直接心室輔助致動(dòng)方法的現(xiàn)狀與發(fā)展(

1、直接心室輔助致動(dòng)方法的現(xiàn)狀與發(fā)展楊明1 臧旺福21， 上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院儀器系 （上海200240）2， 上海交通大學(xué)附屬瑞金醫(yī)院心胸外科（上海200025）【摘要】直接心室輔助通過(guò)在心臟外側(cè)柔性擠壓心臟，幫助虛弱的心臟恢復(fù)功能。它能夠避免人工器件與血液接觸引發(fā)的血栓、血感染等問(wèn)題，是人工心臟輔助器件研究與開(kāi)發(fā)的重要領(lǐng)域之一。直接心室輔助的致動(dòng)器，決定了器件的結(jié)構(gòu)、形狀、及其性能，是整個(gè)輔助器件關(guān)鍵中的關(guān)鍵，致動(dòng)器上的任何突破有可能對(duì)直接心室輔助器件產(chǎn)生革命性影響。因此，本文從致動(dòng)原理的角度，分析、探討了直接心室輔助的致動(dòng)方法及其存在問(wèn)題，這對(duì)探索與開(kāi)發(fā)滿(mǎn)足要求的下一代直接心室

2、輔助致動(dòng)器有一定的幫助作用。關(guān)鍵詞：人工【關(guān)鍵詞】心臟； 直接心室輔助；致動(dòng)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： 心臟病是當(dāng)今世界威脅人類(lèi)生命健康的重

6、大疾病之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)現(xiàn)有各類(lèi)心臟病患者約三億七千萬(wàn)人，每年還要新增病人約三百萬(wàn)人，每年有將近一百萬(wàn)人死于心臟病1，2。在英國(guó)，每天有七百多人心臟病發(fā)作，每年死于心臟病的人數(shù)占總的死亡數(shù)的41% 3。冠心病、高血壓、及心肌病等心血管疾病發(fā)展的晚期常常導(dǎo)致心肌功能下降和充血性心力衰竭。許多心衰患者晚期異常痛苦，生活質(zhì)量下降，存活時(shí)間縮短。對(duì)這種終末期的心衰，內(nèi)科治療只能減輕癥狀，并不能延長(zhǎng)患者的生命。目前看來(lái)，心臟移植是治療晚期心衰患者一個(gè)較為成功的技術(shù)，但對(duì)心臟移植的需求遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于器官的供給。在美國(guó)每年等待心臟移植的患者超過(guò)五萬(wàn)，而實(shí)際接受心臟移植的僅僅二千人4。這種需求使得人工心臟輔助或替代

7、器件的研究與開(kāi)發(fā)，成為終晚期心臟病治療研究的重點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)人工心臟器件的方法可以分為與血接觸和與血非接觸兩類(lèi)5。與血接觸的人工心臟器件，如全人工心臟和左心房輔助器件等，將心臟視為一個(gè)血泵，用機(jī)械泵來(lái)替換部分或全部的心臟功能，以達(dá)到治療晚期心衰患者的目的。目前世界上幾個(gè)主要最接近成功研究永久性人工心臟的機(jī)構(gòu)是美國(guó)的Pennsylvania State University, The Texas Heart Institute等。目前國(guó)內(nèi)在人工心臟臨床應(yīng)用，動(dòng)力學(xué)特性仿真研究, 器件的研究與開(kāi)發(fā)等方面也進(jìn)行了卓有成效的工作6-8。但無(wú)論在國(guó)內(nèi)、國(guó)外，血與人工器件接觸引起的血栓、血感染等生物兼容性問(wèn)題，

