[科普中国]-人工心脏的流体动力装置

近年来，终末期心力衰竭的治疗日益成为临床心血管内、外科所面临的巨大挑战。由于药物治疗和外科手术的局限性，以及供体心脏的短缺，促进了心室辅助装置和全人工心脏的发展[1]。心室辅助装置以及全人工心脏, 一般由插管、控制部分和流体动力装置组成。其中，流体动力装置是最主要的部分。流体动力装置是一种人工制造的机械装置，完全或部分替代心脏的泵血功能。它能够增加心排血量和改善外周器官血液灌注，减少心脏做功，改善患者恶化的血流动力学状况, 完成心功能恢复的永久性治疗，明显地改善患者的生活质量[2]。

1流体动力装置的驱动系统全人工心脏及心室辅助的驱动装置为流体动力装置的运转提供动能。常用有五种驱形式:机械、液动、气动、电动和磁力祸合驱动。机械驱动的方式仅在早期使用过，由于体积过大，消耗能源较多，故近年来很少采用。电动和磁力驱动装置是近年来研究的焦点。此类驱动装置分为脉动式和非脉动式两种，也可利用调节驱动电机的电压，使电机以变速转动或恒速转动，达到驱动装置脉动或非脉动的工作方式。由于此类型驱动装置体积可以较小，甚至可以满足全植入型人工心脏的需要,是驱动装置小型或微型化的希望。但是直接驱动叶轮或轴流式动力装置的方式对血液的有形成分破坏较大，目前的研究结果表明，尤其是离心式叶轮动力辅助装置对血液的破坏更为严重些。磁力驱动方式是现在研究较为集中的驱动方式，磁力驱动方式之一是采用端面磁祸合方式，由电机带动端面充磁的转子，通过磁祸合带动流体动力装置叶轮转子的转动，电机与端面充磁转子密封在一独立的腔内，叶轮转子则完全浸泡在血液中，如江苏理工大学研制的II型离心式流体动力装置。另一种驱动方式则采取平行轴径向磁祸合驱动，在流体动力装置叶轮转子中心填充高性能永磁材料，并进行径向充磁，驱动转子置于体外，径向充磁的转子与体内叶轮转子类似齿轮啮合将动力传递给流体动力装置的叶轮转子，达到驱动血液的目的。显然，后一种驱动方式避免了其他驱动方式中的生理相容性及能源供给等难题。

2能源供给目前流体动力装置的供能方式有体内供能和体外功能两种主要的方式，体外常用的能源有下列几种:工频交流电源，电池，放射性核能源，生物能源等，外磁场驱动是一种体外供能的新方法。

3制作材料制造流体动力装置要求所选用的材料具有良好的血液相容性及组织相容性,能有效地防止血栓的形成，并不引起溶血，不致癌，不致敏，不致畸变，不引起机体不良反应，而且有良好的耐挠曲，疲劳，老化和一定的机械强度。目前制造人工心脏流体动力装置常用材料有硅橡胶，甲基硅橡胶，嵌段硅橡胶，聚氨酷，聚甲基丙烯酸甲脂，聚四氟乙烯，高分子高复合材料，生物高分子材料和聚烯烃橡胶。为了提高高分子材料的抗凝血性，采用高分子材料表面肝素化，天然橡胶混入肝素，负电荷法，降低表面自由能，白蛋白或明胶涂层，生物材料衬里等技术。

4 几种典型的人工心脏流体动力装置4.1容积式流体动力装置为了更好地实现自然心脏的功能，早期开发的全人工心脏和心室辅助装置中的流体动力装置以容积式为主。容积式流体动力装置是由一个血袋、控制血流方向的瓣及动力部分组成。单向瓣允许血液从进口端流入和从出口端流出，当动力部分挤压血袋时，血袋的容积减少，从而把血液挤压出去，类似于心脏的收缩过程， 当血袋的压力减少时外部的血液就会流入血袋, 类似于心脏的舒张过程。按血袋结构可将流体动力装置分为两类:

（1）袋的一部分是由易弯曲的膜组成，其余的部分由硬壳组成，称为膜式流体动力装置，如Toru Masuzawa开发的流体动力装置、Utah-100全人工心脏中的流体动力装置、Millner等制造的全人工心脏中的流体动力装置。

（2）袋的全部是由易弯曲的膜组成，称为囊式流体动力装置，如宾西法尼亚州立大学制造的人工心脏中的流体动力装置。囊式流体动力装置有三种：一种是气动流体动力装置，靠气体驱动，其体积比较大，通常动力源置于体外，有比较粗的管路经过皮肤。另一种是靠液体驱动的电液流体动力装置。还有一种直接靠直流无刷电动机驱动的电动流体动力装置。总之，容积式流体动力装置缺点是体积大，不易植入，由于有庞大的附属机构, 要有管道和线使得内外连通, 故易感染。瓣和膜是这类流体动力装置关键部件，它们易损坏，且是血栓易形成的部位。另外, 由于其与血液的接触面积大，溶血也比较严重。其优点是这类泵类似于自然的心脏，都是搏动的，与人的正常生理结构相适应，有利于各主要脏器的血液微循环灌注。

4.2叶片式流体动力装置容积式流体动力装置存在上述的许多缺点，严重制约了其进一步的广泛应用。于是第二代流体动力装置（叶片式）得到了发展，该装置具有众多优点：结构比较简单，体积小，易于植入，与血液接触面积小，抗血栓性能好。因可植入，感染问题也可得到较好的解决，耐久性好，低功耗，易于操作，价格也较低等。研究较多的叶片式流体动力装置主要包括离心式流体动力装置和轴流式流体动力装置，下面分别作以简述：

（1）离心式流体动力装置。离心式流体动力装置是将叶片装在轴上，当轴高速旋转时，这些叶片将引导血液并将其抛至外沿，叶片对血液的动力作用将形成动脉压，显然，压力的大小取决于叶轮的转速，一般情况下，转速越高则所形成的动脉压也越高。

（2）轴流式流体动力装置。轴流式流体动力装置的工作原理与工业中使用的轴流泵相类似，叶轮为螺旋桨式，利用叶轮在血液中旋转产生推力，血液沿着轴向进入由叶片组成的流道内，利用旋转叶轮产生的推力推进血液，并且依靠旋转叶轮的翼形叶栅对绕流血液产生的升力将其能量传给血液，使血液产生前进和旋转两种运动，即沿螺旋线方向运动，当血液离开叶轮后，进入由后导流叶片组成的流道内，血液旋转方向的运动被迫停止，将旋转动能转化为压能，使血液呈轴向运动。轴流式流体动力装置服了体积大、不易植入、结构复杂、能耗高、易感染、瓣膜等血泵关键部件易损坏、工作寿命短和溶血较严重等缺点，具有结构简单、重量轻、流量大、效率高、易植入和取出等优点，同时无需安装人工瓣膜，减少了血栓形成的几率。与离心式流体动力装置相比，轴流式流体动力装置体积更小，并且呈管状外形，血流呈轴向运动，更加有利于环路的合理配置。轴流式流体动力装置的叶片也是装在轴上，当轴旋转时，血液是沿着倾斜的方向抛出（沿螺旋线方向运动，不是沿着离心力径向被甩出），因此其受到破坏的程度较小。经过导叶导流后，血液基本上是沿轴流方向运动，故称为轴流式流体动力装置。

由于叶片式流体动力装置只能产生平流，与人体自身的脉动式血流不同，故在研究叶片式流体动力装置的同时人们一直广泛地探讨平流对人体生理状态的影响，有的学者认为：在急性左心衰的早期治疗过程中, 脉动式辅助循环装置产生的血流对肾脏、外周器官及细胞的新陈代谢起着积极的作用。另一方面，非脉动流对维持体循环意义较小，若连续辅助时间超过三个小时，将会对一些主要器官产生不可逆转的损坏。但Hindman等在1995年报道了，虽然在低温条件下，脉动的心脏转流对脑的血液循环和代谢比非脉动的心肺转流要优越得多。而在37℃时对兔子的左心转流过程中发现，其脑血流量和脑代谢耗氧量脉动流和平流差别不大。1977年，Nose等发现：如果使用平流泵泵出的血流量比所需脉动血泵流量大20%时，将不会发生异常的生理循环。

