丁雅剛 苗晨 彭遠(yuǎn)儀 王改峰 張鵬 秦帥 晉慶波

1 同濟大學(xué)附屬東方醫(yī)院心外科 （上海 200120）

2 上海市心衰及人工心臟研究所 （上海 200120）

內(nèi)容提要：目的：“萬峰離心泵”采用5自由度磁懸浮轉(zhuǎn)子-葉輪體驅(qū)動血液流動，磁懸浮軸承的控制和穩(wěn)定性需要設(shè)計在合理的范圍，以減小血泵體積和重量，改善解剖相容性。方法：研制“萬峰離心泵”專用的懸浮轉(zhuǎn)子力學(xué)測試臺。在懸浮力學(xué)實驗臺上對“萬峰離心泵”懸浮轉(zhuǎn)子的懸浮狀態(tài)和各方向受力特性進(jìn)行定量測試。通過測定懸浮轉(zhuǎn)子軸向位置與軸向受力，軸向位置與徑向受力及軸向受力與徑向受力的定量關(guān)系，建立各自由度受力特性的關(guān)系曲線。結(jié)果：懸浮轉(zhuǎn)子的徑向受力與轉(zhuǎn)子的軸向位置相關(guān)。懸浮轉(zhuǎn)子在軸向位置上有一個力學(xué)平衡點，在力學(xué)平衡點位置懸浮轉(zhuǎn)子個方向受力為0，可以實現(xiàn)5自由度懸浮。但是，這種懸浮狀態(tài)不穩(wěn)定，在微小的外力下極易失衡。實現(xiàn)穩(wěn)定的懸浮需要有電磁力對抗失衡力。失衡力的方向與大小轉(zhuǎn)子的軸向位置相關(guān)，徑向懸浮力與軸向失衡力呈正相關(guān)，減小徑向懸浮力可以有效地減小各個位置的軸向失衡力。結(jié)論：磁懸浮轉(zhuǎn)子在偏離軸向平衡位置后可以產(chǎn)生失衡力使懸浮失效。采用電磁力來對抗失衡力是保證穩(wěn)定懸浮的必要措施。電磁力系統(tǒng)的體積重量必須設(shè)定在一個合理的范圍，適當(dāng)?shù)臏p小轉(zhuǎn)子的徑向懸浮力可以降低電磁控制冗余設(shè)計的重要途經(jīng)。

“萬峰離心泵”是由我國著名心外科專家萬峰教授提出的一種全磁懸浮離心泵（見圖1），該裝置的通過磁力軸承實現(xiàn)對葉輪-轉(zhuǎn)子體的5自由度磁力約束[1]。本文討論“萬峰離心泵”的徑向磁懸浮軸承的控制，并探索了新的改進(jìn)方案。

圖1.“萬峰離心泵”心臟輔助裝置

“萬峰離心泵”徑向磁懸浮軸承利用兩同向排列的環(huán)形磁體之間的排斥力來約束轉(zhuǎn)子的徑向位置，使其保持徑向懸浮狀態(tài)（見圖2）。理論分析表明：在軸向位置上可找到一個力學(xué)平衡點使葉輪-轉(zhuǎn)子體的軸向受力為零。但這一點的機械勢能將使葉輪-轉(zhuǎn)子體處于整個軸向運動區(qū)間的最高狀態(tài)，將處于力學(xué)平衡的不穩(wěn)定狀態(tài)?？稍谕饨绺蓴_下偏離平衡位置而產(chǎn)生軸向失衡力。為此實現(xiàn)轉(zhuǎn)子的全磁懸浮必須對這種軸向失衡力進(jìn)行隨動控制，即實時對抗軸向失衡力。實現(xiàn)這種軸向控制的磁力通常是由傳感器調(diào)節(jié)的電磁場施加，在設(shè)計軸向磁懸浮隨動控制系統(tǒng)時必須首先對以上兩個影響軸向失衡力的因素進(jìn)行優(yōu)化。通過實驗研究徑向磁懸浮軸承產(chǎn)生的軸向失衡力的控制力學(xué)特性，可為磁懸浮有源控制系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化提供依據(jù)。

