人工心脏
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人 工 心 脏
 终末期心力衰竭曾是一种令人绝望的不治之症，直到1967 年，一位南非外科医生历史性地将一名因车祸丧生的25 岁女性心脏放入一例55 岁男性患者的胸腔内。尽管后者只生存了18 天，却开辟了“以心换心”从理念到现实的新纪元。 然而，只有极少数幸运儿才能得到这种极度稀缺的资源而获重生。但科学家们从未停止过拯救心脏的长征。经过半个多世纪的探索，人工再造“半颗心”[LVAD 或左心室辅助系统（LVAS）]或“整颗心”（全人工心脏，TAH）正在从梦想变为现实。 人造心脏植入人体的手术约有20多年的历史。1982年，西雅图的一位心衰患者第一次接受了人造心脏移植，存活了112天。此后，印第安纳州的一位患者在接受人造心脏移植后存活了620天，于1986年死亡，创下了手术后存活时间最长的纪录。但他们安装的名为“杰维克—7”的人造心脏极其复杂，不仅体内植入装置，而且需有导线、管子与体外笨重的设备相连，患者也只能窝在床上。 |
人工心脏（英语：artificial heart），在解剖学、生理学上代替人体因重症而丧失功能不可修复之心脏的一种人工脏器。分为辅助人工心脏和完全人工心脏两种。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心脏是极不容易的，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。
世界上虽已进行了几例完全人工心脏临床应用，但目前人工心脏仍处于动物试验为主的研究阶段。但已有的临床应用表明，完全人工心脏能代替自然心脏功能，用其较长维持循环是可行的，其前景是乐观的。
2011年4月，两种辅助人工心脏开始在日本销售并用于临床。这是日本首批植入型辅助人工心脏。均为2010年12月获得日本厚生劳动省的产销许可证后开始销售的产品。一种是泰尔茂开发的“DuraHeart”。另一种是Sunmedical技术研究所开发的“EVAHEART”。Sunmedical是在成立约20年后才终于得以销售这种辅助人工心脏。
目录
人工心脏的分类
按用途分类有左心室辅助循环、右心室辅助循环及双心室辅助循环和全人工心脏。左或右心室辅助应用的比较早，已经积累了许多临床经验，对其应用指征的选择和辅助循环中的管理已经有了较为详细的临床资料。但是实践中发现它有许多不足之处，尤其是左心辅助循环可以造成静脉淤血而导致多器官衰竭（MOF），双心室辅助循环可以改善这一缺憾，它为自身心脏功能恢复也提供了机会，并且可以延长辅助循环的时间。其优势甚至优于全人工心脏，遗憾的是到目前为止还没有可植入性双心室辅助循环，离心血泵的出现有可能使之成为可能。全人工心脏对可置入性、持续能源、组织相溶性提出了很高的要求，它以完全替代心脏功能允许患者带泵恢复日常生活为最终目的。
按人工心脏的应用分类可分为短期泵、间断性泵、长期泵和永久性泵。短期泵、间断性泵主要为左、右室辅助循环，用以短期辅助自身心脏恢复供血功能；长期泵和永久性泵主要指双室辅助循环、全人工心脏，用以终末期心脏疾病等待心脏移植或永久性全人工心脏移植。在实际运用中并没有形成绝对的选择标准，根据实际情况选用。
人工心脏的构成
人工心脏基本上是由血泵、驱动装置、监控系统及能源四个部分构成。
人工心脏血泵：血泵有多种形式，但从原理结构上大体可分膜式血泵、囊型血泵、管型血泵及螺形血泵等四种。目前制造血泵常用以下几种材料：硅橡胶、甲基硅橡胶、嵌段硅橡胶、聚氨酯、聚氯乙烯和复合材料等。
