刘利兴，马燕兰

1. 解放军医学院，北京 100853；2. 解放军总医院 护理部，北京 100048

引言

经外周置入中心静脉导管（Peripherally Inserted Central Catheters，PICC），因其置管简便、安全性高、留置时间长等特点广泛应用于临床，已成为肿瘤患者输注化疗药物的首选途径[1]。PICC置入静脉血管后，导管周围容易形成纤维蛋白鞘，从而引发导管相关性血栓[2]。研究显示，PICC导管相关症状性血栓发生率达到3%～20%，无症状血栓发生率高达51.4%～61.9%[3-4]。一旦发生血栓，不仅增加患者痛苦及经济负担，严重者可危及生命[5]。静脉治疗指南中建议，正确地冲管和封管可以预防血栓形成[6]。但目前PICC冲管的方法只能预防PICC管腔内的血栓，暂无有效的方法预防导管外壁形成的血栓。

因此，本研究设计了一款新型的PICC冲洗套管，通过增加导管外壁冲洗功能，冲刷导管外壁，防止血液有形成分的粘附，预防血栓形成。同时通过冲洗加快导管周围血流速度，以降低导管相关性血栓发生率。目前，已经完成新型PICC冲洗套管的整体结构设计，但对于此套管最佳的切缝方案，尚无定论。另外，也尚未确定合适的冲洗速度。由于临床治疗的原因，不可能大剂量高速冲洗，因此要选择一个合适的冲洗速度，既保证尽可能的少量低速，又不影响冲洗效果。由于冲洗套管管壁微小，冲刷效果难以用仪器测量出来，需要采用更为精细科学地方法进行研究分析。

计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）是对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统通过计算机数值计算和图像显示进行分析[7]。近年来，随着计算机科学技术的发展，CFD越来越多地应用于医学领域，如心脏运动力学研究、动脉血管中血流动力学研究、以及医用导管在人体内的血流动力学性能分析[8-10]。Clark等[11]运用CFD模拟，研究比较了三种商用对称头透析导管的局部血流动力学；Mareels等[12]利用CFD的方法对某款中心静脉导管的性能参数（流速、压降、剪切速率、通道再循环）进行分析评估产品的性能。鉴于CFD方法已在医用导管领域有较广泛的应用，本研究也拟应用CFD的方法，比较新型冲洗套管不同切缝设计在不同冲洗速度下，各缝隙出水的流量、压力和流速，以得到最优的设计方案和冲洗速度。

1 材料与方法

1.1 基本结构

新型PICC冲洗套管基本结构如图1所示。图1a为新型PICC冲洗套管的整体结构。新型PICC冲洗套管为“Y”型接头内外两层导管设计的套管结构；内层为临床上目前常用巴德三向瓣膜的PICC导管，用于药物输注；在内层导管外覆盖了一层硅胶材质的外套管作为冲洗套管；内外两层导管之间是末端封闭的管腔，仅在外层冲洗套管管壁上有数个切缝；冲洗液进入内外管间隙，只能从外套管切缝流出，起到冲刷套管壁及血管的作用。外层冲洗套管同样采用三向瓣膜结构（图2），在不冲洗时，切缝处于封闭状态，防止血液回流到内外管腔间隙；冲洗时，冲洗液依次顺着切缝流出，冲刷导管壁及血管壁，阻止血液有形成分粘附，防止血栓形成。目前，此设计已获得发明型专利。

图1 新型PICC冲洗套管结构图

图2 三向瓣膜管壁内壁受压形变图

1.2 方法

1.2.1 建立模型

本研究采用硅胶管制作外层的冲洗导管，导管外径为3 mm，内径为1 mm，总长度为250 mm。对冲洗管选取等间距切割3道缝和5道缝两种设计工况进行模拟，切割口之间的间距分别为66 mm和30 mm，其中第一个切口距离入口距离均为88 mm，管子另一端封闭，如图3a所示。

研究人员采用Gambit 6.2建立几何模型，并划分网格。网格均采用六面体结构化网格为了更好的捕捉流体在边界层区域内的流动，对边壁附近网格做边界层处理，并对切口附近流动复杂区域网格局部加密，如图3b和3c所示。

