VA ECMO辅助下搏动辅助对血流分布的影响

第二百一十九期 1

研究团队

常宇教授

浙江大学儿童医院

现任职务

浙江大学儿童医院特聘教授

中国生物医学工程学会体外机械辅助支持分会副主任委员

中国麻醉学会体外生命支持委员会副主任委员

国家科技项目审评专家

2021-今，浙江大学医学院附属儿童医院 特聘教授

2019-2022，发起并成功创建北京工大科创基金，负责医疗健康领域

2017-2019，担任北工科技园董事总经理，主管园区开发与成果落地

2014-2017，北京工业大学生命学院副院长，负责科研与转化平台建设，达成2项成果转化平台合作

科研情况

承担和参加国家科技项目10余项，发表SCI论文30余篇，获得知识产权30项，出版专著2部

吉冰洋教授

中国医院科学院阜外医院

现任职务

2018年至今  中国医学科学院阜外医院，体外循环中心科室行政主任；

2019年至今  国家心血管病专家委员会第二届委员会，委员；

2019年至今  国家心血管疾病临床研究中心，项目负责人（PI）；

2019年至今  中国研究型医院学会血栓与止血专业委员会，副主任委员；

2015-2020   中国心胸血管麻醉学会体外生命支持分会，第一任主任委员

主要工作经历

2014年至今  中国医学科学院阜外医院，体外循环中心主任医师；

2010-2014   中国医学科学院阜外医院，体外循环中心副主任医师；

2007-2010   首都医科大学附属北京安贞医院，体外循环科副主任医师；

2005-2007   美国宾夕法尼亚州立大学医学院（Hershey医学中心）， 小儿心脏外科和人造器官研究室高级研究助理；

1996-2005   中国医学科学院阜外医院，体外循环中心主治医师；

主要科研业绩

目前在研项目：主持国家自然科学基金面上项目一项，中国医学科学院医学与健康科技创新工程2020年临床与转化医学研究基金培育项目一项，中国医学科学院阜外医院国家心血管疾病临床医学研究中心自主课题一项。

结题项目：主持国家科学基金面上项目两项，国家重点基础研究发展计划（973计划）子课题一项，国家高技术研究发展计划（863计划）子课题一项。

研究成绩的学术影响

累计发表SCI索引论文100余篇，共被引1500余次；

作为通讯作者发表《Effects of retrograde autologous priming on blood transfusion and clinical outcomes in adults: a meta-analysis》，该文章被2019年10月欧洲心胸外科协会、欧洲心胸麻醉协会以及欧洲心血管灌注师委员会联合发布的成人体外循环指南引用；

本文第一作者 谷凯云

浙江大学医学院附属儿童医院

现任职务

中国生物医学工程学会会员

中国心胸血管麻醉学会体外生命支持分会青年委员

主要工作经历

2020年至今    国家儿童健康与疾病临床医学研究中心 浙江大学医学院附属儿童医院 副研究员

2017-2020     北京大学 临床医学博士后

主要科研业绩

2009年开始从事体外生命支持流体动力学分析及相关植介入器械的研发，涉及人工心脏与心血管系统相互作用、ECMO与IABP的血流动力学分析、人工心脏系统研发等。累积发表论文30余篇，第一作者SCI论文10余篇，主持青年基金、北京市优秀人才等项目，参与科技部重点研发项目、国家自然科学基金等多项国家课题。获中国医师协会体外生命支持专业委员会2019年度最佳论文奖。

VA ECMO辅助下搏动辅助

对血流分布的影响

Hemodynamic effect of pulsatile on blood flow distribution with VA ECMO: A numerical study 

Kaiyun Gu, Sizhe Gao, Zhe Zhang, Bingyang Ji, Yu Chang. Bioengineering 2022, 9(10), 487; https://doi.org/10.3390/bioengineering9100487 

研究背景

静脉-动脉体外膜肺氧合(VA ECMO) 主要用于对重症心肺功能衰竭患者提供持续的体外呼吸与循环，以维持患者生命，临床已证实V-A ECMO使患者受益，但其减弱了循环搏动性，减少了末端器官灌注和组织代谢。

动脉血流和血压的搏动性很重要，低搏动导致一系列不良事件。

当IABP与VA-ECMO同时使用时，其反脉冲流量有助于收缩压卸载，提高心肌氧供需比，改善临床疗效。但搏动血流在改善循环系统支持的VA ECMO血流分布方面的血流动力学作用尚不清楚。

研究目的

采用流体力学方法研究搏动血流在改善静脉-动脉体外膜氧合(V-A ECMO)支持情况下循环系统血流分布特性

研究方法

1. 重建主动脉、VA ECMO和 IABP模型

根据CTA数据，建立主动脉真实几何模型；VA ECMO简化模型，只考虑股动脉部分插管，氧合后血液由此插管进入到动脉系统，导管直径4 mm；依据临床真实IABP 30 ml球囊建立几何模型。

图1 主动脉、VA ECMO和 IABP模型

2. 有限元模型

使用Hypermesh (Altair Engineering, MI)为主动脉模型生成有限元网格，基于前期网格无关和周期无关性验证，347,098和58,509个六面体网格足以进行本研究。血管壁本构采用Mooney–Rivlin模型，血流特性为层流、牛顿流、粘性、绝热和不可压缩流体。

