無線能量傳輸在人工心臟中的應用

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.北京精密機電控制設備研究所，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皮電纜將體內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應用于人工心臟，從根本上改善病人的用戶體驗，本文對研究現狀進行了對比分析，并針對發展趨勢提出展望。

關鍵詞：心力衰竭;人工心臟;無線能量傳輸

基金項目：天津市科技計劃項目( 17YFCZZC00480)。

心力衰竭已成為全世界主要的公共衛生問題，我國心衰發病率近1%，每年新增發病數可達數百萬。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量、異體排斥反應等問題難以成為常規治療方法。

自20世紀50年代開始，人工心臟在歐美國家得到蓬勃發展，早期主要是模擬自然心臟工作機制的全人工心臟TAH，體積和功耗較大，應用不廣翻。后小型、可靠的旋轉式連續流VAD成為主流研究方向。目前人工心臟已成為歐美國家治療終末期心衰的重要手段并被醫保覆蓋，根據Intermacs統計，自2006年6月至2016年9月，僅美國已有包括美國副總統切尼在內的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皮導線將體內植入血泵與體外控制驅動器連接，經皮導線的感染問題是主要并發癥之一。因此科研人員一直致力于將無線能量傳輸技術( Wireless power transmission)應用于人工心臟，并取得了一定的研究進展。

一、磁感應式VPT的應用

磁感應式WPT系統的組成部分一般包括整流濾波、高頻逆變、原邊補償、可分離變壓器、副邊補償和電流調理等。磁感應式WPT的工作原理是從外界輸入的工頻交流經過整流逆變后轉換成高頻交變電流，并輸入到可分離變壓器的原邊繞組，在高頻電磁場的感應耦合作用下將電能傳輸到可分離變壓器副邊，而得到的高頻交變電流經電流調理電路轉換成負載需要的工作電流，以達到為負載供電的目的。

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

Abiomed公司自20世紀80年代早期就開始研發全植入式的人工心臟AbioCor，磁感應式接收線圈從外部接收電能，給整套系統供電，其內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境中可維持系統工作45分鐘。該產品2001年7月經FDA批準在路易維爾大學進行了首次臨床試驗。

二、磁場諧振式的應用

2007年麻省理工學院的Marin教授利用磁場諧振的方式，在1.9m距離外成功點亮了60W的燈泡，開辟了無線電能傳輸技術的一個新方向，該方式彌補了感應式傳輸距離短的缺陷，同時極大降低了能量傳輸對環境的影響。 該原理立即被眾多研究人工心臟的機構或大學采用，目前較為有前景的產品架構均基于此方式。最典型的是Yale大學的Bonde教授團隊開發的FREE-D自由諧振式無線能量傳輸系統，可針對各種成熟商業用人工心臟產品進行控制與驅動，已在進行動物實驗，有望很快進入臨床。

三、展望

為降低經皮導線感染的并發癥，研究人員一直在努力將無線電能傳輸技術引入人工心臟的產品設計中，從最早期的磁感應式產品一直到近期的磁共振式產品。如能將可植入部分體積重量進一步縮小，降低對內外線圈之間距離和角度的要求，同時解決好多套系統之間的電磁干擾問題，大幅提高可靠性，相信在不久的將來，完全去除掉經皮電纜的全植入式人工心臟將成為治療心力衰竭的常規首選方法之一，為廣大心衰患者提供更好的治療效果和更優的生活質量。

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作者簡介：

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

姜洋，航天泰心科技有限公司;

王妍，北京精密機電控制設備研究所;

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。