心室輔助裝置血流動力學(xué)關(guān)鍵參數(shù)可視化評價方法和平臺研究

李澍，張琪，郝燁，王權(quán)

1. 中國食品藥品檢定研究院 醫(yī)療器械檢定所，北京 102629；2. 國家節(jié)能中心，北京 100045

引言

心力衰竭作為心血管疾病的最終發(fā)展階段嚴(yán)重威脅著我國人群的健康。目前，我國的心力衰竭患者超過1100萬，5年死亡率超過50%[1-2]。近年來，心室輔助裝置作為一種有效的心力衰竭治療手段，廣泛地應(yīng)用于心衰臨床治療中[3-4]。研究發(fā)現(xiàn)，心室輔助裝置的血流動力學(xué)特性對臨床療效影響顯著，葉輪處過高的切應(yīng)力會損傷紅細胞功能[5]，激活血小板凝血功能[6]，后導(dǎo)葉處的血流停滯區(qū)與過高的切應(yīng)力梯度會導(dǎo)致血栓形成與脫落[7]。因此，檢測心室輔助裝置的血流動力學(xué)關(guān)鍵特性對于全面準(zhǔn)確地評價心室輔助裝置的性能、血液相容性與臨床安全性具有重要的價值[8]。

粒子圖像測速（Particle Image Velocimetry，PIV）是研究血流動力學(xué)應(yīng)用最廣泛的方法[9-10]。PIV通過在待測流場中均勻分布熒光示蹤粒子，采用激光激發(fā)示蹤粒子，并采用高速CCD相機連續(xù)拍攝待測流場中粒子的運動軌跡，以流場中粒子的速度表示其所處局部流場的流體速度；然后用圖像分析方法（如光學(xué)楊式條紋法、自相關(guān)法或者互相關(guān)法等）計算出待測流場中各個粒子團的位移軌跡，進而計算出其中各個熒光粒子的流速矢量，獲得流場速度分布；最后，利用第三方圖像后處理軟件，根據(jù)計算出的流體速度場數(shù)據(jù)，獲得某一個時刻某個截面的速度流場矢量和云圖。PIV因其優(yōu)異的空間與時間分辨率，廣泛應(yīng)用于流體力學(xué)測量中。圖1是PIV工作的原理圖。

圖1 PIV原理圖

國內(nèi)外在利用PIV方法研究心室輔助裝置血流動力學(xué)性能方面開展了大量研究。美國食品藥品監(jiān)督局承認PIV測試的有效性，推薦將PIV的實驗結(jié)果作為植入物性能的評價指標(biāo)。在國內(nèi)，江蘇大學(xué)錢坤喜團隊采用PIV方式評價人工心臟內(nèi)部血液流場特性[11]。阜外醫(yī)院胡盛壽團隊采用PIV實驗評價FW-II型血泵的流動特性[12-13]。北京工業(yè)大學(xué)常宇團隊采用3D PIV平臺研究人工心臟內(nèi)部的旋動流特性[14]。雖然基于PIV技術(shù)的血流動力學(xué)研究已廣泛開展，但是目前的研究成果大多依托于真實血管的簡化模型，這意味著所獲得的結(jié)果只具有理論價值，無法直接對臨床應(yīng)用提供指導(dǎo)。臨床上，主動脈具有復(fù)雜的三維空間形態(tài)，而其空間形態(tài)的改變會極大地影響主動脈內(nèi)血流動力學(xué)特性，尤其是血流的旋動流特性。因此僅通過對理想化的幾何模型的研究無法滿足心室輔助裝置臨床應(yīng)用的需求。

鑒于以上局限性，有必要針對真實心室輔助裝置輔助主動脈模型展開研究，從而獲得更加真實的主動脈內(nèi)血流流動數(shù)據(jù)[15]，同時能夠為質(zhì)量評價工作提供證據(jù)性更強、更加貼近臨床真實的研究結(jié)果[16-17]。本文從心室輔助裝置血流動力學(xué)質(zhì)量檢測的實際需求出發(fā)，研究并固定心室輔助裝置PIV流體實驗所需要的模型透明度、示蹤粒子濃度以及拍攝位置等相關(guān)參數(shù)，并確定心室輔助裝置血流動力學(xué)關(guān)鍵特征對血液相容性的影響規(guī)律，為心室輔助裝置質(zhì)量評價提供方法[18]。

