“万峰离心泵”径向磁悬浮轴承的改进研究

丁雅刚 苗晨 彭远仪 王改峰 张鹏 秦帅 晋庆波

1 同济大学附属东方医院心外科 （上海 200120）

2 上海市心衰及人工心脏研究所 （上海 200120）

内容提要：目的：“万峰离心泵”采用5自由度磁悬浮转子-叶轮体驱动血液流动，磁悬浮轴承的控制和稳定性需要设计在合理的范围，以减小血泵体积和重量，改善解剖相容性。方法：研制“万峰离心泵”专用的悬浮转子力学测试台。在悬浮力学实验台上对“万峰离心泵”悬浮转子的悬浮状态和各方向受力特性进行定量测试。通过测定悬浮转子轴向位置与轴向受力，轴向位置与径向受力及轴向受力与径向受力的定量关系，建立各自由度受力特性的关系曲线。结果：悬浮转子的径向受力与转子的轴向位置相关。悬浮转子在轴向位置上有一个力学平衡点，在力学平衡点位置悬浮转子个方向受力为0，可以实现5自由度悬浮。但是，这种悬浮状态不稳定，在微小的外力下极易失衡。实现稳定的悬浮需要有电磁力对抗失衡力。失衡力的方向与大小转子的轴向位置相关，径向悬浮力与轴向失衡力呈正相关，减小径向悬浮力可以有效地减小各个位置的轴向失衡力。结论：磁悬浮转子在偏离轴向平衡位置后可以产生失衡力使悬浮失效。采用电磁力来对抗失衡力是保证稳定悬浮的必要措施。电磁力系统的体积重量必须设定在一个合理的范围，适当的减小转子的径向悬浮力可以降低电磁控制冗余设计的重要途经。

“万峰离心泵”是由我国著名心外科专家万峰教授提出的一种全磁悬浮离心泵（见图1），该装置的通过磁力轴承实现对叶轮-转子体的5自由度磁力约束[1]。本文讨论“万峰离心泵”的径向磁悬浮轴承的控制，并探索了新的改进方案。

图1.“万峰离心泵”心脏辅助装置

“万峰离心泵”径向磁悬浮轴承利用两同向排列的环形磁体之间的排斥力来约束转子的径向位置，使其保持径向悬浮状态（见图2）。理论分析表明：在轴向位置上可找到一个力学平衡点使叶轮-转子体的轴向受力为零。但这一点的机械势能将使叶轮-转子体处于整个轴向运动区间的最高状态，将处于力学平衡的不稳定状态。可在外界干扰下偏离平衡位置而产生轴向失衡力。为此实现转子的全磁悬浮必须对这种轴向失衡力进行随动控制，即实时对抗轴向失衡力。实现这种轴向控制的磁力通常是由传感器调节的电磁场施加，在设计轴向磁悬浮随动控制系统时必须首先对以上两个影响轴向失衡力的因素进行优化。通过实验研究径向磁悬浮轴承产生的轴向失衡力的控制力学特性，可为磁悬浮有源控制系统的设计和优化提供依据。

图2.径向磁悬浮轴承原理结构示意图（注：1.悬浮转子；2.转子磁悬浮磁环；3.定子磁悬浮磁环；4.中心磁环套筒；5.径向悬浮距离）

1.材料与方法

建立转子受力分析的实验测试装置。该装置主要由支架，中心磁环套筒，力学传感器，和数据显示记录装置组成（见图3）。中心磁环套筒直径8mm，内腔为直径7.5mm的空腔，内腔内可套置径向定子磁悬浮磁环，定子磁悬浮磁环的长度和直径可根据实验需要调节。实验测试时，将转子套置在中心磁环套筒外，使转子中心的转子磁悬浮磁环与定子磁悬浮磁环对齐。定子磁悬浮磁环的外径与转子磁悬浮磁环的内径之间的差值为径向悬浮距离（悬浮间隙），根据实验需要可调节测试不同悬浮间隙条件下的力学参数。

图3.转子的处于力学平衡状态，约定此时的转子轴向位置h=0（注：a.径向力学测量装置；b.轴向力学测试装置）

利用悬浮转子受力分析实验测试装置，分别测量在不同位置时转子所受的轴向磁力及径向磁力，求出磁力随位移变化的差分关系。计算转子悬浮刚度，并建立该参数与轴向失衡力的定量关系。观察轴向悬浮间隙与轴向失衡力的定量关系。

