植入式人工心臟無線電能傳輸研究進展

尹成科 徐博翎

(1.蘇州大學機電工程學院 蘇州 215021 2.蘇州大學人工心臟研究所 蘇州 215021)

?

植入式人工心臟無線電能傳輸研究進展

尹成科1，2徐博翎1，2

(1.蘇州大學機電工程學院 蘇州 215021 2.蘇州大學人工心臟研究所 蘇州 215021)

人工心臟近年來發(fā)展迅速，在發(fā)達國家已逐漸成為末期心衰竭通用治療手段。隨著人工心臟性能不斷提升，其經(jīng)皮電纜感染問題已成為臨床長期植入的瓶頸。無線電能傳輸是人工心臟理想的能量供給方式，但現(xiàn)有的磁感應(yīng)經(jīng)皮變壓器和磁耦合諧振兩種無線電能傳輸方案在傳輸距離、方位敏感性、可植入性和長期可靠性等方面還存在許多問題?；仡櫫巳斯ば呐K能量供給技術(shù)的變革，從臨床需求出發(fā)總結(jié)了現(xiàn)有無線電能傳輸方案的優(yōu)缺點，探討了未來的發(fā)展方向。

人工心臟 無線電能傳輸 經(jīng)皮變壓器 磁耦合諧振

0 引言

近年來，由于社會結(jié)構(gòu)日趨老齡化以及環(huán)境和飲食因素的影響，心血管疾病越來越常見，且出現(xiàn)了低齡化趨勢。僅美國國內(nèi)心衰患者就超過六百萬人，每年致死人數(shù)超過二十萬人，但心臟移植供體每年僅2 000個左右。植入式人工心臟可從替代或輔助心臟工作，過渡到心臟移植或永久植入，正成為心衰治療的重要手段，臨床需求十分迫切[1]。植入式人工心臟是一種機械輔助循環(huán)(Mechanical Circulatory Support，MCS)裝置，按功能可分為全人工心臟(Total Artificial Heart，TAH)、左心室輔助裝置(Left Ventricular Assist Device，LVAD)和右心室輔助裝置(Right Ventricular Assist Device，RVAD)等類型。幾十年來，人們對人工心臟的生物相容性、可植入性和可靠性等方面進行了大量研究，取得了豐碩的成果，其中左心室輔助裝置發(fā)展尤其活躍[2，3]。1985年美國第一例人工心臟手術(shù)成功完成以來，目前平均每年有超過1 500人接受人工心臟輔助手術(shù)，并逐漸從過渡到恢復的短期治療向永久植入的最終治療方向邁進[4]。美國前副總統(tǒng)切尼于2011年1月植入人工心臟，2012年3月接受了心臟移植逐漸恢復。美國人彼得·霍頓創(chuàng)造了植入人工心臟7年的記錄(2000～2007年)，期間寫了2本書，攀登了阿爾卑斯山，并環(huán)游世界各地做演講。剛進入臨床試驗階段的新一代磁懸浮人工心臟內(nèi)部無任何機械摩擦，具有優(yōu)異的血液相容性，整機功率已降至10 W左右，預期壽命為10年以上，成為最有希望的永久植入治療手段[5]。

人工心臟長期植入性能不斷提升，但其能量供給方式一直是臨床難題。典型的人工心臟系統(tǒng)如圖1a所示[6]，其血泵植入體內(nèi)，便攜式電池和控制器掛在體外，電池能提供一天左右的能量，一根穿過皮膚的電纜(經(jīng)皮電纜，Percutaneous Cable)將體外電池或電源插座的能量送入體內(nèi)血泵。臨床統(tǒng)計顯示，經(jīng)皮電纜引起高達10%～20%的危及胸腔的術(shù)后感染致死率[7，8]，在長期使用中最終會因人體活動而斷裂[9-11]，平均壽命為3～5年，已成為人工心臟臨床長期植入的瓶頸[12]。

