轴流心室辅助装置两种驱动型式探讨

吴广辉，蔺嫦燕，张锡文，李冰一，王景

1.首都医科大学附属北京安贞医院 北京心肺血管疾病研究所，北京100029； 2.清华大学 航天航空学院，北京 100084

0 前言

近几年心室辅助装置在国内是研究的热点，卫生部去年下发了首批允许临床应用的第三类医疗技术目录，其中就有心室辅助装置应用技术。但是目前尚无国产可靠的可以应用于临床的心室辅助装置，究其原因，主要是心室辅助装置主体血泵导致的溶血和血栓。血泵导致溶血和血栓原因很多，如：血泵驱动叶片结构[4]、血泵与血液接触材料的不良血液相容性能[5]等。对于轴流血泵，主体电机产热导致血液不良反应也是导致血泵溶血和血栓的原因之一。轴流血泵驱动方式有一体驱动和离体驱动两种。一体驱动心室辅助装置在国外已经广泛应用[1-3]，有体积小、效率高等优点。但是也存在有穿皮导线导致感染的风险。目前国内对轴流血泵一体驱动方式的研究很多[6-8]，研究磁力外驱动的较少[9]。外驱动装置利用径向充磁的永磁体作为转子，在其外部由硅钢片和线圈组成定子，采用磁力外驱动可以有效避免穿皮导线导致的感染发生，也可以有效避免由于血泵驱动电机产热导致的血液不良反应。

1 实验方法

1.1 驱动方式

实验中选用的心室辅助装置主体血泵内部结构(图1)，血泵采用泵机一体的内驱动和磁力外驱动两种驱动方式驱动血泵。由于血泵采用非接触的外部磁力驱动，驱动器非周向受力，所以选定能满足高速旋转、低摩擦系数和长寿命的Si3N4陶瓷轴承系统。泵内磁芯材料选用钕铁硼N52。

采用内驱动时，驱动电机直接裹覆在血泵主体外壳上，通过紧密配合将驱动电机与血泵主体固定，驱动电机与血泵外壳保持密切接触（图2）；外驱动时，驱动电机与血泵外壳保持一定距离，采用外部磁力驱动血泵(图3），这样驱动电机与血泵主体不直接接触。

采用内驱动的方式，驱动电机产热将通过血泵外壳传递直接作用于循环血液。外驱动采用磁力驱动，电机产热不会传递到血泵表面，从而避免了上述情况的发生。实验前两种血泵分别做了水力学实验，结果表明相同转速下两种血泵流量压力曲线基本吻合。

图1 血泵主体

图2 泵机一体驱动

图3 磁力外驱动

1.2 血泵工作稳定性试验

两种驱动类型血泵常温下驱动水和甘油混合液24h，观察血泵转速变化，以及有无卡泵和掉转等机械故障发生。

1.3 血泵溶血实验

两种驱动方式血泵对血液的破坏程度通过体外溶血实验测定。将上述两种驱动类型的血泵通过相同环境下的溶血实验测试，得到两种驱动类型血泵溶血实验结果。

溶血实验通过体外模拟实验进行。实验中，为了减少由于管道接口等原因引起的血液破坏，尽量使两组实验环境保持一致，均采用特制血袋作为贮血器（内含抗凝剂）和循环管道。实验时流量计（MFV3200 NIHON KOHDEN）和压力计（Siemens Sirecust 730）的管状探头分别置于血泵的前、后端，分别检测循环回路的流量和出口压力。模拟图见图4。

两组实验同时进行，实验前用医用取血袋取新鲜羊血1000mL左右，用电子秤均分到两个特制血袋中。连接两种驱动类型血泵到循环回路中同时排气。调节阻尼阀及血泵转速使泵的输出为：流量5L/min左右，出口压力100mmHg左右。实验中每次分别在血泵转泵前、转泵后1、2、3～6h时取血样样本5mL，测量样本中血浆游离血红蛋白含量（FHB）和红细胞压积（Hct）。最后通过公式计算出血泵运转过程中的标准溶血指数（NIH）。

标准溶血指数（NIH）[10]代表血泵在单位时间内泵出100L压积标准化后血液中产生的FHB克数，单位为（mg/dL）。它的计算公式是：

NIH ＝ ΔFHB×V×[（100-Hct）/100]×[100/(Q×T)]

在这里，ΔFHB为测试时间间隔内FHB的增量值（mg/dL）；V：总循环容量（L）；Hct：红细胞压积；Q：血泵流量（L/min）；T：测试间隔时间（min）。

图4 体外溶血实验模拟图

1.4 血液温升实验

实验中，两种驱动类型血泵做了驱动血液表面温升实验。两种血泵在上述连续运转6h实验过程中, 每隔1h 用便携式表面温度计(JM424M天津立文电子有限公司)测量两种驱动类型血泵实验血袋表面温度并记录。

2 实验结果

2.1 血泵工作稳定性试验结果

两组实验血泵24h工作没有卡泵和掉转现象发生。两种血泵不同设定转速下实际转速动态曲线通过实验测定。血泵在8000转实际工作转速图如图5和图6。其它转速下情况类似。一体驱动较磁力外驱动实际转速要平稳一些。

