離體肺臟機械灌注設備一體式耗材的結構設計與功能驗證

劉強，盧艷

廣東順德工業設計研究院·廣東順德創新設計研究院 （廣東佛山 528311）

離體肺臟機械灌注是一種通過體外肺通氣和肺灌注來保存、評估和調節肺功能的新技術[1]。該技術的主要原理為，在獲取肺臟后，將其血管和氣管連接至器官機械灌注系統，系統在肺臟修復階段將灌流液持續灌注至離體肺臟，同時向其供給氧氣及混合氣等，使其保持在接近生理條件。該技術的提出為解決邊緣供體肺臟的臨床應用及器官短缺問題提供了新思路，有望提高供肺利用率并改善供肺質量，促進肺移植的發展[2-6]。

目前，國內外有多個研發團隊致力于肺臟機械灌注系統的研發，但僅少數實現了臨床試用或應用。就行業生態環境而言，相關產品仍比較單一。國際上現有的肺臟機械灌注系統主要包括XVIVO 常溫機械灌注系統及常溫肺臟機械灌注系統TransMedics[Organ Care Systems（OSCTMLung System）,North Andover, MA, US]，以上兩個系統均采用閉環式循環回路設計方案，且均屬于常溫（37 ℃）灌注系統[7]；但前者采用的是雙循環回路，灌注液由肺動脈流入，并經肺靜脈流出至儲液器（圖1），后者采用的是單條肺臟灌注管路，主要通過單離心泵單膜肺將灌注液輸送至肺動脈（圖2）。XVIVO 常溫機械灌注系統能夠起到灌注和修復肺臟的功能，但其耗材管路設計得較為分散，占用空間大，導致使用前安裝操作煩瑣，且不利于對實驗耗材進行無菌處理。OSCTMLung System 主要用于離體肺臟的轉運，無法進行長時間的灌注和肺臟修復。基于此，本研究設計了離體肺臟機械灌注設備一體式耗材，其采用開環式雙循環回路設計，且與一次性套包集成為一體，占用空間小，安裝方便，操作簡單，便于耗材的整體滅菌，適用于常溫離體肺臟機械灌注模式。

圖1 XVIVO 常溫機械灌注系統

圖2 OSCTM 肺系統

1 設計背景

截至目前，關于離體肺臟機械灌注的研究均使用單個供血系統進行血液灌注；在循環管路設計方面，涉及開環式循環回路和閉環式循環回路兩種。本設計供血系統采用開環式循環灌注，即灌注液從肺動脈進入血管，再從肺靜脈流入儲液罐；為了維持離體肺臟的生理條件，需要通過實時監控灌注系統的壓力、流量、溫度、pH、血氧飽和度等指標來調節氧氣、混合氣以及營養物質的供應量；此外，由于離體肺臟的常溫機械灌注至少維持在4 h 以上，因此在灌注過程中需要通過灌注系統持續補充新陳代謝所需的營養物和提供相應的氧氣；同時，灌注液系統也需通過不斷地過濾和濾過排除有害物質，來防止肺臟代謝有害物質進入肺臟以及在灌注系統中積累。

綜上，本設計的離體肺臟機械灌注設備一體式耗材結構由雙循環管路系統和一次性套包兩部分組成。

2 雙循環管路系統設計

雙循環管路系統分為主循環管路和濾過循環管路。其中，主循環管路主要負責營養物質的輸送，以保證離體肺臟所需的生理條件；濾過循環管路主要負責有害物質的排除，以保證灌注液的有效性，避免有害物質對肺臟造成傷害。具體肺臟機械灌注循環系統路線設計（專利號：CN212753970U）見圖3。

圖3 肺臟機械灌注循環系統路線設計圖

2.1 主循環管路

主循環管路主要由離心泵、微栓過濾器、膜肺、單向閥、PVC 管、接頭以及傳感器等組成。在離體肺臟的灌注過程中，由于離心泵對血液和大分子物質的破壞較小，且能夠提供恒定的流量，故選用其作為動力部件。由離心泵為灌注液流動提供動力，液體通過微栓過濾器排除大分子有害物質，再由膜肺提供肺臟所需的氧氣、氮氣等氣體，最終流入肺動脈；由于該灌注為攜氧灌注，故灌注系統中需要氧合器、呼吸機來實現離體肺臟對氧氣、氮氣等氣體的需求。在灌注過程中，可采用恒流控制模式和恒壓控制模式，根據實驗要求進行數據設定，并通過流量傳感器以及壓力傳感器進行數據監控和信號反饋，配合離心泵進行實時調節；此外，可通過溫度傳感器進行溫度監控，以保證灌注液溫度符合生理要求。