图3 套管模型及网格图

1.2.2 求解参数和边界条件

本研究采用CFD专业计算软件FLUENT软件完成仿真分析。以0.9%氯化钠溶液作为冲洗液位，为简化分析过程，将其假定为不可压缩的黏性牛顿流体。其在冲洗管管腔内的流动可以认为是层流，流动满足质量守恒、动量守恒和能量守恒定律。在不可压缩流体的流动中，热量交换很小，能量分析可不考虑，因此主要通过对连续性方程和N-S方程进行求解，得出流场信息。具体方程如式(1)和式(2)所示。

式(1)为连续性方程，式(2)为N-S方程。其中，ρ为密度，u为速度，p为压力。

对方程求解采用了压力-速度耦合的SIM-PLE算法，压力和动量离散格式均采用二阶迎风格式。迭代计算中亚松弛因子保持默认。进口条件：在流道入口给不同速度值（分别对应10、20、50、75、100 mL/h），用于模拟不同冲洗速度下管道切缝的出水情况。出口条件：压力出口，表压设置为0。冲洗液是0.9%氯化钠注射液，液体密度为1004 kg/m3，工作温度为37℃。

2 结果

2.1 两种切缝设计的冲洗套管各切缝流量对比

切缝1为距离入水口最近的切缝，切缝3（或切缝5）是距离入水口最远的切缝。随着冲洗速度的增加，切缝的出水量都会随之增加；在同一冲洗速度下，切缝流量由进水口近端的切缝往远端递减。5个切缝质量流量分布更加均匀。3道切缝冲洗套管各切缝流量，见表1；5道切缝冲洗套管各切缝流量，见表2；两种管道各切缝质量流量曲线图，见图4。

表1 3道切缝冲洗套管各切缝流量 (mg/s)

表2 5道切缝冲洗套管各切缝流量 (mg/s)

图4 两种管道各切缝质量流量曲线

2.2 两种切缝设计的冲洗套管各切缝压力对比

通过计算流体力学处理后，可以得到不同冲洗速度下，各切缝处压力图，见图5和图6，表3和表4。

图5 3道切缝套管不同冲洗速度下切缝1压力图

图6 100 mL/h冲洗速度下3道缝套管各切缝压力图

表3 3道切缝冲洗管道各切缝压力 (Pa)

表4 5道切缝冲洗管道各切缝压力 (Pa)

2.3 两种设计的冲洗套管各切缝液体流速对比

由软件仿真分析可以得到，不同冲洗速度下，两种设计的冲洗套管各切缝液体流速图，本文截取了两种设计的冲洗套管，在100 mL/h的冲洗速度下，各切缝的液体流速，见图7及图8。图中箭头表示速度的方向，底部涂层颜色对应代表速度的大小。从图中可以看到每一个出口的速度分布在管子壁面附近比较低，到中心比较大，这与次流动速度、管直径、液体物性下的雷诺数有关，符合理论上管子中流动状态速度分布。同时，从图中可以看到，这两种设计的管道，在最末一个切缝出口都可以看到小范围的回流现象，这是由于管子的另一端出口被堵死，液体无法流出所致，见表5～6。

图7 100 mL/h冲洗速度下5道缝套管各切缝液体流速图

图8 100 mL/h冲洗速度下3道缝套管各切缝液体流速图

表5 3道切缝冲洗管道各切缝液体流速对比 (cm/s)

表6 5道切缝冲洗管道不同切缝液体流速对比 (cm/s)

3 讨论

近年来，PICC导管被广泛应用于临床，为需要化疗及长期肠外营养的患者提供了安全稳定的静脉输液途径。但是PICC使用过程中导致的导管相关性血栓一直是临床护理亟待解决的难题。围绕如何降低PICC相关性血栓发生率，国内外学者进行了很多研究，如选择聚氨酯与硅树脂材料降低血栓发生率、改进穿刺方法、预防性使用抗凝剂、通过主动运动或被动运动加快置管肢体血流速度等[13-16]。但这些预防措施均无法有效解决导管外壁血液成分粘附的问题。因此，本研究从改变导管本身的结构角度出发，设计了一款带冲洗功能的PICC双层导管，外层导管管壁上设计有切缝，冲洗液进入内外导管之间的管腔，管腔末端封闭，冲洗液只能从外套管切缝流出，冲刷导管外壁及血管壁，防止血液有形成分在导管外壁及血管壁的附着。PICC作为异物置入人体血管内，本身就会导致血管血流减慢，另外血管留置在体内会对血管产生机械性刺激，增厚血管内膜，加大血流阻力[17]。多项研究表明，采用不同的方式加快血液流动，可有效预防PICC相关性血栓[18-20]。新型的PICC套管通过外层导管的冲洗功能，也能有效增加置管血管的血流速度，降低导管相关性血栓发生率。

