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摘要 双叶型人工机械心脏瓣膜的设计与制造 机械制造及其自动化专业 研究生：杨志华指导教师：罗f e l 迄今为止尚未有理想的人工心脏瓣膜，但随着人们对自然心脏瓣膜认识的 加深，人工机械心脏瓣膜先后经历了四代的改良与发展，使人工机械心脏瓣膜 在临床应用上已经取得了很好的效果。 随着人们对人工心脏瓣膜血流动力学认识的深入，新材料的应用，人工机 械一t 5 脏瓣膜结构的日盏优化，计算机模拟、测试手段的提高，特种加工等先进 制造技术的应用以及长期的临床统计分析，都为人工机械心脏瓣膜的进一步发 展和完善奠定了坚实的基础。本文借鉴第四代双叶型人工机械心脏瓣膜的结构， 对双叶型人工机械心脏瓣膜进行了材料选择、结构参数优化、血流动力学分析、 极限强度校核、装配方法校核、加工工艺制定等方面的研究与开发。 本文的理论研究与研制开发工作主要包括： ( 1 ) 通过对人体自然心脏瓣膜的工作机理进行分析研究，借鉴临床应用效 果最优的双叶结构，对双叶型人工机械心脏瓣膜进行了优化设计和结构参数优 选。 ( 2 ) 围绕着决定瓣膜优良性的最重要因素一一跨瓣压差，通过使用 c o s m o s f l o w o f i 岱2 0 0 5 软件，对双叶型人工机械心脏瓣膜的瓣叶开启角度，进 行了分析测试及优化选取。 ( 3 ) 以人工心脏瓣膜国际标准i s 0 5 8 4 0 2 0 0 5 为指导，使用 c o s m o s f l o w o r | s 2 0 0 5 软件，建立了评判心瓣性能优劣的模拟分析数学模型， 对三个型号的双叶型人工机械一t l , 脏瓣膜进行了定常流和静态泄漏的血流动力学 分析。 四川夫学颀十学位论文 ( 4 ) 使用c o s m o s w o r k s 2 0 0 5 软件导入c o s m o s f i o w o r k s 2 0 0 5 软件对瓣 膜测试得到的血流动力学分析参数，对瓣膜进行了模拟极限工作状态下的有限 元分析。同时使用了c o s m o s w o r k s 2 0 0 5 软件新增的非线性有限元分析功能， 对瓣膜的挤压变形法装配进行了可行性判定分析。 ( 5 ) 对双叶型人工机械心脏瓣膜的成形结构进行了简要分析，制定出了小 量试制双叶型人工机械心脏瓣膜的机械加工工艺，列出了瓣膜膜架、瓣叶的工 艺过程清单。 关键词：人工机械心脏瓣膜跨瓣压差血流动力学分析有限元分析 a b s t r a c t t h e d e s i g na n dm a n u f a c t u r eo f b i l e a f l e tm e c h a n i c a l h e a r tv a l v e s p e c i a l t y m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n ga n di t sa u t o m a t i o n p o n 掣 d u a t ey a n gz h i h u a s u p e r v i s o rl u o y a n g t h e r ei s a sy e t , n oh e a r tv a l v es u b s t i t u t et h a tc a nb er e g a r d e da si d e a l b u t 、 d t ht h e d e v e l o p m e n to fr e s e a r c h e so nn a t u r a lh e a r tv a l v e ，t h em e c h a n i c a lh e a r tv a l v eh a s b e e ni m p r o v e da n da p p l i e dw e l li nc l i n i ce x p e r i m e n t sd u r i n gf o u rm a j o rp e r i o d so f d e v e l o p m e n t w i t ht h ed e e p e ru n d e r s t a n d i n go ft h eh e m o d y n a m i c so fm e c h a n i c a lh e a r tv a l v e , a p p l i c a t i o no fn e wm a t e r i a l ，o p t i m i z a t i o n o ft h es t r u c t u r eo ft h eh e a r tv a l v e ， i m p r o v e m e n tt h em e t h o do ft h ec o m p u t e rs i m u l a t i o na n dt e s t i n g ，a p p l i c a t i o no ft h e t e c h n o l o g y o fs p e c i a lm a c h i n i n ga n dp l e n t y a n a l y s i s o fc l i n