丁雅剛 李國榮 彭遠(yuǎn)儀 張鵬 苗晨 秦帥 晉慶波

1 同濟(jì)大學(xué)附屬東方醫(yī)院心外科 （上海 200120）

2 中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院阜外心血管病醫(yī)院 （北京 100037）

3 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”為一種新型磁懸浮離心泵心臟輔助裝置，以有源磁懸浮作為轉(zhuǎn)子的常態(tài)控制，流體動力懸浮作為儲備應(yīng)對極端力學(xué)不平衡狀態(tài)。此懸浮控制策略可以避免血泵冗余結(jié)構(gòu)，有利于減小體積，重量及能耗。利用模型研究“萬峰離心泵”轉(zhuǎn)子懸浮控制及穩(wěn)定性。方法：建立“萬峰離心泵”轉(zhuǎn)子懸浮實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，轉(zhuǎn)子直徑35mm，厚度10mm。轉(zhuǎn)子中心空設(shè)置徑向被動磁懸浮軸承，轉(zhuǎn)子兩端面采用4極平面電機(jī)驅(qū)動，結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)參數(shù)均類似于軸向磁場電機(jī)。驅(qū)動定子及懸浮控制系統(tǒng)與原型樣機(jī)一致。調(diào)節(jié)模型轉(zhuǎn)子與模型定子間的懸浮距離，觀察懸浮狀態(tài)。結(jié)果：轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下可以實(shí)現(xiàn)全磁懸浮，懸浮距離的增加會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子懸浮穩(wěn)定性的下降。在靜止?fàn)顟B(tài)下轉(zhuǎn)子與定子之間的懸浮間隙最大可達(dá)0.5mm。結(jié)論：“萬峰離心泵”轉(zhuǎn)子懸浮控制策略可行，但在大懸浮間隙條件下提高懸浮穩(wěn)定性的控制方案尚待進(jìn)一步改進(jìn)。

離心泵心臟輔助裝置采用全懸浮轉(zhuǎn)子具備很多優(yōu)點(diǎn)，因此成為現(xiàn)階段的一個研究熱點(diǎn)。如美國的“HeartWare HVAD”及“HeartMate 3”等。目前，離心泵轉(zhuǎn)子懸浮主要采用的懸浮策略有全磁懸浮及“磁液懸浮”兩種，兩種懸浮各有優(yōu)缺點(diǎn)。全磁懸浮的優(yōu)點(diǎn)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。但由于采用具有反饋控制特點(diǎn)的控制系統(tǒng)需要有傳感器，有源磁懸浮控制執(zhí)行系統(tǒng)及控制電路等，所以整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大，耗能也較多，是全磁懸浮離心泵的主要缺點(diǎn)?！按乓簯腋　鞭D(zhuǎn)子是在無源磁懸浮基礎(chǔ)上利用流體動壓來代替有源磁懸浮實(shí)現(xiàn)全部5自由度懸浮。因此，為了獲得足夠的懸浮穩(wěn)定性，液懸浮間隙不能設(shè)置太大，因此容易產(chǎn)生較大的血液剪切作用。從目前的臨床應(yīng)用效果來看，全磁懸浮結(jié)構(gòu)可能更有利于降低并發(fā)癥狀，從而有較多的優(yōu)勢。

“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懸浮離心泵（圖1）[1,2]。其懸浮策略綜合了全磁懸浮及磁液懸浮的優(yōu)點(diǎn)，同時又盡可能避免兩種懸浮結(jié)構(gòu)各自的缺點(diǎn)，是一種創(chuàng)新性較強(qiáng)，且理論性能比較理想的懸浮策略。但這種控制方案需要較為準(zhǔn)確的信號比較和電子控制技術(shù)，本文討論了這種控制策略的基本思路及改進(jìn)方案。

圖1.“萬峰離心泵”樣機(jī)

