2020 CHDC | 常宇教授：机械循环支持的流体力学问题探讨

在人体的某些器官主要功能丧失后，有时常规方法无法医治，需要更换器官。为达到这一目的，科学家们创造了一个又一个的人工器官，现在人工肾、人工肺、人工角膜、人工心脏等都已经不再罕见。

而人工器官的诞生单靠医学是很难完成的，这有赖于多学科的协作。医学融合工学，能让人工器官作为机器正常工作的同时，更符合人体实际情况，满足人体治疗需求。因此在人工器官领域，流体力学等工学的研究是不可或缺的一部分。

11月28日，流体力学领域专家、浙江大学医学院附属儿童医院常宇教授在2020重症心脏病大会上，就机械循环支持的流体力学问题与各位参会者进行了深层探讨。

心室辅助装置（VAD）与主动脉的血流旋动

VAD是科学家们在心衰治疗探索中创造的一个医学奇迹。不仅解决了心衰治疗中药物、心脏移植等内外科治疗的诸多不足，还为许多患者带去了福音。但任何事物都不是十全十美的，非人体自身组织的结构被植入可能会使机体产生变化。2014年Kabbani等就报道了VAD会造成主动脉结构与功能的改变，如内皮功能异常、血管壁纤维化程度增加、平滑肌细胞增生、顺应性降低、血管阻力上升等。

在一个个假设与推翻之后，基于对循证证据的总结与理解，常宇教授团队认为VAD可能通过改变了在主动脉中占优的因素——旋动流，从而改变了主动脉。

为验证该假设，常宇教授团队选取了BJUT-Ⅱ VAD，并针对该VAD的不同血流模式，通过计算模拟仿真研究了不同血流模式对主动脉血管内血流动力学特征的影响。

BJUT-Ⅱ VAD与不同的血流模式

按照入口流速，血流被分为T1、T2、T3三个时间段，采用力学参数螺旋密度（Hd）、面平均螺旋密度（Ha）量化不同血流模式下的旋动流强度，发现主动脉存在顺时针的旋动流，主动脉内的旋动流直接受BJUT-Ⅱ VAD的不同血流模式影响，在顺时针和逆时针辅助模式下，主动脉内的旋动程度都有所增强。

血流时间段划分

随后该团队继续分析了BJUT-Ⅱ VAD的避免切应力（WSS），发现顺时针血流模式有利于提高壁面切应力。

BJUT-Ⅱ VAD的壁面切应力（WSS）

这些研究结果与当前国际的同类型研究结果也保持了高度的一致性，为临床使用VAD提供了良好的参考。但当前临床上鲜有医生考虑到VAD的血流模式，因此常宇教授也建议应当关注VAD设计与使用中的血流模式的优化。

体外膜肺氧合（ECMO）与人体的相互作用

1.心功能与灌注水平对脑部供血的影响机制

ECMO是对重症心肺功能衰竭患者提供持续的体外呼吸与循环，其核心部分是膜肺（人工肺）和血泵（人工心脏），能为重症心肺功能衰竭患者进行长时间心肺支持，以维持患者生命。

但有学者发现在使用ECMO后患者存在上肢与脑部血氧饱和度降低的现象。在肺部功能严重损伤并且部分保留心排量的患者，这种情况更加严重。

上肢与脑部血氧饱和度降低

在前期研究中，常宇教授发现周围插管ECMO产生的血流交汇面可能导致上肢与脑部血氧浓度降低。那不同的灌注水平及心功能如何影响血流交汇面继而影响脑部供血的呢？

灌注流量会直接影响血流交界面的位置。该团队通过设置从心脏射出的血流量、股动脉插管的血流量、氧和血的比例，发现随着灌注量增加，血流交界面会向升主动脉方向移动，氧和血对脑部与上肢的灌注量增加，能够改善脑部与上肢的缺氧状态。心排量的增加会使三根分叉血管中的非氧和血比例增加，与临床中患者脑部与上肢血氧饱和度降低情况一致。

当心功能较强，VAD辅助水平较低时，患者上肢氧分压明显降低。VAD水平较高时，上肢的氧分压则会明显增加。

2.体外呼吸循环支持（VA-ECMO）的搏动特性对其血流动力学影响

前期已有研究表明ECMO的搏动血流有助于保持血管功能与器官灌注。但ECMO增加搏动性是否能够改善临床效果、其对于心脏做功、后负荷以及血管能量损失又有怎样的影响尚不明确。

常宇教授继续带领团队对科学问题进行了基础研究。在恒速、同步、反搏3种VA-ECMO搏动模式下，心脏做功基本一致，但反搏的等效后负荷要远高于恒速及同步模式，而能量损失则低于恒速和同步模式。

不同VA-ECMO搏动模式下下的等效后负荷及能量损失

新引入的力学方法

在基础研究中，常宇教授不仅注重效应研究，还不断探索着新的力学方法。

① 超弹性左心室运动的流固耦合研究将心脏生理模型简化为了数学模型，心肌、血流的计算，首次实现了心室壁扭转、收缩的模拟。

② 常宇教授指出，人工心脏仿真时，传统有限元方法以有限元网格为基础，面临极大挑战。采用格子Boltzmann理论研究人工心脏的动态血流动力学特性是基于无网格方法的人工心脏血流动力学研究，不受几何模型复杂程度的影响，能够准确模拟人工心脏的动态血流流场特性，确描述叶片边缘涡流的形成与发展，解决了传统方法的局限，适合作为人工心脏的迭代优化工具。

实践基于科学，科学基于细节。在临床工作中，实践固然重要，但基础研究同样能为医学发展带来不同角度的思考，也是不可松懈的一部分。而医学也早已不是单独的一门学科，产学研医管的融合发展才是未来的方向。

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