新型左心辅助装置动力性主动脉瓣的探索性研究
作者：李国荣 朱晓东 胡盛寿 任 兵 李京幸 周玉燕 韩京梅
单位：李国荣 朱晓东 胡盛寿 任 兵 李京幸 周玉燕 韩京梅(中国医学科学院 中国协和医科大学 阜外医院，北京 100037)
关键词：动力性主动脉瓣；左心辅助；旋转叶轮泵
生物医学工程学杂志990128 内容摘要 提出左心机械辅助的一种新设想-动力性主动脉瓣，在主动脉瓣的位置设置一可主动旋转的螺旋桨式机械性瓣叶(叶轮)。瓣叶由置于升主动脉腔内的支架笼中心的一对轴承支承。支架笼通过其外周的编织瓣裙与主动脉瓣环缝合固定。笼内有可自由旋转的转子体，笼架支承主动脉壁从而防止转子与动脉壁接触。转子体与旋转瓣叶通过一共同轴联接并传递动力。将筒状的定子置于主动脉壁外，其功能与普通的电机相同。当接通电源时，定子产生的磁场将驱动叶轮-转子体旋转推动血液由心室进入主动脉，达到心室卸负荷的目的。本文对该设想进行了模型研究，结果表明原理正确可行，有必要进一步探索。
, 百拇医药
Preliminary Study of a New Concept for Left Veniricular
Assistance Dynamic Aortic Valve
Li Guorong Zhu Xiaodong Hu Shengshou Ren Bing
Li Jingxing Zhou Yuyan Han Jingmei
(Department of Cardiovascular surgery, Cardiovascular Institute and Fu Wai Hospital,Chinese Academy of Medical Sciences, Peking Union Medical College, Beijing 100037)
, 百拇医药
Abstract Dynamic aortic valve, a novel design for left ventricular assistance is proposed. An impeller similar to the airscrew is placed in the position of aortic valve. The impeller is held by a pair of bearings in the center of a cylindrical supporting cage which is located in the lumen of the aorta ascendens. The supporting cage is attached to the valve annulus by a sewing ring of textile cuff around the outside of the cage. A rotor is fitted into the cage and connected to the impeller with a common shaft. The cage supports the aortic wall,thus prevents the rotor from fouching the wall and allows the rotor to rotate freely. A stator, functioning as that of the electric motor, is located outside the aortic wall. When actuated, the magnetic field generated by the stator would drive the rotor to turning, and the axial flow of blood from ventricular to the aorta would be produced, resulting in the reduction of the ventricular load. We studied this concept in a simulating model. The result suggests that this design be reasonable. Further exploration of this concept is justified.
, 百拇医药
Key words Dynamic aortic valve Left ventricular assistance Rotary pump
