四川联大-Ⅰ型膜式人工肺的实验室(in vitro)测试与数学模型计算
作者：谭小苹 王利春 裴觉民 陈君楷
单位：(四川联合大学西区 工程力学系，成都 610065)
关键词：膜式人工肺；实验室测试；数学模型
生物医学工程学杂志980301 内容摘要 作者采用在国外研究与测试膜式人工肺的实验室方法，对自行设计、制做的四川联大-Ⅰ型中空纤维膜肺进行了实验室(in vitro)测试，以确定膜肺样品的气体传递性能。用水作介质对四川联大-Ⅰ型膜肺测试后，根据Vaslef的方法进行计算，得出膜肺的气体传递特性参数α、β值，再用Vaslef的数学模型进行该膜肺以血为介质的气体传递速率的计算，将计算结果与AAMI标准及国际上目前通用的几种膜肺的传递性能进行比较，证明对膜肺H2O-O2传递测定的方法是可行的，利用Vaslef氧气模型和本文CO2模型进行理论计算的方法也是可行的。由计算的结果可以看出，四川联大-Ⅰ型膜肺的O2和CO2的传递速率达到国际上通用膜肺气体传递速率的标准，接近国际上通用的优良膜肺的性能。同时也发现，四川联大-Ⅰ型膜肺的结构设计还有必要进行少量改进，即缩短膜肺长度，以提高有效的气体传递面积。
, 百拇医药
An In-Vitro Evaluation of the Sichuan Union Univ-Ⅰ Membrane
Lung and Mathematical Modeling Calculation
Lung and Mathematical Modeling Calculation
Tan Xiaoping Wang Lichun Pei Juemin Chen Junkai
(Engineering Mechanics Department, Sichuan Union University, West Campus,Chengdu 610065)
Abstract A new ELF hollow fibre lung,Sichuan Union Univ-I(SUU-I), constructed in our laboratory was tested in vitro to evaluate its oxygen transfer performance before it undergoes expensive animal trial.The test rig,conditions,procedure and the modelling method are introduced in the present paper.The results demonstrate that the Sichuan Union Univ-Ⅰ membrane lung possesses the gas exchange ability claimed in the AAMI standards,and approaches the levels of the widely accepted membrane lungs,MAXIMA (Medtronic,US),SARNS(3M,US) and SAFE-Ⅱ(Polystan,Denmark).The in vitro technique described in this paper proved practical,economical,and simple in the design and manufacturing of a new type membrane lung,as well as in research and development of membrane lungs.
, 百拇医药
Key words Membrane lung In vitro test Mathematical model
1 前 言
膜式人工肺(以下简称膜肺)的测试有实验室测定、动物试验与临床试验等方法[1，2]。但是后两者条件要求高、花费大、困难多。特别是在临床中，医生与实验人员主要精力集中于手术本身的进行及病人的状况，难以取得膜肺各方面性能的重复性好、工况齐全的完整数据，也不可能得到一个稳定的符合AAMI标准(American Association of Medical Institutions)的膜肺入口血液条件[3]。
在一种新型膜肺开发研制出来之后，尚不能直接用于临床，甚至不宜直接进行动物试验。一般是在实验室内进行气体传递，变温性能及流体阻力的测定。过程可以分为水-气传递与血-气传递试验[4]。
, http://www.100md.com
从膜肺的设计及优化来说，实验室测试及理论研究是方便、安全和可靠的方法。而实验室测试又可分别以血液和水作介质。用血液作介质存在操作复杂、时间有限、氧合器必须一次使用等一系列问题。在实验室用水-气传递对膜肺进行测定有如下优点：(1)水-气传递实验所需仪器简单方便，实验易于操作；(2)实验室测定结果可以直接用于确定膜肺的特性参数；(3)这些参数可以在特定血液条件或Draft Standard ISO/DOS 7199标准下，用数学模型计算该膜肺血氧传递速率。本文即是沿用作者在国外的实验方法，对四川联大-Ⅰ型膜肺进行测试，而后采用Vaslef[5]的氧传递模型和作者推广得出的二氧化碳传递模型，对该膜肺进行计算与评价。
2 实验室(in vitro)测试原理及方法
2.1 测试的原理
由膜肺、水泵、水槽等构成测试 路，以水作为介质在 路中循环，水在膜肺的中空纤维之间流动。空气从空压机放出后，被引入膜肺的中空纤维内侧，其中的氧气透过壁面溶入管间的水中。测量水经过膜肺后含氧量的变化，可以确定该膜肺的氧传递速率。由氧传递速率和平均对数浓差可以求得总传质系数K。由此可确定该膜肺的几何参数α、β。将该几何参数用于Vaslef的数学模型及作者的二氧化碳模型，即可推算该膜肺在以血为介质时的气体传递速率。
