仿生左心室辅助血泵设计

【作者】金恒林，胡晓兵，杜 磊

1 四川大学制造科学与工程学院，成都市，610064

2 四川大学华西医院麻醉与重病医学实验室，成都市，610041

仿生左心室辅助血泵设计

【作者】金恒林1，胡晓兵1，杜 磊2

1 四川大学制造科学与工程学院，成都市，610064

2 四川大学华西医院麻醉与重病医学实验室，成都市，610041

该文设计一种新型的仿生左心室辅助血泵，其特点是采用液压驱动弹性隔膜结构，具有供血平稳、可靠，有利于防止血栓；可以利用流量传感器、压力传感器检测显示泵进、出口的血压和泵血量。该血泵可以根据人体心电R波实现与人体心率同步辅助或非同步辅助。设计目标是实现仿生搏动。动物实验中，血压波形逼近期望值，流量能够按照设定值稳定搏出，证明该泵能满足对心脏病人进行仿生左心室辅助的要求。

人工心脏；左心室辅助血泵；仿生设计；动物试验

0 引言

目前心脏病已成为威胁人类生命与长寿的主要疾病，而辅助循环作为治疗心脏病的重要手段，已经受到国内外医学界的普遍重视。全人工心脏尚存在一定的技术问题暂时难以推广，与之相比左心辅助血泵存在结构简单，短期使用，成效显著等特点[1]。左心室辅助血泵（LVAD）的作用是用泵部分或完全代替心脏功能维持血液循环，减轻心脏负荷，增加冠状动脉流量，使衰竭的心脏得以在低代谢、卸负荷的状态下恢复功能，也可保证全身重要生命器官的灌注，防治多器官功能衰竭。临床实践证明，在传统的药物治疗和手术治疗无效时，使用机械辅助能使许多濒临死亡的病人重获新生[2]。

国内外已经公认搏动流灌注优于非搏动流，Wakabayashi 还特别提出：体循环灌注用调流控制效果好, 心脏灌注用调压控制效果好[3]。由于搏动的LVAD大多不能完全植入，且有外部连接出口，这使研究者都向小型的、结构简单、具有低噪音、低耗能、可携带持续流血泵（离心泵、轴流泵等）进行研究。但是离心泵、轴流泵等持续流血泵内会由于叶片出口的混流、非均匀的流动收缩或扩散、叶片间流道内的二次流、较大范围的脱流等导致的复杂涡结构在流场内形成流动死区。这些流动死区造成血液的停滞和积淤并因此导致凝血的发生，这不能很好满足仿生LVAD的要求[4]。仿生搏动，就是模仿心脏工作的原理，核心是用弹性囊模仿心室，对囊壁施以外力时囊内容积被迫变化模仿心脏收缩、舒张，用人工心脏瓣膜替代心脏瓣膜；用心电控制搏动规律；根据需要采用同步或非同步辅助。血泵有气动式和电动式两种。推板式血泵是80年代美国使用比较普遍的气动隔膜泵，美国Novacor心脏泵是电动心脏泵[5-6]。

这两种泵在泵内流场分布比较均匀，不像叶轮泵、轴流泵那样由于叶轮的高速旋转使界面流场特性不均匀，导致血液流动缓慢容易形成血栓的“死区”和一些流场梯度过大的区域；降低了泵血过程中血液生化特性受到的影响。然而这两种搏动左心室辅助血泵都只控制了每一搏的供血总量和搏动频率，没有实现泵血流量、压力跟人体心脏搏动规律相匹配，没有实现仿生搏动。基于这两种搏动泵搏动，本文设计出了一种新型仿生左心室辅助血泵。

1 仿生左心室辅助血泵结构组成

仿生左心室辅助血泵主要由泵、驱动、控制系统三大模块组成，系统的设计原理图如图1所示。压力传感器检测LVAD进出端血液血压，温度传感器检测LVAD出口血液温度，流量传感器检测LVAD出口血液流量。信号分别经过处理，再转换为数字信号输入计算机，计算机将检测到的温度、血压、流速在LED显示屏上实时显示；另一方面根据泵血规律自动控制LVAD电机转动，再根据检测到的实际流量、压力与理论流量压力之差，在进行误差补偿运算之后发出相应指令改变电机转速，形成流量闭环控制。

图1 仿生左心室辅助血泵系统设计原理图Fig.1 The principle diagram of the bionic left ventricular auxiliary pump system

