磁–液懸浮軸流泵心臟輔助裝置研制

　　目的：應(yīng)用磁力和流體動(dòng)壓控制實(shí)現(xiàn)軸流泵葉輪的完全懸浮。

　　材料和方法：磁-液懸浮軸流泵由軸流泵泵筒，軸流葉輪，尾導(dǎo)葉葉片等組成。采用約束磁力限制旋轉(zhuǎn)葉輪的軸向位移，約束磁力由旋轉(zhuǎn)葉輪輪轂中的永磁體與軸流泵電機(jī)定子鐵芯之間通過磁相互作用產(chǎn)生，軸流旋轉(zhuǎn)葉輪的直徑小于軸流泵泵筒內(nèi)徑，葉片外周與軸流泵泵筒內(nèi)面之間形成動(dòng)壓間隙，當(dāng)葉輪相對于軸流泵泵筒旋轉(zhuǎn)時(shí)動(dòng)壓間隙中的液體產(chǎn)生流體動(dòng)壓，約束葉輪的徑向位移。尾導(dǎo)葉葉片尾導(dǎo)葉葉片與軸流泵泵筒內(nèi)壁固定聯(lián)接，由軸流泵泵筒內(nèi)壁向中心伸出，無中心輪轂的機(jī)械聯(lián)接，使在這一區(qū)域形成血流通道有利于沖刷防止血栓形成。

　　結(jié)果：磁-液懸浮軸流泵樣機(jī)的直徑23mm,長度65mm。在輸出壓力100mm汞柱條件下，泵轉(zhuǎn)速約14000轉(zhuǎn)/分時(shí)流量可達(dá)5升/分，在軸流葉輪轉(zhuǎn)速超過6000rpm使可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的磁葉懸浮，標(biāo)準(zhǔn)溶血指數(shù)達(dá)0.12g/100L 。結(jié)論：我們研制的磁液懸浮軸流泵的流體力學(xué)特性和血液相容性初步達(dá)到左心輔助的要求，可進(jìn)行動(dòng)物體內(nèi)植入實(shí)驗(yàn)觀察其長期心臟輔助的效果。

　　旋轉(zhuǎn)葉輪泵式心臟輔助裝置近年來已廣泛應(yīng)用于臨床，并取得了良好的治療效果。旋轉(zhuǎn)葉輪泵包括離心泵、軸流泵和混流泵，其基本原理是采用高速旋轉(zhuǎn)的葉輪驅(qū)動(dòng)血液流動(dòng)，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)葉輪采用機(jī)械軸支撐。目前的研究表明：在長期應(yīng)用時(shí)機(jī)械軸承易致血栓，支撐點(diǎn)的局部血流沖刷不良和摩擦產(chǎn)熱可能是重要原因，因此采用懸浮技術(shù)使葉輪在血流中懸浮旋轉(zhuǎn)，去除機(jī)械軸承是目前旋轉(zhuǎn)葉輪泵式心臟輔助裝置的一個(gè)改進(jìn)方向。采用磁– 液懸浮的HeartWare離心泵已應(yīng)用于臨床，最近HeartWare 磁– 液懸浮微型軸流泵(MVAD™,HeartWare®, Inc.;Miramar, Fla) 也進(jìn)行了初步的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)。我們在先前研制的軸流泵基礎(chǔ)上探索了磁–液懸浮的可行性，本文介紹我們研制的磁– 液懸浮軸流泵的基本結(jié)構(gòu)及特性。

　　1、材料方法

　　1.1、基本結(jié)構(gòu)

　　我們研制的磁– 液懸浮軸流泵由軸流泵泵筒、軸流葉輪、永磁轉(zhuǎn)子、尾導(dǎo)葉及電磁定子等組成，軸流泵泵筒、尾導(dǎo)葉、軸流葉輪等元件的外表面經(jīng)過特殊涂層處理以增強(qiáng)表面硬度和血液相容性。軸流泵電機(jī)定子由環(huán)形矽鋼片疊成筒狀軸流泵電機(jī)定子鐵芯和筒狀的軸流泵電機(jī)定子繞組組成，鐵芯和繞組套置在軸流泵泵筒外。定子總成由環(huán)形的矽鋼片疊成定子筒，環(huán)繞泵管外壁。在泵管的外壁與定子筒內(nèi)壁間的空隙內(nèi)鑲嵌三相漆包線繞組，三相繞組順序通電時(shí)可產(chǎn)生與泵管同心的旋轉(zhuǎn)磁場，推動(dòng)“轉(zhuǎn)子– 葉輪體”旋轉(zhuǎn)。體外控制部分由電源電池和控制電路組成，控制電路的工作原理類似于普通的無刷直流電動(dòng)機(jī)，泵轉(zhuǎn)速通過輸入電壓調(diào)節(jié)。目前軸流泵樣機(jī)的直徑23mm，長度65mm。在軸流泵泵筒內(nèi)的出口端設(shè)置尾導(dǎo)葉，尾導(dǎo)葉螺旋方向與葉輪葉片反向，以使出口血流的旋轉(zhuǎn)分量改變?yōu)檩S向流，提高效率。

圖1. 磁–液懸浮軸流泵樣機(jī)

