（机械设计及理论专业论文）微型植入式血泵血液自润滑机理研究.pdf

中南大学博士学位论文摘要 摘要 在血泵研究过程中，机械运动部件间的润滑与密封一直困绕着广 大研究人员。利用人体血液作为血泵运动部件间的摩擦润滑剂，为解 决上述难题提供了有效途径。由于血液是具有生命特征的特殊物质， 以前人们对血液的研究主要集中在医学领域，至今还没有专门研究血 液摩擦润滑性能的资料。本文主要结合血液的生理特性、流变特性及 理化特性，运用血液流变学理论、流体动力润滑理论，对血液的摩擦 润滑性能进行研究，并以外场驱动微型轴流式血泵为对象，研究了血 液自润滑血泵径向滑动轴承的润滑性能。本研究试图从工程角度对血 液润滑性能进行探讨，以期为植入式血泵直接利用人体血液润滑提供 依据。具体体现在以下几方面： ( 1 ) 运用血液流变学理论，对正常人体血液组分及其流变性能进 行了分析。建立了简化刚脆性血细胞模型，设计了血液通过间隙能力 的测量装置。利用设计的测量装置，试验得出了不同润滑膜厚条件下 润滑区血液组分的变化规律及血液组分与血液表观粘度关系，提出了 不同最小间隙及剪切率是影响血液润滑入口区与出口区血细胞压积 的主要因素。结合血液自润滑轴承，分析了血液稳态润滑条件及形成 血液非稳态润滑的微观机理。 ( 2 ) 通过对红细胞在低渗透压及剪切流环境中溶血模型分析，结 合血液自润滑血泵径向滑动轴承，提出了润滑出口发散区负压及剪切 流中剪应力是造成溶血的主要因素。利用摩擦四球机，试验得到了血 液在不同主轴转速下的机械承载能力及溶血情况，提出了符合血液生 理指标要求和机械承载指标要求的综合判定。 ( 3 ) 血液机械承载能力是判断血液有效润滑的重要指标。从血液 自润滑轴承设计角度出发，分析了血液的流变特性、动压效应、温度 效应、压力效应及血液成分随温度变化而发生理化反应等因素对血液 机械承载能力的影响。试验得到了多因素耦合作用下，血液机械承载 能力的变化规律。 ( 4 ) 血液流变指标值直接影响血液的摩擦润滑性能。以长沙地区 健康成年人群为对象，试验得到了选定人群血液流变指标值的分布及 变化规律，得出了不同人群血液流变指标正常参考值存在差异的结 中南大学博士学位论文摘要 论，为血液自润滑血泵轴承参数设计和医学检验提供了依据。 ( 5 ) 根据外场驱动血泵耦合传动时磁场动态分布，运用提出的磁 心概念，推导了横向磁耦合传动中转子径向受力与传递力矩的计算模 型，分析了径向充磁血泵转子在传动过程中径向受力及传递扭矩变化 规律；运用流体润滑理论，建立了血液自润滑血泵径向滑动轴承血液 润滑模型，仿真计算了血液自润滑径向滑动轴承的压力分布、承载能 力、摩擦力及摩擦功耗等力学参数，分析了轴承半径差、转速等对血 液承载能力的影响，提出了血液自润滑血泵轴承设计准则。 关键词血液润滑，血泵，血液，血液流变学，外磁驱动 中南大学博士学位论文 a b s t r a c t i nb l o o dp u m pr e s e a r c hp r o c e s s ，t h er e s e a r c h e r sa r es t r a n d e d c o n t i n u o u s l yb yt h eq u e s t i o no fl u b r i c a t i o na n dt h es e a lb e t w e e nt h e m e c h a n i c a lm o v e m e n tp a r t s u s i n gt h eh u m a nb l o o da st h ef r i c t i o n l u b r i c a n tb e t w e e nt h em o v e m e n tp a r t si sa ne i f e c t i v ew a yt os o l v et h e d i 伍c u l tp r o b l e m b e c a u s et h eb l o o di sak i n do fs p e c i a lm a t e r i a lw h i c h h a st h el i f e c h a r a c t e r i s t i e s ，p e o p l eb e f o r em a i n l yc o n c e n t r a t e st h e r e s e a r c ho nt h eb l o o di nt h em e d i c i n ed o m a i n , t h e r ea r ev e r yf e w m s e a r c h e r st os t u d yt h eb l o o df r i c t i o nl u b r i c i t ys p e c i a l l y a i m i n gt o p h y s i o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ，h e m o r h e o l o 西cc h a r a c t e r i s t i c sa n dp h y s i c s a n dc h e m i s t r yc h a r a c t e r i s t i c so fb l o o d , u s i n