第二节 机械灌注保存仪器
机械灌注保存仪器的工作原理是应用可控的连续保存液来消除代谢产物，并给器官提供营养和氧分。理论而言，该系统至少能部分保护器官不受缺血缺氧损伤。灌注仪实际上是模拟器官在体内的环境，一方面灌注液通过管道器械装置循环流动以提供连续性的营养、氧分、药物以改善器官质量，根据流体的阻力参数评估器官性能；另一方面通过维持低温环境降低基础代谢，减少氧和ATP的消耗。
一、机械灌注保存仪器工作原理
一款有效的机械灌注保存仪器需要考虑如下三个重要因素：灌注液种类、灌注的动力学特征和器官供氧方式。
1.灌注液种类
以现有器官保存液公开的成分为参考，且物化特性需与血液相似，即满足以下4个条件：①溶液在4~20℃时黏滞度小，流动性好；②溶液成分稳定，在2~8℃环境温度中能保存1年以上；③溶液与TUDCA（sodium tauroursodeoxycholate，牛磺熊去氧胆酸）及PBA（sodium phenylbutyrate，4-苯基丁酸钠）两种成分不反应；④溶液pH在7.35~7.45之间，其中欧洲柯林液EC溶液（Euro-Collins）、威斯康星大学溶液UW溶液（University of Wisconsin solution）、组氨酸-色氨酸-酮戊二酸盐液HTK（Histidine-Tryptophan-Ketoglutarate solution）溶液和施尔生液Celsior溶液作为标准的灌注溶液样本，已被广泛应用，其成分列表如表2-2所示。
表2-2 灌注溶液成分列表
2.灌注的动力学特征
机械灌注保存仪器能够通过机械灌注装置来促进离体器官血液流动、补充物质能量，并且能够实现器官重要生理参数的采集检测、分析处理和过程控制，包括环境温度、溶液pH、灌注流速、灌注压力等参数，灌注仪结构示意图如图2-1所示。
图2-1 灌注仪结构示意图
由图2-1可知，机械灌注保存仪器由溶液存储箱、人造肺氧合仪、压缩机冷凝器、蠕动泵、控制面板和监视器、器官容器、pH计容器等结构组成，灌注溶液的流动顺序为：存储箱Ⅰ—>膜式氧合器—>蠕动泵Ⅰ—>器官容器—>pH计—>蠕动泵Ⅱ—>存储箱Ⅱ，各部分功能介绍如下：
（1） 存储箱：
包括存储箱Ⅰ和存储箱Ⅱ，前者用于存储未使用的新配制溶液，后者用于存储流进器官后的已用溶液。
（2）膜式氧合器：
通过特制薄膜完成气体交换的人工氧合器装置，血液和气体不直接接触，其具有良好的气体交换能力，对血液的损害小，适用长时间循环支持。
（3） 蠕动泵：
包括蠕动泵Ⅰ和蠕动泵Ⅱ，其由后端步进电机和前段滚子组成，可通过控制电机转速实施灌注流速控制。
（4）器官容器：
存放用于移植的离体器官，其中灌注管道连接器官动脉和静脉构成两路循环，器官容器处于保温状态。
（5）pH计：
用于测量流过器官后的溶液pH，通过pH的变化以实时监测离体器官的恶化状态。
（6） 压缩机：
由冷凝器、制热器、制冷液和通风阀门等装置组成，通过控制压缩机转速和阀门占空比，调节器官容器内温度。
（7）控制面板和监视器：
其由液晶屏和触摸开关组成，用于实现离体器官各状态参数的非接触智能控制及其监测。
3.器官供氧方式
机械灌注保存仪器提供充足的氧气和ATP能量补充，并确保氧化应激损伤最小，故留有氧气进风口是必要的。
根据上述工作原理，由于不同离体器官以及供体心脏死亡时间不同，其所需维持的参数特性也不同，故灌注仪采用以数字信号处理（digital signal processing，DSP）为核心的采集、分析与控制，以及现场可编程门阵列（field-programmable gate array，FPGA）为核心的数据显示框架，主要包括数据采集模块，数据处理与控制模块，机械传动模块，数据显示与存储模块等，其总体电路设计框架如图2-2所示。其中，各模块功能介绍如下：
图2-2 离体器官灌注仪硬件总体设计框架
（1）数据采集模块：
主要完成各参数的采集和控制，包括4路温度传感器的采集，灌注流速采集、双通道液压计采集和pH采集，其中温度传感器选用TSic506高精度数字传感器，灵敏度达±0.1℃，灌注流速传感器选用霍尔脉冲式传感器，双通道液压计和pH计采用模拟传感器，利用TMS320F2812（下称F2812）自带AD转换模块，实施通道控制和数据采集。
