左心室辅助装置无线能量传输技术：体内试验、挑战与未来展望

《IEEE Access》：Wireless Power Transmission for Left Ventricular Assist Devices: In-vivo Trials, Challenges, and Future Directions

本文推荐一项针对左心室辅助装置（LVAD）经皮电缆引发 driveline 感染（DLI）这一临床难题的创新研究。研究团队开发了基于磁共振耦合（MRC）的无线能量传输（WPT）系统，通过体内试验验证了其在为LVAD提供持续、安全电力支持的同时，有效避免了皮肤穿刺点感染风险。该系统工作频率为300 kHz，传输功率可达25 W，并集成了内置备用电池以应对峰值功率需求。电磁安全（EMF）、热效应及对心脏植入式电子设备（CIED）的电磁干扰（EMI）评估均符合国际标准（ICNIRP, ISO 14117）。该技术有望推动LVAD从“过渡到移植”的桥梁疗法转变为可行的长期或终极治疗方案，显著提升患者生活质量和生存率。

　　

对于终末期心力衰竭患者而言，左心室辅助装置（Left Ventricular Assist Device, LVAD）就像一颗植入体内的“人工心脏”，能够有效支持衰竭的心脏功能，是等待心脏移植或无法进行移植患者的重要生命支持手段。然而，这项救命技术长期以来面临着一个棘手的“阿喀琉斯之踵”：为LVAD供电的经皮电缆（Driveline, DL）。这根穿过患者腹壁皮肤的电缆，虽然提供了生命所需的能量，却也成为了细菌入侵的通道，由此引发的电缆感染（Driveline Infection, DLI）是LVAD植入后第一年内导致患者死亡的主要原因。如何在不牺牲供电可靠性的前提下，彻底根除这一感染风险，成为了提升LVAD疗法安全性与患者生活质量的关键挑战。

在这一背景下，无线能量传输（Wireless Power Transfer, WPT）技术展现出了巨大的应用潜力。想象一下，如果能为LVAD实现像无线充电器给手机充电那样的无接触供电，就能彻底移除那根危险的经皮电缆，从根本上杜绝DLI的发生。这项发表于《IEEE Access》的研究论文《Wireless Power Transmission for Left Ventricular Assist Devices: In-vivo Trials, Challenges, and Future Directions》由Tommaso Campi等人完成，他们系统地回顾了WPT技术在LVAD领域的应用进展，并重点报道了其研发的新型无线供电系统在大型动物（猪）体内进行的成功试验，为这一颠覆性技术的临床转化迈出了坚实的一步。

研究人员为开展此项研究，主要采用了以下几种关键技术方法：首先，他们设计了基于磁共振耦合（Magnetic Resonance Coupling, MRC）的WPT系统架构，包括外部发射器（TX）线圈和皮下植入的接收器（RX）线圈单元，工作频率设定为300 kHz。其次，他们通过数值模拟软件（如Sim4Life）并结合详细的人体模型，对系统运行时的电磁场（EMF）分布、比吸收率（SAR）、内部电场强度以及组织温升进行了严格的仿真分析，以确保其符合国际非电离辐射防护委员会（ICNIRP）的安全标准。第三，他们依据ISO 14117标准，评估了WPT系统产生的磁场对心脏植入式电子设备（CIED，如植入式除颤器ICD）可能造成的电磁干扰（EMI），通过计算在标准导环面积上感应的峰值电压（V_{p p}）来验证兼容性。最后，研究团队在获得意大利卫生部批准后，在猪模型上进行了体内试验，将LVAD与无线供电系统连接，实时监测了泵的电气参数（功率、电压、电流）、内置电池的充放电状态以及植入单元的温度变化，验证了系统在真实生理环境下的可行性与安全性。试验所用动物样本来源于A. Cardarelli动物设施。

系统架构与规格

研究团队提出了一种高效且可靠的WPT系统架构。该系统外部包含一个由外部电池供电的TX线圈，内部则是一个完全植入皮下的RX单元。该RX单元集成了线圈、阻抗匹配网络（IMN）、整流器、一个800 mAh的备用电池包，并通过一条完全位于体内的电缆与LVAD泵体连接。这种设计的关键优势在于，WPT系统只需满足LVAD的平均功耗（约5 W）进行设计，而瞬时的高功率需求（峰值20-25 W，尤其在脉冲模式下）则由内置电池提供，从而实现了不间断供电，并允许患者在短时间内（如1-2小时）脱离外部电池自由活动，极大提升了移动性。相较于前期版本，用于体内试验的原型机在小型化方面取得显著进展，植入线圈-电池单元的体积减少了43%，重量减轻了36%。

安全与干扰

安全性是WPT系统应用于人体的首要考量。研究人员从三个方面进行了深入分析：

1. 1.
   电磁场（EMF）与热效应：数值模拟结果表明，在系统以25 W输出功率、300 kHz频率工作的最坏情况下，体内产生的最大电场强度E_max为26 V/m，最大局部SAR值为0.043 W/kg，均远低于ICNIRP标准为躯干区域设定的限值（E场为40.5 V/m，10g平均SAR为0.2 W/kg）。热仿真显示，组织温升低于1°C，满足植入式医疗器械通常要求的温升不超过1-2°C的安全阈值。
2. 2.
   电磁干扰（EMI）：针对WPT系统可能干扰同期植入的CIED（特别是带有长导线的ICD）的风险，研究团队通过实验和数值分析评估了导线环路上感应的电压。结果表明，在所有测试方位下，感应电压V_{p p}均低于ISO 14117标准在300 kHz频率下规定的1 V限值，证实了该WPT系统与CIED共存的可行性。

体内试验

这项研究最引人注目的部分在于其成功的体内验证。试验在植入LVAD的猪模型上进行，分为四个阶段：传统有线供电LVAD植入与数据采集、无线RX单元植入并替换经皮电缆、无线供电模式下的系统运行验证。在超过100分钟的观察期内，系统成功实现了为LVAD持续供电的同时为内置电池充电。实验数据表明，泵的功率吸收保持稳定，电池在约100分钟内被完全充满，且植入单元的温度仅在充电阶段上升了不到1°C。临床参数监测显示，无线供电模式下LVAD运行与传统供电模式无异。

挑战与未来方向

尽管体内试验取得了积极成果，但要将无线供电LVAD推向市场，仍面临一些挑战：包括植入设备的进一步微型化、生物相容性的长期验证、更广泛的临床研究以及复杂的监管审批流程。展望未来，论文还提出了一个更具前瞻性的构想：在人体内建立由单个经皮WPT系统供电的“有线电源网络”，通过体内布线同时为多个植入式医疗器械（不仅是LVAD）供电，这将极大扩展植入式电子设备的应用前景。

综上所述，这项研究有力地证明了基于MRC的WPT技术为LVAD供电的可行性、安全性和有效性。通过消除经皮电缆，该技术有望从根本上解决DLI这一致命并发症，从而将LVAD从一种主要作为“移植过渡桥梁”的短期方案，提升为可靠、安全的长期甚至终极心力衰竭疗法。这不仅能够挽救更多生命，还将显著改善依赖LVAD生存的患者的日常活动能力和生活质量，代表了心力衰竭器械治疗领域一个重要的未来发展方向。