（机械设计及理论专业论文）轴流式血泵外磁场驱动及其控制系统研究.pdf

摘要 血泵辅助循环是挽救晚期心衰病人的重要手段，目前大多数血 泵仍存在一些技术问题，如血泵系统的能量传递方式、穿皮导线和 血泵的控制等，制约血泵的临床应用，影响受体的生活质量。血泵 的驱动和控制系统是血泵的重要组成部分，又是解决上述问题的关 键。外磁场驱动轴流式血泵，由于其利用磁场作为血泵的穿皮能量 传递方式，避免了穿皮导线引起受体的术后感染，具有重要的理论 研究价值和实际应用价值。本文以外磁场驱动轴流式血泵为研究对 象，心室功作为血泵输出的控制目标，通过理论分析、设计、建模、 仿真和实验研究，建立完整的外磁场驱动轴流式血泵的驱动系统和 基于生理机制的控制系统。论文的研究内容如下。 针对血泵存在穿皮导线和控制策略方面的问题，基于非接触穿 皮能量传递的驱动方式和多生理信号控制的血泵控制策略，设计血 泵血泵的驱动系统和控制系统，提出外磁场驱动轴流式血泵的驱动 系统和基于生理机制的控制系统方案。 建立血泵磁力驱动系统模型，研究不同角度、距离、极对数对 磁力驱动的磁力线分布和磁力矩的影响规律，提出磁力驱动性能最 佳的参数匹配原则。研究磁力驱动性能，提出解决( 或避免) 磁力 驱动系统堵转问题的措施。 设计电磁执行器( e m a ) ，建立e m a 的等效电路和e m a 动态性能分 析结构图，研究e m a 的起动特性，提出实现e m a 软起动的方法。 设计双闭环p i 调节的控制系统，建立电流调节器、转速调节器、 p w m 控制器的结构模型、软测量模型以及e m a 与血泵之间的控制模 型。设计了d s p 系统的硬件配置、软件结构，开发了基于d s p 的血 泵控制系统，实现基于生理机制控制血泵，并且系统中无硬件传感 器的设计思想。 提出基于心室功的血泵控制策略。根据w i n d k e s s l 模拟体循环 模型，建立了升主动脉处包含血液动力学参数的压力和流量方程。 以常态和病态的生理参数为变量，采用单因素法对控制目标模型进 行仿真计算，研究血液动力学参数对血泵输出的影响规律；结合临 床表现，提出控制目标模型的修正准则。 建立血泵控制系统性能仿真的模型，对e m a 的动态性能和控制 性能进行仿真。设计并制造了验证血泵驱动性能和e m a 控制性能的 实验系统，实验研究血泵的驱动系统性能和控制系统性能。 关键词：心室功，生理机制控制，外磁场驱动，软测量，轴流式血 泵 a b s t r a c t b l o o dp u m pc i r c u l a t o r ys u p p o r ti s a l le f f e c t i v em e t h o dt or e s c u e s e v e r eh e a r tf a i l u r e h o w e v e r , t h e r es t i l le x i s ts o m et e c h n i c a lp r o b l e m s i nm o s tb l o o dp u m p s ，s u c ha se n e r g yt r a n s m i t t e d ，t r a n s c u t e n o u sl i n e , a n d b l o o dp u m pc o n t r o lb a s e do np h y s i o l o g i c a lm e c h a n i s m , w h i c hr e s t r i c t t h e i rc l i n i ca p p l i c a t i o nt oi m p r o v er e c i p i e n t sq u a l i t yo f l i f e 1 1 1 ed r i v e s y s t e ma n dc o n t r 0 1s y s t e ma r ei m p o r t a n tc o m p o n e n t so fb l o o dp u m p ， a n da l s oak e yt os o l v et h ep r o b l e m sa sm e n t i o n e da b o v e n l e e x t r a c o r p o r e a lm a g n e t i cd r i v ea x i a lf l o wb l o o dp u m p ，w h i c hi s al e f t v e n t r i c u l a ra s s i s td e v i c e ，u t i l i z e sm a g n e t i cf i e l dt ot r a n s c u t e n o u se n e r g y t r a n s m i t b yw h i c ht h ep o s t - o p e r a t i o ni n f e c t i o nf r o mt r a n s c u t e n o u sl i n e c a l lb ea v o i d e d t i l i st