i c s t a t i s t i c ，t h e m e c h a n i c a lh e a r tv a l v eh a si m p r o v e dr a p i d l y t h i sp a p e rb a s e do nt h ec o n f i g u r a t i o n o f t h e 矿g e n e r a t i o n m e c h a n i c a lh e a r tv a l v ed i s c u s s e sr a n g e sf r o mm a t e r i a lc h o o s i n g o p t i m i z a t i o n o fs t r u c t u r e p a r a m e t e r s ，h e m o d y n a m i c sa n a l y s i s ，n t m o s t s t r e s s v e r i f i c a t i o n , a s s e m b l ev e r i f i c a t i o n , t om a c h i n i n gp r o c e s se s t a b l i s h m e n t t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ef o l l o w e da s p e c t s ： ( i ) o p t i m i z e dd e s i g nt h es t r u c t u r ea n dp a r a m e t e ro ft h eb i l e a f l e tm e c h a n i c a lh e a r t v a l v eb a s e do nt h eb i l e a f l e ts t r u c t u r ew h i c hg o tg o o dr e s u l td u r i n gt h ec l i n i c e x p e r i m e n t sa n da n a l y s i st h en a t u r eh e a r tv a l v ew o r kp r i n c i p l e ( 2 ) f o c u so nt h et r a n s v a l v u l a rp r e s s u r eg r a d i e n tw h i c hp l a y si m p o r t a n tr o l eo nt h e f u n c t i o no fh e a r tv a l v ea n du s i n gt h es o f t w a r ec o s m o s f l o w o r k s 2 0 0 5t o l 四川大学硕 学位论文 d e t e r m i n et h eo p e na n g l eo f b i l e a f l e tm e c h a n i c a lh e a r tv a l v e ( 3 ) e s t a b l i s ht h es i m u l a t i o na n a l y f i sm a t h e m a t i c sm o d e l w h i c he s t i m a t et h e c a p a b i l i t yo fh e a r tv a l v ea n da n a l y z es t e a d yf o r w a r d f l o wt e s t i n ga n ds t e a d y b a c k f l o wl e a k a g et e s t i n gf o rt h et h r e et y p e so fb i l e a f l e tm e c h a n i c a lh e a r tv a l v e u s i n gt h e s o f t w a r ec o s m o s f l o w o r k s 2 0 0 5b a s e do nt h ec a r d i o v a s c u l a r i m p l a n t s c a r d i a cv a l v ep r o s t h e s e si s 0 5 8 4 0 2 0 0 5 ( 4 ) t r a n s m i tt h ep a r a m e t e r sw h i c hc o m ef r o mt h eh e m o d y n a m i c sa n a l y s i st e s t i n go f b i l e a f l e tm e c h a n i c a lh e a r tv a l v eb yu s i n gt h ec o s m o s f l o w o r k s 2 0 0 5s o f t w a r e i n t ot h ec o s m o s w o r k s 2 0 0 5s o f t w a r et od ot h ef i n i t ee l e m e n t