, 百拇医药
2.2 四川联大-Ⅰ型膜肺
四川联大-Ⅰ型膜肺的特性常数如表1所示。
表1 四川联大-Ⅰ型膜肺的特性常数
Table 1 Characteristics of the SUU-Ⅰ membrane lung Material of hollow fibres
PP， Polypropylene
Priming volume,(ml)
310
Effective area At(cm2)
20100
, 百拇医药
Outer diameter of HF,OD(cm)
0.038
Inner diameter of HF,ID(cm)
0.028
Number of HF,N
about 10500
Void rate,ε
0.62
Frontal area,Af(cm2)
31.4
, http://www.100md.com
Length of flow path,Pl(cm)
16
2.3 测试仪器与设备
(1)滚柱式血泵TXT12型：上海医疗器械厂生产，脉冲式，转数0～150 rpm,可以连续调节。相应水流量0～7.15 l/min。
(2)测氧仪：RSS-5100型，上海雷磁仪器厂新泾分厂生产。可分别测定水中溶解氧浓度或气体中氧的百分含量。水中氧测定的主要技术指标：范围：0～20 mg/L，精度：±0.3 mg/L。
(3)空压机：江苏大力集团公司制造。
2.4 测试回路
测试的流程图如图1所示：
, 百拇医药
图1 实验室测试的流程图
Fig 1 Schematic of in vitro test circuit
滚柱泵将用氮气脱除了氧的去离子水从贮水器1中抽出，通过氧合器，然后排入贮水器2。空气(脱氧使用钢瓶的氮气)从空压机通过转子流量计，然后进入氧合器，与水逆向流动。用热电偶插入如图1所示的装置内测定水温。溶解氧的浓度用两个测氧仪同时测定。
2.5 测试条件
2.5.1 空气流率QG和水流速率QW的选择 气体体积流率QG和水体积流率QW之比为2∶1。根据与临床操作相对应的雷诺数范围选定实验的水流速率，共选五个值。表2给出了这五个水流速率及其所对应的雷诺数。
, 百拇医药 表2 膜肺测试的水流率及其所对应的雷诺数
Table 2 Test flow rates chosen and the corresponding Reynolds numbers
Flow rate of water,QW(l/min)
Reynolds number,Re
0.97
5.51
1.69
9.60
2.40
13.63
, http://www.100md.com
3.12
17.71
3.48
19.80
2.5.2 其他测试条件 膜肺测试的条件列在表3中。
氧合器的结构参数At,Af,Pl和ε如表1所示。
表3 膜肺测试的条件
Table 3 Conditions of the tests Items
Value
Liquid media
, http://www.100md.com
Deionized water
Gas media
Nitrogen and compressed air
Test temperatur,(℃)
23
Flow rate of water,QW，(l/min)
0.97～3.48
Gas-water flow rate ratio,QG∶QW
≥10
, http://www.100md.com O2 partial pressure at water inlet,Po2，(mmHg)
7.97～21.14
Atmospheric pressure,(mmHg)
730.19
Re
5.51～19.80
Dynamic viscosity,μ,(cp)
0.9325
Diffusivity,D1，W(cm2/s)
, 百拇医药
1.981×10-5
4.431×10-5
2.6 测试步骤
(1) 标定滚柱泵的流量；
(2) 测氧仪的标定；
(3) 用泵输送水进行循环，用氮气通入膜肺脱除水中氧气(脱氧)，直至最低；
(4) 启动空压机，将氮气切换为压缩空气。启动水泵将膜肺的水出口接至储水器2。脱氧水在储水器1，泵，膜肺和储水器2之间作一次性流动，水在膜肺中进行氧合(溶氧)。固定滚柱泵的流速。在稳定后分别读取进出口压差和测氧仪的读数4次。
, 百拇医药
(5) 重复(3)，(4)步骤，获得在其它水流速率下的压降和进出口氧的浓度。
(6) 在完成这一测定后(由此获得实验结果Ⅰ)，用热空气(40℃)通入膜肺，干燥24小时。然后重复以上测定过程，以获得实验结果Ⅱ。
2.7 数据的处理
从文献[6]查得水的动力粘度为0.9325 cp，可算得23℃时水的运动粘度为0.009348 cm2/s。在23℃时氧在水中的扩散系数可根据Voorhees在25℃时的扩散系数的测定，再用爱因斯坦校正法(Einstein Correction)获得。计算值为1.981×10-5cm2/s。
无量纲质量传递速率可由H2O-O2实验测得的数据Pin,Pout，Pg，Q和氧合器的结构参数进行计算。对于干燥空气，Pg可由下式计算，即
, 百拇医药
Pg=0.209*Patm
式中：Patm为大气压。
因而无量纲的质量传递速率可计算如下：
氧合器中水的雷诺常数可由如下方程式进行计算：
方程=αReβ可为对数形式：
log=logα+βlogRe
通过对log-logNRe的数据进行线性拟合，可得到四川联大-Ⅰ型膜肺的特性数α、β值。
, 百拇医药
3 测试结果与分析
表4为实验Ⅰ的结果，表5是实验Ⅱ的结果(实验Ⅱ为第一次实验1天后，膜肺经过热空气干燥后重新进行的实验)。两表显示实验的重复性很好。总传质系数随水流速(雷诺数)的上升而上升。
表4 实验Ⅰ的结果
Table 4 Results of test Ⅰ No.