随着心脏疾病治疗技术的不断提高，需处理的终末期心泵功能衰竭的病人比例加大。临床医生对机械性心脏辅助乃至心脏置换装置的兴趣日增[1]。自50年代起心脏辅助装置的研究开始发展，迄今，已有数种装置得到临床应用[2]，但其性能还远不尽如人意，特别是作为可长期辅助的植入装置更是如此。为此，研究者们不断推出各种新的结构，以期克服各种困难改进辅助血泵的性能[3～4]。作者曾提出动力性主动脉瓣(以下简为“动力瓣”)的设想，指出：在主动脉瓣的位置植入一可主动旋转的螺旋桨式叶轮瓣，可在舒张期维持心室腔与主动脉腔的压力差，而且，在提供足够能量的条件下有可能驱动心室中的血液进入动脉腔，达到心室辅助的目的。在此状态下，工作原理恰与轴流泵不谋而合。而简单的可长期植入的特性则是各种辅助泵所不具备的独特优点。本文即是作者据此设想进行探索性研究的初步总结。
, 百拇医药
1 结构及工作原理的理论设想
自然主动脉瓣依靠舒张期瓣叶的关闭维持动脉腔和心室腔的压差，传统的机械瓣亦基于此原理设计。但用主动旋转的螺旋桨式叶轮代替瓣叶，则也可维持该压差，并可同时具有类似轴流泵的左心辅助功能。装置主要有“定子”和“叶轮-转子体”及“瓣支架”两部分。叶轮-转子体部分采用一体化设计，通过轴承由“瓣支架”的“支架臂”支承，支架有两组支承臂，第一组位于“支架笼”与进液导管的延续处内侧，三根支架臂呈辐条状，由管壁伸向中心，托起中心轴承。中心轴承进而承载叶轮-转子体的旋转轴。第二组支架臂位于支架笼的尾端，结构与作用同第一组。瓣支架主体为筒形的“进液导管”和“支架笼”延续构成。外径与主动脉内径吻合。在进液导管和支架笼“移行”部分的外壁嵌入编织的环形瓣裙。置入到主动脉腔内时，将瓣裙缝合在主动脉瓣环上(自然主动脉瓣可切去，也可保留，视瓣膜情况而定)。这样就使叶轮-转子体部分牢固地植入到主动脉开口的腔内。以瓣裙为界，进液导管伸入心室腔，支架笼部分伸入升主动脉腔。当叶轮转动时，血流进入进液导管，在叶轮-转子体的推动下沿轴向进入主动脉，再沿转子与主动脉壁之间的间隙流向远端主动脉。工作机制即相当于一个轴流式血泵。其“泵壳”实际上由以下几个部分构成；(1)进液导管；(2)瓣裙-主动脉瓣环的缝合部分；(3)升主动脉壁。
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图1 动力性主动脉瓣示意图
Fig 1 Schematic drawing of a dynamic aortic valve
桨叶的驱动转子可以是感应式的也可是永磁式。永磁转子效率较高，但需较好的加工条件，本文拟先以感应式转子为研究模型，产生驱动磁场的定子置于主动脉壁外。定子与普通的电动机的定子相同，形状也是筒形，只是在外形上要求与升主动脉尺寸吻合，并且要求筒形壁尽可能簿，以便在置入到升主动脉周围时，不致过分挤压周围组织。
单相交流电源的情况下，当定子绕组接通电源后就会产生一个脉振磁势。该脉振磁势可分解为两个大小相等方向相反转速相等的旋转磁势。旋转磁势可在转子绕组中感生相应的电流及磁场，与原磁场互相作用可产生驱动力矩。转子如在起始阶段为静止状态则定子磁场将不会对转子产生驱动力矩。但由于动力瓣总是处于血流的冲击状态，故总可保证转子的起动，与普通的单向异步电机不同，在设计上可以省略定子的起动绕组。如将电源调制为多相交流，则驱动装置的体积可进一步缩小，各性能指标还可进一步改善。
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从理论上看动力瓣的工作原理与流体机械的轴流泵相似。但可否发展成为真正实用的辅助装置必须有大量的实验依据加以回答。为此，本研究室初步研制了动力瓣的实验模型，以初步检验其工作原理的可行性。
2 模型研制
定子由0.35mm厚硅钢片冲压成形后迭制而成。磁路呈“C”型，磁路截面为3cm×2cm。定子工作绕组由0.4mm直径漆包线制，总匝数为3600匝。定子两磁极相对面分别呈半园型凹面，直径25cm，以便与模拟管道外壁相吻合。转子由转子绕组和转子轴组成，转子铁心直径16mm，长20mm。亦由上述硅钢片冲压成形后迭制而成，转子绕组为鼠笼式，由镶入铁心槽中的裸导条和两端的端环连接组成，铁心槽共13条，沿转子柱面径向均匀平行排列，截面为1mm×2mm的矩形。端环厚3mm，外径16mm，内径10mm。导条及端环均用良导体铜制成。
旋转瓣叶采用双叶型螺旋桨。由轻质合金加工而成，瓣裙及进液导管在本模型中均省略，系认为不会影响体外模拟结果及节省经费所故。瓣支架呈“笼”状，外径20cm，可无阻力地插入模拟管道腔内。两组支架臂呈“Y”型，由支架笼首、尾的两端环伸向中心，托起轴。转子轴直径1.5mm，由中碳钢加工制做，直径为1.5mm由支架轴承承托，保证转子-叶轮体自由转动。
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3 模拟实验
模拟管道采用外径25mm，内径20mm的有机玻璃导管模拟升主动脉。整个装置制成后，将动力瓣模型置于模拟管道中，定子固定于模拟管道壁外。管道长为10cm，两端与储液容器连通，由器壁的刻度显示容器中液平面的高度，并以此计算动力瓣转动时产生的压差。定子绕组中通入频率为50 Hz的交流电流，输入电压由一0.5 KW的自藕变压器调节控制，可方便地改变驱动装置输入功。由串联的电流计测定绕组电流值，并计算功耗。
