在前两部分中，我们探讨了心力衰竭的严峻形势以及长期可植入左心室辅助设备（LVAD）的技术发展历程，特别是悬浮技术的核心创新与突破。从磁悬浮到液力悬浮，再到混合悬浮技术，每一次技术进步都显著提升了LVAD设备的性能和患者的治疗效果。然而，悬浮技术只是LVAD技术体系中的一个关键环节，要全面评估LVAD的整体性能，还需要深入了解其核心部件以及相应的评价指标。

LVAD的核心部件包括电机、生理控制、血液相容性设计以及体外实验验证等。这些部件的性能不仅决定了LVAD的运行效率和稳定性，还直接影响到患者的长期预后和生活质量。例如，电机的悬浮性能和控制精度、生理控制的精准性、血液相容性的优化以及体外实验的科学性，每一个环节都至关重要。在本部分中，我们将深入剖析这些核心部件的技术细节和评价指标，探讨它们如何共同作用，推动LVAD技术的持续进步。

LVAD核心部件及评价指标

一

电机

常规的微型电机技术不复杂，日常生活应用较多的电动牙刷、吹风机、无人机的电机都能做到几厘米的超小体积，几万转速的输出，但是这些电机不能直接应用于人工心脏泵中。首先，常规电机需要轴承支承，但轴承与转子间的机械摩擦、磨损微粒脱落会对血液带来极大的风险。无轴承电机的出现解决了上述问题，它仅靠磁悬浮机制即可让转子稳定悬浮在泵室中工作，但这也引出了第二个关键问题能否保证优秀的悬浮性能，悬浮性能对第三代磁悬浮人工心脏泵的工作稳定性和医疗效果至关重要，能否为血液创造一条稳定、可靠的宽血流通道，来保证血液相容性。同样对于电机控制算法的控制精度也是一个考验。

磁悬浮电机根据悬浮力产生方式可分为电磁悬浮、永磁悬浮和混合磁力悬浮三种方式。

• 电磁悬浮通过线圈绕组产生可控电磁悬浮力，缺点是电磁结构和控制算法复杂，需要额外的位置检测元件、功率器件及控制器。

• 永磁体被动悬浮通过磁体间的相互作用力实现悬浮，虽然结构简单，但磁力不可控。

• 混合磁力悬浮结合了电磁主动悬浮和永磁被动悬浮的优点，既简化了结构，又能对悬浮稳定性进行主动控制。

在血泵磁悬浮方案中，由于稳定性的要求和体积的限制，混合磁力悬浮的方案得到了广泛应用。

轴流式、离心式以及混流式磁悬浮血泵的区别如下：

• 离心式血泵的流量较低,升压较高,而轴流式血泵的流量比离心式血泵的流量高,转速高,而升压较低;

• 轴流式血泵结构较离心式血泵而言更加紧凑,其尺寸更小,能够更好地植入于体内;
  
• 混流式血泵作为离心式血泵与轴流式血泵的综合,结合了两种血泵的结构特点,但结构复杂。

叶轮为主要的做功部件,通过高速旋转做功以加速血液的流动,血液的动能在叶轮中不断增加,直至被甩出叶轮区。(a)为闭式叶轮,其泵血效率最高,但是加工困难；(b)所示的半开式叶轮加工简单,工作效率优于开式叶轮,并且其对血液的破坏也较低；(c)所示的开式叶轮其结构最为简单,不易产生堵塞,但是泄漏量较大,泵血的效率不高。

叶片曲率、形状、数量、尾缘厚度，开式／半开叶轮以及叶片出口宽度度对血泵内剪切力和效率均有影响。

血泵叶轮时刻受到磁、液、电等多场耦合作用，叶轮的悬浮稳定性分析及控制研究对提高血泵运行稳定性具有至关重要的作用。

生理控制

目前大部分研究仅从血流动力学特性（如血压、血流量、心率）中选取一项来设计生理控制方法，而没有考虑各个因素的综合影响。然而提高系统血液搏动性、动态性能和预防抽吸、反流对于提升人工心脏泵的辅助水平，提高植入患者的生活质量至关重要。

目前的研究是基于血泵连续流运行模式开展的，而通过叶轮转速调控增加血泵主动脉的脉动性的工况更加复杂，对血泵脉动流工况下生理特征变化进行研究是必要的，分析叶轮调控对各指标的影响规律，并通过多目标优化控制进一步改善血泵辅助效果。

血液相容性

血液损伤是人工心脏临床应用的最大挑战。 血液通过血泵进行循环流动时,叶轮高速旋转所产生的应力远高于体内心血管系统产生应力,从而导致红细胞破裂、血小板激活、血管性血友病因子 ( von Willebrand factor, vWF )降解,引发胃肠道出血、中风等并发症。

基于溶血估算模型开展流体动力学仿真可以指导人工心脏泵优化结构参数，进而提高溶血性能。目前大部分溶血优化的流体动力学仿真仅针对恒定转速工况，然而人工心脏泵在进行生理控制时转速是变化的，这就要求开展脉动变速调制下人工心脏泵流场仿真分析。溶血实验比建模仿真更有说服力。

VAD 作为与血液直接接触的医疗设备,其表面性质对血液相容性具有重要影响。 生物涂层能够模拟人体内皮细胞表面特性,降低溶血和血栓形成风险,类金刚石涂层、肝素涂层等生物涂层材料已被广泛应用于 VAD 中。