a n a l y s i so f b i l e a f l e tm e c h a n i c a lh e a r tv a l v ea n dv a l i d a t et h e f e a s i b i l i t y o fe x t r u s i o n a s s e m b l yf o rt h eb i l e a f l e tm e c h a n i c a lh e a r tv a l v eu s i n gt h en e wf u n c t i o no f n o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so f t h ec o s m o s w o d ( s 2 0 0 5 ( 5 ) m a k et h em a c h i n i n gp r o c e s so ft r i a l m a n u f a c t u r eb i l e a f l e tm e c h a n i c a lh e a r t v a l v ea n dl i s tt h em a c h i n i n gp r o c e s sm e n ub a s e do nt h ea n a l y s i st h ef i g u r a t i o no f i t k e y w o r d s ：m e c h a n i c a lh e a r tv a l v e ，t r a n s v a l v u l a rp r e s s u r eg r a d i e n t ， h e m o d y n a m i c sa n a l y s i s ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 人的生命系统，是由血液循环系统、内分泌系统、呼吸系统、消化吸收系统 和神经系统等组成。其中血液循环为人体组织输送和分配基本物质，排除代谢 产物，保持体内系统平衡，运输体液和调节氧气和养分的供应等。心脏泵血功 能的维持，依靠其正常的生理结构，其中心脏瓣膜起着至关重要的作用。血液 在心脏及全身的血管中按一定的方向，周而复始，循环流动除了心脏收缩产生 的推动力之外，与心脏瓣膜的“单向开放”特性有着很大的关系【”。 心脏瓣膜及与其相连的腱索、乳头肌等瓣膜周围组织的结构正常，对维持 瓣膜的正常功能相当重要。一旦这些瓣膜及其相关结构因各种原因受到损坏， 就会影响到瓣膜的启闭功能，导致瓣膜狭窄和( 或) 瓣膜关闭不全。前者指瓣 叶交界处互相粘连，导致瓣口面积减小，引起血流通过不畅；后者是指瓣叶增 厚、变形，关闭时留有空隙，导致血液反流。瓣膜的异常会引起心脏结构和功 能的改变，严重时将直接威胁人的生命。因而对心脏瓣膜的研究，成为心血管 研究的一个重要的方向。 人工心脏瓣膜是指用机械或者生物组织材料加工而成的，可以用来代替病损 心脏瓣膜功能的人工器件，从而恢复其生理功能，提高患者的生存质量。其基 本组成包括三部分：瓣膜支架，用以支撑、定位膜阀；瓣膜阀体，其外形有球 状、碟状和叶状，用来控制血流方向；瓣膜缝环，用来连接和固定膜架与人体 组织的确定位置关系。其中支架和阀体是人工心脏瓣膜相对较为关键的部件。 随着科技的进步，各种模拟、试验、测量手段的提高，人们对心脏瓣膜认识 的加深以及材料学等相关学科的技术水平的发展与应用，使人工心脏瓣膜的研 制得以迅速的发展，并日趋成熟。 1 2 人工心脏瓣膜的分类 人i 心脏瓣膜根据所用材料的不同分为两大类：人工机械瓣膜和人工生物 l 四川丸学硕十学位论艾 瓣膜。 人工机械瓣膜由合成材料和( 或) 金属材料制成，包括涤纶( d a c r o n ) 、聚四氟 乙烯( t e f l o n ) 、热解碳( p y r o l y t i cc a r b o n ) 、硅胶( s i l i c o n er u b b e r ) 、石墨( g r a p h i t e ) 、 钴化铬( c h r o m i u mc o b a l t ) 、镊( n i c k e l ) 、不锈钢( s t a i n l e s ss t e e l ) 及钛合金等。 人工生物瓣膜足采用生物组织依照人体自然瓣膜的结构制成。所采用的生 物组织有同种主动脉瓣，同种阔筋膜、硬脑膜，异种主动脉瓣，异种心包等。 1 3 人工机械心脏瓣膜的发展 自h a r k e n 于1 9 6 0 年首次用人工笼球式机械瓣替换主动脉瓣成功以来，各种 各样的人工机械心脏瓣膜共有1 0 0 余种面世，但经临床的实验检验及筛选，目前 真正在临床上应用较广的仅有1 0 余种。1 。 1 3 1 国外人工机械心脏瓣膜的发展概况 一、球笼式机械瓣 1 s t a r t - - e d w a r d s 球笼式机械瓣开始应用于1 9 6 0 年1 3 羽，这是临床应用最 早的人工机械瓣，而且早期在世界范围内应用最多，观察时间最长。它的组成 是由四根不锈钢支柱固定在不锈钢瓣环上，构成封闭式球笼，球笼内有一个圆 形硅胶球，球体直径略大于瓣环直径。在心动周期中，当瓣口开放时，笼内圆 球离开瓣口，血流绕过球体四周向前流动；当瓣口关闭时。