一種左心室輔助裝置流量控制系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)

【作者】王宗濤，靳立軍，顏世平，傅澤糧 廣東藥學(xué)院附屬第一醫(yī)院，廣州市，50080 廣東省人民醫(yī)院，廣東省心血管病研究所，廣東省醫(yī)學(xué)科學(xué)院，廣州市，50080 湖南埃普特醫(yī)療器械有限公司，湘潭市，4400

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一種左心室輔助裝置流量控制系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)

【作者】王宗濤1，靳立軍2，顏世平3，傅澤糧3
1 廣東藥學(xué)院附屬第一醫(yī)院，廣州市，510080
2 廣東省人民醫(yī)院，廣東省心血管病研究所，廣東省醫(yī)學(xué)科學(xué)院，廣州市，510080
3 湖南埃普特醫(yī)療器械有限公司，湘潭市，411400

【摘 要】目的 檢測新研發(fā)的新型經(jīng)皮插入式左心輔助裝置流量控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、可靠性、穩(wěn)定性。方法 應(yīng)用AMEsim軟件建立仿真模型，分別調(diào)節(jié)心臟和左心房的節(jié)流閥大小，分析模型中電機(jī)轉(zhuǎn)速、流量和壓力變化，并結(jié)合體外模擬實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性。結(jié)果 仿真實(shí)驗(yàn)中，電機(jī)轉(zhuǎn)速能隨A閥大小變化而改變，泵的流量也隨之改變，泵出口壓力維持在1.1×105Pa～1.2×105Pa。B閥大小的改變，也能早期識(shí)別及改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，自動(dòng)調(diào)節(jié)流量，泵入口壓力維持在-0.25×105Pa 至-0.10×105Pa。體外實(shí)驗(yàn)中，隨A閥、B閥大小的改變，泵可通過電壓改變實(shí)現(xiàn)自身調(diào)節(jié)，維持泵出入口壓力的相對(duì)穩(wěn)定，最終實(shí)現(xiàn)流量控制。結(jié)論 通過增設(shè)壓力傳感器控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，可精確控制流量，穩(wěn)定性強(qiáng)，響應(yīng)速度快。

【關(guān) 鍵 詞】左心室輔助裝置；流量控制；仿真分析

0　引言

根據(jù)《中國心血管病報(bào)告2013年》[1]，由于心血管病危險(xiǎn)因素的流行，我國心血管病的發(fā)病人數(shù)仍在持續(xù)增加，相當(dāng)于每5個(gè)成年人中就有1個(gè)心血管病患者。無論是高血壓、冠心病、心律失常，最終都逃不過心力衰竭的終末期，而患者生活質(zhì)量也因此受到嚴(yán)重困擾，甚至危及生命。隨著循證醫(yī)學(xué)的發(fā)展，藥物對(duì)心力衰竭患者治療的局限性受到了大家的關(guān)注，新型的輔助裝置對(duì)心力衰竭患者的治療開始受到重視，尤其在應(yīng)對(duì)急性心力衰竭方面，單純藥物治療的療效非常有限。心臟輔助裝置作為一種心力衰竭的治療方法，近年來受到了大家的關(guān)注。左心輔助裝置（Left Ventricular Assist Devices, LVAD）作為一類新型的輔助裝置，一些臨床研究證實(shí)了其有效性。其原理是利用泵血裝置驅(qū)動(dòng)左心室的血液流入主動(dòng)脈，可部分或完全替代心臟泵血功能，維持患者的血液循環(huán)。自從1962年DeBakey和Liotta報(bào)道的啟動(dòng)隔膜血泵發(fā)展至今，左心室輔助裝置已經(jīng)衍生出多個(gè)產(chǎn)品，如主動(dòng)脈內(nèi)球囊反搏（IABP）、Tandem Heart系統(tǒng)、Impella系統(tǒng)、Ecmo系統(tǒng)等。其中，連續(xù)性泵血裝置（Impella系統(tǒng)）是目前臨床應(yīng)用較多的左心室輔助裝置[2]，其經(jīng)皮植入的方式使其在臨床操作中有很大的優(yōu)勢，但其昂貴的費(fèi)用，使國內(nèi)臨床使用受到限制。本研究所涉及的左心輔助裝置是一種自主研發(fā)的經(jīng)皮植入式左心輔助裝置，擬通過模擬測試與體外測試，實(shí)現(xiàn)對(duì)左心輔助裝置流量更為精確和有效的控制，并最終實(shí)現(xiàn)經(jīng)皮植入式左心輔助裝置的國產(chǎn)化。

