多种治疗脑积水抗虹吸模拟仿真模型阀门的研究

张洪驰，程云章

上海理工大学 医疗器械与食品学院，上海 200093

引言

脑积水治疗一般以手术的方式为主，目前一般采用“脑室腹腔分流术”，即用埋藏在皮肤下的阀门和导管系统将脑脊液引流进腹腔[1]。脑积水的治疗过程多数耗时较长，术后有众多的并发症，如裂隙状侧脑室综合征、堵管、颅内感染等[2]。其中，由于患者术后恢复过程中频繁的体位改变，导致分流系统内产生虹吸力，从而发展成裂隙状侧脑室综合征，引发硬脑膜下血肿，脑室端导管堵塞和囟门早闭（婴幼儿）。如何选择带有抗虹吸功能的分流阀门成为临床医生关注的问题[3]，本文通过对几种抗虹吸功能阀门的仿真实验来给出具体实验数据，以帮助临床医生对带有抗虹吸功能阀门的特点进一步深入了解。

1 材料与方法

1.1 实验材料

实验台，电脑，液压检测软件，数字螺旋步进器（Micro Press30-60-63），固定容积的水囊，医用注射器（100 mL），3种不同的抗虹吸阀门，三通阀门（直径2.4 mm；3/32英寸），塑料水管（直径2.4 mm），生理盐水。

1.2 方法

数字螺旋步进器给予注射器相对恒定的液体压力，将生理盐水以恒定的压力注射进实验系统中；固定容积的水囊是用来模仿人的两侧侧脑室环境，内部放两根塑料管，一根向水囊内注入生理盐水，另外一根将生理盐水从水囊内导出。固定压力的生理盐水注入水囊后，再经过导管进入三通阀门，三通阀门分别连接3个抗虹吸阀门，当三通阀门打开后，所有的抗虹吸阀门都在相同的测试环境下进行测试实验。第一组实验先将所有阀门平放在试验台上，用来模拟抗虹吸阀门植入在患者体内后，患者平躺的状态；得到数据后进行记录。第二组实验是将3个阀门垂直悬放试验台下，用来模拟抗虹吸阀门植入在患者体内后，患者站立的状态，得到数据后进行记录。所有阀门终端连接压力传感器，压力传感器将经过不同抗虹吸阀门的流体液压传递到计算机上，由软件显示相关流体的变化情况。总体来说，整体实验过程是数字螺旋步进器不停的向系统内注入固定压力的生理盐水，经过水囊后流向三通阀门，先测试模拟患者平躺状态下3个抗虹吸阀门的流速和压力情况，然后转换三通阀门的摆放状态，再测试模拟患者站立状态下3个抗虹吸阀门的流速和压力情况。实验系统示意图，见图1。

图1 实验系统示意图

2 阀门原理和测试数据

2.1 1号阀门

1号阀门结构示意图，见图2。此阀门内径中的抗虹吸仓有3个球状结构，进端口处的球略小，远端口处的球略大，当阀门中压力为正时，液体将进端口的小球推开，脑脊液可以正常进行分流；当阀门中压力为负时，远端口的小球会因为虹吸力的原因堵住远端口，阻止由于虹吸力导致的脑脊液过度分流。

患者平躺状态下1号阀门的状态，见图3。阀门中液体的压力和流速，见表1。将10个节点（将相隔5 s的读数进行记录）的压力和流速计算均值后可知，当压力平均在9.16 cmH2O时，阀门内部流速的平均值是32.06 mL/hr。患者站立状态下1号阀门的状态，见图4。阀门中液体的压力和流速，见表2。将10个节点的压力和流速计算均值后可知，当压力平均在-5.51 cmH2O时，阀门内部流速的平均值是250.9 mL/hr。

图2 1号阀门结构示意图

图3 患者平躺状态下的1号阀门状态

表1 患者平躺状态下1号阀门中液体的压力和流速

图4 患者站立状态下的1号阀门的状态

表2 患者站立状态下1号阀门中液体的压力和流速表

2.2 2号阀门

2号阀门结构示意图，见图5。此阀门中的抗虹吸仓内有1个球状结构，当阀门内的压力为正时，小球因为流体压力的原因，让开流出端端口；当阀门内的压力为负时，由于负压的原因，小球会堵住流出端端口，防止进一步的过度分流。

患者平躺状态下2号阀门的状态，见图6。阀门中液体的压力和流速，见表3。将10个节点的压力和流速计算均值后可知，当压力平均在8.41 cmH2O时，阀门内部流速的平均值是71.86 mL/hr。

图5 2号阀门结构示意图

图6 患者平躺状态下2号阀门的状态

表3 患者平躺状态下2号阀门中液体的压力和流速

患者站立状态下2号阀门的状态，见图7。阀门中液体的压力和流速，见表4。将10个节点的压力和流速计算均值后可知，当压力平均在7.4 cmH2O时，阀门内部流速的平均值是121.3 mL/hr。

图7 患者站立状态下2号阀门的状态

表4 患者站立状态下2号阀门中液体的压力和流速

2.3 3号阀门

3号阀门的结构示意图，见图8。此阀门中的抗虹吸仓上表面是一层硅胶膜，当阀门内的压力为正时，液体将硅胶膜撑开，液体由阀门中间的柱状孔流出，当阀门内的压力为负时，硅胶膜被负压吸住，盖住阀门中间的柱状孔，液体不会流出。

