心臟的工程性研究

冼潔蓓，曾雪梅，李麗清，陳加菁

（華南理工大學 1.校醫(yī)院內(nèi)科；2.交通學院船海系，廣東 廣州 510640）

除代謝系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)及免疫系統(tǒng)外，其余生理功能諸如運動、視覺及聽覺等等都是頗具“工程性”的，因此20世紀50年代工程學便介入到醫(yī)學領域，產(chǎn)生了醫(yī)學工程的邊緣學科[1]，該學科內(nèi)容極廣，并隨著科技發(fā)展而不斷擴大。

人體最重要的器官心臟可以說是工程性器官之最，因為它的基本功能比較單一，就像一水泵。本文即從此視角，對心臟的功能作些探討，以期為臨床醫(yī)務工作者拓寬專業(yè)面、提高學術水平，為醫(yī)學工程科研工作者和用工程方法治療心臟病的研究者提供理論支持。

1 血液循環(huán)系統(tǒng)的工程性思考

生物起源于海洋，可以說陸上動物的祖先是魚類，大多數(shù)魚的血液流動是單循環(huán)的[2]，它的流程可表示為圖1。

圖1 魚的血液循環(huán)

其中心房、心室構成了一個“泵”，驅(qū)動血液在體內(nèi)流動，此泵要克服魚鰓和全身血管的阻力，因此心臟的負擔是很重的。進化到人后，血液循環(huán)看起來復雜得多，但從流程圖上看與魚類并無本質(zhì)的差別，無非是在鰓（對于人就是肺）與體動脈間多一個“泵”而已，如圖2。

圖2 人的血液循環(huán)

現(xiàn)今把肺后方的稱為左心房、左心室，肺前方的稱為右心房、右心室，工程上可理解為左泵與右泵。增加左泵的目的無非為分擔右泵的負擔。從圖2不難看出，人的血液循環(huán)系統(tǒng)雖比魚多一個泵，但整個循環(huán)依然只有一個圈，因此依然是單循環(huán)的。在醫(yī)學界，傳統(tǒng)中將“心→肺→心”的那段稱為“肺循環(huán)”，“心→體→心”的那段稱為“體循環(huán)”，于是把人的血液循環(huán)稱為雙循環(huán)系統(tǒng)。作者認為這種說法從器官的角度來看似乎是對的，但從工程角度則值得推敲：因為所謂“循環(huán)”是指在一個封閉路徑中的流動，圖2可見，人體的血液依然僅是在一個封閉路徑中的流動，因此不能說是雙循環(huán)；至于所謂的“肺循環(huán)”與“體循環(huán)”實際上都并不存在一個封閉路徑，嚴格說不能稱之為循環(huán)。鑒于這種說法沿用已久，無更改必要，本文也仍采用，但對醫(yī)學工程研究者宜澄清此概念；考慮到循環(huán)亦有流通之意，可見若把“體循環(huán)”與“肺循環(huán)”理解成“體徑流動”與“肺徑流動”概念上方才正確，關鍵是要認識到血液循環(huán)系統(tǒng)是由兩個“路徑”串起來的，用工程語言說即“體徑流動”與“肺徑流動”是串聯(lián)著的—也即是左泵與右泵是串聯(lián)著的。后文將看到，明確兩個系統(tǒng)串聯(lián)、并聯(lián)的概念在解釋、理解心臟功能中的重要性。

2 心臟結(jié)構與功能的工程性解釋

2.1 心房收縮功能的意義

心臟的結(jié)構與功能上有諸多奧妙，離開工程視角可說無從解釋，例如：圖1中可見，魚類的心室前雖然也有個“心房”，但它只是個腔壁很薄的血液貯存室，并不具有收縮功能[3]，因此談不上是真正意義上的心房，為什么進化到人，心室前的心房會發(fā)展成具有收縮功能了呢？從工程視角就不難回答了。