人工心脏瓣膜：它是控制人工心脏血流的单向阀，人工心脏功能的好坏与瓣膜构造有密切关系。早期阶段用球瓣，现在常用的为碟瓣以及生物瓣。
人工心脏驱动系统：它是供给人工心脏血泵工作的动能。形式多样，大致可分为，机械、电动、磁力、气压、液压五种形式。
人工心脏监控系统：监控人工心脏工作状态，使之适应实验动物循环生理的需要，是保障人工心脏置入实验动物长期存活的重要条件。监控系统基本上从血泵机能，驱动装置各项指标及血液循环生理参数变化三个方面进行监控。
能源：人工心脏依靠外加能源工作以推动血液循环。既能满足功率要求，并使之微型化做到全置入体内，长期达数年使用的能源，目前尚未完全解决。
发明
人的心脏的作用是推动血液循环，向全身的器官、组织提供充足的血液流量，以便向他们供应氧和各种营养物质，并带走代谢的终产物，使人体细胞维持正常的代谢和功能。心脏对人体如此重要，但其本身又精细、又复杂、又柔嫩，这使治疗诸如心力衰竭等严重心脏病、延长患者生命的希望变得渺茫。于是，先驱者们将希望寄托在能否制造一种人工心脏装置代替已衰竭心脏维持人的生命。上世纪70年代，美国的一项具有里程碑意义的、名称为“可逆电动液压能转换器提供动力和控制的全人工心脏和心脏辅助装置”的专利及其实施使其成为可能，创造了人类生物技术上的一个奇迹。
发明人罗伯特·考夫勒·贾维克（Robert Koffler Jarvik）1946年5月11日在美国密歇根州出生，受家庭影响，从小就对机械和医学感兴趣，两者对其人生发展产生很大影响。他在少年时代，曾到手术室观看他父亲对患者做外科手术，从而激发了他对外科手术工具创新欲。在他尚未高中毕业时，就有关外科血量自助固定器发明获得其平生第一件专利。后来，他又爱好艺术，尤其是雕刻，以致于在1964年进入锡拉丘兹（Syracuse）大学，学习机械制图和建筑学。进大学后不久，他父亲患病改变了他的人生发展轨迹。他父亲因患心脏病、动脉瘤而进行手术，他下决心力致于生物工程人工心脏方面的学习和研究。他转而学习生物和医学，并于1968年获得动物学学士学位。尔后，到意大利的波伦亚（Bologna）大学、美国纽约大学学习医学，1971年获医学硕士学位。其后，进入美国[犹他州盐湖城犹他大学，从事医学、人工心脏方向的学习研究，并于1976年获得医学博士学位。
贾维克提出上述名称的美国专利申请是于1977年12月9日，并于1979年12月13日批准为专利，专利号为US4173796。在提出专利申请时，贾维克已为人工心脏装置钻研了10余年，查阅了大量文献资料，其中包括上百个涉及人工心脏方面的专利文献，内容包括人工心脏泵、机械隔膜以及相关的各种动力源等。在其专利说明书中就引用了US3896501等16篇专利文献。在申请专利前，他已成功地做过将人工心脏植入动物的试验。该专利是关于“全人工心脏和包括左心室辅助装置的心脏辅助装置”提示了一种用于全人工心脏或心脏辅助系统的、为驱动和控制隔膜、囊或轴对称血液泵的电动液压能转换系统。这个系统包括一个可逆的液压泵，例如轴流泵，它含有定子组合元件和叶轮，并且该泵流体流动与叶轮惯性之比具有高比率；一个可逆无刷直流电机，例如由电机反向电动势换向的无刷直流电机，其动力与惯性之比具有高比率，该电机含有转子和固定原件；一个装有泵的叶轮和转子的轴，用于支撑轴、电机转子和泵转动叶轮组成的组装件；用于使人工心脏交替收缩和舒张运行的所设电机反向装置以及用于控制所设电机反向装置的控制装置。并且，上述能量转换系统中，人工心脏收缩时从人工心脏心室中推出的血液量实质上等同于由可逆液压泵泵出的液体的量；在它所驱动的心脏辅助系统中，泵适合安置在病人的腹部，其依从的贮存囊适合安置在胸腔，而能量转换器安置在泵和囊之间；电机反向控制由或电机不同力矩产生的反馈信号或压力传感器或心电图仪的信号操作的，从而选择控制电机的速度。
