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心脏的工程性研究(3)

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其次在控制系统方面，人体必须有可能对替代器官实行控制。心脏细胞收缩的自律性显示了它对脑意识的依赖性极弱，何况如今智能化心脏起搏器的成熟，反映对心功能探测与控制技术的成熟，可说此问题亦已基本解决。

第三是在能量支持系统方面，必须能确保替代器官的能量供应，详述如下：用工程手段治疗疾病，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、人工耳蜗[16]等，它们所需能量都可用一小小钮扣电池解决，但对人工心脏TAH，如果企图像起搏器那样连能源也一起植入，完全替代心脏，“能量支持”将是个大问题，原因是起搏器只须产生微弱的电脉冲，用工程语言说只须供应“控制系统”的能量，能量要求极小，而TAH需要供应“工作系统”的能量，能耗比它大很多。具体说，正常人的左心室功率为1.02W，右心室为0.17 W，合计功率为1.19 W[4]，何况它还只是从血液流动角度得出的需要，若计及血泵本身的能耗，如磁悬浮式的血泵，耗能约为2～4W[17]，再加上控制系统的能耗，TAH的总能耗至少为4～6 W。心脏摘除后此能量自然就要由TAH的能量支持系统提供。当今超大容量的手机锂电池为4V，4000 mAh（且不说它与人体的相容性）不难算出只能供电13 h。

回顾历史，1969年首例人工心脏的能量支持系统是气动的，之后才改用电动，所需能量要用管道或电线穿过体表输入。2001年才开发出一种经皮输电的能量支持系统并成功应用于美、加及法等国的临床[18]，其优点是体表没有充电接口，解决了感染问题，也提高了患者活动空间。为了提高可靠性，前述AbioCor公司的能量支持系统有3部分，一个是埋在体内的充电电池，一个是绑在体外的电池组，随时向体内的电池经皮输电，第三个是在体外的应急用无线直接输电驱动系统作备用，提高了可靠性，因此取得了美国食品药品监督管理局（Food and Drug Administration, FDA）的有条件批准[18-19]。如今，尽管经皮输电的方法不断改进，充电效率已达80%[20]，充电速度也在提高，但作者认为TAH能量支持系统的主要矛盾不是充电方法、效率或速度，而是充电电池的容量和循环次数（它决定了电池的寿命）。当前，由于充电电池的容量所限，不管充电方法如何改进，植入的电池都还只能工作二三十分钟而已。因此，虽然有人乐观地认为十年左右，本文引述文献[11]中的工程问题都可基本解决，真正可替代心脏移植的TAH将会出现，但作者认为，这仅是对工作系统和控制系统而言，至于能量支持系统方面仍很勉强，因为植入者受到体外整套充电装置羁绊，生活质量极低[21]。从前瞻性视角而言，TAH的进一步发展，必然是要求它不只停留在作为心脏移植前的过渡手段，而是让植入者能像如今的起搏器植入者般自由活动，这一要求目前看来还很遥远，因此人工心脏未来的瓶颈必将是能量支持系统而不再是血泵。

能量支持系统是“可移动智能工具时代”大至无人驾驶汽车，小至手机的普遍性难题，非常棘手，用之于TAH，关乎生命，又有重量、相容性等问题，更是难中之难。但作者认为人与汽车、手机不同，因为人体本身就是一个能产生能量的物体[22]，这或许能成为人工心脏能量支持系统摆脱充电电池的新思路，望医学工程研究者及早关注。

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