直接心室辅助致动方法的现状与发展(

1、直接心室辅助致动方法的现状与发展杨明1 臧旺福21， 上海交通大学电子信息与电气工程学院仪器系 （上海200240）2， 上海交通大学附属瑞金医院心胸外科（上海200025）【摘要】直接心室辅助通过在心脏外侧柔性挤压心脏，帮助虚弱的心脏恢复功能。它能够避免人工器件与血液接触引发的血栓、血感染等问题，是人工心脏辅助器件研究与开发的重要领域之一。直接心室辅助的致动器，决定了器件的结构、形状、及其性能，是整个辅助器件关键中的关键，致动器上的任何突破有可能对直接心室辅助器件产生革命性影响。因此，本文从致动原理的角度，分析、探讨了直接心室辅助的致动方法及其存在问题，这对探索与开发满足要求的下一代直接心室

2、辅助致动器有一定的帮助作用。关键词：人工【关键词】心脏； 直接心室辅助；致动器 The Present and Future State of Actuating Technology for Direct Cardiac Assist DevicesYang Ming1 Zang Wangfu21. Department of instrumentation, Shanghai Jiaotong University（Shanghai 200240）2. Dept. of Cardiothoracic Surgery, Shanghai Ruijin Hospital（Shanghai 20

3、0025 ）【Abstract】To assist a weakened or failing heart, direct cardiac assist devices wrap around the epicardial surface and gently squeeze the blood out of the heart. This kind research and development are important because it can avoid thromboembolic events and blood infection, which are common to

4、the current heart assist devices. The actuators determine the structure, shape, and performances of direct cardiac assist devices, and therefore is the key for development. Any breakthrough in the actuator technology could potentially have revolutionary influence on the device development. Therefore

5、, this paper reviews the actuator technologies of direct cardiac assist devices and their problems. These analyses will be helpful for the exploration of next-generation direct cardiac assist devices. 【Key Words】 Artificial heart; Direct compression cardiac assist; Actuators1. 引言： 心脏病是当今世界威胁人类生命健康的重

6、大疾病之一。据统计，我国现有各类心脏病患者约三亿七千万人，每年还要新增病人约三百万人，每年有将近一百万人死于心脏病1，2。在英国，每天有七百多人心脏病发作，每年死于心脏病的人数占总的死亡数的41% 3。冠心病、高血压、及心肌病等心血管疾病发展的晚期常常导致心肌功能下降和充血性心力衰竭。许多心衰患者晚期异常痛苦，生活质量下降，存活时间缩短。对这种终末期的心衰，内科治疗只能减轻症状，并不能延长患者的生命。目前看来，心脏移植是治疗晚期心衰患者一个较为成功的技术，但对心脏移植的需求远远大于器官的供给。在美国每年等待心脏移植的患者超过五万，而实际接受心脏移植的仅仅二千人4。这种需求使得人工心脏辅助或替代

7、器件的研究与开发，成为终晚期心脏病治疗研究的重点。实现人工心脏器件的方法可以分为与血接触和与血非接触两类5。与血接触的人工心脏器件，如全人工心脏和左心房辅助器件等，将心脏视为一个血泵，用机械泵来替换部分或全部的心脏功能，以达到治疗晚期心衰患者的目的。目前世界上几个主要最接近成功研究永久性人工心脏的机构是美国的Pennsylvania State University, The Texas Heart Institute等。目前国内在人工心脏临床应用，动力学特性仿真研究, 器件的研究与开发等方面也进行了卓有成效的工作6-8。但无论在国内、国外，血与人工器件接触引起的血栓、血感染等生物兼容性问题，

8、对全人工心脏等的长期使用仍然是一个限制6-10，到目前为止尚未有解决方法的报道。第二种方法采用与血非接触的心脏辅助器件，是直接裹在患者心脏的外表面柔性挤压，帮助心脏恢复功能的下一代人工心脏器件，称为直接机械心脏辅助，目的在于避免现有人工心脏器件的生物兼容性问题。这种与血非接触人工心脏辅助器件不用摘除患者原有的心脏。在患者心脏功能得到恢复后，可去掉人工心脏辅助器件。一个人所共知的直接心室辅助方法是将骨骼肌缠绕在心脏的外表面10-12。当骨骼肌在电信号的激励下，收缩挤压心室，帮助心脏提供血液供应全身。这种方法显示出部分的成功，在于心脏的功能得到提高，但不幸的是，骨骼肌快速疲劳限制这种方法的进一步发