1.1 泵的结构和工作原理

仿生左心室辅助血泵的结构如图2所示，血泵总重413 g，总体积200 mL。隔膜把心脏泵分成血室和驱动液室两部分，血室通过进出口分别与左心房(室)和主动脉相连接，隔膜由驱动液体驱动，最大泵血量80 mL。驱动装置送出的负压和正压(水)从驱动液进出口进入或排出驱动液室，带动隔膜向下或向上运动，此时血室处于排血或充盈过程，由一次充盈和一次排血组成一个搏动周期，血室每搏输出量为0～80 mL，范围可调。

图2 仿生左心室辅助血泵结构示意图Fig.2 The structure diagram of bionic left ventricular auxiliary pump

由于泵是一次性，而且搏动过程速度慢，隔膜两边压力近似于相等，则隔膜疲劳寿命不作分析。

基于ANSYS中CFX的左心室辅助泵内部流场进行分析：出口压力取血压达到的最大值150 mmHg (1 mmHg=133.32.Pa)，约20 kPa；进口压力取标准大气压；进出口管道内径d0=8 mm；每一搏流量小于M=80 mL，搏动频率采用70～90次/min，一般主张收缩时间占心搏动周期的24%～47%，收缩时间约是t=0.24 s，流量波形近似三角形。

最大流速如式（1）所示：

图3所示是仿生左心室辅助血泵内血流流线图、速度矢量图。可以看出在这种结构形状的隔膜泵供血过程中血流流线光滑，没有涡流等不良流动状态。出口流速很快，可以加大出口直径或者采用锥形整流管道整流方法进一步优化流动状态。

图3 仿生左心室辅助泵内血流流线图、速度矢量图Fig.3 The blood flow chart and the velocity vector diagram of bionic left ventricular auxiliary pump

1.2 泵的驱动结构设计

驱动原理简图如图4所示，总体结构如图5所示。由于使用液体介质，近似看作不可压缩，对于实现仿生左心室辅助泵流量波形规律，只需控制驱动液按照要求流速规律进出泵。则一次搏动供血量：

式(2)中d指驱动液压缸直径，L指活塞杆行程。当缸径d一定时，V1只由活塞行程L控制。

用曲柄滑块机构与线性模组结合带动活塞，这种结构能够很好满足冲击小、行程调节方便可靠、运动可靠性高。只需控制伺服电机转速就能实现仿生搏动。电机具体转速根据具体心电图或预输出波形由计算机自动拟合出。因为电机转速与液压缸运动位移之间的传递函数是固定的，如式(3)所示。

式(3)中ω是电机转速，是与时间t相关的函数，L1是机构中曲柄长度，L2是机构中连杆长度，e是电机轴与液压缸活塞杆偏心距。

图4 曲柄滑块机构Fig.4 Slider-crank mechanism

图5 仿生左心室辅助泵三维模型图Fig.5 The 3D model figure of bionic left ventricular auxiliary pump

活塞瞬时速度计算：瞬时速度函数只需要对位移函数求关于时间t的一阶导数即可，再与活塞截面积相乘就可以得到血液瞬时供血流速：

式(4)中是s液压缸位置函数。这种曲柄滑块结构可以解决电机频繁换向的问题，而且当电机匀速转动时活塞运动曲线是正弦规律，与心脏供血规律比较接近，要实现仿生搏动，电机转速变化也不会太大，从而是整个设备运行更加平稳，噪音更低。

由于驱动结构中控制量只有驱动电机转速，所以控制系统只需要一台微型计算机和一张运动控制卡。编写一个速度控制程序就能实现整个仿生左心室辅助泵的搏动控制。具体控制程序本文不作详细介绍。

2 仿生左心室辅助血泵动物实验

2.1 实验动物

健康成年公狗3只，体重8±2 kg，由四川大学华西医院提供，术前身体状况良好，无发烧咳嗽等症状。

2.2 心室辅助装置

仿生左心室辅助泵为液压驱动的隔膜泵。血泵血液接触面采用与血液相容性较好的医用不锈钢，隔膜与血液接触面用聚氨酯溶液涂覆2次。搏动频率最高可达到100次/min，可以提供8 L/min的辅助支持。

