离体肺脏机械灌注设备一体式耗材的结构设计与功能验证

刘强，卢艳

广东顺德工业设计研究院·广东顺德创新设计研究院 （广东佛山 528311）

离体肺脏机械灌注是一种通过体外肺通气和肺灌注来保存、评估和调节肺功能的新技术[1]。该技术的主要原理为，在获取肺脏后，将其血管和气管连接至器官机械灌注系统，系统在肺脏修复阶段将灌流液持续灌注至离体肺脏，同时向其供给氧气及混合气等，使其保持在接近生理条件。该技术的提出为解决边缘供体肺脏的临床应用及器官短缺问题提供了新思路，有望提高供肺利用率并改善供肺质量，促进肺移植的发展[2-6]。

目前，国内外有多个研发团队致力于肺脏机械灌注系统的研发，但仅少数实现了临床试用或应用。就行业生态环境而言，相关产品仍比较单一。国际上现有的肺脏机械灌注系统主要包括XVIVO 常温机械灌注系统及常温肺脏机械灌注系统TransMedics[Organ Care Systems（OSCTMLung System）,North Andover, MA, US]，以上两个系统均采用闭环式循环回路设计方案，且均属于常温（37 ℃）灌注系统[7]；但前者采用的是双循环回路，灌注液由肺动脉流入，并经肺静脉流出至储液器（图1），后者采用的是单条肺脏灌注管路，主要通过单离心泵单膜肺将灌注液输送至肺动脉（图2）。XVIVO 常温机械灌注系统能够起到灌注和修复肺脏的功能，但其耗材管路设计得较为分散，占用空间大，导致使用前安装操作烦琐，且不利于对实验耗材进行无菌处理。OSCTMLung System 主要用于离体肺脏的转运，无法进行长时间的灌注和肺脏修复。基于此，本研究设计了离体肺脏机械灌注设备一体式耗材，其采用开环式双循环回路设计，且与一次性套包集成为一体，占用空间小，安装方便，操作简单，便于耗材的整体灭菌，适用于常温离体肺脏机械灌注模式。

图1 XVIVO 常温机械灌注系统

图2 OSCTM 肺系统

1 设计背景

截至目前，关于离体肺脏机械灌注的研究均使用单个供血系统进行血液灌注；在循环管路设计方面，涉及开环式循环回路和闭环式循环回路两种。本设计供血系统采用开环式循环灌注，即灌注液从肺动脉进入血管，再从肺静脉流入储液罐；为了维持离体肺脏的生理条件，需要通过实时监控灌注系统的压力、流量、温度、pH、血氧饱和度等指标来调节氧气、混合气以及营养物质的供应量；此外，由于离体肺脏的常温机械灌注至少维持在4 h 以上，因此在灌注过程中需要通过灌注系统持续补充新陈代谢所需的营养物和提供相应的氧气；同时，灌注液系统也需通过不断地过滤和滤过排除有害物质，来防止肺脏代谢有害物质进入肺脏以及在灌注系统中积累。

综上，本设计的离体肺脏机械灌注设备一体式耗材结构由双循环管路系统和一次性套包两部分组成。

2 双循环管路系统设计

双循环管路系统分为主循环管路和滤过循环管路。其中，主循环管路主要负责营养物质的输送，以保证离体肺脏所需的生理条件；滤过循环管路主要负责有害物质的排除，以保证灌注液的有效性，避免有害物质对肺脏造成伤害。具体肺脏机械灌注循环系统路线设计（专利号：CN212753970U）见图3。

图3 肺脏机械灌注循环系统路线设计图

2.1 主循环管路

主循环管路主要由离心泵、微栓过滤器、膜肺、单向阀、PVC 管、接头以及传感器等组成。在离体肺脏的灌注过程中，由于离心泵对血液和大分子物质的破坏较小，且能够提供恒定的流量，故选用其作为动力部件。由离心泵为灌注液流动提供动力，液体通过微栓过滤器排除大分子有害物质，再由膜肺提供肺脏所需的氧气、氮气等气体，最终流入肺动脉；由于该灌注为携氧灌注，故灌注系统中需要氧合器、呼吸机来实现离体肺脏对氧气、氮气等气体的需求。在灌注过程中，可采用恒流控制模式和恒压控制模式，根据实验要求进行数据设定，并通过流量传感器以及压力传感器进行数据监控和信号反馈，配合离心泵进行实时调节；此外，可通过温度传感器进行温度监控，以保证灌注液温度符合生理要求。