（2）数据处理与控制模块：
利用F2812对多通道传感器数据实施信息融合、器官寿命预测以及恒温控制等算法，并按照条件控制机械传动、数据采集和显示模块和存储模块等其他模块。
（3）机械传动模块：
主要完成机械传动操作，包括步进电机和蠕动泵装置、压缩机装置和通风阀门装置，涉及灌注流速控制和温度控制。
（4）数据输入和显示模块：
主要完成信息的输入和显示，数值报警等，其中显示部分采用TFT7-LCD液晶屏，输入通过触摸感应模块实现。
（5）电源模块：
主要完成各器件芯片的供电以及不同电压电平之间的高效稳定转换。
二、机械灌注保存仪器参数评估
离体器官保存是一项前瞻性和挑战性的课题，器官存活与功能的发挥完全依赖于一个稳定的模拟内环境，换而言之，灌注仪体内环境的模拟是离体器官成功保存的关键，其研究方面将综合智能控制技术、生物材料技术、分子生物学技术、传感器技术等对其实施控制化保存，同时解决器官存活率不高和低温环境下生物修饰困难的难题，智能化控制包括溶液温度、灌注流速、灌注压力和溶液酸碱度等生理参数监控。
1.溶液温度
研究表明，离体器官在4℃保存条件下，不仅能避免直接冰冻损伤，而且大大降低组织细胞的能量代谢水平，提高组织抗缺血能力，但是高精度液体温控要比高精度运动控制困难许多，尤其是大空间的流动灌注溶液，其原因不仅是高精度传感器的问题，更重要的是液体温控本身具有大惯性、大时滞和非线性的特点，非线性产生的根本原因是散热，不同温度条件下散热的不同，导致了系统模型的复杂化，而大惯性、大时滞的根本原因是热传导需要时间，不同的系统热传导效率并不相同。由于离体器官的高控温要求，和降低热传导，机械灌注保存仪器采用如图2-3所示的水循环温控系统，其中通过压缩机和水循环实施控温，调节压缩机转速和蠕动阀门转速可精确控制温度变化。
图2-3 机械灌注保存仪水循环温控系统
图2-3中，压缩机转速控制根据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）控制相结合的控制器，在温度偏差较大时，系统采用模糊控制器，以提高系统的快速性，减小系统超调，并降低对参数变化的敏感性；在温度偏差较小时，采用Fuzzy-PID控制，以减小系统的稳态误差，提高系统的精度。同时为降低温度采集数据的错误率，提升系统可靠性和稳定性，利用贝叶斯估计对多路冗余高精度温度传感器实施算法融合，融合方法能够有效识别传感器数据的不一致，从而反映测量真实值。
2.灌注流速和压力
离体器官内部流动阻力由其内部血管、细胞活动等产生，其血管代谢沉积物浓度越高，流动阻力越大，需要外加更大的灌注流速以冲破器官阻力，冲走代谢废物，维持器官活性，同时通过测量离体器官内部流动阻力，也可以帮助医护人员进一步检查离体器官恶化状况，不同的离体器官其内部结构具有差异，使得流动阻力范围亦具有差异，通过监测流动阻力还可以防止器官水肿和发生破坏现象，之前的研究者关注机械灌注参数的灵活性，分别考察了心脏脉动和停止脉动条件下静脉和动脉的流动状况，对猪肝脏进行72小时的持续灌注，研究发现虽然恒流恒压灌注系统能够保持灌注条件恒定，但在低温条件下可能会增加血管阻力和剪应力，并对肝窦内皮细胞和内质网造成损伤，因此，对于动脉和静脉，机械灌注保存仪器需要分别灌注，且机制并不相同，其特性对比如表2-3所示，机械灌注保存仪动脉静脉灌注系统如图2-4所示。
表2-3 动脉和静脉对比
图2-4 机械灌注保存仪动脉静脉灌注系统
控制灌注流速变化特性曲线如图2-5所示，图中可以看出，当控制静脉流速变化时，其是平稳变化的，而当控制动脉流速变化时，其是跳动变化的，后者模仿心脏脉搏跳动，产生舒张压和收缩压。灌注压力采用液压传感器测量，当器官逐渐恶化时，内部代谢废物将逐渐积累，使得灌注流速逐渐减慢，需要采用灌注流速测量装置实施测量，如霍尔传感器和微电子机械系统（micro-electro-mechanical system，MEMS）传感器，同时蠕动泵可适当增加驱动流速，以减缓代谢废物堆积。
图2-5 机械灌注保存仪灌注流速特性
3.溶液酸碱度