4.3悬浮式流体动力装置第三代流体动力装置以悬浮技术为主要标志。第三代流体动力装置一般具有悬浮和驱动两个系统:悬浮系统使叶轮悬浮，叶轮直接永磁化或在塑形的叶轮内嵌入永磁体。流体动力装置的定子或装置壳内置入永磁或电磁线圈，通过磁化的叶轮与定子或装置壳之间轴向及径向磁场相互作用，使叶轮悬浮于装置壳中间，驱动系统驱动叶轮旋转。在定子或装置壳内置入另一组电磁线圈,通过电磁线圈电流的变化产生磁力推动磁化的叶轮旋转。

最早在1950 年美国弗吉尼亚大学的Beams将磁悬浮技术应用于机械转子上,但直到1992年Akamatsu等才开始采用磁悬浮技术来研发人工心脏的流体动力装置。1996年Allaire等报道采用磁悬浮技术研制人工心脏的离心式立体动力装置。至此世界各地的研究机构逐渐先后研制出Incor、HeartWare VentrAssist及Levacor等第三代人工心脏流体动力装置。近年来，磁悬浮循环辅助装置得到了飞速的发展，越来越多的证据表明第三代流体动力装置在性能上要优于前两代产品。

4.3其它类型的流体动力装置除了容积式流体动力装置和叶片式流体动力装置外，也有人在研究其它类型的流体动力装置，如Takesh等报道了由生物人工心室组成的循环辅助设备, 该人工心室由骨骼肌组成，其上排列着生物人工心脏内膜。其优点是血栓较少。但若作为长期使用，血栓形成仍是一个大问题。Monties等研制的流体动力装置原理类似于推板式，内有一个椭圆形的转子，转子与定子之间只有一个接触点，是一个没有瓣膜、低转速、半搏动流的旋转装置。也有关于其它种类流体动力装置的报道，在此不作介绍。

5存在的问题与展望血栓和溶血是人工心脏流体动力装置中存在的两个主要问题。血栓形成的根本原因是材料的生物相容性问题。目前解决的方法基本上可分为两种:一是采用涂层的办法，使表面光滑，允许有微栓形成，但不会形成大的血栓，从而不致影响正常的生理机能；二是采用粗糙表面，使血小板更容易发生沉积，形成假内膜，从而避免血栓的形成。产生溶血的原因:一是血液与非生物材料接触面的大小有关，接触面大溶血程度就严重；二是血液的湍流运动及机械运动对血液的破坏，这可通过优化流体动力装置的结构来解决。此外，轴承密封也是流体动力装置在应用中面临的一个问题。由于对辅助时间要求的延长，又因装置中的叶片大多可绕轴承旋转，故其存在的密封问题就变得越来越重要。密封对于转动式流体动力装置的使用寿命、机械性能、结构简化、溶血和血栓都有着至关重要的影响。当然，磁悬浮轴承的应用对这个问题的解决提供了广阔的前景，但使用磁悬浮轴承又为装置的结构增加了复杂性，对缩小装置的体积不利。从容积式流体动力装置到叶片式流体动力装置, 再到目前悬浮式流体动力装置的大量研究。可以看出研究体积小，操作方便，以便能迅速植入的流体动力装置，是发展的一个趋势。总之，为了解决人工心脏流体动力装置中存在的问题，相关的研究正在结合多学科（如计算机、自动化、材料、医学、机械、力学、物理、数学等）中最新的成果, 一步一步地趋向完善。

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樊瑜波 - 教授 - 北京航空航天大学生物与医学工程学院邓小燕 - 教授 - 北京航空航天大学生物与医学工程学院