《生物醫(yī)學(xué)工程導(dǎo)論-人工器官》.ppt

1、1,人 工 器 官,生物醫(yī)學(xué)工程導(dǎo)論,2,5.1 概述,定義：人工器官是生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)中一門新的學(xué)科。它主要研究模擬人體器官的結(jié)構(gòu)和功能，用人工材料和電子技術(shù)制成部分或全部替代人體自然器官功能的機械裝置和電子裝置。當(dāng)人體器官病損而用常規(guī)方法不能醫(yī)治時，有可能給病人使用一個人工制造的器官來取代或部分取代病損的自然器官，補償或修復(fù)或輔助其功能。,3,發(fā)展：20世紀(jì)80年代以來，人工器官的研究和應(yīng)用迅速發(fā)展，可以說，人體除大腦尚無人工大腦替代外，幾乎人體各個器官都在進行人工模擬研制中，其中有不少人工器官已成功地用于臨床。,4,5,人工器官按功能分為11類： （1）支持運動功能的人工器官，如人工關(guān)節(jié)

2、、人工脊椎、人工骨、人工肌腱、肌電控制人工假肢等。 （2）血液循環(huán)功能的人工器官，如人工心臟及其輔助循環(huán)裝置、人工心臟瓣膜、人工血管、人工血液等。 （3）呼吸功能的人工器官，如人工肺（人工心肺機）、人工氣管、人工喉等。 （4）血液凈化功能的人工器官，如人工腎（血液透析機）、人工肺等。 （5）消化功能的人工器官，如人工食管、人工膽管、人工腸等。,6,（6）排尿功能的人工器官，如人工膀胱、人工輸尿管、人工尿道等。 （7）內(nèi)分泌功能的人工器官，如人工胰、人工胰島細(xì)胞。 （8）生殖功能的人工器官，如人工子宮、人工輸卵管、人工睪丸等。 （9）神經(jīng)傳導(dǎo)功能的人工器官，如心臟起搏器、膈起搏器等。 （10）感

3、覺功能的人工器官，如人工視覺、人工聽覺（人工耳蝸）、人工晶體、人工角膜、人工聽骨、人工鼻等。 （11）其他類，人工硬脊膜、人工皮膚等。,7,人工器官按原理分類 機械式裝置（如人工心臟瓣膜、人工氣管、人工晶體等） 電子式裝置（如人工耳蝸、人工胰、人工腎、心臟起搏器等） 人工器官按使用方式分類 植入式，如人工關(guān)節(jié)、人工心臟瓣膜、心臟起搏器。 體外式，如人工腎、人工肺、人工胰。這些體外式人工器官實際上都是由電子控制的精密機械裝置。,8,特點：人工器官是多種學(xué)科研究的結(jié)晶，該學(xué)科是生物材料、生物力學(xué)、組織工程學(xué)、電子學(xué)（包括計算機）特別是微電子學(xué)以及臨床醫(yī)學(xué)相結(jié)合的多學(xué)科的交叉學(xué)科。,9,由于人工器官

4、的種類非常多，下面只重點介紹幾種： 人工心臟瓣膜 人工腎 人工肝 人工心臟 人工耳蝸,10,5.2 人工心臟瓣膜5.2.1 概述,定義：人工心臟瓣膜是可植入心臟內(nèi)代替心臟瓣膜（主動脈瓣、肺動脈瓣、三尖瓣、二尖瓣），能使血液單向流動，具有天然心臟瓣膜功能的人工器官。當(dāng)心臟瓣膜病變嚴(yán)重而不能用瓣膜分離手術(shù)或修補手術(shù)恢復(fù)或改善瓣膜功能時，則須采用人工心臟瓣膜置換術(shù)。換瓣病例主要有風(fēng)濕性心臟病、先天性心臟病、馬凡氏綜合癥等。,11,12,13,人工瓣膜的類型 機械瓣 球型瓣 Ball Valves 碟型瓣 Disk Valves 單葉碟瓣 Single Leaflet Disk Valves 雙葉碟瓣