模拟管道中充以0.9%生理盐水，使储液容器中液平面高度为10cm，此时由于动力瓣处于静止状态，两端液平面等高。调节自藕变压器旋臂使输入电压逐渐升高，可见动力瓣由静止状态开始旋转启动，转速随电压升高加速，同时两端液平面位差加大。输入电压与液面位差的关系可由图2反映。
图2 动力瓣跨瓣压差
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Fig 2 The measured pressure difference across the dynamic aortic valve
由图示曲线可见：当输入电压低于某一域值时，转子处于静止，只有电压突破该域值，转子才可起动。此值可能与驱动装置的功率特性有关，在此模型中为7伏特。在转子启动后的一段区间内，液面位差与输入电压略呈正相关，这一特性有利于利用电压，控制液流的脉动。但当达20伏特后液面差上升趋势减缓，最后终达饱和。依电磁理论，当磁路磁通达饱和后进一步增加磁势对磁感应强度的提高作用很小，因此提高输出功的方法是增加磁路截面积或导磁材料的磁率。不适当的增加输入功也使能量转化效率下降，表现为定子绕组产热增加。
4 讨论
本模型驱动部分采用单相交流电机的原理，效率低，体积大，对置入装置来说显然不合理。但由于其制作简单，成本低廉，故可在体外的模型研制阶段采用。为保证转子-叶轮体的自由转动并在定子与转子间容纳主动脉壁及液体通道，定子磁极与转子间必须间隔足够的空间。从尽量闭合磁路的原理要求来看，该“气隙”的存在将极大地降低驱动装置的功率因素，但“气隙”过小将增大液流阻力，使转子机械功转换为液体动能的效率下降，亦不利于总体性能的提高，选择最佳的气隙也是改进设计时需进一步探讨的问题。本文所用转子为圆柱型，为参照传统的感应电机的转子设计，但从流体力学的角度来看并不合理。因转子体在置入动脉腔后正位于流场中心，减小其液流阻力至关重要，从理论上看流线型转子将更合理但在制作工艺上较难达到，故在本模型中尚未采用。此外，空心筒状的转子也可能有较多的优点，动力瓣研究目前要求改进的主要性能是驱动动力的较大幅度提高。由于转子体积不宜过大，是限制驱动功率提高的主要因素，在进一步的研究中采用高磁能的永磁材料转子和尽可能合理的几何形状设计是一条有效的途径。血液相容性问题是各种离心泵共同面临的困难，在本设计的结构中，由于有避免引流管道及泵腔的死区，极大地降低血液-异物接触面等优点，可能有助于血液相容性的提高。但这些理论推测尚需证实。但采用较佳的转子表面处理方法及外形的改进无疑也是重要的因素，本模型研究阶段尚无考虑。虽然定子位于动脉壁外，不与血流直接接触，但尽可能改善和减小定子的外形尺寸，提高其性能也具有重要的意义。不仅可减小对周围组织的压迫性影响而且对提高能量转换效率也有很大的帮助。
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5 结论
本文的实验结果表明：动力瓣可在外加旋转磁场的驱动下主动旋转，维持瓣膜两侧的压力差，产生功能性动脉瓣的作用。动力瓣维持压差的大小与输入的能量在一定范围内正相关，当在模拟管道中超过阈值压差时，可推动液体流动，产生“泵”的功能，从而有希望发展成为新的左心辅助装置。动力瓣的设计原理在模型中基本实现，支持进一步探索。
参考文献
[1] Levin HR, Chen JM, Oz MC et al. Potential of left ventricular assist devices as out patient therapy while awaiting transplantation. Ann Thorac Surg, 1994,58∶1515
[2] Pennington DG,Griffth BP,Mckinlay SM et al. Evaluation of an implantable ventricular assist system for humans with chronic refractory heart failure, Study Overview. ASAIO Journal, 1995;41∶11
[3] Leonard AR Golding, William AS. Cleveland clinic rotodynamic pump. Ann Thorac Surg, 1996;612∶457
[4] Victor LP. Can we develop a permanent pulsatile rotary blood pump? Yes we can. Artificial Organs, 1996;20(6)∶475
(收稿：1997-10-05 修回：1998-06-01), http://www.100md.com
单位：李国荣 朱晓东 胡盛寿 任 兵 李京幸 周玉燕 韩京梅(中国医学科学院 中国协和医科大学 阜外医院，北京 100037)
