第二節 機械灌注保存儀器

機械灌注保存儀器的工作原理是應用可控的連續保存液來消除代謝產物，并給器官提供營養和氧分。理論而言，該系統至少能部分保護器官不受缺血缺氧損傷。灌注儀實際上是模擬器官在體內的環境，一方面灌注液通過管道器械裝置循環流動以提供連續性的營養、氧分、藥物以改善器官質量，根據流體的阻力參數評估器官性能；另一方面通過維持低溫環境降低基礎代謝，減少氧和ATP的消耗。

一、機械灌注保存儀器工作原理

一款有效的機械灌注保存儀器需要考慮如下三個重要因素：灌注液種類、灌注的動力學特征和器官供氧方式。

1.灌注液種類

以現有器官保存液公開的成分為參考，且物化特性需與血液相似，即滿足以下4個條件：①溶液在4~20℃時黏滯度小，流動性好；②溶液成分穩定，在2~8℃環境溫度中能保存1年以上；③溶液與TUDCA（sodium tauroursodeoxycholate，?；切苋パ跄懰幔┘癙BA（sodium phenylbutyrate，4-苯基丁酸鈉）兩種成分不反應；④溶液pH在7.35~7.45之間，其中歐洲柯林液EC溶液（Euro-Collins）、威斯康星大學溶液UW溶液（University of Wisconsin solution）、組氨酸-色氨酸-酮戊二酸鹽液HTK（Histidine-Tryptophan-Ketoglutarate solution）溶液和施爾生液Celsior溶液作為標準的灌注溶液樣本，已被廣泛應用，其成分列表如表2-2所示。

2.灌注的動力學特征

機械灌注保存儀器能夠通過機械灌注裝置來促進離體器官血液流動、補充物質能量，并且能夠實現器官重要生理參數的采集檢測、分析處理和過程控制，包括環境溫度、溶液pH、灌注流速、灌注壓力等參數，灌注儀結構示意圖如圖2-1所示。

由圖2-1可知，機械灌注保存儀器由溶液存儲箱、人造肺氧合儀、壓縮機冷凝器、蠕動泵、控制面板和監視器、器官容器、pH計容器等結構組成，灌注溶液的流動順序為：存儲箱Ⅰ—>膜式氧合器—>蠕動泵Ⅰ—>器官容器—>pH計—>蠕動泵Ⅱ—>存儲箱Ⅱ，各部分功能介紹如下：

（1）　存儲箱：

包括存儲箱Ⅰ和存儲箱Ⅱ，前者用于存儲未使用的新配制溶液，后者用于存儲流進器官后的已用溶液。

（2）膜式氧合器：

通過特制薄膜完成氣體交換的人工氧合器裝置，血液和氣體不直接接觸，其具有良好的氣體交換能力，對血液的損害小，適用長時間循環支持。

（3）　蠕動泵：

包括蠕動泵Ⅰ和蠕動泵Ⅱ，其由后端步進電機和前段滾子組成，可通過控制電機轉速實施灌注流速控制。

（4）器官容器：

存放用于移植的離體器官，其中灌注管道連接器官動脈和靜脈構成兩路循環，器官容器處于保溫狀態。

（5）pH計：

用于測量流過器官后的溶液pH，通過pH的變化以實時監測離體器官的惡化狀態。

（6）　壓縮機：

由冷凝器、制熱器、制冷液和通風閥門等裝置組成，通過控制壓縮機轉速和閥門占空比，調節器官容器內溫度。

（7）控制面板和監視器：

其由液晶屏和觸摸開關組成，用于實現離體器官各狀態參數的非接觸智能控制及其監測。

3.器官供氧方式　

機械灌注保存儀器提供充足的氧氣和ATP能量補充，并確保氧化應激損傷最小，故留有氧氣進風口是必要的。

根據上述工作原理，由于不同離體器官以及供體心臟死亡時間不同，其所需維持的參數特性也不同，故灌注儀采用以數字信號處理（digital signal processing，DSP）為核心的采集、分析與控制，以及現場可編程門陣列（field-programmable gate array，FPGA）為核心的數據顯示框架，主要包括數據采集模塊，數據處理與控制模塊，機械傳動模塊，數據顯示與存儲模塊等，其總體電路設計框架如圖2-2所示。其中，各模塊功能介紹如下：

（1）數據采集模塊：

主要完成各參數的采集和控制，包括4路溫度傳感器的采集，灌注流速采集、雙通道液壓計采集和pH采集，其中溫度傳感器選用TSic506高精度數字傳感器，靈敏度達±0.1℃，灌注流速傳感器選用霍爾脈沖式傳感器，雙通道液壓計和pH計采用模擬傳感器，利用TMS320F2812（下稱F2812）自帶AD轉換模塊，實施通道控制和數據采集。

