2020 CHDC | 常宇教授:機械循環支持的流體力學問題探討

2021-01-09 健康界

在人體的某些器官主要功能喪失後，有時常規方法無法醫治，需要更換器官。為達到這一目的，科學家們創造了一個又一個的人工器官，現在人工腎、人工肺、人工角膜、人工心臟等都已經不再罕見。

而人工器官的誕生單靠醫學是很難完成的，這有賴於多學科的協作。醫學融合工學，能讓人工器官作為機器正常工作的同時，更符合人體實際情況，滿足人體治療需求。因此在人工器官領域，流體力學等工學的研究是不可或缺的一部分。

11月28日，流體力學領域專家、浙江大學醫學院附屬兒童醫院常宇教授在2020重症心臟病大會上，就機械循環支持的流體力學問題與各位參會者進行了深層探討。

心室輔助裝置（VAD）與主動脈的血流旋動

VAD是科學家們在心衰治療探索中創造的一個醫學奇蹟。不僅解決了心衰治療中藥物、心臟移植等內外科治療的諸多不足，還為許多患者帶去了福音。但任何事物都不是十全十美的，非人體自身組織的結構被植入可能會使機體產生變化。2014年Kabbani等就報導了VAD會造成主動脈結構與功能的改變，如內皮功能異常、血管壁纖維化程度增加、平滑肌細胞增生、順應性降低、血管阻力上升等。

在一個個假設與推翻之後，基於對循證證據的總結與理解，常宇教授團隊認為VAD可能通過改變了在主動脈中佔優的因素——旋動流，從而改變了主動脈。

為驗證該假設，常宇教授團隊選取了BJUT-Ⅱ VAD，並針對該VAD的不同血流模式，通過計算模擬仿真研究了不同血流模式對主動脈血管內血流動力學特徵的影響。

BJUT-Ⅱ VAD與不同的血流模式

按照入口流速，血流被分為T1、T2、T3三個時間段，採用力學參數螺旋密度（Hd）、面平均螺旋密度（Ha）量化不同血流模式下的旋動流強度，發現主動脈存在順時針的旋動流，主動脈內的旋動流直接受BJUT-Ⅱ VAD的不同血流模式影響，在順時針和逆時針輔助模式下，主動脈內的旋動程度都有所增強。

血流時間段劃分

隨後該團隊繼續分析了BJUT-Ⅱ VAD的避免切應力（WSS），發現順時針血流模式有利於提高壁面切應力。


BJUT-Ⅱ VAD的壁面切應力（WSS）

這些研究結果與當前國際的同類型研究結果也保持了高度的一致性，為臨床使用VAD提供了良好的參考。但當前臨床上鮮有醫生考慮到VAD的血流模式，因此常宇教授也建議應當關注VAD設計與使用中的血流模式的優化。

體外膜肺氧合（ECMO）與人體的相互作用

1.心功能與灌注水平對腦部供血的影響機制

ECMO是對重症心肺功能衰竭患者提供持續的體外呼吸與循環，其核心部分是膜肺（人工肺）和血泵（人工心臟），能為重症心肺功能衰竭患者進行長時間心肺支持，以維持患者生命。

但有學者發現在使用ECMO後患者存在上肢與腦部血氧飽和度降低的現象。在肺部功能嚴重損傷並且部分保留心排量的患者，這種情況更加嚴重。

上肢與腦部血氧飽和度降低

在前期研究中，常宇教授發現周圍插管ECMO產生的血流交匯面可能導致上肢與腦部血氧濃度降低。那不同的灌注水平及心功能如何影響血流交匯面繼而影響腦部供血的呢？

灌注流量會直接影響血流交界面的位置。該團隊通過設置從心臟射出的血流量、股動脈插管的血流量、氧和血的比例，發現隨著灌注量增加，血流交界面會向升主動脈方向移動，氧和血對腦部與上肢的灌注量增加，能夠改善腦部與上肢的缺氧狀態。心排量的增加會使三根分叉血管中的非氧和血比例增加，與臨床中患者腦部與上肢血氧飽和度降低情況一致。

當心功能較強，VAD輔助水平較低時，患者上肢氧分壓明顯降低。VAD水平較高時，上肢的氧分壓則會明顯增加。

2.體外呼吸循環支持（VA-ECMO）的搏動特性對其血流動力學影響

前期已有研究表明ECMO的搏動血流有助於保持血管功能與器官灌注。但ECMO增加搏動性是否能夠改善臨床效果、其對於心臟做功、後負荷以及血管能量損失又有怎樣的影響尚不明確。

常宇教授繼續帶領團隊對科學問題進行了基礎研究。在恆速、同步、反搏3種VA-ECMO搏動模式下，心臟做功基本一致，但反搏的等效後負荷要遠高於恆速及同步模式，而能量損失則低於恆速和同步模式。

不同VA-ECMO搏動模式下下的等效後負荷及能量損失

新引入的力學方法

在基礎研究中，常宇教授不僅注重效應研究，還不斷探索著新的力學方法。

① 超彈性左心室運動的流固耦合研究將心臟生理模型簡化為了數學模型，心肌、血流的計算，首次實現了心室壁扭轉、收縮的模擬。

② 常宇教授指出，人工心臟仿真時，傳統有限元方法以有限元網格為基礎，面臨極大挑戰。採用格子Boltzmann理論研究人工心臟的動態血流動力學特性是基於無網格方法的人工心臟血流動力學研究，不受幾何模型複雜程度的影響，能夠準確模擬人工心臟的動態血流流場特性，確描述葉片邊緣渦流的形成與發展，解決了傳統方法的局限，適合作為人工心臟的迭代優化工具。

實踐基於科學，科學基於細節。在臨床工作中，實踐固然重要，但基礎研究同樣能為醫學發展帶來不同角度的思考，也是不可鬆懈的一部分。而醫學也早已不是單獨的一門學科，產學研醫管的融合發展才是未來的方向。

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