y p eo fb l o o dp u m pi ss i g n i f i c a n tf o ra c a d e m i c r e s e a r c ha n dc l i n i c a p p l i c a t i o n i n t h i sp 印e r , t h ee x t r a c o r p o r e a l m a g n e t i cd r i v ea x i a lf l o wb l o o dp u m pi su s e da st h er e s e a r c ht a r g e ta n d v e n t r i c u l a rw o r ka si t sc o n t r o lo b j e c t i v e ，t h ew h o l eb l o o dp u m pd r i v i n g a n dc o n t r o ls y s t e mb a s e do np h y s i o l o g i c a lm e c h a n i s mi sc o n s t r u c t e d t h r o u g l lm o d e l i n g , s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t s 1 1 1 er e s e a r c hc o n t e n t s a r ei n t r o d u c e da sf o l l o w i n g b a s e do nd r i v em e t h o do fn o nc o n t a c tt r a n s c u t e n o u se n e r g yt r a n s m i t a n dc o n t r o ls t r a t e g yo fm u l t i - p h y s i o l o g i c a ls i g n a l ，t h ed r i v ea n dc o n t r o l s y s t e m o fb l o o dp u m pa r ed e s i g n e d t os o l v et h ep r o b l e m so f d e v i c e r e l a t e dl i n e ( p u m p ) a n dc o n t r o ls t r a t e g y 1 1 1 ed i v ea n dc o n t r o l s y s t e ma r ep r o p o s e df o ra x i a lf l o wb l o o dp u m p b a s e do ne x t r a c o r p o r e a l m a g n e t i cd r i v ea n dp h y s i o l o g i c a lm e c h a n i s m c o n t r 0 1 刃) em a g n e t i cd i v i n gs y s t e mi si n v e s t i g a t e df o rb l o o dp u m p 砀e m a t h e m a t i c a lm o d e lo fm a g n e t i cd r i v i n gm o d e li sb u i l tu pb a s e do nt h e t h e o r yo fe l e c t r o m a g n e t i c s t h ev a r i a t i o nr e g u l a r i t y o fm a g n e t i cl m d i s t r i b u t i o na n dt o r q u ew i t hd i f f e r e n tp a r a m e t e r so fa n g l e ，d i s t a n c ea n d p o l en u m b e ra r ei n v e s t i g a t e da c c o r d i n gt ot h ef i n i t et h e o r ya n dm a x w e l l i i i s t r e s sm e t h o d t h ep a r a m e t e r sf o r m a t c h i n go p t i m u ms y s t e m p e r f o r m a n c eo fm a g n e t i cd r i v es y s t e ma r ec o n c l u d e df o r ms i m u l a t i o n r e s u l t s t h em e t h o dt os o l v e f o l l o w i n gp e r f o r m a n c ea n dh a n gf o r m a g n e t i cd r i v i n gs y s t e mi sp r o p o s e d