QW
(l/min)
Re
Cin
(mmHg)
Cout
, 百拇医药
(mmHg)
Pin
(mmHg)
Pout
(mmHg)
1
0.97
5.51
1.22
6.96
21.14
, http://www.100md.com 120.60
0.4914
2
1.69
9.60
0.82
6.28
14.21
108.81
0.6873
3
2.40
13.63
, http://www.100md.com
0.78
5.89
13.52
102.06
0.8542
4
3.12
17.71
0.46
5.39
7.97
93.39
0.9743
, 百拇医药
5
3.48
19.80
0.87
5.35
15.07
92.70
1.0120
表5 实验Ⅱ的结果
Table 5 Results of test Ⅱ No.
QW
(l/min)
, 百拇医药
Re
Cin
(mmHg)
Cout
(mmHg)
Pin
(mmHg)
Pout
(mmHg)
1
0.97
, 百拇医药
5.51
0.85
6.60
14.73
114.36
0.4419
2
1.69
9.60
0.79
6.27
13.69
108.64
, http://www.100md.com
0.6870
3
2.40
13.63
0.75
5.88
13.32
101.88
0.8543
4
3.12
17.71
0.74
, 百拇医药
5.66
12.82
98.07
1.0022
5
3.48
19.80
0.80
5.30
13.86
91.83
1.0083
表6是四组实验的数据计算结果和与之相对应的NRe，从表中能看出其实验的重复性较好，氧合器第一次使用后保存一段时间其所得的实验数据不受影响。
, 百拇医药
表6-Re的测试结果
Table 6 Test results of-Re Re
<
>
Test Ⅰ
Test Ⅱ
0.97
0.4914
0.4419
0.4667
1.69
, 百拇医药
0.6873
0.6870
0.6871
2.40
0.8542
0.8543
0.8543
3.12
0.9743
1.0022
1.0022
3.48
1.0120
, 百拇医药
1.0083
1.0083
实验数据经线性拟合可得α、β值分别为：
α=0.17；β=0.62
相关系数为：99.57%。
4 四川联大-Ⅰ型血-气传递的理论计算
4.1 计算的输入条件
计算采用Vaslef的O2模型[5]和本文作者沿用与改进的CO2模型[7]，用QBasic程序，在IBM微机上进行。在CO2程序计算中改进了Pei[3]的迭代法，不仅使计算速度提高10倍以上，而且使计算结果更接近于实验测定值。计算中用AAMI标准规定的血液标准入口条件(参见表7、8)。
, 百拇医药
表7 四川联大-Ⅰ型膜肺O2传递计算的血液入口条件(O2-牛血)
Table 7 Conditions of blood at inlet for the calculation of oxygen transfer in bovine blood in the SUU-Ⅰ membrane lung
Parameter
Value and unit
α
0.17
β
0.62
n
, 百拇医药
2.85
CHb
12.36%
Hct
32%
pH
7.4
T
37℃
Pin
35.5mmHg
Sin
64.8%
, 百拇医药
Pg
705mmHg
αO2
0.0225ml(STPD)/ml/atm
DO2
1.44×10-5cm2/s
表8 四川联大-Ⅰ型膜肺CO2传递理论计算的血液入口条件(CO2-牛血)
Table 8 Conditions of blood at inlet for the calculation of carbon dioxide transfer in bovine blood in the SUU-Ⅰ membrane lung
, http://www.100md.com
Temperature,T,℃
37
Atmospheric pressure,Pat，( mmHg)
744
Blood
Bovine blood
pH
7.4
Haemoglobin concen.,CHb,g%
12.1
Haematocrit,Hct
, 百拇医药
0.32
Blood flow rate,QB(l/min)
1～7
Flow rate ratio,QG∶QB
2∶1，1∶1
Partial pressure of CO2 at inlet,Pin(mmHg)
45
Concentration,C2,in(mmol/l)
26.181
, http://www.100md.com
Gas used
Pure O2
Partial pressure of CO2 at inlet of gas phase,Pg,in(mmHg)
0
0.0294
Diffusivity of dissolved CO2，D1，(cm2/s)
1.92×10-5
, http://www.100md.com Diffusivity of bound CO2，D2，(cm2/s)
1.152×10-5
Geommetrical parameters
α=0.17；β=0.62
4.2 理论计算结果
4.2.1 氧传递 膜肺血液中O2传递的理论计算结果如表9所示。
表9 四川联大-Ⅰ型肺膜血液中O2传递的理论计算结果
Talbe 9 Calculation results of oxygen transfer in bovine blood in the SUU-I membrane lung
