磁悬浮人工心脏的工作原理是什么？

图片：PIRO4D / CC0

叫什么也不写真名

磁浮心脏看到这个问题才第一次传闻，不是这个范畴内的，可是作为一个新的手艺手段，仍是很感乐趣的，简单检索了一下，根基大部门新闻都是统一个来历，从央视的经济半小时转载过来的，大部门内容也是从国度对医疗宏不雅调控的乐不雅角度切入来讲的，只提到了“中国医学科学院阜外病院”，可是这个心脏的供给商却只提了姑苏某医疗公司，但提到了这家公司的 CEO，那就很轻易了，更况且这个产物已经用在临床上了，这家公司也没有什么神秘面纱。

一则 2018 年报道在彭湃新闻上的题为《姑苏降生全磁悬浮人工心脏打破发财国度垄断该手艺款式》的新闻，就已经对这项手艺的成长有了评价，甚至在这则新闻报道不久，就有知乎问题提了出来（传送门）。

在看经济半小时报道中，描述含糊其词，把人工心脏写的神乎其神，对这个范畴不熟悉的人看了报道更是一头雾水。

陈琛和团队在研究中缔造性地操纵永磁铁和电磁铁的分歧特征，经由过程“四两拨千斤”的特别调制方式，降低电磁铁的体积和功耗要求，从而实现减小齿轮直径，将血泵体积整体缩小。本来六七十毫米直径的血泵，缩小到 50 毫米，厚度也减小到 26 毫米。

报道顶用到了“四两拨千斤”的表述，对于大部门人而言，人工心脏到底多大合适其实并没有一个明白的概念，怎么操纵永磁铁和电磁铁特征实现功能的，在这个报道中完全没有说起。但作为一个当作熟的贸易项目，必心猿意马有大量的根本范畴研究，才可以或许实现贸易化推广，更甚至是临床应用，公开的专利对它的道理实现必心猿意马有良多表述。怀着进修的心态，去检索了磁悬浮人工心脏的专利和相关的产物，将看到的简单分享一下。

1 姑苏某医疗器械公司专利概览

在专利检索东西中检索“本家儿题词=‘心脏‘，作者=‘陈琛‘“，今朝可以检索到 11 项已授权的公开辟明专利和适用新型专利，包罗下图的这些，这些专利文档都可以经由过程国度常识产权局网站获取到完整的专利文件副本，感乐趣的话可以自取，经由过程对专利文件的阅读，我们可以大要对人工心脏的实现做一个简单的领会和熟悉。

2 什么是人工心脏

人工心脏是一种可植入的机械装配，可以取代心脏的部门或者完全取代。人工心脏分为辅助人工心脏和完全人工心脏。
今朝人工心脏本家儿要有三方面对床应用：1、作为期待心脏移植的过渡，为患者争夺更多的时候比及合适的供体；2、为急性心衰患者供给短期替代撑持，待心脏功能恢复后撤消；3、为终末期心衰患者供给持久替代，撑持患者携带人工心脏持久保存。
More than 22 million people suffer from heart failure worldwide. Approximately 14 million people in Europe currently suffer from heart failure, and this number is forecast to increase to 30 million by the year 2020. In the USA alone, approximately 5.7 million people (2.5%) suffer from heart failure with new diagnoses of more than 670,000 cases each year.

心脏对于大部人而言并不目生，他陪同着人类渡过平生，在心脏的感化下，血液可以在全身内流动，经由过程血液轮回完当作物质代谢、能量传输等等功能，一旦心脏的功能受到损掉，人的生命平安就会受到极大的威胁。文献中报道全球大要有 2200 万人罹患心脏衰竭（heart failure），欧洲大要有 1400 万，美国也有 570 万人，并且以每年 67 万人增加的速度增添。今朝而言，心脏衰竭的患者大要有 44%的患者依靠强心药（inotrope）维持生命，大要有 23%的患者依靠左心室血管支撑装配维持期待心脏移植手术。那么人类就想出一个法子来，用别的一个“心脏”取代人类心脏的功能，实现搏动，带动血液轮回。最直不雅的策略是做心脏的器官移植，可是人类心脏器官移植和其他器官比拟更面对着供体欠缺的问题，从而科学家又将目光转移到猪的身上，用猪作为心脏供体已经在狒狒身上当作功移植，也是一个很朴实的解决方案，对于异种移植而言，排异反映、手术难度，都是显而易见的。