關(guān)于精確控制流量的問題，早在1898年，德國生物學(xué)家Otto Frank就提出了著名的彈性腔（Windkessel）模型[3]，從此，利用心血管建模仿真得到迅速發(fā)展，后來建模成為解決精確控制心室輔助裝置的有效途徑。常用模型有物理模型、動(dòng)物模型和數(shù)學(xué)模型，其中的數(shù)學(xué)模型方法因可通過變量參數(shù)反應(yīng)血流變化情況，發(fā)展尤為突出，如電網(wǎng)絡(luò)模型、系統(tǒng)辨識(shí)方法、有限元分析法、鍵合圖法等[4[5]。隨著生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)的發(fā)展，專家控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[6]、模糊控制等智能控制也應(yīng)用到左心室輔助設(shè)備中來，缺點(diǎn)是專家控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)都需要訓(xùn)練樣本量，無法選取通用的樣本量，而且模糊控制響應(yīng)速度慢[7]。根據(jù)臨床應(yīng)用實(shí)踐，在臨床手術(shù)時(shí)，壓力是關(guān)鍵參數(shù)，所以，在左心室輔助導(dǎo)管上增加壓力傳感器，采集壓力信號(hào)，利用壓力信號(hào)與電機(jī)轉(zhuǎn)速、流量之間的關(guān)系，控制血泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而可有效控制流量。前期的研究已經(jīng)證實(shí)了左心輔助裝置在體外實(shí)驗(yàn)及動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中的有效性和可操作性[8]。

1　左心室輔助系統(tǒng)

左心室輔助系統(tǒng)包括：導(dǎo)管、軸流泵、壓力傳感器、控制系統(tǒng)，接口，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。壓力傳感器B固定在豬尾導(dǎo)管上，由信號(hào)線通過導(dǎo)管連接到接口上，工作時(shí)位于左心室內(nèi)；壓力傳感器A固定在導(dǎo)管近端，也由信號(hào)線通過導(dǎo)管連接到接口上，工作時(shí)位于主動(dòng)脈內(nèi)。壓力傳感器B和壓力傳感器A位于軸流泵的兩邊。軸流泵通過信號(hào)線連接到接口。

圖1　左心室輔助裝置結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of LVAD

控制原理：工作時(shí)，導(dǎo)管經(jīng)皮植入，遠(yuǎn)端有網(wǎng)孔部分置于左心室內(nèi)，軸流泵置于主動(dòng)脈瓣位置，近端置于主動(dòng)脈內(nèi)，接口外接控制系統(tǒng)。將左心室內(nèi)血液通過導(dǎo)管遠(yuǎn)端上的網(wǎng)孔吸入導(dǎo)管內(nèi)，再從軸流泵出口將血液排出到主動(dòng)脈內(nèi)，實(shí)現(xiàn)輔助供血，形成壓力。壓力傳感器A和B采集壓力信號(hào)，根據(jù)信號(hào)大小，輸入軸流泵驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)使軸流泵旋轉(zhuǎn)，通過設(shè)置控制系統(tǒng)，可預(yù)設(shè)定壓力傳感器A的值，也可直接輸入軸流泵電流控制轉(zhuǎn)速，從而可根據(jù)患者的實(shí)際情況，如睡眠階段或患者體格較小時(shí)，適當(dāng)降低流速，見圖2。

圖2　控制原理圖Fig.2 Control schematic

為解決軸流泵抽吸力度過大，導(dǎo)致左心室結(jié)構(gòu)及功能受損；或主動(dòng)脈壓力過高，形成高血壓；同時(shí)，為解決軸流泵抽吸力度過小，導(dǎo)致血壓偏低，無法起到輔助循環(huán)的作用，所以，在壓力傳感器B和A設(shè)定合適壓力，該壓力依據(jù)數(shù)據(jù)模型相關(guān)參數(shù)設(shè)定[9]，同時(shí)考慮到大氣壓，設(shè)收縮壓1.173×105Pa(880 mmHg)為理想值，低于1.133×105Pa(850 mmHg)為低血壓，電機(jī)需加快轉(zhuǎn)速，高于1.2×105Pa(900 mmHg)為高血壓，電機(jī)需減慢轉(zhuǎn)速，建立函數(shù)如下：

為防止心臟壁貼合網(wǎng)孔，心室內(nèi)壓強(qiáng)不低于大氣壓1.013×105 Pa(760 mmHg)，以大氣壓為基準(zhǔn)，建立函數(shù)如下：

2　仿真模型

為實(shí)現(xiàn)左心室輔助設(shè)備抽吸速率可自動(dòng)調(diào)節(jié)，在心室和主動(dòng)脈間建立合理的血液流量。預(yù)設(shè)某成年患者，突然心跳停止，根據(jù)成人正常心跳時(shí)所需血量為5 L/min，用AMEsim軟件建立模型（圖3）。

