一种不跳动的机电心脏设计

2010-01-19 20:58:40来源: 互联网

  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。

  

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关键字:MATLAB  Simulink软件  机电心脏

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/medical_electronics/2010/0119/article_968.html
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