李国荣 朱晓东 郝宗超 田步升 陈海丰

1 中国医学科学院阜外心血管病医院 （北京 100037）

2 长治医学院附属和平医院 （046002）

0..引言

旋转叶轮泵式心脏辅助装置近年来已广泛应用于临床，并取得了良好的治疗效果[1]。旋转叶轮泵包括离心泵、轴流泵和混流泵，其基本原理是采用高速旋转的叶轮驱动血液流动，传统的结构设计旋转叶轮采用机械轴支撑。目前的研究表明：在长期应用时机械轴承易致血栓，支撑点的局部血流冲刷不良和摩擦产热可能是重要原因，

因此采用悬浮技术使叶轮在血流中悬浮旋转，去除机械轴承是目前旋转叶轮泵式心脏辅助装置的一个改进方向[2]。采用磁–液悬浮的HeartWare离心泵[3]已应用于临床，最近HeartWare磁–液悬浮微型轴流泵(MVAD™, HeartWare®, Inc.;Miramar, Fla)[4]也进行了初步的动物实验。我们在先前研制的轴流泵基础上探索了磁–液悬浮的可行性，本文介绍我们研制的磁–液悬浮轴流泵的基本结构及特性。

1.材料方法

1.1.基本结构

我们研制的磁–液悬浮轴流泵由轴流泵泵筒、轴流叶轮、永磁转子、尾导叶及电磁定子等组成，轴流泵泵筒、尾导叶、轴流叶轮等元件的外表面经过特殊涂层处理以增强表面硬度和血液相容性[5]。轴流泵电机定子由环形矽钢片叠成筒状轴流泵电机定子铁芯和筒状的轴流泵电机定子绕组组成，铁芯和绕组套置在轴流泵泵筒外。定子总成由环形的矽钢片叠成定子筒，环绕泵管外壁。在泵管的外壁与定子筒内壁间的空隙内镶嵌三相漆包线绕组，三相绕组顺序通电时可产生与泵管同心的旋转磁场，推动“转子–叶轮体”旋转。体外控制部分由电源电池和控制电路组成，控制电路的工作原理类似于普通的无刷直流电动机，泵转速通过输入电压调节。目前轴流泵样机的直径23mm，长度65mm。在轴流泵泵筒内的出口端设置尾导叶，尾导叶螺旋方向与叶轮叶片反向，以使出口血流的旋转分量改变为轴向流，提高效率。

1.1.1 轴向约束力形成原理

轴流叶轮的轮毂中容纳永磁转子，定子铁芯与永磁转子间的磁力限制轴流旋轮的轴向位移，使轴流叶轮在工作时受到的流体反作用力得到对抗，在没有机械支撑的条件下将轴流叶轮约束于轴流泵泵筒内。调整转子永磁体的强度以及定子铁芯的几何尺寸可使叶轮的轴向约束磁力达到适当大小。

当永磁转子磁力中心Sc与定子铁芯的磁力中心Mc位置不对应时，会有与位移方向相反的磁力Fm作用于叶轮。设定子铁心磁力中心Sc与转子磁力中心Mc间的轴向距离为L，则Fm与L呈正相关，在工作状态下测定移动距离L可确定L与轴向悬浮力的数学关系，轴向约束力形成原理如图2所示。在叶轮处于工作状态时磁场对转子的轴向约束力Fm可对抗血流作用于叶轮的反作用力。如是，转子永磁体和定子铁芯之间的磁力可用于叶轮的轴向磁悬浮控制。

1.1.2 径向约束力形成

图1. 磁–液悬浮轴流泵样机

图2. 轴向约束力形成示意图

图3. 轴流叶轮磁–液悬浮状态探测方法示意图

轴流叶轮的直径小于轴流泵泵筒内径，在旋转叶轮的叶片外周圆弧面与轴流泵泵筒内面之间存在一定的间隙，此间隙为动压间隙。当叶轮相对于轴流泵泵筒内面高速旋转时动压间隙中的液体产生流体动压，使叶片外周圆弧面与轴流泵泵筒内面脱离机械接触，从而产生流体动力悬浮作用，约束叶轮的径向位移，如图3所示。改变叶片外周圆弧面的面积可产生不同的悬浮力，叶片外周圆弧面的面积越大，在同样的动压间隙条件下悬浮力也越大。

