軸流式血泵搏動性輔助的控制實驗研究

四川大學 機械工程學院，四川 成都 610065

引言

目前，心力衰竭是嚴重的世界性公共衛(wèi)生問題，全球心力衰竭患者高達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)患者癥狀反復加重，長期住院，進而發(fā)展成為終末期心力衰竭，導致死亡[3]。雖然目前98%以上的左室輔助裝置都提供非搏動性的連續(xù)性血流，但如何提供更符合生理特性的搏動性血流的研究從未停止[4-5]。搏動是人類心血管系統(tǒng)最基本的內在屬性，研究表明搏動性血流在各方面均優(yōu)于非搏動性血流灌注[6]。此外，對于衰竭心臟的恢復和支持，搏動性血流也更具優(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，主動脈瓣始終處于關閉狀態(tài)，心肌細胞的生理狀態(tài)和能量運用被嚴重干擾；而搏動性血流在充分的減輕心臟負荷，使受損心肌完全休息的同時，能夠保持生理范圍的左室壓力，從而使心肌細胞得到充分的血流灌注，促使其恢復[7]。Kato等[8]對比了61例搏動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構和功能的影響，結果發(fā)現(xiàn)，搏動性血流輔助下，心臟收縮及舒張功能改善更明顯。

另一方面，搏動性血流可以很好的保持血管的彈性，預防動脈硬化，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，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供血的流體力學特性進行控制測試分析，研究軸流泵在仿生搏動式輔助上的可行性。

1 軸流式血泵搏動性輔助實驗系統(tǒng)的設計

如圖1所示，軸流血泵搏動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。軸流血泵搏動性輔助系統(tǒng)在體外搭建的模擬循環(huán)裝置上進行。體外模擬循環(huán)裝置由模擬心臟、軸流血泵、壓力傳感器、阻力調節(jié)器、流量計串聯(lián)組成，其中阻力調節(jié)器通過電動閥調節(jié)開度來實現(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[11]。實驗主要觀測指標為輸出壓力曲線、流量。通過控制軸流血泵速度周期性變化產生脈沖血流來模擬心臟收縮舒張的過程，調節(jié)各部分變速時間，發(fā)出可變頻率的周期性脈沖血流，模仿自然心臟搏動，向人體提供符合生理狀態(tài)的血流。

圖1 搏動性輔助實驗方案

2 控制方案的設計

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參數(shù)為控制目標，壓力反饋控制以閥門開度和舒張壓與收縮壓分別對應泵的最低轉速和最高轉速為控制對象，流量控制以一個搏動周期內的流量為一個控制單元。實驗所用血泵調速方式脈沖寬度調制，PWM信號值（0～255）對應著脈沖占寬比0～100%。通過改變PWM信號值來實現(xiàn)調速的功能。本文中以PWM信號值來間接度量血泵轉速。

圖2 系統(tǒng)控制框架圖

2.1 血泵轉速與壓力流量的關系模型建立

雖然血泵轉速與其出口壓力和流量并沒有固定的數(shù)學關系，但為了能夠初步確定目標壓力所對應的血泵初始速度值，使系統(tǒng)快速達到穩(wěn)態(tài)，可通過實驗數(shù)據(jù)建立只針對該模型恒流狀態(tài)下的壓力-轉速、壓力-流量關系特性曲線。具體方法為：在控制電磁閥開度不變的情況下，實驗測定不同轉速下，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關于轉速的數(shù)學關系式公式(1)和公式(2)。

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

圖3 血泵壓力流量-轉速關系曲線

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)控制方案的設計，軸流血泵搏動性輔助系統(tǒng)的壓力由電動閥開度和泵的轉速共同控制，在流量控制方案中，優(yōu)先采用泵速度控制流量，當速度調節(jié)不能滿足要求時，采用調節(jié)搏動頻率控制流量?？刂屏鞒虉D如圖4所示。

圖4 壓力流量控制流程圖

根據(jù)目標壓力、由壓力轉速曲線方程(1)計算初始舒張速度、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。壓力調節(jié)過程分四步。

