改良小儿胸腔镜心脏外科股动静脉插管的实验研究

摘要

第一部分：改良小儿股动静脉插管的研制
　　一、改良小儿股动脉插管的技术方案
　　改良小儿股动脉插管包括一带有内腔的股动脉插管管身，可配置于管身内腔内的管芯，同时在管身的前部设置有与内腔相连通的出血口，管身侧壁内嵌有弹簧圈。每根小儿股动脉插管内都有配套管芯，其头部为锥体外形，插管时可以扩张血管，引导顺利插管。
　　二、改良小儿双极股静脉插管的技术方案
　　改良小儿双极股静脉插管包括一带有内腔的股静脉插管管身和可配置于管身内腔的管芯两部分。与第一代相比，改良双极股静脉插管管径、长度及接口大小没有改变，外形设计有所改良，头部采用敞口式造型，双极侧孔面积均增加1.5倍，管壁厚度降低了1/3，管身标有刻度。上进血口和下进血口之间的距离大于右心房的长度，分别收集上腔静脉和下腔静脉两个方向的血液，导出体外。
　　三、微创小儿主动脉内球囊插管的技术方案
　　微创小儿主动脉内球囊插管包括带有内腔的管身和可配置于管身内腔的管芯两部分。管身的前端配置一气囊，气囊通过管身侧壁上的输气道与充气管相连通，气囊充满气体直径与插管直径之比为3：1，管身的前端开设有冷灌液出口。气囊的后侧管身侧壁上设有与内腔相通的侧孔，管身内壁嵌有不锈钢弹簧圈，增加了插管的柔韧性和抗折强度。
　　四、结果
　　本研究采用聚氯乙烯（PVC）为主要制作原料，研发了改良小儿股动脉插管、改良小儿双极股静脉插管及微创小儿主动脉内球囊插管。改良小儿股动静脉插管，克服了现有动脉插管在心脏手术中的缺点，简化了手术操作，缩短手术时间，为胸腔镜手术提供了微创的体外循环的方法，减少病人的手术损伤。插管表面经过肝素涂层处理，可减轻对血管壁及血液成分损伤，可减小手术的风险和复杂性，以及对患者的创伤。
　　第二部分：改良小儿胸腔镜心脏外科股动静脉插管的生物相容性研究
　　一、实验方法
　　分为体外实验和体内实验两部分。
　　1、体外实验
　　1.1、溶血实验
　　心脏穿刺法采集兔血20ml，加入2％草酸钾1ml，制成抗凝血备用。用电子天平称取十份股动静脉插管，每份5g。取十支试管，各加入插管材料及0.9％氯化钠注射液10ml，为插管材料组；另取十支试管各加入0.9％氯化钠溶液10ml作为阴性对照组；再取十支试管各加入蒸馏水10ml作为阳性对照组。将全部试管放入37℃恒温水浴箱中保温30min，再在每支试管中加入0.2ml新鲜抗凝兔血，继续保温60min。离心，吸取上清，于分光光度计测定各组吸光度（OD）。
　　计算溶血率：
　　溶血率（％）=（样品吸光度-阴性吸光度）/（阳性吸光度-阴性吸光度）
　　1.2、血小板黏附试验
　　取人正常血小板成分10ml，通过Sysmex K-4500全自动血液分析仪测定血小板浓度，加入适量的牛血清稀释成浓度为1.0×109L-1血小板液，置入4℃冰箱备用。分别将改良插管材料和DLP动静脉插管材料制成0.5×0.5mm片状，反复漂洗，置入CO2孵箱中37℃孵育2h，置入细胞培养板孔中，加入血小板液成分，再37℃孵育2h。漂洗后，3％戊二醛固定，扫描电镜观察材料表面血小板形态、数量，并随机选择10个中间区域视野（75μm×75μm放大倍数：1200倍）进行材料表面血小板黏附数量统计。
　　1.3、皮内刺激试验
　　试验动物为新西兰大白兔，参照《国标一医疗器械生物学评价》制备材料浸提液。新西兰大白兔5只，实验前每只兔背部两侧脱毛备皮，各选2个3cm×3cm面积为实验区，右侧皮肤10个部位直接皮内注射0.2ml材料浸提液或阳性对照4.5ml／L苯酚水溶液，左侧皮肤5个部位直接皮内注射0.2ml0.9％氯化钠溶液作为阴性对照，在间隔72h内观察并记录各受试物对兔皮肤有无红斑、水肿及坏死。