心臟是脈沖壓縮，要求瞬時產(chǎn)生很大的脈沖壓力。一般來說這并不難，只要心室有足夠的收縮力即可，難的是如何能讓心室在舒張的極短時間內(nèi)就能充滿血液，否則無論心室的收縮力有多強，對于一個并不十分充盈的心室仍然提高不了它的射血分數(shù)，大自然最巧妙的設計莫過于在心室前有一個具收縮功能的心房。

具體地以左心房與左心室為例，如果心室前沒有心房，左心室中的血液只能靠它舒張時的零點幾秒內(nèi)從肺靜脈中直接注入，顯然是較難充盈的。如今有了一個具收縮功能的心房，情況就不同了，這個心房一方面像魚類一樣起著對來自肺靜脈血液的貯存作用，更重要的是心房具有的收縮功能，而且與心室是先后收縮的，心房收縮時，心室在舒張，左心房收縮產(chǎn)生的正壓配合左心室舒張產(chǎn)生的相對負壓，在一推一拉的作用下，心房中的血液便能很順利地將心室充滿。緊接著（約0.2 s）[4]是心室收縮，由于左心房與左心室中的二尖瓣是單向閥，不能回流，左心室內(nèi)滿滿的血液就能在瞬時有力地注入主動脈。可見心臟的這種心房、心室先后收縮的行為正是為了確保泵血效率的最大化，很像工程上的兩級壓縮。

2.2 為何左泵中的房室瓣是二尖瓣，而右泵中則是三尖瓣？

工程解釋如下：

前已指出，體循環(huán)與肺循環(huán)是串聯(lián)的，因此通過左泵與右泵的血液流量一定相等，但流速不一定相等，由于體循環(huán)所經(jīng)路程比肺循環(huán)的長得多，阻力大得多，因此體循環(huán)后進入右泵的流速比肺循環(huán)后進入左泵的流速一定要小，文獻[5]指出，在右房室瓣處的峰值流速是0.5 m/s，而左房室瓣處的峰值流速則是0.9 m/s。據(jù)流體力學，流量=流速×管截面積，為維持相同的流量，右房室的流速小了右房室瓣門的截面積必須比左房室瓣門的截面積要大，面積大了仍用二瓣結(jié)構將難以關閉完全，大自然很巧妙地將右房室瓣進化成三瓣結(jié)構，這就是左右房室瓣膜不相同的物理原 因。

2.3 心房、心室先后收縮可使泵血效率最大化，而右泵與左泵的收縮該如何協(xié)調(diào)？

前已指出體循環(huán)與肺循環(huán)，左泵與右泵都是串聯(lián)的，從流體力學角度，如果路徑是剛性的，兩個泵的收縮就必須同步，如不同步將會引起右泵入口處也就是左心房入口端的壓力波動，就像一列隊伍，前面的人與后面的人跨得不同步便會人擠人腳踢腳。實際上由于血液循環(huán)系統(tǒng)的路徑是柔性的，特別是肺部的血管，擴張能力極強，吸氣與呼氣時肺循環(huán)中血容量可有5倍之差[6]，因此左右泵的同步性要求并不嚴格，即使有差別產(chǎn)生類似動脈血壓的呼吸波，也是生理性的，并無不良反應。

至此可歸納出，從工程視角，心房與心室間收縮的協(xié)調(diào)，關系到泵血的效果是十分重要的，而左泵與右泵間收縮的協(xié)調(diào)相對說不那么重要。此認識對臨床醫(yī)務及教學工作者一定并不陌生，本文只是補充了它的物理根據(jù)。

