人工機械瓣膜

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更新時間: 2013-09-04

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人工機械瓣膜是換瓣手術中應用最多的,佔90%以上。自1960年以來,人工機械瓣膜歷經籠球瓣、籠碟瓣、側傾碟瓣及雙葉瓣4代的發展,先後有近80餘種人工機械瓣膜問世及臨床應用。

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1 人工機械瓣膜 -簡介

中國風濕性心臟病患病率達0.183%,是中國常見的心血管疾病之一。目前換瓣手術仍然是治療風濕性心臟病的重要手段之一。

在中國,換瓣手術中應用最多的是人工機械瓣膜,佔90%以上。自1960年以來,人工機械瓣膜歷經籠球瓣、籠碟瓣、側傾碟瓣及雙葉瓣4代的發展,先後有近80餘種人工機械瓣膜問世及臨床應用,換瓣手術成為治療患有嚴重心臟瓣膜病變人的有效治療手段。

2 人工機械瓣膜 -產品特點

1960年籠球瓣開始應用於臨床,開創了第一代人造機械瓣膜的時代,籠球瓣的基本結構是,由不鏽鋼鑄成的四根瓣柱呈籠樣的瓣架,由硅橡膠、金屬或熱解炭製成的球狀閥體,在籠架內上下活動,形成瓣膜的功能。籠球瓣的主要問題是:

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1.跨瓣亞差高;

2.過瓣血流為側流,形成渦流區,血栓塞率高;

3.溶血;

4.瓣架高;造成左室流出道梗阻和室間隔刺激。

雖然對籠球瓣進行了無數次改進,但因其難以克服的缺陷,很快被新的一代機械瓣膜所替代。

針對籠球瓣支架過高的缺點,為降低瓣架,改善血流動力學,減輕瓣膜重量,1964年出現了籠碟瓣,其成為第二代人造機械瓣膜。籠碟瓣的基本原理為活塞式中心碟片,閥體多數採用透鏡狀碟片,其活動受垂直於血流軸的平面調整,開放時過瓣血流通過其小的側孔。籠碟瓣的問題是:

1.跨瓣亞差很高;

2.碟片活動範圍小,易導致機械失靈;

3.結構損壞發生率過高。

雖然經過多次改進,隨著側傾碟瓣的問世,籠碟瓣已全部被淘汰,但籠碟瓣開創了低瓣架設計的先例,為側傾碟瓣和雙葉瓣的發展奠定了基礎。

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1969年第三代人造機械瓣膜側傾碟瓣問世。它從籠碟瓣的過瓣血流側流型改為半中心血流,使血流動力學得到明顯改善。術后瓣膜有關的合併症降到很低的水平,目前側傾碟瓣在臨床中的應用仍占很大的比例。常用的有Medtronic-Hall,Sorin,Bjork-S hiley等。

1980年以St.Jude Medical為代表的雙葉瓣問世,機械瓣的研究進入第四代。雙葉瓣的啟閉原理接近自然瓣,為中心血流,明顯改善了血流動力學性能及流場,使與瓣膜有關的併發症降低到一個新的水平。常見的雙葉瓣有 St.Jude Medical, ATS,Sorin Bicarbon,CarboMedcs等。

在70年代以前換瓣手術的手術死亡率較高,二尖瓣與主動脈瓣置換術死亡率約為20%,晚期死亡率為25%。80年代以後,換瓣手術發展到成熟階段,其手術死亡率已降為4%以下,以往複雜的多瓣膜置換手術、巨大心室換瓣術、二次手術、換瓣加搭橋已成為常規手術,並取得良好的效果。北京安貞醫院目前已經為全國各地近萬名病人施行了換瓣手術,成功率在國內及國際同領域達到領先水平。產生了陳寶田,孟旭等在心臟瓣膜外科領域有很高造詣的專家。

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至今,人工機械瓣膜尚未達到完美境界,瓣膜有關的合併症也未徹底解決,因此真正理想的人工機械瓣膜有待人們的繼續研究開發。