t h ep o w e rs o u r c ef o r d i v i n g b l o o dp u m pi sc o n s t r u c t e d t h e m a t h e m a t i c a lm o d e l o ft h e e l e c t r o m a g n e t i ca c t u a t o r ( e m a ) i s c o n s t r u c t e du n d e rt h ec o n d i t i o no fu s i n g e x t r a c o r p o r e a lp e r m a n e n t m a g n e ta s t h er o t o ra n da r m a t u r ea ss t a t o r t h ew o r kp r i n c i p l ei s i n t r o d u c e d ，a n ds t a r tp e r f o r m a n c ei si n v e s t i g a t e df o rb l o o dp u m pb a s e d o nt h ec o n s t r u c t e de m am a t h e m a t i c a lm o d e l t h ec o n t r o ls y s t e mw i t hd o u b l ef e e d b a c ka n dp ir e g u l a t i n gs t r u c t u r e i sc o n s t r u c t e df o rb l o o dp o m p t h e s em o d e l so fc u r r e n tr e g u l a t o r , r o t a t i o ns p e e dr e g u l a t o rp w m c o n t r o l l e r , s o f ts e n s o ra n de m a t ob l o o d p u m pa r eb u i l tu p t h eh a r d w a r ec o n f i g u r a t i o na n ds o f t w a r es t r u c t u r e a r ed e s i g n e db a s e do nd s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) t h ec o n t r o l s y s t e mi sd e v e l o p e db a s e do nd s pt or e a l i z et h ed e s i g nt h o u g h to f p h y s i o l o g i c a lm e c h a n i s mc o n t r o lb l o o dp u m pa n dw i t h o mh a r d w a r e s e n s o ri nt h es y s t e m t h ec o n t r o ls t r a t e g yb a s e do nv e n t r i c u l a rw o r ki sp r o p o s e d b a s e do n t h ew i n d k e s s l sm o d e lo f a n a l o gs y s t e m i cc i r c u l a t i o n t h eb l o o dp r e s s u r e a n df l o we q u a t i o n s ，w h i c hi n c l u d e ss u c hh e m o d y n a m i c a lp a r a m e t e r sa s c a r d i a cc y c l e ，v e n t r i c u l a rs y s t o l ei n t e r v a l ，v e s s e li m p e d a n c e ，p r o p e r t y i m p e d a n c e ，c o m p l i a n c ea n ds t r o k ev o l u m e ，a r ec o n s t r u c t e da n du s e da s c o n t r o lm o d e lf o rb l o o d p u m po u t p u t s u s i n gh e m o d y n a m i c a l p a r a m e t e r so f h e a l t ha n dm o r b i d i t ya sd e s i g nv a r i a b l e s ，t h es i m u l a t i o ni s d o n et ot h ec o n t r o l o b j e c t i v em o d e l w i t h s i n g l e f a