全磁懸浮的冗余設(shè)計(jì)問題在于控制電磁懸浮線圈的體積。由物理學(xué)原理可知，實(shí)現(xiàn)全磁懸浮的轉(zhuǎn)子至少在某一個轉(zhuǎn)子的運(yùn)動維度上必須進(jìn)行消耗能量電磁控制，以便根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置實(shí)時調(diào)節(jié)磁場方向和大小。其基本控制原理是：在傳感器感知轉(zhuǎn)子位置后將位置信息反饋給控制電路，控制電路通過比較位置和懸浮位置后計(jì)算獲得偏移量信號，進(jìn)而根據(jù)偏移量來調(diào)節(jié)對電磁控制線圈的饋電方向和強(qiáng)度。在這一反饋系統(tǒng)中，電磁控制線圈是占據(jù)體積和消耗能量主要環(huán)節(jié)。設(shè)置電磁控制線圈就成為磁懸浮系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。從抵抗加速運(yùn)動的角度來看，電磁控制線圈的“安匝數(shù)”及鐵芯截面越大，其抗沖擊儲備就越大，由此可以在較大的加速運(yùn)動環(huán)境下保持穩(wěn)定的磁懸浮。但是，較大的安匝數(shù)及鐵芯截面勢必增大血泵的體積和重量，從而降低血泵的可植入性和“解剖相容性”。安匝數(shù)及鐵芯截面雖然可減小體積，但懸浮控制能力下降，在稍微增大的加速度環(huán)境下就失去懸浮控制能力，導(dǎo)致高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子與血泵內(nèi)壁的碰撞，產(chǎn)生不良的后果甚至損害。由此，權(quán)衡電磁懸浮控制線圈的體積及懸浮儲備能力就成為一個重要的設(shè)計(jì)問題。從實(shí)際應(yīng)用的角度來考慮問題，植入血泵的患者大部分時間是生活在比較安靜的環(huán)境中，即血泵在日常生活中并不會承受過大的加速度，因此，日常生活的電磁懸浮線圈實(shí)際提供的電磁力是非常小的。當(dāng)患者進(jìn)行較為劇烈的運(yùn)動時，才需要電磁懸浮線圈提供較大的電磁控制力。由此看來，較大的電磁懸浮控制線圈的體積只是為了應(yīng)對加速運(yùn)動時穩(wěn)定懸浮的“儲備”能力而已，平時是不需要動用這些“儲備”的。如果患者平時的劇烈運(yùn)動比較少，那么這種儲備就成為多余的功能而成為一種“冗余”結(jié)構(gòu)。有關(guān)電磁懸浮應(yīng)該抵抗的加速度上限，目前國內(nèi)外研究者并沒有統(tǒng)一的認(rèn)識，但這種上限是存在的，無限大的懸浮剛度實(shí)際上是無法實(shí)現(xiàn)的。

從以上分析可以看出，對于追求體積小重量輕能耗小的特性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。然而，對于血泵來說，沒有懸浮儲備就可能導(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。懸浮策略必須考慮懸浮儲備問題。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，完全可以作為“懸浮儲備”設(shè)計(jì)。換言之，在平時患者處于安靜狀態(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(yùn)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，此時，液體產(chǎn)生的流體動力懸浮將發(fā)揮作用，防止懸浮失效。雖然此時懸浮間隙變小，血液剪切力增大，但由于時間極短，總體時間積分很小，所以并不會對血液產(chǎn)生明顯的剪切損傷。綜上所述，將流體懸浮作為懸浮儲備，而磁懸浮作為經(jīng)常性的懸浮控制機(jī)制，就是“萬峰離心泵”的基本控制策略。

1.轉(zhuǎn)子的受力分析

“萬峰離心泵”采用雙側(cè)平面電機(jī)定子的驅(qū)動的方法。在轉(zhuǎn)子中心有中孔，圍繞中孔鑲嵌設(shè)置軸向充磁的永磁磁環(huán)。中孔內(nèi)穿過與泵內(nèi)壁固定連接的中心軸，中心軸中鑲嵌軸向充磁的中心軸永磁磁環(huán)。此磁環(huán)磁場方向相同，磁環(huán)對之間產(chǎn)生的磁排斥力形成徑向懸浮軸承（圖1）。轉(zhuǎn)子的兩側(cè)分別設(shè)置了對稱的驅(qū)動定子。在定子鐵芯在轉(zhuǎn)子磁體的磁場中可產(chǎn)生兩個方向相反的磁引力。這兩個磁引力的合力可以控制轉(zhuǎn)子的軸向位置。從理論上來看，轉(zhuǎn)子在兩側(cè)的定子之間存在一個引力為零的平衡點(diǎn)。但根據(jù)“恩紹定理（Earnshaw’s theorem）”，這一平衡點(diǎn)是不穩(wěn)定的。為了使之轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定平衡狀態(tài)就必須有電磁場引力來對抗干擾力。