, 百拇医药
QB
(l/min)
Re
Pout
(mmHg)
Sout
(%)
O2传递速率
(ml/min)
1
2.26
116.03
, 百拇医药
98.13
60.98
2
4.52
77.30
94.24
106.28
3
6.78
66.63
91.46
144.15
4
, http://www.100md.com
9.04
61.37
59.44
177.74
5
11.29
58.15
87.90
208.42
6
13.55
55.92
86.66
, 百拇医药
236.95
7
15.81
54.26
85.64
263.82
4.2.2 二氧化碳传递 四川联大-Ⅰ型膜肺血液中CO2传递的理论计算结果如表10所示。
4.2.3 四川联大-Ⅰ型膜肺与其它膜肺的比较 四川联大-Ⅰ型膜肺气体传递与国际上通用的几种先进膜肺(MAXIMATM、SARNS、SAFE-Ⅰ膜肺气体传递数据由厂家提供)的比较如图2所示。
表10 四川联大-Ⅰ型膜肺血液中CO2传递的计算结果
, http://www.100md.com
Table 10 Calculation results of carbon dioxide transfer in bovine blood in the SUU-Ⅰmembrane lung
QB
(l/min)
Re
CO2 Transfer rate,ml/min
QG∶QB=2∶1
QG∶QB=1∶1
1
, 百拇医药
2.26
86.46
59.81
2
4.52
152.00
105.5
3
6.78
209.95
150.53
4
9.04
, http://www.100md.com
262.74
190.28
5
11.29
311.87
232.63
6
13.55
358.20
270.79
7
15.81
402.29
, http://www.100md.com
307.30
图2 四川联大-Ⅰ型膜肺气体传递与国际上通用的几种先进膜肺的比较
Fig 2 Comparison of the gas transfer of the Sichuan Union Univ-Ⅰ membrane lung with those of the internationally available membrane lungs
(a:SAFE-Ⅰ；b：MAXIMATM；c:SARNS;d:SAFE-Ⅰ；e:SARNS；f:SUU-Ⅰ；g:国际标准：h:MAXIMATM；i:SUU-Ⅰ；j：国际标准)
由图2可见，四川联大-Ⅰ型膜肺的O2和CO2的传递速率达到国际上通用膜肺气体传递速率的标准，接近国际上通用优良膜肺的性能。
, http://www.100md.com
5 结 论
(1)本文对膜肺H2O-O2传递测定从而获得膜肺的几何参数的方法是简单而可行的。测定中读数稳定，操作容易，且实验可在同一膜肺中反复多次进行，因而结果可靠。
(2)由上述实验所得的膜肺的几何参数值，采用Vaslef氧气模型和本文CO2模型进行计算，从而求得气体在该膜肺血介质中的传递速率的方法是可行的。
(3)从理论计算结果可以看出，SUU-Ⅰ型膜肺O2和CO2的传递速率达到国际上通用膜肺气体传递速率的标准，并接近国际上通用的优良膜肺的性能。
(4)SUU-Ⅰ型膜肺的血流流道略嫌长些。血液在膜肺的后四分之一处已达饱和，因而中空纤维全部面积利用效率低。因此，四川联大-Ⅰ型膜肺的结构设计还有必要从以下几个方面进行改进：①缩短膜肺长度，提高有效的气体传递面积；②加大膜肺外壳和内芯的直径。
, http://www.100md.com
参 考 文 献
1 谭小苹，裴觉民，Gaylor JDS et al.MAXIMA 与SAFE-Ⅱ膜式人工肺性能的实验室测试.北京生物医学工程,1996;15(1)∶31
2 裴觉民，谭小苹，Gaylor JDS et al.膜式人工肺的实验室测试及对MERA-HPO-25H膜肺的性能评价.生物医学工程学杂志，1996；13(3)∶207
3 Pei JM.CO2 and O2 Exchange in Cross-Flow and Shell-and-Tube Artificial Lungs,Ph.D.Thesis,University of Strathclyde,Glasgow,Scotland,United Kingdom,1991
4 Kawak AM,Gaylor JDS,Simpson K et al.An in vitro Technique to Assess Oxygenator Potential for Respiratory Failure Therapies,The International Journal of Artificial Organs,1991;14(4)∶234
, 百拇医药
5 Vaslef SN.,Mockros LF,Anderson RW et al. Use of a Mathematical Model to Predict Oxygen Transfer Rates in Hollow Fibre Membrane Oxygenators.ASAIO J.1994；40∶990
6 CRC Handbook of Chemistry and Physics,64th Edition,1983-1984
7 王利春.管外流式膜式人工肺的数学模型及四川联大-Ⅰ型膜肺的研制及实验室测试，硕士论文，四川联合大学，1996
(收稿：1997-02-24), 百拇医药