c t o r m e t h o d a c c o r d i n g t os i m u l a t i o n r e s u l t s ，t h ei n f l u e n c eo fh e m o d y n a m i c a l p a r a m e t e r st ob l o o dp u m po u t p u ti ss t u d i e d am o d i f yr u l ef o rc o n t r o l o b j e c t i v em o d e li sp r o p o s e dc o m p a r i n gc l i n i c a ls y m p t o m t h es i m u l a t i o nm o d e lo fc o n t r o ls y s t e mp e r f o r m a n c ei sc o n s t r u c t e d t os i m u l a t es y s t e mc o n t r o lc h a r a c t e r i s t i c ，m e c h a n i c a la n dd y n a m i c p r o p e r t y t h ee x p e r i m e n tp l a t f o r m so fd r i v es y s t e ma n de m a c o n t r o l l e d i v p e r f o r m a n c ea r ed e v e l o p e dt os t u d yt h e i rp e r f o r m a n c e s k e yw o r d sv e n t r i c u l a r w o r k , p h y s i o l o g i c a l m e c h a n i s m c o n t r o l ，e x t r a c o r p o r e a lm a g n e t i cf i e l dd r i v e ，s o f ts e n s o r , a x i a lf l o w b l o o dp u m p v 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名：日期：趔年壁月z _ 日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名彩觞师签 中南大学博士学位论文第一章文献综述 第一章文献综述 1 1 机械辅助循环的发展经历 冠状动脉疾病、高血压及心肌病常常会导致心脏功能下降和充血性心力衰 竭( c o n g e s t i v gh e a r tf a i l u r e ，c h f ) 。晚期c h f 的治疗是个非常棘手的问题， 认为晚期c h f 是不可逆转的，悲观地称之为。终末期心衰”l l l 。近2 0 年，尽 管在终末期心衰病人治疗方面有很大的进步，但是这方面的群体仍有很高的病 态率和死亡率【2 】。为了挽救c h f 病人，在治疗方面采取了不少措施，包括药物 和介入治疗，但是还很难控制心衰的发展。普遍采用的可以接受的最终治疗方 法是心脏移植【3 1 。然而，心脏移植本身就是一种考验，需要心脏移植的病人不 断增加，而供体却没有增加，这是大家共知的事实【4 】。因此，心衰晚期病人的 死亡率才会居高不下。 1 9 6 3 年，d e b a k e y 向美国国会提出人工心脏可以为心衰末期病人构建血液 循环系统的概念【5 】，他和他的同事在b a y l o r 医学院，用人工心脏进行动物存活 试验，在人工心脏辅助循环下存活3 6 h 。1 年后，美国国家心肺研究所制定美国 人工心脏发展规划。1 9 6 9 年，c o o l e y 将气动式全人工心脏( t o t a l a t i f i c i a lh e a r t ， t a h ，l i o t t a 设计) 植入4 7 岁心衰晚期病人，经过6 4 h 过渡后，取出人工心脏 并将捐献者的心脏植入体内【6 】。手术后由于病人肺部感染，只存活3 2 h ，但是仍 然验证了人工心脏作为心脏移植过渡是可行的这样一个事实【”。 从1 9 世纪开始，生理学家就开展对组织或器官进行灌注的方法以保持器官 的活性等方面的研究。1 8 1 2 年，l eg a l l o i s 为了研究从动物体上移植出来的某 些器官的功能，提出这些脏器的活性依赖心肺循环的灌注碍】，1 9 6 7 年，南非的 c h r i s t i a a nb a m a r d 完成首例异体心脏移植，随着心肺分流术( 体外循环) 的发 展及一些开胸装置的改进，医学工作者意识到应该有一个更好的装置用来对一 些可进行分流术的病人的心脏供血，或者说是直接用于心衰病人的救治。1 9 6 1 年d e n n i s 等首先应用体外转子泵进行左心室辅助，1 9 6 9 年d e b a k e y 提出人工 心脏移植，由c o o l e y 首次应用临床，机械辅助循环的发展经历漫长的历程。