gh e m o r h e o l o g yt h e o r ya n d h y d r o d y n a m i cl u b r i c a t i o nt h e o r y , t h i sa r t i c l ed i s c u s s e dt h eb l o o dl u b r i c i t y a n ds t u d i e dt h el u b r i c i t yo fb l o o ds e l f - l u b r i c a t i n gj o u r n a lb e a r i n gi nt h e m i n i m a la x i a lb l o o dp u m pd r i v e nb ye x t r am a g n e t i cf i e l d f r o mt h eb l o o d a p p l i c a t i o n s i n e n g i n e e r i n g ，t h i sp a p e ra t t e m p t s t os t u d yt h eb l o o d l u b r i c i t y , a n dp r o v i d e st h eb a s i sf o rb l o o dp u m pt ou s eh u m a nb l o o d a s l u b r i c a n td i r e c t l y 功em a i nc o n t e n t si n c l u d e ： ( 1 )a n a l y 2 脚 n o r m a lh u m a nb l o o d c o m p o n e n t a n dt h e h e m o r h e o l o 百cc h a r a c t e r i s t i c s ，s t u d i e dt h eb l o o dc o m p o n e n tc h a n g i n gi i l t h el u b r i c a t i o na r e aw i t ht h es l m p l i f i e dr i g i d - b r i t t l ec e l lm o d e l ，a n d a n a l y z e di n f l u e n c eo ft h el u b r i c a n tf i l mt h i c k n e s so nl u b r i c a n tf l l m c o m p o n e n t c o n s i d e r i n gd e f o r m a b i l i t yo f t h eb l o o dc e l l ，t e s t e dt h ea b i l i t y o fb l o o dc e l lt h r o u g hd i f f e r e n tg a du n d e rd i f f e r e n ts h e a rr a t e t h er e s u l t s h o w e dt h a td i f i e r e n ts m a l l e s tg a pa n ds h e a rr a t ea r em a i nf a c t o r st o a f f e c tt h eh c ti nt h eb l o o dl u b r i c a t i o ne n t r a n c er e g i o na n dt h eo u t l e t a r e a o t h e r w i s e t h ee x p e r i m e n to nr e l a t i o n sb e t w e e nh c ta n dt h eb l o o d a p p a r e n tv i s c o s i t yi sp e r f o r m e d , a n dm i c r om e c h a n i s mo fn o n - s t a b l i l i t y l u b r i c a t i o no f b l o o di sa n a l y z e d ( 2 ) w i t ht h el o wo s m o t i cp r e s s u r eh e m o l y s i sm o d e la n ds h e a rf l o w h e m o l y s i sm o d e l ，p r o p o s e dt h a tt h en e g a t i v ep r e s s u r ea n ds h e a rf l o wa r e 中南大学博士学位论文 a b g n t a c t k e yf a c t o r sf o rh e m o l y s i s u s i n gf o u r - b a l lf r i c t i o na p p a r a t u s ，s t u d i e dt h e b l o o dm e c h a n i c a ll o a d i n g c a p a c i t ya n dh e m a t o l y s i