磁–液懸浮軸流泵心臟輔助裝置研制

李國榮 朱曉東 郝宗超 田步升 陳海豐

1 中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院阜外心血管病醫(yī)院 （北京 100037）

2 長治醫(yī)學(xué)院附屬和平醫(yī)院 （046002）

0..引言

旋轉(zhuǎn)葉輪泵式心臟輔助裝置近年來已廣泛應(yīng)用于臨床，并取得了良好的治療效果[1]。旋轉(zhuǎn)葉輪泵包括離心泵、軸流泵和混流泵，其基本原理是采用高速旋轉(zhuǎn)的葉輪驅(qū)動血液流動，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)葉輪采用機(jī)械軸支撐。目前的研究表明：在長期應(yīng)用時(shí)機(jī)械軸承易致血栓，支撐點(diǎn)的局部血流沖刷不良和摩擦產(chǎn)熱可能是重要原因，

因此采用懸浮技術(shù)使葉輪在血流中懸浮旋轉(zhuǎn)，去除機(jī)械軸承是目前旋轉(zhuǎn)葉輪泵式心臟輔助裝置的一個(gè)改進(jìn)方向[2]。采用磁–液懸浮的HeartWare離心泵[3]已應(yīng)用于臨床，最近HeartWare磁–液懸浮微型軸流泵(MVAD?, HeartWare?, Inc.;Miramar, Fla)[4]也進(jìn)行了初步的動物實(shí)驗(yàn)。我們在先前研制的軸流泵基礎(chǔ)上探索了磁–液懸浮的可行性，本文介紹我們研制的磁–液懸浮軸流泵的基本結(jié)構(gòu)及特性。

1.材料方法

1.1.基本結(jié)構(gòu)

我們研制的磁–液懸浮軸流泵由軸流泵泵筒、軸流葉輪、永磁轉(zhuǎn)子、尾導(dǎo)葉及電磁定子等組成，軸流泵泵筒、尾導(dǎo)葉、軸流葉輪等元件的外表面經(jīng)過特殊涂層處理以增強(qiáng)表面硬度和血液相容性[5]。軸流泵電機(jī)定子由環(huán)形矽鋼片疊成筒狀軸流泵電機(jī)定子鐵芯和筒狀的軸流泵電機(jī)定子繞組組成，鐵芯和繞組套置在軸流泵泵筒外。定子總成由環(huán)形的矽鋼片疊成定子筒，環(huán)繞泵管外壁。在泵管的外壁與定子筒內(nèi)壁間的空隙內(nèi)鑲嵌三相漆包線繞組，三相繞組順序通電時(shí)可產(chǎn)生與泵管同心的旋轉(zhuǎn)磁場，推動“轉(zhuǎn)子–葉輪體”旋轉(zhuǎn)。體外控制部分由電源電池和控制電路組成，控制電路的工作原理類似于普通的無刷直流電動機(jī)，泵轉(zhuǎn)速通過輸入電壓調(diào)節(jié)。目前軸流泵樣機(jī)的直徑23mm，長度65mm。在軸流泵泵筒內(nèi)的出口端設(shè)置尾導(dǎo)葉，尾導(dǎo)葉螺旋方向與葉輪葉片反向，以使出口血流的旋轉(zhuǎn)分量改變?yōu)檩S向流，提高效率。

1.1.1 軸向約束力形成原理

軸流葉輪的輪轂中容納永磁轉(zhuǎn)子，定子鐵芯與永磁轉(zhuǎn)子間的磁力限制軸流旋輪的軸向位移，使軸流葉輪在工作時(shí)受到的流體反作用力得到對抗，在沒有機(jī)械支撐的條件下將軸流葉輪約束于軸流泵泵筒內(nèi)。調(diào)整轉(zhuǎn)子永磁體的強(qiáng)度以及定子鐵芯的幾何尺寸可使葉輪的軸向約束磁力達(dá)到適當(dāng)大小。

當(dāng)永磁轉(zhuǎn)子磁力中心Sc與定子鐵芯的磁力中心Mc位置不對應(yīng)時(shí)，會有與位移方向相反的磁力Fm作用于葉輪。設(shè)定子鐵心磁力中心Sc與轉(zhuǎn)子磁力中心Mc間的軸向距離為L，則Fm與L呈正相關(guān)，在工作狀態(tài)下測定移動距離L可確定L與軸向懸浮力的數(shù)學(xué)關(guān)系，軸向約束力形成原理如圖2所示。在葉輪處于工作狀態(tài)時(shí)磁場對轉(zhuǎn)子的軸向約束力Fm可對抗血流作用于葉輪的反作用力。如是，轉(zhuǎn)子永磁體和定子鐵芯之間的磁力可用于葉輪的軸向磁懸浮控制。

