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新知 | 人工心脏 让心衰患者重获“心”生
2021/11/15 18:10  交汇点新闻  

  交汇点讯从“终结者”到“钢铁侠”,在各类科幻电影中,“机器之心”早已被写入人类的未来。在体内植入一颗人工心脏,已从科幻成为现实。

  今年7月,在中国医学科学院阜外医院深圳医院,患者王先生在植入CH-VAD全磁悬浮人工心脏植入术后2年,自己的心脏相关功能已恢复到正常水平,成功撤除人工心脏;同月,在江苏省人民医院,患者刘先生成功接受了我省首例国产人工心脏植入术……

  特殊的“涡轮增压器” 让濒死的心脏重获生机

  心脏是人体最大的发动机,堪称人体内最“卖力”的器官之一。它源源不断地将血液输送到人体每一个角落。如果按照每个人心脏平均跳70次、寿命70岁计算的话,人的一生中,心脏跳动接近26亿次。因此,一颗健康的心脏必须强健有力,须臾不能停止跳动。

  “但是,因某些先天性心脏病或心肌病等疾病发展至终末期心衰、导致心脏的泵血功能丧失时,就必须移植外来的心脏来代替。”江苏省人民医院心脏大血管外科主任邵永丰教授告诉《科技周刊》记者,长期以来,心力衰竭都是全球医学的重大挑战,特别是晚期心衰,已有药物和心率控制器械难以逆转病程进展。而人体心脏移植又因受限于供体来源无法惠及患者,人工心脏给予了晚期心衰的病人重获新生的希望。

  “就功能而言,心脏其实是一个很简单的器官,可以理解为一个泵。”苏州同心医疗科技股份有限公司董事长陈琛博士告诉记者,因此,人工心脏也相当于一个泵,它和人的天然心脏串联在一起工作。“由于心力衰竭患者的心脏没有足够的力量将血液挤压到动脉血管中去,我们就做了一个机械泵。这样一来,天然心脏只需‘使一点力’,将血液送到机械泵,机械泵再对血液进一步加压,血液就被输送到动脉血管中了。这个机械泵就是人工心脏,学名‘心室辅助装置’,其功能就如同汽车上的涡轮增压器。”

  当人体血液循环恢复到正常水平后,以往由心衰造成的肝、肾等脏器的血流灌注不足、肺部血流淤滞等一系列问题都可大大缓解,甚至完全恢复正常。与此同时,人工心脏在帮助建立正常的血液循环的同时,还使得天然心脏的工作负荷大大降低,心脏因此得到休息,长期以往,受损的心肌通常会得到不同程度的康复。如果完全康复,则可以将人工心脏摘除。“不过,随着心衰发展到晚期,心脏完全康复的可能性越来越低,但是对于一些特定情况,通过人工心脏辅助而使得心脏康复是可以期待的。”陈琛表示。

  在进行普通心脏移植时,患者需要接受抗排异治疗,这会对健康造成不利影响,植入人工心脏就可完全避免。但是,接受人工心脏后,患者需要终身接受抗凝治疗。陈琛解释,这是因为血液在流过人工心脏的过程中会受到不同程度损伤,导致凝血功能异常。不过,虽然现阶段的人工心脏装置已具备较高的可靠性和耐久性,还是有部分患者会出现血栓、感染等并发症以及心脏以外的其他疾病的进展,这是患者生命延长程度的主要决定因素。

  全磁悬浮技术代替泵血功能 “机器之心”与常人无异

  心脏是人的“心头肉”,人工心脏也被誉为心血管行业“皇冠上的明珠”,具有极高的学科跨度和技术综合性。

  “人工心脏技术竞争的焦点难点主要集中在血液相容性、植入侵犯性(血泵的小型化程度)、防感染、可靠性、便携性等关键问题,这也构成了人工心脏的高技术壁垒。陈琛告诉记者,“我们需要考虑人工心脏的血液相容性、经皮电缆的防感染性能、手术侵犯性、系统可靠性、系统便携性等多种因素。”