但 是，血泵的总的趋势是由最初作为心衰患者的辅助循环向作为患者的最终治疗 手段发展【9 】。表l 一1 给出关于机械辅助循环发展的重要事件。 中南大学博士学位论文 第一章文献综述 表1 1 机械辅助循环主要历史事件 时间事件 l eg a l l o i s 提出机械辅助循环概念“1 b r y k b o n e n k o 演示了“人工血液循环”装置 g i b b s 提出用皮囊辅助心室的设想 g i b b o n 发明了人工心肺机 a k u t s u 和k o l f f 首次用在犬身上植入气动t a i l ，支持9 0 r a i n 1 - l o u l o p o u l o s 等进行了i a b p 的实验“” l i o t t a 等报道首例人工心脏植入心原性休克患者，支持4 d ” s p e n c e r 与e i s e m a n 首例左心室转流成活“” o e b a k e y 植入气动泵1 例成活“” k a n t r o w i t z 首次用i a b p 抢救急性心衰病人“” c o o l e y 等首次将气动t a b 用作心脏移植之过渡成功”1 设计多种体外型及植入式气动型v a d 人工心脏研究方向向植入式发展 n o r m a n 等首先将v a d 用作心脏移植之过渡成功“” i ) e y r i e s 首例将j a r v i k - 7 t a b 长期植入，存活6 2 0 d “” 开始对l v a b 作为移植之过渡有效性的多中心评估 f d a 暂停了t a l l 的使用 f d a 批准t a b 作为特许试验装置用于临床 f d a 首次批准l v a d 作为移植过渡进入临床使用 对植入式l v a d 与内科手段治疗心衰效果及安全性进行多种心随机比较 1 2 机械辅助循环的分类和特点 1 2 1 机械辅助循环的概念 机械辅助循环( m e c h a n i c a lc i r c u l a t o r ys p o r t ，m c s ) 是连接于心脏或植入心 脏内，承担部分或全部心功能的各类心脏辅助装置的统称1 1 9 】。主要分为心室辅 助装置( v e n t r i c u l a ra s s i s td e v i c e ，v a d ) 和全人工心脏( t a h ) 两类，通 称为人工心脏。前者可以部分或完全替代单侧心室的循环功能，即左心室辅助 装置( l e f t v e n t r i c u l a t a s s i s t d e v i c e ，l v a d ) 和右心室辅助装置( r i g h t v e n t r i c u l a r a s s i s td e v i c e ，r w l d ) 。机械辅助循环的目的是改善循环功能不全患者的循环状 2 2 k o 3 7 2 3 4 6 8 9 h 4 8 4 5 l 3 4 6 耋|耋|蚴懈嘲薹|鳓愀|妻懈 艄一帆 船础麟舰删|塞 中南大学博士学位论文 第一章文献综述 态【2 0 0 ”，主要有以下几方面的作用。 1 维持全身组织的正常循环； 2 减轻心脏的前、后负荷及降低心肌的耗氧量； 3 提高舒张期血压，增加冠状脉血流，促进侧枝循环的同时改善心肌的收 缩能力； 4 促进心脏泵机能的强化及障碍心肌的恢复。 1 2 2m c s 分类及特点 按照血泵的工作原理分类，血泵的类型分为容积式( 脉动式) 和叶片式( 旋 转式) ；按照辅助方式不同，分为全人工心脏、心室辅助装置；按照驱动方式不 同，分为气动、电动和磁驱动；按照植入位置分为体外式和植入式；表l 一2 给 出不同类型的植入式人工心脏的基本资丰, ：1 1 2 2 1 。 表1 2 植入式电动人工心脏的分类 注：v a s ，心室辅助系统：b v a s ，双心室辅助系统；t a h ，全人工心脏；t e t s ，穿 皮能量传递系统p ，脉动；n p ，非脉动；l n p ，长期植入非脉动 中南大学博士学位论文 第一章文献综述 1 2 2 1 容积式( 脉动式) 血泵 早期开发的全人工心脏和辅助循环装置，主要目的是模拟自然心脏，血泵 的主要类型是容积式血泵。容积式血泵是由一个血袋、控制血流方向的瓣及动 力部分组成。单向瓣允许血液从进口端流入，从出口端流出。当动力部分挤压 血袋时，血袋的容积减少，从而把血液挤压出去，类似于心脏的收缩过程；当 血袋的压力减少时，外部的血液就会流入血袋，类似于心脏的舒张过程。按血 泵的血囊结构不同，血泵分为两种类型。 1 血囊的一部分是由易弯曲的膜组成，其余的部分由硬壳组成，称为膜式 泵，如t o mm a s u z a w a 开发的血泵i 酬、u t a h 1 0 0 全人工心脏中的血泵、m i l l n e r 等制造的全人工心脏凹】就属于这类血泵。 2 血囊的全部由易弯曲的膜组成，称为囊式泵，如宾西法尼亚州立大学和 3 m 康复中心联合制造的人工心脏中的血泵【2 5 1 、e r i k 等制造的全人工心脏例。 