关键词：动力性主动脉瓣；左心辅助；旋转叶轮泵
生物医学工程学杂志990128 内容摘要 提出左心机械辅助的一种新设想-动力性主动脉瓣，在主动脉瓣的位置设置一可主动旋转的螺旋桨式机械性瓣叶(叶轮)。瓣叶由置于升主动脉腔内的支架笼中心的一对轴承支承。支架笼通过其外周的编织瓣裙与主动脉瓣环缝合固定。笼内有可自由旋转的转子体，笼架支承主动脉壁从而防止转子与动脉壁接触。转子体与旋转瓣叶通过一共同轴联接并传递动力。将筒状的定子置于主动脉壁外，其功能与普通的电机相同。当接通电源时，定子产生的磁场将驱动叶轮-转子体旋转推动血液由心室进入主动脉，达到心室卸负荷的目的。本文对该设想进行了模型研究，结果表明原理正确可行，有必要进一步探索。
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Preliminary Study of a New Concept for Left Veniricular
Assistance Dynamic Aortic Valve
Li Guorong Zhu Xiaodong Hu Shengshou Ren Bing
Li Jingxing Zhou Yuyan Han Jingmei
(Department of Cardiovascular surgery, Cardiovascular Institute and Fu Wai Hospital,Chinese Academy of Medical Sciences, Peking Union Medical College, Beijing 100037)
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Abstract Dynamic aortic valve, a novel design for left ventricular assistance is proposed. An impeller similar to the airscrew is placed in the position of aortic valve. The impeller is held by a pair of bearings in the center of a cylindrical supporting cage which is located in the lumen of the aorta ascendens. The supporting cage is attached to the valve annulus by a sewing ring of textile cuff around the outside of the cage. A rotor is fitted into the cage and connected to the impeller with a common shaft. The cage supports the aortic wall,thus prevents the rotor from fouching the wall and allows the rotor to rotate freely. A stator, functioning as that of the electric motor, is located outside the aortic wall. When actuated, the magnetic field generated by the stator would drive the rotor to turning, and the axial flow of blood from ventricular to the aorta would be produced, resulting in the reduction of the ventricular load. We studied this concept in a simulating model. The result suggests that this design be reasonable. Further exploration of this concept is justified.
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Key words Dynamic aortic valve Left ventricular assistance Rotary pump