圖1 人工心臟系統(tǒng)及經(jīng)皮電纜問題

人們很早就認識到無線能量傳輸在人工心臟臨床應(yīng)用上有重大意義。雖然存在很多能夠?qū)崿F(xiàn)無線能量傳輸?shù)奈锢磉^程，但考慮到人工心臟的功率、效率、可植入性、人體活動、生物介質(zhì)內(nèi)能量傳播特性及對生物組織的影響等因素，經(jīng)過大量研究實踐，目前普遍認為交變磁場是首選傳能媒介，線圈間近場磁感應(yīng)是主要實現(xiàn)方式，磁耦合諧振是提高傳能效率的重要手段[13]。但在植入人體的情況下，由于線圈之間的耦合特性與距離、方向、環(huán)境介質(zhì)電磁參數(shù)十分敏感，現(xiàn)階段人工心臟的無線電能傳輸還不能滿足人工心臟臨床需求，臨床上仍然采用傳統(tǒng)的經(jīng)皮電纜能量供給方案[14]。

1 植入式人工心臟及其能量供給方式

按照技術(shù)實現(xiàn)方式，植入式人工心臟發(fā)展經(jīng)過了3次更新?lián)Q代。20世紀60年代人們開始在臨床中使用的第一代機械輔助循環(huán)系統(tǒng)，主要利用置于體外的氣動或電動搏動泵實現(xiàn)泵血。后來在此基礎(chǔ)上研制了可植入體內(nèi)的左心室輔助裝置，早期代表是HeartMate XVE和Thoratec iVAD。前者為電動搏動泵，后者為氣動搏動泵[7]。早期搏動泵的一個重要技術(shù)難點是搏動工作時體積變化的處理，對此HeartMate XVE[6]采用了一根連接到大氣的經(jīng)皮導管來解決。第一代搏動泵體積較大，一般只能植入成年人的腹腔中，連接到體外的氣體導管極易引起感染，功耗高達幾十瓦，長期使用可靠性低。以HeartMate XVE為例，在長期植入臨床實驗中由于故障需要在2年內(nèi)更換的概率為73%[7]。因此，第一代搏動泵在以長期植入為目標的臨床應(yīng)用中已逐漸被淘汰。

目前市場上最成功的是第二代人工心臟，其代表產(chǎn)品HeartMateII[6]已在世界范圍內(nèi)植入超過7 000名患者體內(nèi)，創(chuàng)下了最長植入7年無更換存活記錄。HeartMateII是一個左心室輔助裝置，由一個浸入到血液中的轉(zhuǎn)子葉輪實現(xiàn)泵血，轉(zhuǎn)子葉輪由浸入到血液中的紅寶石軸承支撐，軸承以血液作為介質(zhì)進行潤滑和沖刷。與搏動泵HeartMate XVE相比，HeartMateII體積大大減小，可植入到胸腔中。其他第二代左心室輔助裝置還有HeartAssit5、Jarvik2000和Abiomed Impella等[15]。第二代人工心臟的問題是其機械軸承對血液造成了較大的破環(huán)，主要體現(xiàn)在紅細胞機械損傷(溶血)和軸承流場死區(qū)血栓(凝血)兩個方面。第二代人工心臟的功率需求普遍在10 W左右，采用經(jīng)皮電纜供能。

