南京工程学院
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人工心脏的过程原理及其发展
摘 要
本文简介了人工心脏的起源、发展历史以及现今人工心脏的分类，简介了主流人工心脏的过程原理，并展望了未来人工心脏的发展方向。人工心脏是指科学家为了挽救越来越多的心脏病患者的生命，而研制出来的一种人造器官。人工心脏与人类心脏大小相当，据它的发明者称可以完全替代人类心脏，从而挽救数千患有心脏病患者的生命。人工心脏是在解剖学、生理学上代替人体因重症丧失功能不可修复的自然心脏的一种人工脏器。
引 言
谈到心脏，人们的脑中一定会浮现一个扑通跳动的，充满动力的物
体。心脏就好比一个打气筒，能将血液压到人体的各个部分。通过初中 时期的知识，我们理解到的心脏是两排并排的血泵，一台将缺氧血液经 肺动脉压缩到肺部，另一台将血液经主动脉压到全身。心脏的搏动维持 着动物全身的血液循环，而人类的心脏每天都要搏动十万次。可见心脏 在人类的身体中扮演着重要的角色。
然而，冠心病动脉疾病，高血压以及心肌病常常导致心脏功能下降
和心力衰竭。内科对此类心脏疾病的效果极其有限，在多数情况下，这 些方法仅能减轻症状，而不能从根本上解决问题。人类在外科领域对此 进行了积极而长久的探索，其中心脏移植算是比较成功的技术。然而， 慢性排斥反应，感染以及供体的严重不足等等因素限制了这一技术的广 泛开展。在美国，每年等待心脏移植患者有5000以上，而有幸存受移植 的人仅有2000左右。由此可以看出自然心脏移植不能满足病人的需求， 寻求新的心脏来源，逐渐成为医学家们的研究的重点，人工心脏应运 而生。
人工心脏，即用生物机械手段部分或完全替代心脏的泵血机能，维 持全身的血液循环。按功能划分包括心室辅助血泵（VAD）和全人工心脏 （TAH）。人工心脏是按解剖学，生理学上代替人体因重症而丧失功能不可 修复的自然心脏的一种人工脏器。在医学临床上，人工心脏起到了很大的 作用。
目 录
一 人工心脏的分类及其过程原理 1.1 心脏的简述 1.2 人工心脏的分类 1.3 人工心脏的过程原理 1.3.1 组成 1.3.2 材料 1.3.3 调节 二 VAD和TAH 2.1 VAD
2.1.1 膈膜汞 2.1.2 叶轮汞
2.2 TAH 三 人工心脏的发展历史 3.1 初次的尝试 3.2 艰难的前进
3.3 首次永久性人造心脏移植 3.4 全植入型人造心脏 3.5 人工心脏的发展方向 3.6 人工心脏最新设计 四 结语 五 参考文献
一 人工心脏的分类及其过程原理
1.1 心脏的简述
心脏好比人体内部的引擎，驱动人体的各个部分正常运转。从本质上而言，心脏是一种通过肺脏和机体维持供氧和血液循环的肌肉泵。一天之中，人的心脏要压送约7570升的血液。心脏就像引擎一样，如果不小心保护就会损坏，压送血液的效率就会降低，进而会出现心衰。普通成年人的心脏泵血速度为每分钟60到100次。心脏的收缩分为两个阶段：1. 第一阶段，左右心房同时收缩，将血液压送到左右心室。2. 第二阶段，左右心室一起收缩，将血液射出心脏。然后，心肌将会松弛，以迎接下一次心跳。这样，血液又充满心脏。 1.2 人工心脏的分类
人工心脏分为辅助人工心脏和完全人工心脏。辅助人工心脏有左心室辅助、右心室辅助和双心室辅助，以辅助时间的长短又分为一时性辅助 （二周以内）及永久性辅助（二年）两种。完全人工心脏包括一时性完全人工心脏、以辅助等待心脏移植及永久性完全人工心脏。要想制成像自然心脏那样精确的组织结构、完全模拟其功能的人工正脏是极不容易的，需要医学、生物物理学、工程学、电子学等多学科的综合应用及相当长时期的研究。 1.3 人工心脏的过程原理
图1.3.1 人工心
脏的组成
1.3.1 组成
液压泵——该装置的基本原理与重型设备中使用的液压泵相似，即通过一种不可压缩的液体将作用于某一点的力传到另一点。泵内的齿轮以每分钟10,000转的速度快速旋转来产生压力。
液压阀——该阀门不断开合，使工作液体从人造心脏的一侧流到另一侧。液体流到右侧时，液压泵通过一个人造心室将血液压送到肺部。液体流到左侧时，液压泵将血液压送到人体的其他部位。
