葉佳宜，李澍

中國食品藥品檢定研究院 醫(yī)療器械檢定所，北京 102629

引言

體外膜肺氧合（Extracorporeal Membrane Oxygenation，ECMO）又稱體外生命支持，為一種可以替代肺臟和心臟功能的呼吸循環(huán)支持技術(shù)，近十年來在各種危重癥呼吸和（或）循環(huán)衰竭中應(yīng)用逐漸增多。ECMO常見的適應(yīng)證是急性呼吸窘迫綜合征，它在提供體外氣體交換的同時，可以實施肺保護(hù)性通氣策略從而使肺臟得到休息并最終恢復(fù)[1-2]。

ECMO與人體作用機(jī)理復(fù)雜，未探明的潛在影響因素較多；同時，這類產(chǎn)品往往風(fēng)險度極高，其質(zhì)量的好壞直接影響到病人臟器功能的康復(fù)，甚至生命安危。在甲型H1N1流感以及中東呼吸綜合征冠狀病毒引起的肺炎中均有不良事件的報道，諸如設(shè)備失能、電磁騷擾故障，心肌炎、心肌酶明顯增高、血栓栓塞、感染、腎功能衰竭、多臟器功能衰竭等并發(fā)癥的發(fā)病率仍然較高，嚴(yán)重影響患者的生存率[3-4]。

自新冠疫情爆發(fā)初期，中國ECMO設(shè)備供應(yīng)出現(xiàn)較大缺口，一機(jī)難求，目前國內(nèi)有多個團(tuán)隊正在研發(fā)ECMO裝置。國家在“十三五”國家重點研發(fā)計劃對ECMO相關(guān)附件及膜肺設(shè)計的團(tuán)隊予以支持，本文主要討論ECMO系統(tǒng)性能檢測重點、血液相容性檢測及多場景下電磁兼容檢測的評價，以推動相關(guān)產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計和自主創(chuàng)新能力，增強醫(yī)療器械企業(yè)的核心競爭力[5-7]。

1 ECMO系統(tǒng)組件基本情況

ECMO設(shè)備主要由泵頭驅(qū)動器（用于驅(qū)動離心泵）、控制臺及傳感器等附件組成。工作原理是通過磁力耦合為泵頭（一次性耗材）提供動力，輔助泵頭將體內(nèi)的靜脈血引出體外，經(jīng)過氧合器氧合后注入病人動脈或靜脈系統(tǒng)，起到部分心肺替代作用，維持人體臟器組織氧合血供。同時，傳感器可以實時測量血液回路的參數(shù)（流量、壓力、溫度、液位等），以輔助用戶進(jìn)行ECMO運轉(zhuǎn)參數(shù)設(shè)置的決策[8-9]。

耗材各部件（插管、離心泵泵頭、氧合器等）通過人工血管連接，因此用戶可以根據(jù)需要將各廠家的離心泵泵頭以及氧合器自行搭配組合。離心泵泵頭/泵頭驅(qū)動器是ECMO設(shè)備與耗材發(fā)生相互作用的核心部件[10-11]。泵頭驅(qū)動器通過磁耦合驅(qū)動離心泵泵頭轉(zhuǎn)動，但泵頭驅(qū)動器并不接觸血液。壓力、溫度等監(jiān)測功能，主要依靠控制臺外接傳感器，并將傳感器接入到耗材回路中相應(yīng)位置進(jìn)行測量。ECMO系統(tǒng)示意圖及傳感器測量位置如圖1所示。

圖1 ECMO系統(tǒng)示意圖及測量位置

2 基本評價思路

2.1 總體思路

結(jié)合針對ECMO系統(tǒng)相關(guān)的不良事件數(shù)據(jù)分析匯總，ECMO質(zhì)量的三大突出的問題為：① 缺乏針對ECMO特定核心部件性能的評價方法與評價設(shè)備，ECMO采用大量創(chuàng)新式、革命式新型技術(shù)，目前缺乏相應(yīng)的評價方法、技術(shù)，無法滿足評價需求；② 缺乏針對ECMO血流動力學(xué)的評價方法和平臺，ECMO要求設(shè)備工作在體內(nèi)環(huán)境，且預(yù)期使用時間較長，需要有滿足人體循環(huán)的血流動力學(xué)特性；③ 缺乏針對ECMO的多應(yīng)用場景電磁兼容評價技術(shù)，ECMO預(yù)期使用場景包含醫(yī)院，車載轉(zhuǎn)運、機(jī)載轉(zhuǎn)運等特殊場景，這些場景下的電磁兼容問題在ECMO評價領(lǐng)域也很突出。