8、對(duì)全人工心臟等的長(zhǎng)期使用仍然是一個(gè)限制6-10，到目前為止尚未有解決方法的報(bào)道。第二種方法采用與血非接觸的心臟輔助器件，是直接裹在患者心臟的外表面柔性擠壓，幫助心臟恢復(fù)功能的下一代人工心臟器件，稱(chēng)為直接機(jī)械心臟輔助，目的在于避免現(xiàn)有人工心臟器件的生物兼容性問(wèn)題。這種與血非接觸人工心臟輔助器件不用摘除患者原有的心臟。在患者心臟功能得到恢復(fù)后，可去掉人工心臟輔助器件。一個(gè)人所共知的直接心室輔助方法是將骨骼肌纏繞在心臟的外表面10-12。當(dāng)骨骼肌在電信號(hào)的激勵(lì)下，收縮擠壓心室，幫助心臟提供血液供應(yīng)全身。這種方法顯示出部分的成功，在于心臟的功能得到提高，但不幸的是，骨骼肌快速疲勞限制這種方法的進(jìn)一步發(fā)

9、展。于是人們轉(zhuǎn)向了機(jī)械動(dòng)作式直接心室輔助器件的研究與開(kāi)發(fā)。2. 開(kāi)發(fā)中的流體致動(dòng)直接心室輔助器件由于氣體致動(dòng)可以輸出足夠的壓力，并具有一定的柔性，而且技術(shù)較為成熟,目前開(kāi)發(fā)中的直接人工心室輔助器件，多為氣體致動(dòng)。這些器件通常由致動(dòng)器、傳感器、數(shù)字控制器、心臟套等組成。一個(gè)由Cardio Technologies Inc., Pine Brook, NJ 研制的氣動(dòng)直接心室輔助器件是由一個(gè)心臟套及其一些可充氣的氣囊組成10， 如圖1所示。心臟套包裹在心臟的外表面。在氣囊充氣時(shí)，心室壁受到擠壓，從心室中擠出血液；在氣囊放氣時(shí)，血液流回到心室。擠壓力是由空氣泵所產(chǎn)生，由一個(gè)計(jì)算機(jī)根據(jù)心臟表面的精細(xì)電

10、極提供的心電信號(hào)控制氣體的擠壓量、頻率、持續(xù)時(shí)間。據(jù)活體試驗(yàn)報(bào)道，應(yīng)用氣動(dòng)的直接心室輔助器件，心臟可以恢復(fù)其60%的功能，心臟的收縮壓力得到提高，心室輸出流量顯著增加。類(lèi)似的液壓驅(qū)動(dòng)的研究也有報(bào)道，但沒(méi)有看到活體試驗(yàn)報(bào)道的數(shù)據(jù)。這類(lèi)由流體驅(qū)動(dòng)的直接心室輔助器件長(zhǎng)期循環(huán)使用時(shí)，主要有以下幾個(gè)重要的問(wèn)題。圖1. 氣動(dòng)直接心室輔助器件示意圖Fig.1 Sketch drawing of air driving direct cardiac assist devicel 這種動(dòng)作器笨重、容易泄漏，病人被限制在泵源的附近，而且輸送流體的管路經(jīng)過(guò)人體皮膚，容易引起感染。l 這些流體加壓是均勻的加載在心室上

11、。這可能造成心臟某些部位的損傷，這是因?yàn)樵谑湛s和舒張的過(guò)程中，各個(gè)部位的運(yùn)動(dòng)大小、時(shí)間的前后都有差異。均勻、同時(shí)的加載勢(shì)必會(huì)造成一部分部位壓力不夠，一部分過(guò)載。更為 重要的是，均勻加載有可能破壞心肌本身的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。3. 下一代直接心室輔助器件動(dòng)作技術(shù)由于氣動(dòng)或液體致動(dòng)的輔助器件需要經(jīng)皮管路通過(guò)人體皮膚等問(wèn)題，嚴(yán)重地影響著患者的生存質(zhì)量，人們迫切需要研究與開(kāi)發(fā)一種能夠完全植入人體的動(dòng)作器件。這樣患者可以離開(kāi)醫(yī)院，長(zhǎng)期使用，使得心臟移植，也許就不再需要。因此，人們也在探索基于不同致動(dòng)方法的直接心室輔助器件，下面介紹幾種公開(kāi)報(bào)道的直接心室輔助器件。電致動(dòng)聚合物（IPMC）驅(qū)動(dòng)IPMC，離子聚合金屬合