图8 3号阀门结构示意图

图9 患者平躺状态下3号阀门的状态

表5 患者平躺状态下3号阀门中液体的压力和流速表

患者平躺状态下3号阀门的状态，见图9。阀门中液体的压力和流速，见表5。将10个节点的压力和流速计算均值后可知，当压力平均在11.41 cmH2O时，阀门内部流速的平均值是35.6 mL/hr。患者站立状态下3号阀门的状态，见图10。阀门中液体的压力和流速，见表6。将10个节点的压力和流速计算均值后可知，当压力平均在10.36 cmH2O时，阀门内部流速的平均值是23.8 mL/hr。

图10 患者站立状态下3号阀门的状态

表6 患者站立状态下3号阀门中液体的压力和流速表

3 实验结果

模拟患者平躺时佩戴3种不同阀门的压力流速，见表7。从数据上来看，模拟1号阀门佩戴在患者在平躺的状态下是有一定的分流量的，但是从整体的数据上来看，随着液体压力增大，引流量有所下降，当液体压力升高到达一定值的时候，阀门远端口的小球会堵塞阀门，导致分流中断，而且压力逐渐增高的初期引流量还是过大。

表7 模拟患者平躺时佩戴3种不同阀门的压力流速

从模拟2号阀门的数据来看，当患者平躺时，整体的阀门系统表现相对比较平稳，但是引流量过高。

模拟3号阀门的据说可以看出，当患者处于平卧位时，分流的速度相对比较平稳，按照20 mL/h的正常值来看[4]，数据虽然偏高了一点，但是对于脑积水患者来说，除了考虑脑脊液流速的问题还需要考虑颅内压是否正常[5]，所以这个分流量还是可以接受的。

模拟患者站立时佩戴3种不同阀门的压力流速，见表8。模拟1号阀门从数据上看，这个结构的阀门没有对虹吸力形成有效的截抗，整个测试过程中有比较明显的过度分流的现象。当然，在实际的临床情况下，也会考虑腹压对于整体的阀门系统有一定的影响[6]。

表8 模拟患者站立时佩戴3种不同阀门的压力流速表

模拟2号阀门从数据上可以看的出，当患者站立状态下，引流量还是偏多，尤其是体位发生突然变化时，流速的变化呈现一定规律，但是有点剧烈。临床中，以上结果也有可能因为植入不当引起[7]。

模拟3号阀门从数据上可以看的出，当患者处于站立状态时，分流量还是比较稳定的，并且对于脑积水患者来说，这个分流量还是非常接近正常水平的[7]。

4 讨论与结论

从实验的结果来看，1号和2号阀门无论是在患者横卧位还是站立位的情况下，都存在过度分流的现象，整体表现都不是很好，也就是说两种阀门在实验过程中并没有表现出良好的截抗虹吸力的能力。3号阀门在2种实验环境下的表现相对前两者而言还是比较良好的，虽然3号阀门存在同样的过度分流的问题，但是数值方面相对可以接受，配合可以控制脑脊液循环压力的阀门，可以达到正常调节的水平[8]。值得指出的是，3号阀门在患者站立的状态下本身就比较接近正常的脑脊液循环状态[9]。

通过以往的临床数据来看，脑积水在临床治疗中，有64%的病例主要关注在颅内压的调节上面[10]，针对脑积水的治疗，主要目的是要恢复患者正常的脑脊液循环过程，同时关注的是脑脊液的流速以及颅内压的水平。首先，正常的脑脊液循环速度是20 mL/h左右，正常的颅内压大概是 70～200 mmH2O（成年人），50～100 mmH2O（儿童）[11]，治疗脑积水患者需要解决的问题就是恢复脑脊液正常的循环速度，也要恢复患者正常的颅内压[12]。患者在使用脑脊液分流管进行治疗时，经常会因为体位的突然变化导致脑脊液分流系统中形成负压虹吸力，导致裂隙状侧脑室，进一步引起硬脑膜下血肿、囟门早闭和脑室端导管堵塞等临床并发症。往往临床上会因为忽视了这样一类情况的存在导致23%的脑积水患者在接受治疗过程中出现了各种并发症[13]，从而影响了脑积水的治疗和恢复结果。对于临床治疗脑积水的过程来说，近些年学术界将截抗虹吸力的问题都列为非常重要的关注点之一[14]。通过此实验，对于临床医生如何选择抗虹吸阀门，选择何种抗虹吸阀门有了一个明确的参考，从而降低临床上因为裂隙状侧脑室症带来的多种并发症的比例。另外一方面，也能进一步提高临床医生对于裂隙状侧脑室症的关注度[15]。

最后，整体评价全部的实验过程，还没有针对患者处于半卧床状态下的测试，并且处于不同角度的半卧床位置时，还缺乏实验的数据，所以需要进一步的全面实验来测试相应的阀门数据。医生和患者对于未来脑脊液分流系统的期望是更加的智能化[16]，能够应对患者在日常生活中碰到的各种情况，使得患者在植入脑脊液分流管后，迅速的恢复到日常生活中去，借助人性化的科技手段，来帮助临床医生实现脑脊液分流系统的有效性，适应性等需求的应对。

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