ECMO系統質量評價思路研究

葉佳宜，李澍

中國食品藥品檢定研究院 醫療器械檢定所，北京 102629

引言

體外膜肺氧合（Extracorporeal Membrane Oxygenation，ECMO）又稱體外生命支持，為一種可以替代肺臟和心臟功能的呼吸循環支持技術，近十年來在各種危重癥呼吸和（或）循環衰竭中應用逐漸增多。ECMO常見的適應證是急性呼吸窘迫綜合征，它在提供體外氣體交換的同時，可以實施肺保護性通氣策略從而使肺臟得到休息并最終恢復[1-2]。

ECMO與人體作用機理復雜，未探明的潛在影響因素較多；同時，這類產品往往風險度極高，其質量的好壞直接影響到病人臟器功能的康復，甚至生命安危。在甲型H1N1流感以及中東呼吸綜合征冠狀病毒引起的肺炎中均有不良事件的報道，諸如設備失能、電磁騷擾故障，心肌炎、心肌酶明顯增高、血栓栓塞、感染、腎功能衰竭、多臟器功能衰竭等并發癥的發病率仍然較高，嚴重影響患者的生存率[3-4]。

自新冠疫情爆發初期，中國ECMO設備供應出現較大缺口，一機難求，目前國內有多個團隊正在研發ECMO裝置。國家在“十三五”國家重點研發計劃對ECMO相關附件及膜肺設計的團隊予以支持，本文主要討論ECMO系統性能檢測重點、血液相容性檢測及多場景下電磁兼容檢測的評價，以推動相關產品的優化設計和自主創新能力，增強醫療器械企業的核心競爭力[5-7]。

1 ECMO系統組件基本情況

ECMO設備主要由泵頭驅動器（用于驅動離心泵）、控制臺及傳感器等附件組成。工作原理是通過磁力耦合為泵頭（一次性耗材）提供動力，輔助泵頭將體內的靜脈血引出體外，經過氧合器氧合后注入病人動脈或靜脈系統，起到部分心肺替代作用，維持人體臟器組織氧合血供。同時，傳感器可以實時測量血液回路的參數（流量、壓力、溫度、液位等），以輔助用戶進行ECMO運轉參數設置的決策[8-9]。

耗材各部件（插管、離心泵泵頭、氧合器等）通過人工血管連接，因此用戶可以根據需要將各廠家的離心泵泵頭以及氧合器自行搭配組合。離心泵泵頭/泵頭驅動器是ECMO設備與耗材發生相互作用的核心部件[10-11]。泵頭驅動器通過磁耦合驅動離心泵泵頭轉動，但泵頭驅動器并不接觸血液。壓力、溫度等監測功能，主要依靠控制臺外接傳感器，并將傳感器接入到耗材回路中相應位置進行測量。ECMO系統示意圖及傳感器測量位置如圖1所示。

圖1 ECMO系統示意圖及測量位置

2 基本評價思路

2.1 總體思路

結合針對ECMO系統相關的不良事件數據分析匯總，ECMO質量的三大突出的問題為：① 缺乏針對ECMO特定核心部件性能的評價方法與評價設備，ECMO采用大量創新式、革命式新型技術，目前缺乏相應的評價方法、技術，無法滿足評價需求；② 缺乏針對ECMO血流動力學的評價方法和平臺，ECMO要求設備工作在體內環境，且預期使用時間較長，需要有滿足人體循環的血流動力學特性；③ 缺乏針對ECMO的多應用場景電磁兼容評價技術，ECMO預期使用場景包含醫院，車載轉運、機載轉運等特殊場景，這些場景下的電磁兼容問題在ECMO評價領域也很突出。

因此，本文主要針對ECMO的性能參數、血流動力學評價系統、電磁兼容及專用配套檢測裝置與平臺展開討論，為ECMO的設計研發、檢測、評價和監管等提供科學技術支撐。根據三個突出問題，本文主要討論：①ECMO核心質量評價方法與檢驗平臺研究；②ECMO模擬循環檢測系統研究，目的在于搭建符合生理參數的模擬循環系統，從而輔助ECMO進行質量評價；③ECMO相關電磁兼容測試方法學與平臺研究，主要針對ECMO用電磁兼容評價方法，外界高頻高功率瞬時能量的抗干擾性能評價方法和其他設備的串擾評價方法展開研究。

2.2 ECMO離心泵核心質量評價方法

ECMO設備的核心功能部件是驅動離心泵，考察核心指標是系統對其所驅動的離心泵轉速的控制精度及轉速輸出范圍。檢測時可將ECMO設備設置至臨床常用工況，在充滿電后斷開網電源，ECMO系統應該可以持續工作一定時間，通常應不少于90 min。最后，作為相對長效的生命支持設備，ECMO系統的可靠性及其應對災難性故障（如電機故障）的應對措施應該被重點考核檢測。同時，需要考慮離心泵轉速準確性、流量的準確性、氣泡監測及溫度準確性。基于以上測試項目，研究了圖2的近生理試驗平臺，以求得上述試驗項目的合理可靠。該平臺的主要作用是模擬人體血液循環，在這個平臺中可以測試泵前壓力、泵后壓力、流量等參數。