1 材料與方法

1.1 流場檢測平臺搭建需求分析

為了加工出能夠用于PIV實驗的真實主動脈模型，除了在加工中要保持主動脈復(fù)雜的幾何特征以外，還需要保證模型材料具有良好的透光性，以便于在測量區(qū)域獲取信息。為了在加工過程中盡可能保持真實主動脈的幾何特征，采用三維打印技術(shù)制作高還原度的真實主動脈陽模；此外由于主動脈模型空間形態(tài)復(fù)雜，基于現(xiàn)有工藝無法完成脫模操作，因此采用可以被溶劑溶解的塑料材料作為模型的打印材料；最后，為了保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性與重復(fù)性，模型采用高透明硅膠，其固化后折射率與亞克力相近，但是其彈性模量遠低于亞克力材料，更加適合制作主動脈彈性模型。

1.2 PIV檢測平臺搭建

PIV的檢測平臺由循環(huán)管路、攝像機、激光器以及圖像后處理工作站組成（圖2和圖3）。PIV實驗通過激光器發(fā)射激光，經(jīng)過透鏡的調(diào)整形成實驗中所用的激光光源，激光光源垂直射到實驗?zāi)Ｐ偷拇郎y區(qū)域，通過調(diào)整激光器的照射高度以及照射角度可以準(zhǔn)確地照射到實驗?zāi)Ｐ蜏y量位置，以達到較為準(zhǔn)確的實驗結(jié)果。攝像機對實驗圖像進行捕捉時要保證鏡頭與片光源平面保持垂直。實驗測量攝像機采用美國IMPERX公司的高分辨率CCD相機，型號為ICL-B4820，其分辨率高達1600萬像素，全畫幅下最高拍攝幀率為4.2 fps。實驗照明光源采用半導(dǎo)體連續(xù)式激光器，其波長532 nm，輸出功率為1.5 W。具有體積小、重量輕、移動方便等優(yōu)點，但其發(fā)光功率小，因此適合小尺寸模型的流動實驗。激光器發(fā)出的光束經(jīng)柱棱鏡組括束后形成片光源，照亮考察區(qū)域。流體內(nèi)的示蹤粒子采用密度為1.03 g/mm3的空心玻璃微珠，粒徑為5 μm。圖像處理計算中采用了互相關(guān)算法，通過高斯擬合確定粒子的重心，其計算精度可達±0.1像素，同時結(jié)合圖像偏置及迭代算法，可將系統(tǒng)計算誤差控制在1%以內(nèi)。

圖2 PIV實驗循環(huán)臺原理圖

圖3 PIV測試平臺

2 結(jié)果

2.1 模型材料配比和加工工藝研究

為了保證主動脈實驗?zāi)Ｐ偷母咄腹庑?，實驗采用透光率高、強度高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的雙組分高透明硅膠作為主動脈模型的制作材料。該材料拉伸強度為5 MPa，拉伸率300%，撕裂強度30 N/mm，固化后材料收縮率＜0.3%。除此之外，該種材料的透光率穩(wěn)定，在兩種組分按照質(zhì)量比例1:1混合，并且充分固化后，其折射率保持在1.4。在加工過程中，通過調(diào)節(jié)兩種組分的比例來實現(xiàn)不同透明硅膠固化時間，當(dāng)兩種組分按照質(zhì)量比1:1混合后，其在室溫下的固化時間約為24 h。同時需要在這段時間內(nèi)，利用抽真空機排出硅膠內(nèi)參雜的氣體微泡，以保證模型內(nèi)部透光度一致。

主動脈模型的加工方案包括以下兩類：第一種是利用硅膠的彈性直接開模工藝；第二種是利用硅膠澆筑可溶解的3D陽模的倒模工藝。由于主動脈結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具有高度的空間扭曲與血管分叉結(jié)構(gòu)，無法利用硅膠進行直接脫模。因此選擇第二種工藝制作模型，其加工工藝流程如圖4所示。主要工藝路徑如下所述。

（1）根據(jù)心衰患者CT數(shù)據(jù)重建主動脈三維幾何模型。為了數(shù)值計算與PIV實驗結(jié)果的一致性，流體模型以心室輔助裝置輔助下主動脈幾何模型為基礎(chǔ)進行設(shè)計（圖4a），模型包括出口插管、主動脈根、頭臂干動脈、左頸總動脈、左鎖骨下動脈及降主動脈等4個接口。由于模型中頭臂干動脈、左頸總動脈與左鎖骨下動脈距離較近，無法安裝獨立的管路接頭，因此設(shè)計了一個內(nèi)部接口將上述3根血管合并為一個出口管道。同時，為了方便與管道銜接，升主動脈口、插管入口及降主動脈口分別設(shè)計了楔形接口。

