Fontan手術有利于改善功能性單心室患兒的生存質量，但Fontan手術并沒有創建一個正常的循環，各種挑戰依然存在。不僅患兒早期死亡風險高居不下，并且存在各種遠期并發癥的風險，嚴重影響患兒的長期生存。雖然新技術和新療法的出現，使更多的單心室患兒存活到成年，但Fontan循環的局限性日益明顯。近年來，隨著旨在解決Fontan循環局限性的腔-肺輔助裝置的研究開發，在現有的全腔靜脈肺動脈連接下，提供更加穩定、有效的雙心室化血流。這不僅有利于早期手術修復，也有利于Fontan手術遠期并發癥的治療，具有良好的應用前景。
引用本文： 袁海云, 陳寄梅, 莊建. Fontan循環腔-肺輔助裝置的研究進展. 中國胸心血管外科臨床雜志, 2016, 23(7): 728-731. doi: 10.7507/1007-4848.20160174 復制
自1971年Fontan[1]和Kreutzer[2]報道Fontan手術以來，拯救了大量的功能性單心室的患兒。隨著手術技巧的進步和術后監護措施的發展，越來越多的功能性單心室患兒得以存活到成年。患兒生存時間延長，Fontan循環的局限性和遠期并發癥開始顯現，極大地影響了患兒的生存率和生存質量。為解決上述問題，de Leval提出了動力性Fontan概念[3]。在過去的幾十年里，動力性Fontan循環腔-肺輔助裝置的研究取得了長足進步。本文就Fontan循環腔-肺輔助裝置的研究現狀、評估方法和動力問題進行綜述，為最終研發出更符合動力性Fontan循環生理需求的裝置奠定基礎，其具有重要的臨床價值和意義。
1 Fontan循環的相關背景
Fontan[1]報道的Fontan手術采用的是縫閉三尖瓣環和房間隔缺損，將右心耳與左肺動脈吻合，上腔靜脈與右肺動脈吻合。由于早期Fontan手術易導致右心房惡性擴大，隨后采用心房內管道將下腔靜脈血引流入右肺動脈[4]或直接采用心房外人工管道將下腔靜脈血引流入肺循環[5]，以改善Fontan循環病理性的血流動力學。
所有Fontan循環有一個共同的特點就是僅有單個功能心室維持體循環所需的動能，肺循環則依靠上、下腔靜脈與左心房的壓力差將血液被動導入肺動脈，然后經過肺血管床回流至左心房[6]。正是因為Fontan循環中心靜脈壓高、心室前負荷大以及肺灌注不足的特點，導致了各種遠期并發癥的發生，例如：心律失常、心衰、血栓、蛋白丟失性腸病、肝功能異常及神經系統并發癥等。Fontan循環還影響患者的肺及全身的血管發育[7-8]，影響心室的收縮和舒張[9]，這些都加速了Fontan循環衰竭，心臟移植不可避免。
隨著動力性Fontan概念的提出[3]，即為Fontan腔-肺循環加一個動力裝置以促進中心靜脈的血液流入肺部。各種Fontan循環腔-肺輔助裝置的前期動物實驗和臨床研究得以開展[10-13]，積累了大量的研究基礎。此外，還有研究表明中心靜脈與左房壓差在6 mm Hg或以上即可推動血液流經肺血管床[14]，
為進一步開發Fontan循環腔-肺輔助裝置提供了理論基礎。Fontan循環腔-肺輔助裝置能為功能性單心室患者提供穩定、有效的雙心室化血流，更符合正常人的生理狀態。雖然目前Fontan循環腔-肺輔助裝置距離臨床實際應用還有一段距離，但其是Fontan 手術的改進和發展方向。
2 腔-肺輔助裝置的研究進展
2.1 泵
2.1.1 離心泵
