人工心脏技术解析

9/9人工心脏技术解析前言导读

人工心脏被誉为“医疗器械皇冠上的宝石”，其主要功能是利用生物机械手段部分或全部替代心脏泵血功能，维持患者的血液循环，是治疗终末期或重症心力衰竭患者的有效手段，目前，推荐使用人工心脏设备的患者中，约90%植入的为左心室辅助设备(LVAD)，且获批上市的产品也基本都是LVAD产品，因此左心室辅助设备(LVAD)也被业内认定为“人工心脏”。

心力衰竭是心脏病中的癌症,2021年7月，国家心血管病中心发布了《中国心血管健康与疾病报告2020》，数据显示，我国有超过1300万的心衰患者需要干预治疗。随着心室辅助系统技术发展取得突破，其在相对发达国家的临床应用进展迅速，已发展成被普遍接受的终末期心衰的有效治疗手段之一。

人工心脏(LVAD)的基本原理是为心力衰竭的左心室安装一个与外部电源连接的泵，心脏泵中高速旋转的转子会将血液泵到左心室中，补充原有心脏无法提供的那部分心输出量。

技术脉络

一般情况下，心室辅助装置可以分为植入式体内人工心脏与体外人工心脏，二者均通过人工心脏泵起到部分或全部替代心室做功，维持血液循环。体内人工心脏用于终末期慢性心力衰竭患者，可以起到长期替代其心脏的功能。体外人工心脏则是用于急性心力衰竭患者的过渡治疗，起到中短期替代心脏功能的作用，使患者渡过危险期，并在短时间内能够进行心脏移植手术。

纵观人工心脏的发展，其经历了3个阶段，搏动式、机械轴承式、悬浮式。搏动式人工心脏需要一个大而笨重的控制台，不允许患者在医院外活动，其生存率也仅为28%，第一代搏动设备具有固有的机械故障和相关并发症的巨大风险，因此已被淘汰。第二代涉及的连续流旋转泵技术代表了LVAD的一个里程碑和新颖的设计理念，其在很大程度上取代了第一代搏动容积泵的使用，第二代旋转泵具有更小的设计和更大的长期机械可靠性的潜力。第三代旋转式血泵中使用的悬浮系统在没有任何机械接触的情况下将转动的叶轮悬挂在血场内，悬浮式人工心脏没有轴承接触点，能够减少对于血液的破坏，叶轮的磁悬浮和/或流体动力悬浮是第三代泵的主要进步。

目前人工心脏业已进入第三代悬浮系统阶段，而且离心式相较轴流式也具有优势，因此离心式全磁悬浮人工心脏成为业内更加倾向的研究方向。

不过，目前一种采用独特创新技术的全新LVAD人工心脏正在进入业内视线范围内，并引起广泛关注。该产品为：CORWAVELVAD，厂家为法国医疗技术公司CorWave，与以往采用高速旋转的旋转泵来推动血液不同，CorWave公司的技术用上下振动的高分子膜推动血液流动。本文着重聚焦该全新人工心脏。

CORWAVE人工心脏

CorWave的人工心脏产品CorWaveLVAD的核心是一种具有颠覆性的泵送技术：波浪膜（Wavemembrane）。该膜是二十多年研发的成果，能够模仿天然心脏。这种颠覆性技术从根本上将CorWave产品与市售的旋转泵LVAD区分开来，并允许相关产品提供独特的生理血流。

波浪膜（Wavemembrane）是一种仿生技术，灵感来自海洋动物的起伏运动。这种运动为动物移动液体提供了一种有效的方式，推动它们通过液体。在CorWave泵中，聚合物膜再现了类似但相反的相互作用：膜固定，流体（血液）被推进。

如下附图给出了波浪膜的原理示意，可以看到膜由致动器（此处为左侧）激活，流体从左向右循环。

这种技术的优势在于：一，它对血液中血细胞的伤害较小；二，它能够产生与正常生理情况类似的脉动型血流；三，采用这项技术制造的LVAD的大小，重量和复杂性都有所减低。这些优势将有助于减少因为LVAD产生的并发症。

CorWaveLVAD采用了由电磁致动器驱动的盘状膜，在该膜上产生的波可从外向内径移动，从而将血液推向中心孔口，模仿天然心脏的搏动。这种方式区别于市场上现有的旋转式LVAD，旋转式LVAD由于使用过程中充当润滑的血液往往会受到远超出正常生理值的剪应力作用，因此血液会受到一定程度上的破坏，从而增加血栓形成的风险。

因此得益于波形膜技术，CorWaveLVAD可以恢复血流，同时保持高保真脉动，这与提供有限和人工脉动的连续流动旋转泵不同。它的操作类似于天然心脏的操作：它可以忠实地重建射血（收缩）和充盈（舒张）阶段，而不会使血液受到与当前市售旋转泵LVAD造成的相同损害。