第三代人工心臟采用流體力學懸浮或磁懸浮方案，轉(zhuǎn)子與定子無任何機械接觸，以獲得更好的血液相容性效果。流體力懸浮泵的代表是HVAD，其轉(zhuǎn)子依靠與定子間數(shù)微米微隙內(nèi)的流體力實現(xiàn)懸浮。也有學者認為這種方案雖然實現(xiàn)了懸浮，但微隙內(nèi)流場剪應(yīng)力太大，損傷血液，故從血液相容性角度將其看作第二代人工心臟[7]。磁懸浮人工心臟利用磁場力實現(xiàn)轉(zhuǎn)子的懸浮，轉(zhuǎn)子和定子之間的間隙可以任意調(diào)整，與其他技術(shù)相比血液相容性最好，被認為是最有發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)方案。磁懸浮人工心臟實現(xiàn)起來有不小的技術(shù)難度，小型化尤其是一個艱巨的工程挑戰(zhàn)。磁懸浮人工心臟的代表是Thoratec HeartMateIII和Terumo DuraHeart[6]，前者設(shè)計為植入到胸腔中，后者設(shè)計為植入腹腔中，功率需求都在10 W左右，采用經(jīng)皮電纜供能。

表1對比了三代人工心臟代表性產(chǎn)品的植入性能、功率需求、血液相容性、驅(qū)動特征和電纜感染致死率等關(guān)鍵性能[7]。

表1 人工心臟更新?lián)Q代性能對比

可見，隨著人工心臟更新?lián)Q代，其植入性能、功率需求和血液相容性等指標都得到了較大幅度的改進，但經(jīng)皮電纜感染問題一直未得到妥善解決，已經(jīng)成為長期植入的瓶頸問題。

2 植入式人工心臟無線電能傳輸

2.1 人工心臟無線電能傳輸概述

由于植入式醫(yī)療器械的功率需求、傳能距離、植入特性和植入時間等要求千差萬別，目前還不存在通用的無線電能傳輸方案?；诜嵌ㄏ蛏漕l電磁波發(fā)射的無線電能傳輸已經(jīng)用于射頻卡，工作距離達10 m，但能量密度隨距離平方反比降低，通常體積有限的接收端只能收到一小部分能量，整體傳能效率非常低，僅適用一些微功耗植入式醫(yī)療器械，如心臟起搏器和人工耳蝸等。利用高增益定向天線技術(shù)，可在無障礙情況下實現(xiàn)數(shù)千米的射頻傳能[16]，但日常環(huán)境的復雜性和人體活動給這種方案帶來難以解決的跟蹤對準和遮擋處理問題。因此，大部分對功率和效率有要求的無線電能傳輸方案，包括最近發(fā)展迅速的無線供電標準Qi、PMA、A4WP，都基于中頻(100 kHz～1 MHz)磁感應(yīng)或磁諧振技術(shù)實現(xiàn)。該頻段的交變磁場大部分被約束在比線圈尺寸稍大的有限空間內(nèi)，能量輻射損失可以忽略，傳能效率可以做的很高。通過磁耦合諧振，傳能距離可明顯提高。人工心臟無線電能傳輸也有磁感應(yīng)與磁耦合諧振兩種基本方案：基于磁感應(yīng)方式的經(jīng)皮變壓器傳能距離僅為厘米量級，臨床前試驗中遇到不少問題；基于磁耦合諧振方式的中距離無線電能傳輸研究剛剛起步。

2.2 TET經(jīng)皮變壓器

經(jīng)皮變壓器傳能(Transcutaneous Energy Transmission，TET)是目前研究最多的人工心臟無線電能傳輸方案。如圖2所示，TET用2個線圈構(gòu)成松耦合經(jīng)皮變壓器，一個線圈植入皮下，一個線圈覆蓋于皮膚表面，兩者通過磁感應(yīng)穿過皮膚傳能。

圖2 典型的人工心臟TET系統(tǒng)

TET概念早在1960年就已經(jīng)被提出，并向狗體內(nèi)傳輸了69 W的功率，效率最高達95%[19]。植入式人工心臟中HeartMate XVE首先考慮了TET方案，但由于第一代人工心臟需要氣管與體外相連，TET失去了其意義。之后幾十年間，人們將主要精力放在提高人工心臟自身的性能上。隨著經(jīng)皮電纜成為人工心臟長期植入的瓶頸，2000年前后，人工心臟LionHeart[20]、AbioCor[17]和HeartmateII[21]先后重啟了TET研究。國內(nèi)比較有代表性的TET研究有河北工業(yè)大學[22]、上海交通大學[23]、清華大學[24]和南京航空航天大學[25]等。TET作為迄今為止研究最多的人工心臟無線電能傳輸方案，其基本理論已經(jīng)成熟[26]，避免了經(jīng)皮電纜，傳能功率和效率能滿足人工心臟的需求。但國外在十多年臨床試驗中，發(fā)現(xiàn)了TET的許多問題[26]。