下面结合附图对发明作进一步说明。
图1是轴流泵纵向剖面图，并也图示了叶片和静叶片的轮廓。
图2是使用无刷直流电机和泵流泵的人工心脏电动液压能转换器的纵向剖面图。
图3、4、5是使用轴流泵可逆能量转换器的不同布局。
图6是用简单的剖视图表示使用适合于驱动隔膜型全人工心脏的电动液压能量转换器；它表示了当两个血液心室中的一个完全排空时的液压液体的极度位置。
图7是类似图6的示图，它表示当液压体泵到另一边的情况。
在图1、图2中，（2）表示电机绕组和芯片；（4）表示电机转子，该转子包括安装于轴（6）的永磁铁，该永磁铁最好含有稀土钻，使磁材料具有足够的磁通量，并对所使用的液压液体防腐，另外在绕组达到电流高尖锋时不退磁；无刷直流电机轴（6）由一对轴承（8）和（10）支撑，该轴承必须能承受轴向推力和轴向负载，可以是滚珠轴承或者套筒轴承，并应使用特种材料以便在高速和反复换向中长期使用；轴流泵的转子（12）借助于销（14）直接安装于电机轴上，转子具有叶片（16）；轴流泵还使用静止叶片（18）和（20）使由叶轮导致的转动的液体流变成轴向流；叶轮由轴（22）驱动，其转动如（24）所示流体的流向由图1箭头所示；轴流泵应是大容量低压力高速运行的，轴流泵外壳（26）两头连有导管（28）和（30）将流体流向人工心室或者流向储存囊。
在图6中，液压液体（32）用打点图示表示，它占居在心室隔膜后面的腔室，两液压流体导管分别用（28）和（30）表示，很小的右心室液在液体腔（34）；血液占据了有短划线图示的心室；图6中，右心室表示处于舒张期末尾，而左心室处于收缩期末尾，图7表示与图6相反的情况，此时，当左心室处于舒张位置结束时，左心室液压流体腔室（32）实际上其液压液体是排空的。
贾维克非常详细地介绍了其发明的优点，避免人体排斥，相当有规律地运行，具有合适的心率。对心血管、心肌无什么损害，耐用、可靠、简单、轻便，不会产生过度的热量和噪音。1982年，贾维克—7型首次植入一个患者的病体，代替原有心脏，病人活了112天，死于多脏器衰竭。紧接着4个病人也没有更长时间活下来。尽管后来也曾有病人植入贾维克—7型后活了620天，但是，贾维克—7型外接电源和控制部分仍在体外，连接线的引入体内也常引起感染，只能作为等待合适活体移植等暂时使用，没被批准为正常治疗手段。然而，世界各国越来越多机构和人员加入人工心脏装置的研究和开发，新技术和产品层出不穷。
贾维克获得了博士学位后，仍留在犹他大学从事人工心脏装置研究、开发工作，也曾创办过商业公司以便推广人工心脏装置的运用。1987年，他离开了犹他大学，到纽约成立了贾维克研究所。借助于材料科学、工厂技术和控制技术的发展成果，以及研发的深化，他又发明了贾维克—2000型人工心脏装置。该装置只有象指姆大小，通过非常细的动力线与用螺钉安装在耳朵后面颅骨上硬币大小的发送器相连，电池包佩带在腰部。他们在继续开发、改进他的产品。对新产品，他说：“左心室辅助系统，与早期最大不同是自然心脏不用移走，而小的装置植入左心室提供泵的作用（即泵和电源植入心脏），降低了感染的风险。”他想要为患者提供价格相对便宜，植入后可正常生活的终身使用的人工心脏装置。”
实验阶段
- 1967年，克劳馥医生在犹他州大学建立了人工器官学院。在那里，他进行了应用在动物身上的人工器官实验。
- 1973年，托尼羊使用克劳馥医生发明的人工心脏存活了30天。
- 1975年，一只公牛使用人工心脏存活了90天。
- 1976年，阿贝羊使用Jarvik 5人工心脏存活了184天。