9、展。于是人们转向了机械动作式直接心室辅助器件的研究与开发。2. 开发中的流体致动直接心室辅助器件由于气体致动可以输出足够的压力，并具有一定的柔性，而且技术较为成熟,目前开发中的直接人工心室辅助器件，多为气体致动。这些器件通常由致动器、传感器、数字控制器、心脏套等组成。一个由Cardio Technologies Inc., Pine Brook, NJ 研制的气动直接心室辅助器件是由一个心脏套及其一些可充气的气囊组成10， 如图1所示。心脏套包裹在心脏的外表面。在气囊充气时，心室壁受到挤压，从心室中挤出血液；在气囊放气时，血液流回到心室。挤压力是由空气泵所产生，由一个计算机根据心脏表面的精细电

10、极提供的心电信号控制气体的挤压量、频率、持续时间。据活体试验报道，应用气动的直接心室辅助器件，心脏可以恢复其60%的功能，心脏的收缩压力得到提高，心室输出流量显著增加。类似的液压驱动的研究也有报道，但没有看到活体试验报道的数据。这类由流体驱动的直接心室辅助器件长期循环使用时，主要有以下几个重要的问题。图1. 气动直接心室辅助器件示意图Fig.1 Sketch drawing of air driving direct cardiac assist devicel 这种动作器笨重、容易泄漏，病人被限制在泵源的附近，而且输送流体的管路经过人体皮肤，容易引起感染。l 这些流体加压是均匀的加载在心室上

11、。这可能造成心脏某些部位的损伤，这是因为在收缩和舒张的过程中，各个部位的运动大小、时间的前后都有差异。均匀、同时的加载势必会造成一部分部位压力不够，一部分过载。更为 重要的是，均匀加载有可能破坏心肌本身的运动规律。3. 下一代直接心室辅助器件动作技术由于气动或液体致动的辅助器件需要经皮管路通过人体皮肤等问题，严重地影响着患者的生存质量，人们迫切需要研究与开发一种能够完全植入人体的动作器件。这样患者可以离开医院，长期使用，使得心脏移植，也许就不再需要。因此，人们也在探索基于不同致动方法的直接心室辅助器件，下面介绍几种公开报道的直接心室辅助器件。电致动聚合物（IPMC）驱动IPMC，离子聚合金属合

12、成物（ionic polymer metal composite ），是一种新型的智能材料，易于加工，可以制作成大位移，低驱动电压（5V）的动作器13，14。这种动作器的基本机理是当电压加在IPMC的电极上，在IPMC合成物的隔膜上就有电压形成。钠离子在静电力的作用下从正极移向负极。当合成物与水结合，水随着离子运动，造成隔膜一面收缩，另一面膨胀，于是隔膜弯曲。当改变电压的极性时，隔膜向相反方向弯曲。图2为由IPMC电致动聚合物构成手指形的直接人工心室辅助器件13。图2中象睫毛一样的IPMC电致动聚合物构成压力传感器，监测IPMC电致动聚合物辅助器件对心脏外表面的压力。附着在IPMC电致动聚合物

13、外表面的水，一方面为IPMC电致动聚合物提供合适的工作条件，同时也使IPMC电致动聚合物产生的压力柔性化，避免IPMC器件可能对心脏肌肉的损伤。IPMC电致动聚合物只需要5V的电压即可驱动，因此采用电池驱动，易于植入人体。但是这类IPMC驱动的直接心室辅助器件产生的压力较小（1.4mmHg），在目前的条件下，如果没有新的技术突破，还不能达到应用的要求。导线控制电路心脏基于IPMC的压力传感器IPMCIPMC水图2、美国新墨西哥大学Mohsen Shahinpoor等研制的基于IPMC直接心室辅助器件Fig.2, direct cardiac assist device developed by