球体作为一个活塞 完全堵住瓣口。此型瓣膜由于有阻力大等缺点，现已基本被淘汰。 2 s i m e l o f - 一c u t l e r 球笼式机械瓣开始应用于1 9 6 4 年，为一种大口径双笼 瓣，笼架为两个矮架，分别位于瓣环的入口侧和出口侧，以减少瓣架所占空间， 从而减少对心室的刺激，同时支架为开放式以减少支柱在血内的裸露部分，而 且球体略小于瓣环外径，以增加瓣口面积，临床效果较好。 3 d e b a k e y s u r g i t o o l 球笼式机械瓣开始应用于1 9 7 6 年，此瓣系在 s t a r r - - e d w a r d s 球笼瓣的球体和支架表面加镀一层同性碳( p y r o l y t e ) 也称热解 碳，此材料硬度高、无渗透性、不吸水、不变形、化学性能稳定，不破坏血液 成分，致血栓作用小，因此可使瓣膜更加牢固耐磨，而且血栓率减少。 二、碟笼式机械瓣 2 第一章绪论 1 k a y - - s h i l e y 碟笼式机械瓣开始应用于1 9 6 6 年，它是由不锈钢制成的 较矮的笼架内，有一片由硅胶或其他材料制成的中心略厚的晶体样圆片作为瓣 叶启闭瓣口，这样缩小了瓣膜的整体体积。与此瓣膜设计相似的还有 c r o s 卜j o n e s 碟笼瓣等。 2 b e a l l - - s u r g i t o o l 同性碳碟笼式机械瓣开始应用于1 9 6 6 年，其结构设计 与 汹r - 一s h i l e y 瓣相似，但支架金属裸露部分均用同性碳( p y r o l y t e ) 镀层，以增 加其强度和减少血栓率。与此瓣相仿的还有s t a r t - - e d w a r d s 碟笼瓣。 3 c o o l e y o u t t e r 双笼式碟笼机械瓣开始应用于1 9 7 3 年，此瓣吸取碟笼 瓣体积小的优点和s m e l 胡f - c u t t e r 双笼瓣有较大口径的原理制成，碟片略小于 瓣口，瓣环入口和出口侧均有支柱，以防碟片脱出。此瓣的缺点是碟片关闭时， 碟片四周有回流。 三、斜碟式机械瓣 1 b j o r ks h i l e y 斜碟式机械瓣开始应用于1 9 6 9 年，此瓣取消了笼架，在 瓣环上设有一个突出的曲轴，作为活门的圆形碟片悬挂在曲轴上而不与瓣环相 连，瓣口开放时碟片开放6 0 。此瓣体积小，瓣口阻力较小，有效面积较大。金 属环座为薄壁结构，内外径比值较大，因而适用于瓣环小的主动脉瓣移植术。 1 9 7 1 年以后，此瓣曾有多次改良，如用同性碳材料、碟片中加入不透x 射 线的成分，以便术后观察碟片活动情况。此外，还将碟片改成一侧凹、一侧凸 的形状，使血流更接近生理状态。至8 0 年代，此瓣将双支杆改为单柱式，使其 更加牢固。 此瓣的缺点是瓣口关闭时碟片四周有回流，瓣口被碟片分为大小两部分， 小的部分容易发生血栓。此瓣也有支架不牢固折断的报告。 2 l i l l e h e j k a s t c r 斜碟式机械瓣开始应用于1 9 7 0 年，碟片为圆形平板， 卡在金属环座突起的支柱上，碟片开放角度为8 0 0 ，其金属支架和碟片上均镀有 同性碳，瓣环壁薄，具有较大的内外径比值，也适于瓣环小的主动脉瓣替换术。 该瓣的缺点足瓣架的金属突起较长，有时会影响手术操作。 3 h a l l - - k a s t e r 斜碟式机械瓣开始应用于1 9 7 2 年，该瓣的瓣环上没有固 定碟片的曲轴，而是碟片中央有一小孔，通过此孔将碟片钩在瓣环支柱上，碟 片开放角度大，可达8 0 。，几乎属于中心式血流，阻力较小，其流体力学性能和 临床效果均较满意，目前l 临床上使用较多。 四川大学颀 学位论文 四、双叶式机械瓣 1 s t j u d e 双叶式机械瓣开始应用于1 9 7 7 年，该瓣瓣环中间足由同性碳制 成的两个薄的叶片，瓣口开放时两个瓣叶完全张开，叶片与血流平行几乎没有 阻力，属于中心血流式，更接近生理状态，有效瓣口面积更大，血栓率比较低， 而且其瓣环内、外径比值较大，适于瓣环小的主动脉瓣替换术。 2 d u r o m e d i c 双叶式机械瓣开始应用于1 9 8 3 年，该瓣在s t j u d e 双叶瓣的 基础上，将原来平直的两个瓣叶改为弧形瓣叶，同时将全部与血液接触的部分 涂上一层同性碳，使之更坚硬且血栓率更低，两个瓣叶开放角度在二尖瓣为7 1 ， 在主动脉为7 6 。 3 j y r o s 双叶式机械瓣开始应用于1 9 9 1 年，该瓣结构的主要特点为：瓣 环为1 0 0 热解碳制成，其外呈帽状，流入口缘有一袖状结构，瓣环外有一钛合 金制成的保护环加固，以便x 射线显示清楚。瓣叶为全碳结构，呈翼片状，二 瓣的轴突嵌入瓣环内凹槽中，可缓慢的在瓣环内旋转，这是该环的设计特点。 1 3 2 国内人工机械心脏瓣膜的发展概况 我国人工心脏瓣膜的研究从1 9 6 3 年开始。1 9 6 5 年蔡用之等将国产球型人工 心脏瓣膜应用于二尖瓣置换成功，标志着我国研制的人工心脏瓣膜瓣外科器官 达到国际先进水平，进入实用阶段。自此，上海、兰州、北京、广州、四川相 继研制出多种类型的人工机械心脏瓣膜，并应用于临床。 一、上海球瓣 这是我国最早研制生产的人工心脏瓣膜。