体外设计及实验验证

一

CFD 评估方法研究

目前国内外关于人工心脏泵的研究当中，主要通过设计不同的人工心脏泵的结构和参数， 利用仿真来研究的泵内流场的分布情况以及溶血性能。通过实验的方法对人工心脏泵的性能进行测试，能够获得较为准确的结果。计算流体动力学（CFD）仿真应用于人工心脏泵结构参数的设计和优化中，可以减少实体模型的加工次数。通过仿真，对模型的结构参数不断地调整，直至得到一套性能较好的优化模型，然后将优化后的模型加工出来，通过实验对仿真模型进行验证，不仅缩短了研究周期，还降低研究成本。

二

血泵体外台架实验研究进展

体外血液相容性测试是血泵临床应用前性能评价的关键步骤。Liu等研究了非生理剪切 应力 ( non-physiological Shear stress, NPSS) 对红细胞的损伤及其在不同临床支持条件下血泵引起的相关生化指标变化。

研究发现，350mmHg 压头下血泵产生的剪切应力高于 100mmHg，导致血浆游离血红蛋白增加, 胆固醇上升, 而葡萄糖和NO下降。350mmHg 条件下，血浆铁和甘油三酯浓度也显著增加，红细胞计数和形态、血浆乳酸脱氢酶和氧化应激在不同压头条件下差异不显著,但血浆细胞外囊泡显著增加。结果表明，NPSS 是红细胞损伤的主要原因，而氧化应激影响较小。

MCL 是一种用于模拟人体血液循环系统的实验装置,通常由心脏模块、血管模块、流体介质、控制系统几个主要部分组成,能够模拟心脏的泵血功能、血管的阻力与顺应性以及血液的流动特性,在评估血液接触医疗设备(如 VAD、人工心脏瓣膜)方面具有重要作用。

三

粒子图像测速实验

粒子图像测速(particle Image velocimetry, PIV)是一种瞬态、多点、无接触式的流体力学测速方法。用激光照射散布在流场中的示踪粒子并使用高速摄像机捕捉粒子图像,分析粒子位移可以获取流场速度分布。将其应用于血泵的设计中,可以帮助研发者更好了解流场特性,辅助血泵性能评估和优化设计。

技术的发展永无止境。尽管当前的LVAD技术已经取得了显著的进步，但仍面临诸多挑战，例如如何进一步降低设备能耗、提高血液相容性、优化悬浮稳定性等。这些问题的解决将为LVAD技术的未来发展奠定坚实的基础。在未来的研究和临床应用中，我们需要持续投入研发资源，推动技术创新，同时加强临床研究和患者教育，以确保LVAD技术能够更好地服务于心力衰竭患者。感谢您关注“长期可植入左心室辅助设备行业研究”系列报告，让我们共同期待这一领域的未来与希望。

参考资料：

[1] 董念国：慢性心衰及终末期心脏病2023年进展

[2] 陈静,吴明祥,苏晞.终末期心力衰竭机械循环支持的治疗进展[J].中国心血管杂志,2024,29(01):17-26.

[3] Virani SS, Alonso A, Aparicio HJ, et al. Heart disease and stroke statistics-2021 update: a report from the American Heart Association[J]. Circulation, 2021, 143(8): e254-e743.

[4] 刘明波,何新叶,杨晓红,等.《中国心血管健康与疾病报告2023》要点解读[J].中国心血管杂志,2024,29(04):305-324.

[5] 严道医声网：左室辅助装置在晚期心力衰竭中的应用

[6] 罗渝翔,吴庆琛,帖红涛.左心室辅助装置的发展历程、并发症及未来展望[J].重庆医学,2024,53(09):1391-1396.

[7] Zeitler EP, Cooper LB, Clare RM, Chiswell K, Lowenstern A, Rogers JG, Milano CA, Schroder JN, Al-Khatib SM, Mentz RJ. OptiVol for Volume Assessment in Patients With Continuous Flow Left Ventricular Assist Device. ASAIO J. 2021 Feb 1;67(2):192-195.

[8] 刘鑫.混合磁悬浮人工心脏泵设计优化与生理控制研究[D].中国科学技术大学,2024.

[9] 伟波.轴流式磁悬浮锥形血泵的设计与性能研究[D].武汉理工大学,2022.

[10] 曹俊波. 磁液双悬浮轴承多自由度解耦与抗干扰控制研究[D]. 燕山大学,2020.

[11] Chen G, Yao L, Zheng R, et al. Design and Implementation of a N ovel Passive Magnetically Levitated N utation Blood Pump for the Ventricular-assist Device[J]. IEEE Access, 2019, 7: 169327-169337.

[12] 罗基平,黄典贵,许斌. 混流式血泵的数值模拟及性能分析[J]. 生物医学工程学杂志,2020,37 (02):296-303.

[13] 陈云.离心式血泵液力悬浮结构设计及血液相容性研究[D].哈尔滨理工大学,2022.

[14]Wang X, Zhou X, Chen H, Du J, Qing P, Zou L, Chen Y, Duan F, Yuan S, Shi J, Ji B, Wu R, Zhang Y, Jin Y, Hu S. Long-term outcomes of a novel fully magnetically levitated ventricular assist device for the treatment of advanced heart failure in China. J Heart Lung Transplant. 2024 Nov;43(11):1806-1815. 

[15] 刘鑫.混合磁悬浮人工心脏泵设计优化与生理控制研究[D].中国科学技术大学,2024.

[16] Pra.王宇.离心式液力悬浮血泵的设计与优化[D].武汉科技大学,2019.

[17] 沈朋.脉动流血泵叶轮调控关键技术研究[D].哈尔滨理工学,2022.

[18] 视频资料来源于B站及公开资料

[19] 其他资料来源：各公司网站及公开资料