研發(fā)用于輔助或完全代替心臟功能的裝置無(wú)疑是一項(xiàng)非常復(fù)雜的任務(wù)。從給裝置供電到確保裝置對(duì)人體正常的機(jī)能沒(méi)有干擾，設(shè)計(jì)中的各個(gè)環(huán)節(jié)都充滿了巨大的挑戰(zhàn)。圣猶達(dá)醫(yī)療公司的研究人員使用多物理場(chǎng)仿真來(lái)設(shè)計(jì)左心室輔助裝置（left ventricular assist device， 簡(jiǎn)稱 LVAD），堅(jiān)持不懈地致力于幫助心力衰竭患者改善生活質(zhì)量，樹(shù)立健康的心態(tài)。

　　心力衰竭這種疾病通常始于心臟左側(cè)，由于左心室負(fù)責(zé)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(yuǎn)大于后者，負(fù)擔(dān)也更重。通常來(lái)說(shuō)，LVAD（見(jiàn)圖1）能為左心室功能不全的患者提供機(jī)械循環(huán)的支持。

　　圖 1. LVAD 泵的作用是幫助富氧血液在全身循環(huán)。圖像由圣猶達(dá)醫(yī)療公司提供。

　　心室輔助裝置是有史以來(lái)最復(fù)雜的體內(nèi)植入器械之一。LVAD 除了為人體全身的血液循環(huán)提供動(dòng)力、維持生命外，還必須與人體內(nèi)的生物環(huán)境相兼容。圣猶達(dá)醫(yī)療公司旗下的Thoratec 公司，經(jīng)過(guò)多年臨床試驗(yàn)，終于在 2010 年為 LVAD 產(chǎn)品開(kāi)辟出了廣闊的市場(chǎng)。

　　設(shè)計(jì)強(qiáng)大、高效、血液相容的血泵

　　設(shè)計(jì) LVAD 時(shí)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(jié)構(gòu)才能將其植入人體內(nèi)而不引起排異反應(yīng)。另外，設(shè)計(jì)者還必須考慮流體動(dòng)力學(xué)、供電和熱管理等問(wèn)題。在每個(gè)環(huán)節(jié)的研發(fā)中，研發(fā)人員都必須清楚地了解多個(gè)相互作用的物理效應(yīng)，因此，多物理場(chǎng)仿真在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程起到了至關(guān)重要的作用。

　　在開(kāi)始實(shí)驗(yàn)研究之前，圣猶達(dá)醫(yī)療公司的高級(jí)研發(fā)工程師 Freddy Hansen 會(huì)利用專業(yè)知識(shí)對(duì) LVAD 這種復(fù)雜的植入式醫(yī)療裝置的特性進(jìn)行物理和數(shù)學(xué)的建模。

　　Hansen 從 2011 年起就開(kāi)始使用 COMSOL Multiphysics? 軟件，到目前為止已創(chuàng)建了超過(guò) 230 個(gè)模型，成功攻克了多項(xiàng)與人工泵裝置獨(dú)特物理現(xiàn)象相關(guān)的設(shè)計(jì)難題。

　　“不論是驗(yàn)證概念模型，還是處理具有詳細(xì) CAD 幾何結(jié)構(gòu)和多物理場(chǎng)耦合的復(fù)雜仿真，COMSOL Multiphysics 的使用貫穿于我每天的研究中。對(duì)于一些復(fù)雜的模型，有時(shí)需要好幾個(gè)月才能從模型中獲取全部需要的信息?！?/p>

　　每一代 LVAD 產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)前都經(jīng)過(guò)了改進(jìn)優(yōu)化，以增強(qiáng)產(chǎn)品的安全性，提高患者的生活質(zhì)量。圣猶達(dá)醫(yī)療公司的研發(fā)重點(diǎn)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(huì)引起不良的免疫反應(yīng)或干擾其他人體系統(tǒng)。

　　幾何結(jié)構(gòu)和尺寸對(duì)裝置的整體功能有著重要的影響。植入 LVAD 時(shí)，外科醫(yī)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(dòng)脈（見(jiàn)圖 2）。裝置的體積越小，操作就越簡(jiǎn)單，也就越不容易干擾相鄰的器官或組織。借助仿真，研發(fā)人員可以在完成物理樣機(jī)之前，評(píng)估不同的尺寸或幾何結(jié)構(gòu)對(duì) LVAD 設(shè)計(jì)的影響。

　　圖2 。 LVAD 的外部設(shè)備。圖片由圣猶達(dá)醫(yī)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(jīng)皮導(dǎo)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(yōu)化 LVAD 設(shè)計(jì)，提高生物相容性

　　研發(fā)人員在 LVAD 離心泵的開(kāi)發(fā)過(guò)程中運(yùn)行了大量仿真分析。設(shè)計(jì)此類裝置面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)是防止在泵的內(nèi)部或周圍空間發(fā)生血液凝結(jié)。為應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，工程師們開(kāi)發(fā)出了磁懸浮轉(zhuǎn)子，用來(lái)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(zhuǎn)機(jī)械”建模技術(shù)對(duì)磁懸浮轉(zhuǎn)子和湍流流動(dòng)進(jìn)行了模擬。