圖2.徑向磁懸浮軸承原理結(jié)構(gòu)示意圖（注：1.懸浮轉(zhuǎn)子；2.轉(zhuǎn)子磁懸浮磁環(huán)；3.定子磁懸浮磁環(huán)；4.中心磁環(huán)套筒；5.徑向懸浮距離）

1.材料與方法

建立轉(zhuǎn)子受力分析的實驗測試裝置。該裝置主要由支架，中心磁環(huán)套筒，力學(xué)傳感器，和數(shù)據(jù)顯示記錄裝置組成（見圖3）。中心磁環(huán)套筒直徑8mm，內(nèi)腔為直徑7.5mm的空腔，內(nèi)腔內(nèi)可套置徑向定子磁懸浮磁環(huán)，定子磁懸浮磁環(huán)的長度和直徑可根據(jù)實驗需要調(diào)節(jié)。實驗測試時，將轉(zhuǎn)子套置在中心磁環(huán)套筒外，使轉(zhuǎn)子中心的轉(zhuǎn)子磁懸浮磁環(huán)與定子磁懸浮磁環(huán)對齊。定子磁懸浮磁環(huán)的外徑與轉(zhuǎn)子磁懸浮磁環(huán)的內(nèi)徑之間的差值為徑向懸浮距離（懸浮間隙），根據(jù)實驗需要可調(diào)節(jié)測試不同懸浮間隙條件下的力學(xué)參數(shù)。

圖3.轉(zhuǎn)子的處于力學(xué)平衡狀態(tài)，約定此時的轉(zhuǎn)子軸向位置h=0（注：a.徑向力學(xué)測量裝置；b.軸向力學(xué)測試裝置）

利用懸浮轉(zhuǎn)子受力分析實驗測試裝置，分別測量在不同位置時轉(zhuǎn)子所受的軸向磁力及徑向磁力，求出磁力隨位移變化的差分關(guān)系。計算轉(zhuǎn)子懸浮剛度，并建立該參數(shù)與軸向失衡力的定量關(guān)系。觀察軸向懸浮間隙與軸向失衡力的定量關(guān)系。

2.結(jié)果

如圖4所示，當(dāng)懸浮轉(zhuǎn)子軸向位置L=4mm時，懸浮轉(zhuǎn)子處于力學(xué)平衡位置，h=0。懸浮轉(zhuǎn)子的軸向受力F2為0；徑向懸浮力F1達(dá)到最大值，徑向懸浮距離也最大；當(dāng)懸浮轉(zhuǎn)子偏離中心位置時F2增大，F(xiàn)1減小。更換不同的徑向磁懸浮軸承可以得到不同的關(guān)系曲線。圖5顯示兩種徑向磁懸浮軸承的受力特性。徑向磁懸浮軸承1的磁懸浮環(huán)磁場強度為徑向磁懸浮軸承2的1.8倍。

圖4.轉(zhuǎn)子受力實驗?zāi)Ｐ?/p>

圖5.轉(zhuǎn)子受力與軸向位置關(guān)系

2.1 徑向懸浮力特性測試

轉(zhuǎn)子軸向位置與平衡點h=0之間的距離可通過調(diào)節(jié)L值確定，稱為軸向偏離距離；轉(zhuǎn)子處于徑向懸浮失效狀態(tài)時，轉(zhuǎn)子內(nèi)孔內(nèi)圓將與軸發(fā)生機械接觸，此時，懸浮距離為0。徑向懸浮力是指使懸浮失效的最大徑向施加的外力；實驗發(fā)現(xiàn)軸向偏離距離與徑向懸浮力兩者之間呈反相關(guān)關(guān)系。

2.2 軸向失衡力特性測試

軸向失衡力是指使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生軸向運動時所要對抗的最小軸向外力；通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的軸向偏離距離，測試表明軸向偏離距離與軸向失衡力之間呈正相關(guān)關(guān)系。相關(guān)的數(shù)量關(guān)系由圖5曲線所示。由于軸向失衡力與偏離距離呈正相關(guān)關(guān)系，所以在血泵設(shè)計時，如果懸浮子軸向運動間隙設(shè)計的比較大，在極端位置（偏離距離最大）時，將使轉(zhuǎn)子軸向失衡力迅速增大，當(dāng)軸向失衡力大于軸向隨動控制系統(tǒng)的極限能力，有可能出現(xiàn)軸向隨動控制的失效的現(xiàn)象。

