对称结构磁悬浮离心泵心脏辅助装置及流体力学特性

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）

对称结构磁悬浮离心泵心脏辅助装置及流体力学特性

李国荣1＊田步升2陈海丰2朱晓东1

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）

目的：探讨采用对称设计的磁悬浮离心血泵对血泵抗血栓性的影响。方法：对称结构磁悬浮离心泵由园盘状的泵壳，入口管，电机定子，转子-叶轮体构成，转子-叶轮体中包埋两套经向永磁悬浮磁环及轴向控制永磁体。转子-叶轮体采用四极无刷直流电机的驱动方式。入口管外包绕轴向绕组并与轴向控制永磁体相对，馈电时可保持转子-叶轮体的轴向位置。该轴向电磁控制系统采用霍尔信号及反馈控制装置。本文样机最大直径45mm，总长度75mm，总重量210g。所有血液接触面均采用钛合金加工制作。对称结构磁悬浮离心泵在体外模拟循环台进行流体力学特性测试。结果：实现转子-叶轮体的全悬浮需要约2.1W的能耗。悬浮功率还受到泵的重力姿态影响，变化姿态可导致约±0.5W的功率波动。体外模拟实验显示血泵可在6000r/min的转速条件下产生5L/min和100 mmHg 压力的流体输出，能满足左心辅助的需求。改变转子-叶轮体的旋转方向对流体输出特性没有影响，与预想的特性一致。结论：对称结构磁悬浮离心泵流体力学特性可满足左心辅助需要。悬浮耗能虽受重力影响，但可以实现转子-叶轮体全悬浮。流体力学特性在改变旋转方向条件下不变，转子-叶轮体交替旋转的驱动策略可行。

心脏辅助装置 磁悬浮 离心血泵 人工心脏 心功能衰竭

近十年来，应用植入式左心辅助装置治疗晚期心力衰竭日益普及，离心式血泵因其诸多优点受到越来越多研究者的关注，目前国外已有多种离心血泵心脏辅助装置获得了临床应用[1,2]。但临床观察亦发现，长时间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困难[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，泵出口以切线方向与离心泵壳腔相联通，出口的过流面积逐步扩大。这样的设计可在泵出口处利用旋转流的切向动量和在流道中的扩散过程进一步增加输出压力，提高能量转化效率。但这种结构要求离心叶轮必须按照特定方向旋转，如果叶轮反向旋转则会导致效率严重下降。目前，国内外研究的各种用于心脏辅助的离心血泵均沿用这种结构设计，如美国的HeartWare和HeartMate 3等离心血泵[5,6]。本文提出一种对称结构磁悬浮离心泵，采用叶轮交替旋转方向的驱动策略。

1.材料与方法

1.1 原理及结构

图1. 对称结构磁悬浮离心泵外观及沿基准面的剖面注：1.泵入口，2.主流道，3.前转子悬浮磁环，4.前定子悬浮磁环，5.轴向控制磁体，6.轴向控制绕组，7.泵筒外壁，8.泵筒内壁，9.后定子悬浮磁环，10.叶片腔前壁，11.前驱动电机盘式定子，12. 后驱动电机盘式定子，13.泵出口，14. 叶片腔后壁，15. 叶轮定子悬浮磁环，16.驱动电机转子磁体，17.叶轮叶片，18. 霍尔传感器，19.叶片腔，20.缝合环，21.后转子悬浮磁环，22.副流道，23.叶轮筒，24.叶轮筒内壁，25. 叶轮筒外壁，26.泵筒，27.离心泵壳，28.对接端面，29.离心叶轮，30.基准面 31. 叶轮转子悬浮磁环