（2）將設(shè)計好的主動脈幾何模型文件讀入高精度3D打印機，對主動脈模型的陽模進行打印制作。主動脈的復(fù)雜幾何模型決定了它無法采用常規(guī)方法進行脫模，因此選擇能夠溶解于無水乙醇的新型三維打印材料作為陽模打印材料。由于三維打印采用層堆積方式進行打印，因此所打印模型表面并不光滑，這樣會極大地降低翻模之后硅膠模型的透光程度。為了解決這一問題，在模型打印完成后，采用超聲波拋光裝置對模型表面進行拋光處理，使模型表層材料溶解并再次凝固，從而形成光滑的外表面。為了降低拋光對模型幾何特征的影響，每次拋光使用酒精不超過20 mL，拋光時間為20～30 min。制作完成的陽模模型如圖4b所示。

（3）將制作完成的主動脈實驗?zāi)Ｐ偷年柲９潭ㄔ谑孪葴?zhǔn)備好的矩形亞克力外殼中，并采用透明硅膠進行澆筑。本實驗中選取雙組份硅膠配置比為1:1。硅膠在配的時候需迅速攪拌充分，使兩組分混合均勻。攪拌后會摻入較多的氣泡，因此在灌注前，需用真空機將配置燒杯中的氣泡抽真空排出。在硅膠的灌注環(huán)節(jié)中，需要保證硅膠模型的外表面光滑無雜質(zhì)，這樣才能保證激光打到模型后不會影響到光線的傳輸。灌注硅膠時需要把模型放置在一個透明的亞克力盒子中，保證亞克力外殼內(nèi)表面無雜質(zhì)，并在亞克力方盒的表面噴脫模劑，以保證拆除盒子時更加容易（圖 4c）。

（4）灌注過程中也會夾雜入氣泡，因此灌注完成后整個模型仍需要放入真空機繼續(xù)抽真空（圖4d）。

（5）灌注排氣后的硅膠模型還需要將模型凝固與清洗。用真空干燥箱加熱模型，待1～2天硅膠完全固化后，將模具拆除。通過加熱可將模具輕易拆開，需要注意的是拆除過程中一定要注意保護盒內(nèi)已成型的透明硅膠模型，避免外殼碰到硅膠模型壁面而形成劃痕，影響實驗時激光射入后拍攝圖像，造成干擾（圖4e）。

（6）將模型放入超聲波振動儀中，利用超聲波震動將酒精加熱使模型需要部分溶解并經(jīng)血管管道流出（圖4f）。

（7）待3D打印模型溶解完全后，保證硅膠模型上無材料殘留，在真空干燥機種加熱（圖4g)。

（8）待加熱凝固完成，得到符合要求的全透明硅膠模型（圖4h）。

（9）采用相同的工藝制作軸流式人工心臟的PIV實驗?zāi)Ｐ停▓D5）。

圖4 PIV實驗?zāi)Ｐ图庸すに噲D

圖5 軸流式心室輔助裝置PIV實驗?zāi)Ｐ?/p>

2.2 PIV實驗?zāi)Ｐ偷恼凵渎恃a償

由于模型來源于真實主動脈三維重建數(shù)據(jù)，雖然通過3D打印技術(shù)并且表面經(jīng)過拋光平滑，但是其表面依然存在眾多不規(guī)則并且擁有不同曲率的小曲面，對后續(xù)PIV實驗帶來了困難。由于受到模型內(nèi)表面曲率變化以及本身硅膠材料折射率與實驗流體折射率偏差的影響，PIV采集到的圖像會出現(xiàn)扭曲失真。而基于失真圖像進行后期粒子流動狀態(tài)的分析會存在較大誤差，甚至?xí)?dǎo)致分析失敗。為了解決這一問題，需要對實驗流體進行調(diào)配，調(diào)節(jié)液體折射率達到與硅膠一致，從而消除模型內(nèi)表面曲率對于光線的折射與扭曲。