3. 边界条件

本研究分为三组：Group A为CS组，心输出量1.5L/min； Group B为CS & ECMO组，心输出量1.5 ~3.5L/min, ECMO流量3.0-1.0L/min；Group C为CS & ECMO & IABP组，心输出量1.5 ~3.5L/min, ECMO流量3.0-1.0L/min，IABP 30mL。

表1 分组情况

图2  主动脉瓣的流速和V‐A ECMO的流量

研究结果

1. 冠脉、脑部、肾脏和下肢的总血流量

心脏功能逐步恢复，VA ECMO随之降低，心输出量CO与VA ECMO总流量4.5L/min保持不变的情况下，IABP产生的有效血流不同。VA ECMO 3 L/min时，IABP最小有效血流量为0.78 L min。随着左心室恢复，VA ECMO流量减少，IABP有效血流量增加。

图3 冠脉、脑部、肾脏和下肢的总血流量

2.  股动脉血流量

VA ECMO导管植入左股动脉(LAF)，与右股动脉(RAF)相比，在VA ECMO或VA ECMO和IABP中LAF血流明显减少。随着心功能恢复和VA ECMO流量减少，仅在VA ECMO支持下LAF和RAF流量逐渐增加。然而，VA ECMO &IABP组，LAF流量呈上升趋势，而RAF随VA ECMO流量的下降呈下降趋势。与单纯VA ECMO相比，IABP可平衡股动脉血流。

图4 股动脉血流量

3.  动脉搏动性

残余搏动能SHE、等效能量压EEP和搏动指数PPI’是评估搏动性的指标，dSHE是左心室SHE（LV SHE）和VA ECMO SHE的差值，dEEP是LV EEP和VA ECMO EEP的差值，表征SHE与EEP损失。IABP改变了dEEP和dSHE的变化趋势，进而影响了脉搏功能的损失。VA ECMO在2.0 L/min - 1.5 L/min交叉，说明IABP对搏动的影响较弱。随着两组心功能恢复，PPI’均呈上升趋势。有IABP的PPI是无IABP的两倍。IABP可增加动脉压搏动。

图5 动脉搏动性

4.  血流交汇

左心室的血流为蓝色，VA ECMO的血流为红色。在VA ECMO辅助中，血流在主动脉弓区交汇。随着心功能恢复，交汇点向降主动脉方向移动。从2.5 L/min到1 L/min的VA ECMO左心室血流影响脑灌注。与VA ECMO相比，在VA ECMO & IABP辅助下，血液交汇出现在降主动脉至肾动脉区域，对肾脏灌注可能产生影响。

图6 血流交汇

5.  壁面切应力分布

T1为收缩期血流速度最大值，T2为舒张期IABP容积最大值。肾动脉最大时间平均壁切应力（TAWSS）在VA ECMO组和VA ECMO & IABP组有显著性差异(VA ECMO: 2.02 vs. 1.98 vs. 2.37 vs. 2.61 vs. 2.86 Pa; VA ECMO & IABP: 8.02 vs. 6.99 vs. 6.62 vs. 6.30 vs. 5.83 Pa)。最大TAWSS增加两倍以上表明IABP影响了肾动脉的血管壁。

图7 壁面切应力分部

研究讨论与启示

1.  VA ECMO降低了血流的搏动性，同时增加左心室后负荷。IABP作为搏动的来源，可以降低后负荷。一系列回顾性研究和荟萃分析表明，ECMO & IABP的生存率相对于单独ECMO的生存率更高[27,30]，且脱机率和其他预后[38]更高。在我们的数值模型中，ECMO & IABP提供了更高的总血流量(图3)。在股动脉血流分析(图4)中，IABP平衡了左、右股动脉的血流，这些结果与临床实践一致。

2.  VA ECMO的搏动性受到关注。本研究通过dEEP、dSHE和PPI三个参数来估计搏动特性，dEEP和dSHE表示左室和VA ECMO间的搏动性损失。VA ECMO 2.0 L/min至1.5 L/min的dEEP曲线交叉显示IABP对搏动的影响较弱。

3.  有报道称肾功能恶化是ECMO患者的危险因素，VA ECMO和IABP可减少持续肾脏替代治疗[30]的使用。脉动血流可改善组织灌注，改善微循环，特别是在肾脏[48,49]。本研究发现IABP有效血流量从0.78 L/min提高到1.43 L/min，促进了左心室的射血能力(图3和图6)。当ECMO流量设置在1.5 L/min到1.0 L/min之间时，左心室的血液可以到达肾动脉，保证了肾脏灌注。此外，舒张期WSS增加，TAWSS最大值增加一倍，说明IABP影响了肾动脉的血管壁(图7)。因此，要保持肾动脉的功能，需要在肾灌注和WSS对内皮细胞的损伤之间取得平衡。

结论

随着左心室恢复和VA ECMO血流的减少，IABP有效血量增加。此外，与单纯VA ECMO相比，IABP在平衡LAF和RAF之间的血流方面发挥了重要作用。VA ECMO 2.0L/min - 1.5L/min时，提示IABP对搏动的影响较弱。VA ECMO组血流交汇于主动脉弓区域，VA ECMO & IABP组血流交汇出现在降主动脉到肾动脉区域。IABP对肾动脉最大TAWSS有显著差异，提示IABP对肾动脉血管壁的影响。

END

审校：高思哲

编辑排版：高思哲