離心泵作為Fontan循環腔-肺輔助裝置的研究起步較早。早在2004年，Rodefeld等[15]使用羊做動物模型并用微型離心泵輔助腔-肺循環 8h。所有實驗動物的低氧血癥，受損的舒張冠狀動脈灌注和心室容量負荷過重均得以緩解，僅平均肺動脈壓和肺血管阻力輕度增加。經過逐步改進，粘性葉輪泵更利于Fontan循環腔-肺輔助，旋轉的粘性葉輪泵最大可以產生10 mm Hg的壓力，且植入該裝置的創傷非常小，極大改善了Fontan循環的血流動力學[12, 16-17]。暫無在人身上使用離心泵Fontan循環腔-肺輔助的報道，且離心泵接觸血液面積較大，對血液成分破壞明顯，不利于長期植入。僅Niebler [18]和Ricci等[19]報道在Fontan循環衰竭時使用HeartWare或TandemHeart離心泵進行全心輔助（心室至主動脈）進行過渡，3例患兒均取得了良好效果。
2.1.2 類羅葉泵
類羅葉泵類羅葉泵是一種與羅葉泵原理相似的搏動性泵，以柏林心為代表。柏林心可用于單心室患者的左心、右心或雙心室輔助，輔助時間可以長達近一年。術后出血和感染是影響其輔助效果的主要因素[11, 20-21]，暫未見柏林心直接用于Fontan循環腔-肺輔助的報道，而多用于Fontan循環衰竭行心臟移植前的過渡。Valdovinos等[22]研發了一種囊狀Fontan循環腔-肺輔助裝置，通過外力壓縮囊袋來促進血液流動，囊袋加用兩個閥門可產生16 mm Hg的壓力和180 ml/min的流量，使中心靜脈壓維持在8.5 mm Hg以下。Yamada等[23]采用形狀記憶合金線圈包繞在下腔靜脈連接右肺動脈的心外管道上，通過記憶合金的收縮和舒張產生管道壓力，促進管道內血液流動。該裝置可以產生最大約60 mm Hg的壓力和1.5 L/min的流量。Valdovinos和Yamada研發的搏動性Fontan循環腔-肺輔助裝置雖然尚處于初級階段，但由于前期動力數據比較理想，且與血液接觸面積小以及搏動性血流更符合人肺循環生理，應為今后研究開發的重點方向。
2.1.3 軸流泵
軸流泵是Fontan循環腔-肺輔助裝置中研發較為成熟的。2003年Rodefeld等[24]在羊Fontan動物模型的上、下腔內分別置入一個軸流泵輔助6 h，所有動物術后血流動力學穩定，無需使用容積負荷、正性肌力藥物或肺血管擴張劑治療。Boni等[25]使用Thoratec Heart Mate Ⅱ泵進行Fontan循環腔-肺輔助，效果滿意，但長期抗凝的問題仍然沒有解決。Haggerty [26]和Zhu等[13]使用線性可彎曲軸流泵進行Fontan循環腔-肺輔助，這種泵植入方式簡單、創傷小，但可能面臨動力相對不足。Tahir等[27]研發的Fontan循環腔-肺輔助裝置對血液成分破壞小，可產生1～8.5 mm Hg的壓力和1～4 L/min的流量，效果較滿意。Derk等使用Jarvik 2000進行Fontan循環腔-肺輔助，該裝置的植入無需體外循環，僅用于Fontan循環行心臟移植前的腔-肺輔助。軸流泵的研究雖然較為成熟，但僅限于動物實驗，目前仍沒有一款可直接用于人體的腔-肺輔助軸流泵。對血液成分的破壞、長期植入抗凝以及與心室不匹配等問題影響到該類裝置在Fontan循環腔-肺輔助領域的研發前景。
2.1.4 其它研究
除了上述各種泵之外，前人還進行了其它腔-肺輔助方式的探索。1985年Guyton等[28]采用間歇擠壓患者腹部的方法促進Fontan循環靜脈回流。1987年Milliken等[29]用下肢擠壓技術促進Fontan循環靜脈回流。1987年Jacobs等[30]使用心房內球囊擴張的方法進行Fontan循環腔-肺輔助。Kilner等[31]認為Fontan循環腔-肺連接單純置入瓣膜是不可行的，導致體循環回流受阻。Kocyil-dirim等[32]采用改進的體外反搏裝置促進Fontan循環的靜脈回流。Esmaily-Moghadam等[33]通過在右側無名動脈和上腔靜脈間建立連接通道，并將通道修剪成漏斗狀，高速動脈血流形成噴射泵以提高Fontan循環腔-肺連接通道血流。這些探索同樣為Fontan循環腔-肺輔助裝置的研究提供了很好的經驗借鑒。
