中心与外周ECMO的血流动力学的差异：一项初步的数值计算流体力学研究
转自中南大学湘雅医院重症医学科
薛月川 黄立 翻译 马新华 校对
摘要
背景：静脉-动脉体外膜肺氧合（VAECMO）,包括中心ECMO（cECMO）和外周ECMO（pECMO）,广泛用于心肺手术。两种类型的ECMO临床结果和并发症彼此完全不同。它们之间的血液动力学差异被假设为关键因素。因此,我们进行了一项数值研究来检验这一假设。
材料/方法：建立了具有pECMO和cECMO的理想心血管模型。选择主动脉压和流速作为边界条件。计算流动模式,血流分布,流动连接,血流谐波指数（HI）,壁切应力（WSS）和振荡剪切指数（OSI）以评估血液动力学状态。
结果：pECMO可以实现更好的上肢和脑灌注(0.05458vs 0.05062kg/s),以及更差的下肢灌注(0.03067vs 0.03401kg/s)。在主动脉的内壁和后壁存在低WSS(<0.4pa)区域,而在股动脉入口处存在高WSS(>2pa)区域。这些区域也具有相对较高的OSI值(达到0.45)。相反,对于cECMO,在主动脉弓的后壁存在高WSS。
结论：各种类型ECMO的血流动力学性能各不相同,这可能是导致结果和并发症差异的主要原因。因此,对于pEMCO,下肢缺血是必须考虑的并发症。ECMO的类型,支持水平和持续时间也应根据患者的情况详细调节,因为它们是与血管并发症相关的重要因素。
关键词：心血管系统,体外膜氧合,血流动力学
背景
静脉动脉体外膜氧合（VAECMO）是临床上用于心肺手术的常见援助。基于不同位置,VAECMO被分类为外周ECMO（pECMO）和中心ECMO（cECMO）。对于pECMO,插管插入右股动脉和右股静脉。与此相反,cECMO通常动脉插管放入升主动脉和静脉插管放置在右心房。随着外周和中心ECMO的广泛应用,越来越多的研究人员对其临床并发症进行了研究。例如,与pECMO相比,cECMO被发现它可能导致更多出血和更高的感染风险。与cECMO相比,pECMO在血液灌注和血管损伤方面有更多并发症,包括下肢缺血,截肢和血管并发症。此外,超过一半pECMO治疗的患者出现肢体缺血的并发症。并且还有报道称通过股动脉支持pECMO的患者容易发生血管并发症。两种类型ECMO的不同套管位置导致的血液动力学状态的差异被认为是关键因素。
计算流体动力学（CFD）是一种广泛用于评估ECMO对心血管系统血流动力学影响的有效方法。例如Kaufmann等人。使用CFD方法分析cECMO流出套管的血流动力学效应。他发现流出套管显着影响了主动脉弓的血流动力学状态。同样,Neidlin等人。进行CFD模拟,研究套管尖端与椎动脉分支之间距离对脑灌注的血流动力学影响。考夫曼等人,提出了一个涉及脑自动调节特征的多尺度模型,研究ECMO对脑灌注的影响。尽管有许多关于ECMO对心血管系统的血流动力学影响的研究,但外周和cECMO之间的血流动力学差异仍在研究中。
为了澄清这个问题进行数值研究。基于生理数据建立了具有外周和cECMO的理想心血管几何模型。主动脉压和流速被选为边界条件。主动脉和股动脉分支的流动模式,从主动脉到大脑和四肢的血流速度分布,动脉分叉处的血流速度分布,血流量,血流的谐波指数（HI）（HI用于评估主动脉血流的搏动性,壁切应力（WSS）和振荡剪切指数（OSI,用于评估血流对主动脉内皮细胞的影响）被用作评估血液动力学状态的因素。
材料与方法
几何模型的构建
