人工器官探秘

1、序號(hào)： 成績： 論文題目：論人工心臟之未來 課程名稱：人工器官探秘 課程代碼：0000ZRTX04-201 延邊大學(xué) 醫(yī)學(xué)院 15麻醉 姓名：高相茸 2016年 7月18日 論人工心臟之未來 延邊大學(xué)醫(yī)學(xué)院15級(jí)麻醉專業(yè) 高相茸摘要 人工心臟是利用機(jī)械的方法把血液輸送到全身各器官以代替心臟的功能。人工心臟可分為輔助人工心臟（VAD）和完全人工心臟（TAH）。人工心臟是科學(xué)家為了挽救越來越多的心臟病患者的生命而研制出來的一種人造器官。關(guān)鍵詞 人工心臟 輔助人工心臟 完全人工心臟 心臟病是人類死亡的第二大殺手。在人體心臟因病損而部分或完全喪失功能而不能維持全身正常循環(huán)時(shí)可移植一種用人工材料制造的機(jī)

2、械裝置以暫時(shí)或永久地部分或完全代替心臟功能、推動(dòng)血液循環(huán)，這種裝置即人工心臟。人工心臟是在解剖學(xué)、生理學(xué)上代替人體因重癥喪失功能不可修復(fù)的自然心臟的一種人工臟器。人工心臟起搏器實(shí)際上是人工制成的一種精密儀器。它能按一定形式的人工脈沖電流刺激心臟，使心臟產(chǎn)生有節(jié)律地收縮，不斷泵出血液以供應(yīng)人體的需要。人工心臟基本上是由血泵、驅(qū)動(dòng)裝置、監(jiān)控系統(tǒng)、能源四個(gè)部分構(gòu)成。人工心臟血泵有多種形式，但從原理結(jié)構(gòu)上大體分為膜式血泵、囊型血泵、管型血泵、螺形血泵等五種。目前制成血泵常用以下幾種材料：硅橡膠、甲基硅橡膠、嵌段硅橡膠、聚氨酯、聚氯乙烯、復(fù)合材料等。人工心臟瓣膜是控制人工心臟血液的單向閥，人工心臟功能的

3、好壞與瓣膜構(gòu)造有密切關(guān)系。早期階段用球瓣，現(xiàn)在常用的為碟瓣以及生物瓣。人工心臟驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是供給人工心臟血泵工作的功能。形式多樣，大致可分為機(jī)械、電動(dòng)、磁力、氣壓、液壓五種形式。人工心臟監(jiān)控系統(tǒng)是用于監(jiān)控人工心臟工作狀態(tài)，使之適應(yīng)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物循環(huán)生理的需要，是保障人工心臟置入實(shí)驗(yàn)動(dòng)物長期存活的重要條件。人工心臟依靠外加能源工作以推動(dòng)血液循環(huán)。既能滿足功率要求，并使之微型化做到全置入體內(nèi)，長期達(dá)數(shù)年使用的能源，目前尚未完全解決。輔助人工心臟有左心室輔助、右心室輔助和雙心室輔助，以輔助時(shí)間的長短又分為一時(shí)性輔助及永久性輔助兩種。完全人工心臟包括一時(shí)性完全人工心臟、以輔助等待心臟移植及永久性完全人工心臟。人

4、工心臟移植為一種治療心衰的手段，是心臟移植術(shù)有效的替代方案。羅伯特·圖爾斯，全球第一位全內(nèi)置式人工心臟移植患者，在移植手術(shù)后近5個(gè)月于11月30日在美國肯塔基周路易斯維爾大學(xué)附屬的猶太醫(yī)院去世，享年59歲。在心臟移植手術(shù)之前圖爾斯先生已是心臟病晚期，幾乎臥床不起。病后的他與病前相比整整瘦掉了50磅，骨瘦如柴，甚至連抬頭的氣力也沒有。嚴(yán)重的心臟病留下的廣泛性疤痕組織使得他的兩個(gè)心室?guī)捉c瘓，肺部也充滿了積水。心臟的工作原理：人的心臟大小大約如本人的拳頭，外形像桃子，有左心房、左心室、右心房、右心室四個(gè)腔，位于橫膈之上，兩肺之間而偏左，主要由心肌構(gòu)成。心臟四個(gè)腔中，心壁最厚的是左心室，因

