课题背景：本项目是第一作者在美国Purdue 大学进修期间完成的系列实验之一，得到中华医学基金会（CMB）基金的资助。实验提出了一种微创辅助设备用于增强支架与血管壁之间的密封性，进行了离体动物实验，取得了初步结果。

同行评价：进行腹主动脉瘤修复置入支架的扩张率（膨胀）一般在10%~20%，有可能造成血管壁纤维化、支架脱落、内漏等问题。该项目的研究成果有望解决这些问题，提高动脉瘤修复的成功率。实验紧密结合临床，选题较新颖，设计科学合理，有一定独创性。

偏倚或不足：实验设计的主要缺陷是血管在自由状态下进行，由于时间所限，没有进行拉伸至生理状态的实验，这个环节会造成比较大的实验误差。

中国医学科学院北京协和医学院生物医学工程研究所，医学物理与医学测量实验室，天津市 300192

刘志朋★，女，1967年生，河南省范县人，汉族，1990年浙江大学生物医学工程与仪器专业毕业，硕士，副研究员，主要从事生物医学工程学研究。lzpeng67@163. com

摘要
背景：内漏是发生在主动脉瘤支架修复后的常见问题，可导致血管破裂以及急性血管栓塞等严重后果。
目的：提出了基于磁力提高血管内支架与血管密封性用以减少内漏发生的一种新设计，并通过14条猪主动脉血管离体实验验证设计的可行性。
设计、时间及地点：重复测量设计,于2006-06/2007-08在美国Indian Purdue University Indianapolis 生物医学工程系实验室完成。
材料：实验中所用的支架材料是表面平滑的磁性合金，长度为15 mm,直径为13 mm，血管外的磁条有两种，分别由直径 4.9 mm，磁感应强度为0.24 T和长度为5.2 mm，宽度2.6 mm，磁感应强度为0.29 T的钕铁硼磁片粘贴在柔软的基材上制成。14条猪主动脉分别在实验的当天早晨获得并存放于4 ℃盐水中，实验前结扎血管的分支。
方法：取10段血管，每段血管内放入两个模拟支架的磁性圆桶后固定在生理盐水槽中。在其中一个磁性支架位置血管外包绕一个永磁体条，另外一个作为对照。将主动脉管中灌注甲苯胺溶液，给血管内加压至160 mm Hg（1 mm Hg=0.133 kPa）并保持10 min。
主要观察指标：沿纵向剖开血管拍摄血管内的染色情况，白色区域表明没有甲苯胺染色溶液渗入，蓝色区域表明有甲苯胺溶液渗入。
结果：用0.29 T的永磁体磁片在动脉内压（模拟血压）160 mm Hg的条件下可以有效防止内漏的发生，同时支架扩张血管的比例可以从20%降低到10%以下。
结论：验证了用磁场力增加支架与血管密封性从而防止内漏的设计是可行的，该设计将会提高微创主动脉瘤支架修复的成功率。
关键词：主动脉瘤支架修复（EVAR）；内漏；永磁体；正向压强

刘志朋，李颖，张昱.基于磁性材料磁力抑制动脉瘤支架内漏的研究[J].中国组织工程研究与临床康复，2008，12(19):3650-3654 [www.zglckf.com/zglckf/ejournal/upfiles/08-19/19k-3650(ps).pdf]

中图分类号:R318
文献标识码:A
文章编号:1673-8225
(2008)19-03650-05

收稿日期：2008-04-10修回日期：2008-05-04 (542008004080007/ M·Y)

Eliminating aneurysm endoleak of graft stent by magnetic force of magnetic materials

