1、人工心脏 人工心脏 ，即用 生物机械 手段部分或完全替代心脏的泵血机能，维持全身的血液循环 。按功能划分包括 心室 辅助血泵（ VAD）和 全人工心脏 （ TAH）。人工心脏 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。 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 也是所有 医疗器械 中最具挑战性的技术之一，其研发能力从一个侧面代表了一个国家的高端医疗器械科技水
2、平。人工心脏在美国已进入产业化，2012 年销售额突破 5 亿美元，成为心血管医疗器械产业的一个新的分支，其价格高达每套 10 万美元。 1分类 人工心脏 分为辅助人工心脏和完全人工心脏。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正脏是极不容易的，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。 衡量人工心脏先进性的关键指标包括血液相
3、容性和小型化程度。第三代人工心脏有液力悬浮（包括 “磁液双悬浮 ”）、完全磁悬浮两类，其中完全磁悬浮则被认为是提升血液相容性的最具发展潜力的技术。 1 2起源发展 起源 1958 年 日本 及前 联邦德国 均设立了专门研究中心。 1964 年 KOlff 利用人工心脏使小牛生存24 小时。 1966 年 人工心脏（ AbioCor IRH） DcBakey 将人工 心脏 用于 瓣膜置换 病例，辅助数小时。 1968 年开始临床研究， 1969 年动物实验生存记录为 40 天。同年 Cooley 进行了第一个临床病例植入一时性完全 人工心脏后因合并症死亡。 1970 年 Nose 等的动物实验生
4、存 100 天。 1973 年以后，动物实验成活率迅速上升： 1976 年 Kolff 试验牛成活 89 天、 122 天； 1980 年度美和彦试验山羊生存 232 天、 242天、 288 天； 1982 年 12 月 1 日美国盐湖城 犹他大学 医学中心人工心脏研究小组为一患者植入完全人工心脏使其存活为 112 天；日本 Terumo 还开发出了通过磁石使输送血液的泵的叶轮 以悬浮状态旋转的技术。由于叶轮不接触任何地方，因此不会出现此前 人工心脏 所具有的最大缺点 -产生血栓。在 1997 年以羊为试验对象的试验中，创下了 人工心脏 存活 864 天的全球最高纪录，这一技术堪称是世界最高
5、水平。 从广义及泵功能这一角度考虑、人工心脏研究可以回溯到 体外循环 的动脉泵开始，即 1953年 Gibbons 将体外循环应用于临床。心肺机利用滚筒泵挤压泵管将血泵出，犹如自然的搏血功能进行体外循环。而人工心脏这个血液泵恰是受此启发而开始研究的。 1957 年 美国 KOlff和 Akutsn 将 聚乙烯 基盐制成的人工心脏植于人体内生存一个半小时，以此为开端展开了世界性人工心脏研究。 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
6、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。 发展 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。 1 容积式血泵（全人工心脏即第一代人工心脏
7、） 人工心脏 容积式（脉动式）血泵 在早期开发的全人工心脏和辅助循环装置中的血泵，由于主要模拟人的自然心脏，故这个时期的血泵主要是容积式血泵。容积式血泵是由一个血袋、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。按血泵的血袋结构可将泵分为两类： (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，称为膜式泵，如 Toru Masuzawa开发的血泵、 Utah-100 全人工心脏中的血泵、 Millner 等制造的全
8、人工心脏。 (2)袋的全部是由易弯曲的膜组成，称为囊式泵，如宾西法尼亚州立大学和 3M 康复中心联合制造的人工心脏中的血泵、 Erik 等制造的全人工心脏。囊式泵有三种： 气动血泵，靠气体驱动；泵体积比较大，通常动力源置于体外，有比较粗的管路经过皮肤。 靠液体驱动的电液泵； 直接靠直流无刷电动机驱动的电动泵。 总之，容积式泵缺点是体积大，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；瓣和膜是这类血泵关键部件，它们易损坏，且是血栓易形成的部位；另外，由于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