按照驱动方式不同，囊式泵又可以分为3 种类型，( 1 ) 气动式血泵，靠气体驱 动；血泵体积比较大，通常动力源置于体外，有比较粗的管路经过皮肤；( 2 ) 液体驱动的电液泵；( 3 ) 直流无刷电动机驱动的电动泵。 总之，容积式血泵的缺点是体积大，不易植入；由于有庞大的附属机构， 要有管道和导线穿过皮肤才能内、外连通，故易感染；瓣和膜是这类血泵关键 部件，它们易损坏，而且是血栓易形成的部位；另外，由于血泵部件与流经血 泵的血液之间接触面积大，造成溶血也比较严重。其优点是这类血泵的工作原 理类与自然心脏的工作机制类似，都是搏动的，与受体的生理机制相适应，有 利于各主要脏器的血液微循环灌注。 1 2 2 2 叶片式( 旋转式) 血泵 由于各种容积式血泵存在上述缺点，严重制约其进一步广泛应用，于是人 们开始研究体积小、可植入的叶片泵。叶片泵与容积式血泵相比，能够克服体 积大而不便于植入的问题。但是，在血泵控制方面，叶片泵实现生理反馈控制 比较困难i ”j ，这是一个值得突破的问题，否则，叶片泵的应用也会因控制方面 的问题，带来一些不利的影响，表1 3 给出叶片式血泵的优、缺点。 目前，研究较多的叶片血泵主要包括离心泵和轴流泵，其特点总结如下。 1 离心式血泵 离心式血泵是将叶片装在血泵的轴上，当轴高速旋转时，这些叶片将引导 血液并将其抛至外沿，叶片对血液的动力作用将形成动脉压。压力的大小取决 于叶轮的转速，一般情况下，转速越高所形成的动脉压也越高。属于这种类型 4 中南大学博士学位论文第一章文献综述 的血泵有，b i o m e d i c u s ( m i n n e a p o l i s ，m n ) 离心泵、钱坤喜等研制的血泵、d e l p h i n 离心泵、s a m s 离心泵等 2 8 - 3 0 1 。b i o m e d i c u s ( m i n n e a p o l i s ，m n ) 离心泵、s a m s 离心 泵己应用于临床。其它血泵还在研究中。值得一提的是n o j i r i 等 3 1 1 研制的微型 悬浮式磁力耦合离心泵，叶片靠磁力悬浮在泵内，无需支撑，从而解决了密封 问题，减少了血栓的发生。 由于离心泵工作时，叶片要高速旋转，由此对红细胞所引起的机械破坏引 起了人们的重视，s c h i m a 等3 2 1 报道了离心泵对红细胞所引起的机械破坏与红细 胞的弹性无关。 表1 3 旋转血泵的优点和缺点 优点缺点 结构简单、体积小、容植入 运动部件少、与血液接触面积小，抗血栓 没有瓣膜 取消容积变化装置( 如顺应室) 或外部通气 管 能量消耗少 操作简单 成本低 不易实现生理反馈控制 后负荷敏感性高 前负荷敏感性低( 由于连续流，不能区分后 负荷敏感性) 不能解决生理控制问题，只能做心脏的部分 辅助 血液脉动性减小 由于非自然心脏模式流动，有潜在的血栓形 成 2 轴流式血泵 轴流式泵的叶片也是装在血泵旋转轴上，当血泵轴旋转时，血液沿着倾斜 的方向抛出( 沿螺旋线方向运动) ，经过导叶导流后，血液基本上是沿着血泵的 轴向运动，故称为轴流式血泵。轴流式血泵与离心式血泵相比，能提供较大的 流量。比较有代表性的轴流式血泵有h e m o p u m p 泵、n i m b u sa x i p u m p 泵、 j a v i k 2 0 0 0 轴流泵。目前用于临床的只有h e m o p u m p ，其它的还处在研究阶段。 轴流式血泵的最大优点是体积小、流量大、效率高，如h e m o p u m p 3 3 】泵的 直径仅为7 m m ，其转速可达到2 5 0 0 0 r p m ，流量可达到4 5 l r a i n 。通过周围动 脉( 股动脉) 沿主动脉植入左心室，将左心室的血液泵入主动脉。德州心脏研究 所研制的j a r v i k2 0 0 0 微型轴流泵p 4 、b a y l o r 大学和美国国家宇航局联合研制的 b a y l o r n a s a 微型轴流泵均处于动物实验阶段【3 5 】、k - c l l i l i i 等【3 6 】研制的轴流泵， 中南大学博士学位论文第一章文献综述 长度为1 0 c m ，直径为1 4 c m ，压差为9 0 m m h g 时，其流量可达8 l m i n 。 李国荣等【3 7 j 8 】提出动力性主动脉瓣，即在主动脉瓣的位置植入能够旋转的 叶轮( 其功能类似于轴流泵的叶轮) ，通过叶轮的旋转产生与传统机械瓣膜相同 的效果，而且具有泵的作用，也属于轴流式血泵，本课题就是根据这个构想开 展有关方面的研究。 1 2 2 3 其它类型血泵 除了上述容积式和叶片式血泵外，还有其它类型的血泵，如1 钛e s h 等【3 9 1 报道了由生物人t , b 室组成的循环辅助装置。该人工心室由骨骼肌组成，其上 排列着生物人- r , b 脏内膜。其优点是血栓较少；但若作为长期使用，血栓形成 仍是一个大问题。m o n t i e s 等【柏】研制的血泵，其工作原理类似于推板式血泵， 内有一个椭圆形的转子，转子与定子之间只有一个接触点，是一个没有瓣膜、 低转速、半搏动流的旋转泵。 1 2 3 典型血泵结构及工作原理 尽管血泵的外型各式各样，但其主要结构和工作原理都有一定的相似之处， 下面就以3 种不同类型的v a d 为例说明血泵的主要结构和工作原理。 