5、 Bileaflet Disk Valves 組織瓣（生物瓣） 人體組織瓣 Human Tissue Valves (Homografts, Autografts, Ross Procedure) 動物組織瓣 Animal Tissue Valves (Xenografts, Heterografts),14,5.2.2 球型瓣,球型瓣是植入人體的第一種人工心臟瓣膜，許多年來有許多種不同的設(shè)計，但到目前為止，在美國臨床上仍在使用的球型瓣只剩下Starr-Edwards瓣。 球型瓣包括一個支架和球體，是臨床使用最早的心臟瓣膜。他們是一組最可靠及持久的瓣膜設(shè)計。 Starr-Edwards瓣 Ma

6、govern-Cromie Sutureless Valve 不縫合瓣 Smeloff-Sutter瓣,15,Starr-Edwards Model 1000,型號: Starr-Edwards model 1000 類型: 主動脈籠球瓣 Aortic caged ball 生產(chǎn)廠商: Baxter Healthcare, Edwards CVS Division, Santa Ana, CA 材料: Silastic ball, Cage-Stellite alloy No. 21, closed cage; sewing ring-Teflon 不透X線部分: Three radiopaq

7、ue metal struts join at top, ball radiolucent, cage radiopaque. Three metal feet project into center of orifice from ring. 使用時間: 1961-1966 在美國已經(jīng)很少使用。,16,Starr-Edwards Model ,17,Magovern-Cromie Sutureless Valve 不縫合瓣,采用不縫合的技術(shù)植入人體內(nèi)。在瓣膜緣的四周有小的鉤子，手術(shù)者將其安置在合適位置后，用小鉤子固定。,18,19,型號: Magovern-Cromie valve 類型:

8、Aortic caged ball 生產(chǎn)廠商: Coratomic, originally Surgitool, later Medical Engineering Corp. 材料: Ball-Silicone rubber with barium; cage-titanium; sewing ring-none.Cage open at top. 不透X線部分: Cage radiopaque, open at top, ball radiopaque, hooks protrude from base ring. 使用時間: 1963-停止時間不詳,20,Smeloff-Sutter V

9、alve,在設(shè)計籠球瓣時，有一個思路就是減小球的大小來減低瓣膜對流出道的阻塞。但如果球體太小，小于瓣膜的橫徑，那么球體有移位的可能。所以Smeloff-Sutter和Cutter-Smeloff瓣在兩邊都有籠球來限制球體的活動，但有保持小球體改善血液動力學(xué)的優(yōu)點。,21,二尖瓣,22,三尖瓣,23,主動脈瓣,24,型號: Smeloff-Sutter valve 類型: Aortic, mitral, tricuspid caged ball 生產(chǎn)廠商: Sutter Biomedical Inc. 材料: Ball-Silicone rubber; cage-titanium; sewing

10、 ring-Teflon 不透X線部分: Radiolucent ball, 3 struts from both top and bottom of valve, open cages on both sides, inflow cage smaller than outflow。 使用時間: 1966-停止時間不詳(不連續(xù)的使用)。 可能存在的問題: 球體移位，球體隨脂質(zhì)吸收后體積增加，有可能造成流出道阻塞。,25,正在植入球形人造心臟瓣膜,26,5.2.3 碟型瓣 Disk Valves,碟型瓣分單頁和雙頁碟瓣。 最早的設(shè)計是單頁碟瓣，臨床上取得了巨大的成功。盡管雙頁碟瓣的出現(xiàn)要晚些，卻

11、已占領(lǐng)目前美國人工機械心臟瓣膜市場90%的份額。,27,最具有歷史意義的單頁碟瓣是最早的Bjork-Shiley瓣，已經(jīng)停止在美國的銷售。目前在美國使用的單頁碟瓣多為Medtronic-Hall瓣及 Omniscience瓣。 以下是歷史上出現(xiàn)和使用的各種單頁瓣膜，許多目前已經(jīng)停用。,Beall Valve Bjork-Shiley Valves Cooley-Cutter Aortic Valve Cross-Jones Valve Gott Daggett Valve Harken Valve,Kay-Shiley Valve Lillehei-Kaster Medtronic-Hall

12、Valve Omniscience Valve Starr-Edwards Disc Valves Ultracor Heart Valve Wada Cutter Valve,5.2.3.1單頁（Single Leaflet）碟瓣,28,Beall Model 106,是一個籠碟瓣 材料: Disk-pyrolytic carbon; cage-pyrolytic carbon; sewing ring- Dacron. 生產(chǎn)廠商: Coratomic 不透X線部分: Two parallel bars attached to an indented opaque ring with fou

