盡管人工心臟成功延長了一些心臟病人的生命，但一直存在的幾個設計缺陷仍然限制了它們的使用。目前，這些電動機械心臟所依靠的是容積血泵，而容積血泵的體積過于龐大。這些血泵的確很大，甚至連最新式的自行運作心臟都不能夠輕易地裝入較小的胸腔中。另外，容積血泵具有的運動、循環(huán)加載部件也比工程師考慮到穩(wěn)定性所希望看到的要多。德克薩斯心臟研究所正在研發(fā)的一種新型機電心臟，將采用一種不同的血液泵和不同的精密控制算法，恰好就能夠解決這兩個問題。

與采用一個容積血泵來模仿一顆自然心臟的跳動不同，德克薩斯心臟研究所的全人工心臟（TAH）設計采用的是一對連續(xù)流動軸流泵。一個肺部循環(huán)泵把缺氧血液輸送到肺臟并把充氧血液帶回到心臟；而一個全身循環(huán)泵則把充氧血液從心臟輸送到全身并把去氧血液再送回到心臟。使用一個控制器，就能夠讓兩個血泵協(xié)力工作，并可以根據(jù)一個血泵和生理需求的變化來調節(jié)另一個血泵的輸出。

據(jù)德克薩斯心臟研究所心臟支持中心的技術副主任Steve Parnis說，這兩個連續(xù)流動軸流泵，實際上就是MicroMed心血管公司出品的、被改作他用的DeBakey心室輔助裝置。一般情況下，心室輔助裝置（VAD）所起的作用就像其名字所說的那樣，是用來輔助自然心臟完成泵血功能的?！暗谶@里，這兩個心室輔助裝置會完全替代自然的心室，” Parnis說。

這種創(chuàng)新想法的出現(xiàn)已經(jīng)有幾年的時間了。在2006年，德克薩斯心臟研究所研究主任兼心肺移植主任Bud Frazier博士發(fā)表了幾篇有關連續(xù)流動全人工心臟的論文。在2008年，美國國立衛(wèi)生研究院獎勵給德克薩斯心臟研究所280萬美元款項來資助連續(xù)流動心臟的設計，這時，他的這一想法又向臨床實踐靠近了一步。

在一項全人工心臟應用中，心室輔助裝置具有多種應用優(yōu)勢。其一，它們的體積只有一枚C電池大小，而一個自足式搏動血流泵卻是一個兩磅重的鈦與塑料厚塊。“心室輔助裝置將適合于大多數(shù)病人，而只有少數(shù)病人適合使用現(xiàn)在的搏動血流泵，” Parnis說。

其二，心室輔助裝置具有可靠的臨床跟蹤記錄。據(jù)MicroMed公司的首席運營官、協(xié)助開發(fā)原始DeBakey心室輔助裝置模型的工程師之一Bob Benkowski說，現(xiàn)在大約有500個DeBakey心室輔助裝置正在被使用。“它們已經(jīng)工作八年了，”他說。并且他把這種穩(wěn)定性部分上歸功于MicroMed公司軸流泵的簡潔性，這種軸流泵唯一的運動部件葉輪，是直接由電動繞組來驅動的。

Parnis認為，即使是最現(xiàn)代的容積血流泵，其使用壽命也就是兩年；容積泵搏動所產(chǎn)生的循環(huán)加載狀態(tài)在軸流泵上是不會出現(xiàn)的。他補充說，連續(xù)流動泵所需要的電力和成本可能還會低于更加復雜的搏動血流泵。如果兩個連續(xù)流動的心室輔助裝置就能組成一個如此偉大的全人工心臟，為什么迄今為止還沒有得到應用呢？這是因為，它們仍將需要大量的控制器工程來完成從自然心臟輔助到全人工心臟替代的跨越。

一種新型的全人工心臟概念，利用一對如上圖一樣的小型軸流泵，讓血液通過人體的全身循環(huán)和肺部循環(huán)流動。一個心室輔助裝置用來進行血液在人體全省中的流動，而另一個則用來讓血液進出肺臟。通常情況下，這些血流泵是被用作心室輔助裝置來輔助自然心臟的。

而這正是Matthew Franchek和Ralph Metcalfe的工作職責所在，他們兩位都是機械工程師，擁有博士學位，同時還是休斯敦大學Cullen工程學院的教授。作為美國國立衛(wèi)生研究院專項資金資助工作的一部分，他們正合力進行能允許兩個心室輔助裝置作為一個全人工心臟協(xié)力合作的一種反饋控制器的研究工作。該所大學的研究者們曾協(xié)助開發(fā)過汽車應用中類似的自動調節(jié)控制系統(tǒng)，他們中的大多數(shù)人現(xiàn)在正在為Cummins Engine公司研制一種柴油引擎的自動調節(jié)器。