单位：(四川联合大学西区 工程力学系，成都 610065)
关键词：膜式人工肺；实验室测试；数学模型
生物医学工程学杂志980301 内容摘要 作者采用在国外研究与测试膜式人工肺的实验室方法，对自行设计、制做的四川联大-Ⅰ型中空纤维膜肺进行了实验室(in vitro)测试，以确定膜肺样品的气体传递性能。用水作介质对四川联大-Ⅰ型膜肺测试后，根据Vaslef的方法进行计算，得出膜肺的气体传递特性参数α、β值，再用Vaslef的数学模型进行该膜肺以血为介质的气体传递速率的计算，将计算结果与AAMI标准及国际上目前通用的几种膜肺的传递性能进行比较，证明对膜肺H2O-O2传递测定的方法是可行的，利用Vaslef氧气模型和本文CO2模型进行理论计算的方法也是可行的。由计算的结果可以看出，四川联大-Ⅰ型膜肺的O2和CO2的传递速率达到国际上通用膜肺气体传递速率的标准，接近国际上通用的优良膜肺的性能。同时也发现，四川联大-Ⅰ型膜肺的结构设计还有必要进行少量改进，即缩短膜肺长度，以提高有效的气体传递面积。
, 百拇医药
An In-Vitro Evaluation of the Sichuan Union Univ-Ⅰ Membrane
Lung and Mathematical Modeling Calculation
Lung and Mathematical Modeling Calculation
Tan Xiaoping Wang Lichun Pei Juemin Chen Junkai
(Engineering Mechanics Department, Sichuan Union University, West Campus,Chengdu 610065)
Abstract A new ELF hollow fibre lung,Sichuan Union Univ-I(SUU-I), constructed in our laboratory was tested in vitro to evaluate its oxygen transfer performance before it undergoes expensive animal trial.The test rig,conditions,procedure and the modelling method are introduced in the present paper.The results demonstrate that the Sichuan Union Univ-Ⅰ membrane lung possesses the gas exchange ability claimed in the AAMI standards,and approaches the levels of the widely accepted membrane lungs,MAXIMA (Medtronic,US),SARNS(3M,US) and SAFE-Ⅱ(Polystan,Denmark).The in vitro technique described in this paper proved practical,economical,and simple in the design and manufacturing of a new type membrane lung,as well as in research and development of membrane lungs.
, 百拇医药
Key words Membrane lung In vitro test Mathematical model
1 前 言
膜式人工肺(以下简称膜肺)的测试有实验室测定、动物试验与临床试验等方法[1，2]。但是后两者条件要求高、花费大、困难多。特别是在临床中，医生与实验人员主要精力集中于手术本身的进行及病人的状况，难以取得膜肺各方面性能的重复性好、工况齐全的完整数据，也不可能得到一个稳定的符合AAMI标准(American Association of Medical Institutions)的膜肺入口血液条件[3]。
在一种新型膜肺开发研制出来之后，尚不能直接用于临床，甚至不宜直接进行动物试验。一般是在实验室内进行气体传递，变温性能及流体阻力的测定。过程可以分为水-气传递与血-气传递试验[4]。
, http://www.100md.com
从膜肺的设计及优化来说，实验室测试及理论研究是方便、安全和可靠的方法。而实验室测试又可分别以血液和水作介质。用血液作介质存在操作复杂、时间有限、氧合器必须一次使用等一系列问题。在实验室用水-气传递对膜肺进行测定有如下优点：(1)水-气传递实验所需仪器简单方便，实验易于操作；(2)实验室测定结果可以直接用于确定膜肺的特性参数；(3)这些参数可以在特定血液条件或Draft Standard ISO/DOS 7199标准下，用数学模型计算该膜肺血氧传递速率。本文即是沿用作者在国外的实验方法，对四川联大-Ⅰ型膜肺进行测试，而后采用Vaslef[5]的氧传递模型和作者推广得出的二氧化碳传递模型，对该膜肺进行计算与评价。
2 实验室(in vitro)测试原理及方法
2.1 测试的原理
由膜肺、水泵、水槽等构成测试 路，以水作为介质在 路中循环，水在膜肺的中空纤维之间流动。空气从空压机放出后，被引入膜肺的中空纤维内侧，其中的氧气透过壁面溶入管间的水中。测量水经过膜肺后含氧量的变化，可以确定该膜肺的氧传递速率。由氧传递速率和平均对数浓差可以求得总传质系数K。由此可确定该膜肺的几何参数α、β。将该几何参数用于Vaslef的数学模型及作者的二氧化碳模型，即可推算该膜肺在以血为介质时的气体传递速率。
