研究前沿︱植入式人工心脏无线电能传输研究进展
2015第二届轨道交通供电系统技术大会
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苏州大学机电工程学院、苏州大学人工心脏研究所的研究人员尹成科、徐博翎，在2015年第19期《电工技术学报》上撰文，人工心脏近年来发展迅速，在发达国家已经逐渐成为末期心衰竭通用治疗手段。随着人工心脏性能不断提升，其经皮电缆感染问题已成为临床长期植入的瓶颈。无线电能传输是人工心脏理想的能量供给方式，但现有的磁感应经皮变压器和磁耦合谐振两种无线电能传输方案在传输距离、方位敏感性、可植入性和长期可靠性等方面还存在不少问题。回顾了人工心脏能量供给技术的变革，从临床需求出发总结了现有无线电能传输方案的优缺点，探讨了未来的发展方向。
近年来，由于社会结构日趋老龄化，以及环境和饮食因素，心血管疾病越来越常见，且出现了低龄化趋势。仅美国国内心衰患者就超过六百万人，每年致死人数超过二十万人，但心脏移植供体每年仅2000个左右。植入式人工心脏可以替代或辅助心脏工作，可以过渡到心脏移植或永久植入，正成为心衰治疗的重要手段，临床需求十分迫切[1]。
植入式人工心脏是一种机械辅助循环（Mechanical Circulatory Support, MCS）装置，按功能可分为全人工心脏（TotalArtificial Heart, TAH)、左心室辅助装置(Left Ventricular Assist Device, LVAD)、右心室辅助装置(RightVentricular Assist Device, RVAD)等类型。
几十年来，人们对人工心脏的生物相容性、可植入性和可靠性等方面进行了大量研究，取得了丰硕的成果，其中左心室辅助装置发展尤其活跃[2, 3]。美国自1985年第一例成功的人工心脏手术以来已经逐渐普及，目前平均每年有超过1500人接受人工心脏辅助手术，并逐渐从过渡到恢复的短期治疗向永久植入的最终治疗方向迈进[4]。美国前副总统切尼于2011年1月植入人工心脏，2012年3月接受了心脏移植逐渐恢复。美国人彼得·霍顿创造了植入人工心脏7年的记录(2000-2007)，期间写了2本书、攀登了阿尔卑斯山并环游世界各地做演讲。
刚进入临床试验阶段的新一代磁悬浮人工心脏内部无任何机械摩擦，具有优异的血液相容性，整机功率已经降至10W左右，预期寿命为10年以上，成为最有希望的永久植入治疗手段[5]。
人工心脏长期植入性能不断提升，但其能量供给方式一直是临床难题。
典型的人工心脏系统如图1a所示[6]，其血泵植入体内，便携式电池和控制器挂在体外，电池能提供一天左右的能量，一根穿过皮肤的电缆（经皮电缆，Percutaneous Cable）将体外电池或电源插座的能量送入体内血泵。临床统计显示，经皮电缆引起高达10%~20%的危及胸腔的术后感染致死率[7, 8]，在长期使用中最终会因人体活动而断裂[9-11]，平均寿命为3~5年，已经成为人工心脏临床长期植入的瓶颈[12]。
典型人工心脏系统HeartMateII[6]
经皮电缆感染案例[8]
(c)经皮电缆内断裂案例[9]
图 1 人工心脏系统及经皮电缆问题
人们很早就认识到无线能量传输在人工心脏临床应用上有重大意义。虽然存在很多能够实现无线能量传输的物理过程，但考虑到人工心脏的功率、效率、可植入性、人体活动、生物介质内能量传播特性及对生物组织的影响等因素，经过大量研究实践，目前普遍认为交变磁场是首选传能媒介，线圈间近场磁感应是主要实现方式，磁耦合谐振是提高传能效率的重要手段[13]。
但在植入人体的情况下，由于线圈之间的耦合特性与距离、方向、环境介质电磁参数十分敏感，现阶段人工心脏的无线电能传输还不能满足人工心脏临床需求，临床上仍然采用传统的经皮电缆能量供给方案[14]。
1 植入式人工心脏及其能量供给方式
按照技术实现方式，植入式人工心脏发展经过了三次更新换代。上世纪60年代人们开始在临床中使用的第一代机械辅助循环系统，主要利用置入体外的气动或电动搏动泵实现泵血。后来在此基础上研制了可植入体内的左心室辅助装置，早期代表是HeartMate XVE和Thoratec iVAD。前者用为电动搏动泵，后者为气动搏动泵[7]。