su n d e rd i f f e r e n t r o t a t i o n a ls p e e d , a n dp r o p o s e ds y n t h e s i sd e t e r m i n a t i o no fb l o o dl o a d i n g c a p a c i t yc o n s i d e r i n gp h y s i o l o g i ca n d m e c h a n i c a lr e q u i r e m e n t ( 3 ) t h el o a d i n gc a p a c i t yi sai m p o r t a n tf a c t o rf o rb l o o dl u b r i c a t i o n a i m i n gt ot h ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o no fb l o o d ，a n a l y z e dt h ei n f l u e n c e s o fh e m o r h e o l o g i cc h a r a c t e r i s t i c s ，d y n a m i cp r e s s u r ee f f e c t ，p h y s i c sa n d c h e m i s t r yr e s p o n s e o fb l o o d i n g r e d i e n t u n d e r h i g ht e m p e r a t u r e ， v i s c o s i t y - t e m pc h a r a c t e r i s t i c sa n dv i s c o s i t y p r e s s u r ec h a r a c t e r i s t i c so f b l o o do nm e c h a n i c a ll o a d i n gc a p a c i t yo fb l o o d u n d e rm u l t if a c t o r s c o u p l i n g , s t u d i e d t h e c h a n g i n gr e g u l a t i o n so fm e c h a n i c a ll o a d i n g c a p a c i t yo fb l o o d ，a n da n a l y z e dm a i nf a c t o r si nd i f f e r e n tl u b r i c a t i n g c o n d i t i o n ( 4 ) t h eb l o o dh e m o r h e o l o g i ci n d e x e si n f l u e n c et h ef r i c t i o na n d l u b r i c i t yo fb l o o d t e s t e dt h ec h a n g i n gr e g u l a t i o n so fh e m o r h e o l o g i c i n d e x e so fh u m a nb l o o do fd i f f e r e n ts e x e sa n dd i f f e r e n ta g e sa i m i n ga t t h ec r o w d ( m a l e ：3 0 0 ，f e m a l e ：3 0 0 ) o fc h a n g s h ar e g i o n p r o p o s e dt h a t d i f f e r e n tr e f e r e n c es t a n d a r dv a l u eo fb l o o dh e m o r h e o l o g i ci n d e x e sm u s t b eu s e df o rd i f f e r e n tc r o w e di nb l o o ds e l f - l u b r i c a t i n gp u m pd e s i g n i n g a n dt h em e d i c i n ee x a m i n a t i o n ( 5 ) a c c o r d i n gt ot h ed y n a m i cd i s t r i b u t i o no fm a g n e t i cf i e l di n m a g n e t i cc o u p l i n gt r a n s m i s s i o no fb l o o dp u m p d r i v e nb ye x t r am a g n e t i c f i e l d ，a n a l y z e dc h a n g i n gr u l e so ft h er a d i a lf o r c ea n dt o r q u ed u r i n gt h e t r a n s m i s s i o nb ym e a n so fa n a l y t i cc a l c u