磁悬浮人工心脏泵及其在体外循环系统上的试验研究

体外循环生命支持系统(extracorporeal membrane oxygenation,ECMO)可替代人的心、肺工作,为挽救生命创造机会,在这次抗击新冠疫情中屡建奇功,被称为“救命神器”.针对作为ECMO动力源的磁悬浮人工心脏泵,本文对其磁悬浮系统和无接触高效率磁耦合驱动装置进行了研究;在多入多出智能控制系统控制下实现了磁悬浮人工心脏泵变速稳定运行,并开展了磁悬浮人工心脏泵的压力、流量和转速实验;用所研制的磁悬浮人工心脏泵进行了3 d的动物实验后自主撤机.研究结果表明:体外循环磁悬浮离心血泵表现出良好的稳定运行特性,保持转速不变,在流量变化较大时,进出口压力差变化不大;体外循环磁悬浮离心血泵在转速为5000 r/min时,进出口压力差可以达到750 mmHg,具有较宽的工况范围;持续进行了15 d可靠性试验后,各项测试参数符合特性曲线规律;试验期间,羊生命体征持续存在,撤机后羊的生命体征平稳,验证了所研发的磁悬浮人工心脏泵在ECMO系统上应用的有效性和安全性.

基于心脏泵血原理的机械式微泵

心脏作为动力源,其功能是驱动血液的单向流动,它具有结构简单、工作稳定可靠、异物处理能力强、无回流等优点。基于心脏泵血的原理,研制了一种新型的机械式微泵。该微泵由微型马达、硅胶软管、瓣膜阀及壳体组成,体积仅有0.6 cm^(3)。为了更深入地研究和测试微泵的性能,研制了基于高精度天平的流量测试系统和基于压力传感器的压强测试系统,并利用以上系统对微泵的体积流量、背压及待机状态下的反向截止压强进行了测试。实验结果表明:微泵的体积流量、背压与驱动电压呈正相关关系;在3 V直流电压驱动下,微泵的体积流量能够达到210μL/min,背压达到27.9 kPa,而功耗仅为180 mW;同时,在待机状态下微泵的反向截止压强可达55 111.7 Pa。该微泵在医疗仪器、生物医学、微流控、芯片冷却等领域具有广阔的应用前景。

中国特色叶轮型心脏泵的基础技术问题

人工心脏的研究和发展已经持续了50多年,在解决了很多技术性问题后,无论旋转泵还是隔膜泵均可以辅助病人的血液循环达数年之久。在旋转式心脏泵中,基本技术问题一直是可植入性,生物相容性,搏动性,耐用性,双心室辅助,自动检测,仿生控制和血栓的形成。本文总结了作者对解决这些问题的贡献,并与读者分享了一些中国旋转型心脏泵的创新之处。能量供应是旋转型心脏泵未解决的重要的问题之一,目前的方法无论是利用穿过皮肤的导线还是使用经皮感应系统都存在一定问题,因为他们既不方便也不可靠。

轴流式人工心脏泵混合磁悬浮系统的耦合特性

植入式人工心脏泵要求体积小、质量轻、功耗低,为了满足这些要求,需要研究磁悬浮人工心脏泵的轴承特性。为此,对径向永磁轴承自身的耦合特性进行了理论分析与仿真,据此提出了心脏泵转子的磁悬浮支承方案,该方案采用两个径向永磁轴承和一个轴向电磁轴承来实现转子的五自由度稳定悬浮。根据径向永磁轴承的磁场分布特性,提出了采用两个关于转子轴线对称布置的霍尔传感器,从转子径向方向检测转子轴向位移的方法,理论分析揭示了转子径向位移和轴向位移在检测结果中的耦合关系,并给出了解耦方法,得出了轴向位移。基于研究成果设计了轴流式磁悬浮人工心脏泵原型机,并成功实现了转子的五自由度稳定悬浮。

第3代人工心脏泵研究进展及应用

心力衰竭死亡率极高,患病数量持续攀升,是当今医学界面临的共同难题,人工心脏泵是众多心衰患者延长生存期最后的希望和最有效的途径。第3代人工心脏泵的开发与应用,将心力衰竭治疗推向一个新台阶。首先概述第3代人工心脏泵的研究现状和应用情况,并介绍国内第3代人工心脏泵的发展状况;其次,详述和总结第3代人工心脏泵相关的关键技术,如:悬浮技术、无轴承电机、泵用控制算法、叶轮优化设计、血液相容性等;最后,提出并探讨小型轻量化、仿生搏动性、智能控制技术、血液相容性、可靠性及容错技术等方面的研究趋势。

离心式心脏泵内部流场数值模拟与分析

利用CFD软件对采用一元理论的方法所设计的无回流区和有回流区2种离心式心脏泵进行数值模拟,考察和分析人工心脏泵叶轮内部流场的分布,揭示叶轮内部流动的特殊规律和流动机理.通过数值模拟得到心脏泵流道内的切应力、速度和压力分布云图,分析2种模型对血栓和溶血的影响.结果表明,有回流区离心式心脏泵模型内部流场要比无回流区离心式心脏泵模型内部流场更符合血液动力学的要求,对血细胞的破坏更小,具有更好的抗血栓和溶血性能.