12、成物（ionic polymer metal composite ），是一種新型的智能材料，易于加工，可以制作成大位移，低驅(qū)動(dòng)電壓（5V）的動(dòng)作器13，14。這種動(dòng)作器的基本機(jī)理是當(dāng)電壓加在IPMC的電極上，在IPMC合成物的隔膜上就有電壓形成。鈉離子在靜電力的作用下從正極移向負(fù)極。當(dāng)合成物與水結(jié)合，水隨著離子運(yùn)動(dòng)，造成隔膜一面收縮，另一面膨脹，于是隔膜彎曲。當(dāng)改變電壓的極性時(shí)，隔膜向相反方向彎曲。圖2為由IPMC電致動(dòng)聚合物構(gòu)成手指形的直接人工心室輔助器件13。圖2中象睫毛一樣的IPMC電致動(dòng)聚合物構(gòu)成壓力傳感器，監(jiān)測(cè)IPMC電致動(dòng)聚合物輔助器件對(duì)心臟外表面的壓力。附著在IPMC電致動(dòng)聚合物

13、外表面的水，一方面為IPMC電致動(dòng)聚合物提供合適的工作條件，同時(shí)也使IPMC電致動(dòng)聚合物產(chǎn)生的壓力柔性化，避免IPMC器件可能對(duì)心臟肌肉的損傷。IPMC電致動(dòng)聚合物只需要5V的電壓即可驅(qū)動(dòng)，因此采用電池驅(qū)動(dòng)，易于植入人體。但是這類(lèi)IPMC驅(qū)動(dòng)的直接心室輔助器件產(chǎn)生的壓力較?。?.4mmHg），在目前的條件下，如果沒(méi)有新的技術(shù)突破，還不能達(dá)到應(yīng)用的要求。導(dǎo)線(xiàn)控制電路心臟基于IPMC的壓力傳感器IPMCIPMC水圖2、美國(guó)新墨西哥大學(xué)Mohsen Shahinpoor等研制的基于IPMC直接心室輔助器件Fig.2, direct cardiac assist device developed by

14、 Mohsen Shahinpoor at University of New Mexico, USA 形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)形狀記憶合金是指具有一定初始形狀的合金在低溫下經(jīng)塑性形變并固定成另一種形狀后，通過(guò)加熱到某一臨界溫度以上又可恢復(fù)成初始形狀的一類(lèi)合金。形狀記憶合金具有的能夠記住其原始形狀的功能稱(chēng)為形狀記憶效應(yīng)。形狀記憶合金變形量大，如果加熱足夠快，變形速度也快。但是由于冷卻速度較慢，單獨(dú)使用形狀記憶合金作為直接心室輔助的致動(dòng)器是困難的。我們知道，珀耳帖元件在通電時(shí)可以形成熱能的運(yùn)動(dòng)，換句話(huà)說(shuō)，珀耳帖元件在通電時(shí)，一端加熱，一端致冷。日本Tohoku大學(xué)Shigenao Maruyama等人將

