第3代人工心臟泵研究進展及應(yīng)用

劉 鑫 曲洪一 王 聰 劉建華 王秋良

1(中國科學(xué)院贛江創(chuàng)新研究院，江西 贛州 341000)2(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)稀土學(xué)院，合肥 230026)3(中國科學(xué)院電工研究所，北京 100190)

引言

心力衰竭是當(dāng)今世界面臨的共同難題之一，當(dāng)心臟虛弱并且未能達到與人體各器官及組織需求相稱的生理速率泵血時，即會被歸類為不同程度的心衰。 目前全球范圍內(nèi)心力衰竭的患病形勢極其嚴(yán)峻，患病數(shù)量超過2 600 萬，并且增長速度持續(xù)攀升[1-2]。 除了心臟移植，心衰目前還沒有通過藥物根治的辦法，由于心臟病的高發(fā)病率和供體心臟的嚴(yán)重不足，人工心臟成了眾多患者延長生存期最后的希望和最有效的途徑。 在過去的半個多世紀(jì)里，用人工機械泵替換衰竭的人類心臟，一直激勵著科學(xué)家、工程技術(shù)人員以及臨床醫(yī)生不懈探索人工心臟的解決方案，目前這一努力已逐漸步入臨床應(yīng)用，挽救了許多重癥的心衰患者[3-5]。

人工心臟分為全人工心臟(total artificial heart，TAH)和心室輔助裝置(ventricular assist device，VAD)。 較低的不良事件發(fā)生率和更長的生存期提高了VAD 技術(shù)的接受度和使用率，因此其在心臟醫(yī)療的應(yīng)用遠超于TAH[6]。

人工心臟泵作為VAD 最關(guān)鍵的部件，在心臟醫(yī)療與設(shè)備領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力，吸引了國內(nèi)外許多學(xué)者的廣泛關(guān)注。 為了改善心衰病人的存活幾率、功能狀態(tài)和生活質(zhì)量，人工心臟泵需要滿足體積小、安全可靠以及較好的血液相容性的要求[7]。 目前，我國對于高端醫(yī)療器械核心技術(shù)的掌握程度還遠遠不夠，醫(yī)療制品在全球的市場份額只占2%，高端醫(yī)療器械80%以上依賴進口[8]，人工心臟泵更是如此，其相關(guān)技術(shù)涉及磁懸浮、流體力學(xué)、永磁電機制造、葉輪設(shè)計、生物醫(yī)學(xué)工程、精密控制等多個學(xué)科，由于“卡脖子”技術(shù)問題，國內(nèi)對于這方面的研究與應(yīng)用遠落后于發(fā)達國家。 另外，我國心衰患者數(shù)量龐大，而人工心臟泵造價昂貴，因此人工心臟泵在國內(nèi)具有巨大的潛在市場。 加強人工心臟的研發(fā)不僅是一個科學(xué)技術(shù)問題，更是一個重大的社會和經(jīng)濟問題，對我國人工心臟泵的創(chuàng)新發(fā)展至關(guān)重要。 目前人工心臟泵已經(jīng)發(fā)展至第3代，相對于第1 代人工心臟泵[9-12]和第2 代人工心臟泵[13-17]，第3 代人工心臟泵具有體積更小、能耗更低、設(shè)備壽命更長、血液相容性更好等優(yōu)勢，其治療及預(yù)后效果也受到了普遍認(rèn)可。 第3 代人工心臟泵的研發(fā)，將心力衰竭的治療推向一個新的臺階。

介紹第3 代人工心臟泵的研究進展，闡述其所涉及關(guān)鍵技術(shù)的研究現(xiàn)狀，并根據(jù)其發(fā)展要求以及尚存不足，探討未來人工心臟泵的發(fā)展趨勢。

1 第3 代人工心臟泵的發(fā)展

1.1 第3 代人工心臟泵的研究現(xiàn)狀

第3 代人工心臟泵在心臟醫(yī)療服務(wù)與裝備研發(fā)領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力，吸引了許多從事醫(yī)療裝備研發(fā)工作的科技人員，同時也是目前國內(nèi)外人工心臟領(lǐng)域的研究重點。

DuraHeart VAD 是日本Terumo 公司研制的一款離心式人工心臟泵，它采用磁懸浮手段實現(xiàn)轉(zhuǎn)子懸浮，是五自由度全磁穩(wěn)定懸浮，其中葉輪與泵內(nèi)壁之間留有較寬的血流間隙(250 μm)，使得血液能夠在泵內(nèi)處于層流狀態(tài)，減少對血細(xì)胞的損害[18]。 在第3 代人工心臟泵的產(chǎn)品中，DuraHeart VAD 的整體結(jié)構(gòu)較大，尺寸為?72×45 mm，重約540 g，轉(zhuǎn)速在1 200 ～2 400 r/min 可調(diào)，流量為2 ～8 L/min[19]。DuraHeart VAD 因其出色的泵血性能，成為首個被批準(zhǔn)用于臨床試驗的第3 代人工心臟泵，且于2007年獲得歐盟CE 許可。

美國Heartware 公司研制的HVAD[見圖1(a)]是一款綜合液力懸浮和磁懸浮技術(shù)的混合懸浮離心式人工心臟泵，尺寸為?48×28 mm，重約160 g，轉(zhuǎn)速在1 800～4 000 r/min 可調(diào)，流量最高可達10 L/min[20-21]。 由于HVAD 體積小、能耗低且具有較好的懸浮性能，繼2008年成功開展首次大范圍的臨床試驗之后，HVAD 的臨床應(yīng)用急劇增加，目前有不低于7 000 例的心衰患者植入病例[22]。 但其不足之處在于，HVAD 液力懸浮時存在間隙較小的情況(約40 μm)，會產(chǎn)生高剪切應(yīng)力，極大地影響血泵的血液相容性。 一項針對HVAD 的臨床試驗將其與第2 代人工心臟泵HeartMate II 進行了比較，結(jié)果表明兩款產(chǎn)品的醫(yī)療效果相差不大，HVAD 在血液相容性上甚至稍遜一籌，其腦卒中率為29.7%，而HeartMate II 僅為12.1%，但在設(shè)備故障率方面HVAD 略勝一籌[23]。 不久之后，Heartware 醫(yī)療器械公司開發(fā)出HVAD 的改進版產(chǎn)品——MVAD [見圖1(b)]，與上一代產(chǎn)品相比，MVAD 將離心泵改為體積更小的軸流泵，在懸浮技術(shù)上未做太多改進，但其尺寸大大縮減，僅為HVAD 的2/3，其優(yōu)勢體現(xiàn)在微型的泵體結(jié)構(gòu)尺寸及超寬的轉(zhuǎn)子調(diào)速范圍(16 000～28 000 r/min)[24-25]。 因此，MVAD 多數(shù)用在身體體積更小的心衰病人身上。

