1研究背景
双J管在临床上使用广泛[1]，特别是在输尿管结石的治疗中。但是与之相关的并发症仍旧相当频繁地出现[2]，对患者产生各种各样的副作用。在这个方面来说，放置有支架的输尿管内的尿动力学，在结晶形成和生长、生物膜及细菌菌落形成等这些物理化学作用或者是生物作用中起到了至关重要的作用[3，4]。不论是从数学角度还是实验角度，一些研究者也尝试着去模拟置入支架后的输尿管中的尿液流动，但是对于量化支架性能上的流体动力学参数却的基础研究却几乎没有。因此，了解输尿管支架的置入对上泌尿道尿动力学的影响，以及其与一些临床相关因素的关系，变得十分有必要，这些因素包括因细菌感染引起的尿液浓度变化，或者是输尿管内腔的不同程度阻塞。所以，本课题的主要目标，是通过一个模仿输尿管结构制作的人工模型，研究置入输尿管支架后并且有结石阻塞的输尿管中的尿动力学。借助此模型，测得肾盂压强在尿液粘度、液体流速和输尿管阻塞率这些不同物理因素的变化下的定量数据。这项研究的结果会帮助我们理解这些参数是如何同时地或者独立地影响输尿管支架的性能，以及对整个上泌尿道起何作用。
2实验方法
2.1设计制作输尿管模型
使用ICEMCFD14.0制作家猪输尿管的CAD模型（输尿管尺寸数据取自当地屠宰场）。与此同时，使用一个直径2cm、高3.6cm的圆柱形空腔作为肾盂。使用3D打印机根据设计好的CAD图形打印出硬质阳模。然后准备好一个透明空心塑料圆筒（内直径3.8cm，长33cm），将阳模沿圆筒中轴线置入其中，接着缓慢向圆筒内灌入去除气体的聚二甲基硅氧烷（PDMS）前体和固化剂的混合物（10：1w/w）并加热固化，完成模型制作。由于PDMS材料高度透明，因此最终的输尿管模型就是可以从外部一览无余的一个中空圆柱体，内腔道尺寸和之前实验测得的尺寸一致。
2.2检测肾盂内液体压强
正常情况下，肾盂内的压强的生理值低于20cmH2O[5]。本实验模型中肾盂部分的压强是通过一只导管顶端压力传感器测得的，其中分别有三个独立的变化量：体积流速、流体动力学粘度和输尿管阻塞率。记录压强时使用一个在LabVIEW环境下编写的简易程序。严格按照临床操作步奏向输尿管模型中置入一根41cm长的双J管，恰使其末端卷曲部分分别处于模型的肾盂部分和膀胱部分。此支架内直径1.28mm，外直径2.08mm。为了研究尿液粘度变化对肾盂内压强的影响（例如尿液感染或者是肾功能障碍时），输尿管模型中的尿液是由蒸馏水和甘油以不同浓度混合的甘油溶液所替代。实验过程中，我们准备了六种浓度的甘油溶液，每种都具有不用的流体动力学粘度，其质量分数如下：0，10，20，30，40，50。粘度值见表1。将注射器泵连接至肾盂部分，来模拟尿液在肾脏的产生过程。在实验中采用四种不同的流速（Q）（表1），范围在猪体内尿液流速的生理范围内（0-20ml/min）。我们利用八只塑料小球体来充当阻塞物，通过给每个小球沿中轴线方向钻不同大小的圆孔，来控制阻塞率。
3实验结果
图2中列举了在两种阻塞率（图2a中OB%=98.84%；图2b中OB%=87.62%）之下，肾盂压强与流速和尿液粘度的关系，其中不同浓度的甘油溶液，代表了不同的粘度，在图中用符号区分开。通过图2，可以看出，肾盂压强与输尿管内流体流速和流体粘度分别成线性关系，并随着流速的增大、粘度的增加而增加。输尿管模型中，肾盂压力与液体流速Q和输尿管阻塞率OB%的关系如图2所示。图2a中显示，模型上段阻塞率100%，液体粘度μ=1cP（蒸馏水）时的情形。图中回归线的斜率表示了系统里的流体阻力（m=1.06cmH2O/（ml/min））。同时我们可以看到，此时肾盂内压强只有在一种试验情况下超过了临界值20cmH2O，即流速Q=20ml/min。肾盂压强和阻塞率的关系如图2所示，在μ=1cP，Q=20ml/min时，可以看到有三组数据肾盂压强超过了临界值，分别为阻塞率OB%=96，99，100。结合μ和OB%的整个变化范围，流体阻力（m）可以表示为P-Q插值函数的斜率，如图2a。m的值见表2。随着阻塞率OB%从0增至100（由下至上），或者随着粘度μ从1cP增加至6cP（由左至右），m的值也随之增长。大多数R2数值接近0.9，表示肾盂内压强P和阻塞率OB%存在线性关系，P和粘度μ也是线性关系。小一些的m和R2数值是由于处在输尿管无阻塞的情况（OB%=0，输尿管模型中无支架，也无塑料小球），这种情况下粘度μ的增加对压强P影响很小。图2a为阻塞率OB=100%，粘度为1cP时，肾盂压强随流速变化的情况（流速变化范围为0-20ml/min）；图2b为流速为20ml/min，粘度为1cP时，肾盂压强随阻塞率变化的情况（阻塞率变化范围为80%-100%）。