2.结果

如图4所示，当悬浮转子轴向位置L=4mm时，悬浮转子处于力学平衡位置，h=0。悬浮转子的轴向受力F2为0；径向悬浮力F1达到最大值，径向悬浮距离也最大；当悬浮转子偏离中心位置时F2增大，F1减小。更换不同的径向磁悬浮轴承可以得到不同的关系曲线。图5显示两种径向磁悬浮轴承的受力特性。径向磁悬浮轴承1的磁悬浮环磁场强度为径向磁悬浮轴承2的1.8倍。

图4.转子受力实验模型

图5.转子受力与轴向位置关系

2.1 径向悬浮力特性测试

转子轴向位置与平衡点h=0之间的距离可通过调节L值确定，称为轴向偏离距离；转子处于径向悬浮失效状态时，转子内孔内圆将与轴发生机械接触，此时，悬浮距离为0。径向悬浮力是指使悬浮失效的最大径向施加的外力；实验发现轴向偏离距离与径向悬浮力两者之间呈反相关关系。

2.2 轴向失衡力特性测试

轴向失衡力是指使转子产生轴向运动时所要对抗的最小轴向外力；通过调节转子的轴向偏离距离，测试表明轴向偏离距离与轴向失衡力之间呈正相关关系。相关的数量关系由图5曲线所示。由于轴向失衡力与偏离距离呈正相关关系，所以在血泵设计时，如果悬浮子轴向运动间隙设计的比较大，在极端位置（偏离距离最大）时，将使转子轴向失衡力迅速增大，当轴向失衡力大于轴向随动控制系统的极限能力，有可能出现轴向随动控制的失效的现象。

2.3 径向悬浮距离与轴向位置之间的关系

径向悬浮距离与偏心距呈反相关关系。当偏心距时增大，径向悬浮距离迅速减小，在达到一定值后将使径向悬浮失效。图6的曲线是通过数学回归分析获得的径向悬浮距离与轴向偏心距的关系曲线。由曲线的变化趋势可以看出，由于径向悬浮距离与偏离距离呈反相关关系，所以在血泵设计时，如果悬浮子轴向运动间隙设计的比较大，将使转子径向悬浮距离迅速减小，当偏心距大于某一极限位置时，有可能出现径向悬浮的失效，发生转子内圆与机械轴接触的现象。

图6.转子径向悬浮距离与轴向位置关系

3.讨论

心力衰竭是一种渐进发展的慢性疾病，据统计，美国有580万人罹患此病，而在我国大约有800万～1000万心力衰竭患者[2]。一旦确诊5年病死率高达50%，超过很多恶性肿瘤的病死率，且该病65岁以上致死率和致残率会显著增加[3,4]。由于心脏介入和其他医疗技术的进步，心脏病患者的寿命得以延长，使得最终发展为心力衰竭的患者数量也不断增加。以往心力衰竭治疗的主要手段是药物，对顽固的难治心力衰竭患者则列入心脏移植的等候队列。心脏移植对晚期心力衰竭的治疗效果较佳，是目前心力衰竭治疗的“金标准”，但由于心脏供体数量的限制，难以使每个心力衰竭患者都得到及时的治疗。即使在供体网络较为发达的美国，每年能实现心脏移植的患者数量也仅有2000例左右[5]。心力衰竭症状如果反复出现，预后很差[6,7]。第一例机械循环辅助装置的植入在1963年由美国DeBakey医生完成[8]。1980年以后，美国FDA批准心室辅助装置用于心脏移植前的过渡期辅助[9]。自从2001年完成REMATCH临床实验，心室辅助装置不仅可用于移植前过渡期辅助，而且也作为一种终极治疗的手段[10,11]。虽然有以上成果，但半年内大约有60%的患者会出现各种不同程度的并发症，而两年内大部分患者都会经历较为严重的并发症[12]。胃肠道出血的发生率较高，发生率由2005年的5%增加到2010年的10%[13]。目前所用的持续流血泵的胃肠道出血并发症发病率是搏动流心脏辅助装置的3倍左右。导致了住院时间延长，反复住院等问题[11,13]。克服这些并发症是目前持续流血泵研发面临的重要课题。离心泵心脏辅助装置采用全悬浮转子具备很多优点。全磁悬浮的优点是悬浮间隙设置可以比较大，有利于减小悬浮间隙中血液所承受的剪切力。从目前的临床应用效果来看，全磁悬浮结构可能更有利于降低胃肠道出血等并发症的发生率，从而有较多的优势。