使用商业软件SolidWorks构建了具有外围和cECMO的理想三维几何模型（图1）。图1A和1B分别显示了pECMO和cECMO的模型。模型包括升主动脉,无名动脉（IA）,左颈总动脉（LCCA）,左锁骨下动脉（LSA）,左股动脉（LFA）,右股动脉（RFA）和ECMO套管。模型的几何特征来源于文献,如表1所示。标准动脉插管（24Fr）被添加到常规用于临床实践的部位的升主动脉中（图1B）。管状吻合位置位于主动脉前壁上无名动脉入口下方约2cm处,与x-y平面成45°角。
通过使用HyperMesh商业软件生成计算模型来对两个几何模型进行网格划分。两种模型均采用四面体单元网格划分,其中分别有908666个元素和973949个元素。对质量流量进行网格独立性测试,最大误差在5％以内;确认了计算的合理准确性。
数学模型
血液运动由三维Navier-Stokes方程控制：
其中u代表血液速度。p是压力。μ表示动态粘度。ρ表示血液密度,F表示体积力场。在所有模拟中,血液被设置为均匀,不可压缩和牛顿流体流动,ρ=1020kg/m3和μ=0.0035kg/ms。当雷诺数平均值小于2300时,假设这里的血流量作为层流。有限体积法用于通过瞬态模拟求解Navier-Stokes方程。
边界条件
为了研究血液动力学效应,使用4L/min的连续流量作为从ECMO的入口套管递送的入口边界条件。脉动流率（平均值1升/分钟）,从验证的集总参数模型（LMP）衍生中,施加于主动脉作为入口边界条件的入口（图2）。因此,总血液灌注量为5L/min,满足物理要求。作为出口边界条件,将平均血压（70mmHg）施加到主动脉出口。
血液动力学性能指标的定义
为了评估两种ECMO下灌注条件的差异,动脉分叉处的血流速率比（R）定义为等式（3）：
其中Qwessel是一个心动周期中相关血管的流速,Q主动脉是心输出量的流速。特别地,Rup是上肢和脑血液供应与总血液供应的比率。Rdown是下肢血液供应与总血液供应的比率。它们被定义为等式（4）和（5）。
为了评估流量的脉动性,提出了谐波指数（HI）。HI是非静态强度对总信号强度的相对贡献量度,并且该参数的范围从0（在稳定的非零流速信号的情况下）到1（在具有a的纯粹振荡信号的情况下）时间平均为零）。HI被定义为等式（6）：
其中T[nwo]是变换的流速信号的幅度。
为了量化心动周期期间的流动振荡的大小,振荡剪切指数（OSI）被计算为等式（7）：
其中τw是壁剪切应力,T是1个心动周期。OSI值可以在0到0.5之间变化,0对应于完全单向WSS,0.5对应于纯振荡WSS。高OSI的区域被预先内皮功能障碍。
结果
图3显示了箱子所有出口的流量。图3A显示了pECMO的质量流速。图3B显示了cECMO的质量流速。对于两种类型的ECMO,当血液从左心室注入升主动脉时,进入IA的血流量远高于其他出口。表2显示了2种模式的平均质量流量。pECMO下IA和LFA的平均流速值高于cECMO,但其余的出口则相反。此外,对于pECMO,RFA几乎被套管入口阻塞,因此大部分下游血液进入LFA。与cECMO相比,pECMO的LFA平均流速低于cECMO的LFA和RFA的平均流速之和（0.03067<0.03401kg/s）,而是IA,LCCA和LSA的总平均流速。pECMO高于cECMO（0.05458>0.05062kg/s）。
图4显示了2种模式的流量比。在pECMO下Rup更高,在cECMO下R下降更高。也就是说,在这项研究中,pECMO对上肢和大脑的灌注比cECMO更好,而下游灌注cECMO则超过了pECMO。
表3显示了2种ECMO模式的所有流速波的HI。cECMO下IA和LSA的流速HI高于pECMO,而cECMO下LFA,LCCA和LSA的流速HI较低。
