直接心室輔助致動方法的現(xiàn)狀與發(fā)展(

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

2、輔助致動器有一定的幫助作用。關鍵詞：人工【關鍵詞】心臟； 直接心室輔助；致動器 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： 心臟病是當今世界威脅人類生命健康的重

6、大疾病之一。據(jù)統(tǒng)計，我國現(xiàn)有各類心臟病患者約三億七千萬人，每年還要新增病人約三百萬人，每年有將近一百萬人死于心臟病1，2。在英國，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，存活時間縮短。對這種終末期的心衰，內(nèi)科治療只能減輕癥狀，并不能延長患者的生命。目前看來，心臟移植是治療晚期心衰患者一個較為成功的技術，但對心臟移植的需求遠遠大于器官的供給。在美國每年等待心臟移植的患者超過五萬，而實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、器件的研究與開發(fā)，成為終晚期心臟病治療研究的重點。實現(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，將心臟視為一個血泵，用機械泵來替換部分或全部的心臟功能，以達到治療晚期心衰患者的目的。目前世界上幾個主要最接近成功研究永久性人工心臟的機構是美國的Pennsylvania State University, The Texas Heart Institute等。目前國內(nèi)在人工心臟臨床應用，動力學特性仿真研究, 器件的研究與開發(fā)等方面也進行了卓有成效的工作6-8。但無論在國內(nèi)、國外，血與人工器件接觸引起的血栓、血感染等生物兼容性問題，

8、對全人工心臟等的長期使用仍然是一個限制6-10，到目前為止尚未有解決方法的報道。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，幫助心臟恢復功能的下一代人工心臟器件，稱為直接機械心臟輔助，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后，可去掉人工心臟輔助器件。一個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。當骨骼肌在電信號的激勵下，收縮擠壓心室，幫助心臟提供血液供應全身。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一步發(fā)

9、展。于是人們轉(zhuǎn)向了機械動作式直接心室輔助器件的研究與開發(fā)。2. 開發(fā)中的流體致動直接心室輔助器件由于氣體致動可以輸出足夠的壓力，并具有一定的柔性，而且技術較為成熟,目前開發(fā)中的直接人工心室輔助器件，多為氣體致動。這些器件通常由致動器、傳感器、數(shù)字控制器、心臟套等組成。一個由Cardio Technologies Inc., Pine Brook, NJ 研制的氣動直接心室輔助器件是由一個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，心室壁受到擠壓，從心室中擠出血液；在氣囊放氣時，血液流回到心室。擠壓力是由空氣泵所產(chǎn)生，由一個計算機根據(jù)心臟表面的精細電

10、極提供的心電信號控制氣體的擠壓量、頻率、持續(xù)時間。據(jù)活體試驗報道，應用氣動的直接心室輔助器件，心臟可以恢復其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。類似的液壓驅(qū)動的研究也有報道，但沒有看到活體試驗報道的數(shù)據(jù)。這類由流體驅(qū)動的直接心室輔助器件長期循環(huán)使用時，主要有以下幾個重要的問題。圖1. 氣動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，這是因為在收縮和舒張的過程中，各個部位的運動大小、時間的前后都有差異。均勻、同時的加載勢必會造成一部分部位壓力不夠，一部分過載。更為 重要的是，均勻加載有可能破壞心肌本身的運動規(guī)律。3. 下一代直接心室輔助器件動作技術由于氣動或液體致動的輔助器件需要經(jīng)皮管路通過人體皮膚等問題，嚴重地影響著患者的生存質(zhì)量，人們迫切需要研究與開發(fā)一種能夠完全植入人體的動作器件。這樣患者可以離開醫(yī)院，長期使用，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方法的直接心室輔助器件，下面介紹幾種公開報道的直接心室輔助器件。電致動聚合物（IPMC）驅(qū)動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)動電壓（5V）的動作器13，14。這種動作器的基本機理是當電壓加在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極。當合成物與水結(jié)合，水隨著離子運動，造成隔膜一面收縮，另一面膨脹，于是隔膜彎曲。當改變電壓的極性時，隔膜向相反方向彎曲。圖2為由IPMC電致動聚合物構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電致動聚合物構成壓力傳感器，監(jiān)測IPMC電致動聚合物輔助器件對心臟外表面的壓力。附著在IPMC電致動聚合物