, 百拇医药
2.2 四川联大-Ⅰ型膜肺
四川联大-Ⅰ型膜肺的特性常数如表1所示。
表1 四川联大-Ⅰ型膜肺的特性常数
Table 1 Characteristics of the SUU-Ⅰ membrane lung Material of hollow fibres
PP， Polypropylene
Priming volume,(ml)
310
Effective area At(cm2)
20100
, 百拇医药
Outer diameter of HF,OD(cm)
0.038
Inner diameter of HF,ID(cm)
0.028
Number of HF,N
about 10500
Void rate,ε
0.62
Frontal area,Af(cm2)
31.4
, http://www.100md.com
Length of flow path,Pl(cm)
16
2.3 测试仪器与设备
(1)滚柱式血泵TXT12型：上海医疗器械厂生产，脉冲式，转数0～150 rpm,可以连续调节。相应水流量0～7.15 l/min。
(2)测氧仪：RSS-5100型，上海雷磁仪器厂新泾分厂生产。可分别测定水中溶解氧浓度或气体中氧的百分含量。水中氧测定的主要技术指标：范围：0～20 mg/L，精度：±0.3 mg/L。
(3)空压机：江苏大力集团公司制造。
2.4 测试回路
测试的流程图如图1所示：
, 百拇医药
图1 实验室测试的流程图
Fig 1 Schematic of in vitro test circuit
滚柱泵将用氮气脱除了氧的去离子水从贮水器1中抽出，通过氧合器，然后排入贮水器2。空气(脱氧使用钢瓶的氮气)从空压机通过转子流量计，然后进入氧合器，与水逆向流动。用热电偶插入如图1所示的装置内测定水温。溶解氧的浓度用两个测氧仪同时测定。
2.5 测试条件
2.5.1 空气流率QG和水流速率QW的选择 气体体积流率QG和水体积流率QW之比为2∶1。根据与临床操作相对应的雷诺数范围选定实验的水流速率，共选五个值。表2给出了这五个水流速率及其所对应的雷诺数。
, 百拇医药 表2 膜肺测试的水流率及其所对应的雷诺数
Table 2 Test flow rates chosen and the corresponding Reynolds numbers
Flow rate of water,QW(l/min)
Reynolds number,Re
0.97
5.51
1.69
9.60
2.40
13.63
, http://www.100md.com
3.12
17.71
3.48
19.80
2.5.2 其他测试条件 膜肺测试的条件列在表3中。
氧合器的结构参数At,Af,Pl和ε如表1所示。
表3 膜肺测试的条件
Table 3 Conditions of the tests Items
Value
Liquid media
, http://www.100md.com
Deionized water
Gas media
Nitrogen and compressed air
Test temperatur,(℃)
23
Flow rate of water,QW，(l/min)
0.97～3.48
Gas-water flow rate ratio,QG∶QW
≥10
, http://www.100md.com O2 partial pressure at water inlet,Po2，(mmHg)
7.97～21.14
Atmospheric pressure,(mmHg)
730.19
Re
5.51～19.80
Dynamic viscosity,μ,(cp)
0.9325
Diffusivity,D1，W(cm2/s)
, 百拇医药
1.981×10-5
4.431×10-5
2.6 测试步骤
(1) 标定滚柱泵的流量；
(2) 测氧仪的标定；
(3) 用泵输送水进行循环，用氮气通入膜肺脱除水中氧气(脱氧)，直至最低；
(4) 启动空压机，将氮气切换为压缩空气。启动水泵将膜肺的水出口接至储水器2。脱氧水在储水器1，泵，膜肺和储水器2之间作一次性流动，水在膜肺中进行氧合(溶氧)。固定滚柱泵的流速。在稳定后分别读取进出口压差和测氧仪的读数4次。
, 百拇医药
(5) 重复(3)，(4)步骤，获得在其它水流速率下的压降和进出口氧的浓度。
(6) 在完成这一测定后(由此获得实验结果Ⅰ)，用热空气(40℃)通入膜肺，干燥24小时。然后重复以上测定过程，以获得实验结果Ⅱ。
2.7 数据的处理
从文献[6]查得水的动力粘度为0.9325 cp，可算得23℃时水的运动粘度为0.009348 cm2/s。在23℃时氧在水中的扩散系数可根据Voorhees在25℃时的扩散系数的测定，再用爱因斯坦校正法(Einstein Correction)获得。计算值为1.981×10-5cm2/s。
无量纲质量传递速率
, 百拇医药
Pg=0.209*Patm
式中：Patm为大气压。
因而无量纲的质量传递速率
氧合器中水的雷诺常数可由如下方程式进行计算：
方程
log
通过对log
, 百拇医药
3 测试结果与分析
表4为实验Ⅰ的结果，表5是实验Ⅱ的结果(实验Ⅱ为第一次实验1天后，膜肺经过热空气干燥后重新进行的实验)。两表显示实验的重复性很好。总传质系数随水流速(雷诺数)的上升而上升。
表4 实验Ⅰ的结果
Table 4 Results of test Ⅰ No.