2.2 腔-肺輔助裝置的評估方法
隨著Fontan循環腔-肺輔助裝置研究的進行，相關研究評估方法也得到了長足的進步。Pekkan等[34]建立單心室循環的搏動集總參數模型來指導泵的初步設計研究。Dur等[35]通過建立一個臺式搏動性小兒血流環路來模擬Fontan循環，借以評估Medos和Pediaflow Gen-0兩種不同小兒心室輔助裝置的優劣。Chopski等[36-37]通過發光粒子的血流圖像評估Fontan循環軸流泵的優劣。Durham等[38]和Throckmorton等[39]通過建立計算機模型來預測HeartMate Ⅱ適合哪些單心室患者以及植入設備前需要解決的臨床問題。Iliff等[40]用超聲評估粘性葉輪泵進行Fontan循環腔-肺輔助的效果。Di Molfetta等[41]開發和測試一種集總參數模型，用以評估心室輔助裝置的植入效果和幫助Fontan患者個性化選擇心室輔助裝置。評估方法的進步促進了Fontan循環腔-肺輔助裝置的研發，但評估一種腔-肺輔助裝置的優劣需結合器官損害、出血、感染和長期抗凝等多種因素，仍需要發展更多的Fontan循環動物模型和評估方法。
2.3 腔-肺輔助裝置的動力
Fontan循環腔-肺輔助系統包括泵、動力系統、控制系統以及管道連接設計，動力系統是其重要的一環。按動力是否位于血管腔內分為管外動力和管內動力，類羅葉泵為管外動力，而軸流泵和離心泵為管內動力。管外動力的泵裝置往往擁有更小的血液接觸面積[22-23]。按動力來源分為外動力和內動力，外部動力來源的為外動力，自身動力來源的為內動力。Fontan循環腔-肺輔助系統起步較晚，多受左心室輔助系統的影響，所以Fontan循環腔-肺輔助系統均采用外動力[11-13]，但Fontan循環腔-肺輔助所需動能遠小于左心輔助[14]，內動力的研究值得期待。此外，外動力還需良好的控制系統，控制系統不佳將限制腔-肺輔助裝置的臨床應用，導致腔-肺輔助與機體不匹配，進而影響患者生存。肌肉泵雖屬于內動力[10, 42]，但建立該泵創傷較大，且無法保證長期產生節律性收縮功能，遠期效果欠佳。發展和設計更理想的管外、內動力驅動泵將是研究者共同努力的方向。
3 動力性Fontan手術的展望
雖然Fontan手術拯救了大量的功能性單心室的患兒，但關于該術式的有效性爭論一直沒有停過。目前普遍認為Fontan手術是一種姑息手術，是一種需要繼續改進的術式。自1998年de Leval提出了動力性Fontan概念以來[3]，與動力性Fontan手術密切相關的腔一肺輔助裝置的研發取得了長足進步，為Fontan手術轉變為治愈性術式提供了可能。但是，由于Fontan循環腔-肺輔助裝置的出現晚于左心輔助裝置，既往Fontan循環腔-肺輔助裝置研發思路受左心輔助裝置影響，左心輔助和Fontan循環腔-肺輔助裝置的設計理念是應該有差別的[14]。一種專門為Fontan循環腔-肺輔助而設計的管外、內動力驅動裝置值得期待。管外、內動力驅動裝置可以為肺部提供搏動性前向血流，促進肺血管床發育，改善Fontan循環患者的肺部灌注。當全身血氧飽和度及中心靜脈壓得以改善，患者的生存率和生存質量得到極大的提高。除此之外，Fontan循環腔-肺輔助的研發還可以擴大單心室Fontan手術的適應證，減少分期手術帶來的風險。隨著國家科技投入的增加，對新醫療器械審評審批制度改革及3D打印技術在生物醫藥領域的應用，研發更適合國人的、具有自主知識產權的、可永久植入以及具有良好組織相容性的Fontan循環腔-肺輔助裝置成為可能。具有自主知識產權的Fontan循環腔-肺輔助裝置還可打破國外對該領域的價格壟斷，降低醫療成本。進一步通過成立多中心Fontan循環腔-肺輔助裝置使用數據庫[43]，不斷改進Fontan循環腔-肺輔助裝置，動力性Fontan手術終會實現，成為單心室患者的理想術式。