3 用工程方法治療某些心臟疾病的不可替代性

心臟的疾病不外兩種類型：心臟結(jié)構性病變和心肌細胞或傳導系統(tǒng)的病理性變化。就治療而言，對結(jié)構性病變單純用藥物治療收效甚微，工程學在該領域倒是有些辦法的，例如人工瓣膜置換、缺損封堵或修補等。至于心肌細胞或傳導系統(tǒng)的病理性變化，傳統(tǒng)的治療雖可通過藥物將之控制、甚至逆轉(zhuǎn)，但至終末期仍難免會力不從心，而用工程的手段，雖不能逆轉(zhuǎn)或控制心肌細胞或傳導系統(tǒng)的病理性變化，卻能有維持器官生理性功能的效果。例如：起搏器可維持心臟傳導系統(tǒng)的控制功能；射頻消融術可維持健康心肌細胞的正常收縮功能；支架植入可維持冠脈中血液的正常流通功能；體內(nèi)自動除顫儀（implanted-cadiac defibrillator, ICD）可維持心臟規(guī)律泵血的功能；左心耳封堵術可防止形成血栓的功能；左心室功能不全采用心室輔助裝置可協(xié)助心室的泵血功能；心臟疾病的終末期頑固性心衰，此時心肌細胞幾乎完全喪失收縮功能，只能用心臟移植，人工心臟（total artificial heart, TAH）可實現(xiàn)移植前過渡期的生命支持功能等。

可以預見，隨著科技發(fā)展，用工程方法治療心臟疾病的手段一定還會擴大[7]，例如不久將來必能廣泛地以人工血管取代自體血管作冠脈搭橋[8]。用硅膠做的人工心臟也有問世[9]，文獻[9]中又提出了只造一個心房或心室的概念。又如對于由傳導阻滯引起的心律失常，目前雖可通過植入起搏器解決，作者認為理論上說可采用更簡單的如下方法。

考慮到所謂傳導阻滯無非是生物電在神經(jīng)細胞間傳導時受到過大的電阻，甚至中斷，如今既已可通過心臟電生理檢查找出阻滯點[10]，邏輯上說就完全有可能用植入一小段導線作為阻滯點的側(cè)支通路來恢復生物電的傳導。現(xiàn)有的冠狀動脈旁路移植術（coronary artery bypass grafting,CABG）俗稱“管脈搭橋”，它搭的是“水路”的橋，這里搭的則是“電路”的橋，不妨類似地將這種治療手段稱之為“傳導搭橋”。當然任何新的設想與方法變成現(xiàn)實尚須臨床醫(yī)務工作者進一步的研究，本文只能是從理論上拋磚引玉。

可見，對心臟疾病的治療，工程手段與醫(yī)學手段是相輔相成的，有時是藥物所不可替代的，顯示了從工程的角度研究心臟功能對理解現(xiàn)有治療手段、開啟新治療手段的重要性。

4 人工心臟研究發(fā)展中工程上的最終瓶頸

將人工心臟TAH作為心臟全摘除后的替代性器官，可稱是用工程手段治療心臟疾病的頂峰，文獻[11]和[7]對此作了很系統(tǒng)的介紹與分析。文獻指出，雖然“2006年美國FDA批準了AbioCor的TAH可以適用人道主義器械豁免條款，可進行商品化，但目前還不能作為常規(guī)手術開展，只作為心臟移植前的替代過渡，主要是由于它體積大，植入后的感染、栓塞、臟器衰竭發(fā)生率高及耐久性等缺陷”。不難看出其中既包含醫(yī)學問題也包含工程問題，而且有些醫(yī)學問題是工程所導致的，例如一般認為栓塞主要是血泵的機械運動導致薄層流動的剪切力尤其是軸承處的碾壓破壞血液中的細胞成分所致，于是血泵成為人工心臟的瓶頸與研究熱點，多虧有了用連續(xù)流代替脈沖流、用懸浮代替軸支承等新思路，終于在血泵的研制方面取得很大進展，國內(nèi)外也有不少團隊從事此項工作[12-15]。本文未進一步展開，只想從系統(tǒng)工程的視角對人工心臟的瓶頸作些新的思考。

工程上說，任何替代器官，下面3個系統(tǒng)是缺一不可的。

首先是工作系統(tǒng)方面，替代器官必須有可能完成原器官的生理功能。心臟、骨關節(jié)等能用工程手段替代，都得益于它們生理功能的機械性很強，較易用工程手段來模仿、替代。其他如肝、腦等器官的生理功能都不是機械性的，決無替代之可能，這是個前題。