TET的問題可總結(jié)為3方面：

1)長期可靠性不高。變壓器設(shè)計思想基礎(chǔ)決定了TET傳能距離非常有限。然而患者活動時，體外部分易錯位或意外脫落；在長期使用后，體內(nèi)線圈會逐漸嵌入皮下深處。這兩種情況都導致傳能效率降低甚至失效，無法保證長期可靠傳能。

2)可植入性很低。滿足人工心臟功率需求的TET體內(nèi)線圈直徑約為5～10 cm，由于傳能不可靠，患者體內(nèi)需要植入1、2塊備用電池，造成整體植入部分體積遠大于經(jīng)皮電纜方案。此外電池的壽命僅為3～5年，復雜的體內(nèi)部件、線纜和接頭易出故障，進一步降低了系統(tǒng)可靠性。

3)皮膚并發(fā)癥。經(jīng)皮處皮膚在皮下皮表線圈的壓迫下血流不暢，皮下皮表又被發(fā)熱線圈覆蓋，極易積累熱量導致溫升過高，引起并發(fā)癥。線圈間距變大時傳能效率急劇降低，發(fā)熱增加，情況更為嚴重。

可見，TET并不是長期植入型人工心臟無線電能傳輸?shù)睦硐敕桨?。這促使人們尋找植入式人工心臟無線電能傳輸?shù)钠渌夹g(shù)途徑。

2.3 FREE-D磁耦合諧振

2007年，A.Kurs等[27]在Science上發(fā)表了文章，突破性地跨越2 m的距離，無線傳輸了60 W的功率，傳能效率達40%。這一發(fā)源于20世紀Tesla提出的高品質(zhì)因數(shù)磁耦合諧振思想的研究成果，將無線電能傳輸技術(shù)推進到一個新的時代，造成了業(yè)界較大震動。許多學者對這一方案進行了進一步的研究和拓展。

2012年，B.H.Water等[28，29]據(jù)此設(shè)計了用于人工心臟無線電能傳輸?shù)南到y(tǒng)，并命名為FREE-D(Free-Range Resonant Electrical Energy Delivery System)，如圖3所示。FREE-D是一個多線圈磁耦合諧振系統(tǒng)，其發(fā)射和接收線圈較小，中間兩個或多個中繼線圈較大(最大直徑59cm)，利用大直徑高品質(zhì)因數(shù)中繼線圈的被動式電感電容(LC)諧振儲能和磁耦合諧振實現(xiàn)中距離無線電能傳輸。

2014年，S.S.Asgari等[30，31]利用FREE-D無線電能傳輸分別驅(qū)動人工心臟HeartWare和HeartMateII進行了為期兩周的體外測試及3 h的全麻靜止母豬體內(nèi)植入實驗，首次實現(xiàn)了人工心臟米量級(～0.7 m)無線電能傳輸。為了滿足活動狀態(tài)下傳能需求，提出了圖4所示的具有多組發(fā)射線圈的分布式FREE-D無線電能傳輸概念系統(tǒng)，利用分布在房間內(nèi)各處的發(fā)射線圈，以實現(xiàn)人體自由活動時的無線電能傳輸。

圖3 FREE-D無線電能傳輸驗證裝置[28]

圖4 分布式FREE-D人工心臟無線電能傳輸概念系統(tǒng)[29]

