征稿：北航重点实验室成果！陈增胜团队开展氧合器血流动力学数值模拟研究

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导读：体外膜氧合(ECMO)是一种应用广泛的体外生命支持技术。ECMO系统由几个基本部件组成，包括血泵、插管和氧合器。作为“人工肺”，氧合器取代了自然肺的功能，促进了氧气和二氧化碳在血液和通风气体之间的交换。现代氧合器利用中空纤维膜(HFM )束来完成这一气体交换过程。氧合器的衡量标准是氧气输送能力。氧气转运效率的下降将危及患者的氧合，并威胁他们的生命。尽管氧合器为患者提供持续的呼吸支持，但与氧合器相关的临床并发症仍然不可避免。血栓形成是最常见的并发症之一，它会阻碍血流，损害气体交换效率，并严重危及患者安全。

为了减轻氧合器内的血栓形成，已经采取了几种抗凝策略。全身应用抗凝剂，用抗血栓涂层对HFMS进行表面改性被广泛应用于抑制血栓形成。在临床支持的早期阶段，这些抗凝策略可以有效地减少凝血。然而，随着支持时间的延长，血栓形成的风险仍然增加。此外，由于凝血和出血之间的内在对立，使用抗凝剂或抗血栓涂层仍然容易在血液重新注入系统循环时引起出血并发症。与ECMO中的非脉动血流相比，脉动血流被认为更有潜力传递血流动力学能量，增强患者的微循环灌注量。北航生物力学与机械生物学教育部重点实验室的陈增胜等人在不同血流模式对氧合器血流动力学环境、血栓形成风险和氧输送影响的数值模拟研究，研究结果可用于指导临床ECMO支架的搏动状态设计和氧合器的优化设计，以改善其血流动力学环境，降低血栓形成风险，增强氧输送。

01
研究亮点与方法

1、数值模拟：用CFD模拟QUADROX-I型成人氧合器在不同血流模式下的血流动力学环境，

2、对照实验：1种非搏动状态和9种不同频率和幅度的脉动状态。

3、评估标准：采用血栓形成指数(ART)和高凝状态指数(C[FXIa])评价血栓形成的危险性，并分析氧转运(PO2)。

4、计算结果：计算动态血容量(DBV)以反映氧合器内的有效血容量。

图1。(A)Quadrox-I型成人氧合器及其简化模型和网格；(B)在Q模型中选择用于分析的6个特征平面；(C)在平面1到6中选择用于分析的9个特征点。

结果表明，在不同的网格密度下，各平面间的平均压差相差不到5%。基于这些结果，选择了5.5×106个单元的网格进行最终模拟，如图1(A)所示。为了随后的分析，选择了沿血流方向的六个正方形平面，并指定为平面1至6。它们沿血流方向的相对位置如图1(B)所示。平面1到6可以反映从进水口到出水口的整个流动过程。此外，在每个平面上定义了9个特征点用于定量参数提取，称为点1到9。它们的分布如图1(C)所示。

02
研究结果

图2.P60-2A条件下的流线分布：(A)0.2t(高流量)；(B)0.8t(低流量)。

流线的分布如图2所示。它显示了通过氧合器的血液流动路径。当通过入口进入氧合器时，血液优先沿着低阻力路径向上移动以填充入口侧过渡区。然后，层流血液流经气体交换区，气体交换区的流动方向与入口轴平行。最后，当层流血液到达出口过渡区域时，它向下流动，聚集在出口，然后离开设备。

图3.P60-2A条件下平面1至6的速度分布：(A)0.2T(高流量)；(B)0.8T(低流量)。

平面1至6的速度分布如图3所示，并计算了各平面上的方差，以定量评估流动的统一性。通过分析速度的分布和变化，可以发现平面1~6左右两侧的速度分布是对称的。

图4.P60-2A条件下不同时间点的速度分布：(A)平面1；(B)平面6。

此外，不同时刻的速度分布如图4所示。速度大小随流动时间而变化，但基本分布特征保持不变。变化的规律是，当流量变大时，方差也增加，表明流量更不均匀，反之亦然。

图5.在P60-2A条件下，平面1至6的分布：(A1)NDART，0.2T(高流量)；(A2)NDART，0.8T(低流量)；(B1)ND_C[FXIa]，0.2T(高流量)；(B2)NdC[FXIa]，0.8T(低流量)。

在空间维度上，选择相同的脉动状态和时间点(P60-2A、0.2T和0.8T)，NDART和NDC[FXIa]在平面1~6的欧拉分布及其变化如图5所示。

图6.P60-2A状态下不同时间点的分布：(A1)NDART，平面1；(A2)NDART，平面6；(B1)NDC[Fxia]，平面1；(B2)NDC[Fxia]，平面6。

图6显示了NDART和NDC[FXIa]在不同时间点在平面1和6上的分布。可以看到，NDART和NDC[FXIa]在不同时间点的分布趋势相似，最高值始终出现在北角区域。

图7.特征点的艺术(A)P60-A、P60-2A和P60-3A条件；(B)P120-A、P120-2A和P120-3A条件；(C)P240-A、P240-2A和P2403A条件。