l a t i o nw i t ht h e c o n c e p to f m a g n e t i cc o r e ，a n de s t a b l i s h e dt h ec a l c u l a t i o nm o d e lo ft h er a d i a l m a g n e t i cc o u p l i n gf o r c ea n dt o r q u e u s i n gh y d r o d y n a m i cl u b r i c a t i o n t h e o r y , e s t a b l i s h e dt h eb l o o dl u b r i c a t i o nm o d e lo fs t a b i l i t yl o a d i n g j o u m a lb e a r i n gu n d e rh i g hs h e a rr a t ef o rd i f f e r e n tl u b r i c a n tf i l mt h i c k n e s s t a k i n gb l o o ds e l f - l u b r i c a t i n gb l o o dp u m pd r i v e nb ye x t r am a g n e t i cf i e l d a sa ne x a m p l e ，c a l c u l a t e dp r e s s u r ed i s t r i b u t i o n ，l o a d i n gc a p a c i t y , f r i c t i o n f o r c ea n df r i c t i o np o w e rl o s si nb l o o dl u b r i c a t i o na r e a , a n da n a l y z e dt h e r e l a t i o n sb e t w e e nr a d i u sd i f f e r e n c e ，r o t a t i o n a ls p e e da n db l o o dl o a d i n g 中南大学博士学位论文 a b s t r a c t c a p a c i t y t h ep r i n c i p l e s f o r d e s i g n i n gj o u r n a lb e a r i n g o fb l o o d s e l f - l u b r i c a t i n gb l o o dp u m p a r ep r o p o s e d k e yw o r d s ：b l o o dl u b r i c a t i o n , b l o o dp u m p ，b l o o d , h e m o r h e o l o g y , e x t e r n a lm a g n e t i cf i e l da r i v i n g 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成采。尽我所知，除了论文中特男o ；d i 以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发袭或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书丽使用过的材料与我 共网工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名：翳褥 ：趔年二兰j j 二l 日 关于学位论文使用授权说明 本人了解巾南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被套阅和借阅：学校以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采j l 复印，缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门蝮定送交学绽论文。 作者签名蜘签名 日期：壹型年当上隧 中南大学博士学位论文第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 血泵研究涉及机械、材料、医学、流体动力学及控制理论等多门学科，是 现代工程技术及生物医学工程技术发展相结合的产物。血泵研究已经在全世界 范围展开，各种原理不同的血泵已应用于临床，并逐步趋于产品化【1 - 4 1 。但作为 人体器官的代用品，在血泵研究领域尚存在许多难题 5 , 6 1 ，如植入式血泵运动部 件间的润滑与密封、机械破坏性溶血及血栓的形成等，成为植入式血泵发展的 严重障碍【7 1 ，尤其是润滑剂的选择与密封方式的采用将直接影响血泵的性能结 构，成为近年来国内外研究的重点。在以往血泵中，转动部件间采用工业润滑 剂润滑，如果血液通过密封系统渗透到密封轴承里，血凝块和纤维蛋白就会逐 渐地沉积在支持轴承转动的轴承上面，致使轴承不能转动，进而血泵不能正常 工作。为了简化血泵润滑与密封系统结构，使血泵向植入式方向发展，人们对 血泵轴承系统进行了改进，其中主要是采用磁浮轴承，以减小血泵轴承的摩擦， 提高植入式血泵的使用寿命。