1.1.3 磁–液悬浮轴流泵样机的体外测试

体外模拟循环装置与先前研究所采用的装置相似[6]，主要由模拟左，右心房，磁–液悬浮轴流泵，阻力调节器，流量计等部件串联组成，用有机玻璃管顺序连接以上部件。在血泵的出口和阻力调节器之间的管道中设置压力传感器，测定泵的输出压力和流量。通过调节模拟心房中液面高度调节泵的入口压力。为了保证转子与流体介质及端面金属触点间的电学绝缘，采用调制的绝缘油脂作为循环介质,当温度恒定于37˚C，循环介质的相对粘滞度为4.2，与与全血粘制度相近。

如图3所示，用导电金属轴通过滑动触点使轴流叶轮与探测电路连通，轴流叶轮可沿轴向前、后滑动。轴流泵泵筒引出另一端导线与探测电源及探测电流表连接。当轴流叶轮处于非悬浮状态时，由于重力的作用，叶轮靠轴流泵壁支撑，形成通过轴流叶轮体的导电回路，此时电流表将显示有电流流过。当轴流叶轮驱动流体介质流动受到反作用力推动时，可滑过间隙向前端移动。同时由于叶轮高速旋转，在动压间隙内形成径向力，使叶片外周圆弧面与轴流泵筒内壁脱离接触，由于该间隙内液体绝缘，导电回路断开。由此可通过测定回路中的电流来确定叶轮旋转体的径向悬浮状态。当回路导通时说明叶轮体与轴流泵筒内壁接触，悬浮失效。相反，当回路保持断开表明无机械接触，叶轮体处于悬浮状态。回路由导通转变为断开时的叶轮负荷状态和转速即反映流体动力悬浮作用的最大负荷承受能力。

2.结果

在模拟循环台上对该轴流泵样机的主要参数进行测定，刻划样机的基本流体力学特征。在输出压力100mm汞柱条件下，泵转速约14000转/min时流量可达5L/min。轴流泵的“流量–压力–转速”关系如图4所示。

在静止或较低转速条件下，可见探测回路有恒定电流通过，表明叶轮处于与轴流泵内筒壁机械接触的非悬浮状态，逐步增加叶轮转速可见电流表的指针跳动，有间断性电流通过，表明叶轮在驱动流体流动时处于非稳定悬浮状态，再进一步增大叶轮转速达到某一值后探测回路完全断开，表明悬浮状态趋于稳定。在稳定悬浮状态下，叶轮可承受一定的径向悬浮负荷，径向悬浮负荷与叶轮转速的相关关系见表1。

表1. 轴流叶轮转速与最大悬浮负荷关系

以上结果表明在叶轮转速超过6000rpm后叶轮对径向干扰力有较强的对抗能力，这一特性可保证磁–液悬浮轴流叶轮在人体运动状态下对抗适当的加速度力，使叶轮处于稳定的悬浮状态，此特性对心脏辅助装置的实际应用有重要意义。

图4. “流量–压力–转速” 关系曲线

3.讨论

研制出可永久植入人体实施心脏辅助或心脏代替的性能优良的机械血泵是人工心脏研究的最终目标。经过多年的发展，目前植入式心脏辅助装置的应用正由过渡期心脏辅助（bridge）向永久性辅助（destination therapy）方向发展[7]。为实现这一目标，心脏辅助血泵的性能尚需进一步提高。

微型化的离心泵或轴流泵有希望成为实现永久植入性心脏辅助装置的目标。传统的旋转叶轮泵需要机械转轴支撑，而有研究表明机械支撑点的存在不利于血泵性能的进一步提高。采用磁悬浮或磁–液混合悬浮技术使高速转动的叶轮在工作时完全悬浮在血流中可以去除机械转轴的支撑，可克服机械轴的缺点。国外已有研究者采用磁–液混合悬浮技术实现轴流叶轮的悬浮，如HeartWare轴流泵[4]，但由于该泵未设置尾导叶，工作转速很高，达16000～28000 rpm。不同于HeartWare轴流泵，本文提出的磁–液悬浮轴流泵在轴流泵泵筒内的尾端设置尾导叶，可大大提高轴流泵的能量转化效率。由于不需要中心轮毂对转轴的机械支撑，尾导叶叶片直接固定在轴流泵泵筒内壁上，各叶片都伸向轴流泵泵筒中心，在轴流泵泵筒中心互不连接，去除了中轴线区域的中心轮毂机械连接和轮毂中镶嵌的支撑轴套，使这一区域血流不受阻碍，改善了中心血流对叶片的冲刷。这一结构设计即减少了传统轴流泵尾导叶中心轮毂的液流死区，同时还保留了尾导叶增进轴流泵效率的有益效应。