2.3 徑向懸浮距離與軸向位置之間的關(guān)系

徑向懸浮距離與偏心距呈反相關(guān)關(guān)系。當(dāng)偏心距時增大，徑向懸浮距離迅速減小，在達(dá)到一定值后將使徑向懸浮失效。圖6的曲線是通過數(shù)學(xué)回歸分析獲得的徑向懸浮距離與軸向偏心距的關(guān)系曲線。由曲線的變化趨勢可以看出，由于徑向懸浮距離與偏離距離呈反相關(guān)關(guān)系，所以在血泵設(shè)計時，如果懸浮子軸向運動間隙設(shè)計的比較大，將使轉(zhuǎn)子徑向懸浮距離迅速減小，當(dāng)偏心距大于某一極限位置時，有可能出現(xiàn)徑向懸浮的失效，發(fā)生轉(zhuǎn)子內(nèi)圓與機械軸接觸的現(xiàn)象。

圖6.轉(zhuǎn)子徑向懸浮距離與軸向位置關(guān)系

3.討論

心力衰竭是一種漸進(jìn)發(fā)展的慢性疾病，據(jù)統(tǒng)計，美國有580萬人罹患此病，而在我國大約有800萬～1000萬心力衰竭患者[2]。一旦確診5年病死率高達(dá)50%，超過很多惡性腫瘤的病死率，且該病65歲以上致死率和致殘率會顯著增加[3,4]。由于心臟介入和其他醫(yī)療技術(shù)的進(jìn)步，心臟病患者的壽命得以延長，使得最終發(fā)展為心力衰竭的患者數(shù)量也不斷增加。以往心力衰竭治療的主要手段是藥物，對頑固的難治心力衰竭患者則列入心臟移植的等候隊列。心臟移植對晚期心力衰竭的治療效果較佳，是目前心力衰竭治療的“金標(biāo)準(zhǔn)”，但由于心臟供體數(shù)量的限制，難以使每個心力衰竭患者都得到及時的治療。即使在供體網(wǎng)絡(luò)較為發(fā)達(dá)的美國，每年能實現(xiàn)心臟移植的患者數(shù)量也僅有2000例左右[5]。心力衰竭癥狀如果反復(fù)出現(xiàn)，預(yù)后很差[6,7]。第一例機械循環(huán)輔助裝置的植入在1963年由美國DeBakey醫(yī)生完成[8]。1980年以后，美國FDA批準(zhǔn)心室輔助裝置用于心臟移植前的過渡期輔助[9]。自從2001年完成REMATCH臨床實驗，心室輔助裝置不僅可用于移植前過渡期輔助，而且也作為一種終極治療的手段[10,11]。雖然有以上成果，但半年內(nèi)大約有60%的患者會出現(xiàn)各種不同程度的并發(fā)癥，而兩年內(nèi)大部分患者都會經(jīng)歷較為嚴(yán)重的并發(fā)癥[12]。胃腸道出血的發(fā)生率較高，發(fā)生率由2005年的5%增加到2010年的10%[13]。目前所用的持續(xù)流血泵的胃腸道出血并發(fā)癥發(fā)病率是搏動流心臟輔助裝置的3倍左右。導(dǎo)致了住院時間延長，反復(fù)住院等問題[11,13]?？朔@些并發(fā)癥是目前持續(xù)流血泵研發(fā)面臨的重要課題。離心泵心臟輔助裝置采用全懸浮轉(zhuǎn)子具備很多優(yōu)點。全磁懸浮的優(yōu)點是懸浮間隙設(shè)置可以比較大，有利于減小懸浮間隙中血液所承受的剪切力。從目前的臨床應(yīng)用效果來看，全磁懸浮結(jié)構(gòu)可能更有利于降低胃腸道出血等并發(fā)癥的發(fā)生率，從而有較多的優(yōu)勢。