但复杂的润滑与密封系统及磁浮系统将增大血泵 的结构尺寸和重量，同时也增加了血泵系统的不可靠性。 为此，人们提出了无形密封的概念，即彻底取消密封，不用那些有形的密 封系统，而是直接利用人体血液作为血泵轴承的摩擦润滑剂。由于无形密封轴 承直接浸泡在血液中，避免了密封，减小了血泵的整体尺寸，结构趋于简单。 尽管人们在植入式血泵研究中采用了血液自润滑血泵轴承的设计方案，并 从宏观的角度对血液自润滑血泵性能进行了一些理论分析和试验研究，但研究 的重点主要集中在血泵性能及血泵输出结果上，没有从摩擦润滑的角度对血液 作为润滑剂时的摩擦润滑性能进行深入研究。如j a r v i k 2 0 0 0 钛合金血泵i s 轴承采 用血液直接润滑，其重量仅为8 5 9 ，在1 5 0 0 0 r p m 的转速下运转了三年而只有很 小的磨损；1 9 9 1 年b a y l o r 实验室研制的一种由立式止推轴承支持的无密封的离 心泵 9 1 ；1 9 9 3 年及1 9 9 6 年分别报道的a a y l o rg y m 系列离心泵【l o 】等，均采用人 体血液直接润滑血泵轴承。1 9 9 7 年克利夫兰l 临床基地研究的改进型心室辅助系 统【l ，使用了具有流体力学特性的滑动轴承来支持血泵的转动部分，并用计算 机程序来优化血液润滑滑动轴承的设计，从理论上对轴承产生的血膜厚度、运 动特性、径向负载特性进行了分析和研究【1 2 1 。虽然人们对上述血液自润滑血泵 系统进行了的各种理论探讨和试验研究，但没有从基础研究的角度对人体血液 中南大学博士学位论文第一章绪论 的摩擦润滑性能进行研究。 然而，在血液自润滑血泵设计时，血液作为一种特殊的液态润滑剂，具有 与其他润滑剂不同的特点。一方面，血液具有物质运输和调节人体、运送养料、 代谢产物和产生激素等功能；另一方面，血液作为一种多相悬浮的液态物质， 具有通用液态润滑剂所不同的流变特性。因此，研究人体血液流变特性、血细 胞的变形性、聚集性及其流变特性对血液润滑性能影响机理；研究不同润滑膜 厚条件下润滑区的血液组分分布及对血液润滑稳定性影响规律；分析综合血液 生理与机械性能的有效润滑条件，并结合血液的生理和机械性能来研究血液润 滑承载能力及影响承载能力的因素，对直接利用血液润滑的人工器官尤其是植 入式血液自润滑血泵的设计具有重要指导意义。 由于植入式血泵血液自润滑机理的研究涉及到血泵的发展、血液的流变特 性、血液的机械和生理性能及流体润滑理论等方面。因此，下面主要对上述领 域的研究历史与现状作一简要的回顾与总结。 1 2 血泵研究的历史与现状 心脏功能下降和充血性心力衰竭( c o n g e s t i r eh e a r td i s e a s e ，c h f ) 的治疗是 个非常棘手的问题，人们一直认为晚期c h f 是不可逆转的。大多数内科治疗方 法只能减轻症状，并不能延长患者的寿命。人们在外科领域对此进行了积极而 不懈的探索，从心肌动力性成形、心肌切除直到心脏移植，几乎尝试了所有的 可能。其中，心脏移植算是较为成功的技术。 1 9 6 7 年1 2 月3 日，南非的c h r i s t i a a nb a m a r d 完成了首例异体心脏移植， 患者术后存活了1 8 d 。早期由于非常高的排异反应使心脏移植的发展非常缓慢， 直至二十世纪八十年代早期，随着免疫抑制剂环胞霉素的应用使心脏移植患者 存活期显著延长，心脏移植才得以迅速发展。然而慢性排异反应、感染、继发 性冠脉病变以及供体的严重缺乏等诸多因素限制了这一技术的广泛开展。在美 国，每年等待心脏移植的病人达到3 5 5 万人，而实际接受心脏移植的仅2 0 0 0 人【n 1 。由此可以看出，自然心脏移植远远不能满足病人的需要，寻求新的心脏 来源，成为医学家们研究的重点。血泵作为人体心脏的代替品，在这种需求下 应运而生，并有逐渐由辅助过渡装置向永久性植入式方面发展。 1 2 1 血泵研究历史 1 9 5 3 年，g i b b o n 将人工心肺机加以改进并成功地应用于临床，标志着现 2 中南大学博士学位论文第一章绪论 代心脏外科时代的开端。人工心肺机能够提供安全、无血的手术环境以及充裕 的手术时间，使心脏外科得以迅猛发展。 由于体外循环装置体积庞大、操作复杂且对血液成分的破坏较大，在需要 长时间循环支持的情况下极不适用，因此，出现了机械性心脏辅助装置 ( v e n t r i c u l a ra s s i s td e v i c e ，m ) 。1 9 6 1 年d e n b i s 等首先应用体外转子泵进行 左心辅助证实左心辅助可以减少心肌耗氧量。目前国外v a d 主要分为脉动式、 连续流式和轴流式等三大类。脉动式v a d 的典型装置中较著名是由缅因州 t h e r m oc a r d i os y s t e m s 公司出品的h e a r t m a t e 左心辅助装置【1 4 1 ，血泵直径 l l c m ，厚4 c m ，重l 磅，外壳由金属钛制成，其内表面由钛微珠经高温烧结而 成，隔膜由聚氨酯制造，经结构化处理成丝绒表面，血泵的进出口装有生物瓣。 临床实践证明，血室内层结构有利于形成一层假内膜，防止血栓形成。在早期 研制的血泵中，血泵的驱动分为气动和电动两种类型。