轴流叶轮在悬浮状态下共有6个运动自由度，包括3个平动自由度和3个旋转自由度。其中，绕轴流泵筒中心轴方向的旋转运动是驱动血液流动所必需，在电机定子的旋转磁场提供控制转矩下可确定其运动位移。轴流叶轮在其他5个运动自由度上的位移则需要严格限制，以保证其正确的位置和姿态。

采用完全磁悬浮的轴流泵结构较为复杂，在轴流泵筒内需要设置有电磁控制功能的前、后导叶，因此，不利于简化轴流泵结构和去除泵筒内的血流“死区”。采用磁–液混合悬浮技术可使悬浮结构简化，理论上在轴流泵筒内不仅可去除前导叶，还可去除尾导叶，因此有利于提高血泵的抗血栓性能。我们在先前的实验研究中发现，轴流泵前导叶对提高轴流泵效率特性没有重要的意义，因此提出了无前导叶轴流泵的结构设计[8]。但我们研究表明:去除轴流泵的尾导叶后，同样的流体输出要求叶轮转速大幅度提高，且极大地降低了轴流泵的能量转化效率。较高的叶轮转速将加大叶轮对血细胞的损伤，表现为溶血强度的大幅度增加。为了克服以上不足，我们研制的磁液悬浮轴流泵增加了尾导叶，如上文所述，所用尾导叶的独特设计消除了传统尾导叶中心区冲刷不良的缺点。

叶轮在轴向上的平动自由度使叶轮在轴向力的作用下可沿轴自由滑动，根据动量守恒定理，当叶轮驱动血液向出口方向流动时自身必将受到反作用力，在没有相应的约束力的情况下将朝出口方向移动。由此必需设置对抗叶轮反作用力的约束力才能保证叶轮处于恒定的位置。根据磁场强度分布原理，电机定子铁芯和永磁转子之间存在的磁力将使永磁转子趋向于使磁路磁阻最小的位置，由此叶轮在磁场中将保持在一个稳定的引力中心，当受外力作用叶轮偏离这一中心时磁场力将产生与位移方向相反的对心磁力，且在一定的区间内位移越大对心磁力也越大。根据这一原理，轴流泵设计中采用此对心磁力来对抗叶轮所承受的反作用力。

叶轮的垂直于轴向的两个平动自由度和旋转自由度也需要约束力严格限制位移，但叶轮在这四个自由度上所受的作用力具有很强的不确定性，主要是由于轴流泵运动元件几何尺寸的微小不对称，以及来自流场不恒定产生的各种干扰。这些干扰力随机性很强，如用反馈调节通过有源的电磁场加以控制，将会使控制系统复杂，执行系统总体积、重量都不易减小，且不能对叶轮状态精确控制。相反如果采用流体动力悬浮的方法来约束这四个自由度上的位移将简单的多。但流体动力悬浮时悬浮间隙较小，容易导致流过这些间隙的血细胞破坏，因此，仔细优化这一间隙的大小，在稳定的悬浮状态下获得较小的溶血指数是这一装置研制的重点工作。

样机测试表明，我们新研制的磁液悬浮轴流泵标准溶血指数为0.12g/100L，在转速14000RPM条件小可以产生100毫米汞柱和5L/min的流体输出。这说明其效率特性比传统的轴流泵没有大幅度下降，且溶血特性也达到了临床应用可接受的范围。

4.结论

我们研制的磁液悬浮轴流泵的流体力学特性和血液相容性初步达到左心辅助的要求，可进行动物体内植入实验阶段以观察其长期心脏辅助的效果。

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