基于磁能传递的血泵驱动系统研究

　　随着左心室辅助装置由晚期心衰病人等待供体的过渡，现在已成为常规治疗方法或作为心衰病人的最终选择[1~3]，这一结果由充血性心衰机械辅助治疗随机评估组织(REMATCH)得到验证[4]，结果表明，采用选择左心室辅助装置(LVAD)治疗比选择药物治疗的心衰病人的死亡率减少 48%，这给心衰病人的治疗提供良好选择的同时，也为研究者提供良好的动力。从目前美国可选用的机械辅助循环装置[5]表明，电动和磁力驱动是近年来研究的热点，也是心室辅助装置的发展趋势。但是术后感染将是心室辅助装置移植病人的死亡率和致病率增加的主要因素[6,7]，而导致感染的主要原因是由于穿皮导线所致。因此，穿皮能量传递问题是制约血泵临床应用的障碍。

　　1 磁能传递原理

　　血泵能源提供方式[5]大多采用体内储能方式或通过导线(管)向体内血泵提供能量，以维持血泵系统的能量供给。对于体内储能方式，由于受到电池容量的限制，不可能长时间向血泵提供足够的能量，限制了整个系统使用的连续性，同时，增加植入部分的体积和排异性;通过导线(管)将外部能量导入血泵的方式，虽然克服体内供能不足的问题，但由于导线(管)穿透人体，极容易产生术后感染。利用磁场传递能量的方式[8,9]可以解决上述问题，动体，其中一个在体外作为主动轮，另外一个植入体内作为从动轮，内嵌在血泵的转子(叶轮)里，并且与转子同轴。当主动轮旋转时，根据磁齿轮啮合原理，内置部分的从动轮随之转动，从而驱动叶轮转动，使血泵输出一定的压力和流量的血液。

　　2 磁场简化模型

　　铁磁性物质特性的基本参数是磁感应强度 B 和磁场强度 H，二者关系曲线称为磁化曲线。对永磁体材料而言，其特征关系演变为退磁曲线。基于退磁曲线，用等效电流法建立永磁体等效物理模型如图 2。稀土永磁体是无源介质，引入磁化强度 M，在磁介质发生均匀磁化后[10]，有：

式中：μ0为真空中的磁导率;n 为面电流的外法线方向;Jsm为磁化电流的面密度。

　　电荷为 q 的粒子在外磁场作用下受到的力为：

式中：r 为电流元至齿轮中心的矢量;V，S 为永磁体的体积和表面积。

　　因此，在永磁齿轮传动力矩的计算时，首先将一永磁齿轮(称为主动轮，用角标 er 表示)所产生的磁场作为外磁场 Ber(忽略另一永磁齿轮的存在)，推导其磁场表达式;然后将另一永磁齿轮(从动轮用角标 en 表示)的永磁体简化为等效电流体的分布体，由式(7)计算永磁齿轮的传动力矩。