（2）數據處理與控制模塊：

利用F2812對多通道傳感器數據實施信息融合、器官壽命預測以及恒溫控制等算法，并按照條件控制機械傳動、數據采集和顯示模塊和存儲模塊等其他模塊。

（3）機械傳動模塊：

主要完成機械傳動操作，包括步進電機和蠕動泵裝置、壓縮機裝置和通風閥門裝置，涉及灌注流速控制和溫度控制。

（4）數據輸入和顯示模塊：

主要完成信息的輸入和顯示，數值報警等，其中顯示部分采用TFT7-LCD液晶屏，輸入通過觸摸感應模塊實現。

（5）電源模塊：

主要完成各器件芯片的供電以及不同電壓電平之間的高效穩定轉換。

二、機械灌注保存儀器參數評估

離體器官保存是一項前瞻性和挑戰性的課題，器官存活與功能的發揮完全依賴于一個穩定的模擬內環境，換而言之，灌注儀體內環境的模擬是離體器官成功保存的關鍵，其研究方面將綜合智能控制技術、生物材料技術、分子生物學技術、傳感器技術等對其實施控制化保存，同時解決器官存活率不高和低溫環境下生物修飾困難的難題，智能化控制包括溶液溫度、灌注流速、灌注壓力和溶液酸堿度等生理參數監控。

1.溶液溫度　

研究表明，離體器官在4℃保存條件下，不僅能避免直接冰凍損傷，而且大大降低組織細胞的能量代謝水平，提高組織抗缺血能力，但是高精度液體溫控要比高精度運動控制困難許多，尤其是大空間的流動灌注溶液，其原因不僅是高精度傳感器的問題，更重要的是液體溫控本身具有大慣性、大時滯和非線性的特點，非線性產生的根本原因是散熱，不同溫度條件下散熱的不同，導致了系統模型的復雜化，而大慣性、大時滯的根本原因是熱傳導需要時間，不同的系統熱傳導效率并不相同。由于離體器官的高控溫要求，和降低熱傳導，機械灌注保存儀器采用如圖2-3所示的水循環溫控系統，其中通過壓縮機和水循環實施控溫，調節壓縮機轉速和蠕動閥門轉速可精確控制溫度變化。

圖2-3中，壓縮機轉速控制根據速度偏差可采用智能控制算法，如模糊控制和模糊PID（proportion-integral-derivative，Fuzzy-PID）控制相結合的控制器，在溫度偏差較大時，系統采用模糊控制器，以提高系統的快速性，減小系統超調，并降低對參數變化的敏感性；在溫度偏差較小時，采用Fuzzy-PID控制，以減小系統的穩態誤差，提高系統的精度。同時為降低溫度采集數據的錯誤率，提升系統可靠性和穩定性，利用貝葉斯估計對多路冗余高精度溫度傳感器實施算法融合，融合方法能夠有效識別傳感器數據的不一致，從而反映測量真實值。

2.灌注流速和壓力

離體器官內部流動阻力由其內部血管、細胞活動等產生，其血管代謝沉積物濃度越高，流動阻力越大，需要外加更大的灌注流速以沖破器官阻力，沖走代謝廢物，維持器官活性，同時通過測量離體器官內部流動阻力，也可以幫助醫護人員進一步檢查離體器官惡化狀況，不同的離體器官其內部結構具有差異，使得流動阻力范圍亦具有差異，通過監測流動阻力還可以防止器官水腫和發生破壞現象，之前的研究者關注機械灌注參數的靈活性，分別考察了心臟脈動和停止脈動條件下靜脈和動脈的流動狀況，對豬肝臟進行72小時的持續灌注，研究發現雖然恒流恒壓灌注系統能夠保持灌注條件恒定，但在低溫條件下可能會增加血管阻力和剪應力，并對肝竇內皮細胞和內質網造成損傷，因此，對于動脈和靜脈，機械灌注保存儀器需要分別灌注，且機制并不相同，其特性對比如表2-3所示，機械灌注保存儀動脈靜脈灌注系統如圖2-4所示。

控制灌注流速變化特性曲線如圖2-5所示，圖中可以看出，當控制靜脈流速變化時，其是平穩變化的，而當控制動脈流速變化時，其是跳動變化的，后者模仿心臟脈搏跳動，產生舒張壓和收縮壓。灌注壓力采用液壓傳感器測量，當器官逐漸惡化時，內部代謝廢物將逐漸積累，使得灌注流速逐漸減慢，需要采用灌注流速測量裝置實施測量，如霍爾傳感器和微電子機械系統（micro-electro-mechanical system，MEMS）傳感器，同時蠕動泵可適當增加驅動流速，以減緩代謝廢物堆積。

3.溶液酸堿度

灌注溶液酸堿度（pH，氫離子濃度的負對數值）作為器官的主要監測指標之一，同樣能夠表征離體器官的惡化狀態，灌注液酸堿度應與血液相當。離體細胞內的生化改變均受到溶液pH的影響。動脈血液酸堿度正常值7.35~7.45（或H +濃度：36~44nmol/L），靜脈血液酸堿度正常值：7.33~7.41，當pH低于6.9或高于7.7時，則表征離體器官發生血液中毒，主要分為呼吸性中毒和代謝性中毒，如表2-4所示，可以看出無論是pH上升還是降低，均表征器官惡化。