5、為左心室收縮，把血液輸送到全身各器官，距離遠(yuǎn)，需要的動(dòng)力大；在心臟的四個(gè)腔中，左心流的是動(dòng)脈血，右心流的是靜脈血。左心房連通肺靜脈，右心房連通上下腔靜脈，左心室連通主動(dòng)脈，右心室連通肺動(dòng)脈。血液在心臟和全部血管組成的管道中進(jìn)行的循環(huán)流動(dòng)叫做血液循環(huán)，根據(jù)循環(huán)途徑的不同將血液循環(huán)分為體循環(huán)和肺循環(huán)兩部分。體循環(huán)是指血液由左心室進(jìn)入主動(dòng)脈，再流經(jīng)全身的各級(jí)動(dòng)脈、毛細(xì)血管網(wǎng)、各級(jí)靜脈，最后匯集到上、下腔靜脈，流回右心房的循環(huán)，在體循環(huán)中，血液由動(dòng)脈血變成靜脈血。肺循環(huán)是指血液由右心室流入肺動(dòng)脈，流經(jīng)肺部的毛細(xì)血管網(wǎng)，再由肺靜脈流回左心房的循環(huán)，經(jīng)過肺循環(huán)，血液由靜脈血變成了動(dòng)脈血。心臟的作用是推動(dòng)血

6、液流動(dòng)，向器官、組織提供充足的血流量，以供應(yīng)氧和各種營養(yǎng)物質(zhì)，并帶走代謝的終產(chǎn)物（如二氧化碳、尿素和尿酸等），使細(xì)胞維持正常的代謝和功能。此外，體溫相對恒定的調(diào)節(jié)，也都要依賴血液在血管內(nèi)不斷循環(huán)流動(dòng)，而血液的循環(huán)是由于心臟“泵”的作用實(shí)現(xiàn)的。在生命過程中，正常心臟始終是有節(jié)奏、有規(guī)律性跳動(dòng)，一般成年人每分鐘心跳約60-80次，平均為75次。兒童的心率比較快，9個(gè)月以內(nèi)的嬰兒心律每分鐘可達(dá)140次左右。心臟好比人體內(nèi)部的引擎，驅(qū)動(dòng)人體的各個(gè)部分正常運(yùn)轉(zhuǎn)。從本質(zhì)上而言，心臟是一種通過肺臟和機(jī)體維持供氧和血液循環(huán)的肌肉泵。一天之中，人的心臟要壓送約7570升的血液。血液在心臟中是按單方向流動(dòng)，由左、

7、右心房流向左、右心室；由左、右心室泵入主動(dòng)脈和肺動(dòng)脈，這樣形成了心臟內(nèi)血液的定向循環(huán)，通過各級(jí)動(dòng)脈分布至全身。人體各器官的正常生理活動(dòng)需要心臟供給足夠的血液，而心臟的正常工作需要冠狀動(dòng)脈提供足夠的血液，當(dāng)冠狀動(dòng)脈無法滿足時(shí)，心肌細(xì)胞因缺氧而凋亡，患者因此出現(xiàn)心悸、胸痛、胸悶、呼吸困難等癥狀。 人工心臟的研制經(jīng)過材料與血泵能源與驅(qū)動(dòng)監(jiān)測與控制三個(gè)階段完成制作。材料應(yīng)具有優(yōu)良的生物性能，即組織相容性、血液相容性、生物老化；優(yōu)良的物理化學(xué)性能，即表面性能、力學(xué)性能。常用材料有硅橡膠、天然橡膠、丁苯橡膠、乙丙橡膠、嵌段聚氨酯。目前將隔膜改進(jìn)為多層結(jié)構(gòu)接觸血液面強(qiáng)調(diào)抗血栓和血液沖刷時(shí)的物理化學(xué)穩(wěn)定性和良