1 2 3 1n o v a c o r n o v a c o rl v a s 4 1 , 4 2 1 是w o r l d h e a r t 公司开发的脉动流植入式血泵。n o v a c o r l v a s 在1 9 8 4 首次成功完成心脏移植过渡手术，现在产品的类型有脉动式和旋 转式两种类型的血泵。最初的驱动控制台重1 5 0 k g ，1 9 9 3 年改为便携式控制器， 可以与充电电池一起栓在腰部1 4 引。n o v a c o p g l l 泵获得f d a 批准用于心脏移植过 渡( b t t , b r i d g et ot r a n s p l a n t ) 。该公司研制的新一代产品是无顺应室的全植入 v a d ，以及磁悬浮旋转式血泵h e a r t q u e t 刑。其结构原理如图1 1 所示，由电 磁铁的通断控制血泵的输出，电磁铁直接作用在弹力臂上，在弹力臂的作用下 推动血囊的收缩和舒张，完成与自然心脏工作类似的泵血功能。其最大搏出量 7 0 m l ，最大流量1 0 l m i n 。血泵工作与e c g ( e 1 e c t r o c a r d i o g r a p h ) 同步，血液 的流动是脉动流。 1 2 3 21 ) u r a h e a r t o t i l v a s 4 4 , 4 5 1 ( t e r u m oi m p l a n t a b l el e f tv e n t r i c u l a ta s s i s ts y s t e m ) 是由 t e r u m o 公司研制的磁悬浮结构的非脉动流血泵( 商业名称是d u r a h e a r t 回) 。该 血泵是一种长期植入式血泵，第一、二代血泵已进行动物活体实验，第三代的 目标是叶轮在腔体内自由悬浮转动，没有体接触，以克服前两代产品存在的并 6 中南大学博士学位论文 第一章文献综述 发症高、术后感染和机械失效等方面的问题删。血泵由4 部分组成( 如图1 2 所示) ，磁悬浮轴承、叶轮、壳体和无刷直流电机。叶轮和旋转电机的磁力耦合 作用推动叶轮旋转，泵体内3 块电磁铁利用磁悬浮原理来支撑叶轮。电磁铁的 电流由3 个位置传感器控制，使叶轮轴线悬浮在壳体轴线上。输出流量为 8 l r a i n ，质量为4 0 0 9 。 u t 脯 图1 1 n a v o c o rl a v s 图1 2t - i l v a s 结构原理图 1 2 3 3d e b a k e y o d e b a k e y l 4 7 4 卅v a d 是m i c r o m e d 公司的产品，属于轴流式辅助装置( 如图l 一3 所示) ，1 9 9 6 年该公司收到n a s a ( 美国国家航空和宇宙航行局) 的关于 d e b a k e y 旋转血泵用于心脏循环装置的特许证。d e b a k e yv a d l 9 9 8 年在欧洲开 始临床试验【5 0 1 ，2 0 0 0 年在美国开始用于i 临床植入【5 ”。血泵由叶轮( 诱导器) 、 电机定子、壳体、整流器和扩散器等部分组成。电机定子通电，叶轮内置有永 磁体，在电磁场作用下，使叶轮( 包括整流器和扩散器) 旋转，利用磁悬浮原 理实现转子的支撑。儿童用v a d 的质量小于9 4 9 ，叶轮转速为7 5 0 0 2 5 0 0 0 r p m ， 最大流量为1 0 l m i n 。 从上述血泵的发展和结构可以看出，血泵的结构逐步向微型化发展，驱动 方式趋向电磁方式。但是上述结构的血泵( 包括f d a 批准【5 2 】的5 种血泵a b i o m e d b v s5 0 0 0 ，t h o r a t e c ，h e a r t m a t e ，n o v a c o r ，a b i o c o rt a h ) 都存在穿皮导线、 导管等问题( 典型血泵系统如图l 一4 所示口3 】) 。由于上述问题，就不可避免地 给受体带来术后并发症等方面的问题，导致血泵移植的成功率低。另外，轴承 鍪磬 = - _ l l 一 中南大学博士学位论文第一章文献综述 密封问题是当今研究的另一个课题，要求延长辅助时间，又因叶片泵大多是转 动泵，血泵的密封问题就变得越来越重要。密封对于旋转式血泵的使用寿命、 机械性能、结构简化、溶血和血栓都起着至关重要的作用，磁悬浮轴承的应用 对这个问题的解决提供了理想的途径。然而，使用磁悬浮轴承又使泵的结构变 得复杂，不利于缩小血泵的体积。 图1 3d e b a k e y v a d 结构原理图 图1 4h e a a m a t e 植 后示意图 1 2 4 血泵的驱动系统 血泵的驱动系统是将电能或其他能转化为压力能的能量转化( 或传递) 系 统，是血泵的关键技术之一。按照驱动方式的不同，血泵驱动系统划分为机械、 液压、气动、电动和磁力驱动系统【卅，其各自特点归纳如下。 1 机械驱动系统仅在血泵发展的早期阶段使用过，由于机械驱动系统体积 大，能源消耗多，近几年在血泵驱动系统中很少采用。 