灌注溶液酸碱度（pH，氢离子浓度的负对数值）作为器官的主要监测指标之一，同样能够表征离体器官的恶化状态，灌注液酸碱度应与血液相当。离体细胞内的生化改变均受到溶液pH的影响。动脉血液酸碱度正常值7.35~7.45（或H +浓度：36~44nmol/L），静脉血液酸碱度正常值：7.33~7.41，当pH低于6.9或高于7.7时，则表征离体器官发生血液中毒，主要分为呼吸性中毒和代谢性中毒，如表2-4所示，可以看出无论是pH上升还是降低，均表征器官恶化。
机械灌注保存仪器中，pH玻璃电极用于溶液酸碱度的实时测量，其是一支端部对pH敏感的玻璃管，管内充填饱和AgCl的3mol/L KCl缓冲溶液（pH=7），玻璃膜两面的电位差反映被测溶液的酸碱度，如图2-6所示。
表2-4 离体器官酸碱度变化列表
图2-6 pH玻璃电极结构示意图
pH电极属于原电池系统，其作用是使化学能转换成电能，电极电位由两个半电池构成，即测量电极和参比电极，当玻璃电极浸入被测溶液时，玻璃膜处于内部溶液（
）和待测溶液（
）之间，此时膜两端产生电位差ΔEM，其与氢离子活度之间的关系符合能斯特方程，如式1-1和式1-2所示，当
时，ΔEM=0，当
时，玻璃电极ΔEM与待测液pH成正比，但一般的玻璃电极pH在7.3~7.5上的信号输出非常微弱，仅为20~30mV左右，故应采用可编程增益高，交流共模抑制比性能好，最小误差小的仪表运算放大器实施放大。
表2-5给出了对目前机械灌注保存仪器已有的智能化控制方法做了总结。
表2-5 智能化参数控制方法总结
三、机械灌注保存仪器关键技术
除了参数控制和评估手段，由于其独特的应用领域，机械灌注保存仪器还应考虑其他关键技术。
1.高精度恒温控制与材料工艺技术
低温环境是保护离体器官细胞组织的基础，如果溶液温度上下波动，则会不可避免地导致器官缺氧缺血，进而使得离子浓度失衡和细胞坏死。离体器官的最佳保存温度为4℃，该温度条件下不仅能避免直接冰冻损伤，而且大大降低组织细胞的能量代谢水平，提高组织抗缺血能力，故有效维持恒定低温对离体器官极其重要。与一般机电系统不同，机械灌注保存仪器要保证温度高精度测量与控制，不但对温度传感器的采集精度、压缩机转速控制精度有精确的控制要求，而且机体外壳尤其是器官保存箱体的材料选择与外形设计至关重要，材料保温性能、隔热效果、外形的密封性能、传感器和通风口布局等非电路因素往往对整机效果具有决定性影响。
2.小型化技术
由于机械灌注保存仪器需要满足车载运送要求，则小型化是离体器官恒温灌注仪关键技术之一，传统离体器官灌注系统（如荷兰AirdriveTM持续机器灌注仪）体积较大，难以实施车载运送，东南大学严如强团队设计的机械灌注保存仪器在功能满足的基础上，力争小型化，尤其是微型压缩机的选用，在满足制冷量的基础上，减少了仪器尺寸，如图2-7所示。
图2-7 机械灌注保存仪器设计（东南大学）
3.接触屏控制技术
器官保存的独特封闭环境，使得接触屏控制成为主要技术要求之一，触摸屏技术是一种新型的人机交互输入输出技术，比传统键盘和鼠标输入方式更为直观，是能够实时监测与控制保存器官生理参数状态的有效工具。同时由于液晶屏是利用屏幕表面压力变化使得屏幕变形而引起的电阻变化，从而实施精确定位，不怕灰尘、水汽和油污，也不会对内部信息造成干扰，故适用于如机械灌注保存仪器的隔离工作环境。
4.低能源供给与低功耗技术
在车载环境下，机械灌注保存仪器要求体积小、连续工作时间长，故对能源供给也具有一定的技术要求，尽管车载电源能够提供电压值适合的供电电压，但要满足连续工作几个小时以上，需要降低系统功耗，器官长途运输限制机械灌注保存仪器中压缩机工作时间少，箱体保温性能好，同时还需要维持器件低功耗。
5.抗腐蚀与老化技术
由于机械灌注保存仪器长期工作在器官所需的酸碱度环境与低温环境下，对灌注装置尤其是内箱材料的抗腐蚀与老化性能有较高的要求，所选材料不但保温性能好，还需要在宽温度范围内保持较高的抗腐蚀性，并且与器官环境有良好的适应性，无毒性。
（严如强 沈飞 杨子江 郑骏）
关键要点
1.维持低温环境是保护离体器官细胞组织的基础。
2.机械灌注装置通过模拟动脉搏动反复循环灌洗离体器官，同时不断为其提供能量代谢物和药物，维持组织细胞的平衡。
3.机械灌注保存仪器需要考虑灌注液种类、灌注的动力学特征和器官供氧方式等三个重要因素。
4.机械灌注保存仪器的智能化控制包括溶液温度、灌注流速、灌注压力和溶液酸碱度等生理参数的监控。