8、好柔順性，其它層面強(qiáng)調(diào)抗疲勞和機(jī)械運(yùn)動(dòng)功能。血泵是人工心臟的主要部件，部分人工心臟含一個(gè)血泵，全人工心臟含兩個(gè)血泵。分為滾壓泵、離心泵、氣壓泵。血泵的外形呈半圓形、橢圓形、鐘罩形、管形。血泵內(nèi)腔以隔膜分成血腔、傳動(dòng)腔。血泵博動(dòng)一次，完成一個(gè)人工心臟的舒縮周期。能源應(yīng)有可靠來源，有足夠功率，易于補(bǔ)充或更換，便于攜帶或移動(dòng)，安全無害清潔。主要能源有交流電能、直流電能、核能、生物電能。驅(qū)動(dòng)主要采用壓縮氣體、壓縮液體或推板。驅(qū)動(dòng)裝置有氣體壓縮機(jī)電磁閥驅(qū)動(dòng)裝置、熱發(fā)動(dòng)機(jī)活塞驅(qū)動(dòng)裝置和螺旋管推板驅(qū)動(dòng)裝置。檢測是指檢測單元，包括記錄和報(bào)警感知人體變化信息。檢測單元的主要部件有傳感器（換能器）要求靈敏、真實(shí)、

9、清晰、及時(shí)；處理器對來自傳感器的信息整合處理?？刂剖侵缚刂茊卧?，控制參數(shù)如心率、心輸出量、心動(dòng)周期?？刂品绞椒譃橥?、非同步、閉環(huán)和開環(huán)。控制要求是在任何給定時(shí)刻，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)人工心臟的輸出量，以達(dá)到人體所需水平，同時(shí)使血流動(dòng)力學(xué)狀態(tài)維持在人體可以接受的生理限度之內(nèi)。1最新的微型血泵還可植入主動(dòng)脈內(nèi)，通過促進(jìn)局部血流而達(dá)到輔助整體循環(huán)的效果。 要想制成像自然心臟那樣精確的組織結(jié)構(gòu)、完全模擬其功能的人工心臟是極不容易的，需要醫(yī)學(xué)、生物物理學(xué)、工程學(xué)、電子學(xué)等多學(xué)科的綜合應(yīng)用及相當(dāng)長時(shí)期的研究。世界上雖已進(jìn)行了幾例完全人工心臟臨床應(yīng)用，但目前人工心臟仍處于動(dòng)物試驗(yàn)為主的研究階段。但已有的臨床應(yīng)用表明，

10、完全人工心臟能代替自然心臟功能，用其較長維持循環(huán)是可行的，其前景是樂觀的。近年來，由于材料加工、血泵結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)、監(jiān)測控制、手術(shù)操作和術(shù)后監(jiān)護(hù)等一系列技術(shù)的改進(jìn)和發(fā)展，人工心臟的耐久性和生物相容性都明顯提高，使用時(shí)間也相應(yīng)延長，其臨床運(yùn)用得到了進(jìn)一步開展，也使心臟長期移植成為可能。2植入式人工心臟泵要求體積小、質(zhì)量輕、功耗低，為了滿足這些要求，需要研究磁懸浮人工心臟泵的軸承特性。3因此采用無位置傳感器反電勢檢測方法。人們希望人工心臟為高效率、小型化，達(dá)到全植入體內(nèi)或隨人體活動(dòng)保持較長時(shí)間的正常可靠運(yùn)轉(zhuǎn)，改善病人的生活質(zhì)量，使病人恢復(fù)到正常生活，甚至能夠離開醫(yī)院回到家中。因此，對人工心臟的測量

11、控制技術(shù)也提出了更高的要求，其也已成為制約患者生存率的主要因素。心臟每時(shí)每刻都在接受人體的各種信息，并通過一系列調(diào)節(jié)機(jī)制機(jī)理自動(dòng)地調(diào)節(jié)其功能，以適應(yīng)人體的變化。人工心臟的控制應(yīng)能模擬自然心臟的工作方式，使人工心臟的工作更加符合血液動(dòng)力學(xué)和血液流變學(xué)原理，提高病人的生活質(zhì)量。從臨床或動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的情況來看，目前完全模擬自然心臟的作用和功能是很困難的。在自然心臟中，心肌的每次收縮都需要電刺激，心電信號(hào)從竇房結(jié)沿結(jié)間束、希氏束等以輻射狀傳遍心房和心室，因此需要在控制中加入心電信號(hào)。通常又將這種控制方法分為：與自然心臟的收縮和舒張期同步或非同步兩種。在同步方式時(shí)，血泵和自然心臟在舒張期時(shí)同時(shí)充注，在收縮期

