一種不跳動(dòng)的機電心臟

盡管人工心臟成功延長(cháng)了一些心臟病人的生命，但一直存在的幾個(gè)設計缺陷仍然限制了它們的使用。目前，這些電動(dòng)機械心臟所依靠的是容積血泵，而容積血泵的體積過(guò)于龐大。這些血泵的確很大，甚至連最新式的自行運作心臟都不能夠輕易地裝入較小的胸腔中。另外，容積血泵具有的運動(dòng)、循環(huán)加載部件也比工程師考慮到穩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(gè)問(wèn)題。

與采用一個(gè)容積血泵來(lái)模仿一顆自然心臟的跳動(dòng)不同，德克薩斯心臟研究所的全人工心臟(TAH)設計采用的是一對連續流動(dòng)軸流泵。一個(gè)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(gè)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(gè)控制器，就能夠讓兩個(gè)血泵協(xié)力工作，并可以根據一個(gè)血泵和生理需求的變化來(lái)調節另一個(gè)血泵的輸出。

據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(shuō)，這兩個(gè)連續流動(dòng)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(shuō)的那樣，是用來(lái)輔助自然心臟完成泵血功能的。“但在這里，這兩個(gè)心室輔助裝置會(huì )完全替代自然的心室，” Parnis說(shuō)。

這種創(chuàng )新想法的出現已經(jīng)有幾年的時(shí)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)連續流動(dòng)全人工心臟的論文。在2008年，美國國立衛生研究院獎勵給德克薩斯心臟研究所280萬(wàn)美元款項來(lái)資助連續流動(dòng)心臟的設計，這時(shí)，他的這一想法又向臨床實(shí)踐靠近了一步。

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

其二，心室輔助裝置具有可靠的臨床跟蹤記錄。據MicroMed公司的首席運營(yíng)官、協(xié)助開(kāi)發(fā)原始DeBakey心室輔助裝置模型的工程師之一Bob Benkowski說(shuō)，現在大約有500個(gè)DeBakey心室輔助裝置正在被使用。“它們已經(jīng)工作八年了，”他說(shuō)。并且他把這種穩定性部分上歸功于MicroMed公司軸流泵的簡(jiǎn)潔性，這種軸流泵唯一的運動(dòng)部件葉輪，是直接由電動(dòng)繞組來(lái)驅動(dòng)的。

Parnis認為，即使是最現代的容積血流泵，其使用壽命也就是兩年;容積泵搏動(dòng)所產(chǎn)生的循環(huán)加載狀態(tài)在軸流泵上是不會(huì )出現的。他補充說(shuō)，連續流動(dòng)泵所需要的電力和成本可能還會(huì )低于更加復雜的搏動(dòng)血流泵。如果兩個(gè)連續流動(dòng)的心室輔助裝置就能組成一個(gè)如此偉大的全人工心臟，為什么迄今為止還沒(méi)有得到應用呢?這是因為，它們仍將需要大量的控制器工程來(lái)完成從自然心臟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(guò)人體的全身循環(huán)和肺部循環(huán)流動(dòng)。一個(gè)心室輔助裝置用來(lái)進(jìn)行血液在人體全省中的流動(dòng)，而另一個(gè)則用來(lái)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(lái)輔助自然心臟的。

而這正是Matthew Franchek和Ralph Metcalfe的工作職責所在，他們兩位都是機械工程師，擁有博士學(xué)位，同時(shí)還是休斯敦大學(xué)Cullen工程學(xué)院的教授。作為美國國立衛生研究院專(zhuān)項資金資助工作的一部分，他們正合力進(jìn)行能允許兩個(gè)心室輔助裝置作為一個(gè)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(kāi)發(fā)過(guò)汽車(chē)應用中類(lèi)似的自動(dòng)調節控制系統，他們中的大多數人現在正在為Cummins Engine公司研制一種柴油引擎的自動(dòng)調節器。