圖1 Heartware 研制的人工心臟泵[20]。 (a)HVAD； (b) MVADFig.1 Artificial heart pump made by Heartware.(a) HVAD； (b) MVAD

第3 代磁懸浮人工心臟泵最具代表性的HeartMate III 出自世界最大的人工心臟醫(yī)療器械公司——美國的Thoratec，也是目前唯一上市的人工心臟泵產(chǎn)品(見圖2)[26]。 HeartMate III 設(shè)計的初衷是提高人工心臟泵血液相容性，其工作時泵內(nèi)葉輪憑借磁懸浮技術(shù)完成穩(wěn)定懸浮，能夠使葉輪與泵內(nèi)壁留有較寬的血流通道(側(cè)邊0.5 mm，上下1 mm)，可以大大降低并發(fā)癥的發(fā)生概率，這點相比于HVAD 具有較大優(yōu)勢。 HeartMate III 近年來在歐洲開展了大量臨床試驗，結(jié)果表明其血液相容性和患者存活率方面明顯優(yōu)于第2 代人工心臟產(chǎn)品，并獲得了歐盟的CE 認(rèn)證標(biāo)志[27-28]。

圖2 HeartMate III 實物圖[26]Fig.2 Object diagram of HeartMate III[26]

1.2 第3 代人工心臟泵的應(yīng)用情況

第3 代人工心臟泵憑借其較為出色的性能，應(yīng)用于心臟病相關(guān)的各種高端醫(yī)療器械中，目前應(yīng)用最多的有4 種類型。

1)植入式VAD。 人工心臟泵在植入式VAD 上的應(yīng)用最為廣泛，本文列舉的人工心臟泵產(chǎn)品大多屬于植入式VAD 這一類。 植入式VAD 是將產(chǎn)品植入至人體心臟中，術(shù)后會產(chǎn)生一系列排斥反應(yīng)，而且泵的高速運轉(zhuǎn)對血液也會有不利影響，因此人工心臟泵需要在滿足體積小、能耗低的同時實現(xiàn)對人體的傷害最低。 第3 代人工心臟泵加入了以磁懸浮技術(shù)和液力懸浮技術(shù)為基礎(chǔ)的懸浮機制，以離心式或軸流式結(jié)構(gòu)為主體，進一步縮小了產(chǎn)品體積，提高了血液相容性及治療效果，它的出現(xiàn)使VAD 植入后的生物相容性問題得到了顯著的緩解。

2)體外磁懸浮人工心臟。 體外人工心臟是人工制作的置于人體外的心臟，基本上是由人工心臟泵、驅(qū)動裝置、監(jiān)控系統(tǒng)、能源等4 個部分構(gòu)成。 對于體質(zhì)不適合做植入手術(shù)的病人而言，安裝體外人工心臟是一種挽救生命的急救和治療手段，能提高患者50%的存活率，為患者帶來生的希望。 另外，遇到急性心臟病的情況時，往往醫(yī)生需要足夠的時間研判病情做出決策，體外磁懸浮人工心臟可以短暫地維持患者的生計，為醫(yī)生研判病情爭取時間。

3)全人工心臟。 與植入式VAD 不同的是，TAH在使用時需要移除患者本身的病損心臟，完全取代心臟獨立工作，因此TAH 服務(wù)的對象往往是病情嚴(yán)重、有即將死亡的風(fēng)險并且沒有適合心臟供體的全心衰竭患者。 TAH 在結(jié)構(gòu)上跟VAD 也有所不同，最明顯的特征是泵的數(shù)量一般為兩個，協(xié)同工作實現(xiàn)泵血功能。 遺憾的是，受到大尺寸和耐用性差的限制，TAH 經(jīng)常出現(xiàn)諸如感染、神經(jīng)系統(tǒng)事件和出血等并發(fā)癥，植入體內(nèi)的風(fēng)險較高。

4)體外膜肺氧合。 2019年12月，新型冠狀病毒爆發(fā)，截至目前全世界范圍內(nèi)確診病例超過1.74億例，累計死亡病例超375 萬例，疫情依舊嚴(yán)峻。 體外膜肺氧合(extracorporeal membrane oxygenation，ECMO) 的應(yīng)用作為挽救呼吸衰竭和重癥心臟疾病的一種手段廣泛進入大眾視野，救治效果明顯。 但由于造價高和卡脖子技術(shù)問題，目前ECMO 在國內(nèi)配置非常少，且都依賴國外進口。 作為ECMO 的核心部件之一，人工心臟泵是最具有技術(shù)難度的部分，也是當(dāng)前國產(chǎn)化的難點和關(guān)鍵。

1.3 國內(nèi)第3 代人工心臟泵的發(fā)展?fàn)顩r

國內(nèi)對于人工心臟泵的研究最早出現(xiàn)在20 世紀(jì)80年代，但總體進度緩慢，大部分均停留在模擬實驗和動物實驗階段，到現(xiàn)在為止還未有過用于心衰患者的臨床試驗。 早期第1 代人工心臟泵研究較為典型的有廣東心血管病研究所研制的螺旋型人工心臟泵，其核心組成部分為真空泵和空氣壓縮機[29]。 2008年中國協(xié)和醫(yī)科大學(xué)研制出第2 代軸流式人工心臟泵，可以滿足連續(xù)泵血輸出的壓力需要[30-31]。 隨著第3 代人工心臟泵的出現(xiàn)，國內(nèi)也陸續(xù)開展了一些相關(guān)研究。

