磁悬浮人工心脏的工作原理是什么?

叫什么也不写真名

磁浮心脏看到这个问题才第一次听说,不是这个领域内的,但是作为一个新的技术手段,还是很感兴趣的,简单检索了一下,基本大部分新闻都是同一个来源,从央视的经济半小时转载过来的,大部分内容也是从国家对医疗宏观调控的乐观角度切入来讲的,只提到了“中国医学科学院阜外医院”,但是这个心脏的供应商却只提了苏州某医疗公司,但提到了这家公司的 CEO,那就很容易了,更何况这个产品已经用在临床上了,这家公司也没有什么神秘面纱。

一则 2018 年报道在澎湃新闻上的题为《苏州诞生全磁悬浮人工心脏,打破发达国家垄断该技术格局》的新闻,就已经对这项技术的发展有了评价, 甚至在这则新闻报道不久,就有知乎问题提了出来(传送门)。

在看经济半小时报道中,描述模棱两可,把人工心脏写的神乎其神,对这个领域不熟悉的人看了报道更是一头雾水。

陈琛和团队在研究中创造性地利用永磁铁和电磁铁的不同特性,通过“四两拨千斤”的特殊调制方法,降低电磁铁的体积和功耗要求,从而实现减小齿轮直径,将血泵体积整体缩小。原来六七十毫米直径的血泵,缩小到 50 毫米,厚度也减小到 26 毫米。

报道中用到了“四两拨千斤”的表述,对于大部分人而言,人工心脏到底多大合适其实并没有一个明确的概念,怎么利用永磁铁和电磁铁特性实现功能的,在这个报道中完全没有提及。但作为一个成熟的商业项目,必定有大量的基础领域研究,才能够实现商业化推广,更甚至是临床应用,公开的专利对它的原理实现必定有很多表述。怀着学习的心态,去检索了磁悬浮人工心脏的专利和相关的产品,将看到的简单分享一下。

1 苏州某医疗器械公司专利概览

在专利检索工具中检索“主题词=‘心脏‘,作者=‘陈琛‘“,目前可以检索到 11 项已授权的公开发明专利和实用新型专利,包括下图的这些,这些专利文档都可以通过国家知识产权局网站获取到完整的专利文件副本,感兴趣的话可以自取,通过对专利文件的阅读,我们可以大概对人工心脏的实现做一个简单的了解和认识。

2 什么是人工心脏

人工心脏是一种可植入的机械装置,可以代替心脏的部分或者完全代替。人工心脏分为辅助人工心脏和完全人工心脏。
目前人工心脏主要有三方面临床应用:1、作为等待心脏移植的过渡,为患者争取更多的时间等到合适的供体;2、为急性心衰患者提供短期替代支持,待心脏功能恢复后撤除;3、为终末期心衰患者提供长期替代,支持患者携带人工心脏长期生存。
More than 22 million people suffer from heart failure worldwide. Approximately 14 million people in Europe currently suffer from heart failure, and this number is forecast to increase to 30 million by the year 2020. In the USA alone, approximately 5.7 million people (2.5%) suffer from heart failure with new diagnoses of more than 670,000 cases each year.

心脏对于大部人而言并不陌生,他陪伴着人类度过一生,在心脏的作用下,血液可以在全身内流动,通过血液循环完成物质代谢、能量传输等等功能,一旦心脏的功能受到损失,人的生命安全就会受到极大的威胁。文献中报道全球大概有 2200 万人罹患心脏衰竭(heart failure),欧洲大概有 1400 万,美国也有 570 万人,而且以每年 67 万人增长的速度增加。目前而言,心脏衰竭的患者大概有 44%的患者依靠强心药(inotrope)维持生命,大概有 23%的患者依靠左心室血管支撑装置维持等待心脏移植手术。那么人类就想出一个办法来,用另外一个“心脏”代替人类心脏的功能,实现搏动,带动血液循环。最直观的策略是做心脏的器官移植,但是人类心脏器官移植和其他器官相比更面临着供体短缺的问题,从而科学家又将目光转移到猪的身上,用猪作为心脏供体,已经在狒狒身上成功移植,也是一个很朴素的解决方案,对于异种移植而言,排异反应、手术难度,都是显而易见的。