人工心脏泵磁悬浮转子非线性特性及控制方法研究

引入滑动模态变结构控制,对转子转速大于6000r/min时转子产生的颤振及转子在强干扰下产生的新的平衡位置等非线性效应进行控制。以轴向为例取切换函数,滑动模态按指数律趋向原点,推导出了等效控制方程。用电锤给轴向磁悬浮转子施加冲击干扰,观察变结构控制的结果,发现系统在短暂调整后即恢复平衡位置,渐近稳定,说明采用变结构控制的适应性较好。利用变结构控制对内部参数变动和外部扰动作用不变这一显著特点,可有利于控制血液应力及粘弹性等非线性因素造成的转子扰动,从而使得系统数学模型的不准确性、实际系统的不确定性及镇定的复杂性得以解决。

新型永磁悬浮轴承在透平机及心脏泵中的应用

为验证永磁悬浮轴承在旋转时能否实现转子的稳定悬浮,将自行设计的新型永磁悬浮轴承应用到透平机和离心式心脏泵中,并利用Hall传感器分别测量二者转子旋转时的偏心距,用速度传感器分别测量二者的旋转速度.发现当转速高于某一临界值(透平机为1 800 r.min-1,心脏泵为3 250 r.min-1),透平机和心脏泵的转子偏心距均会明显小于转子和定子的间隙0.15 mm,转子脱离了定子并保持了稳定悬浮.结果表明:高速旋转的悬浮体所具有的陀螺效应能够使永磁悬浮转子稳定平衡;在静止或转速很低的情况下,永磁悬浮转子不能保持稳定的旋转;一旦转速超过某一临界值,它就会获得陀螺效应并借此达到5自由度的稳定悬浮.

主动脉内球囊反搏术在冠状动脉搭桥术后心脏泵衰竭中的应用体会

目的总结主动脉内球囊反搏（IABP）在冠状动脉搭桥术（CABG）后心脏泵衰竭应用的临床经验，探讨此类手术应用IABP的时机选择和适应证。方法总结2007年6月至2012年6月，5例因冠心病行CABG后患者出现心脏泵衰竭，在IABP支持下，术后心功能及血液动力学恢复稳定的情况。结果5例患者均在术后3-7d撤除IABP，恢复良好，痊愈出院。结论冠脉病变严重（多支病变、左主干病变）及急性心肌梗死患者，行冠状动脉搭桥术风险较大，特别是术后出现严重的低心排使手术效果更加不确定。术后应用IABP可以有效地改善心功能，提高手术成功率。

无源磁浮人工心脏泵的改进型设计

磁力轴承没有机械接触 ,机械旋转泵应用磁力轴承后就可以解决机械磨损及轴承处产生血栓的问题。但是 ,国外使用的磁力轴承均是电磁铁加位置测量及反馈控制 ,不仅结构复杂、体积大 ,而且消耗附加电能 ,整个系统的可靠性也差。作者探索用永久磁铁制作磁力轴承 ,研制成改进型无源磁浮叶轮泵。泵的转子径向由永磁体磁力支承 ,转子的一端紧固着叶轮 ,另一端镶嵌磁钢 ;与转子磁钢相对 ,驱动电机线圈产生旋转磁场 ,驱动转子旋转。在实验室用生理盐水试验 ,当转子静止或低于 40 0 0 rpm旋转时 ,转子磁钢在轴向同位于转子和定子之间的隔板有一点接触 ,接触点位于转子的轴线上。当转子转速逐渐增加至 40 0 0 rpm以上 ,转子在轴向与定子脱离 ,从而实现完全磁浮。由于转子轴向磁浮由液动力产生 ,且转子磁钢有陀螺效应 ,所以转子在浮起的过程中运转非常平稳。当用作左心室辅助装置时 ,叶轮血泵工作转速范围在 5 0 0 0～ 80 0 0 rpm之间 ,所以实用时转子完全磁浮是不成问题的。无源磁浮技术是对 Earnshaw理论 ( 1842 )及 Braunbeck推论 ( 193 9)的重大补充 。

永磁磁浮在心脏泵及其它应用中的稳定平衡

学术界一致公认无源磁浮是不稳定的 ,作者却找到两种实现稳定无源磁浮的方法 其一是引入非磁力 ,单独或者与永磁力一起 ,对浮体至少在一个自由度上产生作用 ;其二是利用浮体运动 (旋转 )的惯量 ,实现至少一个自由度上的稳定平衡 结合这两种方法 ,作者研制成两种不同设计的永磁磁浮心脏泵 。