1)“中國心”人工心臟泵(China Heart)。 China Heart (見圖3)是北京安貞醫(yī)院聯(lián)合蘇州大學(xué)以及蘇州同心醫(yī)療器械公司研發(fā)的全磁懸浮人工心臟泵，其直徑為50 mm，厚度為26 mm，重約130 g，能耗不低于6 W[32]。 China Heart 產(chǎn)品于2011年開展了動物實驗，2017年完成了中國食品藥品檢定研究院大動物報備實驗[33]。 徐創(chuàng)業(yè)等[34]報道了China Heart 的動物實驗評估結(jié)果，證明了該產(chǎn)品具有較好的懸浮性能和生物性能。 目前China Heart 還處于產(chǎn)品優(yōu)化以及進一步的臨床試驗階段。

圖3 “中國心”人工心臟泵[32]Fig.3 China Heart

2) “火箭心” 人工心臟泵 ( HeartCon)。HeartCon (見圖4)是由泰達國際心血管病醫(yī)院和中國運載火箭技術(shù)研究院共同打造的一款磁、液混合懸浮人工心臟泵，其直徑為45 mm，重約180 g，流量為3 L/min，由于采用了液力被動懸浮技術(shù)，能耗僅有5 W[35]。 HeartCon 產(chǎn)品于2013年開展了長期動物實驗，從實驗結(jié)果來看，該產(chǎn)品具有優(yōu)秀的機械性能與較好的血液相容性[36-37]。 HeartCon 人工心臟泵為純國產(chǎn)自主制造，并于2019年開始了初步的臨床試驗。

圖4 “火箭心”人工心臟泵[35]Fig.4 HeartCon

國內(nèi)對于人工心臟泵的研究已經(jīng)逐漸跟國際接軌，但大多都還停留在理論研究和動物實驗的階段，臨床應(yīng)用方面遠落后于發(fā)達國家。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 轉(zhuǎn)子懸浮技術(shù)

2.1.1 磁懸浮

近年來生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域利用磁性裝置進行技術(shù)創(chuàng)新的報道越來越多，先進電磁技術(shù)應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域已成主流[41]。 磁懸浮是通過磁場作用，以非接觸方式讓某個處于靜止或運動狀態(tài)的物體懸浮起來，應(yīng)用該技術(shù)可實現(xiàn)無接觸式作用模式，避免了工作時由于接觸產(chǎn)生表面磨損及熱量導(dǎo)致的種種不利影響，如設(shè)備壽命縮短、機械失效、血液相容性降低等。 1992年，Akamatsu 等[42]開始將磁懸浮技術(shù)應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)人工心臟泵。 在此之后，越來越多團隊深入進行磁懸浮人工心臟泵的研究，涌現(xiàn)出一系列產(chǎn)品，比如Dura Heart[43]、Levacor LVAD[44]、HeartMate III[45]等。

第3 代人工心臟泵的磁懸浮機制包括被動磁懸浮和主動式磁懸浮。 被動磁懸浮的懸浮力由永磁體產(chǎn)生，通過永磁體之間的斥力將轉(zhuǎn)子葉輪懸浮起來，主動懸浮則是通過控制無軸承電機上的懸浮繞組實現(xiàn)懸浮。 目前人工心臟泵磁懸浮的實現(xiàn)通常是二者結(jié)合的混合模式。 HeartMate III(見圖5)是采用混合磁懸浮機制的典型實例，當(dāng)其工作時，轉(zhuǎn)子的兩個徑向位移自由度由控制反饋系統(tǒng)實時控制，轉(zhuǎn)子的軸向位移和傾斜通過轉(zhuǎn)子和定子之間的偏置磁通實現(xiàn)被動懸浮[46]。 近年來，許多學(xué)者對懸浮機制有了一些新的設(shè)計思路。 Kurita 等[47]針對人工心臟泵設(shè)計了一種雙邊定子型混合磁懸浮模式，其特點在于驅(qū)動力和懸浮力均在軸向上產(chǎn)生，徑向上無電磁器件。 楊石平等[48]采取了軸向永磁軸承和徑向電磁軸承結(jié)合的方案，通過永磁磁環(huán)控制軸向位移實現(xiàn)懸浮，在一定程度上簡化了控制方案。

圖5 HeartMate III 結(jié)構(gòu)分解[46]Fig.5 Structural decomposition diagram of HeartMate III

磁懸浮人工心臟泵雖然能夠較好地實現(xiàn)穩(wěn)定懸浮，但也存在能耗高和控制過程復(fù)雜的問題，優(yōu)化控制方案與降低磁懸浮血泵主動控制帶來的高能耗成為該方向研究的重點。

2.1.2 液力懸浮

液力懸浮是基于流體動壓潤滑理論，即通過兩個物體的相鄰表面發(fā)生相對移動，使兩者間的流體形成高壓，從而產(chǎn)生懸浮力。 液力懸浮人工心臟泵則是利用葉輪與泵體的流體作用，產(chǎn)生高壓支撐轉(zhuǎn)子，實現(xiàn)無接觸懸浮。

第3 代產(chǎn)品中屬于液力懸浮的有HH100 型和HH1 型人工心臟泵，它們均采用了階梯形軸承，通過液力實現(xiàn)轉(zhuǎn)子懸浮。 HH1 由Yamane 等[49]研制，穩(wěn)定懸浮時葉片與泵殼之間的血流間隙僅為34 μm，容易產(chǎn)生較大的剪切應(yīng)力。 Kosaka 等[50]在HH1 基礎(chǔ)上進行了改進，設(shè)計出外形直徑為74 mm，厚度為52 mm 的HH100，其穩(wěn)定懸浮時葉片與泵殼之間的血流間隙約為45 μm，較HH1 間隙有所增加。