3 人工機械瓣膜 -歷史進展

人工機械心臟瓣膜的發展,先後經歷了4代。1951年 Hufnagel第1次將一隻塑料製成的球籠瓣膜植入降主動脈內,以期糾正主動脈瓣關閉不全時的功能障礙,雖未成功但開創了人造瓣膜置換手術的新紀元。1960年,Harken首次採用人造球籠式機械瓣膜進行主動脈瓣置換獲得成功。同年,Starr成功地進行球籠式瓣膜在二尖瓣原位置換手術。此後,Starr和Edwards又對球籠瓣膜在設計上進行了改進,Starr-Edwards球籠瓣問世,開創了第1代可用於臨床的人造心臟瓣膜。最早的人造機械瓣膜的基本結構為「活塞式」,瓣口由金屬環構成;一個圓形球體位於瓣環血流出口。在瓣口開放期間球體離開瓣口,血液繞過球體的四周向前流動,在瓣口關閉期間球體作為一個活塞完全堵住瓣口;球體由硅膠製成,瓣環上裝有金屬支架籠罩,以防球體脫位,所以稱球籠式機械瓣膜。球籠式機械瓣膜投入臨床應用后,諸多缺點暴露出來,如籠罩高大、整體重量重、血流動力學改善差等。針對上述缺點1964年又出現碟籠瓣膜,此為第2代人造心臟瓣膜。其基本原理為中心碟片活塞式,閥體多數採用透鏡狀的碟片,其活動受垂直於血流軸的平面調整,開放時過瓣血流通過其小的側孔,因此,無論在靜息或活動時,其跨瓣壓差很大;碟片的活動容易受一些小的因素所干擾,如血栓、瓣下結構、心內膜等,會導致瓣膜機械障礙;由於碟片與籠架所選用的材料不合適,亦導致某些型號的碟片邊緣磨損或支架斷裂事故。儘管人們歷時數年,對其做了很大的修改,但實踐證明,這種瓣膜仍很不理想,這類人造瓣膜現已被全部棄用。但是,這一代人造心臟瓣膜開創了低瓣膜膜架設計的先例,為今後發展側傾碟瓣,不論是單葉或雙葉,都奠定了基礎。因此,在人造心臟瓣膜的發展史中,有其重要的作用。

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20世紀60年代末期,機械瓣膜出現兩項重大改革:(1)Debakey將球籠式機械瓣膜的所有暴露部分均用熱解碳鍍層,熱解碳硬度高、無滲透性、不吸水、不變形,化學性能穩定、不破壞血液成分,而且致血栓作用很小;(2)瓣葉設計的改進,將球形機械瓣膜改為傾斜式碟瓣,這樣大大地減少了人工機械瓣膜在瓣口中心的阻力。1969年,以Bjork-Shiley瓣為代表的側傾碟瓣問世,無論從結構設計及材料的選用方面,均邁出重大的一步,以後出現的眾多側傾碟瓣,其基本結構均相似。因此,側傾碟瓣的問世,標誌著人工機械瓣膜的研究進入了第3代。它的改進型側傾碟瓣,至今仍為常用的人造心臟瓣膜。側傾碟瓣臨床應用中,無論是血流動力學改善程度,還是與人工心臟瓣膜有關的合併症發生率,均較滿意。20世紀70年代末期,瓣葉的設計又出現了新的突破,即將單葉碟瓣改為雙葉碟瓣。以St.Jude Medic雙葉碟瓣為代表的問世標誌著人工機械瓣膜的研究進入了第4代。這類機械瓣膜的葉片對血流影響更小,幾乎不造成阻力,其血流方式相當於自然心臟瓣膜的中心血流方式。因此,目前世界上有多種雙葉瓣先後問世。

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根據近年大量的臨床隨訪結果,雙葉機械瓣膜的血流動力學性能優良,與瓣膜有關的併發症發生率低,是目前臨床應用最廣和首選的人造瓣膜。但機械瓣膜固有的缺陷依舊存在,只是程度有所降低,如何使人工機械瓣膜的缺 陷指標降低到更小甚至是消除,仍是目前人工機械心臟瓣膜研發的重點。

4 人工機械瓣膜 -設計製造的關鍵環節

人工機械瓣膜設計的任務,就在於利用血流產生的動力,尋求瓣葉或阻塞體、支架或鉸軸機構與瓣環這3個部件的最佳組合,以求得最佳的性能,模擬自然心臟瓣膜的作用。

機械瓣膜設計的要求應具有:

(1)良好的機械特性:耐久性好;低瓣膜聲響;高氣穴腐蝕閥值及與血液相近的瓣葉比重。

(2)良好的血流動力學特性:低跨瓣壓差;低返流量;低能量損耗;低心內佔有率及理想的有效開口面積。

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(3)良好的組織相容性:低致栓性;低溶血性。

5 人工機械瓣膜 -結構設計的優化與創新

 機械瓣膜結構上的優化可通過模擬分析、試驗測試及臨床統計分析為基礎,調整優化瓣膜結構參數來改善原有的跨瓣壓差、溶血、致栓等缺陷。

植入人體的人工心臟瓣膜,血液流經時瓣口對血流的阻滯作用會產生跨瓣壓差,它是評價人工心臟瓣膜功能的最重要的血流動力學參數 [7~8] 。跨瓣壓差越大,血流的速度梯度就越大,由此產生的剪應力也就越大。剪應力如果超過對血液成分引起破壞的閥值,就會引起溶血或亞溶血,甚至引起血管內皮細胞的損傷。

瓣環與瓣葉二者之間的配合,存在著潛在的間隙,間隙的大小,不但會影響瓣葉運動的靈活性,還會影響靜態泄漏量的大小,併產生很高的剪切力破壞血細胞造成溶血;並且會形成噴射狀混合層血流及血流擾動,引起的局部渦流,渦流是引起血栓的一個重要因素。另一方面,血流的擾動有利於血液對瓣膜自身的沖刷,可以減少血栓形成。

瓣葉在膜架內作開合運動,血流和瓣葉的耦合會產生血流流量迅速改變的不穩定現象,繼而引發一定程度的水擊效應。水擊效應是一種與關閉機制有關的動力學特性,嚴重時將引起瓣膜自身破損、溶血和亞溶血、組織損傷、脈波變形或功能紊亂。水擊效應的壓力振幅主要取決於瓣膜的峰值迴流量和水擊波傳播速度,迴流量的大小又取決於人工機械心臟瓣膜的構型和設計參數的選擇,如鉸軸的位置,開放的角度與安裝的方位,瓣膜材質的比重和彈性模量,瓣葉的厚度與彎度等。

如何合理的優化瓣膜參數,就必須清楚的了解瓣膜工作時的血流動力學特性。血流動力學是流體力學與生物工程學等多學科的交叉學科,隨著流體力學的相關分析軟體的功能日趨強大和測試技術水平的提高,通過適當建立模型,合理設定邊界條件可對瓣膜的血流流場及其特定部位進行精確的定性、定量分析,從而優化瓣膜的設計參數,縮短設計周期。

另外雙葉瓣的臨床效果好,但瓣膜的結構設計不應僅停留在原有結構上,還應不斷有所創新。據俄《科學信息》雜誌報道,俄長期從事人工心臟瓣膜研究的「三個石炭紀」公司在現有的雙瓣葉人工機械心臟瓣膜基礎上,開發出由3個瓣葉構成的人工機械心臟瓣膜。俄科學院精密機械研究所專家對這種人工心臟瓣膜進行的試驗表明,新式人工心臟瓣膜能保證正常的血液流動,接受移植的人其血壓與正常心臟瓣膜產生的血壓相差不超過5mmHg,而且移植后出現紅細胞溶解和血栓的風險也比接受雙瓣葉人工心臟瓣膜低一半。

6 人工機械瓣膜 -材料的優化選擇

目前廣泛應用於人工機械心臟瓣膜的材料是鈦、鈦合金和熱解碳,並對材料表面進行改性處理。

對於生物醫用材料,表面改性的目的是提高植入人體的生物相容性,植入人體的生物醫用材料的表面粗糙度、濕潤度、化學組成、結晶度、異質和表面電荷等表面性能對生物相容性有直接的影響。對於和血液相接觸的植入體,由於血小板、血細胞和蛋白質帶有負電荷,血管壁也呈現負電性(-8~13mV)因而在血栓形成中表面電荷是很重要的。研究發現,材料表面帶有適量的負電荷會產生某種蛋白質的吸附,形成鈍化層,使得材料對血液的毒害性減小,從而具有更好的血液相容性。例如TiO 2 、TiN、TiC、TaN、SiC、Al 2 O 3 、類金剛石膜都可以提高植入體的抗腐蝕性和血液相容性對材料表面改性處理使用的方法,表面改性鍍膜與基體結合的緊密強度、防脫落程度、力學性能、工藝可行性及經濟性是材料選擇和優化的關鍵。 