因此，本文主要針對ECMO的性能參數(shù)、血流動力學(xué)評價系統(tǒng)、電磁兼容及專用配套檢測裝置與平臺展開討論，為ECMO的設(shè)計研發(fā)、檢測、評價和監(jiān)管等提供科學(xué)技術(shù)支撐。根據(jù)三個突出問題，本文主要討論：①ECMO核心質(zhì)量評價方法與檢驗平臺研究；②ECMO模擬循環(huán)檢測系統(tǒng)研究，目的在于搭建符合生理參數(shù)的模擬循環(huán)系統(tǒng)，從而輔助ECMO進(jìn)行質(zhì)量評價；③ECMO相關(guān)電磁兼容測試方法學(xué)與平臺研究，主要針對ECMO用電磁兼容評價方法，外界高頻高功率瞬時能量的抗干擾性能評價方法和其他設(shè)備的串?dāng)_評價方法展開研究。

2.2 ECMO離心泵核心質(zhì)量評價方法

ECMO設(shè)備的核心功能部件是驅(qū)動離心泵，考察核心指標(biāo)是系統(tǒng)對其所驅(qū)動的離心泵轉(zhuǎn)速的控制精度及轉(zhuǎn)速輸出范圍。檢測時可將ECMO設(shè)備設(shè)置至臨床常用工況，在充滿電后斷開網(wǎng)電源，ECMO系統(tǒng)應(yīng)該可以持續(xù)工作一定時間，通常應(yīng)不少于90 min。最后，作為相對長效的生命支持設(shè)備，ECMO系統(tǒng)的可靠性及其應(yīng)對災(zāi)難性故障（如電機(jī)故障）的應(yīng)對措施應(yīng)該被重點考核檢測。同時，需要考慮離心泵轉(zhuǎn)速準(zhǔn)確性、流量的準(zhǔn)確性、氣泡監(jiān)測及溫度準(zhǔn)確性?；谝陨蠝y試項目，研究了圖2的近生理試驗平臺，以求得上述試驗項目的合理可靠。該平臺的主要作用是模擬人體血液循環(huán)，在這個平臺中可以測試泵前壓力、泵后壓力、流量等參數(shù)。

圖2 模擬人體血液循環(huán)的近生理實驗平臺

為了驗證模擬血液循環(huán)試驗平臺的穩(wěn)定性，在60 min內(nèi)每隔10 min記錄一次數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包括圖1所示的泵前壓力、泵后壓力、流量、管內(nèi)液體溫度4個參數(shù)。測試管路中充滿水和甘油的混合液，粘度為3.5 mPa·s，具體結(jié)果如表1所示。其中變異系數(shù)=（標(biāo)準(zhǔn)偏差/平均值）×100%。本試驗結(jié)果表明，在認(rèn)為離心泵穩(wěn)定的前提下，該測試平臺穩(wěn)定，結(jié)果可靠。

表1 模擬人體血液循環(huán)的近生理實驗平臺參數(shù)重復(fù)性

2.3 關(guān)鍵部件的血液相容性測試

膜肺（即膜式氧合器）作為ECMO系統(tǒng)中與血液接觸面積最大的部件，且需要提供核心的氧合功能。核心部件（包括血泵和膜肺）的檢測有以下幾個重要測試指標(biāo)：① 血泵不同轉(zhuǎn)速下壓力流量曲線（H-Q curve）：測試血泵樣機(jī)在不同轉(zhuǎn)速情況下，出入口壓力差和流量的變化曲線關(guān)系。出入口壓力差是血泵的關(guān)鍵指標(biāo)，關(guān)系到氧合效率、血栓形成等。H-Q curve是ECMO系統(tǒng)核心部件的關(guān)鍵指標(biāo)，基本可以反映出血泵的性能優(yōu)劣；② 氧合效率：采用新鮮抗凝牛血作為載體，氧合器應(yīng)能在其標(biāo)稱流量下，使靜脈血氧飽和度為65%的血液達(dá)到動脈血氧飽和度＞95%；③ 熱交換效率：體現(xiàn)氧合器中變溫部分的效率，通常不應(yīng)該低于0.4；④ 內(nèi)部流場分布：通過CFD仿真觀察內(nèi)部流場是否有低流量區(qū)域，在此類區(qū)域容易形成血栓、血液破壞相關(guān)指標(biāo)（游離血紅蛋白、白細(xì)胞、血小板下降情況）；⑤ 流量范圍及對應(yīng)跨膜肺壓降：在同等流量情況下，跨膜肺壓差較小的氧合器往往具有較好的流場特性以及較低的血液破壞，可以在設(shè)定最大流量下測試氧合器的壓降；⑥ 靜態(tài)預(yù)充量：在其他條件相同情況下，預(yù)充量較小的氧合器有助于減少血液稀釋，可以以水代替血液對氧合器進(jìn)行預(yù)充，充滿所需水量即為氧合器預(yù)充量[12-14]。

