磁–液懸浮軸流泵心臟輔助裝置研制

　　目的：應用磁力和流體動(dòng)壓控制實(shí)現軸流泵葉輪的完全懸浮。

　　材料和方法：磁-液懸浮軸流泵由軸流泵泵筒，軸流葉輪，尾導葉葉片等組成。采用約束磁力限制旋轉葉輪的軸向位移，約束磁力由旋轉葉輪輪轂中的永磁體與軸流泵電機定子鐵芯之間通過(guò)磁相互作用產(chǎn)生，軸流旋轉葉輪的直徑小于軸流泵泵筒內徑，葉片外周與軸流泵泵筒內面之間形成動(dòng)壓間隙，當葉輪相對于軸流泵泵筒旋轉時(shí)動(dòng)壓間隙中的液體產(chǎn)生流體動(dòng)壓，約束葉輪的徑向位移。尾導葉葉片尾導葉葉片與軸流泵泵筒內壁固定聯(lián)接，由軸流泵泵筒內壁向中心伸出，無(wú)中心輪轂的機械聯(lián)接，使在這一區域形成血流通道有利于沖刷防止血栓形成。

　　結果：磁-液懸浮軸流泵樣機的直徑23mm,長(cháng)度65mm。在輸出壓力100mm汞柱條件下，泵轉速約14000轉/分時(shí)流量可達5升/分，在軸流葉輪轉速超過(guò)6000rpm使可實(shí)現穩定的磁葉懸浮，標準溶血指數達0.12g/100L 。結論：我們研制的磁液懸浮軸流泵的流體力學(xué)特性和血液相容性初步達到左心輔助的要求，可進(jìn)行動(dòng)物體內植入實(shí)驗觀(guān)察其長(cháng)期心臟輔助的效果。

　　旋轉葉輪泵式心臟輔助裝置近年來(lái)已廣泛應用于臨床，并取得了良好的治療效果。旋轉葉輪泵包括離心泵、軸流泵和混流泵，其基本原理是采用高速旋轉的葉輪驅動(dòng)血液流動(dòng)，傳統的結構設計旋轉葉輪采用機械軸支撐。目前的研究表明：在長(cháng)期應用時(shí)機械軸承易致血栓，支撐點(diǎn)的局部血流沖刷不良和摩擦產(chǎn)熱可能是重要原因，因此采用懸浮技術(shù)使葉輪在血流中懸浮旋轉，去除機械軸承是目前旋轉葉輪泵式心臟輔助裝置的一個(gè)改進(jìn)方向。采用磁– 液懸浮的HeartWare離心泵已應用于臨床，最近HeartWare 磁– 液懸浮微型軸流泵(MVAD™,HeartWare®, Inc.;Miramar, Fla) 也進(jìn)行了初步的動(dòng)物實(shí)驗。我們在先前研制的軸流泵基礎上探索了磁–液懸浮的可行性，本文介紹我們研制的磁– 液懸浮軸流泵的基本結構及特性。

　　1、材料方法

　　1.1、基本結構

　　我們研制的磁– 液懸浮軸流泵由軸流泵泵筒、軸流葉輪、永磁轉子、尾導葉及電磁定子等組成，軸流泵泵筒、尾導葉、軸流葉輪等元件的外表面經(jīng)過(guò)特殊涂層處理以增強表面硬度和血液相容性。軸流泵電機定子由環(huán)形矽鋼片疊成筒狀軸流泵電機定子鐵芯和筒狀的軸流泵電機定子繞組組成，鐵芯和繞組套置在軸流泵泵筒外。定子總成由環(huán)形的矽鋼片疊成定子筒，環(huán)繞泵管外壁。在泵管的外壁與定子筒內壁間的空隙內鑲嵌三相漆包線(xiàn)繞組，三相繞組順序通電時(shí)可產(chǎn)生與泵管同心的旋轉磁場(chǎng)，推動(dòng)“轉子– 葉輪體”旋轉。體外控制部分由電源電池和控制電路組成，控制電路的工作原理類(lèi)似于普通的無(wú)刷直流電動(dòng)機，泵轉速通過(guò)輸入電壓調節。目前軸流泵樣機的直徑23mm，長(cháng)度65mm。在軸流泵泵筒內的出口端設置尾導葉，尾導葉螺旋方向與葉輪葉片反向，以使出口血流的旋轉分量改變?yōu)檩S向流，提高效率。