VentryAssist(見圖6)是一款典型的第3 代液力懸浮人工心臟泵，其設(shè)計的巧妙之處在于上下表面均有斜度，在泵工作時運動流體產(chǎn)生動壓和懸浮力，這兩個力與重力平衡使得葉輪穩(wěn)定懸浮在泵室中，穩(wěn)定懸浮時葉片與泵殼之間的血流間隙約為90 μm[51]。VentryAssist 于2003 開始進行臨床試驗，結(jié)果展示了較好的可靠性和療效，之后VentryAssist也獲得了歐盟CE 批準(zhǔn)[52]。

圖6 VentryAssist 人工心臟泵[51]Fig.6 VentryAssist VAD

液力懸浮人工心臟泵存在的最大缺陷就是血流間隙過窄，當(dāng)葉輪處于高速旋轉(zhuǎn)時，在間隙中會形成高剪切應(yīng)力場，血液流過時內(nèi)部血細(xì)胞易受到損傷，造成溶血、血栓和出血等問題。

2.1.3 磁液混合懸浮

磁液混合懸浮是綜合磁懸浮技術(shù)和液力懸浮技術(shù)的懸浮方式，其設(shè)計初衷是為了克服磁懸浮能耗高且控制復(fù)雜和液力懸浮血流間隙小的缺陷。

磁液混合懸浮典型的實例是Heartware 系列產(chǎn)品，其中HVAD[20]效果更為顯著。 它在徑向采用了電磁被動懸浮，依靠轉(zhuǎn)子和泵室內(nèi)壁的兩個稀土永磁環(huán)的磁場相互作用產(chǎn)生磁斥力，使得轉(zhuǎn)子在徑向上達到平衡狀態(tài)。 軸向上HVAD 采用了動壓懸浮，轉(zhuǎn)子葉片表面是特定的楔形面，在血液中會產(chǎn)生動壓懸浮力，以實現(xiàn)轉(zhuǎn)子在軸向上的穩(wěn)定懸浮。

2015年，日本Okamoto 等[53]報道了一款磁液混合懸浮的軸流式人工心臟泵，懸浮原理與HVAD 相反，其軸向上通過永磁體斥力實現(xiàn)被動懸浮，而在徑向上采用液力動壓懸浮，通過體外懸浮實驗已證明該人工心臟泵能產(chǎn)生足夠懸浮力。 國內(nèi)王偉等[54]則是將磁懸浮技術(shù)和液力懸浮技術(shù)同時應(yīng)用于軸向上的懸浮控制，實現(xiàn)了軸向的穩(wěn)定懸浮。 與傳統(tǒng)單一磁懸浮或液力懸浮控制相比，在同一方向上采用混合懸浮具有更好的懸浮性能。

HVAD 面世之后，在人工心臟領(lǐng)域掀起了新的研究熱潮，人們對這款采用磁液混合懸浮技術(shù)的新型人工心臟泵寄予厚望，然而HVAD 的臨床試驗結(jié)果雖然表現(xiàn)出較高可靠性和療效，但仍存在狹窄血流通道(約40 μm)產(chǎn)生的高剪切力，而造成出血、血栓和感染并發(fā)癥等問題。

2.2 無軸承電機

第3 代人工心臟泵大多采用無軸承電機(beardless motor，BM)驅(qū)動，而BM 性能的好壞直接影響人工心臟泵的懸浮性能，因此對BM 進行研究至關(guān)重要。

1)無軸承無刷直流電機。 無軸承無刷直流電機具有無需潤滑、無摩擦磨損、體積小、質(zhì)量輕、調(diào)速快等特點，已廣泛應(yīng)用于人工心臟領(lǐng)域。 王鳳翔等[55]報道了采用該種電機的人工心臟泵，其中電機的懸浮轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生徑向磁拉力，以維持人工心臟泵工作時的穩(wěn)定懸浮。 通過與傳統(tǒng)電機進行對比，發(fā)現(xiàn)無軸承無刷直流電機的懸浮性能提升顯著，且能耗降低了1 W。 Wan 等[56]將無軸承無刷直流電機應(yīng)用至離心式人工心臟泵中，在電機的結(jié)構(gòu)部分，它將轉(zhuǎn)子和葉輪設(shè)計成一體，放置于密封泵殼內(nèi)，纏繞有轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮繞組的定子置于泵殼外，用于產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩和徑向懸浮力，混合雙繞組結(jié)構(gòu)(見圖7)可以在提供轉(zhuǎn)矩的同時保證徑向的穩(wěn)定懸浮。Horz 等[57]設(shè)計了一款服務(wù)于可植入人工心臟泵的無軸承無刷直流電機，該電機通過優(yōu)化級數(shù)和相數(shù)實現(xiàn)了體積的最小化，且電機定子采用軟磁材料，大大地提升了電機性能。

圖7 無軸承無刷直流電機雙繞組結(jié)構(gòu)[56]Fig.7 Double-winding structure of brushless DC motor without bearing

2)無軸承永磁同步電機。 無軸承永磁同步電機的結(jié)構(gòu)如圖8 所示，電機由布置有繞組的定子以及定子包圍的泵室組成，泵室里的葉輪依靠永磁體與懸浮繞組作用產(chǎn)生的懸浮力實現(xiàn)穩(wěn)定懸浮，由于其損耗小、無需潤滑、無摩擦磨損、穩(wěn)定性好、概率密度高等優(yōu)勢性能，已被應(yīng)用于人工心臟泵[58]。 典型的實例如蘇黎世聯(lián)邦工學(xué)院與Levitronix 醫(yī)療器械公司共同開發(fā)的可植入式人工心臟泵[59]，由無軸承永磁同步電機驅(qū)動實現(xiàn)懸浮，具有較好的懸浮性能。