自1971年Fontan[1]和Kreutzer[2]報道Fontan手術以來，拯救了大量的功能性單心室的患兒。隨著手術技巧的進步和術后監護措施的發展，越來越多的功能性單心室患兒得以存活到成年。患兒生存時間延長，Fontan循環的局限性和遠期并發癥開始顯現，極大地影響了患兒的生存率和生存質量。為解決上述問題，de Leval提出了動力性Fontan概念[3]。在過去的幾十年里，動力性Fontan循環腔-肺輔助裝置的研究取得了長足進步。本文就Fontan循環腔-肺輔助裝置的研究現狀、評估方法和動力問題進行綜述，為最終研發出更符合動力性Fontan循環生理需求的裝置奠定基礎，其具有重要的臨床價值和意義。
1 Fontan循環的相關背景
Fontan[1]報道的Fontan手術采用的是縫閉三尖瓣環和房間隔缺損，將右心耳與左肺動脈吻合，上腔靜脈與右肺動脈吻合。由于早期Fontan手術易導致右心房惡性擴大，隨后采用心房內管道將下腔靜脈血引流入右肺動脈[4]或直接采用心房外人工管道將下腔靜脈血引流入肺循環[5]，以改善Fontan循環病理性的血流動力學。
所有Fontan循環有一個共同的特點就是僅有單個功能心室維持體循環所需的動能，肺循環則依靠上、下腔靜脈與左心房的壓力差將血液被動導入肺動脈，然后經過肺血管床回流至左心房[6]。正是因為Fontan循環中心靜脈壓高、心室前負荷大以及肺灌注不足的特點，導致了各種遠期并發癥的發生，例如：心律失常、心衰、血栓、蛋白丟失性腸病、肝功能異常及神經系統并發癥等。Fontan循環還影響患者的肺及全身的血管發育[7-8]，影響心室的收縮和舒張[9]，這些都加速了Fontan循環衰竭，心臟移植不可避免。
隨著動力性Fontan概念的提出[3]，即為Fontan腔-肺循環加一個動力裝置以促進中心靜脈的血液流入肺部。各種Fontan循環腔-肺輔助裝置的前期動物實驗和臨床研究得以開展[10-13]，積累了大量的研究基礎。此外，還有研究表明中心靜脈與左房壓差在6 mm Hg或以上即可推動血液流經肺血管床[14]，
為進一步開發Fontan循環腔-肺輔助裝置提供了理論基礎。Fontan循環腔-肺輔助裝置能為功能性單心室患者提供穩定、有效的雙心室化血流，更符合正常人的生理狀態。雖然目前Fontan循環腔-肺輔助裝置距離臨床實際應用還有一段距離，但其是Fontan 手術的改進和發展方向。
2 腔-肺輔助裝置的研究進展
2.1 泵
2.1.1 離心泵
離心泵作為Fontan循環腔-肺輔助裝置的研究起步較早。早在2004年，Rodefeld等[15]使用羊做動物模型并用微型離心泵輔助腔-肺循環 8h。所有實驗動物的低氧血癥，受損的舒張冠狀動脈灌注和心室容量負荷過重均得以緩解，僅平均肺動脈壓和肺血管阻力輕度增加。經過逐步改進，粘性葉輪泵更利于Fontan循環腔-肺輔助，旋轉的粘性葉輪泵最大可以產生10 mm Hg的壓力，且植入該裝置的創傷非常小，極大改善了Fontan循環的血流動力學[12, 16-17]。暫無在人身上使用離心泵Fontan循環腔-肺輔助的報道，且離心泵接觸血液面積較大，對血液成分破壞明顯，不利于長期植入。僅Niebler [18]和Ricci等[19]報道在Fontan循環衰竭時使用HeartWare或TandemHeart離心泵進行全心輔助（心室至主動脈）進行過渡，3例患兒均取得了良好效果。