機械灌注保存儀器中，pH玻璃電極用于溶液酸堿度的實時測量，其是一支端部對pH敏感的玻璃管，管內充填飽和AgCl的3mol/L KCl緩沖溶液（pH=7），玻璃膜兩面的電位差反映被測溶液的酸堿度，如圖2-6所示。

pH電極屬于原電池系統，其作用是使化學能轉換成電能，電極電位由兩個半電池構成，即測量電極和參比電極，當玻璃電極浸入被測溶液時，玻璃膜處于內部溶液（）和待測溶液（）之間，此時膜兩端產生電位差ΔE_M，其與氫離子活度之間的關系符合能斯特方程，如式1-1和式1-2所示，當時，ΔE_M=0，當時，玻璃電極ΔE_M與待測液pH成正比，但一般的玻璃電極pH在7.3~7.5上的信號輸出非常微弱，僅為20~30mV左右，故應采用可編程增益高，交流共模抑制比性能好，最小誤差小的儀表運算放大器實施放大。

表2-5給出了對目前機械灌注保存儀器已有的智能化控制方法做了總結。

三、機械灌注保存儀器關鍵技術

除了參數控制和評估手段，由于其獨特的應用領域，機械灌注保存儀器還應考慮其他關鍵技術。

1.高精度恒溫控制與材料工藝技術　

低溫環境是保護離體器官細胞組織的基礎，如果溶液溫度上下波動，則會不可避免地導致器官缺氧缺血，進而使得離子濃度失衡和細胞壞死。離體器官的最佳保存溫度為4℃，該溫度條件下不僅能避免直接冰凍損傷，而且大大降低組織細胞的能量代謝水平，提高組織抗缺血能力，故有效維持恒定低溫對離體器官極其重要。與一般機電系統不同，機械灌注保存儀器要保證溫度高精度測量與控制，不但對溫度傳感器的采集精度、壓縮機轉速控制精度有精確的控制要求，而且機體外殼尤其是器官保存箱體的材料選擇與外形設計至關重要，材料保溫性能、隔熱效果、外形的密封性能、傳感器和通風口布局等非電路因素往往對整機效果具有決定性影響。

2.小型化技術

由于機械灌注保存儀器需要滿足車載運送要求，則小型化是離體器官恒溫灌注儀關鍵技術之一，傳統離體器官灌注系統（如荷蘭AirdriveTM持續機器灌注儀）體積較大，難以實施車載運送，東南大學嚴如強團隊設計的機械灌注保存儀器在功能滿足的基礎上，力爭小型化，尤其是微型壓縮機的選用，在滿足制冷量的基礎上，減少了儀器尺寸，如圖2-7所示。

3.接觸屏控制技術

器官保存的獨特封閉環境，使得接觸屏控制成為主要技術要求之一，觸摸屏技術是一種新型的人機交互輸入輸出技術，比傳統鍵盤和鼠標輸入方式更為直觀，是能夠實時監測與控制保存器官生理參數狀態的有效工具。同時由于液晶屏是利用屏幕表面壓力變化使得屏幕變形而引起的電阻變化，從而實施精確定位，不怕灰塵、水汽和油污，也不會對內部信息造成干擾，故適用于如機械灌注保存儀器的隔離工作環境。

4.低能源供給與低功耗技術

在車載環境下，機械灌注保存儀器要求體積小、連續工作時間長，故對能源供給也具有一定的技術要求，盡管車載電源能夠提供電壓值適合的供電電壓，但要滿足連續工作幾個小時以上，需要降低系統功耗，器官長途運輸限制機械灌注保存儀器中壓縮機工作時間少，箱體保溫性能好，同時還需要維持器件低功耗。

5.抗腐蝕與老化技術　

由于機械灌注保存儀器長期工作在器官所需的酸堿度環境與低溫環境下，對灌注裝置尤其是內箱材料的抗腐蝕與老化性能有較高的要求，所選材料不但保溫性能好，還需要在寬溫度范圍內保持較高的抗腐蝕性，并且與器官環境有良好的適應性，無毒性。

（嚴如強　沈飛　楊子江　鄭駿）

關鍵要點

1.維持低溫環境是保護離體器官細胞組織的基礎。

2.機械灌注裝置通過模擬動脈搏動反復循環灌洗離體器官，同時不斷為其提供能量代謝物和藥物，維持組織細胞的平衡。

3.機械灌注保存儀器需要考慮灌注液種類、灌注的動力學特征和器官供氧方式等三個重要因素。

4.機械灌注保存儀器的智能化控制包括溶液溫度、灌注流速、灌注壓力和溶液酸堿度等生理參數的監控。