14、 Mohsen Shahinpoor at University of New Mexico, USA 形状记忆合金驱动形状记忆合金是指具有一定初始形状的合金在低温下经塑性形变并固定成另一种形状后，通过加热到某一临界温度以上又可恢复成初始形状的一类合金。形状记忆合金具有的能够记住其原始形状的功能称为形状记忆效应。形状记忆合金变形量大，如果加热足够快，变形速度也快。但是由于冷却速度较慢，单独使用形状记忆合金作为直接心室辅助的致动器是困难的。我们知道，珀耳帖元件在通电时可以形成热能的运动，换句话说，珀耳帖元件在通电时，一端加热，一端致冷。日本Tohoku大学Shigenao Maruyama等人将

15、形状记忆合金和珀耳帖元件（Peltier elements）结合在一起制成右心室辅助器件15，如图3所示。器件将被固定在右心室表面。当给形状记忆合金加电时，形状记忆合金发生变性，协助右心室收缩；当心脏舒张时，给珀耳帖元件加电，使形状记忆合金致冷，形状记忆合金匀速恢复到初始状态。所以选择右心室辅助，是因为形状记忆合金可以产生大的变形，但输出力矩较小，而右心室辅助压缩的力较左心室小。进一步开发形状记忆合金在直接心室辅助中的应用要克服温度问题。这是因为人体胸腔中温度基本恒定，而一般的形状记忆合金需要快速升温和降温（相变温度远大于人体体温），这需要研究于开发出相变温度范围较小且接近人体体温的形状记忆合

16、金。因此，寻找合适形状记忆合金将是该研究的一个重点。另外，由于形状记忆合金在相变温度附近有严重的滞后现象，在控制技术也有许多问题需要克服。图4、 英国LEEDS大学 B. M. Hanson等人设计的电机驱动直接人工心脏辅助概念图Fig.4 Sketch drawing of direct cardiac assist device driven by electro magnetic motors designed by Ben Hanson at University of Leeds, UK 图3、 日本 Tohoku大学 T.Yambe等人研制的在塑料心脏模型上珀耳帖元件和形状记忆合金

17、构成的人工心脏肌肉辅助器件Fig.3, Artificial heart muscle device based on Peltier elements and Shape Memory Alloys developed by T. Yambe at Tohoku University in Japan 电磁式电动机驱动电磁式电动机是一类得到充分发展和相当成熟的动作器，在与血接触的人工心脏器件中得到广泛的应用8。采用微小的直流电动机驱动直接人工心室辅助相对于气动辅助来说，电机的输出力和位置容易控制。更重要的是电机易于用可植入的电池供电， 因此有长期可植入的潜能。图4为Leeds 大学Ben.H

18、anson等人利用电磁式直流电机驱动的直接人工心室辅助的示意图 5。采用心脏起搏器使辅助器件和心脏本身的收缩、舒张同步。当控制电机使柔性带收缩时，辅助器件挤压心脏，帮助心脏泵出更多的血液；当心脏舒张时，控制电机放松柔性带，使血液回流到心脏。电磁式电动机在直接心室辅助应用时的主要问题首先是，其圆柱形及尺寸和直接心室辅助结构设计难于满足心脏和胸腔之间的空间要求；其次，在体积缩小时，电机的能量密度急剧降低和较软的机械特性，使其无法同时满足直接心室辅助对输出力和输出速度的要求。最后，电磁式电动机工作时，速度高、力矩小。应用于直接心室辅助时，需要减速器，降低速度，提高力矩。这增加了重量，减小了可靠性，增

19、加了噪音。如果不用减速器等，在直接心室辅助应用中，电机工作电流过大，这会严重影响电机的工作寿命。 因此，电磁式电动机在直接心室辅助的发展前景并不是很乐观。超声电机驱动超声电机是近20年来发展起来的一种新型电机, 不同于传统的电磁式电机, 它利用压电陶瓷的逆压电效应激发超声振动, 借助弹性体谐振放大振动幅度, 通过摩擦耦合产生旋转或直线运动。其显著特点是低转速、大力矩、可用来直接驱动, 而且结构简单、电磁兼容性好（易于和核磁共振图像兼容）、宁静运转、响应速度快、易于微型化和结构多样化，而且其平均无故障工作时间已从早期数千小时到现在的2万小时。这些特点使超声电机成为直接心室辅助器件中很有前途的动作

