摘要综述了近年来机械瓣空化的研究状况，讨论了有关研究方法，总结了机械瓣空化的研究成果，指出了机械瓣空化研究趋势。

Progress in Studies on Cavitation of Mechanical Heart Valve

He ZhaomingXi BaoshuZhu Keqin

Department of Engineering Mechanics, Tsinghua University, Beijing100084

AbstractThis paper reviews the researches on cavitation of mechanical heart valve in recent years and presents a discussion on the research methods.The achievements are summarized and the prospects of further research on cavitation in mechanical heart valve are brought forth.

Key wordsMechanical heart valveCavitationHemodynamics

1引言

所谓空化^［1］(cavitation)就是由于压强降低使液体汽化的过程。空化原理为：液体内部含有称为气核(nuclei)的很小的气泡，当液体温度不变，压强降低到某临界点，液体中气核将迅速膨胀成为明显的空泡(bubble)。当空泡流经高于临界压力值的区域时，空泡将发生溃灭(collapse)，空泡溃灭时可能会产生空蚀(cavitation damage)。空蚀的现象是：空泡在近固体边壁的高压区受到压缩并迅速溃灭，溃灭过程中产生高速微射流，这股微射流将猛烈冲击固体表面并引起固体材料的破坏，多次这种作用导致过流部件表面形成微小密集的凹坑，这类似于滴水穿石。

自60年代人工心瓣成功地植入人体后，人工心瓣已经发展成许多类型，按制造材料来分，人工心瓣分为生物瓣和机械瓣两大类。到目前为止，生物瓣的空蚀尚无报道，但机械瓣的空蚀近年来已有发现，空蚀一般发生在被植入的机械二尖瓣上。

机械瓣的空蚀最初在其体外试验中发现^［2］，当时人们认为机械瓣或左心辅助装置的空蚀是由加速试验所致，在正常的生理条件下可能没有空蚀发生。1988年研究人员检验了从病人体内取出的机械瓣，他们发现在热解碳材料的表面出现了类似于空蚀所造成的凹坑^［3］，这个事实为人体内机械瓣的空蚀提供了有力的证据。

机械瓣发生空化对移植者有危害。首先，机械瓣空化能导致溶血。1981年Freed等^［4］用在血液中的振荡活塞造成空化的方法研究了空化对血液成分的破坏作用，他发现空化大大地损坏空化区域附近的红细胞、血小板，甚至在低强度的空化也超过了人体血液的忍受限度。1993年Lamson等^［5］研究了绕机械瓣的前向流、回流和关闭三种流态分别对血液的破坏程度，同时又研究了机械瓣的不同空化历时对血液的破坏。以溶血率作为血液破坏指标，发现空化所产生的溶血率远远高于各种流动剪切应力造成的溶血率。1994年Garrison等^［6］的研究表明空化对猪血有溶血作用。近年来也出现了有关强超声波在体内造成的空化对血细胞造成伤害的报道。其次，机械瓣的空蚀能造成血栓。通常机械瓣的表面被磨得很光亮以防止血细胞附着，但机械瓣空蚀凹坑使之粗糙度增加，滋长了血栓的趋势，这对机械瓣移植者的健康和生命构成潜在的威胁。再者，机械瓣空蚀能导致其结构破坏。空蚀所造成的凹坑可能是强度最薄弱之处，初生裂纹最有可能在此产生^［7］，随着空蚀的加剧和心瓣在关闭时的水击作用，材料产生疲劳并使裂纹增长，最终导致心瓣的彻底损坏。1994年Richard等^［8］在超过空化阀值的条件下做了机械瓣的空蚀试验，在试验中，每隔100万次取下心瓣，放在扫描电子显微镜下观察空蚀的严重程度。试验结果表明：材料裂纹从空蚀凹坑的边缘处产生并向外延伸。

机械瓣空化研究具有重要的临床意义。首先，该问题的研究可以发现空化的原因，制造商可以有针对性地改进机械瓣设计，改善心瓣流体动力学性能，避免或减轻空化，把它的危害降低到最低限度，从而提高机械瓣的可靠性。其次，机械瓣空化研究可以使我们发现适合机械瓣制造的抗空蚀材料，用以提高机械瓣的强度和耐久性，同时消除或减轻血栓的隐患。最后，机械瓣空化的研究可以为制造商和使用部门提供理论和应用指导，建立合理的心瓣空化检验手段和评价指标，并对机械瓣空化进行预测，最终筛选出合格的产品。

机械瓣空化的研究是一个很有意义的新课题，虽然空化造成的事故发生率只有0.002%^［9］，但该问题自1988年被发现以来一直受到人工心瓣生产厂商、生物医学工程研究人员和政府部门的重视。美国食品与药品管理局(FDA)于1994年在美国迈阿密召开专门的机械瓣空化研讨会并将机械瓣空化趋势(cavitation potential)作为一项机械瓣检验指标。本文要介绍国外90年代以来所做的机械瓣空化的研究工作。