13、r struts, disk is radiopaque. 生產(chǎn)時間：1974年3月- (目前已經(jīng)停止使用),29,30,型號: Harken P2 Prosthetic valve 類型: Mitral caged disk 生產(chǎn)廠商: Medical engineering, originally Surgitek-Surgitool 材料: Disk Silicone; Cage: Titanium; sewing ring: Dacron 不透X線部分: Radiopaque disk, lens shaped, four thin struts cross in middle, cl

14、osed cage design. 使用時間: 1967-停止時間不詳，非連續(xù)使用,Harken P2,31,Harken Valve: 流出道觀，關(guān)閉狀態(tài),32,Harken Valve: 側(cè)面觀,33,Harken Valve: 斜面 流入道觀，開放狀態(tài),34,Kay-Shiley MGCD Series,Models: Kay-Shiley MGCD Series Type: Mitral caged disk valve with muscle guards Materials: Disk-Delrin; Cage-Haynes 25; Sewing ring-Teflon. Stru

15、ts are uncovered, guards covered. X Ray: Two thin sets of parallel struts for cage, disk is faintly visible, two parallel bars surround 2/3 sewing ring to form muscle guards Dates: 1968-1980 (Discontinued),35,36,5.2.3.2 雙頁（Bileaflet）碟瓣,最早、最主要、最成功的是St. Jude瓣，它的成功導(dǎo)致了許多模仿的設(shè)計，但其仍為美國植入最多的機械瓣膜。其他一些雙頁瓣，包括C

16、arbomedics瓣和Edwards-Duromedics瓣目前在美國已很少使用。 模仿的設(shè)計，多是對其懸掛系統(tǒng)的小的改進，其中最有競爭力的是Medtronic parallel瓣。 ATS Bileaflet Valve Carbomedics Valve Edwards Duromedics Valve Medtronic Parallel Valve On-X Valve St. Jude Valve,37,Models: standard, HP series (supra-annular cuff), Masters Series (rotatable ring, supra-an

17、nular cuff) Design: Mitral, aortic, tricuspid Manufacturer: St. Jude Medical, Inc. Materials: Cage-pyrolitic carbon; disk-pyrolytic carbon; sewing ring-double velour knitted polyester. Standard and HP ring attached with sutures (non-rotatable), Masters Series attached with helical spring and two ret

18、ainer rings and is rotatable. Sizes:Aortic:19-25 mm, Mitral:25-33 mm,St. Jude valve,38,Durability: A few cases of disc fracture reported, most were probably due to surgical trauma during implantation. Estimated MTBF 1,572*. X Ray Appearance: The standard and HP St. Jude valves are only visible on Ch

19、est X-ray if leaflets caught edge on. Otherwise they are not visible and are known on our x-ray rounds as the Stealth Valve. The new Masters Series valves have a metal spring and 2 metal retainer rings and are visible on x-ray as a circular metallic ring. For all models, the leaflets open to 85 degr

20、ees from horizontal. The angle between open leaflets should therefore be 10-11 degrees. When closed, the angle between leaflets should be 120 degrees MRI Compatibility: MRI imaging safe. Masters Series safe but probably cannot be visualized well on MRI due to metal in sewing ring Dates: 1977 to Pres

21、ent.,39,40,St. Jude Mitral Valve,41,St. Jude Valve Inflow,42,5.2.4 組織瓣,組織瓣由采用的材料分類，材料的來源為動物或人體組織。使用的組織類型可以是瓣膜組織，也可以不是瓣膜組織。,43,5.2.4.1 人體組織瓣 Human Tissue Valves,無排斥反應(yīng)，不用免疫抑制治療 人體組織瓣的應(yīng)用有兩種： 同種異體移植,Homografts ：將一個瓣膜從一個人移植到另一個人。 自身移植,Autograft：從本人的一個部位移植到另一個部位。應(yīng)用最多的自身移植是將肺動脈瓣移植到主動脈瓣，稱為Ross手術(shù)。,44,45,5.2.

