旋转式心室辅助装置血液损伤参数的定量比较
1.虽然心室辅助装置(Ventricular Assist Device,VAD)已使许多心力衰竭患者受益，但如果可以消除血液损伤问题(例如溶血、血小板活化、血栓形成和栓塞，以及血管性血友病因子破坏)，就有可能帮助更多的患者。为了实现这一目标，需要更好地理解剪切应力、暴露时间和血液损伤之间的关系，由此开发出不同类型的血液损伤数值模型，以便能够设计出改良的VAD。因此，在本研究中我们使用计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）计算5个VAD内的血液动力学，并研究了剪切应力、暴露时长和溶血情况。2.我们分析了五个不同的旋转式连续流VAD，其设计特点见表1。通过计算机辅助绘图（CAD）文件或测量实际的装置部件来构建这些VAD的几何模型。使用带边界层的六面体、四面体网格对VAD模型进行网格划分（见图1）。利用CFD计算了这5个旋转式VAD的流场，从流场中计算出剪切应力和暴露时长等参数。建立新的溶血标量传输模型，然后使用溶血标量传输模型来比较五种VAD的溶血指数。表1 VAD详细信息[1]图1 用于VAD计算的网格划分[1]3.与两个离心式VAD相比，三个轴向VAD具有更大的平均标量剪切应力（scalar shear stress，sss），更广的sss范围和更大的最大sss值。在高（>9Pa），较高（>50Pa）和非常高（>150Pa）sss下的体积百分比也更大。有趣的是，在低sss (<1 Pa)时，轴向VAD的体积百分比也更大。体积最大的CentVAD1明显具有最大的低sss体积。然而，三个轴向VAD的低sss百分比(低sss体积占总VAD体积的百分比)最大，为25-30%，而两个离心式VAD的低sss百分比为5-15%(见图2)。高sss体积通常随着压头的增加而增加，AxVAD1、AxVAD2和CentVAD2的高sss体积相似（50mmHg-150mmHg，17%-25%）。CentVAD1的高sss体积较小（12–24%）。AxVAD3的高sss体积随着压力的增加而减小，因为该VAD在3 L/min和10 k rpm下不能很好地工作，并且有很多流动扰动，从而产生额外的剪切。图2 流量为3 L/min时sss参数图。[1]由于CentVAD1体积最大，其平均暴露时长最长，在流量3-7 L/min时，暴露时长为1.81 s-0.25 s。CentVAD2和AxVAD2的暴露时长几乎相同(在3L/min时为0.17 s)，因为它们的体积相同。其次是AxVAD1 (3 L/min时为0.12 s)和AxVAD3 (3 L/min时为0.09 s)。在低sss(<1 Pa)下，体积最大的CentVAD1的暴露时长(sss <1 Pa的时间)最长，在3 L/min下为0.085s。CentVAD2和AxVAD3的暴露时长最短，为0.02 s(见图3)。在高sss(>9 Pa)下，CentVAD1的暴露时长最长(3 L/min时为0.08s)，但其他四个VAD的暴露时长接近(3 L/min时为0.02-0.04s)。在较高sss (>50 Pa)下，所有5个VAD的暴露时长相似(3 L/min时为0.004-0.007 s)。在非常高sss (>150 Pa)下，轴向和离心VAD中的暴露时长有相当大的差异。在3 L/min时，轴向VAD的暴露时长约为0.0014s，而离心VAD的暴露时长约为0.0003s，轴向VAD中的暴露时长约为离心VAD的5倍。图3 压力为100 mmHg时暴露时长参数图。[1]对于每个VAD, 溶血指数(Hemolysis Index,HI)随流量增大而减小，随转速增大而增大。轴向VAD的HI是离心式VAD的1.7-3.4倍。在非常高sss(> 150 Pa)下，最大sss和体积越大，暴露时长越长，导致的HI就越高。在流量3 L/min，压力100 mmHg下，轴向VAD的HI是CentVAD1的3倍左右，是CentVAD2的2倍左右(见图4）。图4 流量为3L/min，压力为100mmhg的VAD之间的HI比较[1]综上所述，与离心VAD相比，轴向VAD具有较高的sss，更广的sss范围，在低sss和高sss处均有较大的最大sss值和较大的百分比体积。在非常高sss下，轴向VAD的暴露时长较长。轴向VAD溶血指数较高。4.参考文献[1]Katharine H. Fraser,Tao Zhang, M. Ertan Taskin,et al.A Quantitative Comparison of Mechanical Blood DamageParameters in RotaryVentricular Assist Devices: Shear Stress,Exposure Time and Hemolysis Index [J].Journal of Biomechanical Engineering, August 2012.杭州晟视科技有限公司扫码关注我们吧