无线能量传输系统——也称作经皮能量传输系统（TET），该系统包括两个线圈（一个内置线圈，一个外置线圈），用于通过磁力将外置电池中的电能经由皮肤（不会穿透体表）传输到内置电池。内置线圈接收到电能后将其传输到内置电池和控制器装置。
内置电池——一个植入患者腹内的可充电电池。当内置电池与主电池断开连接时，患者可以依靠内置电池进行某些活动（如洗澡），持续时间为30到40分钟。
外置电池——该电池系在患者腰部的尼龙腰带上。每个可充电电池能提供大约4到5小时的能量。
控制器——这种小型电子设备植入患者的腹腔内。它的作用是监控心脏的跳动速度。 1.3.2 材料
图1.3.2 人工心脏的组成材料
高分子材料一直是人工循环的主要应用材料。针对人工心脏的特点聚脂类人工心脏有较好的应用前途，例如最近研究较多的聚乌拉坦就具有耐用、弹性好、抗老化、顺应性好、组织相溶性好的特点。除此之外还有人将其分子辅基改变、合成进硅和维生素E等进一步改善其特性以更有利于人工器官的应用，今后还有
可能利用人工材料的特点体外塑行以微创手术将人工心脏置入人体，或者将人工材料做成人体可降解材料，使其在一定时期后功能完成后自然降解，以免除二次手术。另外，人工合金对人工心脏也做出了较大的贡献，如镍－钛合金曾经作为人工心脏瓣膜、心室，其坚固性、轻质、表面光滑性非常适于人工心脏。近来有人做成镍－钛－锆合金其优越性更为突出。 1.3.3 调节
人工心脏的可调节性是其又一突出进展。将人工心脏与集成电路芯片结合起来根据自体适时需要控制人工心脏的做功。如LD－PACEⅡ左室辅助循环可以根据病人的心电图按1：1到1：8调节心脏做功。预计将来可以结合生物传感器根据更多血流动力学指征进行自身调节。
二 VAD和TAH
2.1 VAD
VAD是利用机械或生物手段部分或全部替代心脏机能的方法，其研究可以回溯到体外循环动脉泵开始。在1895年，雅各德试制人工心脏泵对机体组织进行 灌流，20世纪30年代，美国的亚历山大.卡雷尔与他助手林德伯格共同研制出 世界第一台VAD，这是一种体外循环机。1953年Gbbons将体外循环应用于临床 1966年，Debakey等人对心脏术后的患者运用VAD技术，取得显著成果。70年代后，得益于材料科学的进步，VAD的临床得到进一步的开展。Goiding等人将 离心泵用于临床，世界各地运用各种辅助性装置开展心脏移植前的过渡辅助， 取得了一定成绩并积累了不少经验。
现在应用于临床的VAD以隔膜泵和叶轮泵为主。 2.1.1 隔膜泵
隔膜泵又称容积式泵，其结构及工作原理是依照自然心脏设计的，核心部件为一个由柔韧性材料构成的腔囊。腔囊与自然心腔一样，作用是容纳血液。腔两端连接进、出口导管，同时在两接口处分别放置单向阀门，保证血液单向流动以
代替瓣膜功能。当对囊墙壁施以外力时，腔内容积被迫变化，容积减小时血液经出口流出，增加时则吸纳从进口流入的血液。如此周而复始，完成心脏功能。前已有几种隔膜泵可常规应用于心力衰竭病人临时左心室和右心室辅助。目前临床应用最广的植入式VAD是电动式隔膜泵。 2.1.2 叶轮泵
叶轮泵是一种非仿生性的血泵, 分为离心泵、轴流泵及混流泵三种。无论何种形式均采用高速旋转的叶轮带动血液的单向流动, 从而不需要单向阀门来控制血流方向,它克服了隔膜泵结构复杂、体积大、工作寿命短、能耗高等缺点, 适用于永久性植人体内时采用, 从而逐渐成为的主流。电动轴流泵是一种高速旋转的、可植入式、连续恒流血泵。离心泵通常仅能进行几天的心脏辅助, 其他几种血泵能提供几周至几个月的循环支持。 2.2 TAH
全人工心脏完全取代自然心脏的功能，维持人体的血液循环。早在1957 年美国的Kolff和Akutsn便使用一个聚乙烯基盐制成的人工心脏使一只生存了 1.5小时，而世界上第一台严格意义上的全人心脏是De Vries等人于1982年 研发使用的JARVIK-7，它使其使用者存活112天。到1993年世界范围内已有 240个以上的全人工心脏作为心脏移植前的过渡应用于临床，并获得术后生存 603天的成绩。2001年7月美国已经成功将TAH用于人体。2004年10月18日 名为Cardiowest的人工心脏获得美国食品与药品管理局的批准，成为世界上首 个正式应用于临床的人工心脏。
目前技术较为成熟并应用于临床的TAH分别为气动式和电动式，而CardioWest TAH和AbioCor TAH为其中的佼佼者。
