[01121007]人工心脏泵的关键技术及应用

本项目研究对象人工心脏,可作为重症心衰患者的有效治疗方法和等待心脏移植的过渡治疗方法。项目旨在解决旋转式心脏泵在应用时需要解决的若干基础技术问题,包括旋转型血泵的小型化和微型化（可植入性）、血泵叶轮和轮盘的流线型设计（血液相溶性）、永磁磁悬浮技术的研究与应用（耐久性）、人工心脏用直线电机与驱动,以及基于生理参数检测的多目标生理控制（可靠性）等。项目创新性包括： 1、在前期将叶轮血泵重量降至110克的基础上,本项目通过对血泵驱动电机的内部磁路进行优化设计和提高血泵转速,进一步降低了血泵重量,并研制出几种规格的人造心脏瓣膜泵,其最小规格为外径21毫米、重27克,2004年已经被英国吉尼斯总部确认为世界最小最轻的心脏泵。人造心脏瓣膜泵没有进出口连接管,直接从心室输送血液到主动脉,不需要额外的解剖空间,不会对循环系统产生干扰,不容易产生血栓,被世界信息量最大的健康网站及美国宏观世界投资者网站（Macroworld Investor）重点报道。 2、本项目建立了血泵叶轮的三元流线解析方法,并采用计算流体动力学（CFD）及PIV方法,对项目组流线型叶轮内流场进行了理论分析和实验研究。结果表明,与国外普遍使用的的直叶片设计方法相比,本项目的流线型设计方法能够大大减少泵内不规则流动,从而可以减少对红细胞的破坏,提高了血泵的抗溶血性能。被誉为国际人工心脏摇篮的美国盐湖城犹太大学医学工程研究所所长OLSEN教授称三元解析设计血泵叶轮的方法是“耳目一新的（informative）”、“可信的（convincing）”、“理想的（ideal）”。 本项目组通过特殊的扭曲叶片设计,通过选择合适的扭曲角度,使血细胞在叶轮转速交替变化时,绝对速度只改变方向,大小基本不变。实验表明,搏动流叶轮血泵的溶血指标（IH=0.020）比非搏动流叶轮血泵（IH=0.015）只有轻微增加,完全在允许的范围内（IH=0.10）,相关论文在1996年东京召开的第4届国际旋转泵学术研讨会上被安排在东道主日本和人工心脏研究超强美国之前,在开幕式第一个大会宣读。世界最大的美国血泵公司COBE老总表示搏动流叶轮血泵“具有有趣的新思想和有价值的经验”。 3、本项目在发明永磁磁悬浮轴承的基础上,进一步将该技术应用于人工心脏泵设计,研制出多种径向和轴向驱动的永磁磁悬浮离心式单心泵和双心泵,实现了血泵的超静音、长寿命运转。与传统的电磁磁悬浮技术不同,该血泵不需要额外的电磁铁、不需要转子测量及反馈控制系统,减少了装置的体积和重量,无须消耗额外的电能。2007年在南京航空航天大学举办的全国第二届磁轴承研讨会上,永磁磁悬浮心脏泵得到了专家学者的3A级最高评分,相关论文被认为“很有创意和新意”。美国主动脉反搏气囊泵（人工心脏泵的前身）的发明人TOPAZ更赞誉永磁悬浮心脏泵“领先国际竞争者不知有多远”。国际最权威的美国人工内脏杂志因此热情邀请本项目负责人担任唯一的外籍编委。相关论文在美国人工内脏第33届年会上发表时引起关注,被誉为“代表人工心脏研究的方向”,人民日报在头版二条加框报道,国际人工心脏之父KOLFF博士当场手写邀请信,邀请本申请团队的主要成员到犹太大学访问并作学术报告。 4、本项目为满足容积式人工心脏泵的应用要求,对新型直线容错式永磁电机及其控制从理论到实践进行了较为深入、系统、全面的研究,取得一系列原创性研究成果。建立了高可靠性人工心脏直线驱动系统的基本设计方法,提出了多种直线容错式电机拓扑结构,研究了控制策略,为该类电机在高可靠性直线驱动领域的应用奠定了理论与技术基础。 5.本项目提出了人工心脏用新型磁力丝杠集成作动系统,在继承分数槽集中绕组永磁电机高效率、高功率密度等诸多优点的基础上,更兼具磁力丝杠的高推力密度。解决了已有电机,推力密度低、谐波含量高的难题。取得的成果有：设计三角形-星形绕组,减小磁动势谐波含量;优化永磁体分段,降低涡流损耗;设计Halbach聚磁式磁力丝杠永磁阵列,提升作动系统推力密度;提出分段式永磁体设计方法,解决磁力丝杠螺旋形永磁阵列的加工难题。 6、针对临床上的定转速控制方式容易导致并发症的现状,本项目建立高可靠性的心脏泵变转速控制系统,提高系统血流的搏动性,实现了心脏泵辅助过程中容易出现的抽吸和反流的抑制,改善心动周期各相的血液动力学性能,降低旋转式心脏泵的并发症,为其长期应用提供技术支持。在生理参数检测中,本项目采用神经网络技术实现无创检测,利用血泵电机驱动参数直接换算血泵的流量和压力,进而对血泵的输出参数进行控制,检测精度均达到95%以上,并且实现了项目组利用电压补偿的方式,把恒压或恒转速血泵扬程每变化10mmHg使流量改变1L/min的灵敏度,提高到扬程每变化2mmHg使血泵流量改变1L/min,接近人体自然心室大约1mmHg对应1L/min,提高了心室辅助泵受体的舒适性。