另外，在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)驅(qū)動血液時要受到流體作用力。主要分為轉(zhuǎn)子兩側(cè)的壓力差和流體反沖力。

假設(shè)轉(zhuǎn)子端面與x,y軸平面平行，端面表面的壓力分別為關(guān)系用函數(shù)P=f(x,y)表示，則見公式（1）。

注：式中P1=f1(x,y)，表示轉(zhuǎn)子前端面的壓力分布函數(shù)；P2=f2(x,y)，表示轉(zhuǎn)子后端面的壓力分布函數(shù)，r0，r1分別為轉(zhuǎn)子中心孔半徑及轉(zhuǎn)子外徑。

此外，轉(zhuǎn)子所受的流體反沖力fi可以計(jì)算如下，根據(jù)牛頓定律，公式（2）。

注：式中m為單位時間流體流過截面的總質(zhì)量。A為流體的加速度。設(shè)泵流量恒定，且由于流體速度較慢，可以不考慮相對論效應(yīng)，所以可改為公式（3）。

注：式中ρ為流體的密度，L/t為流體的流速（即單位時間內(nèi)流過界面的流體體積）。

由此，轉(zhuǎn)子在工作狀態(tài)下所受到的流體作用力見公式（4）。

一般來說，F(xiàn)q總是指向流體入口的方向，可以在血泵設(shè)計(jì)時用磁場磁力平衡點(diǎn)偏移來對抗。但由于流場處于經(jīng)常性的擾動狀態(tài)，擾動產(chǎn)生的流場力Fq必須由隨動控制的電磁力抵消。

2.電磁力的產(chǎn)生方式

在大多數(shù)全磁懸浮離心泵中，作用于轉(zhuǎn)子的電磁力是由專門的磁懸浮線圈通過饋電產(chǎn)生。在“萬峰離心泵”沒有專門設(shè)置產(chǎn)生控制電磁力的電磁線圈。磁懸浮力的產(chǎn)生是由兩側(cè)定子的磁引力合成的。當(dāng)一側(cè)定子驅(qū)動線圈饋電加強(qiáng)時，該側(cè)定子對轉(zhuǎn)子的磁引力減小，饋電下降時磁引力將增大。因此，可以通過調(diào)節(jié)兩側(cè)定子線圈的饋電電流來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置的軸向調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)的基本過程為：傳感器感知轉(zhuǎn)子軸向位置偏移方向和偏移量，轉(zhuǎn)變?yōu)檎嚓P(guān)的電信號傳遞給控制電路，控制電路通過平衡點(diǎn)比較，決定向一側(cè)線圈饋電電流增大，對側(cè)線圈饋電電流減小，兩側(cè)定子引力的改變，使轉(zhuǎn)子承受軸向磁力，可對抗轉(zhuǎn)子軸向位移。

3.實(shí)驗(yàn)方法與結(jié)果

3.1 材料與方法

為了驗(yàn)證上述控制方案的可實(shí)施性，本研究設(shè)計(jì)了“萬峰離心泵”轉(zhuǎn)子懸浮模型，并應(yīng)用模型對轉(zhuǎn)子的懸浮狀態(tài)進(jìn)行了實(shí)際觀察（圖2）。

圖2.“萬峰離心泵”轉(zhuǎn)子懸浮實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

當(dāng)定子A的驅(qū)動線圈饋電增大時，定子A對轉(zhuǎn)子的軸向引力減小，由于定子B對轉(zhuǎn)子引力不變，所以轉(zhuǎn)子所受的軸向力將指向轉(zhuǎn)子B，該軸向力可對抗轉(zhuǎn)子向定子A方向的位移。當(dāng)轉(zhuǎn)子出現(xiàn)向B的位移時，可通過減小A驅(qū)動線圈的饋電電流來改變轉(zhuǎn)子所受的軸向力。由此可見，通過調(diào)節(jié)A，B兩定子驅(qū)動線圈的饋電電流及差值即可實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)子軸向受力方向及大小的調(diào)節(jié)，從而保證轉(zhuǎn)子軸向位置不變。