图中上部横线表示生理上肾盂可承受的最大压强的临界值（20cmH2O）。表2m为流体阻力（cmH2O*60s/ml），即回归线斜率（压强与流速之比），R2为线性回归分析中的一个参数，值越接近于1，说明数据的拟合度越高。此表展示了流体阻力与粘度和阻塞率之间的关系。图3中的A、B、C、D、E区域表示在流体力学粘度作用下的输尿管模型中的肾盂压强，其中X轴表示粘度（cP），Y轴表示流速（ml/min），数据来自对实验测得数据点的线性内插。图中字母代表不同数值的压强，依据对肾脏的不同影响，A部分表示生理上的“安全区域”（P<15cmH2O），B部分表示生理上的“警示区域”（15cmH2O<P<20cmH2O），C和D部分则表示“危险区域”（P>20cmH2O）。图3a所示为未阻塞的输尿管中的情况，即使当流体粘度和流速都最高时，肾盂内液体压强也始终低于临界值。这种情况下，最小压强（当Q=5ml/min，μ=1cP时）为0.4±0.08cmH2O，最大压强（当Q=20ml/min，μ=6cP时）为1.4±0.11cmH2O。图3b所示情况为置入支架、但并没有在模型内腔上段放置塑料小球的输尿管，流体阻力因输尿管支架的插入，而显著增大，在略高一些的流速Q和粘度μ值下，图片上出现了警示区域、甚至危险区域。在有塑料小球存在的情况下（意味着更高的阻塞率，图3c中OB%=88，图3d中OB%=100），当流速Q和度μ值都较低时，也会出现更大面积更严重的“警告区域”与“危险区域”。
4分析与讨论
尿液通过置入有支架的输尿管的排放，是一个受多种因素影响的复杂过程，它受控于肾盂内的压强、膀胱内压强、输尿管阻塞的严重程度、输尿管支架内径、外径的大小、支架长度支架上孔洞的多少以及尿液本身的物理性质（例如尿液粘度）。在有支架存在的输尿管内，尿液的流动范围既可以顺着腔外区域（支架外壁与输尿管内壁之间的间隙），也可以是支架的内部区域。一些研究尝试过从性质上对置有支架的输尿管内的流体动力学进行描述，然而，就我们所知，定量化的研究数据仍然是一片空白，定量的了解能够引起肾脏损害、尿液感染或者是输尿管支架结垢的种种因素才是学术研究更重要的主题。从这个角度来说，我们制作的仿生的透明模型可以作为非常接近地模拟阻塞并且有支架置入的输尿管内的流体力学环境的一次尝试。如图2和表2里所示的，我们证实了在绝大多数例子里，肾盂内液体压强与尿液浓度、流速以及输尿管内腔的阻塞程度之间成线性相关。在无阻塞的情况下，测得模型内的最小流体阻力为0.007cmH2O/（ml/min），并且它并不会随尿液浓度的改变而发生显著变化。关于输尿管支架能单方面造成有实质性意义的阻塞的其他证据，我们还可以对比表2中，比较完全无阻塞的输尿管中的流体阻力和仅放有支架（“仅支架”）时的输尿管中的阻力两者的大小，后者明显高于前者。另外，在图3b中出现的“警告区域”和“危险区域”同样印证输尿管支架的阻塞效果。此输尿管模型还能为临床医生提供一些帮助，使他们能够定量的了解，在一些具有临床意义的情况下，单个或者多个变化因素对肾盂内液体压强的影响。例如，图3中，我们可以很直观的看出，在一定的阻塞率下，不同尿液流速和粘度的组合会产生多大肾盂内的压强，其究竟是处于20cmH2O等高线以上还是以下。而20cmH2O等高线左下方的区域是安全区域，代表了肾脏功能正常，右上方区域为相对危险的区域，可能会对肾脏功能造成潜在损害。同时，表2清晰的表明了上尿路中尿液粘度的微小增长或者是阻塞程度的微增在对肾盂内压强大幅影响的同时，是如何显著影响系统中的流体阻力的。另外，比较图3c和图3d，图3d较图3c阻塞率有略微上升（从88%至100%），但是“安全区域”的范围却大大减小，若不想潜在地对肾脏造成损伤，尿液粘度和流速大小都需要加以限制。
5结束语
目前，我们已经提供了一个旨在了解受阻塞以及置入支架的输尿管中的尿动力学学特征的技术平台，在进行耗时费力且昂贵的体内实验之外，可以多一个选择。使用此输尿管支架获得的初步数据涵盖了多重不同的简化了的情况（例如非阻塞的/阻塞的置入支架的输尿管，尿液浓度和流速的变化），它的作用还可以扩展至模拟更多种的复杂生理/病理情况。这个先进的平台还会给临床医生带来帮助，使他们理解并且量化一些在置入支架的输尿管内的变企业经济期刊量在排尿和肾功能中的作用。今后将会利用此输尿管模型上做更多的研究，如观测内部的流体运动，计算机仿真等。
作者：赵雪丰 华针 单位：中南大学