圖8 采用無軸承永磁同步電機的人工心臟泵[59]Fig.8 Artificial heart pump with bearingless PMSM

3)無軸承永磁薄片電機。 無軸承永磁薄片電機的特點在于，它不僅可以依靠無軸承技術(shù)完成葉輪旋轉(zhuǎn)以及徑向x和y平移這兩個自由度的穩(wěn)定懸浮，還可以基于磁阻最小原理，通過磁阻力實現(xiàn)轉(zhuǎn)子在軸向z平移和徑向x和y傾斜這3 個自由度的被動懸浮。 近年來瑞士、日本、美國等國家在無軸承永磁薄片電機研究領(lǐng)域均居領(lǐng)先地位，其中由瑞士聯(lián)邦工學(xué)院Sch?b 等[60]研制的無軸承永磁薄片電機人工心臟泵已在臨床上得到了廣泛應(yīng)用。 采用無軸承永磁薄片電機的人工心臟泵除了無需潤滑、無摩擦磨損、體積小、能耗低外，臨床試驗結(jié)果還顯示其溶血、凝血概率極低，且系統(tǒng)具有較高的可靠性和耐久度，因而廣受青睞。 目前市面上最流行的第3 代人工心臟泵HeartMate III，就是采用無軸承永磁薄片電機實現(xiàn)穩(wěn)定驅(qū)動(見圖9)[61]。 近年來，為了更加貼合新一代人工心臟泵的需求，許多學(xué)者對無軸承永磁薄片電機進行了改進。 Gruber等創(chuàng)新設(shè)計了軸承磁通轉(zhuǎn)換切片電機，與傳統(tǒng)無軸承片式電動機相比，這種設(shè)計的轉(zhuǎn)子不具有任何永磁體，這為采用一次性轉(zhuǎn)子設(shè)備提供了優(yōu)勢。 金超武等[63]報道了一種定子永磁型無軸承薄片電機，它在繞組的結(jié)構(gòu)上選取“準(zhǔn)正弦”繞組代替三相繞組，結(jié)果表明“準(zhǔn)正弦”繞組式定子永磁型無軸承薄片電機相比傳統(tǒng)無軸承永磁薄片電機的懸浮性能顯著提升。

圖9 無軸承永磁薄片電機軸向懸浮原理圖[61]。 (a)軸向位移；(b)軸向偏轉(zhuǎn)Fig.9 Schematic diagram of axial suspension of bearingless permanent magnet thin sheet motor.(a)Axial displacement； (b) Axial deflection

2.3 控制算法

控制算法的優(yōu)劣直接影響人工心臟泵的懸浮控制的穩(wěn)定性和魯棒性，是人工心臟泵設(shè)計過程的研究重點之一。 目前已經(jīng)應(yīng)用到人工心臟泵的控制算法有PID 控制(傳統(tǒng)PID 控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制、模糊PID 控制)、自適應(yīng)魯棒控制、無位置傳感器控制等。 各控制算法在人工心臟泵的實際應(yīng)用中各有優(yōu)劣，下面分別對它們進行闡述。

1)PID 控制。 傳統(tǒng)的人工心臟泵通常采用PID算法，相對其它先進控制算法而言，其應(yīng)用成熟，設(shè)計簡單容易實現(xiàn)，但控制精度稍遜一籌[64-65]。 在不同工況下，人工心臟泵內(nèi)部電機參數(shù)的變化對葉輪轉(zhuǎn)矩和徑向懸浮力影響很大，而優(yōu)化PID 參數(shù)需經(jīng)歷較為繁瑣的調(diào)試過程，因而制約了第3 代人工心臟泵的發(fā)展。 針對傳統(tǒng)PID 控制的這一缺陷，國內(nèi)外學(xué)者試著將智能算法與傳統(tǒng)PID 控制相結(jié)合，以增強人工心臟泵的抗干擾能力和控制精度。 朱卓玲等[66]將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 控制應(yīng)用于人工心臟泵的控制系統(tǒng)中，通過調(diào)整神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重，有效解決了傳統(tǒng)PID 在控制人工心臟泵時存在的參數(shù)確定復(fù)雜和環(huán)境擾動不確定的問題。 然而，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 控制在具體操作時也存在一定的不足，它需要將大量時間消耗在訓(xùn)練上，而醫(yī)療裝備往往需要在控制響應(yīng)方面做到快速、便捷，因此神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制在人工心臟泵的應(yīng)用也受到限制。 模糊PID控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 不同，其設(shè)計思路是不依賴于數(shù)學(xué)模型，而是參照人類經(jīng)驗數(shù)據(jù)完成系統(tǒng)控制。劉佩璋等[67]將模糊PID 控制用于軸流式人工心臟泵中，使得工作時PID 參數(shù)能夠得到實時自整定，實驗結(jié)果表現(xiàn)出其控制系統(tǒng)具有較好的魯棒性。Wu 等[68]針對離心式人工心臟泵搏動性較小的問題，采用模糊PID 控制算法，通過改變?nèi)斯ば呐K泵的轉(zhuǎn)速來提高其仿生搏動性，并通過體外模擬循環(huán)實驗驗證了該方法的有效性。

2)自適應(yīng)魯棒控制。 第3 代人工心臟泵系統(tǒng)具有強耦合、強干擾、非線性、不確定性等特點，在設(shè)計控制系統(tǒng)時要綜合考慮上述因素。 自適應(yīng)控制能夠較好地克服非線性系統(tǒng)的不確定性，而魯棒控制在干擾抑制和補償方面表現(xiàn)得較為出色，自適應(yīng)魯棒控制就是將兩者結(jié)合，實現(xiàn)優(yōu)勢互補。Ravanshadi 等[69]將自適應(yīng)魯棒控制用于人工心臟泵的控制中，表現(xiàn)出較好的自適應(yīng)性和抗干擾性，即當(dāng)受到外界干擾或處于不同心率狀態(tài)時，其能實現(xiàn)控制系統(tǒng)參數(shù)的實時更新，從而有利于提高人工心臟泵的穩(wěn)定性。

