仿生左心室輔助血泵設(shè)計

【作者】金恒林，胡曉兵，杜 磊

1 四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，成都市，610064

2 四川大學(xué)華西醫(yī)院麻醉與重病醫(yī)學(xué)實驗室，成都市，610041

仿生左心室輔助血泵設(shè)計

【作者】金恒林1，胡曉兵1，杜 磊2

1 四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，成都市，610064

2 四川大學(xué)華西醫(yī)院麻醉與重病醫(yī)學(xué)實驗室，成都市，610041

該文設(shè)計一種新型的仿生左心室輔助血泵，其特點是采用液壓驅(qū)動彈性隔膜結(jié)構(gòu)，具有供血平穩(wěn)、可靠，有利于防止血栓；可以利用流量傳感器、壓力傳感器檢測顯示泵進、出口的血壓和泵血量。該血泵可以根據(jù)人體心電R波實現(xiàn)與人體心率同步輔助或非同步輔助。設(shè)計目標是實現(xiàn)仿生搏動。動物實驗中，血壓波形逼近期望值，流量能夠按照設(shè)定值穩(wěn)定搏出，證明該泵能滿足對心臟病人進行仿生左心室輔助的要求。

人工心臟；左心室輔助血泵；仿生設(shè)計；動物試驗

0 引言

目前心臟病已成為威脅人類生命與長壽的主要疾病，而輔助循環(huán)作為治療心臟病的重要手段，已經(jīng)受到國內(nèi)外醫(yī)學(xué)界的普遍重視。全人工心臟尚存在一定的技術(shù)問題暫時難以推廣，與之相比左心輔助血泵存在結(jié)構(gòu)簡單，短期使用，成效顯著等特點[1]。左心室輔助血泵（LVAD）的作用是用泵部分或完全代替心臟功能維持血液循環(huán)，減輕心臟負荷，增加冠狀動脈流量，使衰竭的心臟得以在低代謝、卸負荷的狀態(tài)下恢復(fù)功能，也可保證全身重要生命器官的灌注，防治多器官功能衰竭。臨床實踐證明，在傳統(tǒng)的藥物治療和手術(shù)治療無效時，使用機械輔助能使許多瀕臨死亡的病人重獲新生[2]。

國內(nèi)外已經(jīng)公認搏動流灌注優(yōu)于非搏動流，Wakabayashi 還特別提出：體循環(huán)灌注用調(diào)流控制效果好, 心臟灌注用調(diào)壓控制效果好[3]。由于搏動的LVAD大多不能完全植入，且有外部連接出口，這使研究者都向小型的、結(jié)構(gòu)簡單、具有低噪音、低耗能、可攜帶持續(xù)流血泵（離心泵、軸流泵等）進行研究。但是離心泵、軸流泵等持續(xù)流血泵內(nèi)會由于葉片出口的混流、非均勻的流動收縮或擴散、葉片間流道內(nèi)的二次流、較大范圍的脫流等導(dǎo)致的復(fù)雜渦結(jié)構(gòu)在流場內(nèi)形成流動死區(qū)。這些流動死區(qū)造成血液的停滯和積淤并因此導(dǎo)致凝血的發(fā)生，這不能很好滿足仿生LVAD的要求[4]。仿生搏動，就是模仿心臟工作的原理，核心是用彈性囊模仿心室，對囊壁施以外力時囊內(nèi)容積被迫變化模仿心臟收縮、舒張，用人工心臟瓣膜替代心臟瓣膜；用心電控制搏動規(guī)律；根據(jù)需要采用同步或非同步輔助。血泵有氣動式和電動式兩種。推板式血泵是80年代美國使用比較普遍的氣動隔膜泵，美國Novacor心臟泵是電動心臟泵[5-6]。

這兩種泵在泵內(nèi)流場分布比較均勻，不像葉輪泵、軸流泵那樣由于葉輪的高速旋轉(zhuǎn)使界面流場特性不均勻，導(dǎo)致血液流動緩慢容易形成血栓的“死區(qū)”和一些流場梯度過大的區(qū)域；降低了泵血過程中血液生化特性受到的影響。然而這兩種搏動左心室輔助血泵都只控制了每一搏的供血總量和搏動頻率，沒有實現(xiàn)泵血流量、壓力跟人體心臟搏動規(guī)律相匹配，沒有實現(xiàn)仿生搏動?；谶@兩種搏動泵搏動，本文設(shè)計出了一種新型仿生左心室輔助血泵。

