無線能量傳輸在人工心臟中的應(yīng)用

許劍1，姜洋1，王妍2，周娜1，張栩曼1

(1.航天泰心科技有限公司，天津300457;

2.北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所，北京100076)

摘要：人工心臟(包括全人工心臟TAH和心室輔助裝置VAD)是除心臟移植外唯一有效的心衰治療手段，目前商用的人工心臟基本都是通過一根經(jīng)皮電纜將體內(nèi)血泵與體外控制器相連接，但研究人員已在嘗試將無線能量傳輸技術(shù)應(yīng)用于人工心臟，從根本上改善病人的用戶體驗(yàn)，本文對(duì)研究現(xiàn)狀進(jìn)行了對(duì)比分析，并針對(duì)發(fā)展趨勢(shì)提出展望。

關(guān)鍵詞：心力衰竭;人工心臟;無線能量傳輸

基金項(xiàng)目：天津市科技計(jì)劃項(xiàng)目( 17YFCZZC00480)。

心力衰竭已成為全世界主要的公共衛(wèi)生問題，我國(guó)心衰發(fā)病率近1%，每年新增發(fā)病數(shù)可達(dá)數(shù)百萬。終末期心力衰竭患者藥物治療效果不佳，最有效的心臟移植則受限于供體數(shù)量、異體排斥反應(yīng)等問題難以成為常規(guī)治療方法。

自20世紀(jì)50年代開始，人工心臟在歐美國(guó)家得到蓬勃發(fā)展，早期主要是模擬自然心臟工作機(jī)制的全人工心臟TAH，體積和功耗較大，應(yīng)用不廣翻。后小型、可靠的旋轉(zhuǎn)式連續(xù)流VAD成為主流研究方向。目前人工心臟已成為歐美國(guó)家治療終末期心衰的重要手段并被醫(yī)保覆蓋，根據(jù)Intermacs統(tǒng)計(jì)，自2006年6月至2016年9月，僅美國(guó)已有包括美國(guó)副總統(tǒng)切尼在內(nèi)的18385名患者受益，2年存活率基本提高到約80%。

目前商用人工心臟基本都是采用一根穿過人體腹部的經(jīng)皮導(dǎo)線將體內(nèi)植入血泵與體外控制驅(qū)動(dòng)器連接，經(jīng)皮導(dǎo)線的感染問題是主要并發(fā)癥之一。因此科研人員一直致力于將無線能量傳輸技術(shù)( Wireless power transmission)應(yīng)用于人工心臟，并取得了一定的研究進(jìn)展。

一、磁感應(yīng)式VPT的應(yīng)用

磁感應(yīng)式WPT系統(tǒng)的組成部分一般包括整流濾波、高頻逆變、原邊補(bǔ)償、可分離變壓器、副邊補(bǔ)償和電流調(diào)理等。磁感應(yīng)式WPT的工作原理是從外界輸入的工頻交流經(jīng)過整流逆變后轉(zhuǎn)換成高頻交變電流，并輸入到可分離變壓器的原邊繞組，在高頻電磁場(chǎng)的感應(yīng)耦合作用下將電能傳輸?shù)娇煞蛛x變壓器副邊，而得到的高頻交變電流經(jīng)電流調(diào)理電路轉(zhuǎn)換成負(fù)載需要的工作電流，以達(dá)到為負(fù)載供電的目的。

最早在人工心臟中應(yīng)用的WPT大多采用磁感應(yīng)方式，比較知名的有Arrow International公司開發(fā)的完全植入式VAD，代號(hào)LionHeart，其組成如圖1所示，植入人體的除了血系(Blood pump)之外，還將內(nèi)置接收線圈和控制驅(qū)動(dòng)器植人體內(nèi)。該產(chǎn)品1999年進(jìn)行臨床試驗(yàn)，效果顯著，但Arrow公司后因資金問題終止了該項(xiàng)目。

Abiomed公司自20世紀(jì)80年代早期就開始研發(fā)全植入式的人工心臟AbioCor，磁感應(yīng)式接收線圈從外部接收電能，給整套系統(tǒng)供電，其內(nèi)置了可充電式鋰電池，可邊工作邊充電，洗澡等無外部電源的環(huán)境中可維持系統(tǒng)工作45分鐘。該產(chǎn)品2001年7月經(jīng)FDA批準(zhǔn)在路易維爾大學(xué)進(jìn)行了首次臨床試驗(yàn)。

二、磁場(chǎng)諧振式的應(yīng)用

2007年麻省理工學(xué)院的Marin教授利用磁場(chǎng)諧振的方式，在1.9m距離外成功點(diǎn)亮了60W的燈泡，開辟了無線電能傳輸技術(shù)的一個(gè)新方向，該方式彌補(bǔ)了感應(yīng)式傳輸距離短的缺陷，同時(shí)極大降低了能量傳輸對(duì)環(huán)境的影響。 該原理立即被眾多研究人工心臟的機(jī)構(gòu)或大學(xué)采用，目前較為有前景的產(chǎn)品架構(gòu)均基于此方式。最典型的是Yale大學(xué)的Bonde教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)的FREE-D自由諧振式無線能量傳輸系統(tǒng)，可針對(duì)各種成熟商業(yè)用人工心臟產(chǎn)品進(jìn)行控制與驅(qū)動(dòng)，已在進(jìn)行動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，有望很快進(jìn)入臨床。

三、展望

為降低經(jīng)皮導(dǎo)線感染的并發(fā)癥，研究人員一直在努力將無線電能傳輸技術(shù)引入人工心臟的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，從最早期的磁感應(yīng)式產(chǎn)品一直到近期的磁共振式產(chǎn)品。如能將可植入部分體積重量進(jìn)一步縮小，降低對(duì)內(nèi)外線圈之間距離和角度的要求，同時(shí)解決好多套系統(tǒng)之間的電磁干擾問題，大幅提高可靠性，相信在不久的將來，完全去除掉經(jīng)皮電纜的全植入式人工心臟將成為治療心力衰竭的常規(guī)首選方法之一，為廣大心衰患者提供更好的治療效果和更優(yōu)的生活質(zhì)量。

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作者簡(jiǎn)介：

許劍(1982-)，男，安徽安慶人，博士，主要從事人工輔助心臟等醫(yī)療器械、機(jī)電一體化設(shè)備的研制;

姜洋，航天泰心科技有限公司;

王妍，北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所;

周娜，航天泰心科技有限公司;

張栩曼，航天泰心科技有限公司。