随着心脏疾病治疗技术的不断提高，需处理的终末期心泵功能衰竭的病人比例加大。临床医生对机械性心脏辅助乃至心脏置换装置的兴趣日增[1]。自50年代起心脏辅助装置的研究开始发展，迄今，已有数种装置得到临床应用[2]，但其性能还远不尽如人意，特别是作为可长期辅助的植入装置更是如此。为此，研究者们不断推出各种新的结构，以期克服各种困难改进辅助血泵的性能[3～4]。作者曾提出动力性主动脉瓣(以下简为“动力瓣”)的设想，指出：在主动脉瓣的位置植入一可主动旋转的螺旋桨式叶轮瓣，可在舒张期维持心室腔与主动脉腔的压力差，而且，在提供足够能量的条件下有可能驱动心室中的血液进入动脉腔，达到心室辅助的目的。在此状态下，工作原理恰与轴流泵不谋而合。而简单的可长期植入的特性则是各种辅助泵所不具备的独特优点。本文即是作者据此设想进行探索性研究的初步总结。
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1 结构及工作原理的理论设想
自然主动脉瓣依靠舒张期瓣叶的关闭维持动脉腔和心室腔的压差，传统的机械瓣亦基于此原理设计。但用主动旋转的螺旋桨式叶轮代替瓣叶，则也可维持该压差，并可同时具有类似轴流泵的左心辅助功能。装置主要有“定子”和“叶轮-转子体”及“瓣支架”两部分。叶轮-转子体部分采用一体化设计，通过轴承由“瓣支架”的“支架臂”支承，支架有两组支承臂，第一组位于“支架笼”与进液导管的延续处内侧，三根支架臂呈辐条状，由管壁伸向中心，托起中心轴承。中心轴承进而承载叶轮-转子体的旋转轴。第二组支架臂位于支架笼的尾端，结构与作用同第一组。瓣支架主体为筒形的“进液导管”和“支架笼”延续构成。外径与主动脉内径吻合。在进液导管和支架笼“移行”部分的外壁嵌入编织的环形瓣裙。置入到主动脉腔内时，将瓣裙缝合在主动脉瓣环上(自然主动脉瓣可切去，也可保留，视瓣膜情况而定)。这样就使叶轮-转子体部分牢固地植入到主动脉开口的腔内。以瓣裙为界，进液导管伸入心室腔，支架笼部分伸入升主动脉腔。当叶轮转动时，血流进入进液导管，在叶轮-转子体的推动下沿轴向进入主动脉，再沿转子与主动脉壁之间的间隙流向远端主动脉。工作机制即相当于一个轴流式血泵。其“泵壳”实际上由以下几个部分构成；(1)进液导管；(2)瓣裙-主动脉瓣环的缝合部分；(3)升主动脉壁。
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图1 动力性主动脉瓣示意图
Fig 1 Schematic drawing of a dynamic aortic valve
桨叶的驱动转子可以是感应式的也可是永磁式。永磁转子效率较高，但需较好的加工条件，本文拟先以感应式转子为研究模型，产生驱动磁场的定子置于主动脉壁外。定子与普通的电动机的定子相同，形状也是筒形，只是在外形上要求与升主动脉尺寸吻合，并且要求筒形壁尽可能簿，以便在置入到升主动脉周围时，不致过分挤压周围组织。
单相交流电源的情况下，当定子绕组接通电源后就会产生一个脉振磁势。该脉振磁势可分解为两个大小相等方向相反转速相等的旋转磁势。旋转磁势可在转子绕组中感生相应的电流及磁场，与原磁场互相作用可产生驱动力矩。转子如在起始阶段为静止状态则定子磁场将不会对转子产生驱动力矩。但由于动力瓣总是处于血流的冲击状态，故总可保证转子的起动，与普通的单向异步电机不同，在设计上可以省略定子的起动绕组。如将电源调制为多相交流，则驱动装置的体积可进一步缩小，各性能指标还可进一步改善。
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从理论上看动力瓣的工作原理与流体机械的轴流泵相似。但可否发展成为真正实用的辅助装置必须有大量的实验依据加以回答。为此，本研究室初步研制了动力瓣的实验模型，以初步检验其工作原理的可行性。
2 模型研制
定子由0.35mm厚硅钢片冲压成形后迭制而成。磁路呈“C”型，磁路截面为3cm×2cm。定子工作绕组由0.4mm直径漆包线制，总匝数为3600匝。定子两磁极相对面分别呈半园型凹面，直径25cm，以便与模拟管道外壁相吻合。转子由转子绕组和转子轴组成，转子铁心直径16mm，长20mm。亦由上述硅钢片冲压成形后迭制而成，转子绕组为鼠笼式，由镶入铁心槽中的裸导条和两端的端环连接组成，铁心槽共13条，沿转子柱面径向均匀平行排列，截面为1mm×2mm的矩形。端环厚3mm，外径16mm，内径10mm。导条及端环均用良导体铜制成。
旋转瓣叶采用双叶型螺旋桨。由轻质合金加工而成，瓣裙及进液导管在本模型中均省略，系认为不会影响体外模拟结果及节省经费所故。瓣支架呈“笼”状，外径20cm，可无阻力地插入模拟管道腔内。两组支架臂呈“Y”型，由支架笼首、尾的两端环伸向中心，托起轴。转子轴直径1.5mm，由中碳钢加工制做，直径为1.5mm由支架轴承承托，保证转子-叶轮体自由转动。
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3 模拟实验
模拟管道采用外径25mm，内径20mm的有机玻璃导管模拟升主动脉。整个装置制成后，将动力瓣模型置于模拟管道中，定子固定于模拟管道壁外。管道长为10cm，两端与储液容器连通，由器壁的刻度显示容器中液平面的高度，并以此计算动力瓣转动时产生的压差。定子绕组中通入频率为50 Hz的交流电流，输入电压由一0.5 KW的自藕变压器调节控制，可方便地改变驱动装置输入功。由串联的电流计测定绕组电流值，并计算功耗。