22、4.2 動物組織瓣膜(異種移植物xenograft),Porcine Valves Hancock Porcine Valve Carpentier-Edwards Porcine Valve Tissuemed Stented Porcine Valve Pericardial（心包） Valves Carpentier-Edwards Pericardial Valve Ionescu-Shiley Pericardial Valve Hancock Pericardial Valve Stentless Valves St. Jude Toronto SPV (Stentless Por

23、cine Valve) Medtronic Freestyle Stentless Aortic Valve Tissuemed Stentless Pulmonary Valve,46,Type: Stented aortic porcine valve Manufacturer: Medtronic Inc. Materials: Porcine aortic valve leaflets, glutaraldehyde processed, on a polypropylene flexible stent reinforced with a metal ring (Haynes all

24、oy no. 25) at base; sewing ring- Polyester with silicone rubber insert Available in US:Yes Sizes:Aortic 23 mm - 31 mm Durability: 10 years - 90%, 15 years - 50% X Ray Appearance: Single round metal Oring. Dates: 1969 to present,Standard Hancock Model 242,47,48,Type: model 6625 Mitral and model 2625

25、aortic porcine tissue valves Manufacturer:Baxter-Edwards Inc. US Materials: Porcine valve tissue fixed in glutaraldehyde, stents made of wire, Elgiloy, which is a cobalt-nickel alloy; sewing ring-knitted Teflon X Ray Appearance: A continuous thin wire bent into 3 Ushaped loops Available in US:Yes Si

26、zes:Mitral - 25 mm- 35 mm Durability: 10 and 15 year durability probably similar to Hancock valve. Dates: 1975 to present,Carpentier-Edwards porcine valve,49,50,CE Pericardial Valve,Manufacturer:Baxter Healthcare Corporation, Edwards CVS Division. USManufacturing plant in Irvine, CA. Available in US

27、:Yes Sizes:Aortic:19-27 mm, Mitral:Not available yet. Some surgeons have implanted large aortic valves in the mitral position but this is discouraged by the manufacturer. Durability: At 12 years, Freedom from reoperation = 89%; Freedom from explant due to valve dysfunction = 91% X Ray Appearance: A

28、continuous thin wire bent into 3 Ushaped loops,51,52,5.3 人工腎,定義： 又稱人工透析機，是用人工方法模仿人體腎小球的過濾作用，在體外循環(huán)的情況下，去除人體血液內(nèi)過剩的含氮化合物、新陳代謝產(chǎn)物或逾量藥物等，調(diào)節(jié)水和電解質(zhì)平衡，以使血液凈化的一種高技術(shù)醫(yī)療儀器。人工腎是一種透析治療設(shè)備。透析療法包括血液透析、血液濾過、血液灌流和腹膜透析，是分別應(yīng)用血液透析機、血濾機、血液灌流器和腹膜透析管對病人進行治療的技術(shù)。,53,發(fā)展： 1913年英國的阿黛爾用硝棉膠膜作為透析膜，生理鹽水作為透析液為腎病患者進行透析。這就是人工腎的前驅(qū)研究。 1935

29、年黑斯首次將透析技術(shù)用于臨床。 1943年荷蘭醫(yī)生科爾夫制成了第一個人工腎，首次以機器代替人體的重要器官。 1960年，美國外科醫(yī)生斯克里布納發(fā)明了一種塑料連接器，可永久裝進病人前臂，連接動脈和靜脈，與人工腎極容易連接，不會損傷血管，這樣就能夠為病人長期進行血液透析治療。,54,1946年在倫敦，哈默.史密斯醫(yī)院使用的由科爾夫發(fā)明的早期人工腎,55,德國貝朗全電腦控制血液透析儀,56,原理： 需從病人動脈將血液引流出來，在人工腎經(jīng)過透析后再從靜脈輸入病人體內(nèi)。它的核心部分是一種用高分子材料（稱為膜材料）制成的透析器。這種膜材料具有半通透特性，可代替腎小球以實現(xiàn)其毛細(xì)血管壁的濾過功能，達(dá)到血液凈

