軸流式血泵搏動(dòng)性輔助的控制實(shí)驗(yàn)研究

四川大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610065

引言

目前，心力衰竭是嚴(yán)重的世界性公共衛(wèi)生問題，全球心力衰竭患者高達(dá)2300萬，并且以每年200萬例的速度遞增[1-2]。而我國人口基數(shù)大，隨著冠心病、高血壓發(fā)病率的上升、人口老齡化加速等，心力衰竭患病率也在迅速增加。心力衰竭死亡率高，藥物治療效果非常有限。一旦發(fā)作，絕大多數(shù)患者癥狀反復(fù)加重，長期住院，進(jìn)而發(fā)展成為終末期心力衰竭，導(dǎo)致死亡[3]。雖然目前98%以上的左室輔助裝置都提供非搏動(dòng)性的連續(xù)性血流，但如何提供更符合生理特性的搏動(dòng)性血流的研究從未停止[4-5]。搏動(dòng)是人類心血管系統(tǒng)最基本的內(nèi)在屬性，研究表明搏動(dòng)性血流在各方面均優(yōu)于非搏動(dòng)性血流灌注[6]。此外，對于衰竭心臟的恢復(fù)和支持，搏動(dòng)性血流也更具優(yōu)勢。研究表明，在連續(xù)性血流輔助下，心室壓力-容量曲線被完全破壞，主動(dòng)脈瓣始終處于關(guān)閉狀態(tài)，心肌細(xì)胞的生理狀態(tài)和能量運(yùn)用被嚴(yán)重干擾；而搏動(dòng)性血流在充分的減輕心臟負(fù)荷，使受損心肌完全休息的同時(shí)，能夠保持生理范圍的左室壓力，從而使心肌細(xì)胞得到充分的血流灌注，促使其恢復(fù)[7]。Kato等[8]對比了61例搏動(dòng)性血流左室輔助裝置和連續(xù)性血流左室輔助裝置對心肌結(jié)構(gòu)和功能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，搏動(dòng)性血流輔助下，心臟收縮及舒張功能改善更明顯。

另一方面，搏動(dòng)性血流可以很好的保持血管的彈性，預(yù)防動(dòng)脈硬化，從而很大程度上地減少心腦血管疾病的發(fā)生[9]。因此，搏動(dòng)性血流比連續(xù)性血流更滿足生理要求，更適于長期循環(huán)輔助。目前臨床使用最多的軸流泵和離心泵因其微型化使其可植入性大大增強(qiáng)，但是其恒流供血模式卻不符合自然生理要求[10]。本文在體外模擬循環(huán)裝置上對軸流血泵以不同頻率周期性搏動(dòng)供血的流體力學(xué)特性進(jìn)行控制測試分析，研究軸流泵在仿生搏動(dòng)式輔助上的可行性。

1 軸流式血泵搏動(dòng)性輔助實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

如圖1所示，軸流血泵搏動(dòng)性研究模型主要由軸流血泵循環(huán)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)三部分組成。軸流血泵搏動(dòng)性輔助系統(tǒng)在體外搭建的模擬循環(huán)裝置上進(jìn)行。體外模擬循環(huán)裝置由模擬心臟、軸流血泵、壓力傳感器、阻力調(diào)節(jié)器、流量計(jì)串聯(lián)組成，其中阻力調(diào)節(jié)器通過電動(dòng)閥調(diào)節(jié)開度來實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)采用與血液粘度相似的30%甘油水溶液替代血液作為循環(huán)介質(zhì)[11]。實(shí)驗(yàn)主要觀測指標(biāo)為輸出壓力曲線、流量。通過控制軸流血泵速度周期性變化產(chǎn)生脈沖血流來模擬心臟收縮舒張的過程，調(diào)節(jié)各部分變速時(shí)間，發(fā)出可變頻率的周期性脈沖血流，模仿自然心臟搏動(dòng)，向人體提供符合生理狀態(tài)的血流。