但根據(jù)目前發(fā)現(xiàn)的磁耦合諧振傳能的臨界耦合、頻率分裂、阻抗失配等對系統(tǒng)和環(huán)境參數(shù)非常敏感的特征[32，33]，根據(jù)TET臨床經(jīng)驗，可知分布式FREE-D系統(tǒng)在臨床應(yīng)用中也面臨許多問題。

1)線圈方位敏感。線圈方位嚴重影響線圈間耦合系數(shù)。耦合系數(shù)過小時，傳能效率很低，體內(nèi)植入物最高溫度超過40℃；耦合系數(shù)大于某臨界值時，最優(yōu)傳能諧振頻率會發(fā)生分裂，也會導致傳能效率降低。實驗中線圈距離距離為71 cm時效率達90%，但距離超過160 cm時效率迅速降至不足10%，且在允許距離內(nèi)，線圈相對角度不能超過65°。

2)環(huán)境參數(shù)敏感。FREE-D依靠高品質(zhì)因數(shù)(Q>1 000)被動式LC諧振電路間的磁感應(yīng)來工作，當線圈磁場中有外部導磁或?qū)щ婓w，介質(zhì)電磁分布或參數(shù)發(fā)生改變時，線圈品質(zhì)因數(shù)和諧振頻率發(fā)生改變，系統(tǒng)會失諧甚至停振。失諧導致的多組發(fā)射線圈、接收線圈的耦合系數(shù)變化、阻抗失配和頻率漂移等問題，將是十分艱巨的挑戰(zhàn)。

3)植入性和便攜性。FREE-D系統(tǒng)接收部分除了植入體內(nèi)的小直徑線圈外，還需要一個直徑與傳輸距離相當?shù)摹⒏S患者移動的米量級的大線圈，患者日?；顒又腥绾翁幚磉@個大線圈是個難題。

4)電磁兼容問題。FREE-D的磁場是開放的且分布十分不均勻，磁場死角處和線圈附近磁場強弱差別巨大，同時滿足傳能功率和電磁兼容是個難題。

如果上述問題得不到妥善解決，就無法在患者自由活動的情況下提供可靠而持續(xù)的無線電能傳輸，患者體內(nèi)就需要植入備用電池，無線電能傳輸可能就失去其優(yōu)勢。到目前為止，基于磁耦合諧振的人工心臟無線電能傳輸系統(tǒng)離臨床應(yīng)用還很遠，針對傳能距離[34]、方向性[35]和金屬障礙物[36]等因素的研究是當前的熱點。

3 人工心臟無線電能傳輸發(fā)展趨勢

隨著人工心臟技術(shù)進步和臨床經(jīng)驗積累，對人工心臟無線電能傳輸?shù)囊笤絹碓饺?。目前的人工心臟無線電能傳輸技術(shù)基本上都滿足傳能功率和效率需求，但在距離、方位、環(huán)境和可植入性方面還不足。

傳能效率低的主要后果是線圈損耗增加，引起組織溫升，因此傳能效率與組織溫升要同時考慮和優(yōu)化。從臨床需求來看，人工心臟需要不超過15 W的功率，傳能效率為80%則意味著線圈有不到4 W的發(fā)熱，相對人體近百瓦的功率來說很小。只要散熱設(shè)計合理，最終溫升應(yīng)該能控制在38℃以下。

傳能距離不足。TET傳能距離為厘米量級，F(xiàn)REE-D可達到米量級，但對于人工心臟臨床應(yīng)用來說都還不夠。若傳能距離到5 m，可基本上滿足人在房間或者交通工具中的活動需求。若到戶外活動，一般只能隨身攜帶能量發(fā)射線圈。

傳能對方位敏感。人體是活動的，要求在各個方位上都能持續(xù)傳能。但線圈之間耦合必須在特定方位上才有較高的耦合系數(shù)?？梢钥紤]采用多維線圈來實現(xiàn)任意方位的無線電能傳輸。