新型PICC冲洗套管设计完毕后，通过预实验发现，外套管如果切缝数目过少，则冲洗功能无法覆盖导管全长，无法达到完整的冲洗效果；如果切缝数目过多，则容易出现某些切缝无法流出冲洗液，形成无效切缝。同时，冲洗速度到达多少才能有效地增加血流速度，也尚无定论。为了挑选出最优的切缝设计方案和适宜的冲洗速度，本实验应用CFD模型模拟冲洗液在冲洗套管内的流动，比较了两种设计的套管各切缝流量、压力值及液体流速。在CFD计算中，入口设置为质量入口，切口处均设置为压力出口，其余边界设置为wall。以0.9%氯化钠注射液为介质进行数值模拟。由于流速较小，整个流动过程中流动雷诺数较小，黏性模型选择为laminar模型。压力与速度的耦合算法为Simple算法，为保证计算精度，压力和动量求解均采用二阶迎风格式。

结果显示，3道切缝设计和5道切缝设计的PICC冲洗套管都能保证各个切缝均有冲洗液流出，不存在无效切缝。在同样的冲洗速度下，3道切缝设计的冲洗套管，从切缝1到切缝3，液体流量、压力、和流速呈现递减的趋势。而5道切缝设计的冲洗管道，各切缝递减趋势较小，各切缝液体流量、压力及流速分布较均匀。为有效冲刷管道表层附着物，防止血栓形成，每个切缝均匀的出水量和速度，才能保证导管各段的冲洗效果一致，避免远端切缝冲洗效果弱于近端切缝。因此，5道切缝的设计优于3道缝的设计。

从模拟结果可以看出，虽然两种冲洗套管切缝数目不同，但是在同一冲洗速度下，切缝能达到的最大液体流速大致相同。10 mL/h冲洗速度时，切缝最大液体流速约为6 cm/s；20 mL/h工况下切缝最大液体流速约在12 cm/s；50 mL/h工况下，切缝最大液体流速约在30 cm/s；75 mL/h工况下切缝最大液体流速约在60 cm/s；100 mL/h工况下切缝最大液体流速为130 cm/s。静息状态下，腋静脉TMFV（单位时间内平均血流速度）约为9.94～11.53 cm/s[21]。周晔等通过随机对照干预实验后发现，握拳运动能加快血流速度,有效的握拳运动后，腋静脉TMVF约为（21.94±7.77）cm/s，通过有效的握拳运动，运动组的PICC血栓率低于未运动组[22]。从目前的研究中可以看出，当腋静脉TMVF增加到（21.94±7.77）cm/s时能有效地预防血栓形成。比较各冲洗速度下的液体流速，本研究中认为导管冲洗速度选择为50 mL/h比较适宜。此时液体流速约为30 cm/s接近于握拳运动对血流的影响效果。可以避免冲洗液体速度过小以至于对血流速度影响弱，也防止冲洗速度会过快影响患者循环状况。

综上所述，通过有限元分析，本研究认为5道切缝设计的新型PICC冲洗套管最优，50 mL/h为适宜的冲洗速度。但本次实验也存在一定的局限性：① 本研究将整个冲洗过程假设为了一个稳态过程，对稳态的N-S方程进行求解；② 由于流速较小，黏性模型采用了层流laminar模型，但在流速发生改变的区域模型的正确性有待下一步研究；③ 目前只模拟了冲洗套管内部的液体流动情况，没有结合套管在血管内，模拟套管对血流及血管的冲刷效果，这也是本课题下一步的实验目标；④ 有限元实验结果，尚无实物实验进行验证，下一步拟于猪身上进行动物实验，在猪身上分别置入新型PICC冲洗套管与普通PICC套管，通过血管超声探测冲洗套管冲洗对血流的影响，同时验证新型PICC冲洗套管预防血栓的效果。