离心泵壳分为前端的离心泵筒和后端的叶片腔，叶片腔为圆盘状，在叶片腔的盘状圆周壁上设置与壁面切线垂直的泵出口，相对于基准面对称。驱动电机的定子为盘式定子，两盘式定子分别位于叶片腔的前、后两端且与叶轮叶片中的转子永磁体相对应。离心叶轮的叶轮筒位于离心泵筒中，在叶轮筒的尾端附着叶轮叶片，叶轮叶片为四片，沿叶轮筒的径向辐射状对称排列，位于叶片腔中。设置前、后两组永磁径向轴承，分别由前、后定子悬浮磁环和前、后转子悬浮磁环组成；前、后定子悬浮磁环均包绕在离心泵筒外壁，前、后转子悬浮磁环及叶轮转子悬浮磁环均包埋在离心叶轮的叶轮筒内；叶轮定子悬浮磁环位于后壁中心外，与叶轮转子悬浮磁环以异性极相对，通过此引力进一步限制叶轮的经向位移。叶轮筒外壁和离心泵筒内壁之间设置悬浮间隙，与叶片腔相联通，形成血流副流道。前、后定子悬浮磁环与前、后转子悬浮磁环均为轴向充磁且轴向长度相等，位置对应，极性同向排列，由此定子和转子悬浮磁环之间产生的磁排斥力可限制叶轮径向位移。叶轮筒内壁形成管状通道，与叶片腔相联通，是血流进入叶片腔的血流主流道。离心泵筒的前端开口为泵入口，与血流主流道和血流副流道相联通。血泵工作时大部分血流由主流道引导，少部分血流由副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；流经血流主流道和血流副流道的血流可对叶轮筒的内、外壁面及离心泵筒的内壁面进行持续冲刷。叶轮筒内还包埋有轴向充磁的筒形轴向控制永磁体，位于前、后转子悬浮磁环之间；轴向控制永磁体中点与轴向控制线圈中点位置对应。叶轮筒内包埋的轴向控制永磁体和前、后转子悬浮磁环均与叶轮筒严格同心同轴。

叶片腔的后壁中心设置霍尔传感器，为悬浮反馈控制器提供位置反馈信号。离心泵筒的外壁缠绕环形绕组，形成轴向控制线圈，位于前、后定子悬浮磁环之间，与叶轮筒内的轴向控制永磁体位置对应。在悬浮反馈控制器的控制下轴向控制线圈中电流强度和方向实时改变，产生轴向电磁场控制叶轮轴向位置；在前、后径向永磁轴承的配合下，离心叶轮可保持在全悬浮状态。

由于离心叶轮、离心泵壳、泵入口及泵出口均为以基准面左、右对称结构，所以离心叶轮周期性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（图1）。

泵筒外壁后端包绕缝合环，当植入人体时，泵筒通过心尖切口插入到左心室腔内，将缝合环缝合在心尖心肌表面，离心泵壳放置在心包腔内，出口通过人造血管与主动脉吻合联通。

1.2 样机及流体力学性能

本文研制的对称结构磁悬浮离心泵样机采用钛合金制成，样机最大外径45mm，泵筒长度75mm，直径20mm，总重量约210g（图2）。

图2. 对称结构磁悬浮离心泵样机

磁悬浮测试，实现磁悬浮的最小能耗为2.1W。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。

2.结果

在观测范围内，恒定压力下泵的“转速-流量”呈正相关关系。泵在约6000r/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。

轴向悬浮控制的平衡点的位置可由控制能量消耗值决定，轴向悬浮控制的平衡点对泵的流体力学输出似乎略有影响，但均无显著性差异。图3显示了在后负荷100mmHg条件下两个不同悬浮控制平衡点时的泵流体力学差别。在其他后负荷条件下也有类似的关系曲线关系。改变离心叶轮的旋转方向可获得完全相同的“转速—流量”关系曲线。

3.讨论

图3. ：泵“转速—流量”关系（后负荷：100mmHg）

离心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。为了克服这一缺点，美国的HeartMate 3植入式离心血泵采用了周期性改变叶轮转速的驱动策略，离心泵壳腔内的流场形式可在不同的转速下改变，这样可在一定程度上改善离心泵壳腔内和叶轮各表面的冲刷效果。但这种驱动策略仍然不能使离心泵壳内各个表面等到均等的冲刷。设想离心叶轮可周期性顺时针和逆时针交替旋转，那么，离心泵壳内血流旋转方向将周期性反转，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，由此，磁悬浮是第三代血泵采用的轴承技术，是目前的一个研究热点[9,10]。

本文的离心泵离心叶轮完全由磁悬浮系统支撑，其径向位置采用永磁轴承限制；轴向位置由电磁装置控制，径向永磁和轴向电磁轴承联合控制可实现离心叶轮的5自由度约束，维持离心叶轮处于无机械接触的全悬浮状态。驱动电机定子为盘式，两个盘式电机定子通过旋转磁场驱动离心叶轮周期性顺时针或逆时针方向转动，进而带动血流旋转，通过旋转流的离心力驱动血流由泵出口流出。

4.结论

本文对对称离心泵结构的设想进行了原理验证，初步完成了样机测试，在观测范围内，恒定压力下泵的“转速-流量”呈正相关关系，且是线性的一次函数关系，可作为泵内叶轮能量转换过程复杂机制的简化模型。泵在约6000r/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，改变转子-叶轮体的旋转方向对流体输出特性没有影响，与预想的特性一致。

[1] Lim HS,Howell N,Ranasinghe A.The Physiology of Continuous-Flow Left Ventricular Assist Devices[J].J Card Fail,2017,23(2):169-180.

