盡管人工心臟成功延長(zhǎng)了一些心臟病人的生命，但一直存在的幾個(gè)設(shè)計(jì)缺陷仍然限制了它們的使用。目前，這些電動(dòng)機(jī)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(yùn)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(yùn)動(dòng)、循環(huán)加載部件也比工程師考慮到穩(wěn)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(jī)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(shè)計(jì)采用的是一對(duì)連續(xù)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(jù)一個(gè)血泵和生理需求的變化來(lái)調(diào)節(jié)另一個(gè)血泵的輸出。

據(jù)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(xù)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?！暗谶@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(xiàn)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(xù)流動(dòng)全人工心臟的論文。在2008年，美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院獎(jiǎng)勵(lì)給德克薩斯心臟研究所280萬(wàn)美元款項(xiàng)來(lái)資助連續(xù)流動(dòng)心臟的設(shè)計(jì)，這時(shí)，他的這一想法又向臨床實(shí)踐靠近了一步。

在一項(xiàng)全人工心臟應(yīng)用中，心室輔助裝置具有多種應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。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?！靶氖逸o助裝置將適合于大多數(shù)病人，而只有少數(shù)病人適合使用現(xiàn)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(jù)MicroMed公司的首席運(yùn)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(xiàn)在大約有500個(gè)DeBakey心室輔助裝置正在被使用?！八鼈円呀?jīng)工作八年了，”他說(shuō)。并且他把這種穩(wěn)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(yùn)動(dòng)部件葉輪，是直接由電動(dòng)繞組來(lái)驅(qū)動(dòng)的。

Parnis認(rèn)為，即使是最現(xiàn)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(xiàn)的。他補(bǔ)充說(shuō)，連續(xù)流動(dòng)泵所需要的電力和成本可能還會(huì)低于更加復(fù)雜的搏動(dòng)血流泵。如果兩個(gè)連續(xù)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(yīng)用呢？這是因?yàn)椋鼈內(nèi)詫⑿枰罅康目刂破鞴こ虂?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(duì)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(zé)所在，他們兩位都是機(jī)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(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院專項(xiàng)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?cè)鴧f(xié)助開(kāi)發(fā)過(guò)汽車(chē)應(yīng)用中類似的自動(dòng)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，他們中的大多數(shù)人現(xiàn)在正在為Cummins Engine公司研制一種柴油引擎的自動(dòng)調(diào)節(jié)器。

從某些方面來(lái)說(shuō)，F(xiàn)ranchek與Metcalfe，因?yàn)椴捎贸墒斓男氖逸o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(cè)量，并把實(shí)際流量與理想的流量輸出進(jìn)行對(duì)比，而后生成一種適切的脈寬調(diào)制控制信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)葉輪的轉(zhuǎn)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(dú)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(duì)聯(lián)合使用就必須要面對(duì)一個(gè)復(fù)雜多變的控制問(wèn)題。每一血流泵的負(fù)載狀態(tài)和流量輸出都會(huì)影響到另一個(gè)血流泵的負(fù)載狀態(tài)和流量輸出?！?/p>

人工心臟控制器還必須把這些相關(guān)的流量和負(fù)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(fù)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(nèi)在的生理差異也會(huì)影響到流量和負(fù)載狀態(tài)?！拔覀兯媾R的挑戰(zhàn)是，無(wú)論生理狀態(tài)因?yàn)槭裁丛虺霈F(xiàn)波動(dòng)，我們都必須保持一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)的心臟輸出，” Franchek說(shuō)。

軸流泵的出現(xiàn)正好可以滿足這種需求。在反饋控制器的協(xié)助下，它們可以進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，因?yàn)槠淞髁枯敵鰧?duì)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以盡量與全人工心臟應(yīng)用的最優(yōu)流動(dòng)壓力行為相適應(yīng)?！拔覀兛梢愿淖冞@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)。

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(jù)生理狀態(tài)的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)其輸出流量。這種控制器的算法中結(jié)合了一種循環(huán)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為的數(shù)學(xué)模型。感測(cè)值被從理想值中減掉以便產(chǎn)生誤差信號(hào)，而誤差信號(hào)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(cè)量實(shí)際的輸出流量，并把它與理想流量值進(jìn)行對(duì)比從而對(duì)電壓做出相應(yīng)調(diào)整。Franchek和Metcalfe為該應(yīng)用選擇了一個(gè)看似簡(jiǎn)單的積分控制策略，因?yàn)樗谄鋭?dòng)態(tài)行為既好理解且又具有合作瞬變特點(diǎn)的系統(tǒng)中，在維持系統(tǒng)的狀態(tài)穩(wěn)定方面表現(xiàn)非常突出。既然生理狀態(tài)會(huì)對(duì)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(guó)國(guó)立衛(wèi)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(tǒng)的集中參數(shù)數(shù)學(xué)模型有關(guān)。據(jù)Franchek說(shuō)，該模型將最終合并到全人工心臟的控制算法中。

Franchek說(shuō)，他預(yù)計(jì)全人工心臟控制算法的初次通過(guò)要到今年夏天?！艾F(xiàn)在，我們才剛剛開(kāi)始這些控制器的設(shè)計(jì)制造，”他說(shuō)。并且，仍然存在一些有關(guān)血流泵如何運(yùn)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(yùn)作呢還是兩個(gè)都要運(yùn)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(jī)可以很容易地“轉(zhuǎn)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(tǒng)增加血液粘稠度監(jiān)控的可能性?！拔覀兿嘈?，從流量測(cè)量和電壓信號(hào)中，我們能夠有效地推斷出血液的粘稠度，” Franchek說(shuō)。

現(xiàn)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(shù)學(xué)模型。他們還正在DSPACE（一套機(jī)電一體化系統(tǒng)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。

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