文/湖南人文科技學(xué)院能機(jī)院羅良才

一種用于體外膜肺的無葉片血液泵

文/湖南人文科技學(xué)院能機(jī)院羅良才

隨著體外膜肺（英文縮寫為ECMO）的不斷發(fā)展，制造驅(qū)動血液循環(huán)流動的設(shè)備成為引領(lǐng)該類裝置的核心技術(shù)。在國際研究領(lǐng)域，目前關(guān)注點(diǎn)主要集中在軸流式和離心式的血液泵上，在提高射血效能、縮小體積、減少血液細(xì)胞的機(jī)械損傷和熱損傷等方面都取得了很大進(jìn)展。但由于這兩種類型的血液泵都具有高速旋轉(zhuǎn)的葉片，對血液細(xì)胞的機(jī)械損傷無法完全避免，這導(dǎo)致較長時間使用后，病人存在顱內(nèi)出血和血栓、栓塞等并發(fā)癥的危險，既降低了裝置對病人的適應(yīng)性，更增加了臨床的醫(yī)療難度?；诖耍旅娼榻B一種具有全新結(jié)構(gòu)的無葉片血液泵，并就其特性和特點(diǎn)進(jìn)行分析。

一、無葉片血液泵結(jié)構(gòu)與工作原理

無葉片血液泵由血泵和氣泵兩個主要部件構(gòu)成。血泵是與血液直接接觸的部件，主要由硬質(zhì)外殼和柔性內(nèi)膽以及置于外殼血液進(jìn)、出口的兩個單向閥構(gòu)成。氣泵由驅(qū)動電機(jī)、傳動機(jī)構(gòu)、氣缸和在氣缸中做往復(fù)運(yùn)動的活塞構(gòu)成。整個血液泵采用微機(jī)控制，氣泵和控制系統(tǒng)不與血液直接接觸，可給不同病人重復(fù)使用。

血泵與血液接觸，只能給一個病人使用。血泵通過螺紋連接在氣泵上，氣泵與血泵內(nèi)膽構(gòu)成連通器，氣泵通過內(nèi)膽入口在活塞做往復(fù)運(yùn)動時將氣體泵入或抽出內(nèi)膽。無葉片血液泵的基本構(gòu)成如圖1所示。圖1中①為血泵，②為氣泵，氣泵上安裝有調(diào)壓閥，③～⑥為偏心輪與搖桿機(jī)構(gòu)，用于將轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換成軸④的平動，虛線框⑦內(nèi)為齒輪減速機(jī)構(gòu)，⑧為驅(qū)動電機(jī)。當(dāng)電機(jī)驅(qū)動減速機(jī)構(gòu)和偏心輪搖桿機(jī)構(gòu)時，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動經(jīng)減速轉(zhuǎn)換為傳動軸的往復(fù)運(yùn)動，通過傳動軸，驅(qū)動氣泵②中的活塞往復(fù)運(yùn)動。

無葉片血液泵的工作原理是：當(dāng)氣泵中的活塞在驅(qū)動電機(jī)的作用下做往復(fù)運(yùn)動時，將氣缸內(nèi)的空氣泵入/抽出血泵的內(nèi)膽中。當(dāng)活塞從左至右運(yùn)動時，內(nèi)膽充氣不斷增加，體積增大，擠壓外殼中的血液，在此壓力作用下輸入單向閥關(guān)閉，輸出單向閥開啟，血泵輸出血液。當(dāng)活塞從右至左運(yùn)動時，活塞將內(nèi)膽中氣體抽出，內(nèi)膽體積減小，血泵外殼與內(nèi)膽間產(chǎn)生負(fù)壓區(qū)，在此負(fù)壓作用下，輸出單向閥關(guān)閉，輸入單向閥開啟，人體血液經(jīng)輸入管道進(jìn)入血泵，為下一次輸出血液做準(zhǔn)備。當(dāng)活塞不斷做往復(fù)運(yùn)動時，內(nèi)膽被反復(fù)泵入和抽出氣體，血液從血泵呈脈動輸出，實(shí)現(xiàn)泵送血液的作用。

整個泵的控制系統(tǒng)包括系統(tǒng)微機(jī)、流量檢測與調(diào)節(jié)、最大輸出壓力檢測與調(diào)節(jié)、呼吸頻率監(jiān)測以及血壓、輸出血量、呼吸頻率顯示等諸多模塊?？刂葡到y(tǒng)具有人機(jī)對話和自動控制功能，可根據(jù)相關(guān)檢測數(shù)據(jù)自動調(diào)整電動機(jī)轉(zhuǎn)速等，以使泵的各項(xiàng)運(yùn)行數(shù)據(jù)達(dá)到期望值。

