磁懸浮人工心臟的工作原理是什么？

圖片：PIRO4D / CC0

叫什么也不寫真名

磁浮心臟看到這個問題才第一次傳聞，不是這個范疇內的，可是作為一個新的手藝手段，仍是很感樂趣的，簡單檢索了一下，根基大部門新聞都是統一個來歷，從央視的經濟半小時轉載過來的，大部門內容也是從國度對醫療宏不雅調控的樂不雅角度切入來講的，只提到了“中國醫學科學院阜外病院”，可是這個心臟的供給商卻只提了姑蘇某醫療公司，但提到了這家公司的 CEO，那就很輕易了，更況且這個產物已經用在臨床上了，這家公司也沒有什么神秘面紗。

一則 2018 年報道在彭湃新聞上的題為《姑蘇降生全磁懸浮人工心臟打破發財國度壟斷該手藝款式》的新聞，就已經對這項手藝的成長有了評價，甚至在這則新聞報道不久，就有知乎問題提了出來（傳送門）。

在看經濟半小時報道中，描述含糊其詞，把人工心臟寫的神乎其神，對這個范疇不熟悉的人看了報道更是一頭霧水。

陳琛和團隊在研究中締造性地操縱永磁鐵和電磁鐵的分歧特征，經由過程“四兩撥千斤”的特別調制方式，降低電磁鐵的體積和功耗要求，從而實現減小齒輪直徑，將血泵體積整體縮小。本來六七十毫米直徑的血泵，縮小到 50 毫米，厚度也減小到 26 毫米。

報道頂用到了“四兩撥千斤”的表述，對于大部門人而言，人工心臟到底多大合適其實并沒有一個明白的概念，怎么操縱永磁鐵和電磁鐵特征實現功能的，在這個報道中完全沒有說起。但作為一個當作熟的貿易項目，必心猿意馬有大量的根本范疇研究，才可以或許實現貿易化推廣，更甚至是臨床應用，公開的專利對它的道理實現必心猿意馬有良多表述。懷著進修的心態，去檢索了磁懸浮人工心臟的專利和相關的產物，將看到的簡單分享一下。

1 姑蘇某醫療器械公司專利概覽

在專利檢索東西中檢索“本家兒題詞=‘心臟‘，作者=‘陳琛‘“，今朝可以檢索到 11 項已授權的公開辟明專利和適用新型專利，包羅下圖的這些，這些專利文檔都可以經由過程國度常識產權局網站獲取到完整的專利文件副本，感樂趣的話可以自取，經由過程對專利文件的閱讀，我們可以大要對人工心臟的實現做一個簡單的領會和熟悉。

2 什么是人工心臟

人工心臟是一種可植入的機械裝配，可以取代心臟的部門或者完全取代。人工心臟分為輔助人工心臟和完全人工心臟。
今朝人工心臟本家兒要有三方面對床應用：1、作為期待心臟移植的過渡，為患者爭奪更多的時候比及合適的供體；2、為急性心衰患者供給短期替代撐持，待心臟功能恢復后撤消；3、為終末期心衰患者供給持久替代，撐持患者攜帶人工心臟持久保存。
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.

心臟對于大部人而言并不目生，他陪同著人類渡過平生，在心臟的感化下，血液可以在全身內流動，經由過程血液輪回完當作物質代謝、能量傳輸等等功能，一旦心臟的功能受到損掉，人的生命平安就會受到極大的威脅。文獻中報道全球大要有 2200 萬人罹患心臟衰竭（heart failure），歐洲大要有 1400 萬，美國也有 570 萬人，并且以每年 67 萬人增加的速度增添。今朝而言，心臟衰竭的患者大要有 44%的患者依靠強心藥（inotrope）維持生命，大要有 23%的患者依靠左心室血管支撐裝配維持期待心臟移植手術。那么人類就想出一個法子來，用別的一個“心臟”取代人類心臟的功能，實現搏動，帶動血液輪回。最直不雅的策略是做心臟的器官移植，可是人類心臟器官移植和其他器官比擬更面對著供體欠缺的問題，從而科學家又將目光轉移到豬的身上，用豬作為心臟供體已經在狒狒身上當作功移植，也是一個很樸實的解決方案，對于異種移植而言，排異反映、手術難度，都是顯而易見的。

