无线能量传输在人工心脏中的应用
许剑1，姜洋1，王妍2，周娜1，张栩曼1
(1.航天泰心科技有限公司，天津300457;
2.北京精密机电控制设备研究所，北京100076)
摘要：人工心脏(包括全人工心脏TAH和心室辅助装置VAD)是除心脏移植外唯一有效的心衰治疗手段，目前商用的人工心脏基本都是通过一根经皮电缆将体内血泵与体外控制器相连接，但研究人员已在尝试将无线能量传输技术应用于人工心脏，从根本上改善病人的用户体验，本文对研究现状进行了对比分析，并针对发展趋势提出展望。
关键词：心力衰竭;人工心脏;无线能量传输
基金项目：天津市科技计划项目( 17YFCZZC00480)。
心力衰竭已成为全世界主要的公共卫生问题，我国心衰发病率近1%，每年新增发病数可达数百万。终末期心力衰竭患者药物治疗效果不佳，最有效的心脏移植则受限于供体数量、异体排斥反应等问题难以成为常规治疗方法。
自20世纪50年代开始，人工心脏在欧美国家得到蓬勃发展，早期主要是模拟自然心脏工作机制的全人工心脏TAH，体积和功耗较大，应用不广翻。后小型、可靠的旋转式连续流VAD成为主流研究方向。目前人工心脏已成为欧美国家治疗终末期心衰的重要手段并被医保覆盖，根据Intermacs统计，自2006年6月至2016年9月，仅美国已有包括美国副总统切尼在内的18385名患者受益，2年存活率基本提高到约80%。
目前商用人工心脏基本都是采用一根穿过人体腹部的经皮导线将体内植入血泵与体外控制驱动器连接，经皮导线的感染问题是主要并发症之一。因此科研人员一直致力于将无线能量传输技术( Wireless power transmission)应用于人工心脏，并取得了一定的研究进展。
一、磁感应式VPT的应用
磁感应式WPT系统的组成部分一般包括整流滤波、高频逆变、原边补偿、可分离变压器、副边补偿和电流调理等。磁感应式WPT的工作原理是从外界输入的工频交流经过整流逆变后转换成高频交变电流，并输入到可分离变压器的原边绕组，在高频电磁场的感应耦合作用下将电能传输到可分离变压器副边，而得到的高频交变电流经电流调理电路转换成负载需要的工作电流，以达到为负载供电的目的。
最早在人工心脏中应用的WPT大多采用磁感应方式，比较知名的有Arrow International公司开发的完全植入式VAD，代号LionHeart，其组成如图1所示，植入人体的除了血系(Blood pump)之外，还将内置接收线圈和控制驱动器植人体内。该产品1999年进行临床试验，效果显著，但Arrow公司后因资金问题终止了该项目。
Abiomed公司自20世纪80年代早期就开始研发全植入式的人工心脏AbioCor，磁感应式接收线圈从外部接收电能，给整套系统供电，其内置了可充电式锂电池，可边工作边充电，洗澡等无外部电源的环境中可维持系统工作45分钟。该产品2001年7月经FDA批准在路易维尔大学进行了首次临床试验。
二、磁场谐振式的应用
2007年麻省理工学院的Marin教授利用磁场谐振的方式，在1.9m距离外成功点亮了60W的灯泡，开辟了无线电能传输技术的一个新方向，该方式弥补了感应式传输距离短的缺陷，同时极大降低了能量传输对环境的影响。 该原理立即被众多研究人工心脏的机构或大学采用，目前较为有前景的产品架构均基于此方式。最典型的是Yale大学的Bonde教授团队开发的FREE-D自由谐振式无线能量传输系统，可针对各种成熟商业用人工心脏产品进行控制与驱动，已在进行动物实验，有望很快进入临床。
三、展望
为降低经皮导线感染的并发症，研究人员一直在努力将无线电能传输技术引入人工心脏的产品设计中，从最早期的磁感应式产品一直到近期的磁共振式产品。如能将可植入部分体积重量进一步缩小，降低对内外线圈之间距离和角度的要求，同时解决好多套系统之间的电磁干扰问题，大幅提高可靠性，相信在不久的将来，完全去除掉经皮电缆的全植入式人工心脏将成为治疗心力衰竭的常规首选方法之一，为广大心衰患者提供更好的治疗效果和更优的生活质量。
参考文献：
[1]周睿主译.机械循环支持原则和应用[M].第1版.上海：上海科学技术出版社，2016.
[2]Rodriguez L E, Suarez E E, Loebe M, et al.Ventricular assist devices ( VAD ) therapy: new technology,new hope[J]. Methodist Debakey Cardiovasc J. 2013,9( 1 ):32-37.
[3]孙跃，夏晨阳，戴欣，感耦合参数的分析与优化[J].(33)：44-50.等，感应耦合电钝传输系统互中国电机工程学报，2010，30
[4]Joyce D L,Joyce L D,Loebe M.Mechanicalcirculatory support:principles and applicatioris[M]. NewYork: McGraw-Hill Professional, 2012.
[5]Waters B H.Smith J R.Bonde P.Innovative Free-range Resonant Electri.cal Energy Delivery system( FREE-DSystem) for a ventricular assist device using wireless power[J].ASAIO J.2014, 60(1):31-37.
作者简介：
许剑(1982-)，男，安徽安庆人，博士，主要从事人工辅助心脏等医疗器械、机电一体化设备的研制;
姜洋，航天泰心科技有限公司;
王妍，北京精密机电控制设备研究所;
周娜，航天泰心科技有限公司;
张栩曼，航天泰心科技有限公司。