1 仿生左心室輔助血泵結(jié)構(gòu)組成

仿生左心室輔助血泵主要由泵、驅(qū)動、控制系統(tǒng)三大模塊組成，系統(tǒng)的設(shè)計原理圖如圖1所示。壓力傳感器檢測LVAD進出端血液血壓，溫度傳感器檢測LVAD出口血液溫度，流量傳感器檢測LVAD出口血液流量。信號分別經(jīng)過處理，再轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸入計算機，計算機將檢測到的溫度、血壓、流速在LED顯示屏上實時顯示；另一方面根據(jù)泵血規(guī)律自動控制LVAD電機轉(zhuǎn)動，再根據(jù)檢測到的實際流量、壓力與理論流量壓力之差，在進行誤差補償運算之后發(fā)出相應(yīng)指令改變電機轉(zhuǎn)速，形成流量閉環(huán)控制。

圖1 仿生左心室輔助血泵系統(tǒng)設(shè)計原理圖Fig.1 The principle diagram of the bionic left ventricular auxiliary pump system

1.1 泵的結(jié)構(gòu)和工作原理

仿生左心室輔助血泵的結(jié)構(gòu)如圖2所示，血泵總重413 g，總體積200 mL。隔膜把心臟泵分成血室和驅(qū)動液室兩部分，血室通過進出口分別與左心房(室)和主動脈相連接，隔膜由驅(qū)動液體驅(qū)動，最大泵血量80 mL。驅(qū)動裝置送出的負壓和正壓(水)從驅(qū)動液進出口進入或排出驅(qū)動液室，帶動隔膜向下或向上運動，此時血室處于排血或充盈過程，由一次充盈和一次排血組成一個搏動周期，血室每搏輸出量為0～80 mL，范圍可調(diào)。

圖2 仿生左心室輔助血泵結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 The structure diagram of bionic left ventricular auxiliary pump

由于泵是一次性，而且搏動過程速度慢，隔膜兩邊壓力近似于相等，則隔膜疲勞壽命不作分析。

基于ANSYS中CFX的左心室輔助泵內(nèi)部流場進行分析：出口壓力取血壓達到的最大值150 mmHg (1 mmHg=133.32.Pa)，約20 kPa；進口壓力取標準大氣壓；進出口管道內(nèi)徑d0=8 mm；每一搏流量小于M=80 mL，搏動頻率采用70～90次/min，一般主張收縮時間占心搏動周期的24%～47%，收縮時間約是t=0.24 s，流量波形近似三角形。

最大流速如式（1）所示：

圖3所示是仿生左心室輔助血泵內(nèi)血流流線圖、速度矢量圖?？梢钥闯鲈谶@種結(jié)構(gòu)形狀的隔膜泵供血過程中血流流線光滑，沒有渦流等不良流動狀態(tài)。出口流速很快，可以加大出口直徑或者采用錐形整流管道整流方法進一步優(yōu)化流動狀態(tài)。

圖3 仿生左心室輔助泵內(nèi)血流流線圖、速度矢量圖Fig.3 The blood flow chart and the velocity vector diagram of bionic left ventricular auxiliary pump

1.2 泵的驅(qū)動結(jié)構(gòu)設(shè)計

驅(qū)動原理簡圖如圖4所示，總體結(jié)構(gòu)如圖5所示。由于使用液體介質(zhì)，近似看作不可壓縮，對于實現(xiàn)仿生左心室輔助泵流量波形規(guī)律，只需控制驅(qū)動液按照要求流速規(guī)律進出泵。則一次搏動供血量：

