ThomasPalazzolo,etal.Technologylandscapeofpediatricmechanicalcirculatorysupportdevices:Asystematicreview–.ArtificialOrgans
摘要
背景：心室辅助装置（VAD）和全人工心脏（TAH）等机械循环支持（MCS）装置已成为成人终末期心力衰竭治疗的重要选择。这类治疗方案在儿科患者中仍然有限。临床医生最初为儿科患者调整或扩展了现有的成人设备；然而，这些成人设备没有被设计成支持该群体所需的解剖结构和可变的流动容量，并且通常在设计外操作，这有发生诸如溶血和血栓形成的并发症的风险。专为儿科人群设计的旨在解决这些缺点的设备正在出现，并获得了FDA的批准。
方法：为了分析儿科MCS设备的竞争局面，我们进行了一项系统的文献综述。详细研究了约27个装置：8个为既定或先前批准的设计，19个在开发中（11个VAD、5个Fontan辅助装置和3个TAH）。
结果：尽管取得了重大进展，但仍没有一种儿科泵技术能够满足支持儿科患者独特和有区别的设计约束和要求，包括患者尺寸范围广、心血管需求随生长而增加以及先天性心脏病的解剖和生理异质性。
结论：需要前瞻性设计解决方案来克服这些挑战，并确保为儿科患者转化新的MCS治疗设备。
表1、儿科MCS设备的关键设备设计指标，按常规设备类别分类
图1、（A）系统综述过程概述，强调三个主要步骤（系统综述规划、执行和报告），以及与每个步骤相关的可交付成果。（B）量化系统文献综述的结果，说明从SIFT每个步骤中移除的文献数量
图2、除体重外，心脏血流需求随年龄的变化，采用自Connell等人的数据。
图3、柏林心脏EXCORVAD（采用自Miera等人）每种单独尺寸的理论操作范围。最新的15ml泵不包括在此图表中
图4、选定的儿科MCS设备。（A）各种规格的BerlinHeartExcorVAD，范围为10至60ml。（二）雅培HeartMateIII。（三）第五代PediaFlowVAD，配有一节AA电池用于称重。（四）小儿TORVAD装置。（五）DrexelDragonHeartTAH示意图。（F）克里夫兰儿科诊所TAH示意图。（G）来自Granegger等人的双入口双出口Fontan泵示意图。
表2、理论上的MCS设备的目标性能预期，该设备将能够在整个年龄范围内为儿科患者提供全面支持
图5、小儿血泵的设计要求实现：压力产生（A）和流量（B）。满足或超过目标要求的设备以绿色突出显示；不符合目标要求的设计以红色突出显示。DeltaStreamDP3没有指定下限，所以不知道它是否满足流量要求，设备用黄色突出显示以指示这一点。
讨论
本综述的结果表明，儿科MCS领域已取得显著进展。儿科MCS的持续创新表明，新的治疗方案正在逐步接近临床转化。本次综述中研究了约27种装置：8种为已确定或先前批准的设计，19种为正在开发中的装置（11种VAD、5种Fontan辅助装置和3种TAH）。儿科MCS的设计约束条件（如目标大小）通常根据体外或植入式MCS的目标支持持续时间（急性或慢性）和临床目标确定。插管连接器的选择由选项和解剖结构决定。表2列出了儿科MCS设备的目标基准性能预期。使用这些综述数据，我们评估了这些泵在多大程度上满足了儿科患者的压力流量要求。图5显示了每种儿科VAD的压力和流量产生范围。如这里所见，大多数设备很好地满足了压力上升要求（图5A），但考虑到报告的流量范围（图5B），存在性能差距。可对转速等因素进行调节，以产生更高的流量，但这些变化很可能会将设备移至非设计工作状态，从而带来生理风险（溶血和血栓形成）。本评估确定，由于患者尺寸范围广泛、心血管需求随生长而增加以及先天性心脏病的解剖和生理异质性，目前还没有一种儿科泵能够满足独特的设计约束和要求。根据本综述，Throckmorton等人推荐了可集成到新型儿科设备中的潜在设计创新，从而解决了这些设计缺陷，对此我们已进行了详细阐述：