2.3 主要实验设备

BL-420S生物机能实验系统、狗开胸手术台、麻醉机、心电监护仪、呼吸机、测压导管、多种内径抗凝管及管道接头、心外科手术器械、肋骨牵开器、缝合线、引流瓶等。

2.4 实验准备及实验

(1) 麻醉和术前准备；(2) 对狗做开胸手术，先在狗大腿安装血压监测装置，监测狗体循环压力，开胸，安装肺循环血压监测装置，监测记录狗心脏自身搏动血压波形；(3) 仿生左心室辅助泵预充盈狗血液，取狗血液300～500 mL，将泵静脉管浸入血液，启动泵在低频率（约15 次/min）条件下让血液充满泵，排出泵内部全部空气；(4) 对狗心脏做停跳处理，接仿生左心室辅助泵，进行搏动灌注，记录体循环和肺循环血压波形；(5) 使用BL-420S生物机能实验系统分析血压波形规律。

2.5 实验结果

图6是狗自身心脏灌注时血压波形；图7是仿生左心室辅助泵灌体循环和肺循环血压波形，图中通道2（上）是肺循环血压，通道3（下）是体循环血压；仿生左心室辅助泵辅助过程中心脏基本停跳，对血压影响可以忽略，仿生左心室辅助泵灌注总体血压趋势平稳。

对于单个波形分析：自然心脏搏动过程中，血压波形有7个小段，仿生左心室辅助泵灌注，搏动频率是82次/min，灌注流量是每一搏15 mL，体循环血压波形变化与自然心脏波形非常接近，也由7小段组成。但是灌注血压最大值和最小值相对狗自身心脏搏动值低，肺循环血压在仿生左心室辅助泵舒张期有颤动，原因是心脏辅助泵只是用作心脏辅助，灌注流量要小于自然心脏，而狗心脏已经停跳，所以总流量较狗自身心脏搏动偏少，血压也偏低，在舒张期仿生左心室辅助泵充盈，会从肺循环吸入血液，引起肺循环血压波动。但是体循环血压波形是符合自然心脏搏动的，这说明仿生左心室辅助泵原理是正确的，可以实现仿生搏动。

图6 狗心脏搏动血压波形Fig.6 The blood pressure waveform of dog’s heart

图7 仿生左心室辅助泵搏动灌注血压波形Fig.7 The blood pressure waveform of the bionic left ventricular auxiliary pump

3 结果与讨论

LVAD有许多种类，但其工作方式却基本相同：血液从左心室底部经导管流至泵，泵迫使血液经另一导管进入主动脉，都是模仿左心室的工作。左心室辅助装置的种类有很多，这些装置大致可分为体外搏动、植人搏动和非搏动三个大类。

液压驱动装置通常用于膜式或囊式血泵，由液压系统控制推动血泵搏出血液。这种驱动形式的优点是血泵的推动膜或囊受力均匀，不会产生局部受力过大而损坏膜或囊，且对电磁干扰不敏感，控制可靠，精度高。由于驱动电机转速易于调节，可以很方便地调整血泵的搏出量、压力，设置驱动频率和收缩/舒张期比值，来调节心率、心搏出量、血压波形等生理指标，使之适应患者或实验动物的机体需要。使用过程中只需要患者或实验动物心电的R波或血压、流量波形便能进行仿生搏动灌注。由于此类型驱动装置体积较小，有的可以满足全植入型人工心脏的需要[7-9]。

通过动物（狗）实验已经验证仿生灌注原理是正确的，只是目前装置还比较庞大，下一步就是让仿生左心室辅助泵性能稳定，微型化、自动化、智能化，能够满足更多灌注场合。

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The Design of Bionic Left Ventricular Auxiliary Pump

【Writers】JIN Henglin1, HU Xiaobing1, DU Lei2

This paper reports a novel design of bionic left ventricular auxiliary pump, and the characteristic is that elastic diaphragm of pump driven by hydraulic, having smooth, reliable blood supply, can prevent blood clots, can use the flow sensor, pressure sensor detection showing the blood pressure and blood volume at the inlet and outlet of the pump. The pump can go with heart rate synchronization or asynchronous auxiliary by the R wave of human body’s ECG. The design goal is realization of bionic throb. Through the animal experiment, the blood pressure waveforms are close to expectations, stable flow can stroke according to the set value, which prove that the pump can meet the requirement for heart disease patients for bionic left ventricular assistant.

artificial heart, left ventricular auxiliary pump, bionic design, animal experiment

1 School of Manufacturing Science and Engineering, Sichuan University, Chengdu, 610064
2 Anesthesia and Ill Medicine Laboratory, West China Hospital of Sichuan University, Chengdu, 610041

R318.11

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2015.01.008

2014-08-22

金恒林，E-mail: jinheng1@163.com