研發(fā)用于輔助或完全代替心臟功能的裝置無疑是一項非常復(fù)雜的任務(wù)。從給裝置供電到確保裝置對人體正常的機能沒有干擾，設(shè)計中的各個環(huán)節(jié)都充滿了巨大的挑戰(zhàn)。圣猶達醫(yī)療公司的研究人員使用多物理場仿真來設(shè)計左心室輔助裝置（left ventricular assist device， 簡稱 LVAD），堅持不懈地致力于幫助心力衰竭患者改善生活質(zhì)量，樹立健康的心態(tài)。

　　心力衰竭這種疾病通常始于心臟左側(cè)，由于左心室負責(zé)將富氧血液泵入全身，而右心室僅將血液泵入肺部，因此前者的輸送距離遠大于后者，負擔(dān)也更重。通常來說，LVAD（見圖1）能為左心室功能不全的患者提供機械循環(huán)的支持。

　　圖 1. LVAD 泵的作用是幫助富氧血液在全身循環(huán)。圖像由圣猶達醫(yī)療公司提供。

　　心室輔助裝置是有史以來最復(fù)雜的體內(nèi)植入器械之一。LVAD 除了為人體全身的血液循環(huán)提供動力、維持生命外，還必須與人體內(nèi)的生物環(huán)境相兼容。圣猶達醫(yī)療公司旗下的Thoratec 公司，經(jīng)過多年臨床試驗，終于在 2010 年為 LVAD 產(chǎn)品開辟出了廣闊的市場。

　　設(shè)計強大、高效、血液相容的血泵

　　設(shè)計 LVAD 時必須考慮到諸多因素：裝置必須足夠小才能與心臟連接，并需要使用相容性材料和合理的幾何結(jié)構(gòu)才能將其植入人體內(nèi)而不引起排異反應(yīng)。另外，設(shè)計者還必須考慮流體動力學(xué)、供電和熱管理等問題。在每個環(huán)節(jié)的研發(fā)中，研發(fā)人員都必須清楚地了解多個相互作用的物理效應(yīng)，因此，多物理場仿真在整個設(shè)計過程起到了至關(guān)重要的作用。

　　在開始實驗研究之前，圣猶達醫(yī)療公司的高級研發(fā)工程師 Freddy Hansen 會利用專業(yè)知識對 LVAD 這種復(fù)雜的植入式醫(yī)療裝置的特性進行物理和數(shù)學(xué)的建模。

　　Hansen 從 2011 年起就開始使用 COMSOL Multiphysics? 軟件，到目前為止已創(chuàng)建了超過 230 個模型，成功攻克了多項與人工泵裝置獨特物理現(xiàn)象相關(guān)的設(shè)計難題。

　　“不論是驗證概念模型，還是處理具有詳細 CAD 幾何結(jié)構(gòu)和多物理場耦合的復(fù)雜仿真，COMSOL Multiphysics 的使用貫穿于我每天的研究中。對于一些復(fù)雜的模型，有時需要好幾個月才能從模型中獲取全部需要的信息?！?/p>

　　每一代 LVAD 產(chǎn)品進入市場前都經(jīng)過了改進優(yōu)化，以增強產(chǎn)品的安全性，提高患者的生活質(zhì)量。圣猶達醫(yī)療公司的研發(fā)重點是提升裝置的生物相容性、血液相容性以及免疫相容性，確保裝置不會引起不良的免疫反應(yīng)或干擾其他人體系統(tǒng)。

　　幾何結(jié)構(gòu)和尺寸對裝置的整體功能有著重要的影響。植入 LVAD 時，外科醫(yī)生首先將 LVAD 的一端連接到左心室，然后將另一端連接到升主動脈（見圖 2）。裝置的體積越小，操作就越簡單，也就越不容易干擾相鄰的器官或組織。借助仿真，研發(fā)人員可以在完成物理樣機之前，評估不同的尺寸或幾何結(jié)構(gòu)對 LVAD 設(shè)計的影響。

　　圖2 。 LVAD 的外部設(shè)備。圖片由圣猶達醫(yī)療公司提供。圖注：Left Ventricular Assist Device - 左心室輔助裝置；Battery - 電池； Percut aneous Cable - 經(jīng)皮導(dǎo)線；Controller - 控制器；LVAD control - LVAD 控制；Patient user interface - 患者用戶界面；Emergency backup battery - 緊急備用電源

　　優(yōu)化 LVAD 設(shè)計，提高生物相容性

　　研發(fā)人員在 LVAD 離心泵的開發(fā)過程中運行了大量仿真分析。設(shè)計此類裝置面臨的一個挑戰(zhàn)是防止在泵的內(nèi)部或周圍空間發(fā)生血液凝結(jié)。為應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，工程師們開發(fā)出了磁懸浮轉(zhuǎn)子，用來取代容易引起凝血的球軸承和其他組件。Hansen 利用軟件中的“旋轉(zhuǎn)機械”建模技術(shù)對磁懸浮轉(zhuǎn)子和湍流流動進行了模擬。