根據(jù)人體血液特性，相關(guān)參數(shù)設(shè)置見表1[9]。

圖3　模型結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The structure of model

表1　液體特性Tab.1 The characteristic of blood

軸流泵采用1 mL/轉(zhuǎn)，電機(jī)選用可調(diào)速電機(jī)，主信號(hào)設(shè)為單位階躍信號(hào)。根據(jù)正常人體所需流量5 L/min，電機(jī)正常轉(zhuǎn)速為5 000 r/min。在泵的輸出端設(shè)立壓力傳感器A和可控節(jié)流閥A，可控節(jié)流閥A模擬不同人體的動(dòng)脈血管特征。在泵的輸入段放置壓力傳感器B和可控節(jié)流閥B，可控節(jié)流閥B模擬人體的左心室壓力特性。將式(1)、式(2)、表1中的參數(shù)寫入模型，執(zhí)行仿真。

模擬工作流程：當(dāng)輸入初始階躍信號(hào)5 000時(shí)，可調(diào)速電機(jī)接收5 000信號(hào)，轉(zhuǎn)換為電機(jī)轉(zhuǎn)速5 000 r/min，驅(qū)動(dòng)泵旋轉(zhuǎn)，理論輸出流量為5/min。在泵抽吸端（模擬左心室內(nèi)），受抽吸負(fù)壓，形成負(fù)壓腔，壓力傳感器加壓力信號(hào)經(jīng)傳感器B反饋到可調(diào)速電機(jī)的信號(hào)輸入端。在泵的排出端（模擬主動(dòng)脈），液體經(jīng)過管道和節(jié)流閥A形成正壓，經(jīng)傳感器A反饋到可調(diào)速電機(jī)的信號(hào)輸入端。初始階躍信號(hào)、信號(hào)A、信號(hào)B共同控制可調(diào)速電機(jī)旋轉(zhuǎn)，直到達(dá)到平衡值，實(shí)現(xiàn)自主控制。

為查看電機(jī)自動(dòng)調(diào)控情況，設(shè)置初始輸入量為5 000，可控節(jié)流閥A和B的輸入信號(hào)為階躍函授，控制節(jié)流閥開孔從小到大，再從大到小的變化過程，仿真結(jié)果如下：

圖4中，輸入信號(hào)保持不變，當(dāng)B口壓力值固定時(shí)，調(diào)節(jié)壓力大小，電機(jī)能自動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，并最終維持A處壓力恒定。同理，反應(yīng)了隨著A、B處信號(hào)固定時(shí)的變化，調(diào)節(jié)壓力大小，電機(jī)能自動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，并最終維持B處壓力恒定。從響應(yīng)曲線可知：系統(tǒng)可通過檢測A、B處壓力的改變，通過流量的調(diào)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的自動(dòng)控制，并維持其壓力恒定。即系統(tǒng)可自動(dòng)識(shí)別A、B處壓力變化，最終實(shí)現(xiàn)流量的控制。

圖4　隨著輸入信號(hào)的改變，A、B閥處壓力的變化Fig.4 The A and B valve pressure change with the variation of signal

3　體外模擬實(shí)驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證控制系統(tǒng)的可行性，選用甘油和水的混合物模擬人體血液，選用改進(jìn)的左心室輔助導(dǎo)管，導(dǎo)管近心端網(wǎng)孔段用大硅膠管套住，靠近軸流泵處密封，另一端接球閥A和壓力表A，并侵入盛有甘油和水的混合物容器中；導(dǎo)管遠(yuǎn)心段（軸流泵出口）同樣用大硅膠管套住，軸流泵一端密封，在硅膠管上開個(gè)小孔過導(dǎo)管，硅膠管另一端接球閥B和壓力表B，抽出液體體積用量筒測量。接通控制器電源（額定電壓為36 V），控制器通過接頭與左心室輔助導(dǎo)管連接，控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)。

設(shè)定電機(jī)初始輸入信號(hào)為36 V，然后調(diào)節(jié)開關(guān)A口大小，實(shí)現(xiàn)壓力的調(diào)節(jié)，此時(shí)開關(guān)B全開，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)；同樣的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)B口大小的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)壓力控制，并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，詳見表2。

表2　壓力改變與流量測定值（n=15）Tab.2 The variation of pressure and fl ow（n=15）

A、B口大小不同所導(dǎo)致的壓力值之間比較達(dá)到統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，因A、B口壓力變化所導(dǎo)致左心輔助裝置流量改變的大小亦有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