　　1.4、小鼠全身急性毒性试验
　　试验动物为巴比斯小鼠，参照《国标一医疗器械生物学评价》制备材料浸提液。将小鼠随机分成3组，每组10只，雌雄各半。实验组小鼠以50ml/kg体质量的剂量经尾静脉缓慢注射浸提液；阴性对照组注射0.9％氯化钠溶液，阳性对照注射4.5ml/L苯酚水溶液，注射后连续观察72h内动物中毒症状及死亡情况，体质量重复测3次。
　　2、体内实验
　　2.1、分组
　　将12只比格犬随机分为实验组和对照组，每组6只，实验组采用改良小儿股动脉插管和双极股静脉插管，对照组采用DLP动静脉插管。
　　2.2、犬体外循环模型的建立
　　动物采用肌注麻醉诱导后，仰卧位固定在手术台上，气管插管，机械通气。每隔2h，3％戊巴比妥静脉注射维持。消毒皮肤，肝素化后，暴露股动静脉进行插管建立体外循环。实验组采用16/21Fr双极股静脉引流管，股动脉采用16Fr股动脉插管；对照组采用DLP单腔股动脉、股静脉及上腔静脉插管（分别为16Fr、18Fr和20Fr），动脉和静脉连接体外循环机，连接鼓泡式氧合器，转流开始，分别在5min、30min、1h、2h、4h、12h、24h时间点停循环。
　　2.3、测定光度值
　　取下动静脉插管，剪成0.5mm×0.5mm试片，以酶联免疫法，在酶联免疫读数仪上，波长410nm，测定两种插管表面吸附的纤维蛋白原和白蛋白吸光度值。
　　二、结果
　　1、溶血实验
　　改良小儿股动静插管材料溶血率只有1.58％，低于美国《ASTM协会医用装置标准》及国标规定(5％)，插管材料组与阳性对照组相比，有统计学差异（P＜0.05）。
　　2、血小板黏附试验
　　改良小儿股动静脉插管材料表面血小板黏附数量为（12.7±2.5）（5.1±1.2）/视野；DLP插管材料表面血小板黏附数量为（18.5±3.4）（7.1±1.6）/视野，改良小儿股动静脉插管材料明显少于DLP插管材料，有显著统计学差异（P<0.05）。
　　3、皮内刺激试验
　　观察72h新西兰大白兔皮内注射刺激试验，阳性对照组皮肤常出现明显的水肿、红斑、焦痂，直径分别为5mm、5mm、4mm。材料浸提液注射点的刺激反应小于对照组注射点的刺激反应，无红斑、焦痂、水肿表现。
　　4、小鼠全身毒性急性试验
　　试验观察72h各组动物表现，材料组及阴性对照组无一例死亡，无不良反应。阳性对照组7只小鼠出现明显的腹部刺激、腹泻、体质量下降；3只小鼠注射后出现虚脱、严重的腹泻，体质量迅速下降，低于15g。
　　5、两组动脉插管不同时间点吸附纤维蛋白原和白蛋白吸光度值
　　两组插管随着转流时间的延长，对纤维蛋白原和白蛋白的吸附含量均逐渐增加，改良小儿股动静脉插管在转流后的各个时间点对纤维蛋白原的吸附含量均低于DLP动静脉插管(P<0.05)，则白蛋白吸附含量均高于DLP动静脉插管(P<0.05)。
　　第三部分：改良小儿股动静脉插管的流体力学研究
　　一、实验方法
　　1、改良小儿股动脉插管
　　1.1、分组：
　　实验1、2、3、4、5组采用改良小儿股动脉插管，型号分别为8Fr、10Fr、12Fr、14Fr、16Fr，每组各10根，对照组采用相同型号的DLP动脉插管。
　　1.2、体外测试：