1.1.2 徑向約束力形成

圖1. 磁–液懸浮軸流泵樣機(jī)

圖2. 軸向約束力形成示意圖

圖3. 軸流葉輪磁–液懸浮狀態(tài)探測方法示意圖

軸流葉輪的直徑小于軸流泵泵筒內(nèi)徑，在旋轉(zhuǎn)葉輪的葉片外周圓弧面與軸流泵泵筒內(nèi)面之間存在一定的間隙，此間隙為動壓間隙。當(dāng)葉輪相對于軸流泵泵筒內(nèi)面高速旋轉(zhuǎn)時(shí)動壓間隙中的液體產(chǎn)生流體動壓，使葉片外周圓弧面與軸流泵泵筒內(nèi)面脫離機(jī)械接觸，從而產(chǎn)生流體動力懸浮作用，約束葉輪的徑向位移，如圖3所示。改變?nèi)~片外周圓弧面的面積可產(chǎn)生不同的懸浮力，葉片外周圓弧面的面積越大，在同樣的動壓間隙條件下懸浮力也越大。

1.1.3 磁–液懸浮軸流泵樣機(jī)的體外測試

體外模擬循環(huán)裝置與先前研究所采用的裝置相似[6]，主要由模擬左，右心房，磁–液懸浮軸流泵，阻力調(diào)節(jié)器，流量計(jì)等部件串聯(lián)組成，用有機(jī)玻璃管順序連接以上部件。在血泵的出口和阻力調(diào)節(jié)器之間的管道中設(shè)置壓力傳感器，測定泵的輸出壓力和流量。通過調(diào)節(jié)模擬心房中液面高度調(diào)節(jié)泵的入口壓力。為了保證轉(zhuǎn)子與流體介質(zhì)及端面金屬觸點(diǎn)間的電學(xué)絕緣，采用調(diào)制的絕緣油脂作為循環(huán)介質(zhì),當(dāng)溫度恒定于37?C，循環(huán)介質(zhì)的相對粘滯度為4.2，與與全血粘制度相近。

如圖3所示，用導(dǎo)電金屬軸通過滑動觸點(diǎn)使軸流葉輪與探測電路連通，軸流葉輪可沿軸向前、后滑動。軸流泵泵筒引出另一端導(dǎo)線與探測電源及探測電流表連接。當(dāng)軸流葉輪處于非懸浮狀態(tài)時(shí)，由于重力的作用，葉輪靠軸流泵壁支撐，形成通過軸流葉輪體的導(dǎo)電回路，此時(shí)電流表將顯示有電流流過。當(dāng)軸流葉輪驅(qū)動流體介質(zhì)流動受到反作用力推動時(shí)，可滑過間隙向前端移動。同時(shí)由于葉輪高速旋轉(zhuǎn)，在動壓間隙內(nèi)形成徑向力，使葉片外周圓弧面與軸流泵筒內(nèi)壁脫離接觸，由于該間隙內(nèi)液體絕緣，導(dǎo)電回路斷開。由此可通過測定回路中的電流來確定葉輪旋轉(zhuǎn)體的徑向懸浮狀態(tài)。當(dāng)回路導(dǎo)通時(shí)說明葉輪體與軸流泵筒內(nèi)壁接觸，懸浮失效。相反，當(dāng)回路保持?jǐn)嚅_表明無機(jī)械接觸，葉輪體處于懸浮狀態(tài)。回路由導(dǎo)通轉(zhuǎn)變?yōu)閿嚅_時(shí)的葉輪負(fù)荷狀態(tài)和轉(zhuǎn)速即反映流體動力懸浮作用的最大負(fù)荷承受能力。

2.結(jié)果

在模擬循環(huán)臺上對該軸流泵樣機(jī)的主要參數(shù)進(jìn)行測定，刻劃樣機(jī)的基本流體力學(xué)特征。在輸出壓力100mm汞柱條件下，泵轉(zhuǎn)速約14000轉(zhuǎn)/min時(shí)流量可達(dá)5L/min。軸流泵的“流量–壓力–轉(zhuǎn)速”關(guān)系如圖4所示。

