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PreSens光學(xué)傳感器在隔離灌注心臟試驗(yàn)臺(tái)監(jiān)測(cè) O2、CO2和葡萄糖的應(yīng)用

瀏覽次數(shù)：424　發(fā)布日期：2023-10-27　來(lái)源：本站　僅供參考，謝絕轉(zhuǎn)載，否則責(zé)任自負(fù)

在長(zhǎng)期應(yīng)用人工肺（體外膜肺氧合 - ECMO）期間，可能會(huì)發(fā)生不同的并發(fā)癥，如血液凝固，細(xì)胞破壞（溶血）或患者的出血傾向。這些并發(fā)癥是由機(jī)械血泵還是ECMO中的血流引起的目前尚不清楚。為了研究凝血和溶血的形成，正在開發(fā)一種分離的、灌注的動(dòng)物心臟的試驗(yàn)臺(tái)，這是一種理想的生理血泵。因此，可以區(qū)分流體機(jī)械過(guò)程、生物相容性問(wèn)題以及泵引起的現(xiàn)象。

該研究旨在調(diào)查這些并發(fā)癥的原因是否出現(xiàn)在血泵或氧合器本身中。因此，我們開發(fā)了一種醫(yī)用ECMO測(cè)試臺(tái)，將隔離的灌注心臟作為血泵。在生理?xiàng)l件下，這種血泵不會(huì)造成任何損害。如果在這些實(shí)驗(yàn)條件下發(fā)生溶血和血液凝固增加，這很可能表明氧合器中的流動(dòng)情況不是最佳的。

圖1 圖2

圖1:(A)填充氧合器。它承擔(dān)肺功能，通過(guò)纖維膜將CO2與O2交換，為心臟提供富氧血液。(B) 將心臟連接到人工血液循環(huán)。(C) 底層模擬循環(huán)的示意圖；綠色=加熱回路，紅色=血液回路，粉紅色=測(cè)試回路，藍(lán)色=供氧

圖2：隔離灌注心臟試驗(yàn)臺(tái)：豬心臟與人工血液循環(huán)相連;氧合器提供富氧血液;在前面可以看到集成在模擬回路中的光學(xué)流通池。

01、材料與方法

在這些實(shí)驗(yàn)中使用了三個(gè)豬心;由于它們與人類心臟具有很大的解剖學(xué)和生理學(xué)相似性，因此它們代表了一種很好的實(shí)驗(yàn)替代方案。心臟冠狀動(dòng)脈被仔細(xì)解剖并與主動(dòng)脈分離。由此產(chǎn)生的血管引流管（口）被縫合，心臟的左側(cè)可以用作單獨(dú)的獨(dú)立測(cè)試回路的泵。冠狀動(dòng)脈通過(guò)氧合器（作為肺替代物）與心臟右側(cè)短路。在機(jī)械泵和氧合器（圖1A）的支持下，將溫度為37°C的含氧血液供應(yīng)到心臟（圖1 C）。

當(dāng)心臟升溫時(shí)，心肌開始自主收縮，由心臟自身的興奮系統(tǒng)竇房結(jié)啟動(dòng)。一旦心臟活動(dòng)恢復(fù)，可能會(huì)發(fā)生心律失常，稱為心室顫動(dòng)，可以用除顫器治療。除顫器產(chǎn)生放電，使心臟同步，竇房結(jié)可以再次設(shè)定生理速度。為了確保心臟再次收縮，必須將血液設(shè)置為生理值。氧氣和二氧化碳的分壓以及溫度和葡萄糖水平尤為重要。標(biāo)準(zhǔn)值列于表1中。

表1：血液標(biāo)準(zhǔn)值

氧氣和二氧化碳對(duì)氧合器進(jìn)行充氣要求特別高，需要加以控制。用于快速血值分析的三個(gè)PreSens流通池，帶有集成的pO2， pCO2和葡萄糖傳感器，安裝在心臟和氧合器之間的模擬環(huán)中（圖2）。此外，連接到其中一個(gè)PreSens測(cè)量設(shè)備的溫度傳感器直接插入血流中。葡萄糖傳感器在移植前用血液弄濕，可以給傳感器足夠的時(shí)間（大約2小時(shí)）以在將其安裝到模擬回路中之前達(dá)到平衡。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可以實(shí)時(shí)跟蹤測(cè)量結(jié)果。此外，使用血?dú)夥治鰞x（BGA）記錄數(shù)據(jù)，以便與PreSesn數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，并在實(shí)驗(yàn)開始時(shí)對(duì)FTC進(jìn)行單點(diǎn)調(diào)整。使用BGA進(jìn)行測(cè)量需要每3-5分鐘收集一次數(shù)據(jù)。