图5 一体驱动实际转速变化图

图6 磁力外驱动实际转速变化图

2.2 血泵溶血实验结果

两种驱动类型血泵6h实验血浆游离血红蛋白含量变化如图7：

通过计算得到采用泵机一体内驱动的血泵标准溶血指数NIH值为0.058 mg/dL ,而同样血泵结构、同转速压力下离体磁力外驱动的标准溶血指数NIH值为0.016mg/dL。结果相差3倍多。采用外驱动方法可以改善实验血泵对血液的破坏。

图7 血浆游离血红蛋白变化图

图8 血泵表面温度变化图

2.3 血液温升实验结果

两种驱动类型血泵在运转1h以后血液温度基本稳定。采用磁力外驱动温度保持在31℃左右，而采用泵机一体内驱动温度保持在42℃左右。图8是两种类型血泵实验6h泵体表面温度变化图。

3 讨论

随着我国心脏外科学的发展，以及国民收入水平的不断增高，对治疗心脏手术后不能脱离体外循环机、急性心源性休克、顽固性左心衰或不易控制的致命性心律紊乱及心脏移植桥梁过渡等病人应用小型化、结构简单的心室辅助装置将日渐成为一种趋势。国外目前已经有大量的心室辅助装置应用于临床。国内目前急需可靠的通过药监局认证的心室辅助装置研发出来。

好的心室辅助装置主体血泵最基本的特性是具有良好的血液相容性能，即减少或避免其对接触血液的有形成分的破坏即主体血泵的血液相容性能。对于任何一种心室辅助装置来说，想要应用于临床，其主体血泵必须具有良好的血液相容性是至关重要的。

目前在结构设计、血泵流体力学特性以及血泵血液接触面材料等方面我们做了大量的工作[10-12]，在一体血泵的溶血性能评价实验中电机产热方面考虑的却很少。实验发现轴流血泵电机过度产热传导至血泵血液接触面会加剧血泵溶血的发生。

目前国外使用较多的轴流血泵还是以一体驱动为主，也鲜有电机产热对血泵影响的报道。磁力外驱动有体积小、没有穿皮导线、术后感染风险小等优点。采用磁力外驱动的驱动方式是今后轴流血泵设计的一个方向。但是磁力外驱动也有噪音大、驱动磁场对周围环境影响较大等缺点。

导致血泵驱动电机产热的原因有很多，如电机设计加工精度等。本实验中一体血泵采用Faulhaber改造电机及其驱动系统，电机实验状态下持续工作1h后表面温度达到45℃左右，温升很高，传导至实验血泵与血液接触面导致溶血破坏。采用好的驱动电机，在电机和血泵血液接触面之间增加具有好的隔热性能的隔热材料会大大改善由于电机产热导致的血泵溶血。

[1]O.H.Frazier,Nyma A.Shah,Timothy J. Myers,et al.Use of the Flowmaker (Jarvik 2000)Left Ventricular Assist Device for Destination Therapy and Bridging to Transplantation[J].Cardiology,2004,101:111-116.

[2]Thoratec HeartMate II LVAS-P060040[EB/OL].(2009-06-29)[2010-03-20].http://www.fda.gov/MedicalDevices/ProductsandMedicalProcedures/DeviceApprovalsandClearances/Recently-ApprovedDevices/ucm074231.htm assosiate@sina.com.

[3]Slaughter MS, Sobieski MA, Gallagher C,et al.Low incidence of neurologic events during long-term support with the HeartMate XVE left ventricular assist device[J]. Tex Heart Inst J,2008,35(3):245-249.

[4]Arash Arvand,Nicole Hahn, Marcus Hormes,et al. Comparison of Hydraulic and Hemolytic Properties of Different Impeller Designs of an Implantable Rotary Blood Pump by Computational Fluid Dynamics[J].Artificial Organs,2004,28(10):892-898.

[5]孔桦,许海燕,蔺嫦燕,等.纳米碳改性聚氨酯复合材料的表面抗凝血性能[J].基础医学与临床,2002,22(2):113-116.

[6]张岩,孙寒松,周建业,等.一种新型轴流式心脏辅助血泵的研制和初步的动物实验[J].中国生物医学工程学报,2008,27(1):97-101.

[7]Zhang Y,Xue S,Gui X M, et al.A novel integrated rotor of axial blood flow pump designed with computational fluid dynamics [J].Artificial Organs, 2007,31(7):580-585.

[8]李国荣,朱晓东,彭远仪,等.微型轴流泵式心脏辅助装置的研制:流体力学特性分析[J].中国医疗器械信息,2007,13(8):36-39

[9]Mizuguchi K,Damm G,Benkowsky R,et al.Development of an axial flow ventricular assist device:in vitro and in vivo evaluation [J].Artif Organs,1995,19(7):653-659.

[10]侯晓彤,蔺嫦燕,吴广辉,等.XZ-IIA型轴流血泵血液相容性的研究[J].透析与人工器官,2005,16(3):27-32.

[11]吴广辉,蔺嫦燕,李冰一,等.螺旋血泵的CFD分析[J].中国生物医学工程学报,2008(1):93-97.

[12]吴广辉,蔺嫦燕,李冰一,等.自制轴流血泵溶血实验[J].中国生物医学工程学报,2007,26(5):793-797.

[13]龚中良,陈建伟,云忠,等.微型轴流式血泵外磁场驱动方法的探讨[J].机电一体化,2005(2):37-39.