圖2. 軸向約束力形成示意圖

圖3. 軸流葉輪磁–液懸浮狀態(tài)探測方法示意圖

　　1.1.1、軸向約束力形成原理

　　軸流葉輪的輪轂中容納永磁轉(zhuǎn)子，定子鐵芯與永磁轉(zhuǎn)子間的磁力限制軸流旋輪的軸向位移，使軸流葉輪在工作時(shí)受到的流體反作用力得到對抗，在沒有機(jī)械支撐的條件下將軸流葉輪約束于軸流泵泵筒內(nèi)。調(diào)整轉(zhuǎn)子永磁體的強(qiáng)度以及定子鐵芯的幾何尺寸可使葉輪的軸向約束磁力達(dá)到適當(dāng)大小。

　　當(dāng)永磁轉(zhuǎn)子磁力中心Sc 與定子鐵芯的磁力中心Mc 位置不對應(yīng)時(shí)，會有與位移方向相反的磁力Fm 作用于葉輪。設(shè)定子鐵心磁力中心Sc 與轉(zhuǎn)子磁力中心Mc 間的軸向距離為L，則Fm 與L呈正相關(guān)，在工作狀態(tài)下測定移動(dòng)距離L 可確定L 與軸向懸浮力的數(shù)學(xué)關(guān)系，軸向約束力形成原理如圖2 所示。在葉輪處于工作狀態(tài)時(shí)磁場對轉(zhuǎn)子的軸向約束力Fm 可對抗血流作用于葉輪的反作用力。如是，轉(zhuǎn)子永磁體和定子鐵芯之間的磁力可用于葉輪的軸向磁懸浮控制。

　　1.1.2、徑向約束力形成

　　軸流葉輪的直徑小于軸流泵泵筒內(nèi)徑，在旋轉(zhuǎn)葉輪的葉片外周圓弧面與軸流泵泵筒內(nèi)面之間存在一定的間隙，此間隙為動(dòng)壓間隙。當(dāng)葉輪相對于軸流泵泵筒內(nèi)面高速旋轉(zhuǎn)時(shí)動(dòng)壓間隙中的液體產(chǎn)生流體動(dòng)壓，使葉片外周圓弧面與軸流泵泵筒內(nèi)面脫離機(jī)械接觸，從而產(chǎn)生流體動(dòng)力懸浮作用，約束葉輪的徑向位移，如圖3 所示。改變?nèi)~片外周圓弧面的面積可產(chǎn)生不同的懸浮力，葉片外周圓弧面的面積越大，在同樣的動(dòng)壓間隙條件下懸浮力也越大。

　　1.1.3、磁–液懸浮軸流泵樣機(jī)的體外測試

　　體外模擬循環(huán)裝置與先前研究所采用的裝置相似，主要由模擬左，右心房，磁–液懸浮軸流泵，阻力調(diào)節(jié)器，流量計(jì)等部件串聯(lián)組成，用有機(jī)玻璃管順序連接以上部件。在血泵的出口和阻力調(diào)節(jié)器之間的管道中設(shè)置壓力傳感器，測定泵的輸出壓力和流量。通過調(diào)節(jié)模擬心房中液面高度調(diào)節(jié)泵的入口壓力。為了保證轉(zhuǎn)子與流體介質(zhì)及端面金屬觸點(diǎn)間的電學(xué)絕緣，采用調(diào)制的絕緣油脂作為循環(huán)介質(zhì), 當(dāng)溫度恒定于37˚C，循環(huán)介質(zhì)的相對粘滯度為4.2，與與全血粘制度相近。

　　如圖3 所示，用導(dǎo)電金屬軸通過滑動(dòng)觸點(diǎn)使軸流葉輪與探測電路連通，軸流葉輪可沿軸向前、后滑動(dòng)。軸流泵泵筒引出另一端導(dǎo)線與探測電源及探測電流表連接。當(dāng)軸流葉輪處于非懸浮狀態(tài)時(shí)，由于重力的作用，葉輪靠軸流泵壁支撐，形成通過軸流葉輪體的導(dǎo)電回路，此時(shí)電流表將顯示有電流流過。當(dāng)軸流葉輪驅(qū)動(dòng)流體介質(zhì)流動(dòng)受到反作用力推動(dòng)時(shí)，可滑過間隙向前端移動(dòng)。同時(shí)由于葉輪高速旋轉(zhuǎn)，在動(dòng)壓間隙內(nèi)形成徑向力，使葉片外周圓弧面與軸流泵筒內(nèi)壁脫離接觸，由于該間隙內(nèi)液體絕緣，導(dǎo)電回路斷開。由此可通過測定回路中的電流來確定葉輪旋轉(zhuǎn)體的徑向懸浮狀態(tài)。當(dāng)回路導(dǎo)通時(shí)說明葉輪體與軸流泵筒內(nèi)壁接觸，懸浮失效。相反，當(dāng)回路保持?jǐn)嚅_表明無機(jī)械接觸，葉輪體處于懸浮狀態(tài)。回路由導(dǎo)通轉(zhuǎn)變?yōu)閿嚅_時(shí)的葉輪負(fù)荷狀態(tài)和轉(zhuǎn)速即反映流體動(dòng)力懸浮作用的最大負(fù)荷承受能力。

　　結(jié)論

　　我們研制的磁液懸浮軸流泵的流體力學(xué)特性和血液相容性初步達(dá)到左心輔助的要求，可進(jìn)行動(dòng)物體內(nèi)植入實(shí)驗(yàn)階段以觀察其長期心臟輔助的效果。