采用不血液泵和精密控制算法实现新型机电心脏的设计

尽管人工心脏成功延长了一些心脏病人的生命，但一直存在的几个设计缺陷仍然限制了它们的使用。目前，这些电动机械心脏所依靠的是容积血泵，而容积血泵的体积过于庞大。这些血泵的确很大，甚至连最新式的自行运作心脏都不能够轻易地装入较小的胸腔中。另外，容积血泵具有的运动、循环加载部件也比工程师考虑到稳定性所希望看到的要多。德克萨斯心脏研究所正在研发的一种新型机电心脏，将采用一种不同的血液泵和不同的精密控制算法，恰好就能够解决这两个问题。

与采用一个容积血泵来模仿一颗自然心脏的跳动不同，德克萨斯心脏研究所的全人工心脏（TAH）设计采用的是一对连续流动轴流泵。一个肺部循环泵把缺氧血液输送到肺脏并把充氧血液带回到心脏；而一个全身循环泵则把充氧血液从心脏输送到全身并把去氧血液再送回到心脏。使用一个控制器，就能够让两个血泵协力工作，并可以根据一个血泵和生理需求的变化来调节另一个血泵的输出。

据德克萨斯心脏研究所心脏支持中心的技术副主任Steve Parnis说，这两个连续流动轴流泵，实际上就是MicroMed心血管公司出品的、被改作他用的DeBakey心室辅助装置。一般情况下，心室辅助装置（VAD）所起的作用就像其名字所说的那样，是用来辅助自然心脏完成泵血功能的。“但在这里，这两个心室辅助装置会完全替代自然的心室，” Parnis说。

这种创新想法的出现已经有几年的时间了。在2006年，德克萨斯心脏研究所研究主任兼心肺移植主任Bud Frazier博士发表了几篇有关连续流动全人工心脏的论文。在2008年，美国国立卫生研究院奖励给德克萨斯心脏研究所280万美元款项来资助连续流动心脏的设计，这时，他的这一想法又向临床实践靠近了一步。

在一项全人工心脏应用中，心室辅助装置具有多种应用优势。其一，它们的体积只有一枚C电池大小，而一个自足式搏动血流泵却是一个两磅重的钛与塑料厚块。“心室辅助装置将适合于大多数病人，而只有少数病人适合使用现在的搏动血流泵，” Parnis说。

其二，心室辅助装置具有可靠的临床跟踪记录。据MicroMed公司的首席运营官、协助开发原始DeBakey心室辅助装置模型的工程师之一Bob Benkowski说，现在大约有500个DeBakey心室辅助装置正在被使用。“它们已经工作八年了，”他说。并且他把这种稳定性部分上归功于MicroMed公司轴流泵的简洁性，这种轴流泵唯一的运动部件叶轮，是直接由电动绕组来驱动的。

Parnis认为，即使是最现代的容积血流泵，其使用寿命也就是两年；容积泵搏动所产生的循环加载状态在轴流泵上是不会出现的。他补充说，连续流动泵所需要的电力和成本可能还会低于更加复杂的搏动血流泵。如果两个连续流动的心室辅助装置就能组成一个如此伟大的全人工心脏，为什么迄今为止还没有得到应用呢？这是因为，它们仍将需要大量的控制器工程来完成从自然心脏辅助到全人工心脏替代的跨越。

一种新型的全人工心脏概念，利用一对如上图一样的小型轴流泵，让血液通过人体的全身循环和肺部循环流动。一个心室辅助装置用来进行血液在人体全省中的流动，而另一个则用来让血液进出肺脏。通常情况下，这些血流泵是被用作心室辅助装置来辅助自然心脏的。

而这正是Matthew Franchek和Ralph Metcalfe的工作职责所在，他们两位都是机械工程师，拥有博士学位，同时还是休斯敦大学Cullen工程学院的教授。作为美国国立卫生研究院专项资金资助工作的一部分，他们正合力进行能允许两个心室辅助装置作为一个全人工心脏协力合作的一种反馈控制器的研究工作。该所大学的研究者们曾协助开发过汽车应用中类似的自动调节控制系统，他们中的大多数人现在正在为Cummins Engine公司研制一种柴油引擎的自动调节器。

