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(jīng)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(xiàn)狀進行了對比分析，并針對發(fā)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(wèi)生問題，我國心衰發(fā)病率近1%，每年新增發(fā)病數(shù)可達數(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、異體排斥反應等問題難以成為常規(guī)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(fā)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(xù)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(yī)保覆蓋，根據(jù)Intermacs統(tǒng)計，自2006年6月至2016年9月，僅美國已有包括美國副總統(tǒng)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(jīng)皮導線將體內植入血泵與體外控制驅動器連接，經(jīng)皮導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( 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(tǒng)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(jīng)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?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(fā)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(chǎn)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(fā)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(tǒng)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(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(huán)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(chǎn)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(fā)的FREE-D自由諧振式無線能量傳輸系統(tǒng)，可針對各種成熟商業(yè)用人工心臟產(chǎn)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(jīng)皮導線感染的并發(fā)癥，研究人員一直在努力將無線電能傳輸技術引入人工心臟的產(chǎn)品設計中，從最早期的磁感應式產(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(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(yī)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。