h e a r t m a t e 可以实现由心 电q r s 波触发的同步模式， 也可以用固定速率模式以及h a l l 传感器触发的可 变充排模式进行驱动，其心室体积8 3 c m 3 ，泵输出量8 l r a i n 。血泵植入位置处 于腹腔左上方，进口与左心室心尖相连，出口接升主动脉，血泵的管线在病人 腹部经皮引出连接到体外的驱动系统。驱动系统h e a r t m a t e l 0 0 0 全重5 7 k g ，装 在一架四轮车上，稍显笨重。1 9 9 7 年开发的小巧、型驱动系统h e a r t p a k ，重9 3 l ( g ， 装在一架类似旅行行李车的两轮小车上，病人使用起来十分方便【悯。h e a r t m a t e 在8 0 年代研究开发，9 0 年代已在美国广泛应用于临床，成为著名的左心辅助 装置之一u q 。同类型的可植入型左室辅助装置系统还有美国的t c i 心脏泵及由 加州b a x t e r 公司出品的心脏泵( 如图1 1 ) 。n o v a c o r 血泵的血室是一个无缝光滑 的聚氨酯囊，两边固定在两片对称 的推板上，血泵外壳是玻璃纤维增强 的聚酯材料，进出口分别装上2 5 m m 和2 1 m m 猪心瓣膜。该装置的工作 原理是由螺线管通电后，相互吸引而 带动双推板相向移动，挤压血囊产生 排血，当螺线管没有电流时由弹簧恢 图l l n 心脏泵( 左) t c i 心脏泵( 右) 复原位使血囊产生充盈。血泵可实现与心电同步、固定频率以及由h a l l 传感器 触发的可变充排模式驱动。心室体积为7 0 m l ，泵输出量约8 l r a i n 。血泵植入位 置处于病人腹腔左上方，进口与左心室心尖相连，出口接升主动脉，血泵的管 线在腹部经皮引出连接到体外的控制系统。该装置在1 9 7 8 年研制，8 0 年代开 中南大学博士学位论文 第一章绪论 始在临床使用，1 9 9 3 年又发展新的可穿用型( w e a r a b l e ) ，容许控制系统和电池 装箱随身行走，病人甚至可以出院回家，等候以后的心脏移植。现在n o v a c o r 成 为美国和西欧各国广泛采用的左心室辅助装置【1 “”】。 此外，加州b e r a k e l e y 公司出品t h o r a t e ev a d t l 9 1 ，血泵外壳由聚碳酸酯制 造，内放置一个无接缝的聚氨酯血囊，出入口分别装上b i o y k - s h i l e y 机械瓣膜。 血泵由空气驱动，运行由操作板控制，可以分别执行手动模式、心电q g s 波触 发的同步模式以及由h a l l 传感器控制的可变充排模式驱动。心室体积为6 5 m l ， 泵搏出量约7l m i n 。临床使用时血泵通常置于体外腹部。装置可用作左心室辅 助、右心室辅助或双心室辅助。作左心室辅助时，泵的进口与患者左心房或左 心尖相连，泵出口与升主动脉相连。作右心辅助时，泵进口连接右心房，出口 连接肺主动脉。在整个心室辅助过程，由于有血栓形成的危险，病人必须作抗 凝血处理。1 9 9 7 年t h o m t e e 发展了新一代的袖珍式的驱动系统，体积 3 3 e m x 3 4 e m x l 3 e m ，总重仅8 k g ，可以用手提、背带或轮车随身行走删。 1 9 6 2 年m o u l o p o u l o s 开始使用主动脉球囊反搏辅助循环，其原理是经股动 脉插入球囊反搏导管，在舒张期使球囊膨胀将胸主动脉的血挤向升主动脉，显 著增加冠脉灌注压和冠脉血流以增加心肌供氧，而在收缩期球囊迅速排气，降 低了后负荷和心肌氧耗；1 9 6 6 年，d e b a k e y 等对两例心脏术后的病人运用左心 辅助装置进行循环辅助，两名患者均脱机出院且长期生存。 在7 0 年代，由于材料加工、血泵结构、驱动设计、监测控制、手术操作和 术后监护等一系列技术的改进和发展，v a d 的临床运用得到进一步开展。1 9 7 5 年至1 9 8 0 年问多位学者先后报告了应用连接于心尖及升主动脉的气动搏动型 体外v a d 和腹部安置左心辅助装置( l v a d ) 的临床试验；同时g o l d i n g 等将 离心泵运用于临床，但效果均不理想。二十世纪八十年代末期，世界各地运用 各种辅助装置开展心脏移植前过渡辅助，取得了一定的成绩和积累了不少经验。 现在临床应用的v a d 主要有隔膜泵和叶轮泵两种。隔膜泵的结构和工作原理都 是模仿自然心脏而设计的，它的核心结构是一个由柔韧性材料围成的腔囊。囊 腔与自然心脏的心腔一样，用于容纳血液。腔两端连接进、出口导管，并在两 接口处分别放置单向阀门以保证血液单向流动。对囊腔壁施以外力时腔内容积 被迫变化，容积减小时血液由出口流出，增加时则接纳流入的血液。如此周而 复始，完成泵血功能，与自然心脏的工作极为相似。电动式隔膜泵是目前临床 应用最广的植入式v a d 。 4 中南大学博士学位论文第一章绪论 叶轮泵是一类非仿生性的血泵，可分为离心泵、轴流泵及混流泵三种形式。 无论何种形式均采用高速旋转的叶轮驱动 血液单向流动，不需要单向阀门控制血流方 向，它克服了隔膜泵体积大、结构复杂、工 作寿命短、能耗高的缺点，尤其适合于永久 性植入体内时采用，逐渐成为v a d 的主流。 