QW
(l/min)
Re
Cin
(mmHg)
Cout
, 百拇医药
(mmHg)
Pin
(mmHg)
Pout
(mmHg)
1
0.97
5.51
1.22
6.96
21.14
, http://www.100md.com 120.60
0.4914
2
1.69
9.60
0.82
6.28
14.21
108.81
0.6873
3
2.40
13.63
, http://www.100md.com
0.78
5.89
13.52
102.06
0.8542
4
3.12
17.71
0.46
5.39
7.97
93.39
0.9743
, 百拇医药
5
3.48
19.80
0.87
5.35
15.07
92.70
1.0120
表5 实验Ⅱ的结果
Table 5 Results of test Ⅱ No.
QW
(l/min)
, 百拇医药
Re
Cin
(mmHg)
Cout
(mmHg)
Pin
(mmHg)
Pout
(mmHg)
1
0.97
, 百拇医药
5.51
0.85
6.60
14.73
114.36
0.4419
2
1.69
9.60
0.79
6.27
13.69
108.64
, http://www.100md.com
0.6870
3
2.40
13.63
0.75
5.88
13.32
101.88
0.8543
4
3.12
17.71
0.74
, 百拇医药
5.66
12.82
98.07
1.0022
5
3.48
19.80
0.80
5.30
13.86
91.83
1.0083
表6是四组实验的数据计算结果
, 百拇医药
表6
Table 6 Test results of
<
>Test Ⅰ
Test Ⅱ
0.97
0.4914
0.4419
0.4667
1.69
, 百拇医药
0.6873
0.6870
0.6871
2.40
0.8542
0.8543
0.8543
3.12
0.9743
1.0022
1.0022
3.48
1.0120
, 百拇医药
1.0083
1.0083
实验数据经线性拟合可得α、β值分别为：
α=0.17；β=0.62
相关系数为：99.57%。
4 四川联大-Ⅰ型血-气传递的理论计算
4.1 计算的输入条件
计算采用Vaslef的O2模型[5]和本文作者沿用与改进的CO2模型[7]，用QBasic程序，在IBM微机上进行。在CO2程序计算中改进了Pei[3]的迭代法，不仅使计算速度提高10倍以上，而且使计算结果更接近于实验测定值。计算中用AAMI标准规定的血液标准入口条件(参见表7、8)。
, 百拇医药
表7 四川联大-Ⅰ型膜肺O2传递计算的血液入口条件(O2-牛血)
Table 7 Conditions of blood at inlet for the calculation of oxygen transfer in bovine blood in the SUU-Ⅰ membrane lung
Parameter
Value and unit
α
0.17
β
0.62
n
, 百拇医药
2.85
CHb
12.36%
Hct
32%
pH
7.4
T
37℃
Pin
35.5mmHg
Sin
64.8%
, 百拇医药
Pg
705mmHg
αO2
0.0225ml(STPD)/ml/atm
DO2
1.44×10-5cm2/s
表8 四川联大-Ⅰ型膜肺CO2传递理论计算的血液入口条件(CO2-牛血)
Table 8 Conditions of blood at inlet for the calculation of carbon dioxide transfer in bovine blood in the SUU-Ⅰ membrane lung
, http://www.100md.com
Temperature,T,℃
37
Atmospheric pressure,Pat，( mmHg)
744
Blood
Bovine blood
pH
7.4
Haemoglobin concen.,CHb,g%
12.1
Haematocrit,Hct
, 百拇医药
0.32
Blood flow rate,QB(l/min)
1～7
Flow rate ratio,QG∶QB
2∶1，1∶1
Partial pressure of CO2 at inlet,Pin(mmHg)
45
Concentration,C2,in(mmol/l)
26.181
, http://www.100md.com
Gas used
Pure O2
Partial pressure of CO2 at inlet of gas phase,Pg,in(mmHg)
0
0.0294
Diffusivity of dissolved CO2，D1，(cm2/s)
1.92×10-5
, http://www.100md.com Diffusivity of bound CO2，D2，(cm2/s)
1.152×10-5
Geommetrical parameters
α=0.17；β=0.62
4.2 理论计算结果
4.2.1 氧传递 膜肺血液中O2传递的理论计算结果如表9所示。
表9 四川联大-Ⅰ型肺膜血液中O2传递的理论计算结果
Talbe 9 Calculation results of oxygen transfer in bovine blood in the SUU-I membrane lung
, 百拇医药
QB
