在前兩部分中，我們探討了心力衰竭的嚴峻形勢以及長期可植入左心室輔助設備（LVAD）的技術發(fā)展歷程，特別是懸浮技術的核心創(chuàng)新與突破。從磁懸浮到液力懸浮，再到混合懸浮技術，每一次技術進步都顯著提升了LVAD設備的性能和患者的治療效果。然而，懸浮技術只是LVAD技術體系中的一個關鍵環(huán)節(jié)，要全面評估LVAD的整體性能，還需要深入了解其核心部件以及相應的評價指標。

LVAD的核心部件包括電機、生理控制、血液相容性設計以及體外實驗驗證等。這些部件的性能不僅決定了LVAD的運行效率和穩(wěn)定性，還直接影響到患者的長期預后和生活質量。例如，電機的懸浮性能和控制精度、生理控制的精準性、血液相容性的優(yōu)化以及體外實驗的科學性，每一個環(huán)節(jié)都至關重要。在本部分中，我們將深入剖析這些核心部件的技術細節(jié)和評價指標，探討它們如何共同作用，推動LVAD技術的持續(xù)進步。

LVAD核心部件及評價指標

一

電機

常規(guī)的微型電機技術不復雜，日常生活應用較多的電動牙刷、吹風機、無人機的電機都能做到幾厘米的超小體積，幾萬轉速的輸出，但是這些電機不能直接應用于人工心臟泵中。首先，常規(guī)電機需要軸承支承，但軸承與轉子間的機械摩擦、磨損微粒脫落會對血液帶來極大的風險。無軸承電機的出現(xiàn)解決了上述問題，它僅靠磁懸浮機制即可讓轉子穩(wěn)定懸浮在泵室中工作，但這也引出了第二個關鍵問題能否保證優(yōu)秀的懸浮性能，懸浮性能對第三代磁懸浮人工心臟泵的工作穩(wěn)定性和醫(yī)療效果至關重要，能否為血液創(chuàng)造一條穩(wěn)定、可靠的寬血流通道，來保證血液相容性。同樣對于電機控制算法的控制精度也是一個考驗。

磁懸浮電機根據(jù)懸浮力產(chǎn)生方式可分為電磁懸浮、永磁懸浮和混合磁力懸浮三種方式。

• 電磁懸浮通過線圈繞組產(chǎn)生可控電磁懸浮力，缺點是電磁結構和控制算法復雜，需要額外的位置檢測元件、功率器件及控制器。

• 永磁體被動懸浮通過磁體間的相互作用力實現(xiàn)懸浮，雖然結構簡單，但磁力不可控。

• 混合磁力懸浮結合了電磁主動懸浮和永磁被動懸浮的優(yōu)點，既簡化了結構，又能對懸浮穩(wěn)定性進行主動控制。

在血泵磁懸浮方案中，由于穩(wěn)定性的要求和體積的限制，混合磁力懸浮的方案得到了廣泛應用。

軸流式、離心式以及混流式磁懸浮血泵的區(qū)別如下：

• 離心式血泵的流量較低,升壓較高,而軸流式血泵的流量比離心式血泵的流量高,轉速高,而升壓較低;

• 軸流式血泵結構較離心式血泵而言更加緊湊,其尺寸更小,能夠更好地植入于體內;
  
• 混流式血泵作為離心式血泵與軸流式血泵的綜合,結合了兩種血泵的結構特點,但結構復雜。

葉輪為主要的做功部件,通過高速旋轉做功以加速血液的流動,血液的動能在葉輪中不斷增加,直至被甩出葉輪區(qū)。(a)為閉式葉輪,其泵血效率最高,但是加工困難；(b)所示的半開式葉輪加工簡單,工作效率優(yōu)于開式葉輪,并且其對血液的破壞也較低；(c)所示的開式葉輪其結構最為簡單,不易產(chǎn)生堵塞,但是泄漏量較大,泵血的效率不高。

葉片曲率、形狀、數(shù)量、尾緣厚度，開式／半開葉輪以及葉片出口寬度度對血泵內剪切力和效率均有影響。

血泵葉輪時刻受到磁、液、電等多場耦合作用，葉輪的懸浮穩(wěn)定性分析及控制研究對提高血泵運行穩(wěn)定性具有至關重要的作用。

生理控制

目前大部分研究僅從血流動力學特性（如血壓、血流量、心率）中選取一項來設計生理控制方法，而沒有考慮各個因素的綜合影響。然而提高系統(tǒng)血液搏動性、動態(tài)性能和預防抽吸、反流對于提升人工心臟泵的輔助水平，提高植入患者的生活質量至關重要。