1.针对特定疾病的个性化儿科设计：儿科MCS的研发格局激发了对医学成像数据的使用，以虚拟方式评估设备适用性、设备设计、组件放置、植入策略以及套管尺寸/设计和连接。这种方法，结合3D打印和添加/先进制造技术的革命性优势，缩短了设计-构建-测试-翻译的创新开发周期，同时为以人为本和富有同情心的设计方法提供了手段。我们现在有手段创新和开发专门针对儿童患者及其病理的设备，并且有能力随时运用科学和工程知识，为心脏病儿童患者治疗中的设备设计和临床决策提供信息。
2.自适应设计组件：传统旋转泵设计通常为刚性装置，带有固定叶片叶轮，在单一设计工作点产生流线型血流。除转速外，部件和叶片不具备自适应性。已知固定叶片泵在非设计运行条件下会出现流量控制减弱的问题；小儿心血管系统中的血流是动态的和瞬时的，使得血泵在大部分心动周期中将不能按设计操作，这增加了溶血和血栓形成的风险。血流控制可通过在叶轮设计（即风力涡轮机、帆船）中实施受控的桨距调节叶片特性来改善。在患者支撑期间动态调整叶片节距可减少不规则血流，并增强非设计手术期间的压力产生。新型儿科设备设计也正在出现，其特点是创新性地纳入了独特的作用机制，如柔性膜和基于微流体的泵送机制。
3.电力驱动系统、可穿戴设备和无线技术：AC和DC电力驱动系统的设计创新将继续支持儿科泵技术，以减小尺寸和功耗。新电机-磁性轴承驱动系统的实现使轴承在电机动力学和转子稳定性/支撑方面具有双重功能。混合或组合电机-磁性轴承继续推动创新的边界，流体动力轴承和陶瓷轴承也成为血泵越来越可行的选择。这些轴承可减少磨损，从而延长设备的使用寿命，并在旋转和固定表面之间提供更宽的间隙，从而减轻流体应力，降低血栓形成和溶血的风险。材料科学和工程领域不断创新轻质和更便携的综合材料，将其制成可穿戴组件（即控制器、电池组、支架套）。可穿戴电子设备可以集成到儿科泵组件中，以检测、分析和传输生命体征和活动数据，从而改善临床管理。此外，使用共面电感耦合能量系统或通过磁场的高效谐振耦合电路的无线电力系统可以消除腹部驱动线。
4.接触表面涂层和修饰：小儿血细胞对血泵中流体应力的反应性在很大程度上仍是未知的。据了解，血细胞比容可能因患有心血管疾病状态的儿科患者而异，因此血液粘度和细胞体积也可能存在显著差异。生物涂层、生物材料和表面改性方面的创新可以提高血液相容性。最近的研究考虑了基于航空航天创新的超疏水表面特性和粗糙表面改性，以促进细胞沿壁滑动。具有药物洗脱和免疫工程特性的生物涂层是新兴的选择。表面修饰的替代策略包括仿生表面（包括肝素、一氧化氮和凝血酶抑制剂）、具有磷酸胆碱或白蛋白的生物辅助表面以及血液接触表面的内皮化。
5.配置和操作多功能性：为了在使用中提供多功能性，可以将儿科设备配置为容纳多个串联或并联的血泵。这些泵可在生长周期的不同时间启动，以适当增加儿童或年轻成人的压力和流量。由于尚不完全了解脉动血流的必要性或儿科患者中慢性连续流MCS的含义，因此需要能够同时输送脉动流和稳定流的设备。可以采用新的控制算法来调节小儿血泵的转速，从而产生连续或脉动的压力和流量条件。具有多用途功能的儿科MCS设备（即在可植入和体外支持情况下均可作为RVAD、LVAD和TAH的设备）将为面临一系列心血管挑战的儿科患者提供多维度治疗策略。
尽管儿科MCS技术的发展取得了进展，但仍需开展更多研究，以告知更广泛的科学界和医学界，并激发针对这些患者的技术和医疗设备的创新。作为一个社区，我们认识到这一使命的重要性，提高对这一使命的认识，并致力于创新、改善和向儿童提供高质量的患者护理。
结论
总之，本系统综述表明，过去10年来，儿科MCS领域取得了进展，该领域新兴创新的前景看好，临床上将实现新的治疗方案。研究了27个装置，其中8个是已建立或先前批准的设计，19个正在开发中（11个VAD、5个Fontan辅助装置和3个TAH）。尽管取得了重大进展，但仍没有一种儿科泵技术能够满足独特的设计约束和要求，为整个年龄范围内的儿科患者以及先天性心脏病的解剖和生理异质性提供支持。我们必须继续为成千上万迫切需要安全有效的替代疗法的儿童而不懈努力。
译者：田苗
编辑：黄琰