仿生左心室輔助血泵設計

【作者】金恒林，胡曉兵，杜 磊

1 四川大學制造科學與工程學院，成都市，610064

2 四川大學華西醫院麻醉與重病醫學實驗室，成都市，610041

仿生左心室輔助血泵設計

【作者】金恒林1，胡曉兵1，杜 磊2

1 四川大學制造科學與工程學院，成都市，610064

2 四川大學華西醫院麻醉與重病醫學實驗室，成都市，610041

該文設計一種新型的仿生左心室輔助血泵，其特點是采用液壓驅動彈性隔膜結構，具有供血平穩、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。該血泵可以根據人體心電R波實現與人體心率同步輔助或非同步輔助。設計目標是實現仿生搏動。動物實驗中，血壓波形逼近期望值，流量能夠按照設定值穩定搏出，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，而輔助循環作為治療心臟病的重要手段，已經受到國內外醫學界的普遍重視。全人工心臟尚存在一定的技術問題暫時難以推廣，與之相比左心輔助血泵存在結構簡單，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，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、卸負荷的狀態下恢復功能，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，在傳統的藥物治療和手術治療無效時，使用機械輔助能使許多瀕臨死亡的病人重獲新生[2]。

國內外已經公認搏動流灌注優于非搏動流，Wakabayashi 還特別提出：體循環灌注用調流控制效果好, 心臟灌注用調壓控制效果好[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、結構簡單、具有低噪音、低耗能、可攜帶持續流血泵（離心泵、軸流泵等）進行研究。但是離心泵、軸流泵等持續流血泵內會由于葉片出口的混流、非均勻的流動收縮或擴散、葉片間流道內的二次流、較大范圍的脫流等導致的復雜渦結構在流場內形成流動死區。這些流動死區造成血液的停滯和積淤并因此導致凝血的發生，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；用心電控制搏動規律；根據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使界面流場特性不均勻，導致血液流動緩慢容易形成血栓的“死區”和一些流場梯度過大的區域；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，沒有實現泵血流量、壓力跟人體心臟搏動規律相匹配，沒有實現仿生搏動?；谶@兩種搏動泵搏動，本文設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構組成

仿生左心室輔助血泵主要由泵、驅動、控制系統三大模塊組成，系統的設計原理圖如圖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。信號分別經過處理，再轉換為數字信號輸入計算機，計算機將檢測到的溫度、血壓、流速在LED顯示屏上實時顯示；另一方面根據泵血規律自動控制LVAD電機轉動，再根據檢測到的實際流量、壓力與理論流量壓力之差，在進行誤差補償運算之后發出相應指令改變電機轉速，形成流量閉環控制。

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

1.1 泵的結構和工作原理

仿生左心室輔助血泵的結構如圖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，隔膜由驅動液體驅動，最大泵血量80 mL。驅動裝置送出的負壓和正壓(水)從驅動液進出口進入或排出驅動液室，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。

圖2 仿生左心室輔助血泵結構示意圖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血流流線圖、速度矢量圖?？梢钥闯鲈谶@種結構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。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化流動狀態。

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

1.2 泵的驅動結構設計

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

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

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

式(3)中ω是電機轉速，是與時間t相關的函數，L1是機構中曲柄長度，L2是機構中連桿長度，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：瞬時速度函數只需要對位移函數求關于時間t的一階導數即可，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。這種曲柄滑塊結構可以解決電機頻繁換向的問題，而且當電機勻速轉動時活塞運動曲線是正弦規律，與心臟供血規律比較接近，要實現仿生搏動，電機轉速變化也不會太大，從而是整個設備運行更加平穩，噪音更低。

由于驅動結構中控制量只有驅動電機轉速，所以控制系統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，由四川大學華西醫院提供，術前身體狀況良好，無發燒咳嗽等癥狀。

2.2 心室輔助裝置

仿生左心室輔助泵為液壓驅動的隔膜泵。血泵血液接觸面采用與血液相容性較好的醫用不銹鋼，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 主要實驗設備

BL-420S生物機能實驗系統、狗開胸手術臺、麻醉機、心電監護儀、呼吸機、測壓導管、多種內徑抗凝管及管道接頭、心外科手術器械、肋骨牽開器、縫合線、引流瓶等。

2.4 實驗準備及實驗

(1) 麻醉和術前準備；(2) 對狗做開胸手術，先在狗大腿安裝血壓監測裝置，監測狗體循環壓力，開胸，安裝肺循環血壓監測裝置，監測記錄狗心臟自身搏動血壓波形；(3) 仿生左心室輔助泵預充盈狗血液，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，記錄體循環和肺循環血壓波形；(5) 使用BL-420S生物機能實驗系統分析血壓波形規律。

2.5 實驗結果

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和肺循環血壓波形，圖中通道2（上）是肺循環血壓，通道3（下）是體循環血壓；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。

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，會從肺循環吸入血液，引起肺循環血壓波動。但是體循環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導管流至泵，泵迫使血液經另一導管進入主動脈，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。

液壓驅動裝置通常用于膜式或囊式血泵，由液壓系統控制推動血泵搏出血液。這種驅動形式的優點是血泵的推動膜或囊受力均勻，不會產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。由于驅動電機轉速易于調節，可以很方便地調整血泵的搏出量、壓力，設置驅動頻率和收縮/舒張期比值，來調節心率、心搏出量、血壓波形等生理指標，使之適應患者或實驗動物的機體需要。使用過程中只需要患者或實驗動物心電的R波或血壓、流量波形便能進行仿生搏動灌注。由于此類型驅動裝置體積較小，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

【Writers】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