圖2 模擬人體血液循環的近生理實驗平臺

為了驗證模擬血液循環試驗平臺的穩定性，在60 min內每隔10 min記錄一次數據，數據包括圖1所示的泵前壓力、泵后壓力、流量、管內液體溫度4個參數。測試管路中充滿水和甘油的混合液，粘度為3.5 mPa·s，具體結果如表1所示。其中變異系數=（標準偏差/平均值）×100%。本試驗結果表明，在認為離心泵穩定的前提下，該測試平臺穩定，結果可靠。

表1 模擬人體血液循環的近生理實驗平臺參數重復性

2.3 關鍵部件的血液相容性測試

膜肺（即膜式氧合器）作為ECMO系統中與血液接觸面積最大的部件，且需要提供核心的氧合功能。核心部件（包括血泵和膜肺）的檢測有以下幾個重要測試指標：① 血泵不同轉速下壓力流量曲線（H-Q curve）：測試血泵樣機在不同轉速情況下，出入口壓力差和流量的變化曲線關系。出入口壓力差是血泵的關鍵指標，關系到氧合效率、血栓形成等。H-Q curve是ECMO系統核心部件的關鍵指標，基本可以反映出血泵的性能優劣；② 氧合效率：采用新鮮抗凝牛血作為載體，氧合器應能在其標稱流量下，使靜脈血氧飽和度為65%的血液達到動脈血氧飽和度＞95%；③ 熱交換效率：體現氧合器中變溫部分的效率，通常不應該低于0.4；④ 內部流場分布：通過CFD仿真觀察內部流場是否有低流量區域，在此類區域容易形成血栓、血液破壞相關指標（游離血紅蛋白、白細胞、血小板下降情況）；⑤ 流量范圍及對應跨膜肺壓降：在同等流量情況下，跨膜肺壓差較小的氧合器往往具有較好的流場特性以及較低的血液破壞，可以在設定最大流量下測試氧合器的壓降；⑥ 靜態預充量：在其他條件相同情況下，預充量較小的氧合器有助于減少血液稀釋，可以以水代替血液對氧合器進行預充，充滿所需水量即為氧合器預充量[12-14]。

本測試平臺是依據YY/T 1620-2018《心肺流轉系統連續流血泵紅細胞損傷評價方法》中提到的項目及試驗方法設計的。基于以上測試項目，研究了圖3的氣血傳輸試驗平臺，以上項目均可在該平臺中進行測試，以求得上述試驗項目的合理可靠。

圖3 氣血傳輸試驗平臺

2.4 ECMO系統的電磁兼容性

由于ECMO系統的應用場景的電磁環境復雜，內部傳感器多，對精度要求高。基于以上原因，為了減少不良事件的發生，對ECMO的電磁兼容評價需考慮以下內容[15-17]。

（1）不同應用場景下的ECMO的電磁兼容專用抗擾性評價。根據不同應用場景ECMO的環境特點以及作用部位特點，研究測試設備對10 mT及50 mT的磁場抗干擾能力、10 Hz～3 GHz電磁場干擾的抗干擾能力。通過風險分析方法明晰不同參數可能造成的后果，制定電磁兼容評估內容，確定質控指標等級。考量ECMO（特別是磁懸浮ECMO）在頻段（30 MHz～3 GHz）射頻電磁場輻射抗擾度，在靜磁場、10 Hz～30 MHz交變磁場抗擾度水平。相對于YY 0505-2012中要求的80 MHz～2.5 GHz，增加了抗擾頻段范圍。關鍵參數：① 靜磁場、交變磁場＞ 0～30 MHz可調；② 磁場強度 50 mT；③ 磁場均勻度：0～3 dB；④ 磁場需覆蓋ECMO系統。

（2）手術過程中高頻高功率瞬時能量對ECMO的抗擾性評價（圖4）。研究ECMO在外部大功率電場、大功率磁場、大傳導電流直接作用于患者時的抗擾水平；通過考慮外部能量作用時間、位置、耦合方法等不同參數下抗擾性的差異，從而確認ECMO設計的合理性及安全性，評估高頻電刀作用瞬間對ECMO性能的影響。考量ECMO對于外界高頻高功率能量（模擬高頻電刀、除顫器等）的抗干擾性能。關鍵參數：① 測試電壓：0～10000 V；② 測試磁場：≤0.1 Tesla；③ 測試頻率：≤1 MHz；④ 測試模式：電凝、電切、混合；⑤ 頻率設置：掃頻、定頻。

圖4 高頻高功率瞬時能量測試平臺

3 結論

本文通過分析ECMO系統及其核心部件：離心泵頭、氧合器的產品特點及其特性參數和使用環境中的風險點，搭建模擬人體血液試驗平臺、氣血傳輸試驗平臺，并設計了電磁輻射抗騷擾試驗方案。面向應用條件下ECMO產品核心流體性能表現、流體力學性能、電磁兼容性能的評價研究，解決我國高風險ECMO設備生產廠家自主研發的產品無統一驗證方法和平臺的困難，從提高該類產品科學評價的能力。從目前的測試結果表明，所搭建模擬人體血液試驗平臺、氣血傳輸試驗平臺可以實現參數測量并未為研發生產企業提供相應的技術指導服務，為該類產品設計、檢測、評價和監管提供科學技術支撐。