瓣膜架材料用不锈钢0 c r l 8 n i 9 t i 或0 0 c r l t n i l 4 m 0 2 整体加工而成，无焊接。四根支脚等分于瓣环上，顶端里弧 形汇为一体。瓣环内口为半圆形，使瓣口与瓣球的圆弧形外切呈一圈线接触， 这种设计，一方面呈流线形态，血液破坏少，另外瓣球形状与尺寸稍有误差， 不致引起卡球，可以保证正常启闭活动。该瓣仅在研究单位使用，先后进行置 换手术1 4 例，其中6 例随访1 8 年以上，心功能恢复良好。 二、上海侧倾碟瓣 由上海医疗器械研究所、上海长海医院、兰州碳素厂共同研制，上海医疗 器械研究所生产，于1 9 7 9 年应用于临床。该瓣基本结构类似于b i o r k - - s h i l e y 标准瓣。瓣架早期由不锈钢整体加工制成，后期改为钛合金，无焊接。瓣片为 4 第一章绪论 石墨基体热解碳涂层，略呈半球面，瓣片开放角6 0 0 ，关闭角6 0 。瓣膜分主动 脉瓣和二尖瓣两种。该瓣在国内的使用已经超过1 万例，其早期死亡率为6 6 ， 晚期死亡率为1 7 。 三、c l 侧倾标准碟瓣 由兰州碳素厂，上海长海医院及新兰飞控仪器厂共同研制，新兰飞控仪器 厂生产，1 9 8 6 年临床应用。无论是b j o r k - - s h i l e y 标准瓣，还是上海碟瓣，早期 均有瓣膜结构衰坏现象，主要发生在小支架上。c l 侧倾标准瓣类似于上海瓣， 改进的重点是避免结构衰坏。为减少应力过于集中，增加瓣柱的强度，将瓣柱 根部加粗，并将瓣柱和瓣环直角连接改为圆弧形连接，避免根部断裂；为保证 瓣叶启闭功能的稳定，将瓣叶与瓣架结合面由原来的5 0 增加到9 0 ，使碟片 启闭稳定，回流百分比重复性好。支架改用钛合金，瓣叶石墨基体改用美国 p o c o 公司生产的人工瓣膜专用石墨基体，涂层改用稳态沉积技术。该瓣开放 角度为6 0 。，关闭角度为2 。，临床应用8 0 0 0 余例，尚未见瓣膜结构衰坏的报告。 四、c - l 侧倾短柱碟瓣 由新兰飞控仪器厂，上海长海医院及兰州碳素厂共同研制，由新兰飞控仪器 厂生产，1 9 9 1 年开始临床应用。该瓣膜由c l 侧倾标准碟瓣改进而来。其主要 改进为：将标准瓣的小支架改为单支架，其横切面积增大2 5 倍，由原来的圆柱 形改为三角流线形，其支架在瓣环结合点强度增加3 7 倍；将原来兀形大支架改 为两个短支柱，呈蟹钳状流线形，与瓣叶接触呈线状，与瓣环结合部面积为原 来的4 倍，其强度明显增强，消除了支架断裂的可能性。因此，该瓣的支架由 原来的封闭式改为开放式，末端呈游离状态，有利于血流冲刷，减少血栓形成； 瓣叶的着力点，由原来的中心移至周边，因此瓣叶设计为凹凸片，并在易损部 位凹弧面设计出一个2 m m 的环形台阶，增加热解碳涂层的厚度；瓣叶的流出面 有一凹槽，小支架弓形支撑与两个短柱支撑构成垂直三角形控制瓣叶的活动。 支架由铬镍合金整体加工而成，瓣叶为热解碳涂层，开放角7 0 0 ，关闭角2 0 。 c l 侧倾标准碟瓣将血流分成5 个大小不等的流道，而c l 侧倾短柱磲瓣仅把 血流分成3 个流道，明显减少过瓣血流的涡流面积，改善了开口血流的流场， 降低了跨瓣压差。 五、g k - 2 瓣 由航空航天部北京材料工艺研究所，北京阜外医院研制及生产，1 9 8 5 年应 5 四川大学硕士学位论史 用于l 临床。该人工瓣膜是一种侧倾型钩孔瓣，位于流入面的导钩，穿过带孔的 瓣叶，连同两个短小支架，以控制瓣叶活动，由于三个支架的根部均位于流入 面，因此突破了侧倾碟瓣均为双面支架嵌卡瓣叶的设计。该人工瓣膜的膜架用 钴镍合金整体加工而成瓣叶为热解碳涂层，呈扁平形，无盲区，结构简单便 于加工。该瓣临床使用近万例，无结构衰坏的报到。 六、广东s t v i n c e n t s 瓣 由广东省心血管研究所生产，1 9 8 8 年应用于临床。瓣架由纯钛合金整体加 工而成，瓣叶材料为聚甲醛树酯( d e l r i n ) 。瓣膜的基本结构与国外生产的 s t v i n c e n t s 瓣相同。开口面积大，跨瓣压差较小。 七、成都双叶瓣 由原成都科技大学与华西医科大学联合研制生产，于1 9 9 0 年开始临床应用。 瓣环由铬镍合金制成，其表面沉积一层类金刚石晶态碳膜，以提高其血液相容 性，其瓣叶与瓣环活动枢轴为8 字形和截球形两种，瓣叶为翼形，采用热解碳 涂层材料，开放角为8 5 0 。 八、久灵全熟解碳双叶瓣 由浙江大学医学院附属第二人医院与上海9 0 1 研究所，于1 9 9 5 年开始共同 研制的国产无基体的全热解碳材料的双叶型人工瓣膜l 胡。经材料的研制和检测、 瓣膜设计、流体动力学测试、动物植入实验及i 临床验证，现已取得国家专利， 并获准试生产。 1 4 课题的背景、研究意义及主要研究工作 1 4 1 课题的背景、研究意义 “迄今为止尚未有理想的人工心脏瓣膜”人工心脏瓣膜国际标准 i s 0 5 8 4 0 - 2 0 0 5 版首语。 人- r 心瓣从1 9 6 0 年开始机械心瓣首次应用，1 9 6 5 年产生生物心瓣，经过几 代的发展和临床验证，取得了很好的效果。自进入本世纪后，人工心瓣的研发 又有新的进展。首先是组织工程的兴起，自体生物心瓣的研制，其次是高分子 复合材料引入人工心脏瓣膜领域等。