ECMO系统质量评价思路研究

叶佳宜，李澍

中国食品药品检定研究院 医疗器械检定所，北京 102629

引言

体外膜肺氧合（Extracorporeal Membrane Oxygenation，ECMO）又称体外生命支持，为一种可以替代肺脏和心脏功能的呼吸循环支持技术，近十年来在各种危重症呼吸和（或）循环衰竭中应用逐渐增多。ECMO常见的适应证是急性呼吸窘迫综合征，它在提供体外气体交换的同时，可以实施肺保护性通气策略从而使肺脏得到休息并最终恢复[1-2]。

ECMO与人体作用机理复杂，未探明的潜在影响因素较多；同时，这类产品往往风险度极高，其质量的好坏直接影响到病人脏器功能的康复，甚至生命安危。在甲型H1N1流感以及中东呼吸综合征冠状病毒引起的肺炎中均有不良事件的报道，诸如设备失能、电磁骚扰故障，心肌炎、心肌酶明显增高、血栓栓塞、感染、肾功能衰竭、多脏器功能衰竭等并发症的发病率仍然较高，严重影响患者的生存率[3-4]。

自新冠疫情爆发初期，中国ECMO设备供应出现较大缺口，一机难求，目前国内有多个团队正在研发ECMO装置。国家在“十三五”国家重点研发计划对ECMO相关附件及膜肺设计的团队予以支持，本文主要讨论ECMO系统性能检测重点、血液相容性检测及多场景下电磁兼容检测的评价，以推动相关产品的优化设计和自主创新能力，增强医疗器械企业的核心竞争力[5-7]。

1 ECMO系统组件基本情况

ECMO设备主要由泵头驱动器（用于驱动离心泵）、控制台及传感器等附件组成。工作原理是通过磁力耦合为泵头（一次性耗材）提供动力，辅助泵头将体内的静脉血引出体外，经过氧合器氧合后注入病人动脉或静脉系统，起到部分心肺替代作用，维持人体脏器组织氧合血供。同时，传感器可以实时测量血液回路的参数（流量、压力、温度、液位等），以辅助用户进行ECMO运转参数设置的决策[8-9]。

耗材各部件（插管、离心泵泵头、氧合器等）通过人工血管连接，因此用户可以根据需要将各厂家的离心泵泵头以及氧合器自行搭配组合。离心泵泵头/泵头驱动器是ECMO设备与耗材发生相互作用的核心部件[10-11]。泵头驱动器通过磁耦合驱动离心泵泵头转动，但泵头驱动器并不接触血液。压力、温度等监测功能，主要依靠控制台外接传感器，并将传感器接入到耗材回路中相应位置进行测量。ECMO系统示意图及传感器测量位置如图1所示。

图1 ECMO系统示意图及测量位置

2 基本评价思路

2.1 总体思路

结合针对ECMO系统相关的不良事件数据分析汇总，ECMO质量的三大突出的问题为：① 缺乏针对ECMO特定核心部件性能的评价方法与评价设备，ECMO采用大量创新式、革命式新型技术，目前缺乏相应的评价方法、技术，无法满足评价需求；② 缺乏针对ECMO血流动力学的评价方法和平台，ECMO要求设备工作在体内环境，且预期使用时间较长，需要有满足人体循环的血流动力学特性；③ 缺乏针对ECMO的多应用场景电磁兼容评价技术，ECMO预期使用场景包含医院，车载转运、机载转运等特殊场景，这些场景下的电磁兼容问题在ECMO评价领域也很突出。

因此，本文主要针对ECMO的性能参数、血流动力学评价系统、电磁兼容及专用配套检测装置与平台展开讨论，为ECMO的设计研发、检测、评价和监管等提供科学技术支撑。根据三个突出问题，本文主要讨论：①ECMO核心质量评价方法与检验平台研究；②ECMO模拟循环检测系统研究，目的在于搭建符合生理参数的模拟循环系统，从而辅助ECMO进行质量评价；③ECMO相关电磁兼容测试方法学与平台研究，主要针对ECMO用电磁兼容评价方法，外界高频高功率瞬时能量的抗干扰性能评价方法和其他设备的串扰评价方法展开研究。

2.2 ECMO离心泵核心质量评价方法

ECMO设备的核心功能部件是驱动离心泵，考察核心指标是系统对其所驱动的离心泵转速的控制精度及转速输出范围。检测时可将ECMO设备设置至临床常用工况，在充满电后断开网电源，ECMO系统应该可以持续工作一定时间，通常应不少于90 min。最后，作为相对长效的生命支持设备，ECMO系统的可靠性及其应对灾难性故障（如电机故障）的应对措施应该被重点考核检测。同时，需要考虑离心泵转速准确性、流量的准确性、气泡监测及温度准确性。基于以上测试项目，研究了图2的近生理试验平台，以求得上述试验项目的合理可靠。该平台的主要作用是模拟人体血液循环，在这个平台中可以测试泵前压力、泵后压力、流量等参数。