4　討論

安全、有效是醫(yī)療器械臨床應(yīng)用的基礎(chǔ)，最大限度增加左心室輔助器械的安全性、有效性是目前臨床應(yīng)用的目標(biāo)。因此，針對(duì)臨床不同需求，左心輔助裝置應(yīng)具備相應(yīng)的調(diào)節(jié)能力，在治療的同時(shí)盡量減少并發(fā)癥的發(fā)生。本研究通過仿真模擬實(shí)驗(yàn)和體外實(shí)驗(yàn)，擬提高自主研發(fā)的左心輔助裝置的安全性和有效性。

目前，廣泛應(yīng)用于臨床的心臟輔助裝置，其流量控制的原理大致可分為基于心率和基于血壓兩種類型。因缺乏對(duì)輔助裝置的監(jiān)控，或因其對(duì)左心輔助裝置檢測的相關(guān)指標(biāo)靈敏度受限等問題，無法滿足臨床需求[10]。本研究通過改進(jìn)左心室輔助裝置和系統(tǒng)，在傳統(tǒng)左心室輔助裝置的導(dǎo)管上增加壓力傳感器，外接控制系統(tǒng)，將壓力信號(hào)輸入控制系統(tǒng)并用數(shù)學(xué)模型處理信號(hào)，再用處理后的信號(hào)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，最終控制流量。除了能監(jiān)測血壓心率之外，通過對(duì)左心輔助裝置本身的壓力檢測，更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的管理。利用AMEsim軟件和數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了該方法的可行性。仿真實(shí)驗(yàn)中，通過對(duì)信號(hào)的改變，即實(shí)現(xiàn)左心輔助裝置出血口與入血口壓力的改變，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的控制。圖4中可見，當(dāng)出入血口壓力變化時(shí)，電機(jī)可自動(dòng)識(shí)別壓力的變化，并調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)流量的控制，同時(shí)維持相對(duì)恒定的壓力。這充分證明了該控制系統(tǒng)的可行性。

對(duì)于仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，擬通過體外實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其可行性及有效性。體外實(shí)驗(yàn)中，通過改變出入口的大小，實(shí)現(xiàn)壓力控制，傳感器識(shí)別壓力控制系統(tǒng)后，仍可以自主調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，并最終對(duì)流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，左心輔助裝置的控制系統(tǒng)可精確控制流量，并維持壓力相對(duì)恒定，其方法簡單實(shí)用，具有簡單、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性強(qiáng)的特點(diǎn)，可提高左心室輔助裝置臨床應(yīng)用的安全性和有效性。

5　結(jié)論

仿真模擬實(shí)驗(yàn)和體外模擬實(shí)驗(yàn)過程中均證實(shí)了控制系統(tǒng)的良好效果，再通過進(jìn)一步的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和臨床實(shí)驗(yàn)再次驗(yàn)證該控制方法的有效性并加以改進(jìn)，希望此LVAD成為一種精確度高、靈敏度高的心臟輔助控制裝置。

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The Simulation Experiment of Control System for Left Ventricular Assist Device

【W(wǎng)riters】WANG Zongtao1, JIN Lijun2, YAN Shiping3, FU Zeliang3
1 The First Affi liated Hospital of Guangdong Pharmaceutical University, Guangzhou, 510000
2 Guangdong People’s Hospital, Guangdong Cardiovascular Institute, Guangdong Academy of Medical Science, Guangzhou, 510080
3 Hunan Access Point Medical Devices Co. Ltd., Xiangtan, 411400

【Abstract】Objective To test the accuracy, the reliability and the stability of fl ow-controlling method of a new percutaneous left ventricular assist device. Methods With the AMEsim to set up a simulation model, analysis the variations of motor speed, flow and pressure by adjusting the size of valve. and we test the improved-theoretical model with outside experiment. Results In the simulation experiment, with the variations of pressure from A, the system can regulate the motor speed to maintain the pump outlet pressure 1.1×105Pa～1.2×105Pa and control the fl ow. With the B valve size changes, the fl ow-controlling by the system identify and change the motor speed, to maintain the pump inlet pressure from -0.25×105Pa to -0.10×105Pa. In outside experiment, with the variations of the size of valve A and valve B, the pump can change the voltage by self-regulation, maintain the entrance and exit of pressure is relatively stable and control the fl ow. Conclusions It is a fast-responding and better robust way, by adding the pressure sensor to adjust the speed of motor, to control the fl ow accurately.

【Key words】left ventricular assist device, fl ow controlling, simulation

【中圖分類號(hào)】R318.6

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

doi:10.3969/j.issn.1671-7104.2016.02.021

文章編號(hào)：1671-7104(2016)02-0143-04

收稿日期：2015-04-16

基金項(xiàng)目：廣東省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目（2011A030300001）

通信作者：靳立軍，E-mail：lijun-jin@163.com