7 人工機械瓣膜 -工藝的優化

 一個產品性能質量的好壞,與其生產加工過程的工藝水平有很大的關係。即便是產品結構設計的再理想,工藝上實現不了;或工藝水平低下,達不到設計的精度要求;或是加工過程中工藝不合理,產品在加工過程中造成損壞,都將對產品質量產生影響,有些甚至是致命的危害。如何合理、經濟的制定人工機械瓣膜的加工工藝,是保證瓣膜的加工精度、加工質量及成本的關鍵。

人工機械瓣膜的構型看起來較簡單,但膜架和瓣葉的外形尺寸精度、位置精度、整體表面粗糙度要求都非常高,尤其是瓣膜的有些部位存在著異形結構,僅僅使用傳統的加工方法根本不能滿足設計要求,必須要藉助各種精密的特種加工設備,例如慢走絲線切割機床、電火花加工機床、噴射光整機等設備。在加工過程中涉及到基準加工及基準轉換而要求合理的安排加工順序,在各個工序中為保證加工的穩定性和精度,還需配套研製使用各種專用夾具、量具。瓣膜與瓣葉的裝配應使用專用工具,避免不必要的划傷及過大的應力應變,並輔以探傷檢驗。 

8 人工機械瓣膜 -檢測手段

人工機械心臟瓣膜從最初原材料的理化分析,到產品的性能檢測,再到最終成品的檢驗涉及到使用大量的專用儀器設備,進行體外疲勞試驗 、流體力學試驗等,例如疲勞試驗機、定常流檢測機、反流泄漏檢測機、脈動流檢測機等,各儀器設備的精度、計量人員的技術水平都將影響著瓣膜的質量。 

9 人工機械瓣膜 -服用抗凝葯的注意事項

行人工機械瓣膜置換的患者需終身服用抗凝藥物,抗凝不足時有發生機械瓣膜血栓形成造成動脈栓塞的危險,抗凝過量又有出血的危險,所以抗凝是關係到生命安全的大事,一定要掌握好。目前,中國用於抗凝治療的口服藥物主要以香豆素類葯(華法林為主)。

(1)在服藥期間必須仔細觀察有無出血徵象,如有黑便、血尿、較大範圍不明原因的淤腫、嘔吐出咖啡樣物、出鼻血或牙齦出血、女性患者月經過多等現象,應及時就診,複查INR,在醫生指導下減少抗凝藥用量。在日常生活中注意避免外傷和其他引起出血的因素,如剃鬚引起皮膚切口出血等。

(2)有許多藥物會幹擾華法林的抗凝作用。有的藥物與華法林有拮抗作用,使凝血酶原的時間縮短,如VitK、巴比妥類、雌激素、口服避孕藥等,應指導患者在日常生活中加以重視,保證安全。有的藥物與華法林有協同作用,使凝血酶原時間延長,如解熱鎮痛葯、氯黴素、廣譜抗生素、長效磺胺、水楊酸類等。故抗凝期間應用其他藥物必須在醫生的指導下服用。

(3)要求每天固定在同一時間服藥,劑量準確。指導患者鬧鐘定時,傳呼機發信息,家屬發信督促等,以免忘記,若某日忘記服用,次日服用時不可追加劑量。

(4)服用華法林期間,凝血酶原時間應保持在正常對照值的1.5~2.0倍範圍內。抗凝監測方案要求出院後頭2個月2周1次,2個月~6個月2周~3周1次,6個月後2個月~3個月1次。

(5)在下列情況下要和醫生說明正在服用抗凝葯,並按照醫囑先使用抗生素來預防感染。所有牙齒的操作:常規洗牙、拔牙、補牙、牙齦和牙床的操作;任何大手術;下列一些小手術:膿腫引流、扁桃體切除、闌尾切除、前列腺手術、生小孩;能引起軀體組織創傷的操作:膀胱檢查、直腸和結腸檢查等。 

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