一种用于体外膜肺的无叶片血液泵

文/湖南人文科技学院能机院罗良才

一种用于体外膜肺的无叶片血液泵

文/湖南人文科技学院能机院罗良才

随着体外膜肺（英文缩写为ECMO）的不断发展，制造驱动血液循环流动的设备成为引领该类装置的核心技术。在国际研究领域，目前关注点主要集中在轴流式和离心式的血液泵上，在提高射血效能、缩小体积、减少血液细胞的机械损伤和热损伤等方面都取得了很大进展。但由于这两种类型的血液泵都具有高速旋转的叶片，对血液细胞的机械损伤无法完全避免，这导致较长时间使用后，病人存在颅内出血和血栓、栓塞等并发症的危险，既降低了装置对病人的适应性，更增加了临床的医疗难度。基于此，下面介绍一种具有全新结构的无叶片血液泵，并就其特性和特点进行分析。

一、无叶片血液泵结构与工作原理

无叶片血液泵由血泵和气泵两个主要部件构成。血泵是与血液直接接触的部件，主要由硬质外壳和柔性内胆以及置于外壳血液进、出口的两个单向阀构成。气泵由驱动电机、传动机构、气缸和在气缸中做往复运动的活塞构成。整个血液泵采用微机控制，气泵和控制系统不与血液直接接触，可给不同病人重复使用。

血泵与血液接触，只能给一个病人使用。血泵通过螺纹连接在气泵上，气泵与血泵内胆构成连通器，气泵通过内胆入口在活塞做往复运动时将气体泵入或抽出内胆。无叶片血液泵的基本构成如图1所示。图1中①为血泵，②为气泵，气泵上安装有调压阀，③～⑥为偏心轮与摇杆机构，用于将转动转换成轴④的平动，虚线框⑦内为齿轮减速机构，⑧为驱动电机。当电机驱动减速机构和偏心轮摇杆机构时，电机的旋转运动经减速转换为传动轴的往复运动，通过传动轴，驱动气泵②中的活塞往复运动。

无叶片血液泵的工作原理是：当气泵中的活塞在驱动电机的作用下做往复运动时，将气缸内的空气泵入/抽出血泵的内胆中。当活塞从左至右运动时，内胆充气不断增加，体积增大，挤压外壳中的血液，在此压力作用下输入单向阀关闭，输出单向阀开启，血泵输出血液。当活塞从右至左运动时，活塞将内胆中气体抽出，内胆体积减小，血泵外壳与内胆间产生负压区，在此负压作用下，输出单向阀关闭，输入单向阀开启，人体血液经输入管道进入血泵，为下一次输出血液做准备。当活塞不断做往复运动时，内胆被反复泵入和抽出气体，血液从血泵呈脉动输出，实现泵送血液的作用。

整个泵的控制系统包括系统微机、流量检测与调节、最大输出压力检测与调节、呼吸频率监测以及血压、输出血量、呼吸频率显示等诸多模块。控制系统具有人机对话和自动控制功能，可根据相关检测数据自动调整电动机转速等，以使泵的各项运行数据达到期望值。

二、特性分析

血液泵的特性主要包括输出量和输出压力随时间变化的关系，下面分别予以分析。

1.泵的输出血压

如前所述，当活塞从左至右运动时，内胆被逐步充盈，当内胆压力大于人体血压时，输出单向阀被打开，外壳中血液开始输出，当外壳中血液全部输出时，内胆也完全被空气充盈，此时内胆作用于外壳的压力最大，也是血泵能输出的最大压力。显然，此压力必须大于病人的最高血压，方可实现血液的输送。

血泵外壳内的压力变化如图2中曲线P1（t）所示。当气泵开始将空气泵入内胆时，内胆作用于血液的压力逐渐增大。如曲线斜线部分所示，当压力增大至大于等于人体内血压时开始输出血液，随着血液的输出，血泵输出压力基本维持不变，待外壳中血液输送完毕，因外壳空间被内胆全部占满，与人体血管无液体连通，外壳承受的压力发生突变，达到最大压力P1max。根据波义尔-马特略定律，在恒温下气体的压力与体积成反比，因此，如果气泵对内胆充气开始时内胆完全没有空气，气缸中空气无泄露的全部泵入内胆，则有

式中V1和V2分别为内胆充盈时的最大容积和气缸储存待泵入空气部分的容积。如果气泵在泵送空气时有空气泄露，则

式中Q(t)表示实际泵入内胆的空气在大气压下的体积。从式（2）可知，只要安装一个与气缸连通的气阀，调节阀门的排气量，就可改变泵入内胆的空气量Q(t)，实现最大输出压力P1max的连续调节。血泵的输出压力的变化规律如图2中P2（t）所示。

2.泵的输出量

因血液泵是脉动输出，因此其输出量与每次搏动输出量和搏动频率成正比，即

式中，W为泵的每分钟输出量；W1为每搏输出量，等于外壳内壁与未充气时内胆之间的空间之容积，F为搏动频率。从式（3）可知，设计时可通过调整W1和F来调整泵的输出量。对制造的产品，W1为定值，只能通过改变搏动频率F，也就是改变驱动电机转速来调节泵的输出量，即泵的输出量与电机转速成正比。

三、运用与优势

本血液泵可用于ECMO系统。由于没有常用的离心泵和轴流泵的高速旋转叶片，挤压血液的只有质地非常柔软的内胆，无疑，泵对血液的机械损伤将明显减少。概括起来，本血液泵具有如下优点。

一是对血细胞损伤小，减少了系统血凝产生的可能因子。

二是调节泵的输出量时不影响泵的输出压力，而离心泵和轴流泵在调节输出量时，输出压力伴随流量做更大幅度的改变。

三是泵的实际供血压力自动适应病人血压，不会导致病人局部血压升高。离心泵和轴流泵的输出压力只与其电动机转速有关，无法自动适应病人的血压。

四是与血液接触的部分只有血泵，气泵和整个控制系统无易损部件，可重复使用，即整个泵分为一次性使用部分和可长期使用部分，减少了病人的医疗费用。

五是整个装置没有高速运动部件，制造难度小，成本低，可在中低收入病人中使用，应用面广。

四、结论

综上所述，本血液泵无旋转叶片，减少了血液输送过程中的机械损伤，且流量和压力可以独立调节。用于ECMO系统的血液输送，增加了病人对装置的耐受性和适应性，降低了临床医疗难度，且制造难度小，制造和使用成本低，可望成为一种廉价的医疗设施，服务民众。※