　　泵轉(zhuǎn)子中的永磁體由定子中的線圈驅(qū)動，這些線圈的轉(zhuǎn)動會在轉(zhuǎn)子內(nèi)產(chǎn)生扭矩，并對轉(zhuǎn)子軸的位置產(chǎn)生主動控制。轉(zhuǎn)子的垂直位置或懸浮狀態(tài)通過磁場線張力實現(xiàn)，無需施加主動控制。轉(zhuǎn)子沿軸向接收血液，隨后將血液沿徑向輸出到螺旋管或流體收集器中（見圖3）。部分血液將回流到轉(zhuǎn)子外部邊緣附近，然后進入轉(zhuǎn)子入口，這實際上形成了血液的持續(xù)洗滌的過程，有助于消除血液的栓塞和凝結(jié)。

　圖 3. （a）三維 CFD（計算流體動力學(xué)）仿真，描繪了泵體內(nèi)的流體速度。（b）磁懸浮轉(zhuǎn)子，用來取代球軸承及其他組件，因為這些幾何結(jié)構(gòu)可能會促進凝血。圖中顯示了轉(zhuǎn)子磁場的大小和方向，以及定子磁場的大小。（c）LVAD 離心泵示意圖。圖注：Outflow Cannula - 流出套管；Inflow Cannula - 流入套管；Impeller - 葉輪

　　另一項重大突破是開發(fā)出了能夠產(chǎn)生脈沖式流動而非連續(xù)流動的泵系統(tǒng)，因為脈沖式流動方式更接近人體心臟的真實工作狀態(tài)。此外，脈沖式流動還有助于洗滌血液，防止血液凝結(jié)，并能為全身的血管產(chǎn)生積極的生理效應(yīng)。

　　全植入型 LVAD 實現(xiàn)無線充電

　　目前的 LVAD 需要通過生物相容性材料制成的電線，將電能從體外控制器中的外部電池傳輸?shù)奖?。但如果可以去除電線將會怎樣呢？

　　Hansen 深入研究了通過磁共振耦合來傳輸電能的方式。其原理是，當(dāng)兩個共振頻率大致相同的物體通過振蕩磁場相互傳遞能量時，會發(fā)生磁共振耦合。通過這種方式，電源中的電能可以無線傳輸?shù)搅硪粋€裝置中，即使穿過人體組織這種生物介質(zhì)也能實現(xiàn)。

　　全植入式 LVAD 系統(tǒng)（FILVAS）使患者不必再擔(dān)心電線帶來的問題，同時也降低了感染的風(fēng)險、改善了患者的生活質(zhì)量。有了這個發(fā)明，患者就可以擺脫電線的顧慮，放心地淋浴和游泳了。

　　為了評估向 LVAD 裝置進行能量無線傳輸?shù)目尚行?，以及確定合理尺寸的線圈之間可傳輸?shù)碾娏看笮?，Hansen 耦合了三維磁場模型和電路模型，用來確定能量的傳輸效率和損耗，以及最優(yōu)的電路設(shè)計和元器件參數(shù)。

　　他評估了重要電路元件（如變壓器線圈的電線）中使用的各種不同材料，還研究了由于患者走路、跑步及其他活動導(dǎo)致的線圈偏移等問題。研究中還考慮了人體附近可能存在的磁性物體或金屬物體對裝置產(chǎn)生的影響。

　　不僅如此，工程師還必須確?；颊叩捏w溫和生物系統(tǒng)不會受到植入物的影響。無線能量傳輸會在線圈附近的人體組織中引起微小的電流。Hansen 模擬了組織中由于感應(yīng)電流而產(chǎn)生的熱量，以及植入物（磁導(dǎo)線、電子設(shè)備及電池）內(nèi)部產(chǎn)生的熱量。進而通過采用由著名醫(yī)療機構(gòu)克利夫蘭診所（Cleveland Clinic）試驗測定的人體組織導(dǎo)熱系數(shù)，來最終確定植入物附近的人體組織的溫升情況（見圖 4）。

　　圖4. 磁能傳輸造成的體內(nèi)升溫模型。結(jié)果顯示了組織和周圍空氣中的能量密度分布。圖注：Receiver - 接收器；Skin-air interface - 皮膚-空氣界面 ；Transmitter - 發(fā)射器

　　保護維持生命的電池

　　LVAD 是患者日常生活中賴以生存的裝置。這意味著 LVAD 的外部控制器（裝有重要的“救命”電池）必須經(jīng)得起日常使用過程中的磨損，甚至是掉在地上時產(chǎn)生的沖擊。為了保證控制器即使被患者隨手亂扔，也能繼續(xù)正常工作，Hansen 對控制器進行了機械沖擊分析，以評估它的彈性形變恢復(fù)能力（見圖 5）。

　　圖 5. 鋼珠對 LVAD 控制器的沖擊仿真，用于評估控制器的彈性形變恢復(fù)能力。結(jié)果顯示了沿垂直軸的位移。圖注：Impact point - 沖擊點

　　不僅如此，他還分析了變形的結(jié)構(gòu)外殼和扭曲的框架的邊緣和表面，以確認控制器的整體性能性。分析結(jié)果表明，即使控制器遭受明顯沖擊，也能繼續(xù)為 LVAD 提供維持生命的電能。