引言
近年來，全球冠心病患者數(shù)量逐年攀升，冠狀動脈介入手術(shù)（percutaneous coronary intervention，PCI）量屢創(chuàng)新高，高危PCI患者群體數(shù)量龐大。同時，全球每年有幾十萬的心源性休克患者由于得不到及時有效的治療而失去生命[1-4]。介入式心室輔助裝置（percutaneous ventricular assist device，pVAD）是一種用于輔助心室泵血的三類醫(yī)療器械，亦稱為“介入式人工心臟”，主要用于為急性左心功能不全的患者提供臨時血液循環(huán)輔助，輔助時間通常為7~14d。其工作原理是通過一個細(xì)長的導(dǎo)管插入患者心臟腔室及大動脈血管，通過微型泵系統(tǒng)將血液從心室直接泵入動脈系統(tǒng)。pVAD可以有效減輕患者心臟的負(fù)荷，改善全身的血流循環(huán)狀態(tài)。
介入式心室輔助裝置臨床應(yīng)用十幾年，循證醫(yī)學(xué)已經(jīng)證實其適用于高危PCI介入手術(shù)的輔助治療和各類心源性休克救治。pVAD能夠明顯提高患者生存率，降低臨床風(fēng)險，改善預(yù)后[5-9]。研究表明，介入式心室輔助裝置作為中短期使用的臨時心室支持裝置，適合以下情況：①對于心力衰竭的患者，當(dāng)心臟因心室擴(kuò)大導(dǎo)致心肌功能減弱而無法有效泵血時，它可以幫助改善血液流動，因此在等待心血管介入或外科手術(shù)及等待心臟移植的患者中得到推薦；②對于心源性休克的患者，當(dāng)心臟病發(fā)作和其他緊急情況可能導(dǎo)致心臟泵血能力受阻時，它通過泵送血液、降低心臟前負(fù)荷、維持外周灌注等操作提高患者從心源性休克中恢復(fù)的概率；③對于需要進(jìn)行PCI手術(shù)且合并出現(xiàn)血流動力學(xué)波動或心源性休克的患者（高危PCI患者），其可以在手術(shù)期間幫助維持外周灌注及降低心臟負(fù)荷，從而降低手術(shù)風(fēng)險。
可靠性是醫(yī)療器械安全性、有效性之外的又一重要指標(biāo)。介入式心室輔助裝置由于需要長期植入人體并運(yùn)行，已有許多學(xué)者開展了較為深入的可靠性測試與驗證[10-15]，而介入式心室輔助裝置的可靠性研究一直沒有相關(guān)公開的文獻(xiàn)報道。pVAD的臨床預(yù)期最長使用時間為14d，其最高轉(zhuǎn)速為30000~50000 r/min。因而在pVAD產(chǎn)品使用期限內(nèi)，電機(jī)總旋轉(zhuǎn)次數(shù)將達(dá)到6億~10億次?？紤]到工作環(huán)境為搏動的壓力環(huán)境，周期性的正負(fù)壓差作用在葉輪上，這對pVAD軸承等關(guān)鍵部件的穩(wěn)定性提出了要求。pVAD真實臨床工作環(huán)境為心衰或心源性休克，患者心臟已經(jīng)無法滿足外周灌注。若器械出現(xiàn)故障，則將直接導(dǎo)致心源性休克或者心臟驟停，大腦和其他重要臟器可能會很快缺血和缺氧，導(dǎo)致細(xì)胞損傷和死亡。這類細(xì)胞損傷往往是不可逆的，會導(dǎo)致患者永久性功能障礙。因此，對介入式心室輔助裝置的可靠性要進(jìn)行系統(tǒng)性測試與評價。
pVAD作為一種三類醫(yī)療器械，具有復(fù)雜的機(jī)電結(jié)構(gòu)，其系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示，各組件的定義及功能描述如表1所示。
圖1 介入式心室輔助裝置系統(tǒng)構(gòu)成Fig.1 pVAD system composition
表1 各組件定義及描述Tab.1 Component definition and description