(l/min)
Re
Pout
(mmHg)
Sout
(%)
O2传递速率
(ml/min)
1
2.26
116.03
, 百拇医药
98.13
60.98
2
4.52
77.30
94.24
106.28
3
6.78
66.63
91.46
144.15
4
, http://www.100md.com
9.04
61.37
59.44
177.74
5
11.29
58.15
87.90
208.42
6
13.55
55.92
86.66
, 百拇医药
236.95
7
15.81
54.26
85.64
263.82
4.2.2 二氧化碳传递 四川联大-Ⅰ型膜肺血液中CO2传递的理论计算结果如表10所示。
4.2.3 四川联大-Ⅰ型膜肺与其它膜肺的比较 四川联大-Ⅰ型膜肺气体传递与国际上通用的几种先进膜肺(MAXIMATM、SARNS、SAFE-Ⅰ膜肺气体传递数据由厂家提供)的比较如图2所示。
表10 四川联大-Ⅰ型膜肺血液中CO2传递的计算结果
, http://www.100md.com
Table 10 Calculation results of carbon dioxide transfer in bovine blood in the SUU-Ⅰmembrane lung
QB
(l/min)
Re
CO2 Transfer rate,ml/min
QG∶QB=2∶1
QG∶QB=1∶1
1
, 百拇医药
2.26
86.46
59.81
2
4.52
152.00
105.5
3
6.78
209.95
150.53
4
9.04
, http://www.100md.com
262.74
190.28
5
11.29
311.87
232.63
6
13.55
358.20
270.79
7
15.81
402.29
, http://www.100md.com
307.30
图2 四川联大-Ⅰ型膜肺气体传递与国际上通用的几种先进膜肺的比较
Fig 2 Comparison of the gas transfer of the Sichuan Union Univ-Ⅰ membrane lung with those of the internationally available membrane lungs
(a:SAFE-Ⅰ；b：MAXIMATM；c:SARNS;d:SAFE-Ⅰ；e:SARNS；f:SUU-Ⅰ；g:国际标准：h:MAXIMATM；i:SUU-Ⅰ；j：国际标准)
由图2可见，四川联大-Ⅰ型膜肺的O2和CO2的传递速率达到国际上通用膜肺气体传递速率的标准，接近国际上通用优良膜肺的性能。
, http://www.100md.com
5 结 论
(1)本文对膜肺H2O-O2传递测定从而获得膜肺的几何参数的方法是简单而可行的。测定中读数稳定，操作容易，且实验可在同一膜肺中反复多次进行，因而结果可靠。
(2)由上述实验所得的膜肺的几何参数值，采用Vaslef氧气模型和本文CO2模型进行计算，从而求得气体在该膜肺血介质中的传递速率的方法是可行的。
(3)从理论计算结果可以看出，SUU-Ⅰ型膜肺O2和CO2的传递速率达到国际上通用膜肺气体传递速率的标准，并接近国际上通用的优良膜肺的性能。
(4)SUU-Ⅰ型膜肺的血流流道略嫌长些。血液在膜肺的后四分之一处已达饱和，因而中空纤维全部面积利用效率低。因此，四川联大-Ⅰ型膜肺的结构设计还有必要从以下几个方面进行改进：①缩短膜肺长度，提高有效的气体传递面积；②加大膜肺外壳和内芯的直径。
, http://www.100md.com
参 考 文 献
1 谭小苹，裴觉民，Gaylor JDS et al.MAXIMA 与SAFE-Ⅱ膜式人工肺性能的实验室测试.北京生物医学工程,1996;15(1)∶31
2 裴觉民，谭小苹，Gaylor JDS et al.膜式人工肺的实验室测试及对MERA-HPO-25H膜肺的性能评价.生物医学工程学杂志，1996；13(3)∶207
3 Pei JM.CO2 and O2 Exchange in Cross-Flow and Shell-and-Tube Artificial Lungs,Ph.D.Thesis,University of Strathclyde,Glasgow,Scotland,United Kingdom,1991
4 Kawak AM,Gaylor JDS,Simpson K et al.An in vitro Technique to Assess Oxygenator Potential for Respiratory Failure Therapies,The International Journal of Artificial Organs,1991;14(4)∶234
, 百拇医药
5 Vaslef SN.,Mockros LF,Anderson RW et al. Use of a Mathematical Model to Predict Oxygen Transfer Rates in Hollow Fibre Membrane Oxygenators.ASAIO J.1994；40∶990
6 CRC Handbook of Chemistry and Physics,64th Edition,1983-1984
7 王利春.管外流式膜式人工肺的数学模型及四川联大-Ⅰ型膜肺的研制及实验室测试，硕士论文，四川联合大学，1996
(收稿：1997-02-24), 百拇医药