二、特性分析

血液泵的特性主要包括輸出量和輸出壓力隨時間變化的關(guān)系，下面分別予以分析。

1.泵的輸出血壓

如前所述，當(dāng)活塞從左至右運(yùn)動時，內(nèi)膽被逐步充盈，當(dāng)內(nèi)膽壓力大于人體血壓時，輸出單向閥被打開，外殼中血液開始輸出，當(dāng)外殼中血液全部輸出時，內(nèi)膽也完全被空氣充盈，此時內(nèi)膽作用于外殼的壓力最大，也是血泵能輸出的最大壓力。顯然，此壓力必須大于病人的最高血壓，方可實(shí)現(xiàn)血液的輸送。

血泵外殼內(nèi)的壓力變化如圖2中曲線P1（t）所示。當(dāng)氣泵開始將空氣泵入內(nèi)膽時，內(nèi)膽作用于血液的壓力逐漸增大。如曲線斜線部分所示，當(dāng)壓力增大至大于等于人體內(nèi)血壓時開始輸出血液，隨著血液的輸出，血泵輸出壓力基本維持不變，待外殼中血液輸送完畢，因外殼空間被內(nèi)膽全部占滿，與人體血管無液體連通，外殼承受的壓力發(fā)生突變，達(dá)到最大壓力P1max。根據(jù)波義爾-馬特略定律，在恒溫下氣體的壓力與體積成反比，因此，如果氣泵對內(nèi)膽充氣開始時內(nèi)膽完全沒有空氣，氣缸中空氣無泄露的全部泵入內(nèi)膽，則有

式中V1和V2分別為內(nèi)膽充盈時的最大容積和氣缸儲存待泵入空氣部分的容積。如果氣泵在泵送空氣時有空氣泄露，則

式中Q(t)表示實(shí)際泵入內(nèi)膽的空氣在大氣壓下的體積。從式（2）可知，只要安裝一個與氣缸連通的氣閥，調(diào)節(jié)閥門的排氣量，就可改變泵入內(nèi)膽的空氣量Q(t)，實(shí)現(xiàn)最大輸出壓力P1max的連續(xù)調(diào)節(jié)。血泵的輸出壓力的變化規(guī)律如圖2中P2（t）所示。

2.泵的輸出量

因血液泵是脈動輸出，因此其輸出量與每次搏動輸出量和搏動頻率成正比，即

式中，W為泵的每分鐘輸出量；W1為每搏輸出量，等于外殼內(nèi)壁與未充氣時內(nèi)膽之間的空間之容積，F(xiàn)為搏動頻率。從式（3）可知，設(shè)計(jì)時可通過調(diào)整W1和F來調(diào)整泵的輸出量。對制造的產(chǎn)品，W1為定值，只能通過改變搏動頻率F，也就是改變驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)泵的輸出量，即泵的輸出量與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比。

三、運(yùn)用與優(yōu)勢

本血液泵可用于ECMO系統(tǒng)。由于沒有常用的離心泵和軸流泵的高速旋轉(zhuǎn)葉片，擠壓血液的只有質(zhì)地非常柔軟的內(nèi)膽，無疑，泵對血液的機(jī)械損傷將明顯減少。概括起來，本血液泵具有如下優(yōu)點(diǎn)。

一是對血細(xì)胞損傷小，減少了系統(tǒng)血凝產(chǎn)生的可能因子。

二是調(diào)節(jié)泵的輸出量時不影響泵的輸出壓力，而離心泵和軸流泵在調(diào)節(jié)輸出量時，輸出壓力伴隨流量做更大幅度的改變。

三是泵的實(shí)際供血壓力自動適應(yīng)病人血壓，不會導(dǎo)致病人局部血壓升高。離心泵和軸流泵的輸出壓力只與其電動機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)，無法自動適應(yīng)病人的血壓。

四是與血液接觸的部分只有血泵，氣泵和整個控制系統(tǒng)無易損部件，可重復(fù)使用，即整個泵分為一次性使用部分和可長期使用部分，減少了病人的醫(yī)療費(fèi)用。

五是整個裝置沒有高速運(yùn)動部件，制造難度小，成本低，可在中低收入病人中使用，應(yīng)用面廣。

四、結(jié)論

綜上所述，本血液泵無旋轉(zhuǎn)葉片，減少了血液輸送過程中的機(jī)械損傷，且流量和壓力可以獨(dú)立調(diào)節(jié)。用于ECMO系統(tǒng)的血液輸送，增加了病人對裝置的耐受性和適應(yīng)性，降低了臨床醫(yī)療難度，且制造難度小，制造和使用成本低，可望成為一種廉價的醫(yī)療設(shè)施，服務(wù)民眾?！?/p>