15、形狀記憶合金和珀耳帖元件（Peltier elements）結(jié)合在一起制成右心室輔助器件15，如圖3所示。器件將被固定在右心室表面。當(dāng)給形狀記憶合金加電時(shí)，形狀記憶合金發(fā)生變性，協(xié)助右心室收縮；當(dāng)心臟舒張時(shí)，給珀耳帖元件加電，使形狀記憶合金致冷，形狀記憶合金勻速恢復(fù)到初始狀態(tài)。所以選擇右心室輔助，是因?yàn)樾螤钣洃浐辖鹂梢援a(chǎn)生大的變形，但輸出力矩較小，而右心室輔助壓縮的力較左心室小。進(jìn)一步開(kāi)發(fā)形狀記憶合金在直接心室輔助中的應(yīng)用要克服溫度問(wèn)題。這是因?yàn)槿梭w胸腔中溫度基本恒定，而一般的形狀記憶合金需要快速升溫和降溫（相變溫度遠(yuǎn)大于人體體溫），這需要研究于開(kāi)發(fā)出相變溫度范圍較小且接近人體體溫的形狀記憶合

16、金。因此，尋找合適形狀記憶合金將是該研究的一個(gè)重點(diǎn)。另外，由于形狀記憶合金在相變溫度附近有嚴(yán)重的滯后現(xiàn)象，在控制技術(shù)也有許多問(wèn)題需要克服。圖4、 英國(guó)LEEDS大學(xué) B. M. Hanson等人設(shè)計(jì)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)直接人工心臟輔助概念圖Fig.4 Sketch drawing of direct cardiac assist device driven by electro magnetic motors designed by Ben Hanson at University of Leeds, UK 圖3、 日本 Tohoku大學(xué) T.Yambe等人研制的在塑料心臟模型上珀耳帖元件和形狀記憶合金

17、構(gòu)成的人工心臟肌肉輔助器件Fig.3, Artificial heart muscle device based on Peltier elements and Shape Memory Alloys developed by T. Yambe at Tohoku University in Japan 電磁式電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電磁式電動(dòng)機(jī)是一類(lèi)得到充分發(fā)展和相當(dāng)成熟的動(dòng)作器，在與血接觸的人工心臟器件中得到廣泛的應(yīng)用8。采用微小的直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)直接人工心室輔助相對(duì)于氣動(dòng)輔助來(lái)說(shuō)，電機(jī)的輸出力和位置容易控制。更重要的是電機(jī)易于用可植入的電池供電， 因此有長(zhǎng)期可植入的潛能。圖4為L(zhǎng)eeds 大學(xué)Ben.H

18、anson等人利用電磁式直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的直接人工心室輔助的示意圖 5。采用心臟起搏器使輔助器件和心臟本身的收縮、舒張同步。當(dāng)控制電機(jī)使柔性帶收縮時(shí)，輔助器件擠壓心臟，幫助心臟泵出更多的血液；當(dāng)心臟舒張時(shí)，控制電機(jī)放松柔性帶，使血液回流到心臟。電磁式電動(dòng)機(jī)在直接心室輔助應(yīng)用時(shí)的主要問(wèn)題首先是，其圓柱形及尺寸和直接心室輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難于滿(mǎn)足心臟和胸腔之間的空間要求；其次，在體積縮小時(shí)，電機(jī)的能量密度急劇降低和較軟的機(jī)械特性，使其無(wú)法同時(shí)滿(mǎn)足直接心室輔助對(duì)輸出力和輸出速度的要求。最后，電磁式電動(dòng)機(jī)工作時(shí)，速度高、力矩小。應(yīng)用于直接心室輔助時(shí)，需要減速器，降低速度，提高力矩。這增加了重量，減小了可靠性，增

19、加了噪音。如果不用減速器等，在直接心室輔助應(yīng)用中，電機(jī)工作電流過(guò)大，這會(huì)嚴(yán)重影響電機(jī)的工作壽命。 因此，電磁式電動(dòng)機(jī)在直接心室輔助的發(fā)展前景并不是很樂(lè)觀。超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)超聲電機(jī)是近20年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型電機(jī), 不同于傳統(tǒng)的電磁式電機(jī), 它利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)激發(fā)超聲振動(dòng), 借助彈性體諧振放大振動(dòng)幅度, 通過(guò)摩擦耦合產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)或直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。其顯著特點(diǎn)是低轉(zhuǎn)速、大力矩、可用來(lái)直接驅(qū)動(dòng), 而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、電磁兼容性好（易于和核磁共振圖像兼容）、寧?kù)o運(yùn)轉(zhuǎn)、響應(yīng)速度快、易于微型化和結(jié)構(gòu)多樣化，而且其平均無(wú)故障工作時(shí)間已從早期數(shù)千小時(shí)到現(xiàn)在的2萬(wàn)小時(shí)。這些特點(diǎn)使超聲電機(jī)成為直接心室輔助器件中很有前途的動(dòng)作