（1）調節(jié)阻力調節(jié)器，使舒張壓達到預設范圍。

（2）判斷此時收縮壓是否預設范圍，并調節(jié)血泵收縮速度使收縮壓達到預設范圍。

（3）由于阻力和轉速的變化會使舒張壓的值輕微變化，此時需要再次判斷舒張壓和收縮壓是否同時達到預設值范圍，并重復（1）（2）步驟直至舒張壓和收縮壓均達到預設范圍。

（4）檢查此時的流量是否滿足要求，如果否，通過調節(jié)波動頻率來使流量達到目標范圍。

2.3 搏動頻率的控制

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

每個波動周期由收縮時間和舒張時間兩部分構成，見公式(4)～(5)：

自然狀態(tài)下各部分的時間在不同搏動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之內時，收縮時間基本保持不變在0.25 s，且在大于120次/min時僅有微小的變化，舒張時間隨著頻率的增加與周期時間基本保持同等的變化率。所以在我們系統(tǒng)設計中將收縮時間固定為=0.25 s，因此對頻率的控制即可轉換為對舒張時間的控制。

圖5 各頻率下的收縮舒張時間變化

3 實驗結果

軸流式血泵搏動性輔助實驗在體外模擬循環(huán)系統(tǒng)上進行，在LabView上搭建的監(jiān)控窗口上觀察系統(tǒng)實時灌注壓力、平均壓力曲線，壓力采樣頻率為100 Hz。實驗設定以正常人體血壓舒張壓80 mmHg，收縮壓125 mmHg為目標值，目標流量6 L/min，初始搏動頻率60次/min，阻力調節(jié)閥開度50%。

3.1 搏動實驗結果

系統(tǒng)穩(wěn)定后壓力變化曲線如圖6所示，曲線1（上）為搏動過程實時壓力波形，曲線2（下）為每個周期平均壓力變化。此時搏動灌注形成了一個較好的壓力波形，輔助壓力波形與人體心臟自然搏動壓力波形相似。一個搏動周期壓力數(shù)據(jù)采樣分布圖如圖7所示，可以看出一個周期各個時間段的壓力變化情況。實驗結果各個周期波形平穩(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，測得此時搏動頻率約82次/min，流量約為6 L/min。

圖6 軸流血泵搏動輔助壓力波形

圖7 單個周期壓力數(shù)據(jù)采樣

3.2 結果分析

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

（2）對單個周期的波形分析，軸流血泵搏動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，說明能夠為灌注提供足夠的動力，但是相較于自然波形，系統(tǒng)壓力在舒張末期下降較快，這是因為實驗所用體外循環(huán)專用管道彈性較差，不如真實血管。

（3）將實際壓力和流量和預期設定值相比較發(fā)現(xiàn)，舒張壓基本穩(wěn)定在目標值80 mmHg左右，但收縮壓峰值高于預設值125 mmHg，這是因為收縮過程中，血泵短時間迅速提速到目標值產生一個較大的加速度，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輔助的流量略低于恒流輔助，但搏動輔助能提供更大的瞬時流速，為灌注提供更多的能量。

4 搏動輔助溶血分析

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

體外溶血試驗是利用新鮮的動物血液模擬人體環(huán)境中血液壓力與流量的情況下進行血液循環(huán)試驗的，通過試驗可以分析輔助系統(tǒng)的工作過程中產生的溶血程度[16]。為了驗證軸流血泵在本文提供搏動流方法下是否會產生對血細胞的破壞，我們將新鮮豬血液經(jīng)抗凝處理后在循環(huán)裝置中進行循環(huán)實驗。在實驗循環(huán)進行3 h后，對循環(huán)系統(tǒng)中的血液進行取血采樣，進行血細胞分離等處理如圖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，可知對血細胞破壞很小。因此可以證實軸流血泵在提供搏動輔助上的可行性。

圖8 搏動輔助血液離心處理結果

5 結論

本文基于軸流血泵用于恒流輔助的基礎上，結合搏動血流更滿足生理特性，提出將軸流血泵用于搏動輔助的想法，搭建了一套模擬體外循環(huán)裝置，設計了一種軸流血泵用于搏動輔助的實驗控制方案，并初步驗證了該方法下血泵的溶血性能。

通過實驗得出的搏動壓力曲線和灌注流量，驗證了軸流血泵提供搏動輔助在血液動力學層面的可行性，具有很好的實驗研究前景，為今后植入式搏動血泵的研究提供一個方向。