早期搏动泵的一个重要技术难点是搏动工作时体积变化的处理，对此HeartMate XVE[6]采用了一根连接到大气的经皮导管来解决。第一代搏动泵体积较大，一般只能植入到成年人的腹腔中；连接到体外的气体导管极易引起感染；功耗高达几十瓦；长期可靠性低。以HeartMate XVE为例，在长期植入临床实验中由于故障需要在2年内更换的概率为73%[7]。因此，第一代搏动泵在以长期植入为目标的临床应用中已逐渐被淘汰。
目前市场上最成功的是第二代人工心脏，其代表产品HeartMateII[6]已在世界范围内植入超过7000名患者体内，创下了最长植入7年无更换存活记录。HeartMateII是一个左心室辅助装置，由一个浸入到血液中的转子叶轮实现泵血，转子叶轮由浸入到血液中的红宝石轴承支撑，轴承以血液作为介质进行润滑和冲刷。
与搏动泵HeartMate XVE相比，HeartMateII体积大大降低，可以植入到胸腔中。其它第二代左心室辅助装置还有HeartAssit5、Jarvik2000、Abiomed Impella等[15]。第二代人工心脏的问题是其机械轴承对血液造成了较大的破环，主要体现在红细胞器械损伤（溶血）和轴承流场死区血栓（凝血）两个方面。第二代人工心脏的功率需求普遍在十瓦左右，采用经皮电缆供能。
第三代人工心脏采用流体力学悬浮或磁悬浮方案，转子与定子无任何机械接触，以获得更好的血液相容性效果。流体力悬浮泵的代表是HVAD，其转子依靠与定子间数微米微隙内的流体力实现悬浮。也有学者认为这种方案虽然实现了悬浮，但微隙内流场剪应力太大损伤血液，故从血液相容性角度将其看作第二代人工心脏[7]。
磁悬浮人工心脏利用磁场力实现转子的悬浮，转子和定子之间的间隙可以任意调整，与其他技术相比有最好的血液相容性，被认为是最有发展潜力的技术方案。磁悬浮人工心脏实现起来有不小的技术难度，小型化尤其是一个艰巨的工程挑战。
磁悬浮人工心脏的代表是Thoratec HeartMateIII和Terumo DuraHeart [6]，前者设计为植入到腹腔中，后者设计为植入胸腔中，功率需求都在10W左右，采用经皮电缆供能。
表 1对比了三代人工心脏代表性产品的植入性能、功率需求、血液相容性、驱动特征、电缆感染致死率等关键性能[7]。
表1 人工心脏更新换代性能对比
可见，随着人工心脏更新换代，其植入性能、功率需求、血液相容性等指标都得到了较大幅度的改进，但经皮电缆感染问题一直未得到妥善解决，已经成为长期植入的瓶颈问题。
2 植入式人工心脏无线电能传输
2.1 人工心脏无线电能传输概述
由于植入式医疗器械的功率需求、传能距离、植入特性、植入时间等要求千差万别，目前还不存在通用的无线电能传输方案。基于非定向射频电磁波发射的无线电能传输已经用于射频卡，工作距离达10m，但能量密度随距离平方反比降低，通常体积有限的接受端只能收到一小部分能量，整体传能效率非常低，仅适用一些微功耗植入式医疗器械，如心脏起搏器、人工耳蜗等。
利用高增益定向天线技术，可以在无障碍情况下实现数千米的射频传能[16]，但日常环境的复杂性和人体活动给这种方案带来难以解决的跟踪对准和遮挡处理问题。
因此，大部分对功率和效率有要求的无线电能传输方案，包括最近发展迅速的无线供电标准Qi、PMA、A4WP，都基于中频（100kHz～1MHz）磁感应或磁谐振技术实现。该频段的交变磁场大部分被约束在比线圈尺寸稍大的有限空间内，能量辐射损失可以忽略，传能效率可以做的很高。通过磁耦合谐振，传能距离可以明显提高。
人工心脏无线电能传输也有磁感应与磁耦合谐振两种基本方案：基于磁感应方式的经皮变压器传能距离仅为厘米量级，临床前试验中遇到不少问题；基于磁耦合谐振方式的中距离无线电能传输研究刚刚起步。
2.2 TET经皮变压器