圖1 搏動(dòng)性輔助實(shí)驗(yàn)方案

2 控制方案的設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)需要控制血泵速度輸出一定周期的壓力和流量[12]。軸流血泵搏動(dòng)性輔助研究控制系統(tǒng)采用閉環(huán)反饋控制，分為壓力控制部分和流量控制部分，控制原理如圖2所示。其中壓力控制以舒張壓和收縮壓兩個(gè)參數(shù)為控制目標(biāo)，壓力反饋控制以閥門開度和舒張壓與收縮壓分別對應(yīng)泵的最低轉(zhuǎn)速和最高轉(zhuǎn)速為控制對象，流量控制以一個(gè)搏動(dòng)周期內(nèi)的流量為一個(gè)控制單元。實(shí)驗(yàn)所用血泵調(diào)速方式脈沖寬度調(diào)制，PWM信號值（0～255）對應(yīng)著脈沖占寬比0～100%。通過改變PWM信號值來實(shí)現(xiàn)調(diào)速的功能。本文中以PWM信號值來間接度量血泵轉(zhuǎn)速。

圖2 系統(tǒng)控制框架圖

2.1 血泵轉(zhuǎn)速與壓力流量的關(guān)系模型建立

雖然血泵轉(zhuǎn)速與其出口壓力和流量并沒有固定的數(shù)學(xué)關(guān)系，但為了能夠初步確定目標(biāo)壓力所對應(yīng)的血泵初始速度值，使系統(tǒng)快速達(dá)到穩(wěn)態(tài)，可通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立只針對該模型恒流狀態(tài)下的壓力-轉(zhuǎn)速、壓力-流量關(guān)系特性曲線。具體方法為：在控制電磁閥開度不變的情況下，實(shí)驗(yàn)測定不同轉(zhuǎn)速下，血泵出口的壓力值和系統(tǒng)流量的值，分析數(shù)據(jù)模型，通過曲線擬合得到壓力P和流量Q關(guān)于轉(zhuǎn)速的數(shù)學(xué)關(guān)系式公式(1)和公式(2)。

在初始電動(dòng)閥開度50%的條件下，實(shí)驗(yàn)中測得不同轉(zhuǎn)速下，泵出口壓力、系統(tǒng)流量隨轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系曲線，見圖3。分別建立壓力P（mmHg）和流量Q（L/min）與轉(zhuǎn)速（pwm）的三次和二次擬合方程，曲線擬合相關(guān)度分別為R12=0.9993，R22=0.9993。

圖3 血泵壓力流量-轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線

2.2 壓力和流量的控制

系統(tǒng)使用壓力和流量反饋控制[13]。根據(jù)控制方案的設(shè)計(jì)，軸流血泵搏動(dòng)性輔助系統(tǒng)的壓力由電動(dòng)閥開度和泵的轉(zhuǎn)速共同控制，在流量控制方案中，優(yōu)先采用泵速度控制流量，當(dāng)速度調(diào)節(jié)不能滿足要求時(shí)，采用調(diào)節(jié)搏動(dòng)頻率控制流量。控制流程圖如圖4所示。

圖4 壓力流量控制流程圖

根據(jù)目標(biāo)壓力、由壓力轉(zhuǎn)速曲線方程(1)計(jì)算初始舒張速度、收縮速度，血泵以該初始速度、每分鐘固定頻率60次/min初始狀態(tài)啟動(dòng)。壓力調(diào)節(jié)過程分四步。

（1）調(diào)節(jié)阻力調(diào)節(jié)器，使舒張壓達(dá)到預(yù)設(shè)范圍。

（2）判斷此時(shí)收縮壓是否預(yù)設(shè)范圍，并調(diào)節(jié)血泵收縮速度使收縮壓達(dá)到預(yù)設(shè)范圍。

（3）由于阻力和轉(zhuǎn)速的變化會(huì)使舒張壓的值輕微變化，此時(shí)需要再次判斷舒張壓和收縮壓是否同時(shí)達(dá)到預(yù)設(shè)值范圍，并重復(fù)（1）（2）步驟直至舒張壓和收縮壓均達(dá)到預(yù)設(shè)范圍。