CardioWest由气体驱动，能植入到心脏原位。它由一刚性泵外罩组成, 具有两个球形的聚氨甲酸乙醋室腔。两个室腔对接到心房袖口, 流出导管与大血管相连接。两根气体驱动线经皮层穿出，与一外置的控制系统相连, 由外置控制系统监测心脏的压力和运行。主要的不足是控制装置不便携带且需要抗凝。 AbioCor是第一个完全独立的可永久性植入TAH。它由体内和体外两部分组成, 体内部分由一个胸部装置、一个可再次充电电池和一个微型电子箱构成, 体外部分是一个电池盒。胸部装置装有一个内置马达，重约1千克, 驱动血液流经肺和身体的其他部位。由于使用了经皮能量传送技术, AbioCor废除了经皮层穿出的驱动线管, 因此减少了感染率。2001年Jewish医院的医生首次将AbioCor成功应用于临床,。AbioCor最具革命性的变化是：“心脏”可全部植入体内, 由体外电子控制系统调整其功能,它可根据人体需要来调节心跳的速度；其外接电池组不用植入身体, 而是通过安装在腹部表皮下的插座向置于体内的微型锂电池充电。微型锂电池可以自动工作30分钟, 且与人类心脏一样, 它在人体活动量增加时加快血流, 在休息时减缓血流。这一手术的成功受到了医学界的高度评价, 也标志着TAH的研究向前迈进了一大步。
三 人工心脏的发展历史
3.1 初次的尝试
1982年，美国犹他大学医学中心的威廉·德夫里斯博士领导的一个手术小组，给一名叫克拉克的心脏病患者植入一颗名叫贾维克的人类第一个人造心脏，开创了人造心脏移植的先河，震惊了世界。这颗人造心脏是由犹他医疗小组成员罗伯特·贾维克设计的。它通过两条2米长的软管连到体外的一部机器上，压缩空气维持着这颗人造心脏的跳动。克拉克在手术后不久就能够站起来走几步路，自己吃东西。这颗塑料心脏在他的胸腔里跳动了将近1300万次，维持了112天的生命。后来他们又陆续给另外4名病人移植贾维克人造心脏，但其中活的最长的患者只存活了620天。从此，人造心脏的移植处于了停滞阶段。美国在1984年规定，只能用贾维克人造心脏作为过渡，使垂死病人延长生命，等待移植人心。 3.2 艰难的前进
1991年1月美国亚利桑那大学医学中心和犹他大学美德福特研究基金会联合成立了卡迪奥威斯特公司，在贾维克人造心脏的基础上推出了卡迪奥威斯特人造心脏。1993年1月11日，亚利桑那大学医学中心为一名46岁的妇女移植了第一颗卡迪奥威斯特人造心脏作为等待真正心脏的过渡手段。一、两个月后人造心脏取出，医生给她移植了人心。1993年8月11日，加拿大渥太华心脏研究所宣布，他们研制成功了第一颗永久性的人造心脏。该人造心脏不同于“贾维克”的机械心脏，它能植入人体体内，并维持病人一生的生命。 3.3 首例永久性人造心脏移植
1995年10月23日，一位64岁的英国退休电影制片人成为世界上第一位接受永久性电动人造心脏的人。这次手术是英国牛津约翰·拉德克里夫医院的史蒂夫·韦斯塔比医生主持实施的。植入的永久性电动人造心脏的设计者是美国德克萨斯心脏研究所，制造者是美国热动力心脏系统公司。 3.4 全植入型人造心脏
这种人造心脏只有拇指大小，可植入人的心脏内，并能根据人体的活动情况自动调节泵的压力和速度。它通过无线电波从体外的电池组中获得能量，省却了导线，即安全又方便。1998年底，美国德克萨斯州著名的外科医生迈克尔·德巴凯和美国宇航局的科学家们共同研制成功一种只有三号电池那么大的全植入式人造心脏。它可以植入患者的胸腔内，每分钟转动1000次，帮助因病症而丧失部分功能的心脏把血液输送到身体的其余部分。此次人造心脏植入手术，植入的就是世界上首颗可以完全代替心脏功能并能完整植入体内的人造心脏。 3.5 人工心脏的发展方向
随着人工心脏向小型化、耐用性强及低阻力的发展有可能将来像人工心脏起搏器一样得以广泛应用。人工心脏的发展需要进一步解决四个问题：1、小型而具有高射血效能；2、安全可靠的控制系统和能源供应模型；3、经久耐用的带瓣血室；4、大量的研究经费。
3.6 人工心脏最新设计
3.6.1 Clevelland clinic 连续血流泵