2.2 濾過循環管路

濾過循環管路主要由蠕動泵Ⅰ、白細胞過濾器、血液濾過器、蠕動泵Ⅱ、pH 在線監測儀、廢液袋、接頭以及PVC 管等組成。由蠕動泵為濾過循環管路提供動力，并通過白細胞過濾器和血液透析器來過濾和濾過，將灌注循環管路中的血栓和有害細胞類物質排除，以防止其損傷肺臟。

需要注意的是，在灌注過程中，蠕動泵Ⅱ將有害物質排除會導致灌注液體量下降，需通過補液袋、開關閥和液位傳感器進行液位調節，以確保灌注液體量維持在同一標準，并通過液位調節隨時補充、添加所需的營養物質。

3 一次性套包結構設計

由于循環管路系統比較復雜，為避免實驗或臨床使用時的二次組裝以及因二次組裝產生的污染，本設計的一次性套包（專利號：CN111937860B）結合了該管路系統的特點，將管路系統集成在其中，以便于在使用時拆開包裝，即可將該管路系統和一次性套包整體直接安裝到設備上。套包結構主要包括耗材外殼、肺容器、夾具等，整體結構設計見圖4。

圖4 肺臟機械灌注套包結構設計圖

整個耗材的一體性設計不僅便于臨床醫務人員在使用時快速拆裝，避免污染風險，還可保證科研實驗條件的一致性。在將耗材安裝于主機上時，僅需離心泵頭卡在離心泵驅動器上，以及過濾管路和排液管路安裝在蠕動泵驅動器上，同時用管路將耗材的進、出水口與恒溫水箱對應接口連通即可，見圖5。

圖5 一體式耗材安裝示意圖

4 豬肺實驗

為了評估離體肺臟機械灌注設備一體式耗材的灌注性能，在同等條件下進行了3次生理狀況相似的巴馬香豬（廣州市白云區江高文毅實驗養殖廠）豬肺常溫離體機械灌注實驗，并于實驗過程中對不同灌注時間的肺氧合指數、肺順應性、肺動脈壓力、泵速及流量等數據進行了監控和采集，且采用SPSS 13.0統計軟件進行了數據分析，以設備測試值來顯示測量數值，結果顯示，經單因數方差分析和Dunnett-t檢驗，不同灌注時間的數據差異無統計學意義（P＞0.05），證實了灌注性能的一致性，見表1～3。

表1 不同時間點的血氣和肺功能指標（第1次實驗）

表2 不同時間點的血氣和肺功能指標（第2次實驗）

表3 不同時間點的血氣和肺功能指標（第3次實驗）

根據供肺標準，當肺氧合指數＞300 mmHg[8-9]、肺動脈壓力≤15 mmHg[10-11]時可用于移植。由表1～3可知，肺氧合指數和肺動脈壓力均在可移植的范圍內，表明該實驗結果是有效的。經對表1～3的實驗數據進行方差分析，發現肺氧合指數的P＜0.05，肺順應性、肺動脈壓力、泵速、流量的P＞0.05。分析其原因在于，氧合指數為動脈血氧分壓與吸入氧濃度的比值，由于每個離體肺臟都有一定的生理差別，故實驗對應因素的參數也會存在誤差。上述3次實驗的肺氧合指數的最大波動范圍在8%以內，參數波動較小，表明使用本設計的一次性耗材套包進行灌注實驗，其性能穩定。

5 小結

本設計的一體式耗材結構簡單，拆裝方便，且一體式的結構設計避免了安裝時的二次污染；通過3次生理狀況相似的豬肺離體機械灌注實驗表明，該一體式耗材性能穩定可靠，滿足離體肺臟的常溫灌注實驗要求；此外，該耗材拆開即可使用，無須再次組裝，降低了實驗難度，提高了實驗效率。