（4）檢查此時(shí)的流量是否滿足要求，如果否，通過調(diào)節(jié)波動(dòng)頻率來使流量達(dá)到目標(biāo)范圍。

2.3 搏動(dòng)頻率的控制

心臟完成一次收縮舒張周期所需的時(shí)間T與每分鐘的波動(dòng)頻率f成反比例關(guān)系如式(3)所示：

每個(gè)波動(dòng)周期由收縮時(shí)間和舒張時(shí)間兩部分構(gòu)成，見公式(4)～(5)：

自然狀態(tài)下各部分的時(shí)間在不同搏動(dòng)頻率的變化曲線如圖5。分析可知隨著頻率的變化，在心率120次/min之內(nèi)時(shí)，收縮時(shí)間基本保持不變在0.25 s，且在大于120次/min時(shí)僅有微小的變化，舒張時(shí)間隨著頻率的增加與周期時(shí)間基本保持同等的變化率。所以在我們系統(tǒng)設(shè)計(jì)中將收縮時(shí)間固定為=0.25 s，因此對頻率的控制即可轉(zhuǎn)換為對舒張時(shí)間的控制。

圖5 各頻率下的收縮舒張時(shí)間變化

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

軸流式血泵搏動(dòng)性輔助實(shí)驗(yàn)在體外模擬循環(huán)系統(tǒng)上進(jìn)行，在LabView上搭建的監(jiān)控窗口上觀察系統(tǒng)實(shí)時(shí)灌注壓力、平均壓力曲線，壓力采樣頻率為100 Hz。實(shí)驗(yàn)設(shè)定以正常人體血壓舒張壓80 mmHg，收縮壓125 mmHg為目標(biāo)值，目標(biāo)流量6 L/min，初始搏動(dòng)頻率60次/min，阻力調(diào)節(jié)閥開度50%。

3.1 搏動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

系統(tǒng)穩(wěn)定后壓力變化曲線如圖6所示，曲線1（上）為搏動(dòng)過程實(shí)時(shí)壓力波形，曲線2（下）為每個(gè)周期平均壓力變化。此時(shí)搏動(dòng)灌注形成了一個(gè)較好的壓力波形，輔助壓力波形與人體心臟自然搏動(dòng)壓力波形相似。一個(gè)搏動(dòng)周期壓力數(shù)據(jù)采樣分布圖如圖7所示，可以看出一個(gè)周期各個(gè)時(shí)間段的壓力變化情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果各個(gè)周期波形平穩(wěn)，舒張壓和收縮壓趨于穩(wěn)定，由平均壓力曲線觀察到平均壓力維持在100 mmHg左右，測得此時(shí)搏動(dòng)頻率約82次/min，流量約為6 L/min。

圖6 軸流血泵搏動(dòng)輔助壓力波形

圖7 單個(gè)周期壓力數(shù)據(jù)采樣

3.2 結(jié)果分析

（1）分析整個(gè)壓力波形趨勢，軸流血泵在搏動(dòng)灌注實(shí)驗(yàn)中，能輸出頻率可變的穩(wěn)定脈沖血流，很好的實(shí)現(xiàn)仿生搏動(dòng)，為目前廣泛用于恒流輔助的軸流血泵提供了搏動(dòng)式灌注的理論可行性。

（2）對單個(gè)周期的波形分析，軸流血泵搏動(dòng)輔助能很好維持舒張壓和收縮壓的穩(wěn)定，收縮期壓力迅速上升，說明能夠?yàn)楣嘧⑻峁┳銐虻膭?dòng)力，但是相較于自然波形，系統(tǒng)壓力在舒張末期下降較快，這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)所用體外循環(huán)專用管道彈性較差，不如真實(shí)血管。