2、可靠性試驗設(shè)計
2.1 可靠性試驗接受推薦準(zhǔn)則
國外已有人工心臟企業(yè)對其介入式心室輔助裝置開展了可靠性測試。Impella 2.5型號pVAD在80%的可靠度和80%的置信水平下，使用壽命可達(dá)12d；其Impella 5.0型號pVAD在80%可靠度和80%的置信水平下，使用壽命可達(dá)23d。由此可知，雙80原則是美國食品與藥品管理局對VAD可靠性的要求[16]。
參考Impella的可靠性水平，對于支持時長達(dá)14d的介入式心室輔助裝置，置信水平為80%，可靠度達(dá)到80%。
2.2 可靠性試驗樣本量
在可靠性試驗中，確定適當(dāng)?shù)臉颖玖渴且粋€關(guān)鍵問題，需要在工程意義和成本之間進(jìn)行平衡。樣本量的大小直接影響到試驗結(jié)果的可信度和準(zhǔn)確性，以及試驗所需的時間和資源。
根據(jù)GB/T 4087—2009 《數(shù)據(jù)的統(tǒng)計處理和解釋二項分布可靠度單側(cè)置信下限》，對于置信水平為60%的可靠性試驗（見表2），在10臺樣本數(shù)的情況下，至多能有1臺出現(xiàn)故障，才能保證可靠度在80%以上；對于置信水平為80%的可靠性試驗（見表3），在10臺樣本數(shù)的情況下，均正常工作，才能保證可靠度在80%以上。
表2 60%置信水平下的樣本量與可靠度關(guān)系(%)Tab.2 Correlation between sample size a
表3 80%置信水平下的樣本量與可靠度關(guān)系(%)Tab.3 Correlation Between sample size andreliability with 60% confidence (%)
允許發(fā)生的故障數(shù)同樣本量成區(qū)間線性相關(guān)。以80% 可靠度、80%置信水平（見表3）為例，推測出：樣本量10、11、12、13均不允許出現(xiàn)故障，才能實現(xiàn)80%可靠度的要求；樣本量14、15、16、17、18、19、20均至多允許發(fā)生1次故障，才能實現(xiàn)80%可靠度的要求。因此合理選擇樣本量對于節(jié)省可靠性測試成本有重要意義。對于80%置信水平、80%可靠度的可靠性試驗，推薦樣本量為10、14、21、27、33。
2.3 故障分類
可靠性故障事件通常根據(jù)嚴(yán)重程度劃分為不同的類別。對于pVAD故障，有清晰的事件分類和標(biāo)準(zhǔn)非常重要，以便及時處理和防止患者風(fēng)險?？梢詣澐譃橐韵聨最悾?/span>
類別Ⅰ：輕微（minor），這類故障通常對患者的影響較低且可修復(fù)，解決措施簡單，例如重新插接線纜或更換某個組件。
類別Ⅱ：輕度（mild），這類故障可能會引起患者身體不適或?qū)е螺p度癥狀，但通常不會威脅患者生命，可以通過調(diào)整心室輔助裝置在心室和主動脈的位置等措施來處理。
類別Ⅲ：中度（moderate），這類故障可能會導(dǎo)致較嚴(yán)重的癥狀，需要及時干預(yù)，但一般不會立即危及患者生命，可能需要重新介入或更換關(guān)鍵組件。
類別Ⅳ：嚴(yán)重（severe），這類故障可能威脅患者生命或產(chǎn)生重大健康風(fēng)險，需要在短時間內(nèi)進(jìn)行臨床干預(yù)。
類別Ⅴ：危急（critical），這類故障可能是即刻致命的，對患者生命構(gòu)成即時威脅或可能導(dǎo)致永久性損害，需要緊急救治。
針對介入式心室輔助裝置的產(chǎn)品特點(diǎn)，基于此5類故障進(jìn)行裁剪，形成如表4所示的故障分類。其中，危急和嚴(yán)重故障需納入可靠度統(tǒng)計，中度、輕度和輕微故障可不納入可靠度統(tǒng)計。