模拟管道中充以0.9%生理盐水，使储液容器中液平面高度为10cm，此时由于动力瓣处于静止状态，两端液平面等高。调节自藕变压器旋臂使输入电压逐渐升高，可见动力瓣由静止状态开始旋转启动，转速随电压升高加速，同时两端液平面位差加大。输入电压与液面位差的关系可由图2反映。
图2 动力瓣跨瓣压差
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Fig 2 The measured pressure difference across the dynamic aortic valve
由图示曲线可见：当输入电压低于某一域值时，转子处于静止，只有电压突破该域值，转子才可起动。此值可能与驱动装置的功率特性有关，在此模型中为7伏特。在转子启动后的一段区间内，液面位差与输入电压略呈正相关，这一特性有利于利用电压，控制液流的脉动。但当达20伏特后液面差上升趋势减缓，最后终达饱和。依电磁理论，当磁路磁通达饱和后进一步增加磁势对磁感应强度的提高作用很小，因此提高输出功的方法是增加磁路截面积或导磁材料的磁率。不适当的增加输入功也使能量转化效率下降，表现为定子绕组产热增加。
4 讨论
本模型驱动部分采用单相交流电机的原理，效率低，体积大，对置入装置来说显然不合理。但由于其制作简单，成本低廉，故可在体外的模型研制阶段采用。为保证转子-叶轮体的自由转动并在定子与转子间容纳主动脉壁及液体通道，定子磁极与转子间必须间隔足够的空间。从尽量闭合磁路的原理要求来看，该“气隙”的存在将极大地降低驱动装置的功率因素，但“气隙”过小将增大液流阻力，使转子机械功转换为液体动能的效率下降，亦不利于总体性能的提高，选择最佳的气隙也是改进设计时需进一步探讨的问题。本文所用转子为圆柱型，为参照传统的感应电机的转子设计，但从流体力学的角度来看并不合理。因转子体在置入动脉腔后正位于流场中心，减小其液流阻力至关重要，从理论上看流线型转子将更合理但在制作工艺上较难达到，故在本模型中尚未采用。此外，空心筒状的转子也可能有较多的优点，动力瓣研究目前要求改进的主要性能是驱动动力的较大幅度提高。由于转子体积不宜过大，是限制驱动功率提高的主要因素，在进一步的研究中采用高磁能的永磁材料转子和尽可能合理的几何形状设计是一条有效的途径。血液相容性问题是各种离心泵共同面临的困难，在本设计的结构中，由于有避免引流管道及泵腔的死区，极大地降低血液-异物接触面等优点，可能有助于血液相容性的提高。但这些理论推测尚需证实。但采用较佳的转子表面处理方法及外形的改进无疑也是重要的因素，本模型研究阶段尚无考虑。虽然定子位于动脉壁外，不与血流直接接触，但尽可能改善和减小定子的外形尺寸，提高其性能也具有重要的意义。不仅可减小对周围组织的压迫性影响而且对提高能量转换效率也有很大的帮助。
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5 结论
本文的实验结果表明：动力瓣可在外加旋转磁场的驱动下主动旋转，维持瓣膜两侧的压力差，产生功能性动脉瓣的作用。动力瓣维持压差的大小与输入的能量在一定范围内正相关，当在模拟管道中超过阈值压差时，可推动液体流动，产生“泵”的功能，从而有希望发展成为新的左心辅助装置。动力瓣的设计原理在模型中基本实现，支持进一步探索。
参考文献
[1] Levin HR, Chen JM, Oz MC et al. Potential of left ventricular assist devices as out patient therapy while awaiting transplantation. Ann Thorac Surg, 1994,58∶1515
[2] Pennington DG,Griffth BP,Mckinlay SM et al. Evaluation of an implantable ventricular assist system for humans with chronic refractory heart failure, Study Overview. ASAIO Journal, 1995;41∶11
[3] Leonard AR Golding, William AS. Cleveland clinic rotodynamic pump. Ann Thorac Surg, 1996;612∶457
[4] Victor LP. Can we develop a permanent pulsatile rotary blood pump? Yes we can. Artificial Organs, 1996;20(6)∶475
(收稿：1997-10-05 修回：1998-06-01), http://www.100md.com