本測試平臺是依據(jù)YY/T 1620-2018《心肺流轉(zhuǎn)系統(tǒng)連續(xù)流血泵紅細(xì)胞損傷評價方法》中提到的項目及試驗方法設(shè)計的。基于以上測試項目，研究了圖3的氣血傳輸試驗平臺，以上項目均可在該平臺中進(jìn)行測試，以求得上述試驗項目的合理可靠。

圖3 氣血傳輸試驗平臺

2.4 ECMO系統(tǒng)的電磁兼容性

由于ECMO系統(tǒng)的應(yīng)用場景的電磁環(huán)境復(fù)雜，內(nèi)部傳感器多，對精度要求高?；谝陨显?，為了減少不良事件的發(fā)生，對ECMO的電磁兼容評價需考慮以下內(nèi)容[15-17]。

（1）不同應(yīng)用場景下的ECMO的電磁兼容專用抗擾性評價。根據(jù)不同應(yīng)用場景ECMO的環(huán)境特點以及作用部位特點，研究測試設(shè)備對10 mT及50 mT的磁場抗干擾能力、10 Hz～3 GHz電磁場干擾的抗干擾能力。通過風(fēng)險分析方法明晰不同參數(shù)可能造成的后果，制定電磁兼容評估內(nèi)容，確定質(zhì)控指標(biāo)等級?？剂縀CMO（特別是磁懸浮ECMO）在頻段（30 MHz～3 GHz）射頻電磁場輻射抗擾度，在靜磁場、10 Hz～30 MHz交變磁場抗擾度水平。相對于YY 0505-2012中要求的80 MHz～2.5 GHz，增加了抗擾頻段范圍。關(guān)鍵參數(shù)：① 靜磁場、交變磁場＞ 0～30 MHz可調(diào)；② 磁場強度 50 mT；③ 磁場均勻度：0～3 dB；④ 磁場需覆蓋ECMO系統(tǒng)。

（2）手術(shù)過程中高頻高功率瞬時能量對ECMO的抗擾性評價（圖4）。研究ECMO在外部大功率電場、大功率磁場、大傳導(dǎo)電流直接作用于患者時的抗擾水平；通過考慮外部能量作用時間、位置、耦合方法等不同參數(shù)下抗擾性的差異，從而確認(rèn)ECMO設(shè)計的合理性及安全性，評估高頻電刀作用瞬間對ECMO性能的影響?？剂縀CMO對于外界高頻高功率能量（模擬高頻電刀、除顫器等）的抗干擾性能。關(guān)鍵參數(shù)：① 測試電壓：0～10000 V；② 測試磁場：≤0.1 Tesla；③ 測試頻率：≤1 MHz；④ 測試模式：電凝、電切、混合；⑤ 頻率設(shè)置：掃頻、定頻。

圖4 高頻高功率瞬時能量測試平臺

3 結(jié)論

本文通過分析ECMO系統(tǒng)及其核心部件：離心泵頭、氧合器的產(chǎn)品特點及其特性參數(shù)和使用環(huán)境中的風(fēng)險點，搭建模擬人體血液試驗平臺、氣血傳輸試驗平臺，并設(shè)計了電磁輻射抗騷擾試驗方案。面向應(yīng)用條件下ECMO產(chǎn)品核心流體性能表現(xiàn)、流體力學(xué)性能、電磁兼容性能的評價研究，解決我國高風(fēng)險ECMO設(shè)備生產(chǎn)廠家自主研發(fā)的產(chǎn)品無統(tǒng)一驗證方法和平臺的困難，從提高該類產(chǎn)品科學(xué)評價的能力。從目前的測試結(jié)果表明，所搭建模擬人體血液試驗平臺、氣血傳輸試驗平臺可以實現(xiàn)參數(shù)測量并未為研發(fā)生產(chǎn)企業(yè)提供相應(yīng)的技術(shù)指導(dǎo)服務(wù)，為該類產(chǎn)品設(shè)計、檢測、評價和監(jiān)管提供科學(xué)技術(shù)支撐。