3)無傳感器控制。 轉(zhuǎn)子位置檢測是實現(xiàn)人工心臟泵穩(wěn)定控制的基礎(chǔ)，目前大多采用傳感器獲取轉(zhuǎn)子的位置和速度信息。 然而，高精度的位置傳感器價格較為昂貴，且人工心臟泵植入后，工作環(huán)境復(fù)雜多變，也會影響檢測的準(zhǔn)確度。 為了降低成本，提高檢測可靠性，無傳感控制應(yīng)運而生。 目前，無傳感器控制方法主要有:基于數(shù)學(xué)模型的開環(huán)估計法、模型參考自適應(yīng)法、狀態(tài)觀測器法、滑模觀測器法等。 Kim 等[70]報道了一種新型無傳感器控制技術(shù)，克服了無傳感器無軸承無刷直流電機驅(qū)動器，缺乏在低速運行和瞬時狀態(tài)下的位置誤差問題，確保了從零到全速的高精度、高魯棒性無傳感器運行。 譚亞等[71]將基于滑模觀測器的無傳感器控制方法用于人工心臟泵中，實現(xiàn)了較好的控制效果，其能夠迅速到達穩(wěn)定狀態(tài)，滿足了人工心臟泵的不同血液灌注的工作需求。 由于無傳感控制的控制精度較高，且基本不受工作環(huán)境影響，自出現(xiàn)以來一直廣受青睞，已成為第3 代人工心臟領(lǐng)域的重要發(fā)展趨勢。

2.4 葉輪優(yōu)化設(shè)計

葉輪優(yōu)化設(shè)計有助于改善產(chǎn)品性能，是第3 代人工心臟泵研究領(lǐng)域的一個重要分支。 現(xiàn)階段國內(nèi)外在人工心臟泵葉輪優(yōu)化設(shè)計的研究中，大部分是通過改變?nèi)~輪的結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)來尋求最優(yōu)參數(shù)組合，因此這種優(yōu)化設(shè)計實際上是一個多目標(biāo)優(yōu)化問題。

研究表明，葉輪幾何形狀參數(shù)對人工心臟泵外特性及溶血性能的影響較大。 Chua 等[72]研究了葉輪的葉片形狀及葉片數(shù)對人工心臟泵水利特性的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)葉片前彎的效果最好，且葉片數(shù)多時有利于提高泵的水利效率。 Takano 等[73]探討了兩種葉片形狀(直葉片、彎葉片)對人工心臟泵葉輪工作性能的影響，發(fā)現(xiàn)直葉片的工作性能明顯優(yōu)于彎葉片。 Curtas 等[74]研究了出口葉片高度對人工心臟泵葉輪工作性能的影響，結(jié)果顯示出口高度越高其工作性能也越好，該結(jié)果與傳統(tǒng)葉輪設(shè)計理論求解出來的結(jié)果相悖。 胡婉倩等[75]分析了不同的運行參數(shù)(泵入口流量，葉輪轉(zhuǎn)速)以及不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)(葉片出口寬度與蝸殼入口寬度)與血細(xì)胞在泵內(nèi)所受切應(yīng)力之間的關(guān)系。

近年來的研究還表明葉輪的表面粗糙度對溶血性能也有影響。 人工心臟泵內(nèi)表面通常采用粗糙材料制成，有助于得到類似于血管內(nèi)表面的結(jié)構(gòu)，以提高血液相容性。 Yoshiyuki 等[76]研究了葉片特定區(qū)域的表面粗糙度對人工心臟泵溶血效應(yīng)的影響，發(fā)現(xiàn)葉輪背面的表面粗糙度對溶血影響最大，葉片的表面粗糙度對溶血影響最小。 Yasuharu等[77]報道了氟摻雜氫化非晶碳涂層的表面特性，發(fā)現(xiàn)其具有增加表面粗糙度和表面負(fù)電荷的趨勢，可用于改善人工心臟泵的溶血性能。

如何優(yōu)化人工心臟泵葉輪的幾何形狀參數(shù)以及表面粗糙度，降低葉輪在高速運轉(zhuǎn)時對血紅細(xì)胞的損傷，保持在治療期間良好的血液相容性，仍是現(xiàn)階段設(shè)計人工心臟泵的重點之一。

2.5 血液相容性

人工心臟泵的血液相容性是表征產(chǎn)品性能好壞的重要指標(biāo)，其定義為人工心臟泵在工作過程中對流過泵體的血液不產(chǎn)生或者盡可能少產(chǎn)生損害的性能。 國內(nèi)外研究均表明，相對于前面兩代人工心臟泵，第3 代人工心臟泵具有更好的血液相容性。Mehra 等[78]在《新英格蘭醫(yī)學(xué)雜志》上報道了有史以來最大的人工心臟泵試驗，涉及1000 多名心衰患者，這項研究證實了相比于前兩代人工心臟泵，第3代離心式磁懸浮人工心臟泵在性能上更優(yōu)越，植入更安全，溶血性能也得到了顯著改善。 Sidhu 等[79]報道了類似的結(jié)果，他們發(fā)現(xiàn)與第2 代人工心臟泵相比，在接受HeartMate III 的患者中觀察到任何卒中的相對風(fēng)險降低了53%。 王義文等[80]從流動產(chǎn)生溶血的機理入手，完善了現(xiàn)有人工心臟泵的體外溶血性能評價方法。 浙江大學(xué)李寰等[81]分析了葉片曲率對離心式磁懸浮人工心臟泵溶血特性的影響，認(rèn)為引入葉片曲率可提高離心泵的溶血性能。Ozturk 等[82]對葉輪式磁懸浮人工心臟泵進行流場仿真分析，并通過實驗測量溶血值，結(jié)果表明該泵具有較好的溶血性能。 圖10 為人工心臟泵工作后的血液損傷圖。