實驗結(jié)果的分析表明，實驗觀察表明，軸向失衡力的大小取決于兩點：①與平衡點的偏離值；②徑向懸浮磁場的磁感應(yīng)強度。徑向懸浮剛度是反映轉(zhuǎn)子在兩個垂直的沿直徑方向上抵抗外界干擾強度能力的指標(biāo)。徑向懸浮剛度越大表明轉(zhuǎn)子在外界干擾下徑向位置的懸浮穩(wěn)定性越好。理論上看，此參數(shù)越大越好，但從本文實驗所揭示的力學(xué)關(guān)系可以看出：在相同的懸浮間隙條件下，徑向懸浮剛度越大軸向失衡力的梯度越大，需要較大的電磁力。更重要的是需要更大的電磁力梯度。因此，需要在隨動控制裝置設(shè)計時引入較大的控制電流，同時也需要線圈繞組有較多的匝數(shù)以提高“安匝”數(shù)，于此匹配，還必須有較大的磁通截面。由此在設(shè)計時如果引入較強的徑向磁懸浮力，就可能導(dǎo)致電磁控制系統(tǒng)的體積和重量增大，同時控制能耗也增加。此外，在轉(zhuǎn)子質(zhì)量較小，控制系統(tǒng)采樣頻率較低的情況下還可導(dǎo)致轉(zhuǎn)子震蕩運動。為此：確定合理的徑向懸浮剛度就成為磁懸浮離心泵設(shè)計的一個關(guān)鍵因素。

對于追求體積小，重量輕，能耗小的植入式血泵來說采用增大電磁懸浮系統(tǒng)的“懸浮儲備”是不可取的。從另一方面來看，沒有懸浮儲備對于血泵來說，就可能導(dǎo)致在某些極端環(huán)境下出現(xiàn)懸浮失效，釀成災(zāi)難性后果。由此可見在血泵設(shè)計時考慮適當(dāng)?shù)膽腋鋯栴}是非常重要的。液體流動時的流體動力懸浮，雖然懸浮間隙很小，但可提供較大的穩(wěn)定的懸浮力，因此可以作為“懸浮儲備”加以應(yīng)用。從目前國外對懸浮離心泵的研究來看，采用流體動力懸浮的離心泵HeartWare植入人體后出血和血栓并發(fā)癥較高[14,15]；而采用全磁懸浮的離心泵HeartMate 3血栓發(fā)生率明顯減小[16,17]。這些并發(fā)癥可能與懸浮間隙較小，容易對血液成分造成剪切破壞有關(guān)。為減少狹窄的懸浮間隙導(dǎo)致的溶血和血液損傷等問題，可以考慮在絕大多數(shù)時間內(nèi)實現(xiàn)磁懸浮，而在極端條件下利用流體動力懸浮來防止懸浮失效。換言之，在平時患者處于安靜或和緩運動的狀態(tài)時，高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子處于全磁懸浮狀態(tài)，此時，懸浮間隙較大，血液所受的剪切力最小。但當(dāng)患者處于較為劇烈的運動狀態(tài)（比如體育鍛煉，乘坐交通工具等），高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子將會與泵內(nèi)壁發(fā)生碰撞，液體產(chǎn)生的流體動力懸浮將發(fā)揮作用，防止轉(zhuǎn)子與內(nèi)壁的碰撞導(dǎo)致的懸浮失效。雖然此時懸浮間隙變小，血液剪切力增大，但由于時間極短，時間積分較小，所以并不會對血液產(chǎn)生明顯的剪切損傷。綜上所述，將流體動力懸浮作為”懸浮儲備”，而磁懸浮作為經(jīng)常性的懸浮控制機制，就是“萬峰離心泵”的基本控制策略之一。

確定合理的懸浮間隙也是另一個重要的因素。由關(guān)系曲線可以看出：偏心距越大，徑向懸浮剛度就越小。因此，實現(xiàn)較大的徑向懸浮剛度需要嚴(yán)格的軸向位移控制，當(dāng)軸向位置位于平衡點時，徑向懸浮剛度達(dá)到最大。提示轉(zhuǎn)子軸向位移控制對懸浮穩(wěn)定性的重要性。

“萬峰離心泵”由于采用了流體動力懸浮作為“儲備”，所以較大的軸向失衡力不會導(dǎo)致懸浮失效，軸向隨動控制的失效僅僅會導(dǎo)致流體動力懸浮系統(tǒng)的啟動，因此可大大降低軸向隨動控制儲備設(shè)計。減小徑向磁懸浮力有利于減小血泵的體積和重量，采用流體動力懸浮作為轉(zhuǎn)子的”懸浮儲備”是防止較小的磁力懸浮條件下懸浮失效的重要控制方法。