本實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?，轉(zhuǎn)子直徑，轉(zhuǎn)子中孔直徑，轉(zhuǎn)子厚度。定子鐵芯直徑，定子鐵芯厚度，驅(qū)動線圈為25匝。模型尺寸與“萬峰離心泵”原型機(jī)樣機(jī)保持一致。轉(zhuǎn)子端面與A，B定子端面的距離可調(diào)節(jié)，以觀察在不同懸浮間隙條件下轉(zhuǎn)子的懸浮穩(wěn)定性。

3.2 結(jié)果

在雙側(cè)定子線圈饋電為0時，轉(zhuǎn)子軸向位置不定，不能穩(wěn)定地懸浮在軸向中點(diǎn)。在A側(cè)定子懸浮間隙>0.5mm的條件下，定子線圈饋電后轉(zhuǎn)子不能順利起動旋轉(zhuǎn)。但在起動時將A側(cè)定子懸浮間隙設(shè)定在<0.5mm的條件下，定子線圈饋電后轉(zhuǎn)子可以起動旋轉(zhuǎn)，且隨著懸浮間隙減小轉(zhuǎn)子起動電流越小。當(dāng)兩側(cè)定子線圈同時饋電時，電機(jī)轉(zhuǎn)速與饋電電壓成正比，關(guān)系曲線見圖3。

圖3.轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子線圈饋電電流的相關(guān)關(guān)系

定子A側(cè)的懸浮間隙由霍爾輸出電壓確定，B側(cè)懸浮間隙由總懸浮間隙減去A側(cè)懸浮間隙的值推算。在不同轉(zhuǎn)速條件下，兩側(cè)懸浮間隙的大小均與兩側(cè)定子線圈的饋電電流相關(guān)。轉(zhuǎn)速為7000r/min條件下，霍爾信號電壓與A、B兩側(cè)定子線圈的饋電電流的相關(guān)關(guān)系見表2。

表2.霍爾信號電壓與A,B兩側(cè)定子線圈的饋電電流的相關(guān)關(guān)系

3.3 討論

本實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膶?shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：在靜止條件下，旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的轉(zhuǎn)子可以同時實(shí)現(xiàn)徑向和軸向磁懸浮，表明“萬峰離心泵”的全磁懸浮控制策略可行。本實(shí)驗(yàn)沒有測定懸浮轉(zhuǎn)子的抗干擾能力，需要在進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)中定量測定轉(zhuǎn)子的懸浮剛度。以進(jìn)一步提高全磁懸浮狀態(tài)的穩(wěn)定性。但全磁懸浮的穩(wěn)定性需要根據(jù)臨床應(yīng)用實(shí)際需要設(shè)置。磁懸浮控制系統(tǒng)的儲備能力在缺乏臨床應(yīng)用資料比較分析的條件下不能合理確定。

美國的“HeartWare HVAD”及“HeartMate 3”離心泵曾在臨床已有大量應(yīng)用，分析這些應(yīng)用結(jié)果對轉(zhuǎn)子懸浮控制策略的改進(jìn)和設(shè)計(jì)有非常大的價(jià)值[3-5]?！癏eartWare HVAD”及“HeartMate 3”離心泵體積重量基本相同，植入方式及臨床適應(yīng)證也相似。但兩種離心泵的臨床應(yīng)用效果差別卻比較大。從現(xiàn)在的臨床資料來看，“HeartMate 3”離心泵優(yōu)于“HeartWare HVAD”離心泵[6-8]。主要是血液相容性相關(guān)的并發(fā)癥發(fā)生率有明顯差異?！癏eartMate 3”的懸浮間隙較大，在0.5mm左右[9]。“HeartWare HVAD”由于采用流體動壓懸浮，懸浮間隙較小。雖然目前沒有公開的轉(zhuǎn)子懸浮間隙的數(shù)據(jù)，但根據(jù)實(shí)驗(yàn)的資料推斷，轉(zhuǎn)子懸浮間隙≤0.15mm。從理論上來看，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和線速度相同的情況下，血液承受的機(jī)械剪切力與懸?。羟校╅g隙的大小呈反相關(guān)，即剪切（懸?。╅g隙越大，剪切力越小?！癏eartMate 3”離心泵對血液的剪切損傷應(yīng)該小于“HeartWare HVAD”。