Abstract
BACKGROUND: Stent graft endoleak is a major problem occurred after endovascular aneurysm repair, and it may lead to aneurysm rupture and acute vessel occlusion.
OBJECTIVE: This study presents a novel design to decrease endoleak, which provides sufficient adhesion pressure by magnetic force to seal the aorta vessel with the stent. Furthermore, 14 swine aortas were used to validate the design in vitro.
DESIGN, TIME AND SETTING: Repeated measurements were carried out in the laboratory, Department of Biomedical Engineering, Indiana University-Purdue University (Indianapolis, USA) from June 2006 to August 2007.
MATERIALS: Ferromagnetic alloy with smooth surface was used to simulate the stent with a length of 15 mm and a diameter of 13 mm. There were two types of magnetic disk enclosed outside the vessel. Round magnetic pieces with magnetic intensity of 0.24 T were stick to a soft stripe (with a diameter of 4.9 mm), and the other one was made of rectangular pieces with magnetic intensity of 0.29 T (with a length of 5.2 mm and a width of 2.6 mm). Fourteen aortas were harvested on the morning and kept in saline solution at 4 ℃. The branches of the aorta were sutured before the experiment.
METHODS: Ten aorta segments were selected to test the endoleak, and two cylinder ferromagnetic stents were deployed along the length of the aorta. A magnetic disk enclosed outside the aorta with one of the cylinders, while another cylinder without magnetic disk served as controls. The aortas were perfused with toluidine blue solution, and then blocked. The pressure was deployed to 160 mm Hg (1 mm Hg=0.133 kPa) and kept for 10 minutes
MAIN OUTCOME MEASURES: The aortas were dissected to take photos of the dyeing inside the blood vessel. White area depicted no leakage of toluidine blue solution, and blue area depicted a leakage of toluidine blue solution.
RESULTS: Permanent magnetic disk with a flux density of 0.29 T might prevent the endoleak at a pressure of 160 mm Hg. Meanwhile, the regular stent distended the aorta diameter up to 20%, but the distension of the aorta diameter in this study was no more than 10%.
CONCLUSION: The experimental results show a feasibility of eliminating the endoleak by increasing adhesion pressure by magnetic force to seal the aorta vessels with the stent. This novel design may lead to improve the utility of endovascular aneurysm repair as a minimally invasive treatment.

Liu ZP, Li Y, Zhang Y.Eliminating aneurysm endoleak of graft stent by magnetic force of magnetic materials.Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu yu Linchuang Kangfu 2008;12(19):3650-3654
[www.zglckf.com/zglckf/ejournal/upfiles/08-19/19k-3650(ps).pdf]

0 引言

血管动脉瘤管内修复作为一种替代开胸手术从1990年开始应用于临床[1-4]，临床研究认为该技术与开胸手术相比有明显优点[5]。然而，该技术存在的主要问题[6-7]包括支架的移位, 内漏 (持续血流存在于支架和血管瘤之间) 和膨出（血管瘤的持续扩增）等将可能导致血管破裂、栓塞等严重后果，影响了该技术的临床应用效果[7]。
内漏的定义是血管动脉瘤管内修复后在动脉瘤腔内与血管支架之间的持续性血流。有8%~44%的患者术后会发生内漏并发症[7]。本实验的主要目的就是减小内漏的发生从而提高血管动脉瘤管内修复的临床成功 率[8-9]。造成血管内支架内漏的原因有几个方面，其中由于动脉瘤支架两端的密封不够而形成的血流通路，是造成内漏后遗症如血管破裂的主要原因[8,10]。密封不严的主要因素包括支架上端和支架末端密封不严。抑制内漏的关键在于破坏流入和流出脉管的通路。在血管外放置紧密性护套或增加支架直径[11-13]是目前最常用的解决内漏的治疗方案，这些方法仍存在手术需要开胸或可靠性不高的问题。
本文提出了一种用磁性材料抑制内漏的方法，该方法使用铁磁性材料作为支架材料，在血管外部对应支架两端加永磁体条环绕，依靠铁磁性支架与外加的磁条之间的磁力加强支架与血管之间的密封性，从而达到防止内漏的目的。

