人工心脏的过程原理及其发展

南京工程学院 课题名称 人工心脏的过程原理及其发展 学校名称 南京工程学院 专业名称 成员姓名 学号 指导教师 时间 人工心脏的过程原理及其发展 摘 要 本文简介了人工心脏的起源、发展历史以及现今人工心脏的分类， 简介了主流人工心脏的过程原理，并展望了未来人工心脏的发展方向。 人工心脏是指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。 人工心脏与人类心脏大小相当， 据它的发明者称可 以完全替代人类心脏， 从而挽救数千患有心脏病患者的生命。 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。 引 言 谈到心脏，人们的脑中一定会浮现一个扑通跳动的，充满动力的物 体。心脏就好比一个打气筒，能将血液压到人体的各个部分。通过初中 时期的知识，我们理解到的心脏是两排并排的血泵，一台将缺氧血液经 肺动脉压缩到肺部，另一台将血液经主动脉压到全身。心脏的搏动维持 着动物全身的血液循环，而人类的心脏每天都要搏动十万次。可见心脏 在人类的身体中扮演着重要的角色。 然而，冠心病动脉疾病，高血压以及心肌病常常导致心脏功能下降 和心力衰竭。内科对此类心脏疾病的效果极其有限，在多数情况下，这 些方法仅能减轻症状，而不能从根本上解决问题。人类在外科领域对此 进行了积极而长久的探索，其中心脏移植算是比较成功的技术。然而， 慢性排斥反应，感染以及供体的严重不足等等因素限制了这一技术的广 泛开展。在美国，每年等待心脏移植患者有 5000 以上，而有幸存受移植 的人仅有 2000 左右。由此可以看出自然心脏移植不能满足病人的需求， 寻求新的心脏来源，逐渐成为医学家们的研究的重点，人工心脏应运 而生。 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） 。人工心脏是按解剖学，生理学上代替人体因重症而丧失功能不可 修复的自然心脏的一种人工脏器。在医学临床上，人工心脏起到了很大的 作用。 目 录 一 人工心脏的分类及其过程原理 1.1 心脏的简述 1.2 人工心脏的分类 1.3 人工心脏的过程原理 1.3.1 组成 1.3.2 材料 1.3.3 调节 二 VAD 和 TAH 2.1 VAD 2.1.1 膈膜汞 2.1.2 叶轮汞 2.2 TAH 三 人工心脏的发展历史 3.1 初次的尝试 3.2 艰难的前进 3.3 首次永久性人造心脏移植 3.4 全植入型人造心脏 3.5 人工心脏的发展方向 3.6 人工心脏最新设计 四 结语 五 参考文献 一 人工心脏的分类及其过程原理 1.1 心脏的简述 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。心脏就像引擎一样，如果不小心保护就会损坏，压送 血液的效率就会降低，进而会出现心衰。普通成年人的心脏泵血速度为每分钟 60 到 100 次。心脏的收缩分为两个阶段：1. 第一阶段，左右心房同时收缩，将 血液压送到左右心室。2. 第二阶段，左右心室一起收缩，将血液射出心脏。然 后，心肌将会松弛，以迎接下一次心跳。这样，血液又充满心脏。 1.2 人工心脏的分类 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。 1.3 人工心脏的过程原理 图1.3.1 人工心脏的组成 1.3.1 组成 液压泵——该装置的基本原理与重型设备中使用的液压泵相似，即通过一 种不可压缩的液体将作用于某一点的力传到另一点。泵内的齿轮以每分钟 10,000转的速度快速旋转来产生压力。 液压阀——该阀门不断开合，使工作液体从人造心脏的一侧流到另一侧。 液体流到右侧时， 液压泵通过一个人造心室将血液压送到肺部。 液体流到左侧时， 液压泵将血液压送到人体的其他部位。 无线能量传输系统——也称作经皮能量传输系统（TET） ，该系统包括两个 线圈（一个内置线圈，一个外置线圈） ，用于通过磁力将外置电池中的电能经由 皮肤（不会穿透体表）传输到内置电池。内置线圈接收到电能后将其传输到内置 电池和控制器装置。 内置电池——一个植入患者腹内的可充电电池。当内置电池与主电池断开 连接时，患者可以依靠内置电池进行某些活动（如洗澡） ，持续时间为 30 到 40 分钟。 外置电池——该电池系在患者腰部的尼龙腰带上。每个可充电电池能提供 大约 4 到 5 小时的能量。 控制器——这种小型电子设备植入患者的腹腔内。它的作用是监控心脏的 跳动速度。 1.3.2 材料 图 1.3.2 人工心脏的组成材料 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 人工心脏有较好的应用前途， 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。 1.3.3 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。 二 VAD 和 TAH 2.1 VAD VAD 是利用机械或生物手段部分或全部替代心脏机能的方法， 其研究可以回 溯到体外循环动脉泵开始。在 1895 年，雅各德试制人工心脏泵对机体组织进行 灌流，20 世纪 30 年代，美国的亚历山大.卡雷尔与他助手林德伯格共同研制出 世界第一台 VAD，这是一种体外循环机。1953 年 Gbbons 将体外循环应用于临床 1966 年，Debakey 等人对心脏术后的患者运用 VAD 技术，取得显著成果。70 年 代后，得益于材料科学的进步， VAD 的临床得到进一步的开展。Goiding 等人将 离心泵用于临床，世界各地运用各种辅助性装置开展心脏移植前的过渡辅助， 取得了一定成