對環(huán)境電磁參數(shù)敏感。磁耦合諧振受日常環(huán)境中隨處可見的導電導磁類物品影響嚴重。既要解決環(huán)境電磁參數(shù)對磁耦合諧振的影響，同時也要避免能量被大量傳遞到環(huán)境中去。

可植入性不好。體內(nèi)不應(yīng)植入電池，否則由于體積過大、電池壽命有限，無線電能傳輸?shù)膬?yōu)勢幾乎會喪失殆盡。目前來看，只有實現(xiàn)了向體內(nèi)不間斷、高可靠和多方位的無線電能傳輸，才有可能取消體內(nèi)植入電池。

根據(jù)上述討論，表2為TET、FREE-D和人工心臟無線電能傳輸臨床需求期望?？梢?，F(xiàn)REE-D雖然傳能距離較遠，但在效率、對方位和環(huán)境的敏感性方面還不如TET。TET和FREE-D傳各自的綜合性能都不能滿足臨床需求。

表2 現(xiàn)有人工心臟無線電能傳輸方案和臨床需求對比

考慮到目前無線電能傳輸技術(shù)的局限，采用兩個環(huán)節(jié)接力傳能也許更為合適。第一個環(huán)節(jié)采用磁耦合諧振方式，從室內(nèi)固定的線圈向患者隨身攜帶的線圈傳能，傳能距離為0～5 m，并將能量存儲于患者攜帶的電池中。第一環(huán)節(jié)允許斷續(xù)傳能。第二個環(huán)節(jié)采用磁感應(yīng)或者磁諧振方式，將上述電池中的能量通過隨身攜帶的線圈向體內(nèi)傳能，傳能距離為幾十厘米。第二環(huán)節(jié)必須保證持續(xù)傳能。這種接力式的傳能方式既滿足了患者自由活動時實現(xiàn)傳能，又避免了在體內(nèi)植入電池，比單一方式更適合臨床需求?？傊?，人工心臟無線電能傳輸距離真正實現(xiàn)臨床應(yīng)用還有很長的一段路要走，后續(xù)應(yīng)重點圍繞臨床需求開展研究。

4 結(jié)論

回顧了人工心臟及其無線電能傳輸技術(shù)的變革，總結(jié)了當前當前兩種無線電能傳輸方案在臨床應(yīng)用中發(fā)生的或可能存在的問題。主要從傳能距離、方位敏感性、環(huán)境敏感性、可植入性和效率等臨床需求角度出發(fā)，探討了人工心臟無線電能傳輸?shù)陌l(fā)展趨勢。

[1] Bellumkonda L，Bonde P.Ventricular assist device therapy for heart failure——past，present，and future[J].International Anesthesiology Clinics，2012，50(3)：123-145.

[2] Molina E J，Boyce S W.Current status of left ventricular assist device technology[J].Seminars in Thoracic and Cardiovascular Surgery，2013，25(1)：56-63.

[3] Birati E Y，Rame J E.Left ventricular assist device management and complications[J].Critical Care Clinics，2014，30(3)：607-627.

[4] Abshire M，Himmelfarb C R D，Russell S D.Functional status in left ventricular assist device-supported patients：a literature review[J].Journal of Card Fail，2014，20(12)：973-983.

[5] Parnis S M，Akay M H，F(xiàn)razier O H.Newer-Generation Rotary Blood Pumps[M].New York：Springer，2013.

[6] Maher T R，Butler K C，Poirier V L，et al.HeartMate left ventricular assist devices：a multigeneration of implanted blood pumps[J].Artif Organs，2001，25(5)：422-426.

[7] Milano C A，Simeone A A.Mechanical circulatory support：devices，outcomes and complications[J].Heart Fail Reviews，2013，18(1)：35-53.

[8] Sharma V，Deo S V，Stulak J M，et al.Driveline infections in left ventricular assist devices：implications for destination therapy[J].The Annals of Thoracic Surgery，2012，94(5)：1381-1386.