圖10 人工心臟泵造成的血液損傷[81]Fig.10 Blood damage from artificial heart pumps

通過計算流體動力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)的方法能夠?qū)崿F(xiàn)溶血性能的數(shù)值估算。 流場計算的精度直接決定了溶血估算的準(zhǔn)確性，而人工心臟泵結(jié)構(gòu)精細(xì)復(fù)雜，對其內(nèi)部流場進行流體計算也是一項不小的工程。 Fraser 等[83]將CFD 方法在人工心臟泵流場分析中的應(yīng)用情況做了一個總結(jié)，其中提到人工心臟泵CFD 計算的重點在于需建立適用于泵內(nèi)部流場的溶血模型。 Taskin等[84]研究了幾種目前較為常用的基于應(yīng)力的人工心臟泵溶血模型，對比分析發(fā)現(xiàn)通過應(yīng)力計算得到的溶血估算值跟實驗獲得的數(shù)據(jù)有不小的出入。Arora 等[85]建立了基于應(yīng)變的人工心臟泵溶血模型，并在模型中提出人工心臟泵工作時血液中的紅細(xì)胞膜會產(chǎn)生應(yīng)變，從而導(dǎo)致血細(xì)胞損傷的發(fā)生。Morshed 等[86]則提出了基于能耗的人工心臟泵溶血模型，表示能量耗散是發(fā)生血液損傷和溶血的主要原因。 以上幾種人工心臟泵的溶血估算模型各有優(yōu)缺點，在設(shè)計時可根據(jù)實際流場情況和工作環(huán)境進行選擇。

超出血細(xì)胞生理承受能力的剪切力是出現(xiàn)血細(xì)胞受損的重要原因。 Giersiepen 等[87]發(fā)現(xiàn)流動剪切會導(dǎo)致血細(xì)胞受損，進而提出了血液損傷的冪律定律，通過測量血液中血紅蛋白的含量可以算出紅細(xì)胞破損率，紅細(xì)胞破損率與剪切力大小、受剪切時間呈冪指數(shù)關(guān)系。 Boreda 等[88]以紅細(xì)胞溶血模型為基礎(chǔ)，建立了血小板損傷激活模型。 Mehrabadi等[89]研究了剪切率和紅細(xì)胞比積對血小板激活的影響及其對血栓形成概率的影響。 就目前的技術(shù)而言，第3 代人工心臟泵血液相容性的研究尚未成熟，在提升理論研究、改進材料表面性能和優(yōu)化心臟泵結(jié)構(gòu)等方面的研究還需進一步深化。

3 展望

目前，國內(nèi)外對人工心臟泵的研究正處于關(guān)鍵的上升時期，臨床應(yīng)用也在快速發(fā)展，但國內(nèi)尚處于實驗階段。 為使第3 代人工心臟泵切實滿足安全可靠、高性能、低成本的要求，并進一步應(yīng)用于臨床實踐，得到更多實際應(yīng)用，其發(fā)展趨勢和研究重點應(yīng)就以下重點發(fā)力。

1)小型化、輕量化以及微型化。 一直以來小型化、輕量化都是人工心臟泵發(fā)展的重要目標(biāo)，目前幾款典型的人工心臟泵，如HeartMate III、HVAD 等產(chǎn)品均已實現(xiàn)極小的結(jié)構(gòu)尺寸。 然而，微型人工心臟泵更便于手術(shù)植入，減少植入風(fēng)險，且更符合長期植入的兼容性。 另外，隨著微創(chuàng)手術(shù)技術(shù)的快速發(fā)展，微型化人工心臟泵更適于微創(chuàng)植入，手術(shù)成功率會顯著提升。 因此微型化人工心臟泵，必將是努力的終極目標(biāo)。 總之，小型化和輕量化，特別是微型化的人工心臟泵可以減小手術(shù)創(chuàng)傷，降低植入手術(shù)后出血、血栓和感染等并發(fā)癥的發(fā)生率，進一步縮短術(shù)后恢復(fù)時間，有助于提高心衰患者的生活質(zhì)量。

2)仿生搏動性。 雖然人工心臟泵已在醫(yī)療輔助供血上得到了廣泛應(yīng)用，但目前98%以上的人工心臟泵仍采用非搏動性的恒流供血模式，這與心臟的搏動式供血模式差別較大。 具有一定節(jié)律的搏動是人類心血管系統(tǒng)最基本的生理屬性，研究表明搏動性血流驅(qū)動在許多生理功能方面均優(yōu)于非搏動性血流驅(qū)動[90]。 一方面，對于衰竭心臟的恢復(fù)和支持，特別是心肌功能的恢復(fù)，搏動性血流也更具優(yōu)勢；另一方面，搏動性血流可以更好地保持血管彈性，預(yù)防動脈硬化，從而更有助于減少心腦血管疾病的發(fā)生。 由此可見，搏動性血流比連續(xù)性血流更適用于人體的生理要求，更適于長期安全循環(huán)供血。 目前，第3 代人工心臟泵已經(jīng)可以通過周期性地調(diào)制人工心臟泵轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)仿生搏動性的血流灌注，這有助于心衰患者恢復(fù)正常機體的生理功能，有助于受損心臟的后期治療，這方面的快速發(fā)展將是心衰患者的福音。 因此，在人工心臟泵研制過程中切實提高其仿生搏動性是未來發(fā)展的一個熱點。

3)高精度智能控制技術(shù)。 隨著智能控制技術(shù)和無軸承電機的不斷發(fā)展，人工心臟泵的控制策略也得到了改進。 其中，高精度智能控制技術(shù)將成為主流，其精度高、穩(wěn)定性好、魯棒性強強大優(yōu)勢，將成為第3 代人工心臟泵控制系統(tǒng)研究的必然趨勢。

近年來，一些新型高性能智能控制策略被應(yīng)用于人工心臟泵的控制系統(tǒng)中。 Zulkifli 等[91]報道了一種魯棒控制策略，在設(shè)計中引入了3 個靈敏度加權(quán)函數(shù)，顯著提升了系統(tǒng)的控制精度。 趙君等[92]提出了一種基于頻域奇異值曲線控制的LQG/LTR 控制策略，并通過電機控制實驗驗證了該策略的可行性，整體控制性能較優(yōu)，但是否能應(yīng)用到人工心臟泵的控制中還需進一步研究。 可以預(yù)見的是，未來會研發(fā)出更多的模塊化、集成化的高精度智能控制器，這有利于進一步提高第3 代人工心臟泵的產(chǎn)品性能。