9、器的血液微循环灌注。 3应用及并发症 全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 TheLD PACE 。辅助循环可逆性心脏病的机制有许多研究对 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 Transplantatio
10、n。 2、全人工心脏的管理 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。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。 全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；
11、 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。 2 左心室辅助装置（第二代人工心脏） 叶片式血泵 2 心室辅助装置 叶片式血泵 由于各种容积式血泵存在上述的缺点严重制约其进一步的广泛应用，于是人们开始研究体积小、可植入 式的叶片泵。由于叶片泵是平流泵，与人的搏动血流不一样。故在研究叶片泵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，搏动式辅助循环对肾脏、外周器官及细胞的新陈代谢将产生优越的血流，另一方面，非搏动流对维持体循环无效，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 Hin
12、dman 等在 1995 年报道了，虽然在低温条件下，搏动的心脏转流对脑的血液循环和代谢比非搏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搏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搏动血泵流量大 20%时，将不会发生异常的生理循环。 辅助循环装置中的血泵 叶片式血泵的优点是：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。研究较多的叶片血泵主要包括离心泵和轴流泵，下面分别叙述之： （ 1）离心血泵 离心血泵是将
13、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。属于这种类型的血泵有 ： Biomedicus(Minneapolis,MN)离心泵、钱坤喜等研制的血泵、 Delphin 离心泵、 Sarns 离心泵等。 Biomedicus(Minneapolis,MN)离心泵、 Sarns 离心泵已应用于临床。其它的还在研究中，而 Nojiri 等研制的微型悬浮式磁力耦合离心泵，叶片靠磁力悬浮在泵内，无需支撑，从而解决了密封问题，减少了血栓的发生。这种离心泵在体动物实验已超过了
14、1 年。 由于离心泵工作时，叶片要高速旋转，由此对红细胞所引起的机械破坏引起了人们的重视，Schima 报道了离心泵对红细胞所引起的机械 破坏与红细胞的弹性无关。 （ 2）轴流血泵 螺旋泵原理简示 轴流式（螺旋式）血泵的原理来自古老的 阿基米德螺旋泵 ，轴流泵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 )，经过导叶导流后，血液基本上是沿轴流方向运动，故称为轴流泵。它能提供较大的流量。这类泵有： Hemopump 泵、Nimbus Axipump 泵、 Javik2000 轴流泵。 已应用于临床的只有 Hemopump,其它的还在研究阶段。 这类泵的最大优点是体
15、积小、流量大、效率高，如： Hemopump 泵的直径仅为 7mm，可通过周围动脉 (股动脉 )沿主动脉放入左室，将左室的血液泵入 主动脉 。其 转速可达到25000rpm/s，流量可达到 3.5L/min。德州心脏研究所研制的 Jarvik 2000 微型轴流泵、 Baylor大学和美国国家宇航局一同研制的 Baylor/NASA 微型轴流泵均在动物实验阶段、 Kennjl 等研制的轴流泵其长为 10cm，直径为 14cm，压差为 90mmHg 时，其流量可达 8L/min。 3 其它类型式泵 除了容积式血泵和叶片式血泵外，也有人在研究其它类型的血泵，如 Takesh 等报道了由生物人工心室