表4 故障分類
Tab.4 Failure classification
注：1 mmHg=133.32 Pa
2.4 可靠性測試裝置
介入式心室輔助裝置可靠性測試平臺主要由模擬循環(huán)回路、集成電控箱、轉(zhuǎn)換器及電腦主機(jī)構(gòu)成。其中核心單元的模擬循環(huán)回路由5大部分組成：心室腔、主動脈順應(yīng)性腔、左心房腔、靜脈儲液器和介入旁路體腔（見圖2）。其中模擬循環(huán)回路由左心室腔（LV）、主動脈順應(yīng)性腔（SAC）、左心房腔（LA）、靜脈儲液器及順應(yīng)性腔（SVC）構(gòu)成；總流量（QAO）、泵體正向流量（QVAD）和泵體反流流量（QVAD_B）由流量計測得；左心室壓（LVP）、左心房壓（LAP）、主動脈（AOP）由壓力傳感器測得；黏度（DV）由黏度傳感器測得；空氣壓縮機(jī)（pump）為靜脈腔和系統(tǒng)整體提供背景壓力；上位控制機(jī)（control mods）控制各程控單元執(zhí)行動作。
圖2 回路設(shè)計
Fig.2 Loop design diagram
心室腔是系統(tǒng)的核心循環(huán)動力源，由柔性膜片與剛性腔體形成一個密閉的容腔。直線電機(jī)在運(yùn)動過程中與柔性膜片接觸，模擬左心室的主動收縮機(jī)制；而在回程運(yùn)動時與柔性膜片分離，模擬左心室的被動充盈機(jī)制。通過調(diào)整直線電機(jī)的運(yùn)動行程、運(yùn)動周期以及進(jìn)程與回程時間比，可以模擬心室容積、心率以及收縮舒張比等參量。模擬主動脈瓣和二尖瓣作為被動元件，根據(jù)心室與主動脈、心室與心房之間的壓力差，控制其開關(guān)狀態(tài)，以確保循環(huán)系統(tǒng)中液體的單向流動。pVAD可靠性測試樣例如圖3所示。
圖3 可靠性測試樣例
Fig.3 Reliability test example
輔助流量對于介入式心室輔助裝置性能的穩(wěn)定性評價具有重要意義。在流量測試中，使用流量計是最簡單有效的方式。因此在可靠性測試中應(yīng)配單獨(dú)流量計的介入旁路體腔，以單獨(dú)測量介入式心室輔助裝置流量。通過設(shè)計介入旁路體腔中的彈性膜片卡緊導(dǎo)管泵的外壁，實現(xiàn)旁路流量全部流經(jīng)介入泵，從而測量器械輔助流量。
模擬液溫度的穩(wěn)定性對于器械可靠性的客觀科學(xué)評價具有重要意義。模擬液的溫度變化對于封閉腔體內(nèi)的氣壓影響顯著，這將影響氣壓和流量相關(guān)可靠性評價參量?？赏ㄟ^熱電偶、加熱單元以及PID溫控邏輯單元，實現(xiàn)模擬血液溫度接近人體生理環(huán)境，并保持相對穩(wěn)定，溫度偏差不超過±2℃。
黏度也是一個重要參量。一般在黏度2.3~3.4mPa·s的模擬液體環(huán)境下開展pVAD的性能評價，以保證器械水力學(xué)性能盡可能接近其在臨床上的表現(xiàn)。介入泵通常采用灌注系統(tǒng)壓入灌注液，以保護(hù)血細(xì)胞，同時降低軸承磨損。低黏度液體下的機(jī)械磨損將更顯著，因此pVAD可靠性評價采用更低黏度的模擬液體將更加保守和嚴(yán)苛。
2.5 可靠性測試狀態(tài)表設(shè)定
患者在14d內(nèi)的臨床使用過程中，經(jīng)歷著低載荷（睡眠狀態(tài)）和一般載荷（日常活動狀態(tài)）的狀態(tài)輪換。因而，在pVAD可靠性測試中，測試裝置要能夠?qū)崿F(xiàn)這些生理狀態(tài)，并可以輪換。與此同時，pVAD應(yīng)當(dāng)相應(yīng)地調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速等參量，以適應(yīng)患者的生理狀況。