2 液压驱动系统通常用于膜式或囊式血泵，由于整个装置较为复杂，目前， 在血泵驱动系统中也很少使用。 3 气动式驱动系统，多年来在人工心脏动物长期存活实验、临床人工心脏 植入和心室辅助中使用。由于此类驱动装置体积大，很难满足全植入型人工心 脏的驱动要求，逐步被其他微型驱动方式代替。 4 电动和磁力驱动系统，在结构上与上述几种驱动系统相比，具有结构简 单、体积小和便于携带等特点，更重要的是使血泵全植入成为可能。 表【5 5 】l 一4 给出美国可选用的机械辅助循环装置，从表中可以看出，电动和 磁力驱动装置是近年来血泵驱动系统研究的热点，也是心室辅助装置的发展趋 势。但是，术后感染将是心室辅助装置移植病人的死亡率和致病率增加的主要 因烈”翔j ，而导致感染的主要原因是血泵系统的穿皮导线所致。 中南大学博士学位论文 9 第一章文献综述 一冒磐曾-(q葛呈叫口旦皇掌_)叫一时琪蕾舞州鼍一q名言凸lsi旮一宕百c拳)0ra一琶翟h配一埘蛙垭*卡$翟bo星heolol口3lsod)e2一书争-(c。薯u盖4 芑邑vz一时臻蕾簿州叫一。是o董ln。葛口箩蓝1)凸j一州管叫一ju葛cdp1)a，_一一氍擦一覃管言inul4口oi一一墨楼铡爿(ao薯_写idsio工岛pu邑x上艇 呻卜 需唧袈锄 话翟 、z 疑半 o苫。一v 0 z 0 z 们脚 稃脚 臀口 耨脚 舞脚 震廿 稚督群 鼯翟 话最 箍 i | 叫o i x 卜 山口hxj|硝卜 窭半 躁半 躁半 j j 们需旷 督脚 卜臀矿 山 稃蜇阻喇 稻圹 懈椒需薛 爱脚精需群聪 稚需薛憔 稚耨群碳 喇尊畚堆 辕翟 卜躁半a 1 鞋匠 酶姆畚)(卜u(ij田篮u山 暴半 罪半i 乎 苫苫23l=葛q|告与i_ 8营ti卜 8善oli一 茸u i p i - o 事 、x髦l-7 旨姆春 鲥掣覃 馋 酲u 山 器耀壮鞋o 躁娘 躁犀旺掣 吾a1 副糕鞭似 u皇已oii o苫oi帕司 讴卿器 wt89lqir扫)【buo鼍=g一苫 口v 1 80n兰 2口至dl 富u 芑蛊 园崔=_星 暑i_、r葺8fs、冀舞邑冒，dz窜8_芒oiu o o o n 凸衄苫oi出【v 一蒜薛撂寄簿堪妄匠f t h 中南大学博士学位论文 第一章文献综述 1 3 心脏泵功能的调节机制 机体在长期进化的过程中，发生和发展了一套逐步完善的循环调节机制， 使循环功能适应于不同生理情况下新陈代谢的需要。这种调节是在复杂的神经 和体液机制参与下，通过对心脏和血管活动的综合调节而实现的。心输出量取 决于心率和搏出量，机体通过对心率和搏出量两方面的调节来调节心输出量。 1 3 1 搏出量的影响因素 心室肌的收缩是面临着动脉压( 后负荷) 的阻力进行的。等容收缩相内， 心室肌收缩首先引起室内压升高，只有当室内压升高到超过动脉压时，心肌纤 维缩短，心室容积缩小，血液才能射出。 由此可见，在心率恒定情况下，心室每次收缩的射血量取决于心肌纤维缩 短的程度和速度，这决定了心肌收缩产生张力( 表现为心室内血液的压力) 的 程度和速度。凡是能影响心肌收缩强度和速度的因素都能影响搏出量，而搏出 量的调节正是通过改变心肌收缩的强度和速度来实现的。 1 3 1 1 前负荷对心脏泵功能的影响 前负荷是指肌肉收缩前所负载的负荷。在完整心脏，心室肌的前负荷是由 心室舒张末期的血液充盈量决定的，即心室舒张末期容积相当于心室的前负荷。 在实践中，由于测量心室 内压力比测定心室容积方 便，且心室舒张末期的容 积与心室舒张末期压力在 一定范围内具有良好的相 关性【5 引，常用心室舒张末 期压力反映前负荷，图1 5 是心室功能曲线，主要反 映前负荷和心肌初长度对 心脏泵功能的影响。心肌 收缩能力随心室舒张末期 督 氅 删 0 心 左心室舒张压 图1 5 心室功能曲线 容积增加而增加的现象就是心的定律，即f r a n k - s t a r l i n g 定律，心室功能曲线称 为f r a n k s t a r l i n g 。 1 3 1 2 后负荷对心脏泵功能的影响 在力学上，后负荷可定义为心肌在原有静息应力基础上于收缩期内承受的 j 0 中南大学博士学位论文 第一章文献综述 额外应力。完整心脏的后负荷就是心脏射血时的壁应力。无论在离体心肌或完 整心脏，壁应力的测定均比较繁琐，故常用动脉压力或阻抗作为心室后负荷的 指标垆9 1 ，左心室的后负荷主要决定于主动脉阻抗。主动脉阻抗受外周血管阻力、 动脉壁的物理特性、主动脉内血量和血液粘度的影响；对右心室而言，其后负 荷则主要决定于肺动脉的阻抗。在决定动脉阻抗的诸因素中，最活跃的因素是 血管阻抗。由于动脉血压与外周阻力呈正相关，故主动脉血压水平作为反映左 心室后负荷的指标。因此，动脉压的变化将影响心室肌的收缩过程，从而影响 搏出量。 在心率、心肌初长度和收缩能力不变的情况下，如果动脉压增高，等容收 缩相室内压峰值必然也增高，从而使等容收缩相延长而射血相缩短，同时，射 血相心室肌纤维缩短的程度和速度均减小，射血速度减慢，搏出量因此减少。 心室后负荷本身会直接影响搏出量，随后通过异长和等长调节机制，使前 负荷和心肌收缩能力与后负荷相匹配，从而使机体在动脉压增高的情况下，能 够维持适当的心输出量。这种情况对于机体是有重要生理意义的。