但不论是组织工程还是高分子复合材料的 应用都还处在起步阶段，若要大规模的应用，还需长期的临床验证。 6 第一章绪论 当前应用广泛的机械瓣膜和生物瓣膜中1 7 1 ，机械瓣膜占全世界整个市场的 7 0 左右，而在发展中国家几乎是1 0 0 ，在我国人工机械心瓣也是占9 0 以 上1 3 】。主要原因是生物瓣易钙化和破损，因而使用寿命短，受用的年龄段窄； 而机械瓣的一大特点就是使用寿命长，应用范围广。 我国每年约有心瓣病患者2 5 0 万例1 9 1 ，而需换瓣数约2 5 万例，现在实用量 约为1 5 万枚。其中国产率不到2 0 ，而8 0 以上需要进口。进口心瓣的价格 约1 5 2 万元枚。显而易见为了保证国内市场需求，我国需使用大量外汇进口 人工心瓣。 人工一t 5 瓣国产化，不但可以解决国内对人工心瓣的供需矛盾，具有平抑人工 心瓣的物价，减轻病患者的医疗经济负担的现实意义。同时生产机械瓣膜的商 业利润是十分丰厚的1 7 1 ，生产成本在美国大约2 0 0 美元以下，在中国大约5 0 美 元左右，机械心瓣的生产主要是需要大量人工进行手工操作，而售价是成本的 许多倍。另外生产所需投资较少，是劳动密集型产业，适合中国的具体情况。 再有，瓣膜的市场寿命长，无不断更新压力。因而还具有提高社会就业率，并 在扩大生产规模的情况下，出口创汇的意义。 为改变我国人工心脏瓣膜依赖进口的状况，我国把人工心脏瓣膜作为高科技 产业，2 0 0 3 年国家科技部和商务部联合发布的鼓励外商投资高新技术产品目 录，将人工心瓣及体外性能测试装置收录在其中。2 0 0 4 年科技部科技中小型 基金，重点支持人工心脏瓣膜和瓣膜成形环，并强调不支持一般的单叶，双叶 金属人工心脏瓣膜及传统生物改性技术处理的生物瓣膜。将人工机械心脏瓣膜 定位至第四代，即双叶全碳人工心脏瓣膜。 在人工心瓣领域，国外较国内处于领先地位。这主要是一方面新材料的不断 的创新和应用在人工心脏瓣膜领域，从不锈钢心瓣开始，经过合金钢、碳素、 异体生物、自体生物直至高分子复合材料；另一方面国外对人工心瓣科技政策 的倾斜和资金的投入。有资料表明【1 0 1 ，美国硅谷创业公司s a d r a 医学公司，2 0 0 4 年首轮融资即达9 0 0 万荚元。 从我国人工心瓣的研发来看，我国主要开发机械心脏瓣膜，异体生物心瓣 的开发尚处在萌芽状态，组织工程和高分子心瓣工作尚未展开。虽然我国人工 心瓣大规模研制起始于上世纪六十年代末期，但经过近四十年后，进展不大， 至今尚未实现大规模产业化。机械心瓣既有第三代产品，也有第四代产品。主 7 四。f f 人学硕p 学位论文 要反映在碟型落后，国内生产还停留在侧倾碟型瓣；材料落后，虽然瓣叶采用 热解碳材料，但环架还是延用合金钢材料；产量低，不能形成规模化生产。 根据国际上的发展趋势l l “，九十年代以来，国内有五、六家瓣膜生产、研 制单位开展了热解碳双叶瓣膜的研制，但至今除上海久灵医疗器械有限公司外 尚无别家有所突破，该公司目前具备的年产能力仅为2 0 0 0 只。因此就我国目前 人工机械心脏瓣膜发展现状来看，对人工机械心脏瓣膜的研制及其产业化的开 发还是当务之急。 1 4 2 本课题的主要研究工作 随着人工机械心脏瓣膜结构的日益优化及材料学等相关学科先进技术的应 用，人工机械瓣膜的性能得以很大的提高，致栓率大为下降，临床上已经取得 了很好的效果。但现今绝大多数的研究都是通过试验测量，并通过统计学得到， 或多或少的会因各种原因存在一定的误差，有些特殊部位的数据更是难以准确 测量。 随着计算机硬件性能的不断提高，大型优秀软件的相继开发和完善，使得 以前难以定性、定量的难题，如今可以通过建立正确合理的解题模型，通过计 算机仿真迎刃而解。 本课题的主要研究内容，即为通过调研国际最新的人体植入材料学技术， 对人工机械心脏瓣膜进行设计选材，并借鉴当今临床随访血流动力学效果最好 的双叶型人工机械心瓣进行结构的设计【1 2 】1 1 3 l ，同时应用功能强大的s o l i d w o r k s 2 0 0 5 软件进行模型结构造型、装配，应用c o s m o s f l o w o r k s 2 0 0 5 软件对瓣膜模 型进行血流动力学模拟分析，应用c o s m o s w o r k s2 0 0 5 软件对人工机械瓣膜强 度及装配进行有限元分析佼核，并在瓣膜的机械加工工艺中应用了先进的特种 加工制造技术。 1 5 本章小结 本章简要介绍了人工心脏瓣膜，及人工机械心脏瓣膜国内外的发展状况， 同时根据当今世界和国内市场的需求，阐述了我国发展双叶型人工机械心脏瓣 膜的意义。最后介绍了本课题的主要研究内容。 第二章双叶型人丁机械心脏瓣膜的铲制开发 第二章双叶型人工机械心脏瓣膜的研制开发 双叶型人工机械心脏瓣膜将作为体外植入物应用于人体，因而对其不论是 材料还是结构都有较高的要求。 本章主要研究内容为：按照人工机械心脏瓣膜作为体外植入物的性能要求 及人工机械心脏瓣膜一般的开发验证流程，选用了血液相容性和生物相容性都 较为优秀的材料；分析了自然心瓣的工作原理，对双叶型人工机械心脏瓣膜进 行了结构设计。 2 1 人工机械心脏瓣膜的性能要求 2 1 1 良好的机械特性 一、耐久性 人工机械心脏瓣膜的寿命1 3 1 ，取决于人工机械瓣膜选用的材料，结构设计及 制作过程中的质量控制。