2.1.2 類羅葉泵
類羅葉泵類羅葉泵是一種與羅葉泵原理相似的搏動性泵，以柏林心為代表。柏林心可用于單心室患者的左心、右心或雙心室輔助，輔助時間可以長達近一年。術后出血和感染是影響其輔助效果的主要因素[11, 20-21]，暫未見柏林心直接用于Fontan循環腔-肺輔助的報道，而多用于Fontan循環衰竭行心臟移植前的過渡。Valdovinos等[22]研發了一種囊狀Fontan循環腔-肺輔助裝置，通過外力壓縮囊袋來促進血液流動，囊袋加用兩個閥門可產生16 mm Hg的壓力和180 ml/min的流量，使中心靜脈壓維持在8.5 mm Hg以下。Yamada等[23]采用形狀記憶合金線圈包繞在下腔靜脈連接右肺動脈的心外管道上，通過記憶合金的收縮和舒張產生管道壓力，促進管道內血液流動。該裝置可以產生最大約60 mm Hg的壓力和1.5 L/min的流量。Valdovinos和Yamada研發的搏動性Fontan循環腔-肺輔助裝置雖然尚處于初級階段，但由于前期動力數據比較理想，且與血液接觸面積小以及搏動性血流更符合人肺循環生理，應為今后研究開發的重點方向。
2.1.3 軸流泵
軸流泵是Fontan循環腔-肺輔助裝置中研發較為成熟的。2003年Rodefeld等[24]在羊Fontan動物模型的上、下腔內分別置入一個軸流泵輔助6 h，所有動物術后血流動力學穩定，無需使用容積負荷、正性肌力藥物或肺血管擴張劑治療。Boni等[25]使用Thoratec Heart Mate Ⅱ泵進行Fontan循環腔-肺輔助，效果滿意，但長期抗凝的問題仍然沒有解決。Haggerty [26]和Zhu等[13]使用線性可彎曲軸流泵進行Fontan循環腔-肺輔助，這種泵植入方式簡單、創傷小，但可能面臨動力相對不足。Tahir等[27]研發的Fontan循環腔-肺輔助裝置對血液成分破壞小，可產生1～8.5 mm Hg的壓力和1～4 L/min的流量，效果較滿意。Derk等使用Jarvik 2000進行Fontan循環腔-肺輔助，該裝置的植入無需體外循環，僅用于Fontan循環行心臟移植前的腔-肺輔助。軸流泵的研究雖然較為成熟，但僅限于動物實驗，目前仍沒有一款可直接用于人體的腔-肺輔助軸流泵。對血液成分的破壞、長期植入抗凝以及與心室不匹配等問題影響到該類裝置在Fontan循環腔-肺輔助領域的研發前景。
2.1.4 其它研究
除了上述各種泵之外，前人還進行了其它腔-肺輔助方式的探索。1985年Guyton等[28]采用間歇擠壓患者腹部的方法促進Fontan循環靜脈回流。1987年Milliken等[29]用下肢擠壓技術促進Fontan循環靜脈回流。1987年Jacobs等[30]使用心房內球囊擴張的方法進行Fontan循環腔-肺輔助。Kilner等[31]認為Fontan循環腔-肺連接單純置入瓣膜是不可行的，導致體循環回流受阻。Kocyil-dirim等[32]采用改進的體外反搏裝置促進Fontan循環的靜脈回流。Esmaily-Moghadam等[33]通過在右側無名動脈和上腔靜脈間建立連接通道，并將通道修剪成漏斗狀，高速動脈血流形成噴射泵以提高Fontan循環腔-肺連接通道血流。這些探索同樣為Fontan循環腔-肺輔助裝置的研究提供了很好的經驗借鑒。
2.2 腔-肺輔助裝置的評估方法
