发布时间：2019-10-28所属分类：医学职称论文浏览：1次
摘 要： 摘要：目的 为临床医务工作者拓宽专业面、提高学术水平，为医学工程科研工作者和用工程方法治疗心脏病的研究者提供理论支持。方法 根据心脏的解剖认知与生理数据，用工程力学和生物力学的基础理论进行定性与定量分析。结果 澄清血液循环系统的概念，它不是体
摘要：目的 为临床医务工作者拓宽专业面、提高学术水平，为医学工程科研工作者和用工程方法治疗心脏病的研究者提供理论支持。方法 根据心脏的解剖认知与生理数据，用工程力学和生物力学的基础理论进行定性与定量分析。结果 澄清血液循环系统的概念，它不是体循环与肺循环两个循环的并联而是两个路径的串联：心脏是串联着的两个二级压缩泵;左右房室瓣膜数量的差别、四个腔室协调性要求的差别都是符合工程物理原理的“最佳设计”;用工程方法治疗心脏的某些疾病是医学方法不可取代的;提出“传导搭桥”的新概念;阐明为什么完全植入式的人工心脏工程上最终的瓶颈将是能量支持系统而非血泵。结论 离开生物力学知识无法全面解释心脏的奥妙结构与功能，不利于开发新的工程治疗器械与方法。人工心脏应前瞻性地重视能量支持系统的研究。
关键词：医学工程;生物力学;循环系统;人工心脏;能量支持系统
除代谢系统、神经系统、内分泌系统及免疫系统外，其余生理功能诸如运动、视觉及听觉等等都是颇具“工程性”的，因此 20 世纪 50 年代工程学便介入到医学领域，产生了医学工程的边缘学科 [1]，该学科内容极广，并随着科技发展而不断扩大。
人体最重要的器官心脏可以说是工程性器官之最，因为它的基本功能比较单一，就像一水泵。本文即从此视角，对心脏的功能作些探讨，以期为临床医务工作者拓宽专业面、提高学术水平，为医学工程科研工作者和用工程方法治疗心脏病的研究者提供理论支持。
1 血液循环系统的工程性思考
生物起源于海洋，可以说陆上动物的祖先是鱼类，大多数鱼的血液流动是单循环的 [2]，它的流程可表示为图 1。
其中心房、心室构成了一个“泵”，驱动血液在体内流动，此泵要克服鱼鳃和全身血管的阻力，因此心脏的负担是很重的。进化到人后，血液循环看起来复杂得多，但从流程图上看与鱼类并无本质的差别，无非是在鳃(对于人就是肺)与体动脉间多一个“泵”而已，如图 2。
现今把肺后方的称为左心房、左心室，肺前方的称为右心房、右心室，工程上可理解为左泵与右泵。增加左泵的目的无非为分担右泵的负担。从图 2 不难看出，人的血液循环系统虽比鱼多一个泵，但整个循环依然只有一个圈，因此依然是单循环的。在医学界，传统中将“心→肺→心” 的那段称为“肺循环”，“心→体→心”的那段称为“体循环”，于是把人的血液循环称为双循环系统。作者认为这种说法从器官的角度来看似乎是对的，但从工程角度则值得推敲：因为所谓 “循环”是指在一个封闭路径中的流动，图 2 可见，人体的血液依然仅是在一个封闭路径中的流动，因此不能说是双循环;至于所谓的“肺循环” 与“体循环”实际上都并不存在一个封闭路径，严格说不能称之为循环。鉴于这种说法沿用已久，无更改必要，本文也仍采用，但对医学工程研究者宜澄清此概念;考虑到循环亦有流通之意，可见若把“体循环”与“肺循环”理解成“体径流动”与“肺径流动”概念上方才正确，关键是要认识到血液循环系统是由两个“路径”串起来的，用工程语言说即“体径流动”与“肺径流动”是串联着的—也即是左泵与右泵是串联着的。后文将看到，明确两个系统串联、并联的概念在解释、理解心脏功能中的重要性。
2 心脏结构与功能的工程性解释
2.1 心房收缩功能的意义
心脏的结构与功能上有诸多奥妙，离开工程视角可说无从解释，例如：图 1 中可见，鱼类的心室前虽然也有个“心房”，但它只是个腔壁很薄的血液贮存室，并不具有收缩功能 [3]，因此谈不上是真正意义上的心房，为什么进化到人，心室前的心房会发展成具有收缩功能了呢?从工程视角就不难回答了。
心脏是脉冲压缩，要求瞬时产生很大的脉冲压力。一般来说这并不难，只要心室有足够的收缩力即可，难的是如何能让心室在舒张的极短时间内就能充满血液，否则无论心室的收缩力有多强，对于一个并不十分充盈的心室仍然提高不了它的射血分数，大自然最巧妙的设计莫过于在心室前有一个具收缩功能的心房。
具体地以左心房与左心室为例，如果心室前没有心房，左心室中的血液只能靠它舒张时的零点几秒内从肺静脉中直接注入，显然是较难充盈的。如今有了一个具收缩功能的心房，情况就不同了，这个心房一方面像鱼类一样起着对来自肺静脉血液的贮存作用，更重要的是心房具有的收缩功能，而且与心室是先后收缩的，心房收缩时，心室在舒张，左心房收缩产生的正压配合左心室舒张产生的相对负压，在一推一拉的作用下，心房中的血液便能很顺利地将心室充满。紧接着(约 0.2 s)[4] 是心室收缩，由于左心房与左心室中的二尖瓣是单向阀，不能回流，左心室内满满的血液就能在瞬时有力地注入主动脉。可见心脏的这种心房、心室先后收缩的行为正是为了确保泵血效率的最大化，很像工程上的两级压缩。
2.2 为何左泵中的房室瓣是二尖瓣，而右泵中则是三尖瓣?
工程解释如下：
前已指出，体循环与肺循环是串联的，因此通过左泵与右泵的血液流量一定相等，但流速不一定相等，由于体循环所经路程比肺循环的长得多，阻力大得多，因此体循环后进入右泵的流速比肺循环后进入左泵的流速一定要小，文献 [5] 指出，在右房室瓣处的峰值流速是 0.5 m/s，而左房室瓣处的峰值流速则是 0.9 m/s。据流体力学，流量 = 流速 × 管截面积，为维持相同的流量，右房室的流速小了右房室瓣门的截面积必须比左房室瓣门的截面积要大，面积大了仍用二瓣结构将难以关闭完全，大自然很巧妙地将右房室瓣进化成三瓣结构，这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。
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摘要：压力相对较低的静脉血对患者活动所产生干扰的局部影响相当敏感。因而传统氧饱和度监测仪在患者活动时读数往往偏低。如果相应与静脉血的噪声基准能够测定，就能够采用一种称为“自调谐噪声消除器(ANC)的装置来消除静脉血的影响。从红光产生的生理信号中，减去红外线产生的生理信号与动脉光强度之比的乘积，就得到仅包含噪声部分的基准信号即噪声基准(N’)噪声基准是通过氧饱和度选通转换技术(DST)来建立的。首先对相应于氧饱和度1%～100%的每一个光强度之比进行扫描，然后对每一个光强度之比计算基准信号，最后对每一个基准信号测定自调谐噪声消除器的输出功率，自调谐噪声消除器的输出功率代表了相应于生理信号中SpO2值的光强度之比。这就是信号萃取技术Masimo SET的基本工作原理。
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。
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 1.02 W，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 2~4 W[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 4 V，4 000 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。
SCISSCIAHCI