- 1981年，坦尼孙爵士羊使用Jarvik 5人工心脏存活了268天。
运用阶段
- 2013年12月，世界首例完全人工心脏移植手术在法国乔治蓬皮杜欧洲医院进行。接下来几例的人工心脏移植手术可能于法国南特或波兰进行。
- 2014年3月，乔治蓬皮杜医院通报了首例心脏移植手术患者的去世消息。患者通过人工心脏存活了75天。
人工心脏的研究现状
近年来随着对人体生理的认识以及能源与材料技术的发展，全人工心脏（TAH）和长时间心室辅助循环（VADS）得到进一步发展，具体表现在外置气动泵向超压缩电动泵发展，辅助循环向可携带全人工心脏发展，以及由永久性全人工心脏代替同种心脏移植，2001年7月美国已经成功用于人体，但仅刚开始。
结构与材料学进展
1.泵的进展 从血流效果上来看分为搏动性血流和非搏动性血流两种。理论上讲搏动性血流更适于人体生理特点，但是它必须有活瓣、弹性隔膜以及巨大的心室容量。而非搏动性人工心脏需要高效的能源与轴承密封或电磁轴承以减少血栓形成，维持正常器官功能，它需要更高的血管内压，并能造成器官血流和生化特点的变化，从全人工心脏的永久性应用来看进一步发展非搏动性泵更有利于人工心脏解决血栓和全置入人体的问题。从泵血的方式来看，传统的气动泵正由可携带性、可置入性、可压缩性好的电动泵代替。
2.能源的演变 从应用的功能设置来看可分为外置型与内置型和固定型与可移动型，从实用性来看显然可移动内置电源最为理想。想实现这一目标只有在能源技术上进一步研究。目前主要有三个研究方向：高能电池、高效储电瓶、经皮充电。高能电池最有代表性的设想应属核能电池，但与实际应用还有较大的距离；高效储电瓶的代表产品为锂电的应用，已有多个实验室运用成功的经验；经皮充电是目前研究最热的技术，也是最有希望的技术之一。
3.选用材料 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。
4.人工心脏的调节 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。
人工心脏的临床应用和并发症
1.应用选择及治疗学基础 短期心室支持主要用于辅助心脏渡过其急性期病变的可逆性心脏疾病称为Bridge－to－Recovery和部分短期内可以等到供心的心脏移植患者。前者见于急性心肌炎、心室部分切除、骨髂肌心肌成形、心脏人工瓣膜置换术后等，例如The LD－PACE Ⅱ。辅助循环可逆性心脏病的机制近年来有许多研究对免疫学、病理学、分子生物学得以深入研究，为其进一步应用提供了依据。人工心脏长期应用主要用于等待同种心脏移植或永久携带全人工心脏患者，见于终末期心脏病患者，可称为Bridge－to－Transplantation。
2.人工心脏的管理 人工心脏的管理包括人工心脏的机械管理和人工心脏携带者并发症的管理。前者的突破在于人工心脏与电脑程序化控制结合和机械工艺的改进。携带者的管理主要针对其并发症出血、栓塞、感染、右心功能衰竭，到目前为止以上并发症仍然是人工心脏应用的主要瓶颈。近来的研究集中在改进人工心脏的材料结构及工艺，总的来看没有突破性进展。有报道将肝素、华法林制定出固定方案有利于抗凝的安全性，但缺乏大规模病人研究。
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。
研究单位
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参考文献
- 《Inverting the 20th Century》
- 美国专利 US4173769