[2] Tsukiya T,Taenaka Y,Tatsumi E,et al.Performance of a Newly Developed Implantable Certrifugal Blood Pump[J].ASAIO J,2001,47(5),559-562.

[3] Tarzia V1,Buratto E1,Bortolussi G,et al.Hemorrhage and thrombosis with different LVAD technologies:a matter of fow?[J].Ann Cardiothorac Surg,2014,3(6):582-584.

[4] Blitz A.Pump thrombosis-A riddle wrapped in a mystery inside an enigma[J].Ann Cardiothorac Surg,2014,3(5):450-471.

[5] Bashir J1,Legare JF2,Freed DH,et al.Multicentre Canadian experience with the HeartWare ventricular assist device:concerns about adverse neurological outcomes[J].Can J Cardiol,2014,30(12):1662-1667.

[6] Hanke JS,Rojas SV,Dogan G ,et al.First series of left ventricular assist device exchanges to HeartMate 3.Eur J Cardiothorac Surg[J].2017 ,51(5):887-892.

[7] 李国荣,朱晓东,彭远仪,等.前导叶对轴流泵式心脏辅助装置流体力学特性的影响及改进意义[J].医疗卫生设备,2007,28(8):5-7.

[8] LI Guo-rong,Zhu Xiao-dong,Tian Bu-sheng,et al.study of a miniature axial pump implanted at ventricular apex[J].Chinese Mecical Equipment Journal,2008,29(5),3-5.

[9] Sakaguchi T,Matsumiya G,Yoshioka D,et al.DuraHeartTM Magnetically levitated left ventricular assist device:Osaka University experience[J].Circ J,2013,77(7):1736-1741.

[10] Jahanmir S,Hunsberger AZ,Ren Z,et al.Design Of a small centrifugal blood pump with magnetic bearings[J].Artif Organs,2009,33(9):714-726.

Magnetically Levitated Centrifugal Blood Pump with Symmetric Structure: Hydrodynamic Feature

LI GUO-Rong1＊TIAN Bu-sheng2CHEN Hai-feng2ZHU Xiao-dong1
1 Department of Cardiac Surgery, Fu Wai Heart Hospital & Cardiovascular Institute, Peking Union Medical College & Chinese Academy of Medical Sciences (Beijing 100037)
2 Changzhi Jiuan Artifcial Heart Technology Development Co., Ltd (Shanxi Changzhi 046000)

Objective: To explore the effect of symmetrical design of magnetic suspension centrifugal blood pump on antithrombotic effect of blood pump. Methods: The prototype of SCBP is composed of a pump house in disk shape with a conductive inlet tube, a motor stator and a rotor-impeller assemblage set, including two sets of permanent magnetic bearing ring for radial suspension as well as an axial-control magnet. The rotor-impeller assemblage is actuated by a 4-pole brushless DC motor. An axial coil surrounds around the conductive inlet tube, facing the axial-control magnet inside the rotor-impeller assemblage. The electric current through the axial coil could keep the axial position of the rotor-impeller assemblage. This active system uses feed-back mechanism and Hall sensor to detect the axial position of the rotor. The prototype of SCBP in this study is 45 mm in largest width and in a total length of 75 mm, with a weight of 210 grams，all the contact surface is made of titanium alloy. A mock circulation was set up for evaluating the hydrodynamic feature of the prototype of SCBP. Results:In vitro study shows that the energy for suspension of the rotor-impeller is about 2.1W. The suspension power is slightly affected by the pump gesture, with a ±0.5W fuctuation . The tests in the mock circulation suggest that the SCBP is excellent of hydrodynamic characteristics, producing output of 5L/min against the pressure of 100 mmHg, at 6000r/min which is enough for left ventricular assistance. Such a fow output is not affected by the change of rotational direction, as prefgured. Conclusion:The SCBP produce enough hydrodynamic output for LVAD. Although the alteration of gravitation force would slightly increase the suspending power decrease but the rotor is kept fully levitated. Hydrodynamic output was not affected by change of rotational direction of the suspended rotor-impeller. The driving strategy of impeller rotation alternatively both in clockwise direction or anticlockwise might be feasible.

heart assiast device, magnetically levitated, centrifugal blood pump, artifcial heart, cardiac failure

1006-6586(2017)13-0014-03

R197.39

A

2017-5-2

李国荣，通讯作者，阜外心血管病医院外科，Email：Li-Guorong@263.net。