经皮变压器传能（Transcutaneous Energy Transmission，TET）是目前研究最多的人工心脏无线电能传输方案。如图 2所示，TET用2个线圈构成松耦合经皮变压器，一个线圈植入皮下，一个线圈覆盖于皮肤表面，两者通过磁感应穿过皮肤传能。
(a)整机系统
(b)植入体内的部件[17, 18]
图 2 典型的人工心脏TET系统
TET概念早在1960年就已经被提出，并向狗体内传输了69W的功率，效率最高达95%[19]。植入式人工心脏中HeartMate XVE首先考虑了TET方案，但由于第一代人工心脏需要气管与体外相连，TET失去了其意义。
之后几十年间，人们将主要精力放在提高人工心脏自身的性能上。随着经皮电缆成为人工心脏长期植入的瓶颈，2000年左右，人工心脏LionHeart[20]、AbioCor [17] 、HeartmateII [21]先后重启了TET研究。国内比较有代表性的TET研究有河北工业大学[22]、上海交通大学[23]、清华大学[24]、南京航空航天大学[25]等。
TET作为迄今为止研究最多的人工心脏无线电能传输方案，其基本理论已经成熟[26]，避免了经皮电缆，传能功率和效率能满足人工心脏的需求。但国外在十多年临床试验中，发现了TET的不少问题[26]。
TET的问题可总结为3个方面：
①长期可靠性不高。变压器设计思想基础决定了TET传能距离非常有限。然而患者活动时，体外部分容易错位或意外脱落；在长期使用后，体内线圈会逐渐嵌入皮下深处。这两种情况都导致传能效率降低甚至失效，无法保证长期可靠传能。
②可植入性很低。满足人工心脏功率需求的TET体内线圈直径约为5～10CM，由于传能不可靠患者体内需要植入1-2块备用电池，造成整体植入部分体积远大于经皮电缆方案。此外电池的寿命仅为3-5年，复杂的体内部件、线缆和接头易出故障，反过来进一步降低了系统可靠性。
③皮肤并发症。经皮处皮肤在皮下皮表线圈的压迫下血流不畅，皮下皮表又被发热线圈覆盖，极易积累热量导致温升过高，引起并发症。线圈间距变大时传能效率急剧降低、发热增加，情况更为严重。
可见，TET并不是长期植入型人工心脏无线电能传输的理想方案。这促使人们寻找植入式人工心脏无线电能传输的其它技术途径。
2.3 FREE-D磁耦合谐振
2007年，Kurs在Science上发表文章，突破性地跨越2m的距离无线传输了60W的功率，传能效率达40%[27]。这一发源于上世纪Tesla提出的高品质因数磁耦合谐振思想的研究成果，将无线电能传输技术推进到了一个新的时代，造成了业界不小的震动。许多学者对这一方案进行了进一步的研究和拓展。
2012年，Water等据此设计了用于人工心脏无线电能传输的系统并命名为FREE-D(Free-Range Resonant Electrical Energy Delivery System) [28,29]（图 3）。FREE-D是一个多线圈磁耦合谐振系统，其发射和接收线圈较小，中间两个或多个中继线圈较大（直径～59cm），利用大直径高品质因数中继线圈的被动式电感电容（LC）谐振储能和磁耦合谐振实现中距离无线电能传输。
2014年，Asgari等利用FREE-D无线电能传输分别驱动人工心脏HeartWare和HeartMateII进行了为期2周的体外测试，并进行了为期3h的全麻静止母猪体内植入实验，首次实现了人工心脏米量级(～0.7米)无线电能传输[30, 31]。
为了满足活动状态下传能需求，提出了图 4所示的具有多组发射线圈的分布式FREE-D无线电能传输概念系统，利用分布在房间内各处的发射线圈，以实现人体自由活动时的无线电能传输。但根据目前发现的磁耦合谐振传能的临界耦合、频率分裂、阻抗失配等对系统和环境参数非常敏感的特征[32, 33]，根据TET临床经验，可知分布式FREE-D系统在临床应用中也面临许多问题。
1）线圈方位敏感。线圈方位严重影响线圈间耦合系数。耦合系数过小时，传能效率很低，体内植入物最高温度超过40℃；耦合系数大于某临界值时，最优传能谐振频率会发生分裂，也会导致传能效率降低。实验中线圈距离距离为71cm时效率达90%，但距离超过160cm时效率迅速降至不足10%，且在允许距离内，线圈相对角度不能超过65°。