人工机械瓣膜衰坏可表现为结构衰坏，疲劳磨损等。 如瓣叶涂层龟裂，支架断裂，瓣片飞脱等。早年研究的人工心脏瓣膜植入后， 几乎均发生过早期结构衰坏的报告，往往与制作过程中质量控制有关。进入9 0 年代，人工机械心脏瓣膜的研究已日趋成熟，目前常用的机械瓣膜制作材料， 瓣架由钛钢、钴镍合金或热解碳构成；瓣叶多数选用热解碳涂层片，少数应用 聚甲醛；缝环由聚四氟乙烯( t e f l o n ) 或涤纶织物( d a c r o n ) 编织而成，少数瓣 膜在织物表面部分低温涂碳。一般而言，其机械耐久性可达3 0 1 0 0 年；进行 耐疲劳试验，瓣膜关闭活动可达4 0 亿次，其磨损程度在安全范围，相当于1 4 0 年的寿命。 二、瓣膜声响 人工机械心脏瓣膜植入人体后，在其正常的启闭活动中，会产生一种高于正 常心音的声响，称为人工瓣膜声响，目前常用的机械心瓣，声响轻微。但过响 的声响将会影响病人的生活质量，同样也是衡量机械瓣膜质量的标准之一。 机械瓣膜声响产生原因并不十分清楚。应该说有许多影响因素，其中包括： 9 四大学硕十学位论文 1 选用制作材质有关瓣膜阀体的常用材料为硅胶，聚四氟乙烯这一类人 工瓣膜声响最轻。热解碳涂层杂音较轻，不锈钢阀体则为最响。当然，瓣架的 材料办会影响杂音。 2 启闭角度及瓣叶横跨弧度瓣膜启闭角度越大，杂音应该越响，但主要 的决定因素足瓣叶在开启时的横跨弧度；如双叶瓣设计的共同点是开放角度大， 但横跨弧度小，故双叶瓣杂音普遍较单叶瓣为小。 3 瓣叶关闭速度、比重、瓣叶重量的关系显然瓣膜设计不同，亦可导致 不同的结果。瓣叶的关闭速度越大，比重越大，重量越大产生的动量也就越大， 声响就会越大。 4 心功能、胸廓结构等因素同一种人工心瓣，移植于不同的病人，可以 出现杂音的音量不同。甚至，同一个病人，在术后不同的时间，产生杂音不尽 相同，这考虑到心肌收缩力、心室压力，以及胸廓结构导致的共鸣不一样有关。 人工心瓣产生的杂音，并不意味着瓣膜功能不良，是由种种因素决定的， 但在设计人工心瓣时，必须考虑到这个因素。 三、比重 人体内血液在3 7 c 体温，红细胞比积4 0 , - 5 0 的条件下，其粘稠度大约是 4 c p ，比重为1 0 5 5 9 c m 3 ，植入体内人工心瓣的阀体的比重高低，将影响其 在血液内的机械运动。比血液比重轻者，在阀体活动时易引起浮动；过重者， 活动时将克服其自身的惯性和重力而增加能耗，故选择材料时应注意构成阀体 的比重，应接近血液比重。 四、气穴与腐蚀现象 由于设计的原因，人工机械心脏瓣膜植入体内后，碟片涂层会产生小气泡样 腐蚀现象。自1 9 8 7 年发现气穴与瓣膜衰坏的关系，引起了人们的极大关注，目 前已经将测定人工心脏瓣膜气穴阀值与腐蚀特征作为评估人工心瓣性能又一个 重要的指标。 研究证明，影响气穴最重要的参数是瓣叶在关闭前的速度，尤其是跨瓣弧度 越大，关闭时间越长，其气穴阀值越低。而其他的因素包括瓣叶的外形，瓣叶 周围的静态泄漏，瓣叶关闭时间的长短等因素。 气穴腐蚀的特点是一个重要的观察点，经试验和测试，气穴现象和涂层技 术关系不是太大，而与瓣膜结构设计有明显关系。气穴现象是一种弊病，因此， 1 0 第二章双叶犁人工机械心畦瓣膜的铲制开发 瓣膜没计时必须考虑到其抗气穴的性能，即将瓣膜的气穴阀值提高，而且要搞 清楚其易发生的部位，即查明其腐蚀特征，才能避免发生严重的故障。 2 1 2 血流动力学特性 一、有效瓣口面积 正常瓣膜，瓣叶开启口径与瓣环构成的口径并不一致，如二尖瓣开启口径较 二尖瓣环构成的口径为小，其一般为l ：1 5 2 2 ，前者称为有效瓣口，后者称 为潜在瓣口。对人工心脏瓣膜而言，也存在这个问题，人工心瓣在体内瓣叶开 启的口径面积与瓣环设计面积并非一致，前者称为有效瓣口面积，后者称为设 计瓣口面积，二者之比，称人工瓣膜功能指数，有效开口面积决定于人工瓣口 开启口径、压力差及心搏功能。由于各种人工心瓣的设计不同，开启角度也不 同，血液通过瓣口的阻力也不同，因此，即使同一型号的各种人工心瓣，其有 效瓣口面积也不相同，这是衡量人造心瓣性能的重要指标之一。人工心瓣有效 开口面积除瓣膜本身因素之外，病人的心功能、心率，也是重要因素。 二、跨瓣压差 过瓣血流通过开启的人工瓣膜的瓣口时，因某些原因引起而出现的阻力，使 人工心脏瓣膜的流入面与流出面的心腔压力不同，称之为跨瓣压差。其值的大 小，将显示过瓣血流所受阻力的大小，直接影响单位时间的过瓣血流量，这是 判定人工心瓣性能的重要临床指标。影响因素，除人工心瓣的瓣叶开放角度、 流场及选择型号大小以外，病人的心排量、心率及心功能的状态亦有影响。 三、反流量 人工心脏瓣膜在体内关闭时引起血液反流，其中包括两个时相产生的反流 量，如图2 1 所示。在人工心瓣关闭过程中产生的反流量，称关闭反流量。这与 人工心瓣的开启角度有关，如果开放角度大，会延长关闭时间，反流量增加。 其它影响因素包括人工心瓣的几何外形，瓣膜阀体的运动惯性，以及支撑阀体 的偏心度及产生的摩擦，阀体材质的比重等均有关系。第二个产生反流的时相， 发生在瓣膜关闭状态的泄漏，这是瓣叶与瓣架之间存在的潜在性缝隙所致，称 之为静态泄漏量。