一種用于體外膜肺的無葉片血液泵

文/湖南人文科技學院能機院羅良才

一種用于體外膜肺的無葉片血液泵

文/湖南人文科技學院能機院羅良才

隨著體外膜肺（英文縮寫為ECMO）的不斷發展，制造驅動血液循環流動的設備成為引領該類裝置的核心技術。在國際研究領域，目前關注點主要集中在軸流式和離心式的血液泵上，在提高射血效能、縮小體積、減少血液細胞的機械損傷和熱損傷等方面都取得了很大進展。但由于這兩種類型的血液泵都具有高速旋轉的葉片，對血液細胞的機械損傷無法完全避免，這導致較長時間使用后，病人存在顱內出血和血栓、栓塞等并發癥的危險，既降低了裝置對病人的適應性，更增加了臨床的醫療難度。基于此，下面介紹一種具有全新結構的無葉片血液泵，并就其特性和特點進行分析。

一、無葉片血液泵結構與工作原理

無葉片血液泵由血泵和氣泵兩個主要部件構成。血泵是與血液直接接觸的部件，主要由硬質外殼和柔性內膽以及置于外殼血液進、出口的兩個單向閥構成。氣泵由驅動電機、傳動機構、氣缸和在氣缸中做往復運動的活塞構成。整個血液泵采用微機控制，氣泵和控制系統不與血液直接接觸，可給不同病人重復使用。

血泵與血液接觸，只能給一個病人使用。血泵通過螺紋連接在氣泵上，氣泵與血泵內膽構成連通器，氣泵通過內膽入口在活塞做往復運動時將氣體泵入或抽出內膽。無葉片血液泵的基本構成如圖1所示。圖1中①為血泵，②為氣泵，氣泵上安裝有調壓閥，③～⑥為偏心輪與搖桿機構，用于將轉動轉換成軸④的平動，虛線框⑦內為齒輪減速機構，⑧為驅動電機。當電機驅動減速機構和偏心輪搖桿機構時，電機的旋轉運動經減速轉換為傳動軸的往復運動，通過傳動軸，驅動氣泵②中的活塞往復運動。

無葉片血液泵的工作原理是：當氣泵中的活塞在驅動電機的作用下做往復運動時，將氣缸內的空氣泵入/抽出血泵的內膽中。當活塞從左至右運動時，內膽充氣不斷增加，體積增大，擠壓外殼中的血液，在此壓力作用下輸入單向閥關閉，輸出單向閥開啟，血泵輸出血液。當活塞從右至左運動時，活塞將內膽中氣體抽出，內膽體積減小，血泵外殼與內膽間產生負壓區，在此負壓作用下，輸出單向閥關閉，輸入單向閥開啟，人體血液經輸入管道進入血泵，為下一次輸出血液做準備。當活塞不斷做往復運動時，內膽被反復泵入和抽出氣體，血液從血泵呈脈動輸出，實現泵送血液的作用。

整個泵的控制系統包括系統微機、流量檢測與調節、最大輸出壓力檢測與調節、呼吸頻率監測以及血壓、輸出血量、呼吸頻率顯示等諸多模塊。控制系統具有人機對話和自動控制功能，可根據相關檢測數據自動調整電動機轉速等，以使泵的各項運行數據達到期望值。

二、特性分析

血液泵的特性主要包括輸出量和輸出壓力隨時間變化的關系，下面分別予以分析。

1.泵的輸出血壓

如前所述，當活塞從左至右運動時，內膽被逐步充盈，當內膽壓力大于人體血壓時，輸出單向閥被打開，外殼中血液開始輸出，當外殼中血液全部輸出時，內膽也完全被空氣充盈，此時內膽作用于外殼的壓力最大，也是血泵能輸出的最大壓力。顯然，此壓力必須大于病人的最高血壓，方可實現血液的輸送。

血泵外殼內的壓力變化如圖2中曲線P1（t）所示。當氣泵開始將空氣泵入內膽時，內膽作用于血液的壓力逐漸增大。如曲線斜線部分所示，當壓力增大至大于等于人體內血壓時開始輸出血液，隨著血液的輸出，血泵輸出壓力基本維持不變，待外殼中血液輸送完畢，因外殼空間被內膽全部占滿，與人體血管無液體連通，外殼承受的壓力發生突變，達到最大壓力P1max。根據波義爾-馬特略定律，在恒溫下氣體的壓力與體積成反比，因此，如果氣泵對內膽充氣開始時內膽完全沒有空氣，氣缸中空氣無泄露的全部泵入內膽，則有

式中V1和V2分別為內膽充盈時的最大容積和氣缸儲存待泵入空氣部分的容積。如果氣泵在泵送空氣時有空氣泄露，則

式中Q(t)表示實際泵入內膽的空氣在大氣壓下的體積。從式（2）可知，只要安裝一個與氣缸連通的氣閥，調節閥門的排氣量，就可改變泵入內膽的空氣量Q(t)，實現最大輸出壓力P1max的連續調節。血泵的輸出壓力的變化規律如圖2中P2（t）所示。

2.泵的輸出量

因血液泵是脈動輸出，因此其輸出量與每次搏動輸出量和搏動頻率成正比，即

式中，W為泵的每分鐘輸出量；W1為每搏輸出量，等于外殼內壁與未充氣時內膽之間的空間之容積，F為搏動頻率。從式（3）可知，設計時可通過調整W1和F來調整泵的輸出量。對制造的產品，W1為定值，只能通過改變搏動頻率F，也就是改變驅動電機轉速來調節泵的輸出量，即泵的輸出量與電機轉速成正比。

三、運用與優勢

本血液泵可用于ECMO系統。由于沒有常用的離心泵和軸流泵的高速旋轉葉片，擠壓血液的只有質地非常柔軟的內膽，無疑，泵對血液的機械損傷將明顯減少。概括起來，本血液泵具有如下優點。

一是對血細胞損傷小，減少了系統血凝產生的可能因子。

二是調節泵的輸出量時不影響泵的輸出壓力，而離心泵和軸流泵在調節輸出量時，輸出壓力伴隨流量做更大幅度的改變。

三是泵的實際供血壓力自動適應病人血壓，不會導致病人局部血壓升高。離心泵和軸流泵的輸出壓力只與其電動機轉速有關，無法自動適應病人的血壓。

四是與血液接觸的部分只有血泵，氣泵和整個控制系統無易損部件，可重復使用，即整個泵分為一次性使用部分和可長期使用部分，減少了病人的醫療費用。

五是整個裝置沒有高速運動部件，制造難度小，成本低，可在中低收入病人中使用，應用面廣。

四、結論

綜上所述，本血液泵無旋轉葉片，減少了血液輸送過程中的機械損傷，且流量和壓力可以獨立調節。用于ECMO系統的血液輸送，增加了病人對裝置的耐受性和適應性，降低了臨床醫療難度，且制造難度小，制造和使用成本低，可望成為一種廉價的醫療設施，服務民眾。※