2.2 滤过循环管路

滤过循环管路主要由蠕动泵Ⅰ、白细胞过滤器、血液滤过器、蠕动泵Ⅱ、pH 在线监测仪、废液袋、接头以及PVC 管等组成。由蠕动泵为滤过循环管路提供动力，并通过白细胞过滤器和血液透析器来过滤和滤过，将灌注循环管路中的血栓和有害细胞类物质排除，以防止其损伤肺脏。

需要注意的是，在灌注过程中，蠕动泵Ⅱ将有害物质排除会导致灌注液体量下降，需通过补液袋、开关阀和液位传感器进行液位调节，以确保灌注液体量维持在同一标准，并通过液位调节随时补充、添加所需的营养物质。

3 一次性套包结构设计

由于循环管路系统比较复杂，为避免实验或临床使用时的二次组装以及因二次组装产生的污染，本设计的一次性套包（专利号：CN111937860B）结合了该管路系统的特点，将管路系统集成在其中，以便于在使用时拆开包装，即可将该管路系统和一次性套包整体直接安装到设备上。套包结构主要包括耗材外壳、肺容器、夹具等，整体结构设计见图4。

图4 肺脏机械灌注套包结构设计图

整个耗材的一体性设计不仅便于临床医务人员在使用时快速拆装，避免污染风险，还可保证科研实验条件的一致性。在将耗材安装于主机上时，仅需离心泵头卡在离心泵驱动器上，以及过滤管路和排液管路安装在蠕动泵驱动器上，同时用管路将耗材的进、出水口与恒温水箱对应接口连通即可，见图5。

图5 一体式耗材安装示意图

4 猪肺实验

为了评估离体肺脏机械灌注设备一体式耗材的灌注性能，在同等条件下进行了3次生理状况相似的巴马香猪（广州市白云区江高文毅实验养殖厂）猪肺常温离体机械灌注实验，并于实验过程中对不同灌注时间的肺氧合指数、肺顺应性、肺动脉压力、泵速及流量等数据进行了监控和采集，且采用SPSS 13.0统计软件进行了数据分析，以设备测试值来显示测量数值，结果显示，经单因数方差分析和Dunnett-t检验，不同灌注时间的数据差异无统计学意义（P＞0.05），证实了灌注性能的一致性，见表1～3。

表1 不同时间点的血气和肺功能指标（第1次实验）

表2 不同时间点的血气和肺功能指标（第2次实验）

表3 不同时间点的血气和肺功能指标（第3次实验）

根据供肺标准，当肺氧合指数＞300 mmHg[8-9]、肺动脉压力≤15 mmHg[10-11]时可用于移植。由表1～3可知，肺氧合指数和肺动脉压力均在可移植的范围内，表明该实验结果是有效的。经对表1～3的实验数据进行方差分析，发现肺氧合指数的P＜0.05，肺顺应性、肺动脉压力、泵速、流量的P＞0.05。分析其原因在于，氧合指数为动脉血氧分压与吸入氧浓度的比值，由于每个离体肺脏都有一定的生理差别，故实验对应因素的参数也会存在误差。上述3次实验的肺氧合指数的最大波动范围在8%以内，参数波动较小，表明使用本设计的一次性耗材套包进行灌注实验，其性能稳定。

5 小结

本设计的一体式耗材结构简单，拆装方便，且一体式的结构设计避免了安装时的二次污染；通过3次生理状况相似的猪肺离体机械灌注实验表明，该一体式耗材性能稳定可靠，满足离体肺脏的常温灌注实验要求；此外，该耗材拆开即可使用，无须再次组装，降低了实验难度，提高了实验效率。