实验结果的分析表明，实验观察表明，轴向失衡力的大小取决于两点：①与平衡点的偏离值；②径向悬浮磁场的磁感应强度。径向悬浮刚度是反映转子在两个垂直的沿直径方向上抵抗外界干扰强度能力的指标。径向悬浮刚度越大表明转子在外界干扰下径向位置的悬浮稳定性越好。理论上看，此参数越大越好，但从本文实验所揭示的力学关系可以看出：在相同的悬浮间隙条件下，径向悬浮刚度越大轴向失衡力的梯度越大，需要较大的电磁力。更重要的是需要更大的电磁力梯度。因此，需要在随动控制装置设计时引入较大的控制电流，同时也需要线圈绕组有较多的匝数以提高“安匝”数，于此匹配，还必须有较大的磁通截面。由此在设计时如果引入较强的径向磁悬浮力，就可能导致电磁控制系统的体积和重量增大，同时控制能耗也增加。此外，在转子质量较小，控制系统采样频率较低的情况下还可导致转子震荡运动。为此：确定合理的径向悬浮刚度就成为磁悬浮离心泵设计的一个关键因素。

对于追求体积小，重量轻，能耗小的植入式血泵来说采用增大电磁悬浮系统的“悬浮储备”是不可取的。从另一方面来看，没有悬浮储备对于血泵来说，就可能导致在某些极端环境下出现悬浮失效，酿成灾难性后果。由此可见在血泵设计时考虑适当的悬浮储备问题是非常重要的。液体流动时的流体动力悬浮，虽然悬浮间隙很小，但可提供较大的稳定的悬浮力，因此可以作为“悬浮储备”加以应用。从目前国外对悬浮离心泵的研究来看，采用流体动力悬浮的离心泵HeartWare植入人体后出血和血栓并发症较高[14,15]；而采用全磁悬浮的离心泵HeartMate 3血栓发生率明显减小[16,17]。这些并发症可能与悬浮间隙较小，容易对血液成分造成剪切破坏有关。为减少狭窄的悬浮间隙导致的溶血和血液损伤等问题，可以考虑在绝大多数时间内实现磁悬浮，而在极端条件下利用流体动力悬浮来防止悬浮失效。换言之，在平时患者处于安静或和缓运动的状态时，高速旋转的转子处于全磁悬浮状态，此时，悬浮间隙较大，血液所受的剪切力最小。但当患者处于较为剧烈的运动状态（比如体育锻炼，乘坐交通工具等），高速旋转的转子将会与泵内壁发生碰撞，液体产生的流体动力悬浮将发挥作用，防止转子与内壁的碰撞导致的悬浮失效。虽然此时悬浮间隙变小，血液剪切力增大，但由于时间极短，时间积分较小，所以并不会对血液产生明显的剪切损伤。综上所述，将流体动力悬浮作为”悬浮储备”，而磁悬浮作为经常性的悬浮控制机制，就是“万峰离心泵”的基本控制策略之一。

确定合理的悬浮间隙也是另一个重要的因素。由关系曲线可以看出：偏心距越大，径向悬浮刚度就越小。因此，实现较大的径向悬浮刚度需要严格的轴向位移控制，当轴向位置位于平衡点时，径向悬浮刚度达到最大。提示转子轴向位移控制对悬浮稳定性的重要性。

“万峰离心泵”由于采用了流体动力悬浮作为“储备”，所以较大的轴向失衡力不会导致悬浮失效，轴向随动控制的失效仅仅会导致流体动力悬浮系统的启动，因此可大大降低轴向随动控制储备设计。减小径向磁悬浮力有利于减小血泵的体积和重量，采用流体动力悬浮作为转子的”悬浮储备”是防止较小的磁力悬浮条件下悬浮失效的重要控制方法。