图5显示了在两种类型的ECMO下不同时间的主动脉弓和股骨支架的速度矢量。图5A和5C显示了pECMO下的流动模式;类似地,图5B和5D显示了cECMO下的流动模式。图5A由于从心脏和ECMO插管注入的血液的不同方向,显示主动脉弓处的明显血液界面（圆形区域）。此外,界面的位置随着来自两个入口的瞬时血流速率的波动而改变。来自ECMO套管的逆行血流与来自主动脉弓左心室的顺行血流形成界面。对于cECMO,从套管注射的血液的速度远高于其他区域（图5B）,这导致顶点（箭头位置）。
在股骨分支处,当从pECMO套管注射高速血流时,存在顶点（箭头位置）。对于cECMO,股骨分叉处的血流没有顶点。结果表明,pECMO在股骨分叉处的血流动力学条件比cECMO支持的血流动力学条件差,并且在pECMO下也观察到血流结合。
图6显示了不同时间的壁面剪切应力（WSS）轮廓。图6A和6C显示了pECMO下的WSS分布,而图6B和6D显示了cECMO下的WSS分布。在主动脉弓中,pECMO下的WSS显着低于cECMO下的WSS,因为高速血流是从cECMO的套管注入的。相比之下,与cECMO相比,pECMO股骨支的WSS更高,因为从LFA喷射的血流。此外,两种类型的ECMO下的高WSS区域是不同的。对于pECMO,主动脉弓和股骨分支的内壁是高WSS区域（分别达到5pa和10pa）,而该区域出现在cECMO的主动脉弓后壁（达到10pa）。
图7显示了特殊区域的WSS随整个心动周期的时间变化。在主动脉弓（区域1）的内壁处,cECMO下的WSS低于pECMO下的WSS。相反,在主动脉弓后壁（区域2）,cECMO下的WSS高于pECMO下的WSS。对于股骨分支（区域3）,pECMO实现的WSS高于cECMO实现的WSS。表4列出了两种类型ECMO下区域1,2和3的WSS平均值。
图8显示了两种类型的ECMO下的OSI分布。图8A显示了pECMO下的OSI分布。图8B显示了cECMO下OSI的分布。对于两种类型的ECMO,OSI在主动脉弓的内壁,降主动脉和股骨分支处是高的（最大值是0.45）。然而,两种类型的ECMO下的高OSI区域彼此不同。对于pECMO,高OSI区域位于主动脉弓关闭时,主动脉和股骨分支升高。然而,对于cECMO,该区域位于主动脉弓与降主动脉关闭,表明高OSI通常位于WSS低的区域,这与其他研究一致。
讨论
VAECMO已被用作临床手术的有效方法。例如,陈等人报道ECMO已成为临床实践中器官移植的重要方法。除此之外,Jennifer等人报道,ECMO可能是心脏淀粉样变性患者的可靠诊断桥梁和桥接决策。Rousse等人报道ECMO可用作心力衰竭患者的决策方法。根据ECMO的治疗表现,医生可以确定患者的最佳手术方式。卡普尔等人发现ECMO的短期支持是提高心力衰竭患者生存率的有用手术。MancioSilva等人报告说,需要一个经验丰富的ECMO团队,谨慎的患者选择和严格的管理协议,以及断开或停止ECMO的客观标准,以提高VAECMO临床应用的性能。同样,Religa等人应用短期ECMO作为桥梁帮助患者免于由左心室后负荷增加引起的严重心源性休克。随着VAECMO被广泛应用于临床实践,其并发症包括缺血-再灌注损伤,低氧血症,高灌注和血管并发症,引起越来越多的关注。这些并发症可能是由ECMO引起的异常血液动力学状态的原因。虽然许多研究关注ECMO对心血管系统的血流动力学影响,但没有关于pECMO和cECMO之间血流动力学差异的研究。
这项工作重点是pECMO和cECMO之间的血流动力学差异,并探讨血液动力学因素和灌注条件的关系,为降低血液动力学并发症的风险提供一些建议。
