用于輔助心臟裝置的LVAD優化設計方案

　　研發用于輔助或完全代替心臟功能的裝置無疑是一項非常復雜的任務。從給裝置供電到確保裝置對人體正常的機能沒有干擾，設計中的各個環節都充滿了巨大的挑戰。圣猶達醫療公司的研究人員使用多物理場仿真來設計左心室輔助裝置（left ventricular assist device，簡稱 LVAD），堅持不懈地致力于幫助心力衰竭患者改善生活質量，樹立健康的心態。

　　心力衰竭這種疾病通常始于心臟左側，由于左心室負責將富氧血液泵入全身，而右心室僅將血液泵入肺部，因此前者的輸送距離遠大于后者，負擔也更重。通常來說，LVAD（見圖1）能為左心室功能不全的患者提供機械循環的支持。

　　圖 1. LVAD 泵的作用是幫助富氧血液在全身循環。圖像由圣猶達醫療公司提供。

　　心室輔助裝置是有史以來最復雜的體內植入器械之一。LVAD 除了為人體全身的血液循環提供動力、維持生命外，還必須與人體內的生物環境相兼容。圣猶達醫療公司旗下的Thoratec 公司，經過多年臨床試驗，終于在 2010 年為 LVAD 產品開辟出了廣闊的市場。

　　設計強大、高效、血液相容的血泵

　　設計 LVAD 時必須考慮到諸多因素：裝置必須足夠小才能與心臟連接，并需要使用相容性材料和合理的幾何結構才能將其植入人體內而不引起排異反應。另外，設計者還必須考慮流體動力學、供電和熱管理等問題。在每個環節的研發中，研發人員都必須清楚地了解多個相互作用的物理效應，因此，多物理場仿真在整個設計過程起到了至關重要的作用。

　　在開始實驗研究之前，圣猶達醫療公司的高級研發工程師 Freddy Hansen 會利用專業知識對 LVAD 這種復雜的植入式醫療裝置的特性進行物理和數學的建模。

　　Hansen 從 2011 年起就開始使用 COMSOL Multiphysics? 軟件，到目前為止已創建了超過 230 個模型，成功攻克了多項與人工泵裝置獨特物理現象相關的設計難題。

　　“不論是驗證概念模型，還是處理具有詳細 CAD 幾何結構和多物理場耦合的復雜仿真，COMSOL Multiphysics 的使用貫穿于我每天的研究中。對于一些復雜的模型，有時需要好幾個月才能從模型中獲取全部需要的信息。”

　　每一代 LVAD 產品進入市場前都經過了改進優化，以增強產品的安全性，提高患者的生活質量。圣猶達醫療公司的研發重點是提升裝置的生物相容性、血液相容性以及免疫相容性，確保裝置不會引起不良的免疫反應或干擾其他人體系統。

　　幾何結構和尺寸對裝置的整體功能有著重要的影響。植入 LVAD 時，外科醫生首先將 LVAD 的一端連接到左心室，然后將另一端連接到升主動脈（見圖 2）。裝置的體積越小，操作就越簡單，也就越不容易干擾相鄰的器官或組織。借助仿真，研發人員可以在完成物理樣機之前，評估不同的尺寸或幾何結構對 LVAD 設計的影響。

　　圖2 。 LVAD 的外部設備。圖片由圣猶達醫療公司提供。圖注：Left Ventricular Assist Device - 左心室輔助裝置；Battery - 電池； Percut aneous Cable - 經皮導線；Controller - 控制器；LVAD control - LVAD 控制；Patient user interface - 患者用戶界面；Emergency backup battery - 緊急備用電源

　　優化 LVAD 設計，提高生物相容性

　　研發人員在 LVAD 離心泵的開發過程中運行了大量仿真分析。設計此類裝置面臨的一個挑戰是防止在泵的內部或周圍空間發生血液凝結。為應對這一挑戰，工程師們開發出了磁懸浮轉子，用來取代容易引起凝血的球軸承和其他組件。Hansen 利用軟件中的“旋轉機械”建模技術對磁懸浮轉子和湍流流動進行了模擬。

　　泵轉子中的永磁體由定子中的線圈驅動，這些線圈的轉動會在轉子內產生扭矩，并對轉子軸的位置產生主動控制。轉子的垂直位置或懸浮狀態通過磁場線張力實現，無需施加主動控制。轉子沿軸向接收血液，隨后將血液沿徑向輸出到螺旋管或流體收集器中（見圖3）。部分血液將回流到轉子外部邊緣附近，然后進入轉子入口，這實際上形成了血液的持續洗滌的過程，有助于消除血液的栓塞和凝結。

　圖 3. （a）三維 CFD（計算流體動力學）仿真，描繪了泵體內的流體速度。（b）磁懸浮轉子，用來取代球軸承及其他組件，因為這些幾何結構可能會促進凝血。圖中顯示了轉子磁場的大小和方向，以及定子磁場的大小。（c）LVAD 離心泵示意圖。圖注：Outflow Cannula - 流出套管；Inflow Cannula - 流入套管；Impeller - 葉輪

　　另一項重大突破是開發出了能夠產生脈沖式流動而非連續流動的泵系統，因為脈沖式流動方式更接近人體心臟的真實工作狀態。此外，脈沖式流動還有助于洗滌血液，防止血液凝結，并能為全身的血管產生積極的生理效應。

　　全植入型 LVAD 實現無線充電

　　目前的 LVAD 需要通過生物相容性材料制成的電線，將電能從體外控制器中的外部電池傳輸到泵。但如果可以去除電線將會怎樣呢？

　　Hansen 深入研究了通過磁共振耦合來傳輸電能的方式。其原理是，當兩個共振頻率大致相同的物體通過振蕩磁場相互傳遞能量時，會發生磁共振耦合。通過這種方式，電源中的電能可以無線傳輸到另一個裝置中，即使穿過人體組織這種生物介質也能實現。

　　全植入式 LVAD 系統（FILVAS）使患者不必再擔心電線帶來的問題，同時也降低了感染的風險、改善了患者的生活質量。有了這個發明，患者就可以擺脫電線的顧慮，放心地淋浴和游泳了。

　　為了評估向 LVAD 裝置進行能量無線傳輸的可行性，以及確定合理尺寸的線圈之間可傳輸的電量大小，Hansen 耦合了三維磁場模型和電路模型，用來確定能量的傳輸效率和損耗，以及最優的電路設計和元器件參數。

　　他評估了重要電路元件（如變壓器線圈的電線）中使用的各種不同材料，還研究了由于患者走路、跑步及其他活動導致的線圈偏移等問題。研究中還考慮了人體附近可能存在的磁性物體或金屬物體對裝置產生的影響。

　　不僅如此，工程師還必須確保患者的體溫和生物系統不會受到植入物的影響。無線能量傳輸會在線圈附近的人體組織中引起微小的電流。Hansen 模擬了組織中由于感應電流而產生的熱量，以及植入物（磁導線、電子設備及電池）內部產生的熱量。進而通過采用由著名醫療機構克利夫蘭診所（Cleveland Clinic）試驗測定的人體組織導熱系數，來最終確定植入物附近的人體組織的溫升情況（見圖 4）。