小型连续血流泵是未来第二代植入式人工心脏，其优点为体积小，结果简单 可靠且廉价。新设计采用了反向电机，润滑轴颈轴承和残余轴力磁反应装置。其 中润滑轴颈轴承是关键部件，它帮助解决了轴密封的问题 3.6.2 Vibrating Flow Pump，VFP 振动血流泵
VFP的主要特点为可通过调节驱动频率，从而控制血液流向各主要器官的分 部，并控制外周血管阻力和阻抗。以达到对心，肺血管均产生有益作用的目的。 3.6.3 电液压TAH
涡轮驱动的电液压TAH解决了气动TAH的诸多技术难题，其中结构设计也相对简单。隔膜内置有电机和涡轮机，不与血液接触，从而避免了对血液的损害。人工瓣膜的周围血流通道中存在一个瓦式窦回流区，它可以防止血栓形成。为使TAH的机械液体与生物成分完全隔离，隔室内灌注了生理盐水，以防止液体渗透。TAH的重量与天然心脏十分接近，使用寿命约为2年。其泵血的压力，速度和流量均可调节，从而保持了心脏生理压力的平衡。 3.6.4 植入式微轴血泵
微轴血泵由单叶轮组成，由整合微型电机驱动。为了长期使用之需，血泵与电机之间采用物理隔离，驱动力则通过磁耦合传导。微轴血泵被植入主动脉中，整个血泵安全侵入血液中，经外部的驱动控制器进行控制。 3.6.5 Intra-aortic cannula pump IACP 主动脉内插管式血泵
IACP经由外周围血管插入，可将血液从左心室排出，在升主动脉内形成脉动血流。
3.6.6 Reco verydircted left ventricular assist devices ，RDLVAD 康复型左心室装置 RDLVAD由顺应性后负荷控制小室，带有瓣膜的尖端导管和血泵组成。与普通的LVAD从心室吸取血液不同，RDLVAD可使血液经过带有瓣膜的尖端导管射入控制小室，在控制小室中血压得到控制，产生低于主动脉的压力。然后血泵再将控制小室的血液排入主动脉。RDLVAD可使左心室达到充分的松弛。
四 结语
美国国家心肺血液研究所所长蓝方说：“Mechanical devices to
completely replace the heart leads to some problems, which can not be answered from a small group of patients. An entirely alternative heart patients, faced with what quality of life? To a patient, the clinical benefits have meaning? The public can accept this treatment cost?”连JARVIK-7的创造者也提出这样的顾虑：“人工心脏若要达成目标，必须让人忘了它的存在，也就是说，此装置应该要不引人注意并且可靠，这样病人才不会注意到它，但它真的达到这一标准了吗？这些都是人工心脏存在的问题。”
虽然人工心脏仍有许多棘手的问题等待解决，但我们并不应当就此对它叫停。从实际出发，人工现在是病患用以暂时维持生命的不二选择，至于长期的使用，目前看来只是梦想。但若是随时有人工心脏可用，外科医生便能更好地帮助患者渡过难关，不再有无米之炊的遗憾。人工心脏使医学与科技在这个时代的结晶，这项研究必将继续走向未来。
五 参考文献
①武文芳、吴兵，人工心脏的历史及其研究进展1672-8270（2008）03-0055-04
DeBakey ME.The odyssey of the artificial heart [J].Artif
Organs,2000,24:405-411
②武文芳、吴兵，人工心脏的历史及其研究进展1672-8270（2008）03-0055-04
Patrick M,McCarthy,William A.Smith.Mechanical circulatory support-a long and winding road[J].Science,2002,295:998-999 ③李津荣、翁铭庆，人工心脏研究进展1001-1110（2000）02-0103-04 全文部分参考：李佩纹，《人工心脏》研析——现代医学的进步 李国荣、朱晓东、彭远仪、陈海风、田步升，叶轮式全
人工心脏的结构设计及流体力学特性1009-7090（2008）03-0167-04