[9] Heinrich S，Martin S，Thomas S，et al.Repair of left ventricular assist device driveline damage directly at the transcutaneous exit site[J].Artificial Organs，2014，38(5)：422-425.

[10]Spiliopoulos S，Tenderich M，Guersoy D A，et al.Repair of left ventricular driveline tear in a SynCardia-total artificial heart patient[J].Journal of Cardiothoracic Surgery，2014，9(1)：7-7.

[11]Iv E I C，Weis R A，Ramakrishna H.Emergent reconnection of a transected left ventricular assist device driveline[J].The Journal of Emergency Medicine，2014，47(5)：546-551.

[12]Pereda D，Conte J V.Left ventricular assist device driveline infections[J].Cardiology Clinics，2011，29(4)：515-527.

[13]黃學良，譚林林，陳中，等.無線電能傳輸技術(shù)研究與應(yīng)用綜述[J].電工技術(shù)學報，2013，28(10)：1-11. Huang Xueliang，Tan Linlin，Chen Zhong，et al.Review and research progress on wireless power transfer technology[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2013，28(10)：1-11.

[14]Affeld K，Grosshauser J，Reiter K，et al.How can we achieve infection-resistant percutaneous energy transfer?[J].Artificial Organs，2011，35(8)：800-806.

[15]Frazier O H，Myers T J，Jarvik R K，et al.Research and development of an implantable，axial-flow left ventricular assist device：the Jarvik 2000 heart[J].The Annals of Thoracic Surgery，2001，71(3)：S125-S132.

[16]Mcspadden J O，Mankins J C.Space solar power programs and microwave wireless power transmission technology[J].IEEE Microwave Magazine，2002，3(4)：46-57.

[17]Dowling R D，Jr L a G，Etoch S W，et al.The AbioCor implantable replacement heart[J].The Annals of Thoracic Surgery，2003，75(6)：93-99.

[18]Sale S M，Smedira N G.Total artificial heart[J].Best Practice & Research Clinical Anaesthesiology，2012，26(2)：147-165.

[19]Schuder J C.Powering an artificial heart：birth of the inductively coupled-radio frequency system in 1960[J].Artificial Organs，2002，26(11)：909-915.

[20]Mehta S M，Jr W E P，Rosenberg G，et al.The LionHeart LVD-2000：a completely implanted left ventricular assist device for chronic circulatory support[J].The Annals of Thoracic Surgery，2001，71(3)：S156-S161.

[21]Rintoul T C，Dolgin A.Thoratec transcutaneous energy transformer system：a review and update[J].Asaio Journal，2004，50(4)：397-400.

[22]Ma Jimei，Yang Qingxin，Chen Haiyan.Transcutaneous energy and information transmission system with optimized transformer parameters for the artificial heart[J].IEEE Transactions on Applied Superconductivity，2010，20(3)：798-801.

[23]Yu L J.Finite element analysis of a contactless power transformer with metamaterial[J].TELKOMNIKA Indonesian Journal of Electrical Engineering，2014，12(1)：678-684.

[24]周煜，于歆杰，程錦閩，等.用于心臟起搏器的經(jīng)皮能量傳輸系統(tǒng)[J].電工技術(shù)學報，2010，25(3)：48-53，60. Zhou Yu，Yu Xinjie，Cheng Jinmin，et al.Transcutaneous energy transmission system for cardiac pacemaker[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2010，25(3)：48-53，60.

[25]Chen Qianhong，Wong S C，Tse C K，et al.Analysis，design，and control of a transcutaneous power regulator for artificial hearts[J].IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems，2009，3(1)：23-31.

[26]Slaughter M S，Myer T J.Transcutaneous energy transmission for mechanical circulatory support systems：history，current status，and future prospects[J].Journal of Cardiac Surgery，2010，25(4)：484-489.