心脏泵的研究进展

主要对心脏泵发展状况做了介绍。首先分类说明了心脏泵目前的研究情况,将各类心脏泵比较,对它们的优缺点作对比说明,并介绍了心脏泵中的流动显示技术以及设计和计算的发展状况。然后对目前心脏泵发展中存在的溶血和血栓等问题进行了分析。认为发展小型、可植入、便携并耐久运行的心脏泵是其发展趋势。

盐酸甲氧明和多巴胺对老年患者全麻诱导期间血流动力学及心脏泵功能的影响

目的观察盐酸甲氧明对老年患者全身麻醉诱导期间血流动力学及心脏泵功能的影响。方法选择气管插管下全身麻醉行择期手术治疗的老年患者60例,采用随机数字表法随机分成甲氧明组(n=20),麻醉诱导前微量持续泵注盐酸甲氧明4μg/(kg·min);多巴胺组(n=20),麻醉诱导前微量持续泵注多巴胺4μg/(kg·min);对照组(n=20),微量持续泵注生理盐水4μg/(kg·min)。分别于麻醉诱导前5 min(基础值,T0)、诱导后2min(T1)、插管即刻(T2)、插管后1 min(T3)及插管后5 min(T4)、插管后10 min(T5)、插管后15 min(T6)、插管后20 min(T7)记录收缩压(SBP)、舒张压(DBP)、心率(HR)及心率收缩压的乘积(RPP)的变化情况;同时应用心脏彩超监测血流动力学改变,生化检测心肌酶学变化。结果麻醉诱导后(T1、T2、T3、T4、T6、T7),较之于对照组,甲氧明组与多巴胺组患者HR、SBP、DBP、RPP、EF%、FS、DT均显著增高(P<0.05),插管后20 min,甲氧明组CKMB明显低于多巴胺组(P<0.05)。BNP、CTn I、Myo在麻醉诱导前后及各组之间差异无统计学意义(P>0.05)。结论盐酸甲氧明和多巴胺均能安全使用于老年患者全身麻醉诱导期间,两种药物均能维持此期间血流动力学的稳定,提高左心室的射血分数,并且对老年患者BNP并无影响。与多巴胺相比,盐酸甲氧明能够减少心肌耗氧量及降低心肌损伤概率。

人造心脏泵及心脏瓣膜泵研究

自1995年以来,江苏大学医学工程所先后研制四种不同设计及用途的心脏泵及心脏瓣膜泵,分别在美国德州大学医学院及镇江市第一人民医院先后用于动物试验。最近研制的江大IV号泵是心室内辅助泵,用于急性病人的抢救。

生脉注射液下调心肌肌钙蛋白I增强急性心肌梗死后心源性休克心脏泵功能的研究

目的观察生脉注射液对急性心肌梗死后心源性休克患者心肌肌钙蛋白I(c TNI)和心肌钙调蛋白(CaM)及其基因表达的影响,探讨其增强患者心脏泵功能的机制。方法将164例急性心肌梗死后心源性休克急诊患者随机均分为常规治疗组和生脉组,常规治疗组给予急性心肌梗死后心源性休克急诊常规用药处理,生脉组在此治疗基础上给予生脉注射液60 m L静滴。观察2组治疗前后心肌相关蛋白及其基因表达情况及心脏泵功能、尿量、心率和血压变化情况,统计2组临床疗效、并发症发生情况及病死率。结果治疗7 d后,与常规治疗组比较,生脉组血清c TNI和c TNI mRNA、CaM和钙调蛋白依赖性蛋白激酶Ⅱ(CaMKⅡ)mRNA水平及肺毛细血管楔压(PCWP)均明显降低(P均<0.05),左心室收缩末期内径(LVESD)和舒张末期室间隔厚度(IVST)缩小,左心室最大上升/下降速率(±LV dp/dtmax)、左心室射血分数(LVEF)、左心室舒张末内径(LVEDD)、舒张压(DBP)和脉压差(PP)增大(P均<0.05),尿量和心脏指数(CI)明显增加(P均<0.05)。生脉组总有效率明显高于常规治疗组(P均<0.05),室间隔穿孔、心律失常和急性肾衰竭发生率及病死率均明显低于常规治疗组(P均<0.05)。结论生脉注射液可增强急性心肌梗死后心源性休克患者心脏泵功能,机制可能与其下调c TNI和CaM、纠正异常开放的钙通道、避免心肌细胞"钙超载"有关。

轴流式磁悬浮人工心脏泵驱动电机的研究

介绍了一种可用于轴流式人工心脏泵的永磁无槽直流无刷电动机的结构及其驱动方法。电动机采用ML4425专用芯片作为主控芯片,通过调压控制电机的转速,从而达到控制血液流量及压力的目的。电动机在磁悬浮轴承支承下使人工心脏泵获得更优越的性能。实验结果表明:电机调速曲线近似呈一条直线,电动机运行平稳,噪声低。