1 材料和方法

设计：重复测量设计。
时间及地点：实验于2006-06/2007-08在美国Indian Purdue University Indianapolis 生物医学工程系实验室完成。
材料：
设计原理：设计血管内的铁磁性支架和血管外的两个磁条，两个磁条与铁磁性支架之间提供足够强的磁力使支架和磁环之间的血管密封完全。永磁体材料选择广泛应用于医疗设备的钕铁硼(NdFeB)[14]。磁性材料的磁通量和形状的设计首先要进行理论分析[15-16]。
血管壁上的压强分析：血管内的动脉支架受到搏动的血压作用，理论上内漏会在心脏收缩时发生，此时发生在血管内壁上的血压值大。图1是一个血管内支架在血管内血压不同情况下所受到血压、支架对血管扩张力、磁条与磁性支架之间磁力的关系示意图。图1中支架的直径受到血压的作用有所变化，支架直径假设不变。图1a中血管内无血压时支架直径大于血管直径；图1b血压增加使血管膨胀到直径与支架相同；随血压增加，图1c中血管的直径大于支架。假设血管受到支架径向扩张的压力为Ps，血压为Pi，磁环与支架之间的磁压力为Pm，只有当 Ps ≥Pi时内漏不会发生。理想状态下，图1a和图1b中不会有内漏发生。对于图1c模型，本文中给出了平衡条件，其力学分析示意图见图2。

不等式方程如下：

公式（1）
其中r0out和r0in分别对应图2中磁条位置上的血管外半径和内半径，L1是磁条沿血管轴向长度, 图2中过渡区域为半径从被磁条与磁支架收紧的半径 r0到受血压作用扩张达到半径 rx的区域，Pm是磁压力，Ps(r)是理论计算得到的半径与血管内压力关系曲线。式（1）左边是磁压力与放置支架时支架对血管的扩张力的和。 由于Pi－Ps(r(x))在过渡区域之外可被认为0，式（1）右边的积分值很小，因此，不发生内漏的最小磁力需满足下式:
公式（2）
实验中所用的支架材料：实验中所用的支架材料是表面平滑的磁性合金，长度为15 mm,直径为13 mm，血管外的磁条有两种，分别由半径直径4.9 mm，磁感应强度为0.24 T和长度为5.2 mm，宽度2.6 mm，磁感应强度为0.29 T的钕铁硼磁片粘贴在柔软的基材上制成。14条猪主动脉分别在实验的当天早晨获得并存放于4 ℃盐水中，实验前结扎血管的分支。配好甲苯胺蓝溶液用于血管内漏的染色观察。
方法：
血管压力和直径关系测量：将主动脉血管放置在盐水槽中，血管内注入生理盐水，然后从0至200 mmHg加压，同时记录对应的血管外直径。按照组织质量不变定理计算血管壁厚度推出血管内直径。
内漏测试：取10个内径为10~12 mm、长度7~9 cm 的血管，每段血管内放入两个模拟支架的磁性圆桶（外直径13 mm，长度为15 mm）后固定在生理盐水槽中。在其中一个磁性支架位置血管外包绕一个永磁体条，另外一个作为对照。将主动脉管中灌注甲苯胺溶液，用三通连接精度为2%的Baxter Healthcare压力传感器，给血管内加压至160 mm Hg（1 mm Hg=0.133 kPa）并保持10 min。然后沿纵向剖开血管拍摄血管内的染色情况，白色区域表明没有甲苯胺染色溶液渗入，蓝色区域表明有甲苯胺溶液渗入。如果血管内压力大于磁条与磁性支架之间的磁力，支架与磁条将会有缝隙从而会有甲苯胺溶液透入发生染色现象，反之在血管内磁环位置会是白色。
血管壁上的磁压力测量：将铁磁性支架放入血管内(血管长度略长于支架)，血管外放置一片永磁体与铁磁性支架之间贴在一起，支架与磁片分别连接在Daedal定位操作台的两端，其中一端连接SDL 603型微电动机，另一端相连力传感器，当电动机受到驱动向相反方向做匀速运动时，支架与磁片缓慢离开，在此同时记录磁性支架与磁片之间的力。与计算机相连的传感器自动记录从支架与磁片紧贴至分开2 cm过程中的磁支架与磁片之间的磁场力，数据采样频率为200 Hz,选用7种不同磁感应强度的磁片分别进行测量。
数据分析：用纵向剖开的血管内染色情况说明支架与血管之间发生渗漏的程度，白色区域表明没有蓝色溶液流经，蓝色区域表明有染色指示剂溶液流过，为了进一步说明渗漏的程度，染色和未染色区域用灰度数值表明染色的深浅。实验数据均经过重复验证。
主要观察指标：观察血管内的染色情况。
设计、实施、评估者：实验设计为第一作者，资料收集为第二、三作者，实施为第一作者，评估只是为了验证该理论设计的可行性，未采用盲法。