通過模擬不同載荷情況，可以全面評估介入式心室輔助裝置在不同活動水平下的性能表現(xiàn)和可靠性，確保其在臨床應(yīng)用中能夠穩(wěn)定運(yùn)行并滿足患者的需求?？煽啃詼y試狀態(tài)可以參考表5設(shè)置。其中低載荷狀態(tài)對應(yīng)睡眠狀態(tài)，其顯著特征為低心率和低流量；一般載荷對應(yīng)清醒狀態(tài)，其顯著特征為高心率和高流量。
表5 可靠性測試狀態(tài)
Tab.5 Reliability test status
2.6 可靠性示范測試
基于上文所述評價方案，開展示范性的可靠性試驗，其單臺測試界面如圖3(b)所示。對于清醒模擬狀態(tài)，可靠性測試臺模擬心率為68 次/分，pVAD開啟后：
（1）系統(tǒng)平均總流量達(dá)到4.06 L/min ，大于3.5 L/min的可靠性要求；
（2）器械平均輔助流量達(dá)到2.87 L/min，大于2.0 L/min的可靠性要求；
（3）器械泵頭壓差穩(wěn)定在45.2 mmHg，大于30 mmHg的可靠性要求；
（4）心室脈壓差穩(wěn)定在108.4 mmHg，大于60 mmHg的可靠性要求。
連續(xù)測試16 h，其流量波形結(jié)果如圖3(c)所示，可以看出被測樣品在連續(xù)測試過程中流量趨勢穩(wěn)定。由于測試臺的脈動特性，流量均呈現(xiàn)周期性波動，其平均值在可靠性可接受范圍內(nèi)。系統(tǒng)流量（黑色）始終大于3.5 L/min的判定閾值，且偏差不超過±1 L/min；泵輔助流量（紅色）始終大于2.0 L/min的判定閾值，且偏差不超過±1 L/min。由此可知，在該測試中不存在表4所列危急和嚴(yán)重故障。
需要指出的是，pVAD體外可靠性測試與臨床環(huán)境存在一定的差異：①體外可靠性模擬測試平臺搭建時只要考慮左心系統(tǒng)循環(huán)生理參量，不涉及右心系統(tǒng)；②人體對于外周阻力具有自我調(diào)節(jié)能力，但模擬管路本身并不具備自我調(diào)節(jié)能力；③體外可靠性模擬測試平臺采用由甘油-水配置而成的模擬血液，這是因為血液的溶血、血容量、抗凝和抗感染性病菌等條件并不適用于體外模擬管路的設(shè)定。
上述原因?qū)е驴煽啃詼y試試驗中的壓力、流量以及外周阻力等參量與臨床存在一定程度的差異?？紤]到可靠性測試試驗的核心目的在于評價器械長時間運(yùn)行的可靠性，在測試環(huán)境和參量比臨床條件更保守的前提下，允許一定的差異存在。
3、結(jié)論
本研究基于可靠性測試方法學(xué)和介入式心室輔助裝置的特點(diǎn)，深入總結(jié)了介入式心室輔助裝置可靠性中的關(guān)鍵問題，提出了一個具有工程化可行性的介入式心室輔助裝置可靠性測試方案。該方案能夠模擬不同載荷和使用狀態(tài)，有效評估介入式心室輔助裝置的可靠性水平，同時能及早發(fā)現(xiàn)潛在問題，優(yōu)化設(shè)計和制造過程，確保介入式心室輔助裝置設(shè)備在臨床應(yīng)用中的安全性和有效性。對pVAD的高可靠性要求同樣適用于植入式人工心臟、全人工心臟以及體外膜氧合器等循環(huán)輔助生命維持設(shè)備。本工作中的可靠性工程化實踐方法可以為這些品類的生命維持設(shè)備的可靠性工作提供借鑒，加快這些醫(yī)療器械的可靠性工作朝著標(biāo)準(zhǔn)化和制度化進(jìn)步，從而提升患者的用械安全。
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【文章來源】中國醫(yī)療器械雜志醫(yī)療器械可靠性 2024年 48卷 第1期
京公網(wǎng)安備11010802046783號