目前的研究是基于血泵連續(xù)流運行模式開展的，而通過葉輪轉速調控增加血泵主動脈的脈動性的工況更加復雜，對血泵脈動流工況下生理特征變化進行研究是必要的，分析葉輪調控對各指標的影響規(guī)律，并通過多目標優(yōu)化控制進一步改善血泵輔助效果。

血液相容性

血液損傷是人工心臟臨床應用的最大挑戰(zhàn)。 血液通過血泵進行循環(huán)流動時,葉輪高速旋轉所產(chǎn)生的應力遠高于體內心血管系統(tǒng)產(chǎn)生應力,從而導致紅細胞破裂、血小板激活、血管性血友病因子 ( von Willebrand factor, vWF )降解,引發(fā)胃腸道出血、中風等并發(fā)癥。

基于溶血估算模型開展流體動力學仿真可以指導人工心臟泵優(yōu)化結構參數(shù)，進而提高溶血性能。目前大部分溶血優(yōu)化的流體動力學仿真僅針對恒定轉速工況，然而人工心臟泵在進行生理控制時轉速是變化的，這就要求開展脈動變速調制下人工心臟泵流場仿真分析。溶血實驗比建模仿真更有說服力。

VAD 作為與血液直接接觸的醫(yī)療設備,其表面性質對血液相容性具有重要影響。 生物涂層能夠模擬人體內皮細胞表面特性,降低溶血和血栓形成風險,類金剛石涂層、肝素涂層等生物涂層材料已被廣泛應用于 VAD 中。

體外設計及實驗驗證

一

CFD 評估方法研究

目前國內外關于人工心臟泵的研究當中，主要通過設計不同的人工心臟泵的結構和參數(shù)， 利用仿真來研究的泵內流場的分布情況以及溶血性能。通過實驗的方法對人工心臟泵的性能進行測試，能夠獲得較為準確的結果。計算流體動力學（CFD）仿真應用于人工心臟泵結構參數(shù)的設計和優(yōu)化中，可以減少實體模型的加工次數(shù)。通過仿真，對模型的結構參數(shù)不斷地調整，直至得到一套性能較好的優(yōu)化模型，然后將優(yōu)化后的模型加工出來，通過實驗對仿真模型進行驗證，不僅縮短了研究周期，還降低研究成本。

二

血泵體外臺架實驗研究進展

體外血液相容性測試是血泵臨床應用前性能評價的關鍵步驟。Liu等研究了非生理剪切 應力 ( non-physiological Shear stress, NPSS) 對紅細胞的損傷及其在不同臨床支持條件下血泵引起的相關生化指標變化。

研究發(fā)現(xiàn)，350mmHg 壓頭下血泵產(chǎn)生的剪切應力高于 100mmHg，導致血漿游離血紅蛋白增加, 膽固醇上升, 而葡萄糖和NO下降。350mmHg 條件下，血漿鐵和甘油三酯濃度也顯著增加，紅細胞計數(shù)和形態(tài)、血漿乳酸脫氫酶和氧化應激在不同壓頭條件下差異不顯著,但血漿細胞外囊泡顯著增加。結果表明，NPSS 是紅細胞損傷的主要原因，而氧化應激影響較小。

MCL 是一種用于模擬人體血液循環(huán)系統(tǒng)的實驗裝置,通常由心臟模塊、血管模塊、流體介質、控制系統(tǒng)幾個主要部分組成,能夠模擬心臟的泵血功能、血管的阻力與順應性以及血液的流動特性,在評估血液接觸醫(yī)療設備(如 VAD、人工心臟瓣膜)方面具有重要作用。

三

粒子圖像測速實驗

粒子圖像測速(particle Image velocimetry, PIV)是一種瞬態(tài)、多點、無接觸式的流體力學測速方法。用激光照射散布在流場中的示蹤粒子并使用高速攝像機捕捉粒子圖像,分析粒子位移可以獲取流場速度分布。將其應用于血泵的設計中,可以幫助研發(fā)者更好了解流場特性,輔助血泵性能評估和優(yōu)化設計。

技術的發(fā)展永無止境。盡管當前的LVAD技術已經(jīng)取得了顯著的進步，但仍面臨諸多挑戰(zhàn)，例如如何進一步降低設備能耗、提高血液相容性、優(yōu)化懸浮穩(wěn)定性等。這些問題的解決將為LVAD技術的未來發(fā)展奠定堅實的基礎。在未來的研究和臨床應用中，我們需要持續(xù)投入研發(fā)資源，推動技術創(chuàng)新，同時加強臨床研究和患者教育，以確保LVAD技術能夠更好地服務于心力衰竭患者。感謝您關注“長期可植入左心室輔助設備行業(yè)研究”系列報告，讓我們共同期待這一領域的未來與希望。

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