图8特征点的C[FXIa](A)P60-A、P60-2A和P60-3A条件；(B)P120-A、P120-2A和P120-3A条件；(C)P240-A、P240-2A和P2403A条件。

在图7和图8中总结并绘制了不同脉动条件下特征点的周期平均ART和C[Fxia]。可以发现，从平面1到6，周期平均ART和C[Fxia]都变得更高，表明它们具有随时间增长的特征。在平面1-5中，周期平均ART和C[Fxia]的总体变化趋势是从北角区向底部进气区逐渐减小，但在平面6中它们的分布趋于均匀。

图9皮尔逊相关系数的绝对值(A)周期平均ART和频率/幅度及其分布范围；(B)周期平均C[Fxia]和频率/幅度及其分布范围。

为了量化周期平均参数(ART和C[FXIa])与脉动参数(频率和幅度)之间的相关性，计算了所有54个监测点的皮尔逊相关系数的绝对值，其分布如图9所示。

图10。(A)P60-A、P60-2A和P60-3A状态下的DBV体积比；(B)P120-A、P120-2A和P120-3A状态下的体积比；(C)P240-A、P240-2A和P2403A状态下的体积比。

根据所提出的定义，计算了不同脉动条件下的DBV(停滞)，其随流动时间的变化曲线如图10所示。

图11.P60-2A状态下不同时间点的无效体积(停滞)。

根据定义，代表血栓风险升高区域的无效体积对应于氧合器的总体积与DBV(停滞)之间的差值。其在P60-2A状态下的空间分布如图11所示。该图显示远离入口和出口的下游北角区域和过渡区域的角落区域在一段时间内具有最高的血栓形成风险。

图12.P60-2A状态下不同时间点的氧分压。

P60-2A条件下的PO2分布如图12所示。PO2在每个平面上几乎相同，这受速度分布的影响。流量越大，PO2越低，反之亦然。

图13：(A)P60-A、P60-2A和P60-3A条件下的特征点的PO2；(B)P120-A、P120-2A和P120-3A条件下的特征点的PO2；(C)P240-A、P240-2A和P240-3A条件下的特征点的PO2。

图14周期平均的PO2和频率/幅度的皮尔逊相关系数的绝对值及其分布范围。

得到了无脉动和脉动状态下所有54个特征点的PO2值，并绘制在图13中。PO2与脉动参数(频率和幅度)之间的皮尔逊相关系数的绝对值如图14所示为小提琴曲线图。每个平面(平面2至5)的PO2几乎相同。与非脉动流相比，脉动流增强了氧气的传输，且脉动流的幅值对其影响很大。幅值越大，特征点的PO2越大，反之亦然。相反，频率对氧的传输几乎没有影响。

图15(A)P60-A、P60-2A和P60-3A状态下的DBV体积比；(B)P120-A、P120-2A和P120-3A状态下的体积比；(C)P240-A、P2402A和P240-3A状态下的体积比。

图16.P60-2A状态下不同时间点的无效容量(氧合过量)。

根据DBV(过氧)的定义，相应的结果如图15、图16所示。由此可见，增加流速可以改善DBV(超过氧合)，反之亦然。随着振幅的增加，dBV(过氧合)减小(|r|=0.996)。频率与DBV(氧合过度)相关性不大(|r|=2.9×10−2)。

血流动力学特征分析包括流线形态和速度分布。比较了非脉动和脉动两种情况下的计算结果。结果发现，在所有条件下，在特定条件下的所有时间点，流线型和速度分布呈现相同的趋势，主要变化在幅度上。

不同脉动条件下的DBV(停滞)，在一个周期内，DBV(停滞)随着流量的增加而增加，反之亦然。此外，较高的脉动幅度会导致周期平均dBV(停滞)减小，而频率变化的影响很小。皮尔逊相关系数定量支持了这些相关性。随着流量的变化，无效体积(停滞)的变化规律与DBV(停滞)相反。

通过模拟可以发现，在所有条件下，PO2在各平面上几乎均匀分布，并从2面到5面(气体交换区)均匀增加，这可能与气体交换区的速度值差异极小有关。

03
写在最后

研究结果表明，对于所研究的氧合器，在进气/出气过渡区，靠近进气/出气的速度较高，远离进气/出气的速度较低。在气体交换区，速度极低且分布均匀。流量越大，流量越不均匀，反之亦然。右上角区域存在淤血(高ART)和高凝状态(高C[Fxia])。高PO2均匀地出现在血流的下游。基于停滞和过氧的DBV确定了无效体积，它们分别位于出口侧的上直角区域和整个靠近出口的区域。与非搏动血流相比，脉动血流可增加血栓形成的风险(较高的周期平均ART和C[FXIa]，较低的DBV(停滞))和增强氧合运输(较高的周期平均PO2，较低的DBV(过氧合))。对于不同的脉搏状态，幅度的增加可以导致更高的血栓形成风险和更好的氧气运输，反之亦然。

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写在最后

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首次发布时间：2026-04-27

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