图 3 FREE-D无线电能传输验证装置[28]
图 4 分布式FREE-D人工心脏无线电能传输概念系统[29]
2）环境参数敏感。FREE-D依靠高品质因数(Q>1000)被动式LC谐振电路间的磁感应来工作，当线圈磁场中有外部导磁或导电体，介质电磁分布或参数发生改变时，线圈品质因数和谐振频率发生改变，系统会失谐甚至停振。失谐导致的多组发射线圈、接收线圈的耦合系数变化、阻抗失配和频率漂移等问题，将是十分艰巨的挑战。
3）植入性和便携性。FREE-D系统接收部分除了植入体内的小直径线圈外，还需要一个直径与传输距离相当的、跟随患者移动的米量级的大线圈，患者日常活动中如何处理这个大线圈是个难题。
4）电磁兼容问题。FREE-D的磁场是开放的且分布十分不均匀，磁场死角处和线圈附近磁场强弱差别巨大，同时满足传能功率和电磁兼容是个难题。
如果上述问题得不到妥善解决，就无法在患者自由活动情况下提供可靠而持续的无线电能传输，患者体内就需要植入备用电池，这样一来无线电能传输可能就失去其优势。到目前为止，基于磁耦合谐振的人工心脏无线电能传输系统离临床应用还很远，针对传能距离[34]、方向性[35]、金属障碍物[36]等因素的研究是当前的热点。
3 人工心脏无线电能传输发展趋势
随着人工心脏技术进步和临床经验积累，对人工心脏无线电能传输的要求越来越全面。目前的人工心脏无线电能传输技术基本上都满足传能功率和效率需求，但在在距离、方位、环境、可植入性方面还不足。
传能效率低主要后果是线圈损耗增加，引起组织温升，因此传能效率与组织温升要同时考虑和优化。从临床需求来看，人工心脏需要不超过15W的功率，传能效率为80%则意味着线圈有不到4W的发热，相对人体近百瓦的功率来说很小。只要散热设计合理，最终温升应能控制在38摄氏度以下。
传能距离不足。TET传能距离为厘米量级，FREE-D可达到米量级，但对于人工心脏临床应用来说都还不够。若传能距离到5米，可基本上满足人在房间或者交通工具中的活动需求。若到户外活动，一般只能随身携带能量发射线圈。
传能对方位敏感。人体是活动的，要求在各个方位上都能持续传能。但线圈之间耦合必须在特定方位上才有较高的耦合系数。可以考虑采用多维线圈来实现任意方位的无线电能传输。
对环境电磁参数敏感。磁耦合谐振受日常环境中随处可见的导电导磁类物品影响严重。既要解决环境电磁参数对磁耦合谐振的影响，同时也要避免能量被大量传递到环境中去。
可植入性不好。体内不应植入电池，否则由于体积过大、电池寿命有限，无线电能传输的优势几乎会丧失殆尽。目前来看，只有实现了向体内不间断、高可靠、多方位的无线电能传输，才有可能取消体内植入电池。
根据上述讨论，表 2给出了TET、FREE-D和人工心脏无线电能传输临床需求期望。可见，FREE-D虽然传能距离较远，但在效率、对方位和环境的敏感性方面还不如TET。TET和FREE-D传各自的综合性能都不能满足临床需求。
表 2 现有人工心脏无线电能传输方案和临床需求对比
考虑到目前无线电能传输技术的局限，采用两个环节接力传能也许更为合适。第一个环节采用磁耦合谐振方式，从室内固定的线圈向患者随身携带的线圈传能，传能距离为0~5m，并将能量存储于患者携带的电池中。第一环节允许断续传能。
第二个环节采用磁感应或者磁谐振方式，将上述电池中的能量通过随身携带的线圈向体内传能，传能距离为几十厘米。第二环节必须保证持续传能。这种接力式的传能方式既满足了患者自由活动时实现传能，又避免了在体内植入电池，比单一方式更适合临床需求。
总之，人工心脏无线电能传输真正实现临床应用还有很长的一段路要走，后续应重点围绕临床需求开展研究。
4 结论
回顾了人工心脏及其无线电能传输技术的变革，总结了当前当前两种无线电能传输方案在临床应用中发生的或可能存在的问题。主要从传能距离、方位敏感性、环境敏感性、可植入性和效率等临床需求角度出发，探讨了人工心脏无线电能传输的发展趋势。
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