20、器之一16。圖為英國(guó)Leeds 大學(xué)Yang Ming 等人設(shè)計(jì)的超聲電機(jī)動(dòng)作元示意圖。在運(yùn)動(dòng)部件相向運(yùn)動(dòng)時(shí)，直接心室輔助器件放松柔性帶，在運(yùn)動(dòng)部件相互逆向運(yùn)動(dòng)時(shí)，直接心室輔助收緊柔性帶。利用心臟起搏器作為同步信號(hào)，可控制直接心室輔助器件幫助虛弱的心臟泵出更多的血液?；瑝K 滑塊支撐架支撐架圖.5 直接心室輔助超聲電機(jī)動(dòng)作元示意圖 Fig.5 Sketch drawing of actuator elements for cardiac assist device based on ultrasonic motors柔性帶雖然從原理上看，超聲電機(jī)在直接心室輔助應(yīng)用中有一定的潛能，但是有關(guān)這方面的

21、應(yīng)用仍然在研究的早期，還有許多不確定因素有待解決。4. 總結(jié)與技術(shù)展望心臟的跳動(dòng)是人類(lèi)生命的表征。治愈心臟病，尤其是終末期的心臟病一直是人類(lèi)的愿望。這也是上百年以來(lái)，盡管遇到了這樣或那樣的困難，人類(lèi)始終在持之以恒的探索、研究人工心臟及其輔助器件的原因。與血不接觸直接人工心室輔助器件能夠避免與血接觸產(chǎn)生的血栓、血感染等問(wèn)題，是人工心臟研究的一個(gè)重要領(lǐng)域。但是現(xiàn)有的致動(dòng)技術(shù)并不能完全滿(mǎn)足直接心室輔助的要求。目前看來(lái)，氣體或液體致動(dòng)的動(dòng)作技術(shù)較為成熟，但是經(jīng)過(guò)人體皮膚的管路嚴(yán)重影響患者的生存質(zhì)量。電磁式電機(jī)在直接心室輔助的應(yīng)用前景并不被看好。電致動(dòng)聚合物盡管具有許多誘人的特點(diǎn)，但如果技術(shù)上沒(méi)有新的突

22、破，短期內(nèi)難以看到應(yīng)用的可能。形狀記憶合金和珀耳帖元件聯(lián)合使用，使形狀記憶合金在直接心室輔助中的應(yīng)用成為可能，但仍須解決在人體胸腔中密封環(huán)境下的溫度問(wèn)題。超聲電機(jī)從性能指標(biāo)上來(lái)看，尚沒(méi)有發(fā)現(xiàn)原理上的不足，但仍在探索、開(kāi)發(fā)的早期，還有許多不確定因素有待解決。也許最好的致動(dòng)器應(yīng)該是一種生物、化學(xué)類(lèi)的動(dòng)作器。它不僅能模仿心臟的功能，更能模仿心臟的致動(dòng)機(jī)理。也許合適的致動(dòng)機(jī)理并不是一種，它可能是兩種或更多種方法。但是不管怎樣，探索與開(kāi)發(fā)合適的直接心室輔助致動(dòng)方法，仍然是一件艱巨且富有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，還有很多工作要做。參考資料1. 警惕心臟病的藥物的毒副作用, 中國(guó)心臟病康復(fù)網(wǎng)，2. 每年中國(guó)近百萬(wàn)人死于

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