盡管流體動壓懸浮對血液成分破壞較為嚴(yán)重，但其應(yīng)用也有一定的優(yōu)點(diǎn)。首先是不需要消耗控制系統(tǒng)能量，其次是懸浮力比磁懸浮力更強(qiáng)，懸浮剛度更大?！癏eartWare HVAD”工作狀態(tài)下的總能耗僅有5W左右，且與患者的運(yùn)動狀態(tài)無關(guān)?！癏eartMate 3”缺乏這方面的數(shù)據(jù)，但根據(jù)研究經(jīng)驗(yàn)推斷，在患者運(yùn)動的狀態(tài)下的功耗應(yīng)該遠(yuǎn)大于“HeartWare HVAD”。由于以上優(yōu)點(diǎn)，流體動壓懸浮仍然應(yīng)該成為轉(zhuǎn)子懸浮策略的選擇之一。“萬峰離心泵”將流體動壓懸浮作為“儲備懸浮”，可以大大地增強(qiáng)轉(zhuǎn)子在極端狀態(tài)下的懸浮穩(wěn)定性。

植入離心泵輔助裝置以后患者的體位和運(yùn)動狀態(tài)直接影響到離心泵的工作狀態(tài)。對于有機(jī)械軸的或流體動力懸浮離心泵來說，由于轉(zhuǎn)子的支撐或懸浮剛度比較大，這種運(yùn)動狀態(tài)的改變對離心泵工作狀態(tài)的影響可以忽略不記。但對于全磁懸浮離心泵來說，患者的運(yùn)動狀態(tài)對泵的工作狀態(tài)將有明顯的影響。由于轉(zhuǎn)子在患者加速運(yùn)動時產(chǎn)生方向相反的慣性力，因此可破壞先前建立的力學(xué)平衡條件，必須通過反饋調(diào)節(jié)以建立新的平衡，此時有源磁懸浮系統(tǒng)的工作張力增大從而導(dǎo)致能耗增加。在極端情況下，如果患者的加速度大于某一上限值，轉(zhuǎn)子將會懸浮失效而產(chǎn)生與泵內(nèi)壁的碰撞?！癏eartMate 3”離心泵目前沒有給出這種極限值，但理論上這種極限是肯定存在的。

為了減小有源磁懸浮控制系統(tǒng)的工作張力，可以通過患者的“行為調(diào)節(jié)”來避免轉(zhuǎn)子的懸浮失效。比如，在植入離心泵后患者要避免進(jìn)入較為劇烈的運(yùn)動狀態(tài)，比如體育運(yùn)動和乘坐有可能產(chǎn)生強(qiáng)烈顛簸的交通工具等。但是，這種限制可能因人而異，很難統(tǒng)一給出，但通過醫(yī)囑來限制患者的某些生活方式，卻是醫(yī)療實(shí)踐中常用的方法，比如，對糖尿病及高血脂患者的飲食限制等，是醫(yī)療實(shí)踐中經(jīng)常采用的“行為調(diào)節(jié)”，長期實(shí)踐表明也是可行的。由此可見，“萬峰離心泵”采用流體動力懸浮作為儲備來應(yīng)對極端情況，而在大部分情況下使離心泵處于全磁懸浮狀態(tài)，這種懸浮策略有很大的可行性。該懸浮策略既可以大大地降低離心泵可能帶來的并發(fā)癥，又可以避免血泵設(shè)計(jì)時引入過多的冗余結(jié)構(gòu)，特別有利于減小植入裝置的體積和重量，增加其可植入性。在患者謹(jǐn)遵醫(yī)囑的情況下，離心泵的能量消耗可以降到極低，極有利用長期植入應(yīng)用。由此可見“萬峰離心泵”的懸浮控制策略有進(jìn)一步探索研究的價(jià)值。