一種不跳動的機(jī)電心臟

盡管人工心臟成功延長了一些心臟病人的生命，但一直存在的幾個設(shè)計缺陷仍然限制了它們的使用。目前，這些電動機(jī)械心臟所依靠的是容積血泵，而容積血泵的體積過于龐大。這些血泵的確很大，甚至連最新式的自行運(yùn)作心臟都不能夠輕易地裝入較小的胸腔中。另外，容積血泵具有的運(yùn)動、循環(huán)加載部件也比工程師考慮到穩(wěn)定性所希望看到的要多。德克薩斯心臟研究所正在研發(fā)的一種新型機(jī)電心臟，將采用一種不同的血液泵和不同的精密控制算法，恰好就能夠解決這兩個問題。

與采用一個容積血泵來模仿一顆自然心臟的跳動不同，德克薩斯心臟研究所的全人工心臟(TAH)設(shè)計采用的是一對連續(xù)流動軸流泵。一個肺部循環(huán)泵把缺氧血液輸送到肺臟并把充氧血液帶回到心臟;而一個全身循環(huán)泵則把充氧血液從心臟輸送到全身并把去氧血液再送回到心臟。使用一個控制器，就能夠讓兩個血泵協(xié)力工作，并可以根據(jù)一個血泵和生理需求的變化來調(diào)節(jié)另一個血泵的輸出。

據(jù)德克薩斯心臟研究所心臟支持中心的技術(shù)副主任Steve Parnis說，這兩個連續(xù)流動軸流泵，實(shí)際上就是MicroMed心血管公司出品的、被改作他用的DeBakey心室輔助裝置。一般情況下，心室輔助裝置(VAD)所起的作用就像其名字所說的那樣，是用來輔助自然心臟完成泵血功能的。“但在這里，這兩個心室輔助裝置會完全替代自然的心室，” Parnis說。

這種創(chuàng)新想法的出現(xiàn)已經(jīng)有幾年的時間了。在2006年，德克薩斯心臟研究所研究主任兼心肺移植主任Bud Frazier博士發(fā)表了幾篇有關(guān)連續(xù)流動全人工心臟的論文。在2008年，美國國立衛(wèi)生研究院獎勵給德克薩斯心臟研究所280萬美元款項(xiàng)來資助連續(xù)流動心臟的設(shè)計，這時，他的這一想法又向臨床實(shí)踐靠近了一步。

在一項(xiàng)全人工心臟應(yīng)用中，心室輔助裝置具有多種應(yīng)用優(yōu)勢。其一，它們的體積只有一枚C電池大小，而一個自足式搏動血流泵卻是一個兩磅重的鈦與塑料厚塊。“心室輔助裝置將適合于大多數(shù)病人，而只有少數(shù)病人適合使用現(xiàn)在的搏動血流泵，” Parnis說。

其二，心室輔助裝置具有可靠的臨床跟蹤記錄。據(jù)MicroMed公司的首席運(yùn)營官、協(xié)助開發(fā)原始DeBakey心室輔助裝置模型的工程師之一Bob Benkowski說，現(xiàn)在大約有500個DeBakey心室輔助裝置正在被使用。“它們已經(jīng)工作八年了，”他說。并且他把這種穩(wěn)定性部分上歸功于MicroMed公司軸流泵的簡潔性，這種軸流泵唯一的運(yùn)動部件葉輪，是直接由電動繞組來驅(qū)動的。

Parnis認(rèn)為，即使是最現(xiàn)代的容積血流泵，其使用壽命也就是兩年;容積泵搏動所產(chǎn)生的循環(huán)加載狀態(tài)在軸流泵上是不會出現(xiàn)的。他補(bǔ)充說，連續(xù)流動泵所需要的電力和成本可能還會低于更加復(fù)雜的搏動血流泵。如果兩個連續(xù)流動的心室輔助裝置就能組成一個如此偉大的全人工心臟，為什么迄今為止還沒有得到應(yīng)用呢?這是因?yàn)椋鼈內(nèi)詫⑿枰罅康目刂破鞴こ虂硗瓿蓮淖匀恍呐K輔助到全人工心臟替代的跨越。

一種新型的全人工心臟概念，利用一對如上圖一樣的小型軸流泵，讓血液通過人體的全身循環(huán)和肺部循環(huán)流動。一個心室輔助裝置用來進(jìn)行血液在人體全省中的流動，而另一個則用來讓血液進(jìn)出肺臟。通常情況下，這些血流泵是被用作心室輔助裝置來輔助自然心臟的。

而這正是Matthew Franchek和Ralph Metcalfe的工作職責(zé)所在，他們兩位都是機(jī)械工程師，擁有博士學(xué)位，同時還是休斯敦大學(xué)Cullen工程學(xué)院的教授。作為美國國立衛(wèi)生研究院專項(xiàng)資金資助工作的一部分，他們正合力進(jìn)行能允許兩個心室輔助裝置作為一個全人工心臟協(xié)力合作的一種反饋控制器的研究工作。該所大學(xué)的研究者們曾協(xié)助開發(fā)過汽車應(yīng)用中類似的自動調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，他們中的大多數(shù)人現(xiàn)在正在為Cummins Engine公司研制一種柴油引擎的自動調(diào)節(jié)器。