其次在控制系統(tǒng)方面，人體必須有可能對替代器官實行控制。心臟細胞收縮的自律性顯示了它對腦意識的依賴性極弱，何況如今智能化心臟起搏器的成熟，反映對心功能探測與控制技術的成熟，可說此問題亦已基本解決。

第三是在能量支持系統(tǒng)方面，必須能確保替代器官的能量供應，詳述如下：用工程手段治療疾病，有些是不需能量支持的，如支架、瓣膜等，有些只需少量能量，如起搏器、人工耳蝸[16]等，它們所需能量都可用一小小鈕扣電池解決，但對人工心臟TAH，如果企圖像起搏器那樣連能源也一起植入，完全替代心臟，“能量支持”將是個大問題，原因是起搏器只須產(chǎn)生微弱的電脈沖，用工程語言說只須供應“控制系統(tǒng)”的能量，能量要求極小，而TAH需要供應“工作系統(tǒng)”的能量，能耗比它大很多。具體說，正常人的左心室功率為1.02W，右心室為0.17 W，合計功率為1.19 W[4]，何況它還只是從血液流動角度得出的需要，若計及血泵本身的能耗，如磁懸浮式的血泵，耗能約為2～4W[17]，再加上控制系統(tǒng)的能耗，TAH的總能耗至少為4～6 W。心臟摘除后此能量自然就要由TAH的能量支持系統(tǒng)提供。當今超大容量的手機鋰電池為4V，4000 mAh（且不說它與人體的相容性）不難算出只能供電13 h。

回顧歷史，1969年首例人工心臟的能量支持系統(tǒng)是氣動的，之后才改用電動，所需能量要用管道或電線穿過體表輸入。2001年才開發(fā)出一種經(jīng)皮輸電的能量支持系統(tǒng)并成功應用于美、加及法等國的臨床[18]，其優(yōu)點是體表沒有充電接口，解決了感染問題，也提高了患者活動空間。為了提高可靠性，前述AbioCor公司的能量支持系統(tǒng)有3部分，一個是埋在體內(nèi)的充電電池，一個是綁在體外的電池組，隨時向體內(nèi)的電池經(jīng)皮輸電，第三個是在體外的應急用無線直接輸電驅(qū)動系統(tǒng)作備用，提高了可靠性，因此取得了美國食品藥品監(jiān)督管理局（Food and Drug Administration, FDA）的有條件批準[18-19]。如今，盡管經(jīng)皮輸電的方法不斷改進，充電效率已達80%[20]，充電速度也在提高，但作者認為TAH能量支持系統(tǒng)的主要矛盾不是充電方法、效率或速度，而是充電電池的容量和循環(huán)次數(shù)（它決定了電池的壽命）。當前，由于充電電池的容量所限，不管充電方法如何改進，植入的電池都還只能工作二三十分鐘而已。因此，雖然有人樂觀地認為十年左右，本文引述文獻[11]中的工程問題都可基本解決，真正可替代心臟移植的TAH將會出現(xiàn)，但作者認為，這僅是對工作系統(tǒng)和控制系統(tǒng)而言，至于能量支持系統(tǒng)方面仍很勉強，因為植入者受到體外整套充電裝置羈絆，生活質(zhì)量極低[21]。從前瞻性視角而言，TAH的進一步發(fā)展，必然是要求它不只停留在作為心臟移植前的過渡手段，而是讓植入者能像如今的起搏器植入者般自由活動，這一要求目前看來還很遙遠，因此人工心臟未來的瓶頸必將是能量支持系統(tǒng)而不再是血泵。

能量支持系統(tǒng)是“可移動智能工具時代”大至無人駕駛汽車，小至手機的普遍性難題，非常棘手，用之于TAH，關乎生命，又有重量、相容性等問題，更是難中之難。但作者認為人與汽車、手機不同，因為人體本身就是一個能產(chǎn)生能量的物體[22]，這或許能成為人工心臟能量支持系統(tǒng)擺脫充電電池的新思路，望醫(yī)學工程研究者及早關 注。