[27]Kurs A，Karalis A，Moffatt R，et al.Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances[J].Science，2007，317(5834)：83-86.

[28]Waters B H，Sample A P，Bonde P，et al.Powering a ventricular assist device (vad) with the free-range resonant electrical energy delivery (free-d) system[J].Proceedings of the IEEE，2012，100(1)：138-149.

[29]Waters B H，Reed J T，Kagi K R，et al.A Portable Transmitter for Wirelessly Powering a Ventricular Assist Device Using the Free-Range Resonant Electrical Energy Delivery (FREE-D) System[M].New York：Springer，2013.

[30]Waters B H，Smith J R，Bonde P.Innovative free-range resonant electrical energy delivery system (FREE-D System) for a ventricular assist device using wireless power[J].Asaio Journal，2014，60(1)：31-37.

[31]Asgari S S，Bonde P.Implantable physiologic controller for left ventricular assist devices with telemetry capability[J].The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery，2014，147(1)：192-202.

[32]Hui S Y R，Zhong W X，Lee C K.A critical review of recent progress in mid-range wireless power transfer[J].IEEE Transactions on Power Electron，2013，29(9)：4500-4511.

[33]Wei Xuezhe，Wang Zhenshi，Dai Haifeng.A critical review of wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances[J].Energies，2014，7(7)：4316-4341.

[34]李陽，楊慶新，閆卓，等.無線電能有效傳輸距離及其影響因素分析[J].電工技術(shù)學報，2013，28(1)：106-112. Li Yang，Yang Qingxin，Yan Zhuo，et al.Analysis on effective range of wireless power transfer and its impact factors[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2013，28(1)：106-112.

[35]李陽，楊慶新，閆卓，等.磁耦合諧振式無線電能傳輸方向性分析與驗證[J].電工技術(shù)學報，2014，29(2)：197-203. Li Yang，Yang Qingxin，Yan Zhuo，et al.Analysis and validation on characteristic of orientation in wireless power transfer system via coupled magnetic resonances[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2014，29(2)：197-203.

[36]陳琛，黃學良，孫文慧，等.金屬障礙物對磁耦合諧振無線電能傳輸系統(tǒng)的影響[J].電工技術(shù)學報，2014，29(9)：22-26. Chen Chen，Huang Xueliang，Sun Wenhui，et al.Impact of metal obstacles on wireless power transmission system based coupled resonance[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2014，29(9)：22-26.

Wireless Power Transfer for Implantable Ventricular Assistance：A Review

YinChengke1,2HsuPolin1,2

(1.School of Mechanical and Electrical Engineering Soochow University Suzhou 215021 China 2.Artificial Organ Technology Laboratory Soochow University Suzhou 215021 China)

Implantable ventricular assistance has been rapidly developed in recent years and become a therapeutic option for end-stage heart failure patients in many developed countries.However,infection caused by the percutaneous cable remains a severe clinical complication.Wireless power transfer could be an ideal solution for power supply to implanted mechanical ventricular assistance.Nevertheless,problems with current wireless power transfer technology,such as transfer distance,position and orientation sensitivity,implantability,and long term reliability in situ,must be solved before it can be used for long-term implantable devices.This paper reviews the evolution of wireless power transfer technology for clinical use,summarizes the pros and cons of existing wireless power transfer methods for ventricular assistance,and discusses the direction for future development.

Implantable ventricular assistant device,wireless power transfer,transcutaneous energy transmission,magnetic resonance coupling

國家自然科學基金(51407123、81471754)和國家高技術(shù)研究發(fā)展(863)計劃(2012AA041605)資助項目。

2015-02-06 改稿日期2015-03-26

TH772；TM724

尹成科 男，1980年生，博士，講師，研究方向為植入式醫(yī)療器械的無線電能傳輸和智能控制。

徐博翎 女，1983年生，教授，博導，研究方向為微創(chuàng)型心室輔助裝置。(通信作者)