隨著Fontan循環腔-肺輔助裝置研究的進行，相關研究評估方法也得到了長足的進步。Pekkan等[34]建立單心室循環的搏動集總參數模型來指導泵的初步設計研究。Dur等[35]通過建立一個臺式搏動性小兒血流環路來模擬Fontan循環，借以評估Medos和Pediaflow Gen-0兩種不同小兒心室輔助裝置的優劣。Chopski等[36-37]通過發光粒子的血流圖像評估Fontan循環軸流泵的優劣。Durham等[38]和Throckmorton等[39]通過建立計算機模型來預測HeartMate Ⅱ適合哪些單心室患者以及植入設備前需要解決的臨床問題。Iliff等[40]用超聲評估粘性葉輪泵進行Fontan循環腔-肺輔助的效果。Di Molfetta等[41]開發和測試一種集總參數模型，用以評估心室輔助裝置的植入效果和幫助Fontan患者個性化選擇心室輔助裝置。評估方法的進步促進了Fontan循環腔-肺輔助裝置的研發，但評估一種腔-肺輔助裝置的優劣需結合器官損害、出血、感染和長期抗凝等多種因素，仍需要發展更多的Fontan循環動物模型和評估方法。
2.3 腔-肺輔助裝置的動力
Fontan循環腔-肺輔助系統包括泵、動力系統、控制系統以及管道連接設計，動力系統是其重要的一環。按動力是否位于血管腔內分為管外動力和管內動力，類羅葉泵為管外動力，而軸流泵和離心泵為管內動力。管外動力的泵裝置往往擁有更小的血液接觸面積[22-23]。按動力來源分為外動力和內動力，外部動力來源的為外動力，自身動力來源的為內動力。Fontan循環腔-肺輔助系統起步較晚，多受左心室輔助系統的影響，所以Fontan循環腔-肺輔助系統均采用外動力[11-13]，但Fontan循環腔-肺輔助所需動能遠小于左心輔助[14]，內動力的研究值得期待。此外，外動力還需良好的控制系統，控制系統不佳將限制腔-肺輔助裝置的臨床應用，導致腔-肺輔助與機體不匹配，進而影響患者生存。肌肉泵雖屬于內動力[10, 42]，但建立該泵創傷較大，且無法保證長期產生節律性收縮功能，遠期效果欠佳。發展和設計更理想的管外、內動力驅動泵將是研究者共同努力的方向。
3 動力性Fontan手術的展望
雖然Fontan手術拯救了大量的功能性單心室的患兒，但關于該術式的有效性爭論一直沒有停過。目前普遍認為Fontan手術是一種姑息手術，是一種需要繼續改進的術式。自1998年de Leval提出了動力性Fontan概念以來[3]，與動力性Fontan手術密切相關的腔一肺輔助裝置的研發取得了長足進步，為Fontan手術轉變為治愈性術式提供了可能。但是，由于Fontan循環腔-肺輔助裝置的出現晚于左心輔助裝置，既往Fontan循環腔-肺輔助裝置研發思路受左心輔助裝置影響，左心輔助和Fontan循環腔-肺輔助裝置的設計理念是應該有差別的[14]。一種專門為Fontan循環腔-肺輔助而設計的管外、內動力驅動裝置值得期待。管外、內動力驅動裝置可以為肺部提供搏動性前向血流，促進肺血管床發育，改善Fontan循環患者的肺部灌注。當全身血氧飽和度及中心靜脈壓得以改善，患者的生存率和生存質量得到極大的提高。除此之外，Fontan循環腔-肺輔助的研發還可以擴大單心室Fontan手術的適應證，減少分期手術帶來的風險。隨著國家科技投入的增加，對新醫療器械審評審批制度改革及3D打印技術在生物醫藥領域的應用，研發更適合國人的、具有自主知識產權的、可永久植入以及具有良好組織相容性的Fontan循環腔-肺輔助裝置成為可能。具有自主知識產權的Fontan循環腔-肺輔助裝置還可打破國外對該領域的價格壟斷，降低醫療成本。進一步通過成立多中心Fontan循環腔-肺輔助裝置使用數據庫[43]，不斷改進Fontan循環腔-肺輔助裝置，動力性Fontan手術終會實現，成為單心室患者的理想術式。