研究發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)節(jié)水中的甘油與NaI濃度能夠改變實驗溶液的折射率，從而解決PIV圖像扭曲失真的問題。由于甘油不僅能夠改變實驗溶液的折射率，對于溶液黏度也有直接影響，因此為了保證實驗溶液與人體血液具有相近的黏度，研究中將甘油與水的體積固定在1:2，主要通過調(diào)節(jié)NaI的濃度進一步調(diào)節(jié)食鹽溶液的折射率。為了驗證實際效果，實驗之前首先測量了模型在空氣、水以及甘油-水-NaI溶液充滿狀態(tài)下的成像質(zhì)量，如圖6所示。空氣填充狀態(tài)下，主動脈模型流道內(nèi)表面由于存在大量不規(guī)則曲面，與空氣之間的折射率差異較大，因而造成了嚴(yán)重的扭曲，從圖中可以看到主動脈模型流道內(nèi)邊界清晰；內(nèi)部流動區(qū)域圖像扭曲嚴(yán)重，無法透過流動區(qū)域看到背景上正交的柵格。與此相對，在流道覆蓋區(qū)域之外，由于完全被透明硅膠覆蓋，因此其成像效果良好，背景柵格沒有出現(xiàn)扭曲變形。在這種條件下，對圖像進行采集將無法獲得有效的流動信息，見圖6a；當(dāng)使用純水作為實驗流體時，成像質(zhì)量與空氣模型有了很大程度地改善，透過模型看到背后正交的網(wǎng)格依然具有明顯的畸變，這種畸變在流道邊緣尤為明顯，這種情況對于我們分析主動脈近壁面血流流動結(jié)構(gòu)提出了很大挑戰(zhàn)，見圖6b；在使用甘油-純水-NaI溶液作為實驗溶液時，PIV成像質(zhì)量比起前兩種溶液有了極大的提高，幾乎看不到主動脈流道邊界的存在，并且流道背后的柵格正交性也得到了保證，這種高質(zhì)量的PIV圖像為獲得精確度較高的主動脈內(nèi)血流流動結(jié)構(gòu)奠定了基礎(chǔ)，見圖6c?；谝陨蠈嶒?，最終確定在實驗流體中NaI的質(zhì)量比為20%。

圖6 不同實驗溶液折射率補償

3 討論

3.1 試驗工況

遵循血液流動相似性原則，在保證模型中雷諾數(shù)Re不變的情況下，對主動脈模型開展實驗，研究不同心室輔助裝置輔助水平對主動脈內(nèi)血流動力學(xué)環(huán)境的影響規(guī)律。試驗環(huán)境溫度為20℃，實驗流體為按比例配置的甘油-純水-NaI溶液。實驗測量的工況如表1所示。

表1 工況詳表

3.2 PIV實驗結(jié)果與分析

實驗結(jié)果如圖7與8所示，通過PIV實驗?zāi)軌蚯逦^察到心室輔助裝置內(nèi)部血液流動特性，為評價心室輔助裝置內(nèi)部流場的合理性提供了重要的數(shù)據(jù)。從圖7中可以發(fā)現(xiàn)，軸流泵入口（圖7a）、出口（圖7b）血流存在大量湍流流場，并且湍流區(qū)域與高剪切應(yīng)力區(qū)域基本重合。從圖8可以看出，測量得到在血泵出入口處的剪切應(yīng)力最大值為180 Pa。將剪切應(yīng)力的最大值作為后續(xù)檢測的基礎(chǔ)數(shù)值，根據(jù)血流流速與剪切應(yīng)力的面分布確定血液測試的剪切應(yīng)力曲線。

圖7 心室輔助裝置PIV結(jié)果

圖8 心室輔助裝置血液剪切應(yīng)力結(jié)果

4 結(jié)論

PIV作為一種驗證產(chǎn)品安全有效的評價工具，在產(chǎn)品研發(fā)階段受到的廣泛的應(yīng)用。然而，在產(chǎn)品上市評價階段，PIV結(jié)果作為客觀證據(jù)證明產(chǎn)品安全有效的方式也逐漸被持續(xù)關(guān)注、研究并逐漸開始廣泛應(yīng)用。PIV雖然在模擬真實環(huán)境、成本和時效性等方面具有顯著優(yōu)勢，但同樣存在著試驗結(jié)果依賴模型、邊界條件等問題。本文研究PIV測試模型材料配比、加工工藝以及折射率補償方法。采用透光率高、強度高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的高透明硅膠進行PIV模型的制作，并通過工藝將折射率保持在1.4，通過調(diào)節(jié)NaI的質(zhì)量比消除PIV圖像扭曲失真問題。通過對心室輔助裝置開展PIV測試參數(shù)優(yōu)化和確認，有利于科學(xué)有效地評價心室輔助裝置血流動力學(xué)性能，有助于形成合理的心室輔助裝置血流動力學(xué)質(zhì)量評價規(guī)范。