅助血液循环.北京生物医学工程，1989；8(3)∶169
, 百拇医药
4，Qian KX.A linear motor and compacted cylindr—piston driver for left ventricular bypass. J Biomed Eng, 1990；12(1)∶36
5，Qian KX, Wang HS. A fully implantable nonpulsatile impeller pump assists the circulation of the free-walking goats. Progress in Artificial Organs. ISAO Press, 1986：464-467
6，Qian KX, Fei Q.Haemolysis test of nonpulsatile and pulsatile impleller blood pumps. Clinic Phys Physio Meas，1989；9(2)∶107
, 百拇医药
7，Qian KX. Progress in impeller pumps in China. Assisted Circulation 3(ed. F.Unger). Springer Verlag Berlin Heidelberg, 1989：197-214
8，Qian KX, Fei Q, Lin KD et al. The realization of a pulsatile impeller pump with low hemolysis. Artificial Organs，1989：13(2)∶162
9，Qian KX.Pulsatile blood flow from impeller pumps:A dream has come true. J Biomaterilas Applications, 1994;9(2)∶158
10，Qian KX.Pulsatile centrifugal impeller heart: a successful application of engineering to medicine. Biomed Eng Appl Basis Comm. 1995;7(3)∶265
11，Qian KX.Pulsatile impeller heart: A viable alternative to diaphragm heart. J Med Eng Phys. 1996；18(1)∶57
12，钱坤喜，曾 培，茹伟民等.人工心脏电动叶轮血泵动物试验及临床试用.生物医学工程学杂志，1998；15(3)∶225
(收稿：1998-12-02), http://www.100md.com
单位：(江苏理工大学 生物医学工程研究所，镇江 212013)
关键词：左心室和双心室辅助；搏动流及非搏动流；隔膜泵及旋转泵 血液循环流量和冠状动脉灌注
生物医学工程学杂志000212 摘要 应用自制隔膜泵、非搏动流叶轮泵和搏动流叶轮泵，以及临床用的美国Sarns转子泵分别在迷你猪和小公牛身上做左心室或双心室辅助试验，结果显示搏动流泵在自然心脏衰竭时能维持动物主动脉压的搏动特性，从而降低周身循环阻力而增加血液循环流量，而叶轮泵及转子泵因没有瓣膜返流能提高动物主动脉舒张压，增加自然心脏冠状动脉灌注，因此搏动流叶轮泵对于衰竭心脏功能的恢复，最为有利。
Effect of Various Assist Pumps on Recovering the Ventricular Function
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Qian Kunxi Zeng Pei Ru Weimin Yuan Haiyu
(Inst of Biomed Eng., Jiangsu Uni of Sci & Tech, Zhenjiang 212013)
Abstract With the authors' diaphragm pump and pulsatile as well as nonpulastile impeller pumps, and the clinically used Sarns Roller, both left ventricular assist and biventricular assist experiments were performed on mini pigs and calves. The results demonstrate that the pulsatile impeller pump is the best assist pump for recovering the heart function, because it maintains the pulsatility of aortic pressure by heart failure and thus increases the circulation volume, and it enlarges the diastolic pressure so as to increase the perfusion in coronary artery because it has no backflow.
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Key words Left ventricular and biventricular assist Pulsatile and nonpulsatile pumping Diaphragm pump and rotary pump Circulation volume and coronary arterial perfusion
1 引 言
用心室辅助装置抢救心脏衰竭病人在国外已经成为医疗常规，但目前临床上使用的搏动流隔膜泵及非搏动流离心泵和转子泵，均存在血流动力学方面的缺陷。搏动流隔膜泵因存在瓣膜返流等原因必须在自然心脏舒张期射血，不仅增加系统控制的复杂性，而且在心电不正常时根本检测不到赖以控制的信号(R波)；非搏动流离心泵和转子泵在自然心脏衰竭时由于不能产生主动脉压的搏动性，从而增加病人周身阻力而降低血液循环流量。
为克服临床用心室辅助泵的血流动力学缺陷，作者研制成搏动流离心型叶轮血泵，并与自制隔膜泵，非搏动流叶轮泵及临床用的美国Sarns转子泵在迷你猪和小公牛身上进行左心室或双心室辅助试验。本文报道试验的方法及其结果。
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2 材料与方法
2.1 试验用血泵
(1)隔膜泵：也称排积泵。它由左、右进、出口两个阀门及中间1个血腔组成。血腔内有振动的隔膜。当隔膜与泵外壳之间的空气被抽空时，隔膜往泵壳运动，左端进口阀门打开，右端出口阀门关闭，血液从进口流入，血腔完成充盈；然后是隔膜在压缩空气作用下往轴心运动，左端阀门关闭，右端阀门打开，血腔容积减小，血液便从出口压出。如此循环往复以辅助心脏。泵及其驱动装置与控制系统等已有另文报道[1～4]，此处不再赘述。
(2)叶轮泵：离心泵有旋涡泵(Vortex pump)和叶轮泵两种，前者靠血液粘性，由旋转锥体(无叶片)带动血液旋转产生离心力；后者由叶轮叶片带动血液旋转，达到输送血液的目的。我们使用的叶轮泵分非搏动流及搏动流两种。非搏动流叶轮泵转速不变，输出的血流压力及流量均为常数[5～7]。搏动流叶轮泵输入驱动电流的电压是1个方波，因此叶轮转速呈周期性变化，所输送的血流压力及流量均是搏动的[8～11]。