2机械瓣空化试验研究

由于空间小，空化时间短暂，机械瓣空化研究是一个十分困难的课题，至今还在不断探索中。

2.1机械瓣空化可视化技术

机械瓣空化在瓣关闭瞬时产生。当心室收缩时，心室压力升高，在回流作用下，机械二尖瓣开始关闭，在其关闭的瞬时，机械二尖瓣的心房侧(入流侧)紧靠瓣叶表面处有时会有云状空泡群或个别游移空泡出现^［10］，当空泡在瓣表面处溃灭时就会对其表面造成空蚀。这种液体空化现象从空泡产生、发展到溃灭，其全过程为ms甚至μs数量级，而且是随机的，空泡的直径也不到2 mm^［2，3］，这些事实给空化的研究带来极大的困难。

通常研究空化的手段是采用光学方法，即人们依赖高速摄影来观察空化这一短暂过程，依靠肉眼观察照片来判断液体中有无空泡的出现。1977年Tokuno拍摄了人工心脏中Lillehei-Kaster斜碟瓣上的空化现象^［3］。这种高速摄影方法的代价比较大，胶片的后处理工作在时间上滞后，而且图像处理还需要人工直接判读，所以到1991年Lamson等^［10］发展了实时观察技术(Realtime Observation Technique)，这种技术是使用CCD瞬时成像并存储单帧画面于计算机内存中。1991年Stinebring等类似于Lamson的做法采用触发闪光技术(Stroboscopic Lighting Technique)，他在黑暗环境里布置普通照相机，其快门保持打开，镜头焦距对准机械的入流侧，用闪光灯照亮机械瓣以使胶片曝光成像。为了准确地抓拍到空泡，以及与空化发生有关的事件作为参考初始时刻，经过可调延时电路再触发闪光灯，调整不同延时所获得的一系列照片就表示空化发生的过程。这种拍摄单张照片方法的优点是后处理简单迅速，其缺点是这种方法只能观察不同空化周期的空化过程。如果用CCD拍摄，图像的分辨率受到CCD点阵的限制，通常不是很高。

Lamson等用实时观察技术拍摄了MH斜碟瓣关闭时空泡，他们发现心瓣的空化有三种(1)空泡空化：在阻塞体表面任何地方；(2)旋涡Ⅰ空化：在挡座部位，呈新月形状；(3)旋涡Ⅱ空化：在阻塞体中心。空化周期都不超过1 ms。1996年Lee用触发闪光技术对MH斜碟瓣Φ27，Φ29进行观察，他发现在挡座出现云状空泡，在周边缝隙处也产生空化现象。这一现象支持挤压流动产生空化的理论。

2.2空化时心房压力特性

发生空化根本原因是液体压力低于某个临界压力，这个压力通常为液体的饱和蒸气压力，并且空泡的膨胀和溃灭都伴随压力脉动，所以压力是影响空化最重要的指标。

1994年Garrison等^［6］用高频动态压力传感器测量了机械瓣关闭后的压力降，传感器装在距瓣4.5 mm处，他测到了高频压力脉动，1995年Wu等^［11］用Φ2.5 mm、自然频率250 kHz的压力传感器探针伸至距阻塞体1 mm处，测量了动态压力过程。他们发现瓣关闭后的高频压力脉动，并认为压力脉动由心瓣空化时空泡的溃灭产生。Wu等人表示心瓣关闭时的高频压力脉动与空化有较好的相关性并可被用来作为检测手段。1996年Lee等^［3］用直径Φ1.5 mm、自然频率250 kHz 的超小型压力传感器，测量了瓣后压力。测量结果表明：除了流体减速效应以外，挤压流动是空化的另一个主要原因。流动减速效应在载荷率较高时能产生低于-700 mmHg的压力，仅仅这种效应就足以产生空化。1996年Sneckenberger^［12］等研究了瓣在关闭时刻心房的高频压力脉动与空化程度的关系，并以此为基础研究了不同泄漏程度(均符合临床应用标准)的瓣的心房高频压力脉动，研究表明：空化程度与瓣关闭时的心房压力脉动有很大的相关性，建议用均方根(root mean square)来衡量压力脉动^［6］。1996年Zapanta等^［13］将装有B-S斜碟瓣的左心辅助装置植入4只牛的体内，通过二尖瓣入口的压力传感器测得与离体试验类似的心瓣关闭产生的压力脉动，用RMS指标推测心瓣在牛的体内发生空化。

2.3空化时的心房声波及模型试验

当选用动物血液作为模拟流体或在体试验时，由于这些流体是不透明的，因此，用光学方法观察空化就不适用，由于空泡的产生和溃灭都会产生超声，所以有些学者尝试采用空化声波来探测空化。Herman等^［14］用记录械机瓣关闭时空化产生的声波并努力建立声波与空化的相关关系。在试验中，他在心房侧安装了一个小型水听器用以记录心瓣空化产生的声音，分析了由于空泡溃灭造成的宽带噪音的高频声波的能量转换，结果表明：空化对高频声波能量影响不大<