对称式单支点离心泵心脏辅助装置特性

李国荣 田步升 陈海丰 朱晓东

1 中国医学科学院，中国协和医科大学 心血管病研究所 阜外心血管病医院 （北京 100037）2 长治市久安人工心脏科技开发有限公司 （山西 长治 046000）

单独药物治疗心功能衰竭很难在减低心脏负荷的同时维持良好的外周循环，应用植入式左心辅助装置治疗晚期心力衰竭日益普及，离心泵式心脏辅助装置更受到越来越多的研究者关注[1,2]。但同时临床观察发现，应用此类装置会出现血栓栓塞、出血等严重并发症，成为阻碍此技术进步的重要障碍[3,4]。传统离心血泵的离心叶轮、离心泵壳及泵出口均采用不对称设计，这种结构要求离心叶轮按照特定方向旋转，反转将导致效率严重下降。作者曾设计“对称结构磁悬浮离心泵心脏辅助装置”，显示在对称结构时叶轮正、反旋转均能产生相同的流体输出[5]。这一特点为探索提高血泵抗血栓特性提供了新控制方案。全磁悬浮虽然可以完全避免机械轴摩擦，但有体积、重量较大的缺点。本文提出一种对称式亚悬浮离心泵心脏辅助装置，可最大限度减小泵的体积、重量，改善血泵的解剖相容性。

1.设计原理及结构

对称式单支点离心泵泵壳分为前端的离心泵筒和后端的叶片腔，叶片腔为圆筒状，在叶片腔圆周壁上设置与壁面切线垂直的泵出口且相对于中心轴对称。叶轮由前端的转子柱和后端的叶片连接构成。叶轮转子柱外壁和离心泵筒内壁之间设置悬浮间隙与叶片腔相联通，形成血流流道。离心泵筒的前端的泵入口与血流流道相联通。血泵工作时血液由血流流道引导由泵入口进入叶片腔内，在离心力的作用下从泵出口流出；流经血流流道的血液可对叶轮转子柱的外壁面及离心泵筒的内壁面进行持续冲刷，防止血栓形成和附着。叶片腔的后壁中心设置导流椎体，可使进入叶片腔内的轴向血流向外周分散，形成旋转流，防止涡流形成。导流椎体顶端设置支点球和支点球窝形成机械支点支撑叶轮尾端，防止叶轮尾端径向和轴向后位移。叶轮转子柱前端设置转子径向磁悬浮环，与离心泵筒前端的定子径向悬浮磁环相对应，形成径向永磁轴承，防止叶轮转子柱前端的径向位移和轴向前位移。离心泵筒内设置电机定子铁芯和绕组，馈电时产生旋转磁场，作用于叶轮转子柱内的永磁转子驱动其旋转。叶轮的叶片为直叶片，且以中心对称辐射状排列。由于离心叶轮、离心泵壳、泵入口及泵出口均为左、右对称结构，所以离心叶轮顺时针或逆时针方向旋转均可带动血液以同样速度旋转，旋转流的离心力可驱动血液从泵出口流出。离心泵筒外壁后端设置缝合裙，植入体内时可与心尖表面肌肉缝合。

导流椎体顶端与叶轮尾端的机械支点是血泵的唯一机械摩擦点，为防止机械接触点的过度摩擦，滑动面间的狭小间隙通过输送管道与置于皮下的静脉输液港相联通。通过定期向静脉输液港注射具有抗凝作用的药液，可向滑动面间隙输送具有润滑作用的药液，不仅可以防止支撑点滑动面的摩擦，还可在局部形成抗凝药物的高浓度，防止机械支撑点周围血栓形成。这种方法可大大降低全身抗凝药的用量，降低出自发性血并发症的风险。

图1. 对称结构磁悬浮离心泵外观及沿基准面的剖面

2.样机及流体力学性能

本文设计并比较了两种叶轮的流体力学特性。叶轮转子柱直径8.5mm，长76mm，离心泵筒外径20mm内径12mm。叶片腔内径25mm，长9mm。叶轮叶片采用5叶片式，两种叶片直径分别为15和17mm，宽度均为8mm。所有血液接触面均采用医用钛合金包被。泵总长度80mm，总重量87g（图2）。

图2. 对称结构磁悬浮离心泵样机

采用先前研制的体外模拟循环台对样机流体力学性能进行测试[7,8]。采用30%甘油水溶液作为循环介质，以使其黏滞度接近于血液，通过调节储液罐中液面高度调节泵的入口压力。通过调节阻力阀，可改变泵输出的流量和压力比。在恒定转速时，阻力增大可使流量减小，但输出压力增加。通过仔细调节阻力阀和泵转速，可使泵输出稳定在5L/min流量和100mmHg输出压水平，这一输出接近实际心脏辅助时的要求。