16、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 等研制的血泵原理类似于推板式，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、半搏动流的旋转泵。也有关于其它种类血泵的报道，在此不作介绍了。 4 存在问题和展 望 血栓和溶血问题仍然是当前和今后要研究的两大课题。血栓形成的根本原因是材料的生物相容性问题。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，使血小板沉积在其上
17、，形成假内膜，从而避免血栓形成。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，这可通过优化泵的结构来解决。 轴承密封问题是当今研究的另一个课题，由于对辅助时间要求的延长，又因叶片泵大多 是转动泵，故其存在的密封问题就变得越来越重要。密封对于转动血泵的使用寿命、机械性能、结构简化、溶血和血栓都起着至关重要的作用，磁悬浮轴承的应用对这个问题的解决提供了广阔的前景。然而，使用磁悬浮轴承又为泵的结构增加了复杂性，对缩小泵的体积不利。 从容积式血泵到叶片式血泵，再到轴流式血泵的大量研究。可以看出研究体积小，操作方便，以便能迅速植入
18、的血泵，是血泵发展的一个趋势。总之，为了解决血泵存在的问题，血泵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。 电源演变 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。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。 选用材料 高分子材料
19、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。有人做成镍钛锆合金其优越性更为突出。 心脏调节
20、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 PACE 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。 4相关报道 世界首例人工心脏移植手术在法国顺利完成 中国网 2013 年 12 月 22 日讯 据法国 费加罗报 网站 12 月 21 日报道，法国完成了世界第一例人工心脏移植手术。据悉，这例手术由位于巴黎的蓬皮杜欧洲医院 (HEGP)执行，患者于手术后两天恢复意识、呼吸平稳。 一直以来， 心脏病 科专家们的梦想就是能够找到合适的材料
21、制造人造假体心脏，通过移植手术，让患者恢复各项机能。当地时间 12 月 21 日，法国医疗设备制造商 Carmat 对外宣称，已于周三（ 12 月 18 日）向一名患者进行首次人 工心脏移植手术成功，该名患者现已苏醒并恢复意识可以与家人进行沟通交流。 Carmat 企业创始人菲利普 普乐提表示： “手术进行地非常顺利，但今后的工作我们还要谨慎对待，毕竟这是首例人工心脏移植手术，任何意外都有可能在不经意间发生。 ”据悉，此次世界范围内首例人工心脏移植手术是在法国巴黎的蓬皮杜欧洲医院内进行，主刀医师为克里斯蒂安 拉德雷姆利尔博士及丹尼尔 杜福博士。 1 世界首个完整人工心脏移植手术成功 2001-
22、07-04 这具人工心脏是由钛金属和 塑胶 制造，称为 AbioCor， 2001 年 1 月才获得有关当局批准使用。研发这个人工心脏的麻省 Abiomed 公司表示，人工心脏可以将病人的生命延长 60 天至 5 年。公司希望这个由电池操作的仪器每年能为 10 万名美国人带来新生。这种新的人工心脏同以往在 80 年代研发的人工心脏比较，优点是它降低了感染的危险性。不过，这种人工心脏只批准在 “末期 ”的心脏病病人身上使用，这些病人一般上只剩下 30 天的 寿命 。美国医生为病人植入世界第一个完整的人工心脏，为医学界再创新突破。这是首个不需要通过管线与外部电源连接的人工心脏。这起世界首例的手术星
23、期一在美国 肯塔基州 路易斯市的犹太医院进行，医院发布的声明没有说明病人的身份。这起手术历时 7 个小时，医生为病人植入人工心脏后，病人正 “舒适地休息 “。 据外媒报道，世 界上第一个没有心脏、仅靠 “人工心脏 ”生活的 37 岁捷克男子 雅各布 哈力克(Jakub Halik)去世。他靠人工心脏活了 6 个月，不久因肝肾功能衰竭去世。 3 美国科学家发明无心跳人工心脏 已完成试验 叶片式血泵 据美国媒体 2011 年 6 月 16 报道，美国科学家发明了一种没有心跳的人工心脏。德克萨斯心脏研究所的医生已经对其进行了测 试。这种新型人工心脏利用旋转涡轮机使血液保持流动，而不需要再模仿心脏的跳