式(2)中d指驅(qū)動液壓缸直徑，L指活塞桿行程。當缸徑d一定時，V1只由活塞行程L控制。

用曲柄滑塊機構(gòu)與線性模組結(jié)合帶動活塞，這種結(jié)構(gòu)能夠很好滿足沖擊小、行程調(diào)節(jié)方便可靠、運動可靠性高。只需控制伺服電機轉(zhuǎn)速就能實現(xiàn)仿生搏動。電機具體轉(zhuǎn)速根據(jù)具體心電圖或預(yù)輸出波形由計算機自動擬合出。因為電機轉(zhuǎn)速與液壓缸運動位移之間的傳遞函數(shù)是固定的，如式(3)所示。

式(3)中ω是電機轉(zhuǎn)速，是與時間t相關(guān)的函數(shù)，L1是機構(gòu)中曲柄長度，L2是機構(gòu)中連桿長度，e是電機軸與液壓缸活塞桿偏心距。

圖4 曲柄滑塊機構(gòu)Fig.4 Slider-crank mechanism

圖5 仿生左心室輔助泵三維模型圖Fig.5 The 3D model figure of bionic left ventricular auxiliary pump

活塞瞬時速度計算：瞬時速度函數(shù)只需要對位移函數(shù)求關(guān)于時間t的一階導(dǎo)數(shù)即可，再與活塞截面積相乘就可以得到血液瞬時供血流速：

式(4)中是s液壓缸位置函數(shù)。這種曲柄滑塊結(jié)構(gòu)可以解決電機頻繁換向的問題，而且當電機勻速轉(zhuǎn)動時活塞運動曲線是正弦規(guī)律，與心臟供血規(guī)律比較接近，要實現(xiàn)仿生搏動，電機轉(zhuǎn)速變化也不會太大，從而是整個設(shè)備運行更加平穩(wěn)，噪音更低。

由于驅(qū)動結(jié)構(gòu)中控制量只有驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速，所以控制系統(tǒng)只需要一臺微型計算機和一張運動控制卡。編寫一個速度控制程序就能實現(xiàn)整個仿生左心室輔助泵的搏動控制。具體控制程序本文不作詳細介紹。

2 仿生左心室輔助血泵動物實驗

2.1 實驗動物

健康成年公狗3只，體重8±2 kg，由四川大學(xué)華西醫(yī)院提供，術(shù)前身體狀況良好，無發(fā)燒咳嗽等癥狀。

2.2 心室輔助裝置

仿生左心室輔助泵為液壓驅(qū)動的隔膜泵。血泵血液接觸面采用與血液相容性較好的醫(yī)用不銹鋼，隔膜與血液接觸面用聚氨酯溶液涂覆2次。搏動頻率最高可達到100次/min，可以提供8 L/min的輔助支持。

2.3 主要實驗設(shè)備

BL-420S生物機能實驗系統(tǒng)、狗開胸手術(shù)臺、麻醉機、心電監(jiān)護儀、呼吸機、測壓導(dǎo)管、多種內(nèi)徑抗凝管及管道接頭、心外科手術(shù)器械、肋骨牽開器、縫合線、引流瓶等。

2.4 實驗準備及實驗

(1) 麻醉和術(shù)前準備；(2) 對狗做開胸手術(shù)，先在狗大腿安裝血壓監(jiān)測裝置，監(jiān)測狗體循環(huán)壓力，開胸，安裝肺循環(huán)血壓監(jiān)測裝置，監(jiān)測記錄狗心臟自身搏動血壓波形；(3) 仿生左心室輔助泵預(yù)充盈狗血液，取狗血液300～500 mL，將泵靜脈管浸入血液，啟動泵在低頻率（約15 次/min）條件下讓血液充滿泵，排出泵內(nèi)部全部空氣；(4) 對狗心臟做停跳處理，接仿生左心室輔助泵，進行搏動灌注，記錄體循環(huán)和肺循環(huán)血壓波形；(5) 使用BL-420S生物機能實驗系統(tǒng)分析血壓波形規(guī)律。

2.5 實驗結(jié)果

圖6是狗自身心臟灌注時血壓波形；圖7是仿生左心室輔助泵灌體循環(huán)和肺循環(huán)血壓波形，圖中通道2（上）是肺循環(huán)血壓，通道3（下）是體循環(huán)血壓；仿生左心室輔助泵輔助過程中心臟基本停跳，對血壓影響可以忽略，仿生左心室輔助泵灌注總體血壓趨勢平穩(wěn)。