從某些方面來(lái)說(shuō)，Franchek與Metcalfe，因為采用成熟的心室輔助裝置技術(shù)，是最早開(kāi)始控制器開(kāi)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(lái)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制控制信號來(lái)調節葉輪的轉速。

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(lái)說(shuō)，心室輔助裝置是作為殘留自然心臟的輔助支持而獨立工作的。而在全人工心臟中，它們必須密切協(xié)作來(lái)模仿一顆自然心臟左右心室的平衡流動(dòng)。Franchek說(shuō)：“讓兩個(gè)血流泵配對聯(lián)合使用就必須要面對一個(gè)復雜多變的控制問(wèn)題。每一血流泵的負載狀態(tài)和流量輸出都會(huì )影響到另一個(gè)血流泵的負載狀態(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(shuō)，站立或行走等日?；顒?dòng)會(huì )改變流量和負載狀態(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在的生理差異也會(huì )影響到流量和負載狀態(tài)。“我們所面臨的挑戰是，無(wú)論生理狀態(tài)因為什么原因出現波動(dòng)，我們都必須保持一個(gè)穩定狀態(tài)的心臟輸出，” Franchek說(shuō)。

軸流泵的出現正好可以滿(mǎn)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(dòng)調節，因為其流量輸出對入口壓力和流出阻力都非常敏感。Benkowski說(shuō)，這種心室輔助裝置血流泵葉輪幾何形狀和血液流管的結構設計可以盡量與全人工心臟應用的最優(yōu)流動(dòng)壓力行為相適應。“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(lái)稍微容易一些，”他說(shuō)。

資料來(lái)源：德克薩斯心臟研究所

一個(gè)積分控制器能夠讓兩個(gè)軸流泵協(xié)同工作，同時(shí)還可以根據生理狀態(tài)的變化自動(dòng)調節其輸出流量。這種控制器的算法中結合了一種循環(huán)系統動(dòng)態(tài)行為的數學(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(huì )通過(guò)控制器得以放大。

與此同時(shí)，這些控制算法將基于一個(gè)模擬積分控制器來(lái)實(shí)施，該控制器被用來(lái)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調整。Franchek和Metcalfe為該應用選擇了一個(gè)看似簡(jiǎn)單的積分控制策略，因為它在其動(dòng)態(tài)行為既好理解且又具有合作瞬變特點(diǎn)的系統中，在維持系統的狀態(tài)穩定方面表現非常突出。既然生理狀態(tài)會(huì )對血流泵狀態(tài)產(chǎn)生影響，理解這種動(dòng)態(tài)行為就不會(huì )是一件容易的事。并且，美國國立衛生研究院資助下的控制器的大部分開(kāi)發(fā)工作都與創(chuàng )建一個(gè)人體循環(huán)系統的集中參數數學(xué)模型有關(guān)。據Franchek說(shuō)，該模型將最終合并到全人工心臟的控制算法中(參見(jiàn)圖2，一個(gè)類(lèi)似的控制器)。

Franchek說(shuō)，他預計全人工心臟控制算法的初次通過(guò)要到今年夏天。“現在，我們才剛剛開(kāi)始這些控制器的設計制造，”他說(shuō)。并且，仍然存在一些有關(guān)血流泵如何運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(dòng)狀態(tài)下，是讓一個(gè)血流泵運作呢還是兩個(gè)都要運作。Franchek說(shuō)，如果需要，為了模擬自然心臟的搏動(dòng)行為，泵電機可以很容易地“轉動(dòng)起來(lái)和停止下來(lái)”。其他的開(kāi)發(fā)工作還包括為系統增加血液粘稠度監控的可能性。“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(shuō)。

現在，他和Metcalfe正在利用多種仿真工具開(kāi)展開(kāi)發(fā)工作。MATLAB和Simulink軟件正在被他們用來(lái)開(kāi)發(fā)數學(xué)模型。他們還正在dSPACE(一套機電一體化系統的開(kāi)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(shuō)，他希望控制器的第一個(gè)版本能夠在今年夏天的某個(gè)時(shí)間問(wèn)世。