（3）將實(shí)際壓力和流量和預(yù)期設(shè)定值相比較發(fā)現(xiàn)，舒張壓基本穩(wěn)定在目標(biāo)值80 mmHg左右，但收縮壓峰值高于預(yù)設(shè)值125 mmHg，這是因?yàn)槭湛s過程中，血泵短時(shí)間迅速提速到目標(biāo)值產(chǎn)生一個(gè)較大的加速度，使收縮壓偏大，這說明收縮壓不僅受最大速度的影響而且受加速度影響較大。

（4）在平均壓力100 mmHg下，每分鐘軸流血泵搏動(dòng)輔助的流量略低于恒流輔助，但搏動(dòng)輔助能提供更大的瞬時(shí)流速，為灌注提供更多的能量。

4 搏動(dòng)輔助溶血分析

臨床已經(jīng)驗(yàn)證軸流血泵在提供恒流輔助時(shí)不會(huì)產(chǎn)生對血液有形成分的損傷或這種損傷很小，不影響整個(gè)輔助過程[14]。在結(jié)構(gòu)、材料等因素一定的情況下，軸流血泵的溶血和轉(zhuǎn)子葉輪的轉(zhuǎn)速直接相關(guān)。由于在不同轉(zhuǎn)速下，血泵內(nèi)部的壓力場和剪應(yīng)力的分布不同，轉(zhuǎn)速越高，剪應(yīng)力也越高，血泵的溶血指標(biāo)水平也越高[15]。將軸流血泵由恒流輔助變?yōu)椴珓?dòng)輔助時(shí)，并沒有改變最高轉(zhuǎn)速，反而犧牲一定流量的情況下降低了其平均運(yùn)行速度，因此分析不會(huì)產(chǎn)生較恒流模式下更大的血液破壞，并做了相關(guān)驗(yàn)證。

體外溶血試驗(yàn)是利用新鮮的動(dòng)物血液模擬人體環(huán)境中血液壓力與流量的情況下進(jìn)行血液循環(huán)試驗(yàn)的，通過試驗(yàn)可以分析輔助系統(tǒng)的工作過程中產(chǎn)生的溶血程度[16]。為了驗(yàn)證軸流血泵在本文提供搏動(dòng)流方法下是否會(huì)產(chǎn)生對血細(xì)胞的破壞，我們將新鮮豬血液經(jīng)抗凝處理后在循環(huán)裝置中進(jìn)行循環(huán)實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)循環(huán)進(jìn)行3 h后，對循環(huán)系統(tǒng)中的血液進(jìn)行取血采樣，進(jìn)行血細(xì)胞分離等處理如圖8所示，可以發(fā)現(xiàn)上部分血清透明，幾乎無游離血紅蛋白，可知對血細(xì)胞破壞很小。因此可以證實(shí)軸流血泵在提供搏動(dòng)輔助上的可行性。

圖8 搏動(dòng)輔助血液離心處理結(jié)果

5 結(jié)論

本文基于軸流血泵用于恒流輔助的基礎(chǔ)上，結(jié)合搏動(dòng)血流更滿足生理特性，提出將軸流血泵用于搏動(dòng)輔助的想法，搭建了一套模擬體外循環(huán)裝置，設(shè)計(jì)了一種軸流血泵用于搏動(dòng)輔助的實(shí)驗(yàn)控制方案，并初步驗(yàn)證了該方法下血泵的溶血性能。

通過實(shí)驗(yàn)得出的搏動(dòng)壓力曲線和灌注流量，驗(yàn)證了軸流血泵提供搏動(dòng)輔助在血液動(dòng)力學(xué)層面的可行性，具有很好的實(shí)驗(yàn)研究前景，為今后植入式搏動(dòng)血泵的研究提供一個(gè)方向。