02、結(jié)果

2018 年 7 月 23 日，PreSensFTC可以在三個(gè)心臟的測(cè)試臺(tái)上首次進(jìn)行測(cè)試（圖2）。所有三顆心臟都成功地用心臟I的相同血液A復(fù)活（見表2）。盡管只有很短的時(shí)間，但所有心臟都能成功復(fù)活的事實(shí)表明實(shí)驗(yàn)是成功的。

表 2：2018 年 7 月 23 日離體灌注心臟實(shí)驗(yàn)結(jié)果

集成在流通池中的PreSens傳感器非常有用，當(dāng)血?dú)夂推咸烟侵党龇秶鷷r(shí)可以快速干預(yù)。PreSens 傳感器對(duì) pO 2和 pCO 2的測(cè)量顯示出與 BGA 值非常相似的過(guò)程。盡管在某些測(cè)量點(diǎn)的絕對(duì)值存在很大的偏差（例如，在圖 4 中的第 30 分鐘），但其余的測(cè)量值具有合理的小偏差。在圖 4 中，BGA 通常顯示出較高的 pO 2值。這可能是由于血液樣本在測(cè)量過(guò)程中不可避免地與環(huán)境空氣接觸造成的。由于環(huán)境空氣中的 pO 2通常高于血液中的 pO 2 ，因此存在交換和 pO 2在血液中增加。這也可以解釋圖 4 中前 15 分鐘的偏移。BGA 測(cè)量需要一些時(shí)間，并且在此期間血液正在冷卻，這反過(guò)來(lái)又會(huì)扭曲結(jié)果。此外，圖 5 中的兩個(gè)峰清楚地表明了 O 2和 CO 2分別添加到血液中的時(shí)間。這清楚地顯示了血液對(duì)添加氣體的反應(yīng)有多敏感。即使少量也會(huì)導(dǎo)致分壓突然增加。由于使用 PreSens 傳感器進(jìn)行持續(xù)測(cè)量，可以立即減少氣體供應(yīng)，尤其是 CO 2在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持生理水平。最初升至 40 °C 和隨后降至 37 °C 很可能是由手動(dòng)控制恒溫器引起的。比較圖 6 和圖 5 可以看出，溫度與血液的 pCO 2密切相關(guān)。葡萄糖傳感器也顯示了它的功能。圖 7 中的兩個(gè)峰與添加 10 mL 20% 葡萄糖溶液一致。此外，在第 30 分鐘可以看到葡萄糖的強(qiáng)烈下降。這表明此時(shí)功能齊全的心臟消耗了葡萄糖。隨后葡萄糖水平的增加是由于葡萄糖溶液的控制供應(yīng)。

圖4 圖5

圖 4：使用 BGA 和 O 2 FTC測(cè)量的 pO 2 。圖中兩個(gè)強(qiáng)烈的上升表明添加了氣體混合物（95 % O 2 / 5 % CO 2）。BGA 和 FTC 數(shù)據(jù)顯示了類似的過(guò)程。

圖 5：用 BGA 和 FTC 測(cè)量的血液pCO 2 。可以看到類似的 BGA 和 FTC 數(shù)據(jù)過(guò)程。但是，使用 BGA 測(cè)量的數(shù)據(jù)通常高于 FTC 數(shù)據(jù)。

圖6 圖7

圖6：直接在血流中測(cè)量的血液溫度。開始時(shí)可以看到快速升高到40°C。在心臟II和III的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，溫度保持在35-38°C之間。90分鐘后關(guān)閉恒溫器，溫度降至26°C。

圖7：血液中的葡萄糖濃度。兩個(gè)峰顯示向血液循環(huán)中添加了20%的葡萄糖溶液。在30分鐘時(shí)，記錄到葡萄糖大幅下降，與心臟功能工作的時(shí)間相吻合。

03、結(jié)論

集成在流通池中的PreSens傳感器是測(cè)試臺(tái)的重要補(bǔ)充。傳感器確保連續(xù)的數(shù)據(jù)記錄，并允許在與生理水平發(fā)生偏差時(shí)迅速干預(yù)。然而，與 BGA 測(cè)量仍然存在一些偏差，為了獲得具有統(tǒng)計(jì)代表性的結(jié)果，還需要進(jìn)行幾次實(shí)驗(yàn)。

文章來(lái)源：

Daniela Obermaier1 & Giuliano Giacoppo2

1PreSens Precision Sensing GmbH, Regensburg, Germany

2Regensburg Center of Biomedical Engineering, University of Applied Sciences, Regensburg, Germany