图2 模拟人体血液循环的近生理实验平台

为了验证模拟血液循环试验平台的稳定性，在60 min内每隔10 min记录一次数据，数据包括图1所示的泵前压力、泵后压力、流量、管内液体温度4个参数。测试管路中充满水和甘油的混合液，粘度为3.5 mPa·s，具体结果如表1所示。其中变异系数=（标准偏差/平均值）×100%。本试验结果表明，在认为离心泵稳定的前提下，该测试平台稳定，结果可靠。

表1 模拟人体血液循环的近生理实验平台参数重复性

2.3 关键部件的血液相容性测试

膜肺（即膜式氧合器）作为ECMO系统中与血液接触面积最大的部件，且需要提供核心的氧合功能。核心部件（包括血泵和膜肺）的检测有以下几个重要测试指标：① 血泵不同转速下压力流量曲线（H-Q curve）：测试血泵样机在不同转速情况下，出入口压力差和流量的变化曲线关系。出入口压力差是血泵的关键指标，关系到氧合效率、血栓形成等。H-Q curve是ECMO系统核心部件的关键指标，基本可以反映出血泵的性能优劣；② 氧合效率：采用新鲜抗凝牛血作为载体，氧合器应能在其标称流量下，使静脉血氧饱和度为65%的血液达到动脉血氧饱和度＞95%；③ 热交换效率：体现氧合器中变温部分的效率，通常不应该低于0.4；④ 内部流场分布：通过CFD仿真观察内部流场是否有低流量区域，在此类区域容易形成血栓、血液破坏相关指标（游离血红蛋白、白细胞、血小板下降情况）；⑤ 流量范围及对应跨膜肺压降：在同等流量情况下，跨膜肺压差较小的氧合器往往具有较好的流场特性以及较低的血液破坏，可以在设定最大流量下测试氧合器的压降；⑥ 静态预充量：在其他条件相同情况下，预充量较小的氧合器有助于减少血液稀释，可以以水代替血液对氧合器进行预充，充满所需水量即为氧合器预充量[12-14]。

本测试平台是依据YY/T 1620-2018《心肺流转系统连续流血泵红细胞损伤评价方法》中提到的项目及试验方法设计的。基于以上测试项目，研究了图3的气血传输试验平台，以上项目均可在该平台中进行测试，以求得上述试验项目的合理可靠。

图3 气血传输试验平台

2.4 ECMO系统的电磁兼容性

由于ECMO系统的应用场景的电磁环境复杂，内部传感器多，对精度要求高。基于以上原因，为了减少不良事件的发生，对ECMO的电磁兼容评价需考虑以下内容[15-17]。

（1）不同应用场景下的ECMO的电磁兼容专用抗扰性评价。根据不同应用场景ECMO的环境特点以及作用部位特点，研究测试设备对10 mT及50 mT的磁场抗干扰能力、10 Hz～3 GHz电磁场干扰的抗干扰能力。通过风险分析方法明晰不同参数可能造成的后果，制定电磁兼容评估内容，确定质控指标等级。考量ECMO（特别是磁悬浮ECMO）在频段（30 MHz～3 GHz）射频电磁场辐射抗扰度，在静磁场、10 Hz～30 MHz交变磁场抗扰度水平。相对于YY 0505-2012中要求的80 MHz～2.5 GHz，增加了抗扰频段范围。关键参数：① 静磁场、交变磁场＞ 0～30 MHz可调；② 磁场强度 50 mT；③ 磁场均匀度：0～3 dB；④ 磁场需覆盖ECMO系统。

（2）手术过程中高频高功率瞬时能量对ECMO的抗扰性评价（图4）。研究ECMO在外部大功率电场、大功率磁场、大传导电流直接作用于患者时的抗扰水平；通过考虑外部能量作用时间、位置、耦合方法等不同参数下抗扰性的差异，从而确认ECMO设计的合理性及安全性，评估高频电刀作用瞬间对ECMO性能的影响。考量ECMO对于外界高频高功率能量（模拟高频电刀、除颤器等）的抗干扰性能。关键参数：① 测试电压：0～10000 V；② 测试磁场：≤0.1 Tesla；③ 测试频率：≤1 MHz；④ 测试模式：电凝、电切、混合；⑤ 频率设置：扫频、定频。

图4 高频高功率瞬时能量测试平台

3 结论

本文通过分析ECMO系统及其核心部件：离心泵头、氧合器的产品特点及其特性参数和使用环境中的风险点，搭建模拟人体血液试验平台、气血传输试验平台，并设计了电磁辐射抗骚扰试验方案。面向应用条件下ECMO产品核心流体性能表现、流体力学性能、电磁兼容性能的评价研究，解决我国高风险ECMO设备生产厂家自主研发的产品无统一验证方法和平台的困难，从提高该类产品科学评价的能力。从目前的测试结果表明，所搭建模拟人体血液试验平台、气血传输试验平台可以实现参数测量并未为研发生产企业提供相应的技术指导服务，为该类产品设计、检测、评价和监管提供科学技术支撑。