, http://www.100md.com
(3)转子泵：临床用转子泵也属于排积泵，它的工作原理也简单，两个滚轮交替压缩乳胶管，将血液从进口压迫输送到出口。转子泵输出的血液压力及流量均是不搏动的，因此是非搏动流泵。
2.2 左心室辅助试验
叶轮泵先在迷你猪身上做急性左心室辅助试验(搏动流叶轮泵N=5，非搏动流叶轮泵N=4)，然后在小公牛身上做慢性存活试验[12]。在这些试验中，非搏动流叶轮泵及搏动流叶轮泵交替使用。在此基础上，隔膜泵也用来做对照试验(N=3)。血泵进口与动物左心房插管连接，出口与主动脉插管连接，与自然左心室形成旁路(图略)试验动物的各种生理参数，包括心电图、主动脉压、肺动脉压、中心静脉压，以及血泵流量均连续检测并记录。心衰由结扎冠状动脉引发。主动脉平均压降至60 mmHg(1 mmHg=0.133 kPa)开始心室辅助，直至主动脉平均压回复至100 mmHg。
2.3 双心室辅助试验
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叶轮泵及转子泵在迷你猪体做了双心室辅助试验(搏动流叶轮泵N=4，非搏动流叶轮泵N=3，转子泵N=4)。左泵的连接与左心室辅助试验时相同。右泵的进口连接右心房插管；右泵的出口连接肺动脉插管，与右心室形成旁路(图略)。动物生理参数及两泵流量，均连接检测并记录。
3 结 果
自然心室衰竭需循环辅助时，其输出量以及主动脉和肺动脉压力的搏动性主要由辅助泵维持。图1是左心室辅助时情形，左心电图紊乱，说明左心室衰竭(左图)，主动脉压很低，仅60/90 mmHg，其搏动频率较慢，反映血泵的搏动。几小时后，心脏功能恢复(右图)，心电图恢复正常，主动脉压上升至80/120 mmHg，其搏动呈现复杂波形，是自然心脏及人工心脏搏动的合成。如果心脏衰竭时采用非搏动流泵辅助，则主动脉压不会有搏动，动物周身阻力将会增加，循环流量将会减少。
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图1 左心室功能衰竭(左)及辅助后恢复正常(右)的试验
Fig 1 Experiments of the left ventricle failed(left) and the heart recoved after assisted by pump(right)
图2是双心室辅助时动物主动脉压(左图)及肺动脉压(右图)波形。从图中知，左心室功能不全，但右心室功能正常，因此主动脉压波形反映辅助泵的搏动，而肺动脉压由右心室输出及右泵输出迭加而成，呈现较复杂的波形。
图2 左心室功能不全(左)及右心室功能正常(右)的试验
Fig 2 The function of the left ventricle is abnormal(left) and normal(rigt)
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图3比较隔膜泵及非搏动流和搏动流叶轮泵的血流动力学特性。由于隔膜泵存在返流，因此主动脉压(ABP)的舒张压较低，这样会降低冠状动脉灌注流量，不利于自然心脏的功能恢复。非搏动流叶轮泵及搏动流叶轮泵均没有此弊病，图中反映出主动脉压的舒张压升高。
由于自然心脏衰竭是人为制造的，其衰竭程度很难控制，需要心室辅助的时间长短不一，因此在实验中发现，用辅助时间作为比较血流动力学的参数，是不可行的。
图3 隔膜泵(左)、非搏动流泵(中)及搏动流泵(右)试验曲线
Fig 3 Curves of a diaphragm(left), a nonpulsatile impeller pump(middle) and a pulsatile impeller pump(right)
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4 结 论
搏动流叶轮泵辅助血液循环既可保持动脉压力的搏动性，减少循环阻力而提高循环流量，又可以避免返流，提高动脉舒张压，增加冠状动脉流量，对恢复自然心脏功能，最为有利。
本项目为国家自然科学基金(39970736)、国家科委(96-120-12-03)、国家教委博士点基金(97029903)、江苏省科委(BE96056)联合资助
参考文献
1，钱坤喜，费 青.成人及幼儿用左心室辅助泵的研制.中国生物医学工程学报.1987；6(2)∶91
2，钱坤喜，费 青：直线电机——气缸组合式左心辅助装置.医疗器械.1986；10(4)∶31
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4，Qian KX.A linear motor and compacted cylindr—piston driver for left ventricular bypass. J Biomed Eng, 1990；12(1)∶36
5，Qian KX, Wang HS. A fully implantable nonpulsatile impeller pump assists the circulation of the free-walking goats. Progress in Artificial Organs. ISAO Press, 1986：464-467
6，Qian KX, Fei Q.Haemolysis test of nonpulsatile and pulsatile impleller blood pumps. Clinic Phys Physio Meas，1989；9(2)∶107
, 百拇医药
7，Qian KX. Progress in impeller pumps in China. Assisted Circulation 3(ed. F.Unger). Springer Verlag Berlin Heidelberg, 1989：197-214
8，Qian KX, Fei Q, Lin KD et al. The realization of a pulsatile impeller pump with low hemolysis. Artificial Organs，1989：13(2)∶162
9，Qian KX.Pulsatile blood flow from impeller pumps:A dream has come true. J Biomaterilas Applications, 1994;9(2)∶158
10，Qian KX.Pulsatile centrifugal impeller heart: a successful application of engineering to medicine. Biomed Eng Appl Basis Comm. 1995;7(3)∶265
11，Qian KX.Pulsatile impeller heart: A viable alternative to diaphragm heart. J Med Eng Phys. 1996；18(1)∶57
12，钱坤喜，曾 培，茹伟民等.人工心脏电动叶轮血泵动物试验及临床试用.生物医学工程学杂志，1998；15(3)∶225
(收稿：1998-12-02), http://www.100md.com