人工器官探秘

1、序号： 成绩： 论文题目：论人工心脏之未来 课程名称：人工器官探秘 课程代码：0000ZRTX04-201 延边大学 医学院 15麻醉 姓名：高相茸 2016年 7月18日 论人工心脏之未来 延边大学医学院15级麻醉专业 高相茸摘要 人工心脏是利用机械的方法把血液输送到全身各器官以代替心脏的功能。人工心脏可分为辅助人工心脏（VAD）和完全人工心脏（TAH）。人工心脏是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。关键词 人工心脏 辅助人工心脏 完全人工心脏 心脏病是人类死亡的第二大杀手。在人体心脏因病损而部分或完全丧失功能而不能维持全身正常循环时可移植一种用人工材料制造的机

2、械装置以暂时或永久地部分或完全代替心脏功能、推动血液循环，这种装置即人工心脏。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。人工心脏起搏器实际上是人工制成的一种精密仪器。它能按一定形式的人工脉冲电流刺激心脏，使心脏产生有节律地收缩，不断泵出血液以供应人体的需要。人工心脏基本上是由血泵、驱动装置、监控系统、能源四个部分构成。人工心脏血泵有多种形式，但从原理结构上大体分为膜式血泵、囊型血泵、管型血泵、螺形血泵等五种。目前制成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、复合材料等。人工心脏瓣膜是控制人工心脏血液的单向阀，人工心脏功能的

3、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。人工心脏驱动系统是供给人工心脏血泵工作的功能。形式多样，大致可分为机械、电动、磁力、气压、液压五种形式。人工心脏监控系统是用于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。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。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及永久性辅助两种。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。人

4、工心脏移植为一种治疗心衰的手段，是心脏移植术有效的替代方案。罗伯特·图尔斯，全球第一位全内置式人工心脏移植患者，在移植手术后近5个月于11月30日在美国肯塔基周路易斯维尔大学附属的犹太医院去世，享年59岁。在心脏移植手术之前图尔斯先生已是心脏病晚期，几乎卧床不起。病后的他与病前相比整整瘦掉了50磅，骨瘦如柴，甚至连抬头的气力也没有。严重的心脏病留下的广泛性疤痕组织使得他的两个心室几近瘫痪，肺部也充满了积水。心脏的工作原理：人的心脏大小大约如本人的拳头，外形像桃子，有左心房、左心室、右心房、右心室四个腔，位于横膈之上，两肺之间而偏左，主要由心肌构成。心脏四个腔中，心壁最厚的是左心室，因

5、为左心室收缩，把血液输送到全身各器官，距离远，需要的动力大；在心脏的四个腔中，左心流的是动脉血，右心流的是静脉血。左心房连通肺静脉，右心房连通上下腔静脉，左心室连通主动脉，右心室连通肺动脉。血液在心脏和全部血管组成的管道中进行的循环流动叫做血液循环，根据循环途径的不同将血液循环分为体循环和肺循环两部分。体循环是指血液由左心室进入主动脉，再流经全身的各级动脉、毛细血管网、各级静脉，最后汇集到上、下腔静脉，流回右心房的循环，在体循环中，血液由动脉血变成静脉血。肺循环是指血液由右心室流入肺动脉，流经肺部的毛细血管网，再由肺静脉流回左心房的循环，经过肺循环，血液由静脉血变成了动脉血。心脏的作用是推动血

6、液流动，向器官、组织提供充足的血流量，以供应氧和各种营养物质，并带走代谢的终产物（如二氧化碳、尿素和尿酸等），使细胞维持正常的代谢和功能。此外，体温相对恒定的调节，也都要依赖血液在血管内不断循环流动，而血液的循环是由于心脏“泵”的作用实现的。在生命过程中，正常心脏始终是有节奏、有规律性跳动，一般成年人每分钟心跳约60-80次，平均为75次。儿童的心率比较快，9个月以内的婴儿心律每分钟可达140次左右。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。血液在心脏中是按单方向流动，由左、

7、右心房流向左、右心室；由左、右心室泵入主动脉和肺动脉，这样形成了心脏内血液的定向循环，通过各级动脉分布至全身。人体各器官的正常生理活动需要心脏供给足够的血液，而心脏的正常工作需要冠状动脉提供足够的血液，当冠状动脉无法满足时，心肌细胞因缺氧而凋亡，患者因此出现心悸、胸痛、胸闷、呼吸困难等症状。 人工心脏的研制经过材料与血泵能源与驱动监测与控制三个阶段完成制作。材料应具有优良的生物性能，即组织相容性、血液相容性、生物老化；优良的物理化学性能，即表面性能、力学性能。常用材料有硅橡胶、天然橡胶、丁苯橡胶、乙丙橡胶、嵌段聚氨酯。目前将隔膜改进为多层结构接触血液面强调抗血栓和血液冲刷时的物理化学稳定性和良