13、外表面的水，一方面為IPMC電致動聚合物提供合適的工作條件，同時也使IPMC電致動聚合物產(chǎn)生的壓力柔性化，避免IPMC器件可能對心臟肌肉的損傷。IPMC電致動聚合物只需要5V的電壓即可驅(qū)動，因此采用電池驅(qū)動，易于植入人體。但是這類IPMC驅(qū)動的直接心室輔助器件產(chǎn)生的壓力較?。?.4mmHg），在目前的條件下，如果沒有新的技術突破，還不能達到應用的要求。導線控制電路心臟基于IPMC的壓力傳感器IPMCIPMC水圖2、美國新墨西哥大學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，通過加熱到某一臨界溫度以上又可恢復成初始形狀的一類合金。形狀記憶合金具有的能夠記住其原始形狀的功能稱為形狀記憶效應。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，單獨使用形狀記憶合金作為直接心室輔助的致動器是困難的。我們知道，珀耳帖元件在通電時可以形成熱能的運動，換句話說，珀耳帖元件在通電時，一端加熱，一端致冷。日本Tohoku大學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。當給形狀記憶合金加電時，形狀記憶合金發(fā)生變性，協(xié)助右心室收縮；當心臟舒張時，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到初始狀態(tài)。所以選擇右心室輔助，是因為形狀記憶合金可以產(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。進一步開發(fā)形狀記憶合金在直接心室輔助中的應用要克服溫度問題。這是因為人體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（相變溫度遠大于人體體溫），這需要研究于開發(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重點。另外，由于形狀記憶合金在相變溫度附近有嚴重的滯后現(xiàn)象，在控制技術也有許多問題需要克服。圖4、 英國LEEDS大學 B. M. Hanson等人設計的電機驅(qū)動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 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 電磁式電動機驅(qū)動電磁式電動機是一類得到充分發(fā)展和相當成熟的動作器，在與血接觸的人工心臟器件中得到廣泛的應用8。采用微小的直流電動機驅(qū)動直接人工心室輔助相對于氣動輔助來說，電機的輸出力和位置容易控制。更重要的是電機易于用可植入的電池供電， 因此有長期可植入的潛能。圖4為Leeds 大學Ben.H

18、anson等人利用電磁式直流電機驅(qū)動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。當控制電機使柔性帶收縮時，輔助器件擠壓心臟，幫助心臟泵出更多的血液；當心臟舒張時，控制電機放松柔性帶，使血液回流到心臟。電磁式電動機在直接心室輔助應用時的主要問題首先是，其圓柱形及尺寸和直接心室輔助結(jié)構設計難于滿足心臟和胸腔之間的空間要求；其次，在體積縮小時，電機的能量密度急劇降低和較軟的機械特性，使其無法同時滿足直接心室輔助對輸出力和輸出速度的要求。最后，電磁式電動機工作時，速度高、力矩小。應用于直接心室輔助時，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，在直接心室輔助應用中，電機工作電流過大，這會嚴重影響電機的工作壽命。 因此，電磁式電動機在直接心室輔助的發(fā)展前景并不是很樂觀。超聲電機驅(qū)動超聲電機是近20年來發(fā)展起來的一種新型電機, 不同于傳統(tǒng)的電磁式電機, 它利用壓電陶瓷的逆壓電效應激發(fā)超聲振動, 借助彈性體諧振放大振動幅度, 通過摩擦耦合產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)或直線運動。其顯著特點是低轉(zhuǎn)速、大力矩、可用來直接驅(qū)動, 而且結(jié)構簡單、電磁兼容性好（易于和核磁共振圖像兼容）、寧靜運轉(zhuǎn)、響應速度快、易于微型化和結(jié)構多樣化，而且其平均無故障工作時間已從早期數(shù)千小時到現(xiàn)在的2萬小時。這些特點使超聲電機成為直接心室輔助器件中很有前途的動作

20、器之一16。圖為英國Leeds 大學Yang Ming 等人設計的超聲電機動作元示意圖。在運動部件相向運動時，直接心室輔助器件放松柔性帶，在運動部件相互逆向運動時，直接心室輔助收緊柔性帶。利用心臟起搏器作為同步信號，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動作元示意圖 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，超聲電機在直接心室輔助應用中有一定的潛能，但是有關這方面的

21、應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)與技術展望心臟的跳動是人類生命的表征。治愈心臟病，尤其是終末期的心臟病一直是人類的愿望。這也是上百年以來，盡管遇到了這樣或那樣的困難，人類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、血感染等問題，是人工心臟研究的一個重要領域。但是現(xiàn)有的致動技術并不能完全滿足直接心室輔助的要求。目前看來，氣體或液體致動的動作技術較為成熟，但是經(jīng)過人體皮膚的管路嚴重影響患者的生存質(zhì)量。電磁式電機在直接心室輔助的應用前景并不被看好。電致動聚合物盡管具有許多誘人的特點，但如果技術上沒有新的突

22、破，短期內(nèi)難以看到應用的可能。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)境下的溫度問題。超聲電機從性能指標上來看，尚沒有發(fā)現(xiàn)原理上的不足，但仍在探索、開發(fā)的早期，還有許多不確定因素有待解決。也許最好的致動器應該是一種生物、化學類的動作器。它不僅能模仿心臟的功能，更能模仿心臟的致動機理。也許合適的致動機理并不是一種，它可能是兩種或更多種方法。但是不管怎樣，探索與開發(fā)合適的直接心室輔助致動方法，仍然是一件艱巨且富有挑戰(zhàn)性的任務，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, 中國心臟病康復網(wǎng)，2. 每年中國近百萬人死于

23、心臟病， 北京晚報 2003年9月29日3. Artificial heart muscle tested, BBC NEWS, 2003/08/22, http:/news.bbc.co.uk/go/pr/fr/-/2/hi/health/3151891.stm4. 尹邦良，人工心臟的歷史與研究現(xiàn)狀，中國醫(yī)師雜志，2002年7月，679-6805. B. Hanson, R. Richardson, G.L.J. Davies, K. Watterson, M.C. Levesley, P.G. Walker, Control of a non-blood-contacting cardia

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