2 结果

随血管内压力增加直径变化曲线如图3所示。图中列出了7根血管的直径与压力的关系曲线，图中曲线说明随血管内压力增加，血管直径增大，当压力继续增加至一定程度时，血管直径的增加变缓慢。给定一个血管直径，对应一定的血管内压力。

图4是血管内漏测试后剖开的照片，图4a中显示的是血管外磁片的磁感应强度为0.24 T，图4b中使用的磁片磁感应强度为0.29 T。比较图4a和4b实验条件，血管内加压均达到160 mm Hg 并持续10 min，图4a和图4b中血管直径不同，血管内支架直径相同，支架撑开血管的比例分别为10.17%和5.7%。图4b中可以看出在磁环与支架对应位置为白色，说明此处几乎没有染色溶液渗入，从图4c中可以明显看出，图4b的白色区域与4a相比有更高的灰度值，其未染色情况比图4a中好，实验表明0.29 T的磁片组成的磁条与支架作用基本可以防止内漏的发生。
存在于支架和磁环之间的正压力测量结果如图5所示，对应图4a中的0.24 T的磁片与支架间的压强为10.8 kPa, 对应图4b中使用的0.29 T磁片与支架间提供了18.3 kPa的压强。结合图3数据，图4a中支架撑开的血管压强约7.2 kPa, 图4b中支架撑开对血管压强为8.3 kPa。图4a中支架扩张与磁力提供的压强约18.1 kPa，4b中提供的压强约为26.6 kPa。按照理论公式（2），实测值大于实验中血管内压160 mm Hg。

3 讨论

本文提出了采用磁性材料做支架，并在支架两端血管外加可弯曲永磁体的微创性方法的设计，用于防止动脉血管瘤内漏的发生。实验证明采用该设计能有效防止内漏的发生并增强了支架在血管内的稳固性，在一定程度上可减小血管内支架的直径。进而，该设计还可以防止血管内支架的移位。
动脉瘤嫁接支架后发生的内漏有可能导致血管破裂的严重后果，增大支架直径可提高支架与血管内壁的密封性，通常选用支架的直径比血管内直径大10%~20% 用来减少内漏发生的可能性[11-13]。然而，血管壁的过度扩张与内壁细胞的过度增殖有一定的关联性，从而导致更大的内壁损伤[17]。本研究中使用磁场吸引力使支架与血管密封防止内漏，该方法有助于减小支架的直径，实验结果表明，使用血管外的磁条可以使支架直径减小至10%以下。
本实验中的实验数据大于理论计算值，主要原因分析：第一，本实验中采用的是用永磁片相连组成的磁条，在磁片与磁片之间连接处是不均匀的磁场分布，在磁片之间提供的磁吸引力不均匀存在磁场缝隙，如果采用一个匀质软磁体材料的磁条，则会降低磁性材料的磁场强度。第二，实验动物血管在体与离体的长度比为λz=1.25± 0.058 （7条血管的测试值），本实验中血管是在自由状态拉伸率为1的条件下进行的，很显然，在拉伸状态下支架的扩张提供的压力会大于自由状态。另外，血管拉伸时管壁变薄，支架与磁片之间的距离变小磁力增强，在体的血管所需的磁片磁场强度将会减小。这些都给本实验的实际测试带来误差。因此，本研究还只是一个阶段性的探讨，在很多方面需要深入进行。课题组将对在体拉伸的血管进行实验，取得更加接近实际的实验数据。另外，将考虑磁片对血管组织的生物效应[18-19], 进一步研究磁性支架材料的制备等问题[20-21]。
无疑，本文提出了一种解决主动脉瘤内漏的新方法，该方法的临床应用将提高主动脉瘤的支架手术的成功率，是一项值得深入研究的新方法。

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