3 磁悬浮人工心脏的实现

人工心脏的感化简单来讲就是采用某种体例，为血液流动供给动力，就像是一个水泵一样，为患者的血液流动供给源源不竭的动力来历，从理论上来讲，任何形式的水泵都可以作为机械式的人工心脏，甚至任何一个可切确节制流量的蠕动泵都可以作为人工心脏（传送门蠕动泵工作道理）。

但因为人体的特别用途，对血液流动速度、设备的便携性、人类对设备的免疫反映以及设备的不变性提出了很是高的要求。今朝除了姑苏这家公司，检索到、HeartWave 和 Terumo 几家公司专注在左心辅助装配范畴中。他们的方式不太不异，CorWave 和 HeartWave 的道理是操纵可以波动的膜实现对血液的驱动，Terumo 和姑苏这家公司采用的是操纵电磁铁和永磁体的共同实现对血液的流动。

波动膜驱动的机械式人工心脏

别的一种就是在新闻中提到的这一条目采用磁悬浮式的产物，对于产物道理的介绍，姑苏这家公司公开的介绍材料有限，我们看到了 Terumo 公司的操纵磁悬浮式人工心脏的道理视频。

这个是 Terumo 公司的产物 DuraHeart，整个系统中包罗焦点的人工心脏、导管、电源、节制器等等。利用中，图示中 Pump 毗连的白色斑纹管路毗连体外的电源及节制模块，白色管毗连到血管中，应该是动脉血管上，银色的管路毗连在心脏上，血液从银色管路流入，经由过程泵体供给动力，从白色管路流出。

泵体中最焦点的部门是悬浮式的转子，在这个泵体中，转子的上方和下方别离是电磁体和永磁体，在工作中，经由过程调节电磁铁的磁场强度，起首将转子悬浮在腔体中，经由过程调节电磁铁的电流巨细，实现磁场的转变，从而带动腔体内液体的流动。

这个转子被设计当作了电扇形的样子，转子叶轮的中心是空的，扇叶是标的目的周围发散的，如下图 c 所示，在动弹的过程中，经由过程离心力的感化，可以对上游心脏内的血液又一个负压的吸力，同时也对下流的血管也可以或许一共正压的动力，鞭策血液的流动。

看到这里，我想到了前段时候在某宝上的一个磁浮玩具，可以把一个地球仪放在一个架子上面，在磁力的感化下，没有任何接触，就可以让地球仪扭转起来，根基的道理近似。在网上也有很多优异的人可以 DIY 这样的悬浮玩具。（传送门：便宜悬浮玩具）此外，国内有大神在 Arduino 上操纵线圈和霍尔元件便宜建造了磁浮玩具，操纵 PID 节制实现了磁力巨细的均衡调节，做到了磁浮的工作。

可是我们发现了一个问题，一旦我们移动这个底座，或者是移动地球仪的时辰，极易发生不测环境，本地球仪的球体位置发生转变时可能会导致地球仪重重地吸在某一极上，移动底座的时辰也可能会发生错位。但在医疗器械中，这些掉误是完全不被许可的，呈现任何一点问题，将会对患者的生命健康造当作威胁。

是以姑苏这家医疗公司对转子的活动进行了研究，提出了一种自阻尼按捺振动的磁悬浮人工心脏血泵转子并拿到了专利授权，为磁悬浮人工心脏的不变运行保驾护航。

4 总结

作为一项医疗器械而言，磁悬浮人工心脏的道理并不复杂，多个磁铁配合感化下将叶轮悬浮在腔体中，在电磁铁的感化下实现叶轮的动弹，和我们常说的磁悬浮列车根基也大同小异，甚至和磁浮玩具在道理上更是没有很大的区别，可是用作医疗器械，尤其是需要和患者持久共存的医疗器械，对其运行不变性提出了极高的要求，同时也对体积、植入位置有着苛刻的要求。

不算复杂的道理，和高难度的实现，培养了磁浮人工心脏，再加上高难度高要求的外科手术，磁浮人工心脏仍是将来若干年内的一片蓝海。