面向心脏功能恢复的血泵辅助下左心室血流动力学研究

The therapy of end stage heart failure is focus on having the circulation and organ perfusion to meet the patient's demand. Some cardiac function recovery cases was highlighted expressing that a certain hemodynamic condition may be the reason, when the patient supported by a left ventricular assistant devise. Whereas, the mechanism is not clear yet, there is neither a basic theory nor a clinical practice to treat heart failure aimed at the cardiac function recovery. For the sake of serving the problems, 3 respects of research were purposed in this project to study the hemodynamic discipline in left ventricle to allow the function recovery supported by an assistant device. Firstly, a lumped parameter model and a fluid-solid interaction method is used to a numerical study on the distribution and change laws of blood flow structure, wall sheer force, circumferential stress, myocardial strain rate, SHE, EEP in left ventricle supported by an assistant device using different blood assistant index. Secondly, the project will study the change laws of hemodynamic parameters and cardiac function under animal experiments to build the relationship between the blood assistant index and the SHE, EEP, the concentration of BNP and troponin. The pathology and biomechanical method are used to study the change of the pathologies and mechanical properties of myocardial tissue. Finally, according to the former results, a control model that describes the cardiac function recovery will be established. the project is expected to obtain the hemodynamic mechanism of the cardiac function recovery to direct therapy the heart failure using assistant device.

目前心衰治疗的成果集中在维系血液循环和器官灌注方面，而临床发现血泵辅助治疗中某种左心室血流动力学环境可以诱导心脏功能的恢复，但其血流动力学作用机理还不明确，尚未建立以心脏功能恢复为目的的心衰治疗理论基础。为了获得其作用机理,本项目计划从3个方面进行血泵辅助下左心室血流动力学特性的研究。首先，采用循环系统集中参数模型与左心室流固耦合模型相结合的方法，研究不同血流辅助指数条件下，左心室内血流流场、壁面切应力、周向应力、心肌形变量以及SHE和EEP等血流动力学参数的分布和变化规律。然后，采用实验研究的方法，确定血流辅助指数与血流动力学参数（SHE、EEP与心肌形变量）、心脏功能参数（BNP与肌钙蛋白的浓度）之间的变化规律，以及心肌病理学和生物力学特性的改变规律。最后，采用模型研究的方法，建立面向心脏功能恢复的血流动力学控制模型。项目的完成将为面向心脏功能恢复的心衰治疗提供理论支持和治疗指导。

目前心衰治疗的成果集中在维系血液循环和器官灌注方面，而临床发现血泵辅助治疗中某种左心室血流动力学环境可以诱导心脏功能的恢复，但其血流动力学作用机理还不明确。为获得其作用机理,本项目计划从3个方面进行血泵辅助下左心室血流动力学特性研究。首先，采用循环系统集中参数模型与左心室流固耦合模型相结合的方法，研究不同血流辅助指数对左心室内血流等参数的分布。然后，采用实验研究的方法确定血流辅助指数与血流动力学参数、心脏功能参数之间的变化规律。最后，采用模型研究的方法，建立面向心脏功能恢复的血流动力学控制模型。本项目按计划进行，取得如下结果：第一，对比心衰情况，部分辅助增加涡形成时间与涡强度且高剪切震荡区域最小，心室卸载后高时间平均壁面切应力区域增加，低时间平均壁面切应力区域减小，其中部分辅助低时间平均壁面切应力区域最小。第二，心尖-升主搭桥方式：脉动性指标随转速的增加均无持续降低的现象；左房-降主搭桥方式：随着转速的增加，左心室压和主动脉压变化不明显，低于4800RPM左心房压力高于正常值，随后左心房压力低于正常值，6000RPM以上左心房压力峰值已经接近左心室压力的极小值此后并无进一步降低，表明此时左心房已经不能正常收缩；主动脉搭桥方式：随着转速的增加血泵两端压力差增加，左右颈动脉流量略有上升但脉动性明显降低，同时输出流量增加左心室压降低，左心室做功减小，系统输入功增大。此外辅助前心肌细胞排列紊乱并伴有炎性细胞，辅助后心肌细胞尺寸有所减小，细胞结构清晰，肌丝排列整齐，表明辅助改善了心肌结构，随着辅助水平的增大，冠脉血管内皮细胞间隙减小，心肌的弹性模量随拉伸时间的增加呈现出先减小后增长的特性。第三，采用“替代数据分析”算法确定肌钙蛋白浓度、BNP浓度、SHE与EEP指标的权重分别为0.33，0.27，0.12与0.28，采用非参数模型自适应控制理论建立了面向心脏功能恢复的控制模型。项目的完成将为面向心脏功能恢复的心衰治疗提供理论支持和治疗指导。