在靜止或較低轉(zhuǎn)速條件下，可見探測回路有恒定電流通過，表明葉輪處于與軸流泵內(nèi)筒壁機(jī)械接觸的非懸浮狀態(tài)，逐步增加葉輪轉(zhuǎn)速可見電流表的指針跳動，有間斷性電流通過，表明葉輪在驅(qū)動流體流動時(shí)處于非穩(wěn)定懸浮狀態(tài)，再進(jìn)一步增大葉輪轉(zhuǎn)速達(dá)到某一值后探測回路完全斷開，表明懸浮狀態(tài)趨于穩(wěn)定。在穩(wěn)定懸浮狀態(tài)下，葉輪可承受一定的徑向懸浮負(fù)荷，徑向懸浮負(fù)荷與葉輪轉(zhuǎn)速的相關(guān)關(guān)系見表1。

表1. 軸流葉輪轉(zhuǎn)速與最大懸浮負(fù)荷關(guān)系

以上結(jié)果表明在葉輪轉(zhuǎn)速超過6000rpm后葉輪對徑向干擾力有較強(qiáng)的對抗能力，這一特性可保證磁–液懸浮軸流葉輪在人體運(yùn)動狀態(tài)下對抗適當(dāng)?shù)募铀俣攘?，使葉輪處于穩(wěn)定的懸浮狀態(tài)，此特性對心臟輔助裝置的實(shí)際應(yīng)用有重要意義。

圖4. “流量–壓力–轉(zhuǎn)速” 關(guān)系曲線

3.討論

研制出可永久植入人體實(shí)施心臟輔助或心臟代替的性能優(yōu)良的機(jī)械血泵是人工心臟研究的最終目標(biāo)。經(jīng)過多年的發(fā)展，目前植入式心臟輔助裝置的應(yīng)用正由過渡期心臟輔助（bridge）向永久性輔助（destination therapy）方向發(fā)展[7]。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，心臟輔助血泵的性能尚需進(jìn)一步提高。

微型化的離心泵或軸流泵有希望成為實(shí)現(xiàn)永久植入性心臟輔助裝置的目標(biāo)。傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)葉輪泵需要機(jī)械轉(zhuǎn)軸支撐，而有研究表明機(jī)械支撐點(diǎn)的存在不利于血泵性能的進(jìn)一步提高。采用磁懸浮或磁–液混合懸浮技術(shù)使高速轉(zhuǎn)動的葉輪在工作時(shí)完全懸浮在血流中可以去除機(jī)械轉(zhuǎn)軸的支撐，可克服機(jī)械軸的缺點(diǎn)。國外已有研究者采用磁–液混合懸浮技術(shù)實(shí)現(xiàn)軸流葉輪的懸浮，如HeartWare軸流泵[4]，但由于該泵未設(shè)置尾導(dǎo)葉，工作轉(zhuǎn)速很高，達(dá)16000～28000 rpm。不同于HeartWare軸流泵，本文提出的磁–液懸浮軸流泵在軸流泵泵筒內(nèi)的尾端設(shè)置尾導(dǎo)葉，可大大提高軸流泵的能量轉(zhuǎn)化效率。由于不需要中心輪轂對轉(zhuǎn)軸的機(jī)械支撐，尾導(dǎo)葉葉片直接固定在軸流泵泵筒內(nèi)壁上，各葉片都伸向軸流泵泵筒中心，在軸流泵泵筒中心互不連接，去除了中軸線區(qū)域的中心輪轂機(jī)械連接和輪轂中鑲嵌的支撐軸套，使這一區(qū)域血流不受阻礙，改善了中心血流對葉片的沖刷。這一結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)即減少了傳統(tǒng)軸流泵尾導(dǎo)葉中心輪轂的液流死區(qū)，同時(shí)還保留了尾導(dǎo)葉增進(jìn)軸流泵效率的有益效應(yīng)。

軸流葉輪在懸浮狀態(tài)下共有6個(gè)運(yùn)動自由度，包括3個(gè)平動自由度和3個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。其中，繞軸流泵筒中心軸方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動是驅(qū)動血液流動所必需，在電機(jī)定子的旋轉(zhuǎn)磁場提供控制轉(zhuǎn)矩下可確定其運(yùn)動位移。軸流葉輪在其他5個(gè)運(yùn)動自由度上的位移則需要嚴(yán)格限制，以保證其正確的位置和姿態(tài)。