8、好柔顺性，其它层面强调抗疲劳和机械运动功能。血泵是人工心脏的主要部件，部分人工心脏含一个血泵，全人工心脏含两个血泵。分为滚压泵、离心泵、气压泵。血泵的外形呈半圆形、椭圆形、钟罩形、管形。血泵内腔以隔膜分成血腔、传动腔。血泵博动一次，完成一个人工心脏的舒缩周期。能源应有可靠来源，有足够功率，易于补充或更换，便于携带或移动，安全无害清洁。主要能源有交流电能、直流电能、核能、生物电能。驱动主要采用压缩气体、压缩液体或推板。驱动装置有气体压缩机电磁阀驱动装置、热发动机活塞驱动装置和螺旋管推板驱动装置。检测是指检测单元，包括记录和报警感知人体变化信息。检测单元的主要部件有传感器（换能器）要求灵敏、真实、

9、清晰、及时；处理器对来自传感器的信息整合处理。控制是指控制单元，控制参数如心率、心输出量、心动周期。控制方式分为同步、非同步、闭环和开环。控制要求是在任何给定时刻，动态调节人工心脏的输出量，以达到人体所需水平，同时使血流动力学状态维持在人体可以接受的生理限度之内。1最新的微型血泵还可植入主动脉内，通过促进局部血流而达到辅助整体循环的效果。 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，

10、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。近年来，由于材料加工、血泵结构、驱动设计、监测控制、手术操作和术后监护等一系列技术的改进和发展，人工心脏的耐久性和生物相容性都明显提高，使用时间也相应延长，其临床运用得到了进一步开展，也使心脏长期移植成为可能。2植入式人工心脏泵要求体积小、质量轻、功耗低，为了满足这些要求，需要研究磁悬浮人工心脏泵的轴承特性。3因此采用无位置传感器反电势检测方法。人们希望人工心脏为高效率、小型化，达到全植入体内或随人体活动保持较长时间的正常可靠运转，改善病人的生活质量，使病人恢复到正常生活，甚至能够离开医院回到家中。因此，对人工心脏的测量

11、控制技术也提出了更高的要求，其也已成为制约患者生存率的主要因素。心脏每时每刻都在接受人体的各种信息，并通过一系列调节机制机理自动地调节其功能，以适应人体的变化。人工心脏的控制应能模拟自然心脏的工作方式，使人工心脏的工作更加符合血液动力学和血液流变学原理，提高病人的生活质量。从临床或动物实验的情况来看，目前完全模拟自然心脏的作用和功能是很困难的。在自然心脏中，心肌的每次收缩都需要电刺激，心电信号从窦房结沿结间束、希氏束等以辐射状传遍心房和心室，因此需要在控制中加入心电信号。通常又将这种控制方法分为：与自然心脏的收缩和舒张期同步或非同步两种。在同步方式时，血泵和自然心脏在舒张期时同时充注，在收缩期

12、同时排空;而在非同步方式，血泵可在心动周期的任何时段泵血。Ohuchi K.等提出了应用心率的控制方法。丁以群等通过主动脉瓣膜关闭时间与QRS峰值点的关系，拟合同步左心辅助时的触发延迟时间，利用心电控制人工心脏工作。人工心脏中的压力传感器、流量传感器等可以直接测量心血管生理变量，但通常是入侵式的，易引起血栓，不适宜在人体长期使用。现在，利用人体的神经信号比如迷走神经和交感神经来控制人工心脏系统也在研究中。此外，人工心脏工作的温升也是一个影响装置安全性的重要参数，需要监测和控制。对长期移植来说，为了达到自动工作及可靠性的提高，器件的控制系统必须工作在闭环控制方式，通过多个生理参数来监测人工心脏的

13、工作状态、硬件的工作是否正常、监测参数变化是否在允许的范围区间、变化率是否合理、控制者发出的指令是否合适等，并利用简单可靠的算法及时自适应调整人工心脏的运转，满足病人对人工心脏的要求。预计将来可以将人工心脏与集成电路芯片结合起来，能量传输也将通过可植入无线网络传输、并通过生物传感器根据更多血流动力学指征根据自体适时需要控制人工心脏的运转。还有望研制具有感知功能的人工心脏，实现血泵的有效控制。此外，还可以通过网络，建立生物信息遥测系统，远程监测人工心脏的工作，基于测量数据、病人的以往及现在的身体状况，决定血泵的工作状态。随着人工心脏向智能化、微型化、耐用性强及人性化的方向发展，将来有可能实现真正

14、意义上的长期、永久植入的人工心脏。心脏移植是治疗终末期心脏病人的有效方法，但由于心脏供体的缺乏，使许多患者在等待供体的过程中死亡。因此，人工心脏是目前解决心脏移植供心来源不足的一种很有前景的方法，其研究日益引起人们的兴趣和关注，在挽救危重病人、为心脏移植争取时间方面以及帮助严重心衰的患者渡过危险期至心脏功能恢复都起到了越来越重要的作用。人类的心脏是具有精确控制作用的精致器官，虽然其生理机能目前还不完全清楚，但作为临时取代心脏功能的人工心脏已可以在许多医院中看到，并大量使用。但完全人工心脏仍在研究阶段，未来的人工心脏将驱动装置小型化并植入人体。在美国，每年等待心脏移植的病人超过50000，而实际接受心脏移植的仅2000人。在中国每年有1000万心脏衰竭的患者，其中，200-300万人因心衰而死亡。人工心脏的研究从一开始便面临着许多挑战，尽管目前还不能完全模拟自然心脏的作用和功能，但不同领域的研究人员都在从各自的领域推动者人工心脏的发展。随