  早期的人工心脏采用一个橡胶囊模仿心脏的收缩、舒张动作,称为搏动式人工心脏。但由于装置本身的耐久性较差,在泵血过程中对血液的损伤较大,导致较高比例的血栓形成、中风等严重不良事件,且装置笨重而不便携带,手术侵犯性较高,经皮管道易引起感染,所以逐渐退出历史舞台。现代人工心脏则革命性地改变了设计理念,不再模仿心脏的动作,改而直接追求心脏的泵血的功能,由此催生了旋转式人工心脏。

  陈琛进一步解释:“旋转式人工心脏采用一个刚性的带有叶片的叶轮,通过一定的支承机构置于完全密封的泵壳内,叶轮旋转而将血液从泵的入口输送到出口,完成泵功能。迄今出现的旋转式人工心脏主流技术可根据转子支承方式划分成滑动轴承、流体动力悬浮、全磁悬浮三类,其中,全磁悬浮类人工心脏是目前占据垄断地位的技术。”

  今年10月,在北京展览馆举行的国家“十三五”科技创新成就展上,由同心医疗研发的全磁悬浮人工心脏CH-VAD作为江苏的前沿科技成果亮相。

  陈琛表示,从全球角度来讲,目前以雅培公司的HeartMate3和同心医疗的CH-VAD为代表的全磁悬浮类心室辅助装置已在小型化方面取得突破,并在临床应用中展示了全面的性能指标优势。“CH-VAD的重量不到180克,患者植入人工心脏后,只要随身背上一个小挎包,与常人无异。”

  受访者供图

  据了解,全磁悬浮人工心脏CH-VAD是在转子和泵壳内布置一系列磁铁和通电线圈,通过转子与泵壳部件之间的磁力作用,使得转子稳定悬浮。这一支承方式可以实现比流体动力悬浮大得多的悬浮间隙,避免其中的血液承受过大的剪应力,而且由于支承力与悬浮间隙中的血液流动无关,故在流体力学设计时就能不受悬浮条件约束,更自由地优化悬浮间隙中的血液流动,从而对间隙两侧表面产生充分的流动冲刷,防止血液成分在这些表面沉积而形成血栓。不过,由于全磁悬浮必须借助闭环控制才能实现转子的所有自由度的稳定悬浮,因此其技术复杂,尤其在小型化方面面临比其他类型心室辅助装置严峻得多的挑战。

  更小更轻便更智能 心衰治疗未来将是一片蓝海

  我国心衰流行病学调查的最新结果显示,当前我国的心衰患者约1370万,与2000年调查比较患病人数增加了近500万。ReportLinker数据显示,全球心力衰竭治疗器械市场预计将于2025年达到140亿美元。由于现在美国为心衰领域的主要市场,目前未有任何进口产品进入中国市场。因此,国内企业正迎来巨大机遇,我国的心衰市场未来将是一片蓝海。

  在陈琛看来,未来,人工心脏将向无线化、微型化、智能化方面进一步发展。“随着人工智能和无线网络技术的不断深化和成熟,人工心脏也有机会应用上述技术推进自身实现智能化,这将使得人工心脏不再仅仅是个治疗设备,同时也能定义为一个患者随身携带的医疗诊断、检测和跟踪的设备,对患者进行全生命周期管理。”

  有关全磁悬浮心脏的探索正在继续。今年10月,天津大学在Science Advances上发表的论文中称,该校研制了一种基于折叠永磁薄膜和磁悬浮技术的柔性磁悬浮微型离心泵,能够解决现有的刚性离心泵质量和体积依旧偏大的问题。与此同时,柔性材料的力学特性与身体组织和器官兼容,更符合人体工程学,使得患者的使用体验更加友好,更加适合长期穿戴使用。

  邵永丰告诉记者,在欧美日等发达国家,目前单台人工心脏的售价在10万美元左右,并已纳入医保。“目前,我国大约有130-150万终末期心衰病人需要心脏移植。但因为供体器官的缺乏,只能完成500例左右的心脏移植。心室辅助装置的需求量在国内也非常大,考虑到经济、社会因素,我国每年需求量至少超过1万套。有理由相信,人工心脏行业将进一步产生巨大的社会价值和经济效益。”

  新华日报交汇点记者 叶真 仲崇山

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责编:刘艳元

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