采用完全磁懸浮的軸流泵結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在軸流泵筒內(nèi)需要設(shè)置有電磁控制功能的前、后導(dǎo)葉，因此，不利于簡化軸流泵結(jié)構(gòu)和去除泵筒內(nèi)的血流“死區(qū)”。采用磁–液混合懸浮技術(shù)可使懸浮結(jié)構(gòu)簡化，理論上在軸流泵筒內(nèi)不僅可去除前導(dǎo)葉，還可去除尾導(dǎo)葉，因此有利于提高血泵的抗血栓性能。我們在先前的實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，軸流泵前導(dǎo)葉對提高軸流泵效率特性沒有重要的意義，因此提出了無前導(dǎo)葉軸流泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[8]。但我們研究表明:去除軸流泵的尾導(dǎo)葉后，同樣的流體輸出要求葉輪轉(zhuǎn)速大幅度提高，且極大地降低了軸流泵的能量轉(zhuǎn)化效率。較高的葉輪轉(zhuǎn)速將加大葉輪對血細(xì)胞的損傷，表現(xiàn)為溶血強(qiáng)度的大幅度增加。為了克服以上不足，我們研制的磁液懸浮軸流泵增加了尾導(dǎo)葉，如上文所述，所用尾導(dǎo)葉的獨(dú)特設(shè)計(jì)消除了傳統(tǒng)尾導(dǎo)葉中心區(qū)沖刷不良的缺點(diǎn)。

葉輪在軸向上的平動自由度使葉輪在軸向力的作用下可沿軸自由滑動，根據(jù)動量守恒定理，當(dāng)葉輪驅(qū)動血液向出口方向流動時(shí)自身必將受到反作用力，在沒有相應(yīng)的約束力的情況下將朝出口方向移動。由此必需設(shè)置對抗葉輪反作用力的約束力才能保證葉輪處于恒定的位置。根據(jù)磁場強(qiáng)度分布原理，電機(jī)定子鐵芯和永磁轉(zhuǎn)子之間存在的磁力將使永磁轉(zhuǎn)子趨向于使磁路磁阻最小的位置，由此葉輪在磁場中將保持在一個(gè)穩(wěn)定的引力中心，當(dāng)受外力作用葉輪偏離這一中心時(shí)磁場力將產(chǎn)生與位移方向相反的對心磁力，且在一定的區(qū)間內(nèi)位移越大對心磁力也越大。根據(jù)這一原理，軸流泵設(shè)計(jì)中采用此對心磁力來對抗葉輪所承受的反作用力。

葉輪的垂直于軸向的兩個(gè)平動自由度和旋轉(zhuǎn)自由度也需要約束力嚴(yán)格限制位移，但葉輪在這四個(gè)自由度上所受的作用力具有很強(qiáng)的不確定性，主要是由于軸流泵運(yùn)動元件幾何尺寸的微小不對稱，以及來自流場不恒定產(chǎn)生的各種干擾。這些干擾力隨機(jī)性很強(qiáng)，如用反饋調(diào)節(jié)通過有源的電磁場加以控制，將會使控制系統(tǒng)復(fù)雜，執(zhí)行系統(tǒng)總體積、重量都不易減小，且不能對葉輪狀態(tài)精確控制。相反如果采用流體動力懸浮的方法來約束這四個(gè)自由度上的位移將簡單的多。但流體動力懸浮時(shí)懸浮間隙較小，容易導(dǎo)致流過這些間隙的血細(xì)胞破壞，因此，仔細(xì)優(yōu)化這一間隙的大小，在穩(wěn)定的懸浮狀態(tài)下獲得較小的溶血指數(shù)是這一裝置研制的重點(diǎn)工作。

樣機(jī)測試表明，我們新研制的磁液懸浮軸流泵標(biāo)準(zhǔn)溶血指數(shù)為0.12g/100L，在轉(zhuǎn)速14000RPM條件小可以產(chǎn)生100毫米汞柱和5L/min的流體輸出。這說明其效率特性比傳統(tǒng)的軸流泵沒有大幅度下降，且溶血特性也達(dá)到了臨床應(yīng)用可接受的范圍。

4.結(jié)論

我們研制的磁液懸浮軸流泵的流體力學(xué)特性和血液相容性初步達(dá)到左心輔助的要求，可進(jìn)行動物體內(nèi)植入實(shí)驗(yàn)階段以觀察其長期心臟輔助的效果。

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