　　建立流体力学体外测试平台，将改良小儿股动脉插管接口端经管道和泵管连接体外循环机，通过体外循环机的滚压泵连续灌注，测试用流体为水，插管进口端接有压力传感器，利用压力传感器读取测试插管的即时压力，进口端和出口端都处于同一水平面下。开始转机，记录不同流量插管进口端的压力变化，反复测量3次。
　　2、改良小儿双极股静脉插管
　　2.1、分组：
　　分为实验组和对照组，实验1、2、3组采用改良双极股静脉插管，型号分别为16/21Fr、20/25Fr、24/29Fr，对照1、2、3组采用第一代双极股静脉插管，型号同实验1、2、3组，每组各10根。
　　2.2、体外测试：方法同前。
　　3、微创小儿主动脉内球囊插管
　　3.1、分组：
　　分为1、2、3三个组，均采用改良的微创小儿主动脉内球囊插管，型号分别为18Fr、20Fr、22Fr，每组各10根。
　　3.2、体外测试：方法同前。
　　3.3、气囊内压力测试：
　　气囊的充气管末端连接压力感受器，用5ml医用注射器通过充气指示囊和充气管向气囊内注气，记录气囊内压力变化。
　　二、结果
　　1、改良小儿股动脉插管
　　各型号小儿股动脉插管测试结果，插管两端的压力差随着流量的增加而增加，型号越小，管道的直径越细，压力差增加就越明显。2L/min～5L/min各组间压力差有统计学(P<0.05)，6L/min时各组间压力差统计学差异更显著(P<0.01)。压力差在200mmHg时，8Fr、10Fr型号管道的流量分别为2.45L/min、3.24L/min，而12Fr、14Fr及16Fr三种插管均在4.0L/min以上。与进口同型号Medtronic公司DLP股动脉插管相比，相同压力差下，改良插管流量更大。
　　2、改良小儿双极股静脉插管
　　测试结果可以得出，插管两端的压力差随着流量的增加而增加，型号越小，压力差增加就越明显。2L/min～5L/minn各组间压力差有统计学(P<0.05)，6L/min时各组间压力差统计学差异更显著(P<0.01)。压力差在20mmHg时，16/21Fr、20/25Fr、24/29Fr型号管道的流量分别为3.08L/min、3.79L/min、4.50L/min。实验组流体力学特性优于与对照组。
　　3、微创主动脉内球囊插管
　　体外流体力学测试结果，微创小儿主动脉内球囊插管的压力差随着流量的增加而增加，流量最大可以达到6L/min，管道两端压力差均低于220mmHg。组间比较，随着流量增加，1组压力差增加较快，2、3组相对较慢。在3～5L/min流量，各组间有统计学差异（P<0.05）；在流量6L/min，各组间统计学差异更显著(P<0.01)。气囊内压力测试结果，微创小儿主动脉内球囊插管气囊内压力与注气量成正比，随注气量增加而增加，最大注气量为5ml，最大压力可达620mmHg左右。
　　第四部分：改良小儿股动静脉插管的动物实验研究
　　一、实验方法
　　1、分组
　　40只比格犬随机分为实验组和对照组，各20只。两组均行ASD修补术。
　　2、手术方法
　　动物肌注麻醉诱导后，安置食道超声心动图（TEE），仰卧位固定在手术台上，气管插管，机械通气。每隔1h，3％戊巴比妥静脉注射维持。消毒皮肤，暴露股动静脉，实验组采用股静脉16/21Fr双极股静脉插管，18Fr微创小儿主动脉内球囊插管，建立体外循环，连接鼓泡式氧合器。在TEE指引下，内球囊到达主动脉瓣上2cm，经通气管注入气体，压力控制在350mmHg左右，主动脉根部顺行冷灌，心脏停跳。对照组采用16Fr DLP小儿股动脉插管、20Fr DLP小儿股静脉插管和22Fr DLP上腔静脉插管建立体外循环,经胸壁孔伸入血管阻断钳,镜下操作阻断升主动脉,常规主动脉根部冷灌。在腔镜下行ASD修补术,手术完毕,实验组通过管输液管主动脉注入造影剂。辅助循环20min,停机拔管,记录术中各项常规数据,手术结束后将动物处死。