专利分析

CorWave对相关产品和技术进行了全方位的专利布局，笔者从CorWave涉及的相关专利中择机选择了2组专利进行了解析，相关结果如下，CorWave人工心脏相关技术的完整专利清单笔者也汇总完成，如若获取完整专利清单和相关专利分析可以与笔者取得联系，共同交流学习：

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公开/公告号US9968720B2申请日2017-04-10发明名称Implantablepumpsystemhavinganundulatingmembrane解决的技术问题rotarypumpstypicallyresultintheapplicationofnon-physiologicpressuresontheblood.Suchhighoperatingpressureshavetheunwantedeffectofoverextendingbloodvessels,whichinthepresenceofcontinuousflowcancausethebloodvesselstofibroseandbecomeinelastic.Thisinturncanleadtolossofresilienceinthecirculatorysystem,promotingcalcificationandplaqueformation.Further,iftherotationalspeedofapumpisvariedtosimulatepulsatilefloworincreaseflowrate,therotarypumpislesslikelytobeoperatedatitsoptimaloperatingpoint,reducingefficiencyandincreasingenergylossesandheatgeneration.技术方案Animplantablepumpsystemisprovided,suitableforuseasaleftventricularassistdevice(LVAD)system,havinganimplantablepump,anextracorporealbatteryandacontrollercoupledtotheimplantablepump,andaprogrammerselectivelyperiodicallycoupledtothecontrollertoconfigureandadjustoperatingparametersoftheimplantablepump.Theimplantablepumpincludesaflexiblemembranecoupledtoanactuatorassemblythatismagneticallyengagablewithelectromagneticcoils,sothatwhentheelectromagneticcoilsareenergized,theactuatorassemblycauseswavelikeundulationstopropagatealongtheflexiblemembranetopropelbloodfromthroughtheimplantablepump.Thecontrollermaybeprogrammedbyaprogrammertooperateatfrequenciesanddutycyclesthatmimicphysiologicflowratesandpulsatilitywhileoperatinginanefficientmannerthatavoidsthrombusformation,hemolysisand/orplateletactivation.相关附图

2

公开/公告号CN109641094B申请日2017-04-11发明名称具有波动膜的可植入泵系统解决的技术问题虽然离心泵能够通过变化相关联圆盘或叶片的旋转速度而产生脉动流，但这仅使由陡径向速度剖面及高剪力导致的问题加剧。在常见做法中，通过改变泵的旋转速度来控制当前可用旋转泵的输出(测量为给定压头下的流速)。考虑到旋转部件的质量、旋转部件的角速度及所得惯性，旋转速度的改变不能是瞬间的而替代地必须是渐进的。因此，虽然离心泵可模仿具有渐进速度改变的脉动流，但所得脉搏不是即期的且不同于典型生理脉搏。技术方案本发明涉及一种适合用作左心室辅助装置LVAD系统的可植入泵系统，其具有：可植入泵；体外电池及控制器，其耦合到所述可植入泵；及编程器，其选择性地定期耦合到所述控制器以配置及调整所述可植入泵的操作参数。所述可植入泵包含耦合到致动器组合件的柔性膜，所述致动器组合件可与电磁线圈磁性接合，使得在所述电磁线圈通电时，所述致动器组合件导致波状波动沿所述柔性膜传播以推进血液通过所述可植入泵。所述控制器可由编程器编程以按模仿生理流速及脉动性的频率及工作周期操作，同时以避免血栓形成、溶血及/或血小板活化的高效方式操作。相关附图

结

语

目前，随着医学技术的进步，心血管疾病的治愈率在逐步提高，但是心脏衰竭却成为心血管疾病领域呈增长趋势的疾病，心衰成了心血管板块少有的超百亿市场空间的广阔赛道，国内和国际众多企业和资本陆续进入该赛道。然而人工心脏涉及研发技术尖端高难度，同时还有进入临床运用的诸多问题，因此还有很多路程要走。

不过，兵马未动，粮草先行，各主要竞争厂商均对专利高度重视，纷纷在布局相应的技术专利，努力打造自己的护城河。

从目前来看，人工心脏仍然以雅培、美敦力等重要国际巨头为主，随着国内厂家相关产品的陆续注册上市，在LVAD领域，国内厂家的话语权越来越重，LVAD也是专利纠纷常发领域，因此各个厂商之间的产品是否存在专利冲突也值得拭目以待；而且，在设计层面而言，对于人工心脏而言，生物相容性和血液抗凝性是决定产品成功的决定性因素之一，也是设计难点，目前国内各竞品厂商还未明确进行相关专利层面的披露，相关涂层的知识产权运用和应对也是