對于單個波形分析：自然心臟搏動過程中，血壓波形有7個小段，仿生左心室輔助泵灌注，搏動頻率是82次/min，灌注流量是每一搏15 mL，體循環(huán)血壓波形變化與自然心臟波形非常接近，也由7小段組成。但是灌注血壓最大值和最小值相對狗自身心臟搏動值低，肺循環(huán)血壓在仿生左心室輔助泵舒張期有顫動，原因是心臟輔助泵只是用作心臟輔助，灌注流量要小于自然心臟，而狗心臟已經(jīng)停跳，所以總流量較狗自身心臟搏動偏少，血壓也偏低，在舒張期仿生左心室輔助泵充盈，會從肺循環(huán)吸入血液，引起肺循環(huán)血壓波動。但是體循環(huán)血壓波形是符合自然心臟搏動的，這說明仿生左心室輔助泵原理是正確的，可以實現(xiàn)仿生搏動。

圖6 狗心臟搏動血壓波形Fig.6 The blood pressure waveform of dog’s heart

圖7 仿生左心室輔助泵搏動灌注血壓波形Fig.7 The blood pressure waveform of the bionic left ventricular auxiliary pump

3 結(jié)果與討論

LVAD有許多種類，但其工作方式卻基本相同：血液從左心室底部經(jīng)導(dǎo)管流至泵，泵迫使血液經(jīng)另一導(dǎo)管進入主動脈，都是模仿左心室的工作。左心室輔助裝置的種類有很多，這些裝置大致可分為體外搏動、植人搏動和非搏動三個大類。

液壓驅(qū)動裝置通常用于膜式或囊式血泵，由液壓系統(tǒng)控制推動血泵搏出血液。這種驅(qū)動形式的優(yōu)點是血泵的推動膜或囊受力均勻，不會產(chǎn)生局部受力過大而損壞膜或囊，且對電磁干擾不敏感，控制可靠，精度高。由于驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速易于調(diào)節(jié)，可以很方便地調(diào)整血泵的搏出量、壓力，設(shè)置驅(qū)動頻率和收縮/舒張期比值，來調(diào)節(jié)心率、心搏出量、血壓波形等生理指標，使之適應(yīng)患者或?qū)嶒瀯游锏臋C體需要。使用過程中只需要患者或?qū)嶒瀯游镄碾姷腞波或血壓、流量波形便能進行仿生搏動灌注。由于此類型驅(qū)動裝置體積較小，有的可以滿足全植入型人工心臟的需要[7-9]。

通過動物（狗）實驗已經(jīng)驗證仿生灌注原理是正確的，只是目前裝置還比較龐大，下一步就是讓仿生左心室輔助泵性能穩(wěn)定，微型化、自動化、智能化，能夠滿足更多灌注場合。

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The Design of Bionic Left Ventricular Auxiliary Pump

【W(wǎng)riters】JIN Henglin1, HU Xiaobing1, DU Lei2

This paper reports a novel design of bionic left ventricular auxiliary pump, and the characteristic is that elastic diaphragm of pump driven by hydraulic, having smooth, reliable blood supply, can prevent blood clots, can use the flow sensor, pressure sensor detection showing the blood pressure and blood volume at the inlet and outlet of the pump. The pump can go with heart rate synchronization or asynchronous auxiliary by the R wave of human body’s ECG. The design goal is realization of bionic throb. Through the animal experiment, the blood pressure waveforms are close to expectations, stable flow can stroke according to the set value, which prove that the pump can meet the requirement for heart disease patients for bionic left ventricular assistant.

artificial heart, left ventricular auxiliary pump, bionic design, animal experiment

1 School of Manufacturing Science and Engineering, Sichuan University, Chengdu, 610064
2 Anesthesia and Ill Medicine Laboratory, West China Hospital of Sichuan University, Chengdu, 610041

R318.11

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2015.01.008

2014-08-22

金恒林，E-mail: jinheng1@163.com