从某些方面来说，Franchek与Metcalfe，因为采用成熟的心室辅助装置技术，是最早开始控制器开发工作的人员。MicroMed公司的心室辅助装置已经具有自己的控制器。Benkowski把这些控制器描述成为反馈控制器，这种控制器利用超声波传感器来进行实际流量的测量，并把实际流量与理想的流量输出进行对比，而后生成一种适切的脉宽调制控制信号来调节叶轮的转速。

但是，这两位工程学教授仍然有分配给他们的工作要做。通常来说，心室辅助装置是作为残留自然心脏的辅助支持而独立工作的。而在全人工心脏中，它们必须密切协作来模仿一颗自然心脏左右心室的平衡流动。Franchek说：“让两个血流泵配对联合使用就必须要面对一个复杂多变的控制问题。每一血流泵的负载状态和流量输出都会影响到另一个血流泵的负载状态和流量输出。”

人工心脏控制器还必须把这些相关的流量和负载状态，包括入口压力和流出阻力，与人体的变化需求紧密地联系在一起。Franchek说，站立或行走等日常活动会改变流量和负载状态。血管限制、高血压或血液粘稠度的变化等心血管事件和不同病人间内在的生理差异也会影响到流量和负载状态。“我们所面临的挑战是，无论生理状态因为什么原因出现波动，我们都必须保持一个稳定状态的心脏输出，” Franchek说。

轴流泵的出现正好可以满足这种需求。在反馈控制器的协助下，它们可以进行自动调节，因为其流量输出对入口压力和流出阻力都非常敏感。Benkowski说，这种心室辅助装置血流泵叶轮几何形状和血液流管的结构设计可以尽量与全人工心脏应用的最优流动压力行为相适应。“我们可以改变这些血流泵的压力敏感度，让控制算法工作起来稍微容易一些，”他说。

一个积分控制器能够让两个轴流泵协同工作，同时还可以根据生理状态的变化自动调节其输出流量。这种控制器的算法中结合了一种循环系统动态行为的数学模型。感测值被从理想值中减掉以便产生误差信号，而误差信号会通过控制器得以放大。

与此同时，这些控制算法将基于一个模拟积分控制器来实施，该控制器被用来测量实际的输出流量，并把它与理想流量值进行对比从而对电压做出相应调整。Franchek和Metcalfe为该应用选择了一个看似简单的积分控制策略，因为它在其动态行为既好理解且又具有合作瞬变特点的系统中，在维持系统的状态稳定方面表现非常突出。既然生理状态会对血流泵状态产生影响，理解这种动态行为就不会是一件容易的事。并且，美国国立卫生研究院资助下的控制器的大部分开发工作都与创建一个人体循环系统的集中参数数学模型有关。据Franchek说，该模型将最终合并到全人工心脏的控制算法中。

Franchek说，他预计全人工心脏控制算法的初次通过要到今年夏天。“现在，我们才刚刚开始这些控制器的设计制造，”他说。并且，仍然存在一些有关血流泵如何运作的重要决定需要去做。比如，研究者们需要决定，在一种半搏动状态下，是让一个血流泵运作呢还是两个都要运作。Franchek说，如果需要，为了模拟自然心脏的搏动行为，泵电机可以很容易地“转动起来和停止下来”。其他的开发工作还包括为系统增加血液粘稠度监控的可能性。“我们相信，从流量测量和电压信号中，我们能够有效地推断出血液的粘稠度，” Franchek说。

现在，他和Metcalfe正在利用多种仿真工具开展开发工作。MATLAB和Simulink软件正在被他们用来开发数学模型。他们还正在DSPACE（一套机电一体化系统的开发工具）中，模拟最后的控制算法并制作控制器硬件的原型。Franchek说，他希望控制器的第一个版本能够在今年夏天的某个时间问世。

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