最近，美国的 d e b a k e y 式和英国的 j a r v i k 微型轴流式血泵( 如图1 - 2 ) 已植入人体并 取得了成功，展现了该领域未来的发展方 图1 - 2j a r v i l 微型轴流j 0 血泵 向。 在试验研究上，1 9 5 8 年，w i l l e mk o l 行和t e t s u z oa k u t s u 将他们自己设计 的聚氯乙烯血泵植入犬的体内，使其存活了9 0 分钟【2 l 】。1 9 6 9 年，c o o l e y 将由 l i o t t a 设计的气动式全血泵( t o t a la r t i f i c i a lh e a r t ，t a h ) 植入一位体外循环无 法脱机的患者作为心脏移植前的过t a h 植入后均出现了诸如出血、血栓、感染 等严重渡，并在6 4 h 后为其施行了心脏移植，虽然患者在移植后3 2 h 死于肺部 感染，但仍应证了血泵作为心脏移植前过渡的可行性。1 9 8 2 年，犹他大学的 d e v i l s 圈医生将气动式g m - v i k - 7 ”型永久性t a h 植入到b a r n e yc l a r k 体内，这 是第一个用于人类的永久性t a h ，患者术后生存了1 1 2 d 。随后美国食品与药 物管理委员会( f 【 a ) 批准“j a r v i k 7 ”型t a h 试用于临床。到1 9 8 5 年止，进 行的一系列共5 例“j a i k 7 型t a h 移植患者当中，存活最长的达到了6 2 0 d 。 由于并发症使患者不能长期存活，到1 9 9 1 年f d a 又停止了 j a r v i k 7 ，型t a h 的l 涵床试用。随后出现了改良的c a r d i o w e s t ，p e n ns t a t e e l e c t r i c t a i l 等据称有 较好性能的t a i l ，但也仅停留在动物试验阶段，距临床应用仍遥远。 在植入式血泵研究方面，2 0 0 1 年，j e w i s h 医院的医生将a b i o c o r t a h 血泵系统( 如图1 3 所示) 首次应用于临床，这是第一个完全独立 的可植入永久性全植入式血泵( 1 a h ) 。这种新 型t a h 已经十分接近真正的心脏体积，重约 l k g ，由钛、塑料、环氧树脂构成。它由4 个部 分组成，即金属钛制成的心脏主体、微型锂电 池、计算机操纵系统以及外接电池组。它有两 图! - 3 a b i o c o r t a i l 血泵系统 个替代左右心室的腔室及4 个接口，分别连接 中南大学博士学位论文第一章绪论 左右心房、主动脉和肺动脉。其中右边的腔室接肺动脉，并通过右心房接体静 脉。左边的腔室连主动脉并通过左心房接肺静脉，两个腔室中间是电动机和泵， 在心脏与血管的接口部分装有活塞，以代替心脏瓣膜的功能田】。a b i o c o r 最革命 性的变化是“心脏”可全部植入体内，没有通过皮肤的任何外接导线或导管。“心 脏”由电子控制，根据人体需要来调节心跳速度。微型锂电池和操纵系统植入患 者的腹腔，外接电池组不植入人体，而是通过安装在腹部表皮下的插座向植入 的微型锂电池充电。电流则通过人体源源不断地向“心脏”传送。“内部电池”可以 自动工作3 0r a i n 。这种可以完全代替心室功能的血泵新奇之处还在于，它不依 赖体外的机器工作，且与人类心脏一样，它在人体活动量增加的时候血液流动 加快，在休息时血液流动减少。这一成功的手术受到了医学界的高度评价，标 志着血泵的研究向前迈进了一大步! 我国于8 0 年代初开始进行血泵和心脏辅助装置的研究，开发了电控气动式 血泵和心脏辅助驱动装置。各种形式的血泵( 囊式、隔膜式、螺杆泵式等) 可 使试验动物短期存活( 中国协和医科大学杨予彬研究组，上海第二医科大学秦 家楠研究组) 。近年来，作为国家攻关重点项目，由北京安贞医院和广州心血管 研究所合作进行心室辅助的研究，目前研制出了离心泵和轴流泵，并在进行动 物研究。但由于存在着血泵溶血等问题，现阶段正在改进血泵韵力学设计和解 决血泵的抗凝血性能；江苏理工大学血泵研究人员主要着力于离心式血泵的研 究工作，从血泵的结构设计、血泵磁浮轴承设计、血泵控制系统等多方面进行 了深入的研究，并取得了一定的研究成果。 2 0 0 0 年，中国医学科学院阜外心血管病医院外科瓣膜及辅助循环研究室的 研究人员首先提出了外场驱动单向动力性主动 脉瓣( 图l - 4 ) 的设计方案 2 4 , 2 s 1 。该方案吸取 并融合了机械心脏瓣膜和“轴流式”血泵的结构 特点，确定了动脉腔内的“叶轮一永磁转子体” 结构设计及植入方法，大大简化了植入部分的 结构。血泵系统腔内部分的工作原理采用了与 轴流泵叶轮相同的机制，而驱动力的产生则通 过体外可控交变磁场穿透人体和主动脉壁驱动 动脉腔内的“叶轮一永磁转子体”，从而实现非 接触式动力传递，血泵转子轴承采用人体血液 图1 - 4 外场驱动动办陛主动脉泵 直接润滑，避免了密封，渗漏以及人体排异性 6 中南大学博士学位论文 第一章绪论 等一系列传统泵结构难以克服的工程和医学上的困难。在血泵结构设计上，为 了适应外磁场驱动的要求，将传统的轴流式泵泵壳省去，使血泵整个运动的机 械部分只有“定子”和“叶轮一永磁转子体”两部分。叶轮一永磁转子体部分采用一 体化设计，并可在固定在支架笼内的转轴上灵活转动。