從某些方面來說，F(xiàn)ranchek與Metcalfe，因?yàn)椴捎贸墒斓男氖逸o助裝置技術(shù)，是最早開始控制器開發(fā)工作的人員。MicroMed公司的心室輔助裝置已經(jīng)具有自己的控制器。Benkowski把這些控制器描述成為反饋控制器，這種控制器利用超聲波傳感器來進(jìn)行實(shí)際流量的測量，并把實(shí)際流量與理想的流量輸出進(jìn)行對比，而后生成一種適切的脈寬調(diào)制控制信號來調(diào)節(jié)葉輪的轉(zhuǎn)速。

但是，這兩位工程學(xué)教授仍然有分配給他們的工作要做。通常來說，心室輔助裝置是作為殘留自然心臟的輔助支持而獨(dú)立工作的。而在全人工心臟中，它們必須密切協(xié)作來模仿一顆自然心臟左右心室的平衡流動。Franchek說：“讓兩個血流泵配對聯(lián)合使用就必須要面對一個復(fù)雜多變的控制問題。每一血流泵的負(fù)載狀態(tài)和流量輸出都會影響到另一個血流泵的負(fù)載狀態(tài)和流量輸出。”

人工心臟控制器還必須把這些相關(guān)的流量和負(fù)載狀態(tài)，包括入口壓力和流出阻力，與人體的變化需求緊密地聯(lián)系在一起。Franchek說，站立或行走等日?；顒訒淖兞髁亢拓?fù)載狀態(tài)。血管限制、高血壓或血液粘稠度的變化等心血管事件和不同病人間內(nèi)在的生理差異也會影響到流量和負(fù)載狀態(tài)。“我們所面臨的挑戰(zhàn)是，無論生理狀態(tài)因?yàn)槭裁丛虺霈F(xiàn)波動，我們都必須保持一個穩(wěn)定狀態(tài)的心臟輸出，” Franchek說。

軸流泵的出現(xiàn)正好可以滿足這種需求。在反饋控制器的協(xié)助下，它們可以進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，因?yàn)槠淞髁枯敵鰧θ肟趬毫土鞒鲎枇Χ挤浅Ｃ舾?。Benkowski說，這種心室輔助裝置血流泵葉輪幾何形狀和血液流管的結(jié)構(gòu)設(shè)計可以盡量與全人工心臟應(yīng)用的最優(yōu)流動壓力行為相適應(yīng)。“我們可以改變這些血流泵的壓力敏感度，讓控制算法工作起來稍微容易一些，”他說。

資料來源：德克薩斯心臟研究所

一個積分控制器能夠讓兩個軸流泵協(xié)同工作，同時還可以根據(jù)生理狀態(tài)的變化自動調(diào)節(jié)其輸出流量。這種控制器的算法中結(jié)合了一種循環(huán)系統(tǒng)動態(tài)行為的數(shù)學(xué)模型。感測值被從理想值中減掉以便產(chǎn)生誤差信號，而誤差信號會通過控制器得以放大。

與此同時，這些控制算法將基于一個模擬積分控制器來實(shí)施，該控制器被用來測量實(shí)際的輸出流量，并把它與理想流量值進(jìn)行對比從而對電壓做出相應(yīng)調(diào)整。Franchek和Metcalfe為該應(yīng)用選擇了一個看似簡單的積分控制策略，因?yàn)樗谄鋭討B(tài)行為既好理解且又具有合作瞬變特點(diǎn)的系統(tǒng)中，在維持系統(tǒng)的狀態(tài)穩(wěn)定方面表現(xiàn)非常突出。既然生理狀態(tài)會對血流泵狀態(tài)產(chǎn)生影響，理解這種動態(tài)行為就不會是一件容易的事。并且，美國國立衛(wèi)生研究院資助下的控制器的大部分開發(fā)工作都與創(chuàng)建一個人體循環(huán)系統(tǒng)的集中參數(shù)數(shù)學(xué)模型有關(guān)。據(jù)Franchek說，該模型將最終合并到全人工心臟的控制算法中(參見圖2，一個類似的控制器)。

Franchek說，他預(yù)計全人工心臟控制算法的初次通過要到今年夏天。“現(xiàn)在，我們才剛剛開始這些控制器的設(shè)計制造，”他說。并且，仍然存在一些有關(guān)血流泵如何運(yùn)作的重要決定需要去做。比如，研究者們需要決定，在一種半搏動狀態(tài)下，是讓一個血流泵運(yùn)作呢還是兩個都要運(yùn)作。Franchek說，如果需要，為了模擬自然心臟的搏動行為，泵電機(jī)可以很容易地“轉(zhuǎn)動起來和停止下來”。其他的開發(fā)工作還包括為系統(tǒng)增加血液粘稠度監(jiān)控的可能性。“我們相信，從流量測量和電壓信號中，我們能夠有效地推斷出血液的粘稠度，” Franchek說。

現(xiàn)在，他和Metcalfe正在利用多種仿真工具開展開發(fā)工作。MATLAB和Simulink軟件正在被他們用來開發(fā)數(shù)學(xué)模型。他們還正在dSPACE(一套機(jī)電一體化系統(tǒng)的開發(fā)工具)中，模擬最后的控制算法并制作控制器硬件的原型。Franchek說，他希望控制器的第一個版本能夠在今年夏天的某個時間問世。