磁悬浮技术在人工心脏泵中的应用研究

在传统的人工心脏泵技术存在的问题上,如润滑、血栓的形成和溶血等,引进了磁悬浮技术,利用磁悬浮具有无接触、无摩擦和无润滑等优点来对血泵进行了新的研究。同时,采用AT89S51单片机作为控制器,输出三种波形(方波、正弦波、梯形波)作为心脏泵电机的驱动激励信号。人工心脏泵可满足生命医学工程领域中的相关实验要求。

主动脉内球囊反搏术在心脏泵衰竭中的应用体会

对于急性心肌梗死合并心源性休克及心脏外科直视手术术后发生低心排血量综合征的患者,药物疗效有限,死亡率极高。近些年主动脉内球囊反搏（IABP）等辅助循环手段的应用，对于提高该类危重心脏病的抢救成功率越来越具有重要的临床意义。我们连续收集了2001年2月至2008年6月在我院内外科应用者25例，现总结报告如下。

人工心脏泵磁悬浮转子质量不平衡及磁耦合研究

结合建模与实验,分析了人工心脏泵转子质量不平衡及磁耦合对转子稳定悬浮的影响,依据转子动力学理论推导出了五自由度转子运动方程。由运动方程知,转子前后端的质量耦合可消去,转子同自由度前后端同时控制优于分开控制。运用转子自由振动及陀螺力方程分析了动不平衡对转子偏心的影响,结果表明:建模时增加动不平衡矩阵可有效减小偏心;为减小涡动,转子径向采样周期应与转速相适应,不宜过快。采用有限元方法给出了磁极不同工作方式时的磁力线分布,结果表明同时控制互相垂直方向的磁极有利于减小磁耦合。实验测量了转子在平衡位置的各向位移,并计算出静态时X方向的偏心相对误差为0.28%,Y方向的偏心相对误差为0.42%。

间歇性低氧与规律运动对中老龄果蝇心脏泵血能力及生活质量的影响

目的:探讨适宜的规律运动与间歇性低氧对中老龄果蝇心脏泵血功能与生活质量的影响。方法:通过扩大培养收集8 h内羽化的W1118品系处女蝇4500只,随机分为三个低氧年龄段(n=1500):青年低氧组(1~2周)、中年低氧组(3~4周)与老年低氧组(5~6周)。低氧结束后利用心力衰竭模型筛选出最佳低氧年龄段与低氧持续时间。再通过扩大培养收集8 h内羽化的W1118品系处女蝇1200只,随机分为常氧安静组(NC组)、常氧运动组(NE组)、低氧安静组(HC组)和低氧运动组(HE组)。HC与HE组果蝇采用6%O2与94%N2的混合气体,每天低氧6 h,NE与HE组果蝇每天运动2.5 h,低氧与运动干预结束的第二天进行心脏泵血能力与生活质量相关指标的检测。结果:(1)果蝇的心力衰竭率随年龄的增长而上升,中年组及老年组果蝇心力衰竭率随低氧暴露时间的延长逐渐下降。(2)NE组果蝇心脏舒张直径显著高于NC组与HC组(P<0.05,P<0.01),HC组显著低于NC组与HE组(P<0.05,P<0.01);HC组果蝇收缩直径显著低于NC组与HE组(P<0.05,P<0.01);NC组果蝇心脏射血分数显著低于NE组(P<0.01)。(3)NE组、HC组与HE组果蝇攀爬速度均显著高于NC组(P<0.05,P<0.01)。(4)HC组及HE组果蝇夜晚睡眠总时间显著长于NC组(P<0.05,P<0.01),HC组果蝇夜晚睡眠段数显著小于NC组(P<0.01)。(5)NE组果蝇活动总量显著高于其他三组(P<0.05),而HC组显著低于NC组(P<0.05),NE组果蝇清醒睡眠时间比以及单位活动时活动量均显著高于其他三组(P<0.05),HC组果蝇单位活动时活动量显著高于NC组与HE组果蝇(P<0.05),其日间活动时间显著低于NC组。(6)HC组果蝇最高寿命显著高于NC组与NE组(P<0.01)。HC组果蝇平均寿命显著高于其他三组(P<0.01),HE组果蝇平均寿命显著高于NC组与NE组(P<0.05)。结论:规律运动与间歇性低氧均能增强中老龄果蝇的攀爬能力与日常活动能力,但与规律运动能增强中老龄果蝇心脏泵血能力不同,间歇性低氧能减小其心管直径、增强夜间睡眠质量、延长寿命,而低氧联合运动能提高中老龄果蝇的攀爬能力、延长其平均寿命和夜间睡眠时间。