　　泵轉(zhuǎn)子中的永磁體由定子中的線圈驅(qū)動(dòng)，這些線圈的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)在轉(zhuǎn)子內(nèi)產(chǎn)生扭矩，并對(duì)轉(zhuǎn)子軸的位置產(chǎn)生主動(dòng)控制。轉(zhuǎn)子的垂直位置或懸浮狀態(tài)通過(guò)磁場(chǎng)線張力實(shí)現(xiàn)，無(wú)需施加主動(dòng)控制。轉(zhuǎn)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(jiàn)圖3）。部分血液將回流到轉(zhuǎn)子外部邊緣附近，然后進(jìn)入轉(zhuǎn)子入口，這實(shí)際上形成了血液的持續(xù)洗滌的過(guò)程，有助于消除血液的栓塞和凝結(jié)。

　圖 3. （a）三維 CFD（計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）仿真，描繪了泵體內(nèi)的流體速度。（b）磁懸浮轉(zhuǎn)子，用來(lái)取代球軸承及其他組件，因?yàn)檫@些幾何結(jié)構(gòu)可能會(huì)促進(jìn)凝血。圖中顯示了轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的大小和方向，以及定子磁場(chǎng)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(xiàng)重大突破是開(kāi)發(fā)出了能夠產(chǎn)生脈沖式流動(dòng)而非連續(xù)流動(dòng)的泵系統(tǒng)，因?yàn)槊}沖式流動(dòng)方式更接近人體心臟的真實(shí)工作狀態(tài)。此外，脈沖式流動(dòng)還有助于洗滌血液，防止血液凝結(jié)，并能為全身的血管產(chǎn)生積極的生理效應(yīng)。

　　全植入型 LVAD 實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電

　　目前的 LVAD 需要通過(guò)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?shù)奖谩５绻梢匀コ娋€將會(huì)怎樣呢？

　　Hansen 深入研究了通過(guò)磁共振耦合來(lái)傳輸電能的方式。其原理是，當(dāng)兩個(gè)共振頻率大致相同的物體通過(guò)振蕩磁場(chǎng)相互傳遞能量時(shí)，會(huì)發(fā)生磁共振耦合。通過(guò)這種方式，電源中的電能可以無(wú)線傳輸?shù)搅硪粋€(gè)裝置中，即使穿過(guò)人體組織這種生物介質(zhì)也能實(shí)現(xiàn)。

　　全植入式 LVAD 系統(tǒng)（FILVAS）使患者不必再擔(dān)心電線帶來(lái)的問(wèn)題，同時(shí)也降低了感染的風(fēng)險(xiǎn)、改善了患者的生活質(zhì)量。有了這個(gè)發(fā)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(píng)估向 LVAD 裝置進(jìn)行能量無(wú)線傳輸?shù)目尚行?，以及確定合理尺寸的線圈之間可傳輸?shù)碾娏看笮?，Hansen 耦合了三維磁場(chǎng)模型和電路模型，用來(lái)確定能量的傳輸效率和損耗，以及最優(yōu)的電路設(shè)計(jì)和元器件參數(shù)。

　　他評(píng)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(dòng)導(dǎo)致的線圈偏移等問(wèn)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(duì)裝置產(chǎn)生的影響。

　　不僅如此，工程師還必須確?；颊叩捏w溫和生物系統(tǒng)不會(huì)受到植入物的影響。無(wú)線能量傳輸會(huì)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(yīng)電流而產(chǎn)生的熱量，以及植入物（磁導(dǎo)線、電子設(shè)備及電池）內(nèi)部產(chǎn)生的熱量。進(jìn)而通過(guò)采用由著名醫(yī)療機(jī)構(gòu)克利夫蘭診所（Cleveland Clinic）試驗(yàn)測(cè)定的人體組織導(dǎo)熱系數(shù)，來(lái)最終確定植入物附近的人體組織的溫升情況（見(jiàn)圖 4）。

　　圖4. 磁能傳輸造成的體內(nèi)升溫模型。結(jié)果顯示了組織和周圍空氣中的能量密度分布。圖注：Receiver - 接收器；Skin-air interface - 皮膚-空氣界面 ；Transmitter - 發(fā)射器

　　保護(hù)維持生命的電池

　　LVAD 是患者日常生活中賴以生存的裝置。這意味著 LVAD 的外部控制器（裝有重要的“救命”電池）必須經(jīng)得起日常使用過(guò)程中的磨損，甚至是掉在地上時(shí)產(chǎn)生的沖擊。為了保證控制器即使被患者隨手亂扔，也能繼續(xù)正常工作，Hansen 對(duì)控制器進(jìn)行了機(jī)械沖擊分析，以評(píng)估它的彈性形變恢復(fù)能力（見(jiàn)圖 5）。

　　圖 5. 鋼珠對(duì) LVAD 控制器的沖擊仿真，用于評(píng)估控制器的彈性形變恢復(fù)能力。結(jié)果顯示了沿垂直軸的位移。圖注：Impact point - 沖擊點(diǎn)

　　不僅如此，他還分析了變形的結(jié)構(gòu)外殼和扭曲的框架的邊緣和表面，以確認(rèn)控制器的整體性能性。分析結(jié)果表明，即使控制器遭受明顯沖擊，也能繼續(xù)為 LVAD 提供維持生命的電能。