從某些方面來說，F(xiàn)ranchek與Metcalfe，因為采用成熟的心室輔助裝置技術，是最早開始控制器開發(fā)工作的人員。MicroMed公司的心室輔助裝置已經(jīng)具有自己的控制器。Benkowski把這些控制器描述成為反饋控制器，這種控制器利用超聲波傳感器來進行實際流量的測量，并把實際流量與理想的流量輸出進行對比，而后生成一種適切的脈寬調制控制信號來調節(jié)葉輪的轉速。

但是，這兩位工程學教授仍然有分配給他們的工作要做。通常來說，心室輔助裝置是作為殘留自然心臟的輔助支持而獨立工作的。而在全人工心臟中，它們必須密切協(xié)作來模仿一顆自然心臟左右心室的平衡流動。Franchek說：“讓兩個血流泵配對聯(lián)合使用就必須要面對一個復雜多變的控制問題。每一血流泵的負載狀態(tài)和流量輸出都會影響到另一個血流泵的負載狀態(tài)和流量輸出?！?/p>

人工心臟控制器還必須把這些相關的流量和負載狀態(tài)，包括入口壓力和流出阻力，與人體的變化需求緊密地聯(lián)系在一起。Franchek說，站立或行走等日?；顒訒淖兞髁亢拓撦d狀態(tài)。血管限制、高血壓或血液粘稠度的變化等心血管事件和不同病人間內在的生理差異也會影響到流量和負載狀態(tài)。“我們所面臨的挑戰(zhàn)是，無論生理狀態(tài)因為什么原因出現(xiàn)波動，我們都必須保持一個穩(wěn)定狀態(tài)的心臟輸出，” Franchek說。

軸流泵的出現(xiàn)正好可以滿足這種需求。在反饋控制器的協(xié)助下，它們可以進行自動調節(jié)，因為其流量輸出對入口壓力和流出阻力都非常敏感。Benkowski說，這種心室輔助裝置血流泵葉輪幾何形狀和血液流管的結構設計可以盡量與全人工心臟應用的最優(yōu)流動壓力行為相適應?！拔覀兛梢愿淖冞@些血流泵的壓力敏感度，讓控制算法工作起來稍微容易一些，”他說。

一個積分控制器能夠讓兩個軸流泵協(xié)同工作，同時還可以根據(jù)生理狀態(tài)的變化自動調節(jié)其輸出流量。這種控制器的算法中結合了一種循環(huán)系統(tǒng)動態(tài)行為的數(shù)學模型。感測值被從理想值中減掉以便產(chǎn)生誤差信號，而誤差信號會通過控制器得以放大。

與此同時，這些控制算法將基于一個模擬積分控制器來實施，該控制器被用來測量實際的輸出流量，并把它與理想流量值進行對比從而對電壓做出相應調整。Franchek和Metcalfe為該應用選擇了一個看似簡單的積分控制策略，因為它在其動態(tài)行為既好理解且又具有合作瞬變特點的系統(tǒng)中，在維持系統(tǒng)的狀態(tài)穩(wěn)定方面表現(xiàn)非常突出。既然生理狀態(tài)會對血流泵狀態(tài)產(chǎn)生影響，理解這種動態(tài)行為就不會是一件容易的事。并且，美國國立衛(wèi)生研究院資助下的控制器的大部分開發(fā)工作都與創(chuàng)建一個人體循環(huán)系統(tǒng)的集中參數(shù)數(shù)學模型有關。據(jù)Franchek說，該模型將最終合并到全人工心臟的控制算法中。

Franchek說，他預計全人工心臟控制算法的初次通過要到今年夏天。“現(xiàn)在，我們才剛剛開始這些控制器的設計制造，”他說。并且，仍然存在一些有關血流泵如何運作的重要決定需要去做。比如，研究者們需要決定，在一種半搏動狀態(tài)下，是讓一個血流泵運作呢還是兩個都要運作。Franchek說，如果需要，為了模擬自然心臟的搏動行為，泵電機可以很容易地“轉動起來和停止下來”。其他的開發(fā)工作還包括為系統(tǒng)增加血液粘稠度監(jiān)控的可能性?！拔覀兿嘈牛瑥牧髁繙y量和電壓信號中，我們能夠有效地推斷出血液的粘稠度，” Franchek說。

現(xiàn)在，他和Metcalfe正在利用多種仿真工具開展開發(fā)工作。MATLAB和Simulink軟件正在被他們用來開發(fā)數(shù)學模型。他們還正在DSPACE（一套機電一體化系統(tǒng)的開發(fā)工具）中，模擬最后的控制算法并制作控制器硬件的原型。Franchek說，他希望控制器的第一個版本能夠在今年夏天的某個時間問世。

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