20、器之一16。图为英国Leeds 大学Yang Ming 等人设计的超声电机动作元示意图。在运动部件相向运动时，直接心室辅助器件放松柔性带，在运动部件相互逆向运动时，直接心室辅助收紧柔性带。利用心脏起搏器作为同步信号，可控制直接心室辅助器件帮助虚弱的心脏泵出更多的血液。滑块 滑块支撑架支撑架图.5 直接心室辅助超声电机动作元示意图 Fig.5 Sketch drawing of actuator elements for cardiac assist device based on ultrasonic motors柔性带虽然从原理上看，超声电机在直接心室辅助应用中有一定的潜能，但是有关这方面的

21、应用仍然在研究的早期，还有许多不确定因素有待解决。4. 总结与技术展望心脏的跳动是人类生命的表征。治愈心脏病，尤其是终末期的心脏病一直是人类的愿望。这也是上百年以来，尽管遇到了这样或那样的困难，人类始终在持之以恒的探索、研究人工心脏及其辅助器件的原因。与血不接触直接人工心室辅助器件能够避免与血接触产生的血栓、血感染等问题，是人工心脏研究的一个重要领域。但是现有的致动技术并不能完全满足直接心室辅助的要求。目前看来，气体或液体致动的动作技术较为成熟，但是经过人体皮肤的管路严重影响患者的生存质量。电磁式电机在直接心室辅助的应用前景并不被看好。电致动聚合物尽管具有许多诱人的特点，但如果技术上没有新的突

22、破，短期内难以看到应用的可能。形状记忆合金和珀耳帖元件联合使用，使形状记忆合金在直接心室辅助中的应用成为可能，但仍须解决在人体胸腔中密封环境下的温度问题。超声电机从性能指标上来看，尚没有发现原理上的不足，但仍在探索、开发的早期，还有许多不确定因素有待解决。也许最好的致动器应该是一种生物、化学类的动作器。它不仅能模仿心脏的功能，更能模仿心脏的致动机理。也许合适的致动机理并不是一种，它可能是两种或更多种方法。但是不管怎样，探索与开发合适的直接心室辅助致动方法，仍然是一件艰巨且富有挑战性的任务，还有很多工作要做。参考资料1. 警惕心脏病的药物的毒副作用, 中国心脏病康复网，2. 每年中国近百万人死于

23、心脏病， 北京晚报 2003年9月29日3. Artificial heart muscle tested, BBC NEWS, 2003/08/22, http:/news.bbc.co.uk/go/pr/fr/-/2/hi/health/3151891.stm4. 尹邦良，人工心脏的历史与研究现状，中国医师杂志，2002年7月，679-6805. B. Hanson, R. Richardson, G.L.J. Davies, K. Watterson, M.C. Levesley, P.G. Walker, Control of a non-blood-contacting cardia

24、c assist device Proceedings of the IASTED International Conference Biomedical Engineering, 2005, Innsbruck, Austria, 679-6846. 范慧敏，卢蓉，刘泳 等，人工心脏并发症及处理，同济大学学报（医学版）， 23 （2002） 149-1517. Li X, Bai J, He P,  Simulation study of the Hemopump as a cardiac assist device，Medical Biological Engineering &

25、amp; Computing, 40 (3) (2002), 344-3538. Qian KX, Zeng P, Ru WM, Yuan HY, A novel permanent maglev impeller TAH: Most requirements on blood pumps have been satisfied, Journal of B iomateriala Applications 18 (1) (2003), 53-619. G. L.J. Davies, Control of a cardiac compression assist device, PhD. Thesis, University of Leeds, September 200210. D. J. Goldstein and M.C. Oz, Cardiac assist devices, Futura Publishing Company, New York, 2000.11. E.A. Cheever, D.R.Thompson, B.L.Cmolik, W.P. Santamore, Stimulator for skeletal muscle cardiac assist, IEEE Transactions on Biomedical Engineering,