12、同時(shí)排空;而在非同步方式，血泵可在心動(dòng)周期的任何時(shí)段泵血。Ohuchi K.等提出了應(yīng)用心率的控制方法。丁以群等通過主動(dòng)脈瓣膜關(guān)閉時(shí)間與QRS峰值點(diǎn)的關(guān)系，擬合同步左心輔助時(shí)的觸發(fā)延遲時(shí)間，利用心電控制人工心臟工作。人工心臟中的壓力傳感器、流量傳感器等可以直接測量心血管生理變量，但通常是入侵式的，易引起血栓，不適宜在人體長期使用?，F(xiàn)在，利用人體的神經(jīng)信號(hào)比如迷走神經(jīng)和交感神經(jīng)來控制人工心臟系統(tǒng)也在研究中。此外，人工心臟工作的溫升也是一個(gè)影響裝置安全性的重要參數(shù)，需要監(jiān)測和控制。對長期移植來說，為了達(dá)到自動(dòng)工作及可靠性的提高，器件的控制系統(tǒng)必須工作在閉環(huán)控制方式，通過多個(gè)生理參數(shù)來監(jiān)測人工心臟的

13、工作狀態(tài)、硬件的工作是否正常、監(jiān)測參數(shù)變化是否在允許的范圍區(qū)間、變化率是否合理、控制者發(fā)出的指令是否合適等，并利用簡單可靠的算法及時(shí)自適應(yīng)調(diào)整人工心臟的運(yùn)轉(zhuǎn)，滿足病人對人工心臟的要求。預(yù)計(jì)將來可以將人工心臟與集成電路芯片結(jié)合起來，能量傳輸也將通過可植入無線網(wǎng)絡(luò)傳輸、并通過生物傳感器根據(jù)更多血流動(dòng)力學(xué)指征根據(jù)自體適時(shí)需要控制人工心臟的運(yùn)轉(zhuǎn)。還有望研制具有感知功能的人工心臟，實(shí)現(xiàn)血泵的有效控制。此外，還可以通過網(wǎng)絡(luò)，建立生物信息遙測系統(tǒng)，遠(yuǎn)程監(jiān)測人工心臟的工作，基于測量數(shù)據(jù)、病人的以往及現(xiàn)在的身體狀況，決定血泵的工作狀態(tài)。隨著人工心臟向智能化、微型化、耐用性強(qiáng)及人性化的方向發(fā)展，將來有可能實(shí)現(xiàn)真正

14、意義上的長期、永久植入的人工心臟。心臟移植是治療終末期心臟病人的有效方法，但由于心臟供體的缺乏，使許多患者在等待供體的過程中死亡。因此，人工心臟是目前解決心臟移植供心來源不足的一種很有前景的方法，其研究日益引起人們的興趣和關(guān)注，在挽救危重病人、為心臟移植爭取時(shí)間方面以及幫助嚴(yán)重心衰的患者渡過危險(xiǎn)期至心臟功能恢復(fù)都起到了越來越重要的作用。人類的心臟是具有精確控制作用的精致器官，雖然其生理機(jī)能目前還不完全清楚，但作為臨時(shí)取代心臟功能的人工心臟已可以在許多醫(yī)院中看到，并大量使用。但完全人工心臟仍在研究階段，未來的人工心臟將驅(qū)動(dòng)裝置小型化并植入人體。在美國，每年等待心臟移植的病人超過50000，而實(shí)際接受心臟移植的僅2000人。在中國每年有1000萬心臟衰竭的患者，其中，200-300萬人因心衰而死亡。人工心臟的研究從一開始便面臨著許多挑戰(zhàn)，盡管目前還不能完全模擬自然心臟的作用和功能，但不同領(lǐng)域的研究人員都在從各自的領(lǐng)域推動(dòng)者人工心臟的發(fā)展。隨