3 磁懸浮人工心臟的實現

人工心臟的感化簡單來講就是采用某種體例，為血液流動供給動力，就像是一個水泵一樣，為患者的血液流動供給源源不竭的動力來歷，從理論上來講，任何形式的水泵都可以作為機械式的人工心臟，甚至任何一個可切確節制流量的蠕動泵都可以作為人工心臟（傳送門蠕動泵工作道理）。

但因為人體的特別用途，對血液流動速度、設備的便攜性、人類對設備的免疫反映以及設備的不變性提出了很是高的要求。今朝除了姑蘇這家公司，檢索到、HeartWave 和 Terumo 幾家公司專注在左心輔助裝配范疇中。他們的方式不太不異，CorWave 和 HeartWave 的道理是操縱可以波動的膜實現對血液的驅動，Terumo 和姑蘇這家公司采用的是操縱電磁鐵和永磁體的共同實現對血液的流動。

波動膜驅動的機械式人工心臟

別的一種就是在新聞中提到的這一條目采用磁懸浮式的產物，對于產物道理的介紹，姑蘇這家公司公開的介紹材料有限，我們看到了 Terumo 公司的操縱磁懸浮式人工心臟的道理視頻。

這個是 Terumo 公司的產物 DuraHeart，整個系統中包羅焦點的人工心臟、導管、電源、節制器等等。利用中，圖示中 Pump 毗連的白色斑紋管路毗連體外的電源及節制模塊，白色管毗連到血管中，應該是動脈血管上，銀色的管路毗連在心臟上，血液從銀色管路流入，經由過程泵體供給動力，從白色管路流出。

泵體中最焦點的部門是懸浮式的轉子，在這個泵體中，轉子的上方和下方別離是電磁體和永磁體，在工作中，經由過程調節電磁鐵的磁場強度，起首將轉子懸浮在腔體中，經由過程調節電磁鐵的電流巨細，實現磁場的轉變，從而帶動腔體內液體的流動。

這個轉子被設計當作了電扇形的樣子，轉子葉輪的中心是空的，扇葉是標的目的周圍發散的，如下圖 c 所示，在動彈的過程中，經由過程離心力的感化，可以對上游心臟內的血液又一個負壓的吸力，同時也對下流的血管也可以或許一共正壓的動力，鞭策血液的流動。

看到這里，我想到了前段時候在某寶上的一個磁浮玩具，可以把一個地球儀放在一個架子上面，在磁力的感化下，沒有任何接觸，就可以讓地球儀扭轉起來，根基的道理近似。在網上也有很多優異的人可以 DIY 這樣的懸浮玩具。（傳送門：便宜懸浮玩具）此外，國內有大神在 Arduino 上操縱線圈和霍爾元件便宜建造了磁浮玩具，操縱 PID 節制實現了磁力巨細的均衡調節，做到了磁浮的工作。

可是我們發現了一個問題，一旦我們移動這個底座，或者是移動地球儀的時辰，極易發生不測環境，本地球儀的球體位置發生轉變時可能會導致地球儀重重地吸在某一極上，移動底座的時辰也可能會發生錯位。但在醫療器械中，這些掉誤是完全不被許可的，呈現任何一點問題，將會對患者的生命健康造當作威脅。

是以姑蘇這家醫療公司對轉子的活動進行了研究，提出了一種自阻尼按捺振動的磁懸浮人工心臟血泵轉子并拿到了專利授權，為磁懸浮人工心臟的不變運行保駕護航。

4 總結

作為一項醫療器械而言，磁懸浮人工心臟的道理并不復雜，多個磁鐵配合感化下將葉輪懸浮在腔體中，在電磁鐵的感化下實現葉輪的動彈，和我們常說的磁懸浮列車根基也大同小異，甚至和磁浮玩具在道理上更是沒有很大的區別，可是用作醫療器械，尤其是需要和患者持久共存的醫療器械，對其運行不變性提出了極高的要求，同時也對體積、植入位置有著苛刻的要求。

不算復雜的道理，和高難度的實現，培養了磁浮人工心臟，再加上高難度高要求的外科手術，磁浮人工心臟仍是將來若干年內的一片藍海。