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人工心脏的过程原理及其历史
摘要
本文简介了医学界的新宠儿——人工心脏的起源、发展历史以及现今人工心脏的分类，简洁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。
关键词 人工心脏 VAD TAH 原理 引言
谈到心脏，人们的脑中一定会浮现出一个扑通跳动的，充满动力的物体。没错，心脏好比一个打气筒，能将血液压到人体的各个部分。通过初中时期的知识，我们了解到心脏是两排并排的血泵，一台将缺氧血液经肺动脉压到肺部，另一台江新鲜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，而人类的心脏每天就要搏动十万次。可见心脏在人类的身体中扮演着十分重要的角色。
然而，冠状动脉疾病、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，每年等待心脏移植的病患多大50000以上，而有幸接受移植的人仅有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，逐渐成为医学家们研究的重点。人工心脏应运而生。
人工心脏是以机械的方法把血液输送到全身各组织器官以代替心脏的功能。广义的人工心脏可分为暂时性，即部分取代心脏功能的辅助性人工心脏（ventricular assist device，VAD）;长期性,即完全取代心脏功能的全人工心脏（total artificial heart，TAH）。人工心脏无论作为治疗的辅助措施还是作为心脏移植的过渡支持都以取得了较大的进步，许多产品已商品化，性能良好，使心力衰竭的病患得以提高生活质量。
VAD①
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，雅各德曾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·卡雷尔与其助手林德伯格共同研制出世界上第一台VAD（图1 为VAD示意图），这是一种体外循环机。1953年Gibbons将体外循环应用于临床。1966年，Debakey等人对心脏术后病患运用VAD技术，取得显著成果。70年代后，得益于材料科学等学科的进步，VAD的临床得到进一步的开展。Golding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。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。
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。
TAH②
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犬生存了1.5小时，而世界上第一台严格意义上的全人工心脏是De Vries等人于1982年研发使用的JARVIK-7（见 图2），它使其使用者存活率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。
人工心脏的最新设计③
关于VAD和TAH的各种研究始于50 年代, 最初只为了替代自然心脏的泵血功能。在近半个世纪的研制过程中, 血泵从材质、结构、功能和使用寿命等方面均取得了显著的进展。血泵的驱动装置也出现了气动、电动和电液压等不同驱动方式。血泵的动力学设计则更加接近生理心脏。最新研制的人工心脏还可产生更多种的血流方式，如连续血流和振动血流，从而产生更符合生理需求的血流分布。最新设计的微型血泵已经可以植入主动脉, 从而显著改善人体的局部血流,辅助整体循环的效果。此外依照不同的功用需求，人类还早出各种新型心脏，如康复型左室辅助和小型植入式的右室辅助。以下是几种最新的人工心脏设计。
1.Cleveland 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。
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，从而控制血液向各主要器官的分布, 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.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氏窦回流区, 它可防止血栓形成。为使T AH 的机械液体与生物成份完全隔离, 隔室内灌注了生理盐水，以防止液体渗漏。TAH的重量与天然心脏( 400～500g)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。
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。微轴血泵被植在主动脉中, 整个血泵系统完全浸入血液中, 经外部的驱动控制器进行控制。
5.Intra-aortic cannula pump, IACP 主动脉内插管式血泵
IACP 经由外周血管插入, 可将血液从左心室排出, 在升主动脉内形成脉动血流。 6.Reco verydirected left ventricular assist devices,RDLVAD康复型左心室辅助装置 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, 在控制小室中血压可得到控制, 产生低于主动脉的压力。然后血泵再将控制小室中的血液排入主动脉。RDLVAD 可使左心室达到充分的松驰。
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。
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