3 磁悬浮人工心脏的实现

人工心脏的作用简单来讲就是采用某种方式,为血液流动提供动力,就像是一个水泵一样,为患者的血液流动提供源源不断的动力来源,从理论上来讲,任何形式的水泵都可以作为机械式的人工心脏,甚至任何一个可精确控制流量的蠕动泵都可以作为人工心脏(传送门:蠕动泵工作原理)。

但由于人体的特殊用途,对血液流动速度、设备的便携性、人类对设备的免疫反应以及设备的稳定性提出了非常高的要求。目前除了苏州这家公司,检索到CorWave、HeartWave 和 Terumo 几家公司专注在左心辅助装置领域中。他们的方法不太相同,CorWave 和 HeartWave 的原理是利用可以波动的膜实现对血液的驱动,Terumo 和苏州这家公司采用的是利用电磁铁和永磁体的配合实现对血液的流动。

波动膜驱动的机械式人工心脏

另外一种就是在新闻中提到的这一款采用磁悬浮式的产品,对于产品原理的介绍,苏州这家公司公开的介绍材料有限,我们看到了 Terumo 公司的利用磁悬浮式人工心脏的原理视频

这个是 Terumo 公司的产品 DuraHeart,整个系统中包括核心的人工心脏、导管、电源、控制器等等。使用中,图示中 Pump 连接的白色花纹管路连接体外的电源及控制模块,白色管连接到血管中,应该是动脉血管上,银色的管路连接在心脏上,血液从银色管路流入,通过泵体提供动力,从白色管路流出。

泵体中最核心的部分是悬浮式的转子,在这个泵体中,转子的上方和下方分别是电磁体和永磁体,在工作中,通过调节电磁铁的磁场强度,首先将转子悬浮在腔体中,通过调节电磁铁的电流大小,实现磁场的变化,从而带动腔体内液体的流动。

这个转子被设计成了风扇形的样子,转子叶轮的中央是空的,扇叶是向四周发散的,如下图 c 所示,在转动的过程中,通过离心力的作用,可以对上游心脏内的血液又一个负压的吸力,同时也对下游的血管也能够一共正压的动力,推动血液的流动。

看到这里,我想到了前段时间在某宝上的一个磁浮玩具,可以把一个地球仪放在一个架子上面,在磁力的作用下,没有任何接触,就可以让地球仪旋转起来,基本的原理类似。在网上也有许多优秀的人可以 DIY 这样的悬浮玩具。(传送门:自制悬浮玩具)此外,国内有大神在 Arduino 上利用线圈和霍尔元件自制制作了磁浮玩具,利用 PID 控制实现了磁力大小的平衡调节,做到了磁浮的工作。

但是我们发现了一个问题,一旦我们移动这个底座,或者是移动地球仪的时候,极易发生意外情况,当地球仪的球体位置发生变化时可能会导致地球仪重重地吸在某一极上,移动底座的时候也可能会发生错位。但在医疗器械中,这些失误是完全不被允许的,出现任何一点问题,将会对患者的生命健康造成威胁。

因此苏州这家医疗公司对转子的运动进行了研究,提出了一种自阻尼抑制振动的磁悬浮人工心脏血泵转子并拿到了专利授权,为磁悬浮人工心脏的稳定运行保驾护航。

4 总结

作为一项医疗器械而言,磁悬浮人工心脏的原理并不复杂,多个磁铁共同作用下将叶轮悬浮在腔体中,在电磁铁的作用下实现叶轮的转动,和我们常说的磁悬浮列车基本也大同小异,甚至和磁浮玩具在原理上更是没有很大的区别,但是用作医疗器械,尤其是需要和患者长期共存的医疗器械,对其运行稳定性提出了极高的要求,同时也对体积、植入位置有着苛刻的要求。

不算复杂的原理,和高难度的实现,造就了磁浮人工心脏,再加上高难度高要求的外科手术,磁浮人工心脏仍是未来若干年内的一片蓝海。

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