　　3、取材及电镜标本的制备
　　立即剪取心、肺、肾及主动脉夹闭(或内阻闭)段动脉,标本固定24 h。经漂洗、固定、脱水、包埋、聚合后,制作70～80 mm超薄切片,用光学显微镜观察其病理变化。主动脉内膜再置入有支持膜的全铜网上,以5％水性醋酸钠铀染10min,枸橼酸铅染5min,用电镜观察超微结构的改变。
　　二、结果
　　实验组和对照组均成功建立体外循环,心脏顺利停跳,建立体外循环的时间分别为10.1±2.8min和18.1±3.5min;主动脉阻闭时间分别为14.7±2.9min和16.7±3.2min;手术时间分别为56.1±5.8min和71.3±4.5min,两组之间均有统计学差异( P0.05 )。实验组术中转流量为1.35～3.05L/min,泵压61～178mmHg;对照组转流量为1.28～2.97L/min,泵压60～175mmHg,两组之间无统计学意义( P0.05 )。造影结果显示:实验组的内球囊阻断良好,无内囊周围分流和主动脉瓣膜返流,无内球囊的移位,解剖主动脉及主动脉瓣膜未见明显损伤。观察两组心、肺及肾标本的病理切片未见水肿、变性等明显病理变化,说明两种方法对各脏器功能无损伤,心肌保护良好。主动脉壁的电镜结果说明微创小儿主动脉内插管的球囊对主动脉内膜无明显损伤。
　　全文结论：
　　1、我们采用医用高分子聚氯乙烯(PVC)材料,自行改良设计研发了适合于小儿胸腔镜心脏手术应用的改良小儿股动脉插管、改良小儿双极股静脉插管和微创小儿主动脉内球囊插管,为开展各种胸腔镜心脏手术提供有利的产品支持,填补了国内的空白。
　　2、改良小儿胸腔镜心脏手术股动静脉插管对红细胞的破坏程度很小,可明显抑制血小板的黏附、活化、减少了血栓的发生,符合生物材料的溶血性要求。改良小儿股动静脉插管材料血液相容性优于DLP插管材料。皮内刺激实验和全身小鼠毒性急性实验结果表明浸提液不引起皮肤刺激,没有水肿及红斑和焦痂形成,无毒副作用,符合ISO关于医用材料的要求。
　　3、体外流体力学测试结果表明,改良小儿胸腔镜股动静脉插管体外流体力学性能良好,基本达到临床要求,其改良设计是可行的。而且,微创小儿主动脉内球囊插管气囊内最大压力可达620 mmHg左右,可以阻断主动脉血流。
　　4、动物实验结果说明经股动脉、股静脉建立微创体外循环的方法是可行的。年龄小和体重低的患儿或股动脉细,不能使用微创小儿主动脉内球囊插管,也可以采用改良小儿双极股静脉插管和单腔股动脉插管的方法建立体外循环以减少创伤。
　　5、改良小儿胸腔镜心脏外科股动静脉插管对组织损伤小,节约了手术操作空间,缩短手术操作的时间,减少手术风险性和对患者的创伤,是良好的手术器械,具有广阔了应用前景。

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英文摘要

前言

文献回顾

正文

第一部分：改良小儿股动静脉插管的研制

1 材料

2 方法

3 结果

4 讨论

第二部分：改良小儿胸腔镜心脏外科股动静脉插管的生物相容性研究

1 材料

2 方法

3 结果

4 讨论

第三部分：改良小儿股动静脉插管的流体力学研究

1 材料

2 方法

3 结果

4 讨论

第四部分：改良小儿股动静脉插管的动物实验研究

1 材料

2 方法

3 结果

4 讨论

小结

参考文献

致谢