肢体缺血是ECMO的一般并发症, 严重导致肢体损失甚至死亡。并且pECMO引起的肢体缺血风险高于cECMO引起的风险。Slottosch等报道,接受pECMO治疗的患者中有20.8％需要治疗下肢缺血。程等人指出,16.9％的患者发生下肢缺血,4.7％的患者发生pECMO下肢截肢。远端灌注导管用于改善这种情况,而肢体缺血仍有3.2％。此外,接受pECMO的患者脑血管和上肢也有低氧血症的风险,主要从左心接受脱氧血。我们的结果表明,pECMO对上肢和脑的灌注比cECMO更好（图4A）,而对于下游灌注,cECMO优于pECMO（图4B）。这项研究的结果与以前的文献一致。并且每个血管中血流分布的差异可能是由不同类型的ECMO引起的。因此,如果患者由pECMO支持,则下肢缺血是必须关注的并发症。
对于心脏机制,脉冲循环是必须的。然而,ECMO产生非脉动血流,其可能对心脏和主动脉具有负面影响。Short等人。显示VAECMO改变了脉动血流和脑自动调节对动物模型中的内皮反应性有影响。建议将HI作为评估脉动流速的指标,将流动模式从非脉动流改变为脉动流。
壁切应力被认为是导致血管重塑的重要因素。平均和WSS的最大值分别为内皮病理学主要因素和内膜疾病。阿德尔等人。报道动脉水平剪切应力（约2pa）适合维持内皮静止和动脉粥样硬化保护基因表达谱,而在动脉粥样硬化易发部位普遍存在的低剪切应力（<0.4pa）刺激动脉粥样硬化表型。如表4所示对于cECMO,区域2的平均WSS远高于2pa。对于pECMO,区域1和区域2的平均WSS低于0.4pa,而区域3的平均WSS远高于2pa。在pECMO下,在区域1和区域2处存在低剪切应力（<0.4pa）。较低的WSS区域易于发生血管病变。高OSI区域易患内皮功能障碍和动脉粥样硬化形成。对于pECMO,主动脉弓的OSI和股动脉的进入高于cECMO。这一结果与pECMO容易发生血管并发症的发现一致。
ECMO持续时间是其血管影响的一个非常重要因素。对于pECMO,持续时间通常为一周或两周。根据血流对内皮细胞的生物力学影响的研究,pECMO的持续时间足以激活内皮功能并导致血管功能异常。因此,pECMO下WSS的异常分布可能导致内皮和血管功能障碍。相比之下,cECMO通常用于心脏手术,通常不到12小时。因此,在cECMO下WSS的分布可能对血管疾病几乎没有影响。因此,本文重点研究了在pECMO下WSS分布的影响。此外,根据血液动力学理论,WSS的分布受ECMO的类型和支持水平的调节。因此,外科医生应根据患者的状况仔细选择合适的ECMO类型和支持水平。
局限性
本研究基于理想的几何模型,其中参数来自文献。由于患者之间的差异很大,理想的几何模型可能不足以阐明两种VAECMO的血流动力学效应的变化。将来,将建立患者特异性模型,并且从临床实践中收集的现实边界条件也将用于研究两种类型的VAECMO支持下的血液动力学差异。此外,将进行相关的统计分析,为外科医生提供指导。
结论
为了阐明外周和cECMO之间的血液动力学差异进行了数值研究。结果表明,pECMO对下肢的灌注低于cECMO,这可能导致下肢缺血。此外,pECMO在股动脉分叉处也具有较高的WSS,这可能诱发血管并发症。而对于pECMO,主动脉弓的OSI和股动脉的进入高于cECMO。这些区域易于发生血管病变。这些结果可能有助于pECMO易发生血管并发症的发现。此外,对于pECMO,主动脉弓中存在流动连接,并且可能导致与疾病发展相关的严重流动状况。pECMO具有比cECMO更低的HI,并且它降低了血流的脉动性。因此,对于外周EMCO,下肢缺血是必须考虑的并发症。ECMO的类型,支持水平和持续时间也应根据患者的病情进行仔细调整,因为它们是与血管并发症相关的重要因素。