24、动来向身体提供连续的血液。 发明者 Billy Cohn 和 Bud Frazier 称，这种人工心脏已经在动物身上进行测试并完成了一个成功的试验，没有出现不良影响。研究所动物研究实验室里一头 8 个月大的小牛是首批接受该心脏移植的受体之一。两位发明者第三代人工心脏说： “如果你用听诊器听它的胸部，不会听到心跳；如果你检查它的动脉，也不会有脉搏；你给它做心电图的话，只会看见一条平线。 ”4 中国第三代 “人工心脏 ”获重大突破 2013 年 05 月 13 日 由中国运载火箭技术研究院第十八研究所工学团队和泰达国际心血管病医院医学团队合作，成功研制出中国第一个可植入的、第三代心室辅助装置 磁液
25、双悬浮血泵。到 5 月 13 日，试验羊 “天久 ”已经在泰心医院动物实验中心健康存活 61 天，创下了国内植入第三代心室辅助装置的最长存活纪录，中国第三代心室辅助装置研制取得重大突破。 研究团队开创性地将航天伺服技术领域的磁悬浮和动压轴承技术应用于离心血泵，使转子在血液中悬浮旋转，具有完全自主知识产权，达到了国际先进水平，填补了国内空白，共申请了 10 项专利。 泰达国际心血管病医院院长 刘晓程介绍， 慢性心力衰竭 已日益成为心血管病中最常见、危害最大的疾病之一，是诸多类型心血管疾病殊途同归的终末期表现。中国截止 2013 年心衰患者有 1600 多万。对于终末期心衰，传统治疗转归差，中远期
26、死亡率高，除循环辅助和 心脏移植 外，无其他奏效的疗法。 但由于心脏供体匮乏，远远无法满足患者需求，大量心脏病人在等待心脏移植中死亡。终末期心衰的治疗和护理耗费了大量的资源，已成为全球性社会医疗卫生难题。 心室辅助装置是全世界公认的各类终末期心衰的最有效治疗方法。从上世界 60 年代第一代气动血泵、第二代轴流血泵发展到今天的第三代悬浮血泵，经历了几代科学家艰辛的研究历程。 中国上世纪 80 年代初开始进行心室辅助装置的研究，虽经几代人的努力，与国外相比仍有较大差距，至今尚无商品化的国产心脏辅助装置供临床应用。国外虽有商品化的心室辅助装置，但一套装置价格高达 50 万元 100 万元人民币，令国
27、内病人望 “泵 ”兴叹。因此，研制出性能优良、价格低廉的第三代国产心室辅助装置成为当务之急。 2009 年 3 月，研发团队确定了磁液双悬浮、泵机一体化、电控双冗余的总体技术方案，研制出体积小、质量轻、温升低、方便植入体内的血泵。 针对血泵最难突破的血液相容性和组织相容性问题，研发团队经过艰难攻关，于 2012 年 6月取得突破，在泰心医院动物实验中心的体外溶血测试结果显示，血泵溶血指标达到国内领先、国际先进水平。 2012 年 7 月，他们在泰心医院进行动物实验，在半年时间内，经过诸多改进创新，共完成了 17 次动 物实验。研发团队于 2013 年 3 月 14 日为取名 “天久 ”的绵羊植
28、入血泵，成功地进行了第 18 次实验。 “天久 ”术后各项生理指标均正常，至今已健康存活 61 天，在国内首次实现携带电池与控制器自由活动，达到了血泵临床植入的模拟状态。 5 同心第三代 “人工心脏 ” 同心 同心 “人工心脏 ”羊实验 第三代 “人工心脏 ”直径像一颗蛋黄那么大，厚度不及两个指节，就像个小电机，还连着两根管子和一根线 这个其貌不扬的金属件，无论如何也不能跟心脏联系起来，更无法想像这是目前世界上最小的磁 悬浮离心式人工心脏。 “我们把这颗最小的人工心脏命名为 CHVAD，意思是新式辅助装置的中国心。 2013 年4 月我们完成了首批 30 天动物实验， 2013 年底前就要进行
29、第二批 90 天动物实验了。 ”即使摘下了行业桂冠，但陈琛博士，这位海外归国的 “千人计划 ”入选者，依然用最平静的表情和最平淡的语气描述着。 对此，陈琛说： “人工心脏虽然在中国国内是空白，但在美国已经有几十年的临床应用，包括美国前副总统切尼都选择植入人工心脏。我们的 CHVAD用在羊身上，手术后半个多小时，羊就自己站起来了，术后 30 多天还活蹦乱跳的 呢。 ” 同心公司自 2008 年成立以来，独创 “微小型完全磁悬浮离心式人工心脏 ”技术概念，完成了包括基础专利在内的一系列技术创新，并被科技部慧眼识中，先后牵头承担了科技部国际合作与交流专项、 “十一五 ”国家 863 计划重点项目、 “十二五 ”国家 863 计划主题项目独立子课题等国家级科技计划项目。 同心公司已研制成具有从源头创新的自主知识产权、基于完全磁悬浮技术的当今最新一代人工心脏的原型样机。样机在动物试验中表现出的防凝血性能，达到目前国际上各类人工心脏动物试验的最好级别。同时，显著缩小了尺寸，实现了可以植入胸腔的目标 。 1