圖1. 磁–液懸浮軸流泵樣機

圖2. 軸向約束力形成示意圖

圖3. 軸流葉輪磁–液懸浮狀態(tài)探測方法示意圖

　　1.1.1、軸向約束力形成原理

　　軸流葉輪的輪轂中容納永磁轉子，定子鐵芯與永磁轉子間的磁力限制軸流旋輪的軸向位移，使軸流葉輪在工作時(shí)受到的流體反作用力得到對抗，在沒(méi)有機械支撐的條件下將軸流葉輪約束于軸流泵泵筒內。調整轉子永磁體的強度以及定子鐵芯的幾何尺寸可使葉輪的軸向約束磁力達到適當大小。

　　當永磁轉子磁力中心Sc 與定子鐵芯的磁力中心Mc 位置不對應時(shí)，會(huì )有與位移方向相反的磁力Fm 作用于葉輪。設定子鐵心磁力中心Sc 與轉子磁力中心Mc 間的軸向距離為L(cháng)，則Fm 與L呈正相關(guān)，在工作狀態(tài)下測定移動(dòng)距離L 可確定L 與軸向懸浮力的數學(xué)關(guān)系，軸向約束力形成原理如圖2 所示。在葉輪處于工作狀態(tài)時(shí)磁場(chǎng)對轉子的軸向約束力Fm 可對抗血流作用于葉輪的反作用力。如是，轉子永磁體和定子鐵芯之間的磁力可用于葉輪的軸向磁懸浮控制。

　　1.1.2、徑向約束力形成

　　軸流葉輪的直徑小于軸流泵泵筒內徑，在旋轉葉輪的葉片外周圓弧面與軸流泵泵筒內面之間存在一定的間隙，此間隙為動(dòng)壓間隙。當葉輪相對于軸流泵泵筒內面高速旋轉時(shí)動(dòng)壓間隙中的液體產(chǎn)生流體動(dòng)壓，使葉片外周圓弧面與軸流泵泵筒內面脫離機械接觸，從而產(chǎn)生流體動(dòng)力懸浮作用，約束葉輪的徑向位移，如圖3 所示。改變葉片外周圓弧面的面積可產(chǎn)生不同的懸浮力，葉片外周圓弧面的面積越大，在同樣的動(dòng)壓間隙條件下懸浮力也越大。

　　1.1.3、磁–液懸浮軸流泵樣機的體外測試

　　體外模擬循環(huán)裝置與先前研究所采用的裝置相似，主要由模擬左，右心房，磁–液懸浮軸流泵，阻力調節器，流量計等部件串聯(lián)組成，用有機玻璃管順序連接以上部件。在血泵的出口和阻力調節器之間的管道中設置壓力傳感器，測定泵的輸出壓力和流量。通過(guò)調節模擬心房中液面高度調節泵的入口壓力。為了保證轉子與流體介質(zhì)及端面金屬觸點(diǎn)間的電學(xué)絕緣，采用調制的絕緣油脂作為循環(huán)介質(zhì), 當溫度恒定于37˚C，循環(huán)介質(zhì)的相對粘滯度為4.2，與與全血粘制度相近。

　　如圖3 所示，用導電金屬軸通過(guò)滑動(dòng)觸點(diǎn)使軸流葉輪與探測電路連通，軸流葉輪可沿軸向前、后滑動(dòng)。軸流泵泵筒引出另一端導線(xiàn)與探測電源及探測電流表連接。當軸流葉輪處于非懸浮狀態(tài)時(shí)，由于重力的作用，葉輪靠軸流泵壁支撐，形成通過(guò)軸流葉輪體的導電回路，此時(shí)電流表將顯示有電流流過(guò)。當軸流葉輪驅動(dòng)流體介質(zhì)流動(dòng)受到反作用力推動(dòng)時(shí)，可滑過(guò)間隙向前端移動(dòng)。同時(shí)由于葉輪高速旋轉，在動(dòng)壓間隙內形成徑向力，使葉片外周圓弧面與軸流泵筒內壁脫離接觸，由于該間隙內液體絕緣，導電回路斷開(kāi)。由此可通過(guò)測定回路中的電流來(lái)確定葉輪旋轉體的徑向懸浮狀態(tài)。當回路導通時(shí)說(shuō)明葉輪體與軸流泵筒內壁接觸，懸浮失效。相反，當回路保持斷開(kāi)表明無(wú)機械接觸，葉輪體處于懸浮狀態(tài)�；芈酚蓪�通轉變?yōu)閿嚅_(kāi)時(shí)的葉輪負荷狀態(tài)和轉速即反映流體動(dòng)力懸浮作用的最大負荷承受能力。

　　結論

　　我們研制的磁液懸浮軸流泵的流體力學(xué)特性和血液相容性初步達到左心輔助的要求，可進(jìn)行動(dòng)物體內植入實(shí)驗階段以觀(guān)察其長(cháng)期心臟輔助的效果。