心脏的工程性研究(2)

2.3 心房、心室先后收缩可使泵血效率最大化，而右泵与左泵的收缩该如何协调？

前已指出体循环与肺循环，左泵与右泵都是串联的，从流体力学角度，如果路径是刚性的，两个泵的收缩就必须同步，如不同步将会引起右泵入口处也就是左心房入口端的压力波动，就像一列队伍，前面的人与后面的人跨得不同步便会人挤人脚踢脚。实际上由于血液循环系统的路径是柔性的，特别是肺部的血管，扩张能力极强，吸气与呼气时肺循环中血容量可有5倍之差[6]，因此左右泵的同步性要求并不严格，即使有差别产生类似动脉血压的呼吸波，也是生理性的，并无不良反应。

至此可归纳出，从工程视角，心房与心室间收缩的协调，关系到泵血的效果是十分重要的，而左泵与右泵间收缩的协调相对说不那么重要。此认识对临床医务及教学工作者一定并不陌生，本文只是补充了它的物理根据。

3 用工程方法治疗某些心脏疾病的不可替代性

心脏的疾病不外两种类型：心脏结构性病变和心肌细胞或传导系统的病理性变化。就治疗而言，对结构性病变单纯用药物治疗收效甚微，工程学在该领域倒是有些办法的，例如人工瓣膜置换、缺损封堵或修补等。至于心肌细胞或传导系统的病理性变化，传统的治疗虽可通过药物将之控制、甚至逆转，但至终末期仍难免会力不从心，而用工程的手段，虽不能逆转或控制心肌细胞或传导系统的病理性变化，却能有维持器官生理性功能的效果。例如：起搏器可维持心脏传导系统的控制功能；射频消融术可维持健康心肌细胞的正常收缩功能；支架植入可维持冠脉中血液的正常流通功能；体内自动除颤仪（implanted-cadiac defibrillator, ICD）可维持心脏规律泵血的功能；左心耳封堵术可防止形成血栓的功能；左心室功能不全采用心室辅助装置可协助心室的泵血功能；心脏疾病的终末期顽固性心衰，此时心肌细胞几乎完全丧失收缩功能，只能用心脏移植，人工心脏（total artificial heart, TAH）可实现移植前过渡期的生命支持功能等。

可以预见，随着科技发展，用工程方法治疗心脏疾病的手段一定还会扩大[7]，例如不久将来必能广泛地以人工血管取代自体血管作冠脉搭桥[8]。用硅胶做的人工心脏也有问世[9]，文献[9]中又提出了只造一个心房或心室的概念。又如对于由传导阻滞引起的心律失常，目前虽可通过植入起搏器解决，作者认为理论上说可采用更简单的如下方法。

考虑到所谓传导阻滞无非是生物电在神经细胞间传导时受到过大的电阻，甚至中断，如今既已可通过心脏电生理检查找出阻滞点[10]，逻辑上说就完全有可能用植入一小段导线作为阻滞点的侧支通路来恢复生物电的传导。现有的冠状动脉旁路移植术（coronary artery bypass grafting,CABG）俗称“管脉搭桥”，它搭的是“水路”的桥，这里搭的则是“电路”的桥，不妨类似地将这种治疗手段称之为“传导搭桥”。当然任何新的设想与方法变成现实尚须临床医务工作者进一步的研究，本文只能是从理论上抛砖引玉。

可见，对心脏疾病的治疗，工程手段与医学手段是相辅相成的，有时是药物所不可替代的，显示了从工程的角度研究心脏功能对理解现有治疗手段、开启新治疗手段的重要性。

4 人工心脏研究发展中工程上的最终瓶颈

将人工心脏TAH作为心脏全摘除后的替代性器官，可称是用工程手段治疗心脏疾病的顶峰，文献[11]和[7]对此作了很系统的介绍与分析。文献指出，虽然“2006年美国FDA批准了AbioCor的TAH可以适用人道主义器械豁免条款，可进行商品化，但目前还不能作为常规手术开展，只作为心脏移植前的替代过渡，主要是由于它体积大，植入后的感染、栓塞、脏器衰竭发生率高及耐久性等缺陷”。不难看出其中既包含医学问题也包含工程问题，而且有些医学问题是工程所导致的，例如一般认为栓塞主要是血泵的机械运动导致薄层流动的剪切力尤其是轴承处的碾压破坏血液中的细胞成分所致，于是血泵成为人工心脏的瓶颈与研究热点，多亏有了用连续流代替脉冲流、用悬浮代替轴支承等新思路，终于在血泵的研制方面取得很大进展，国内外也有不少团队从事此项工作[12-15]。本文未进一步展开，只想从系统工程的视角对人工心脏的瓶颈作些新的思考。

工程上说，任何替代器官，下面3个系统是缺一不可的。

首先是工作系统方面，替代器官必须有可能完成原器官的生理功能。心脏、骨关节等能用工程手段替代，都得益于它们生理功能的机械性很强，较易用工程手段来模仿、替代。其他如肝、脑等器官的生理功能都不是机械性的，决无替代之可能，这是个前题。

文章来源：《航天医学与医学工程》 网址: http://www.htyxyyxgc.cn/qikandaodu/2021/0219/429.html