叶轮一永磁转子采用稀 土永磁材料径向充磁，磁极对数为一对。产生交变驱动磁场的“定子”置于体外， 利用传感器采集相应的人体自身信号和周围环境信号，在智能装置控制下，通 过适当的交变磁场向体内传递能量，血泵内的永磁转予将其转化为机械能传递 给涡轮的叶轮。在驱动力的持续带动下，血泵可不断将血液由左心室腔提升到 主动脉腔，达到心脏辅助的目的。 综观上述血泵的发展历史和现状可以看出，血泵的发展趋势是微型化和永 久可植入，这种向全植入式方向发展的趋势，势必对血泵的结构提出更简化的 要求。血液自润滑血泵将省略复杂的润滑与密封系统，从而增加血泵植入时的 生理相容性。 1 2 2 血泵研究的关键问题 血泵及心室辅助装置可分为血泵、监控系统、驱动装置和能源供给四个组 成部分。目前人们研究的主要重点也集中以下几个方面闭。 血泵系统：血泵系统的研究主要包括血泵结构、血泵材料、血泵工作原理、 血泵的润滑与密封等方面。在工作原理上，血泵可分为脉动和非脉动式血泵， 脉动式双心室辅助血泵如果每搏输出量能够达到心脏的输出量，即可作为血泵 使用。作为非脉动式心室辅助血泵从原理结构上可分为滚子泵、离心泵、轴流 泵( 转子泵) 。其中以轴流泵的血流动力学效果较好，实际应用较多。此类血泵 有各自分立的血流流入和流出道，推动血流的转动部件，有的还安装了血泵瓣 膜和外壳。由电源作为能源，使转动部件旋转运动。作为脉动式心室辅助装置 和血泵，从血泵结构上可分为隔膜( 膜) 式血泵、囊式血泵、管型血型和摆型。 在血泵制作材料上，要求所选应的材料具有良好的血液相容性及组织相容性， 能有效地防止血栓的形成，并不引起溶血，不致癌，不致敏、不致畸变，不引 起机体不良反应，而且有良好的耐挠曲、疲劳、老化和一定的机械强度。目前 制造血泵常用材料有硅橡胶、甲基硅橡胶、嵌段硅橡胶、聚氨酯、聚甲基丙烯 酸甲脂、聚四氟乙烯、高分子高复合材料，生物高分子材料和聚烯烃橡胶。为 了提高高分子材料的抗凝血性，采用高分子材料表面肝素化、天然橡胶混入肝 素、负电荷法、降低表面自由能、白蛋白或明胶涂层、生物材料衬里等技术。 7 中南大学博士学位论文第一章绪论 血泵轴承的润滑与密封是血泵系统研究的主要内容之一，一方面，复杂的润滑 与密封系统使得血泵结构复杂，运行的可靠性降低，同时，由于生理空间上的 限制，使得全植入式血泵实现困难。另一方面，润滑与密封方式的选择直接影 响血泵的工作原理和血泵结构的设计。因此，随着血泵向全植入式方向发展， 血泵的润滑与密封成为了当今血泵研究的关键问题。 监测与控制系统：血泵及心室辅助的监测与控制系统是用来监测和控制其 工作状态，使之适应于试验或人体的循环生理需要，是保障血泵或心室辅助正 常运行、使动物或患者长期存活的重要的条件。此系统从血泵功能、驱动装置 运行的各项指标以及血循环、生理参数变化三个方面进检测。通过连续监测指 标可判断血泵或心室辅助的作用，检测结果将直接影响到血泵的排出量、压力 波形、动脉与静脉血压、全身循环血量分布以及各脏器血液灌流等重要因素。 血泵的自动控制有多种方法，基本原理是根据监测信号，提取有关的生物信息， 通过换能器，再经计算机进行信息处理，实现生物信息反馈，进而控制血泵工 作。 驱动装置：血泵及心室辅助的驱动装置为血泵的搏动提供动能。常用有五 种驱形式：机械、液动、气动、电动和磁力耦合驱动。机械驱动的方式仅在早期 使用过，由于体积过大，消耗能源较多，故近年来很少采用。 电动和磁力驱动装置是近年来研究的集中点。此类驱动装置分为脉动式和 非脉动式两种，也可利用调节驱动电机的电压，使电机以变速转动或恒速转动， 达到驱动装置脉动或非脉动的工作方式。由于此类型驱动装置体积可以较小， 甚至可以满足全植入型血泵的需要，是驱动装置小型或微型化的希望。但是直 接驱动叶轮或轴流泵的方式对血液的有形成分破坏较大，耳前的研究结果表明， 尤其是离心式叶轮泵对血液的破坏更为严重些。 磁力驱动方式是现在研究较为集中的驱动方式，磁力驱动方式之一是采用 端面磁耦合方式，由电机带动端面充磁的转子，通过磁耦合带动血泵叶轮转子 的转动，电机与端面充磁转子密封在一独立的腔内，叶轮转子则完全浸泡在血 液中，如江苏理工大学研制的i i 型离心式血泵。另一种驱动方式则采取平行轴 径向磁耦合驱动，在血泵叶轮转子中心填充高性能永磁材料，并进行径向充磁， 驱动转子置于体外，径向充磁的转子与体内叶轮转子类似齿轮啮合将动力传递 给血泵的升轮转子，达到泵血的目的。显然，后一种驱动方式避免了其他驱动 方式中的生理相容性及能源供给等难题。 能源系统：目前血泵的供能方式有体内供能和体外功能两种主要的方式。 8 中南大学博士学位论文第一章绪论 体外常用的能源有下列几种：工频交流电源、电池、放射性核能源、生物能源等， 外磁场驱动是一种体外供能的新方法。 1 2 3 磁技术在血泵研究中的应用 近年来，磁技术广泛应用于血泵系统中。主要体现在血泵的能量传递与血 泵转子轴承的支撑两方面。在能量传递方面，利用磁耦合传动可以将体外能量 以非接触方式传递到体内血泵中，保证了全植入式血泵能量传递的连续性。在 血泵轴承改进研究方面，为了减少或避免血泵轴承的摩擦磨损，提高血泵的使 用寿命，运用磁浮技术，研究了无接触磁浮血泵轴承。但磁浮轴承结构复杂， 对稳定性要求高【1 噼1 1 7 1 ，且同样存在与血液的摩擦现象。 在外磁场驱动轴流式血泵研究方面，中国