4)高可靠性及容錯技術(shù)。 無軸承電機作為人工心臟泵的核心部件，除了滿足基本的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩及懸浮需求外，其可靠性及容錯能力逐漸受到重視，未來對這方面的要求也越來越高。 目前，對人工心臟泵無軸承電機性能的核心目標(biāo)是提升懸浮機制的可靠性與穩(wěn)定性，高可靠性有利于提升人工心臟泵植入后的工作壽命，降低機械失效率。 對于容錯技術(shù)，傳統(tǒng)的容錯模式通常容易出現(xiàn)相電流和相反電動勢發(fā)生失真現(xiàn)象，從而導(dǎo)致電機中旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩和懸浮力波動較大。 針對以上問題，有必要拓展新型容錯控制方法，進一步提高無軸承電機設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性。

5)低成本。 目前國外主流第3 代人工心臟的價格高得驚人，其中裝置本身價格可達10 萬美元，植入和維護所需要的費用也很可觀。 對于我國心衰患者來說，這樣的價格是難以承受的。 因此，非常有必要開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)且更具經(jīng)濟性的國產(chǎn)人工心臟泵，讓人民生命安全得到保障的同時，用到性價比更高的產(chǎn)品。 降成本一直是新一代人工心臟泵研發(fā)時不可或缺的一項考慮因素。 通常第3 代人工心臟泵價值較高的部分包括:轉(zhuǎn)子葉輪上的永磁體、定子上轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮繞組的電磁線圈以及不規(guī)則形狀的外殼。 未來的研發(fā)可以從這3 個方面出發(fā)，在保證人工心臟泵設(shè)計合理的前提下，進一步研究降低產(chǎn)品成本的可能性。

6)進一步提高血液相容性。 血液相容性是人工心臟領(lǐng)域的一大難題，目前對此的研究十分不足，即使是植入后醫(yī)療效果表現(xiàn)不俗的HeartMate III，也依舊存在著出血、溶血、血栓等風(fēng)險。 為了提高人工心臟泵的血液相容性，減少泵內(nèi)出血、感染、卒中、血栓等并發(fā)癥的發(fā)生，未來針對此問題需從以下幾個方面深入研究:

(1)加強對人工心臟泵血液相容性的基礎(chǔ)理論研究，從產(chǎn)生出血、溶血、血栓的機理入手，通過理論推導(dǎo)建立出綜合考慮材料屬性、血液特征、血液抗溶血破壞能力、血液流動、血小板激活及血液凝聚等因素的數(shù)學(xué)模型，并基于CFD 流動數(shù)值模擬驗證模型的正確性及開展模型優(yōu)化，最后通過實驗驗證模型的有效性和可行性。 另外，采用更為先進的技術(shù)和設(shè)備是必不可少的，以便于檢測出血、溶血、血栓等并發(fā)癥的形成過程。

(2)開發(fā)用于人工心臟泵的新型材料，提升與血液直接接觸的材料表面機械性能，減少不良反應(yīng)的發(fā)生。 隨著新型材料的開發(fā)和應(yīng)用，未來人工心臟泵有望采用智能仿生材料與生物活性材料來提高血液相容性。 同時，人工心臟泵表面的形貌結(jié)構(gòu)在設(shè)計時應(yīng)與生物功能有機結(jié)合，通過優(yōu)化形貌結(jié)構(gòu)和表面粗糙度降低血液的排斥作用以及對血液的損傷，可進一步提高血液相容性。

(3)改進葉輪結(jié)構(gòu)，優(yōu)化葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)及工作參數(shù)。 研究表明，葉輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化對人工心臟泵性能影響很大，由于人工心臟泵比較特殊，目前關(guān)于葉輪優(yōu)化設(shè)計的研究缺乏理論指導(dǎo)，人工心臟泵在葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)及工作參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計上，仍然還有很大的提升空間。 可以考慮將更多新型智能優(yōu)化算法應(yīng)用至葉輪優(yōu)化設(shè)計中，尋得更優(yōu)的參數(shù)組合，使得葉輪在泵內(nèi)高速運轉(zhuǎn)時對血液的損傷最小。

(4)提升人工心臟泵在抗凝和溶栓中的表現(xiàn)。國外的人工心臟泵在臨床試驗時往往都會參照國際抗凝藥物使用標(biāo)準(zhǔn)，選擇合適的抗凝藥物及合理的劑量，減少并發(fā)癥的發(fā)生，降低患者的痛苦。 國內(nèi)由于尚未開展大范圍的臨床試驗，對于抗凝和溶栓藥物在人工心臟泵中的應(yīng)用缺乏經(jīng)驗積累和技術(shù)支撐。 因此，未來對于抗凝和溶栓相關(guān)的研究還需進一步深入。

4 總結(jié)

人工心臟泵經(jīng)過多年的發(fā)展，到第3 代已經(jīng)能夠做到體積小、可靠度高及擁有良好的血液相容性，在一定程度上提高了心力衰竭的治療效率，挽救了不少心衰患者的生命。 但國內(nèi)關(guān)于第3 代人工心臟泵的研究還僅處于起步階段，尚未形成成熟產(chǎn)品，難于滿足實際臨床應(yīng)用的要求。

就目前的技術(shù)而言，第3 代人工心臟泵的研究還遠沒有成熟，在提升理論基礎(chǔ)、加強懸浮系統(tǒng)穩(wěn)定性、改進材料表面性能、優(yōu)化泵結(jié)構(gòu)、提高血液相容性和仿生搏動性等方面的研究還需進一步深化。與此同時，國內(nèi)對于第3 代人工心臟泵的研發(fā)處于初級階段，臨床試驗尚未開展，因此缺乏臨床應(yīng)用上的經(jīng)驗和數(shù)據(jù)支撐，極大限制了其發(fā)展進度。

隨著國家對生命醫(yī)學(xué)及生物醫(yī)學(xué)工程等重大學(xué)科領(lǐng)域的重視，以第3 代人工心臟泵為代表的高端醫(yī)療設(shè)備具有極大的發(fā)展?jié)撃堋?掌握人工心臟泵的相關(guān)核心技術(shù)，可以為人工心臟泵的開發(fā)提供理論支持，有助于實現(xiàn)人工心臟泵的國產(chǎn)化，促進其推廣和應(yīng)用。