这种缝隙的存在，一方面便于自身血液冲洗，以减少血栓形 成的危险，但另一方面由于缝隙的存在，通过缝隙产生很高的剪切应力和导致 呈喷射状的混合层血流，不仅可以引起血细胞的破坏，同时也是血栓形成的原 l l 网川大学硕 学位论文 因之一。在人t 心脏瓣膜制作过程中，每种瓣膜的泄漏间隙是各种各样的，同 时，也可作为该种瓣膜类型特征。 一只人工心瓣的关闭反流量与泄流量之和，称为该瓣的反流量，以每搏m l 计；占有心排量的百分数，则称反流百分率。一般侧倾单叶碟瓣为3 5 5 9 左右，双叶瓣为2 8 4 8 左右。一般而占，l o 以内，为可接受的反 流百分比。 反流量过高，将影响心脏作功，尤其在术后早期，将影响心功能的恢复；人 工心瓣植入后的反流量，不仅受到人工心瓣结构的影响，同样受到心肌收缩力， 心率及心律的影响，缓慢心率及房颤病人反流量可以增高。 y j 流 八门一 量 0 r 。一 卜关闭反流2 _ 静态泄漏 图2 1 人工心脏瓣膜反流示图 四、能量耗损 植入的人工心瓣存在着血流跨瓣阻力、瓣叶关闭时的反流、常态泄漏等问题。 为保持正常的心排量，必须克服这部分增加的心脏作功负荷，这部分的能量耗 损与正常心排量有效耗能相比，所占的百分比称该瓣的能耗百分比。因此，人 工心脏瓣膜的能耗大小，与人工心瓣植入后的跨瓣压差、反流量、常态泄漏量 以及心排量有关。能耗的大小，同样是衡量人工心瓣性能的重要指标。 人工心瓣的能耗是由三个时相所发生的能耗组成： 第二莒双叶型人工机蛾心畦辩膜的铲制开发 1 收缩期能耗血流通过人工瓣口，心脏为克服阻力产生的作功能耗，这 与人工心瓣的跨瓣压差有直接关系。 2 关闭期能耗由于瓣叶在关闭过程中，因关闭时速率，开放的角度，瓣 叶材质，比重，支撑点偏心度等不同，产生不同的反流量，心脏为克服这部分 负数血流量所增加的负荷作功，产生关闭时能耗，因此其大小与人工心瓣的关 闭反流量有直接关系。 3 常态期能耗人工心瓣处于关闭状态的静止期，由于瓣叶与瓣架间存在 潜在性间隙，引起血流逆向泄流，该期的能耗大小，与静态泄漏量有关。 上述三期能耗的总和，为该瓣的总能耗。由于各种人工心瓣的结构不同， 各个时相所占能耗的比重也不一致。 人工心瓣的能耗大小，不仅反映了附加于心脏作功负荷的大小，同时对了 解人工心瓣潜在性负相反应有很大意义。以收缩期能耗为主的人工心瓣，提示 跨瓣压差大，这一类人工心瓣的过瓣血流形成异常涡流，术后血栓率高；以关 闭期能耗为主的人工心瓣，提示关闭反流量大，这一类人工心瓣可以看作为存 在关闭不全而引起强收缩耗能，然而对血细胞损伤影响较小；以常态期能耗为 主，提示泄漏量大，这必须看作为细胞损伤和血栓产生的一个重要原因。由于 流经瓣叶与瓣架间缝隙的血流有很高剪切引力，喷射反流的血流形成混合湍流， 由于喷射的血流速度是收缩期峰速的3 5 倍，这样，血流中产生相应的湍流剪 切应力，导致血细胞破坏及易产生血栓。 五、心内占有率 人工心脏瓣膜植入体内后，瓣叶开放状态，自瓣环起在心室内的瓣叶或支架 的高度，称为心室内占有数。与心室腔径相比，称心室内占有率。由于心室内 腔径每个病人各不同，一般以人工心瓣的瓣叶在开放时的高度来表示，高度越 高，其占有率应越高；但在小的左心室时，即使所用人工心瓣的高度并不太商， 但其心室占有率仍较高。因此，尤其是二尖瓣置换左室的病人，瓣膜选择尤应 注意。目前市面销售人工心瓣中，一般而言，球瓣为最高，其次为单叶碟型瓣， 最低为双叶瓣。室内占有率高的人工心瓣，如球型瓣的笼架进入左室内，如左 心室，可以引起流出道梗阻，支架对室壁的触碰，可诱发术后室性早博。近年 来，广泛使用的单叶或双叶碟瓣，其心室占有率均较低，己不成问题。 的合并 免的均 心脏瓣 其中包 率高达 有低温 流的人 笼碟瓣 人工心 瓣，反流血流形成湍流，一般栓塞率为商。 3 自我冲刷瓣叶与瓣架之间连接的绞链支点结构，有可能形成血流的滞 留区，而易形成血栓，尤其是双叶瓣，成为几代双叶瓣不断改进的重点结构之 一，其改进目的在于不仅依靠瓣叶的枢轴滑动，也便于过瓣血流的冲刷、消除 或减少血流滞留。 4 其他因素所有的机械心瓣，必须终生抗凝治疗，这对降低栓塞率起着 重要作用。病人的因素也十分重要，如巨大左房、房颤、心功能、栓塞史、年 龄、饮食习惯等对血栓形成均是重要因素。 二、溶血 人工心脏瓣膜植入后，早期产品有报告引起溶血，目前市售人工心瓣不论是 机械心瓣还是生物心瓣，已不存在这个问题。人工心瓣产生溶血的原因，一为 材质的表面不光滑，相溶性差，造成血细胞破坏；另外，人工心瓣植入后引起 过瓣血流障碍，如瓣叶与瓣架间潜在间隙，常态下反流血流呈喷射湍流，造成 血细胞破坏。但产生的后果均在允许范围，一般不会引起溶血性贫血。其他原 因，人工心瓣植入置放位置不良，瓣叶关闭缓慢，亦易引起溶血。人工心瓣植 入后瓣膜周漏也是引起溶血的主要原因。 1 4 第二誊双叶型人工机碱心脏瓣骥的研制开发 2 2 人工机械心脏瓣膜的研制开发流程 一种人工心脏瓣膜，从研制开发到试验分折需要经过多次测试和修改，并 需若干年的f 临床试用才能正式应用于临床。如图2 2 所示。 第 体 第 动 第 人 图2 2 人m , b 脏瓣膜的研制开发流程 2 3 人工机械心脏瓣膜材料的选用 人工机械心脏瓣膜的选材必须满足医用植入物材料特性的要求。医用植入 物材料所必须的特性包括生物化学相容性与生物力学相容性。前者主要是指这 种材料必须没有细胞毒性、组织刺激性、免疫反应、