3.结果

径向永磁轴承不仅可实现叶轮前端的径向悬浮，构成径向永磁轴承的永磁环之间的排斥力还可以使叶轮尾部的机械支点保持接触，维持稳定的轴向位置。观察表明，无论叶轮顺时针或逆时针旋转，离心泵均可产生相同的流体输出。在100mmHg输出压力条件下离心泵可产生5L/min流量。直径17mm叶轮和15mm叶轮的转速分别为7000r/min和8500r/min。总输入功率分别约为8.3和8.1W，采用两种叶轮时的“压力–流量”关系曲线如图3。

图3. 样机“压力–流量”关系曲线

逆转叶轮旋转方向后可在大约2s内重新达到稳定输出，在此期间输出压力和流量显著下降。叶轮转换方向时可使离心泵功耗短暂增加至11W，随后回复至8W左右。

4.讨论

心功能衰竭的治疗对心血管疾病临床有重要意义，单独采用药物治疗心功能衰竭很难在减低心脏负荷的同时维持良好的外周循环。用植入式血泵长期辅助或替代心脏泵功能是一种正在发展的有效方法。国外已有多种可植入的心脏辅助血泵应用于临床，疗效显著。但目前的植入式心脏辅助装置长期应用常导致严重并发症。为此，研究者们正在积极探索新型心脏辅助装置以减少临床并发症的发生率[9]。

目前，国外研制的离心泵式心脏辅助装置也有直接从心室尖植入心室腔的辅助血泵，如美国的HeartWare、“Jarvik 2000”等。全悬浮离心血泵体积较大常导致感染等严重并发症。由机械轴支撑的轴流泵输出压力相对较低，需要较高的泵转速才能维持必要的输出，高转速容易使轴承磨损加快和局部温度升高，导致血液破坏和泵毁损。

血泵通常在血流缓慢的“死区”更容易形成血栓，去除液流缓慢的“死区”及对异物表面的良好的血流冲刷可防止血栓形成和附着，减小血液成分的破环。在传统的离心泵结构中离心叶轮单方向旋转使离心泵壳内的流场形式固定，容易形成一些血流冲刷不良的区域，泵内各表面血流冲刷不均匀，这些特点不利于防止泵内血栓形成。本文的对称结构离心叶轮可周期性顺时针和逆时针交替旋转，离心泵壳内血流旋转方向周期性反转，离心叶轮及离心泵壳内各表面均可得到血流的对称冲刷，可最大限度地去除离心泵壳腔内的液流“死区”，提高血泵的抗血栓特性。

采用磁力控制使旋转叶轮在工作时处于悬浮状态，去除机械磨损使血泵工作寿命进一步延长，没有局部摩擦产热及局部温升更有利于防止血栓形成，这些改进均可进一步改善离心血泵的性能[10,11]。然而全悬浮血泵结构较复杂，体积、重量不易减低，是其主要缺点。本文的单支点离心泵采用亚悬浮离心泵结构，其前端径向位置采用永磁轴承限制；后端则由机械支点控制，永磁和机械轴承联合控制可实现离心叶轮的5自由度约束，维持离心叶轮处于亚悬浮状态。即可以最大限度地减小机械磨损又可以减小泵的体积和重量，充分利用了现有的血泵支撑技术的研究成果，有望改善植入式血泵的综合性能。

全身抗凝药物的应用是目前大部分血泵采用的防止泵内血栓形成的方法。通过定期向静脉输液港注射输送具有抗凝作用的药液，可形成泵内局部抗凝药物的高浓度，防止血栓形成。这种方法可大大降低全身抗凝药的用量，降低出血风险。局部注射溶栓药物也可治疗早期形成的血栓，但这种方法的有效性尚需在今后的临床应用中证实。

5.结论

单支点磁悬浮离心泵可实现稳定的叶轮支撑，离心泵采用对称结构可容许叶轮顺时针和逆时针旋转。恒定压力下离心泵的“转速-流量”呈正相关关系。离心泵在约8000r/min转速和100mmHg后负荷条件下均可以达到5L/min的流量，可满足左心辅助的要求，离心泵总效率在可接受范围。本文观察证实改变叶轮的旋转方向对流体输出特性没有影响，有望成为增强泵内冲刷、防止血栓形成的一种新的控制策略。

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