30、化的目的?，F(xiàn)用的膜材料有用化學(xué)方法從棉花中提取的再生纖維素和改良纖維素，以及一些高分子聚合物如聚丙烯睛、聚酰胺、乙烯乙烯醇共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯等。當(dāng)今世界上有300多種產(chǎn)品的人工腎，所用透析膜材料有30多種。,57,人工腎是應(yīng)用的膜分離技術(shù)原理。根據(jù)GibbsDonnan膜平衡原理，用半透膜將引出 人體外的血液與專門配制的透析液隔開。由于血液和透析液所含溶質(zhì)濃度的不同，及其所形成的滲透濃度差，使包含代謝產(chǎn)物的溶質(zhì)（如尿素、肌肝、尿酸，以及廢物硫酸鹽、酚和過剩離子Na+、K+、Cl），在濃度梯度的驅(qū)動下，從濃度高的血液一側(cè)，通過半透膜向濃度低的透析液一側(cè)移動（稱為彌散作用）；而水分則從滲透濃

31、度低的一側(cè)向濃度高的一側(cè)轉(zhuǎn)移（稱為滲透作用），最終實現(xiàn)動態(tài)平衡，達(dá)到清除人體代謝廢物和糾正水、電解質(zhì)和酸堿平衡的治療目的。,58,組成： 透析型人工腎由三部分組成：血液凈化系統(tǒng)（透析器）、透析液供給系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)。 常用的透析器是空心纖維型結(jié)構(gòu)，由內(nèi)徑200m，壁厚30m左右的透析膜材料制成的1萬1.5萬根空心纖維，組裝在直徑510cm、長約2025cm的圓柱狀玻璃容器內(nèi)。血液在空心纖維管內(nèi)流動，透析液則環(huán)繞空心纖維管外四周流動，分別用泵驅(qū)動使血液和透析液循環(huán)。 當(dāng)代人工腎由微機控制，可自動檢測和控制滲透壓（靜脈回路壓力和透析液壓力之差）、透析液的溫度及濃度，并能進行靜脈口路氣泡檢測及報警

32、，漏血檢測及報警，以及透析液低電導(dǎo)檢測及報警。,59,人工腎透析回路組成示意圖,60,血液透析準(zhǔn)備：病人需要接受一系列檢查；做血管入口。兩種：永久性血管入口（包括瘺管和移植片）和暫時性血管入口（如中央管）。把動脈和靜脈連接在一起就形成瘺管。這將擴張靜脈，從而增加血流量。 血液透析過程： 1. 將兩根針插入永久性血管入口。一根針將血液輸出體外，另一根針則將清潔過的血液輸回體內(nèi)。約一杯量的血液留在體外。 2.血液從體內(nèi)被抽出。 3.向血管或人工腎臟注入防凝劑，防止凝結(jié)。 4.血液流經(jīng)人工腎臟，廢物和多余水分被清除。 5.清潔后的血液通過氣壓指示器（安全裝置）。 6.血液通過靜脈針流回人體內(nèi)。,61

33、,腹膜透析 經(jīng)腹膜透析導(dǎo)管注入透析液，留置腹腔4-6小時以淨(jìng)化血液，之後將透析液引流出來，再注入一袋新鮮透析液。 每日執(zhí)行4-5次換液(每次換液所需時間約20-30分)，24小時持續(xù)進行透析 住家或工作處或任何場所 病患自己或家屬 依自己的作息彈性調(diào)整 緩慢，血液中生化值的變動平穩(wěn),62,63,5.4 人工肝5.4.1 概述,概念：又稱人工肝支持系統(tǒng)(Artificial Liver support system,ALSS)。就是借助人工干預(yù)使肝臟功能得以暫時替代，從而為患者自身細(xì)胞再生及功能恢復(fù)創(chuàng)造較好的內(nèi)環(huán)境及寶貴的時間。 人工肝與其它內(nèi)科治療的主要區(qū)別在于前者主要通過“功能替代”治病，后

34、者主要通過“功能加強”治病。 人工肝的研究始于20世紀(jì)50年代,64,人工肝的應(yīng)用： 國內(nèi)主要用于急慢性肝功能衰竭的支持治療，為自身肝細(xì)胞功能再生及功能恢復(fù)創(chuàng)造條件。在國外主要作為肝移植前的暫時維持手段及移植后的肝臟最初無功能狀態(tài)時的暫時替代。 主要適應(yīng)癥有：重癥肝炎、肝衰竭、血小板減少性紫癜、多發(fā)性骨髓瘤、高血脂、全身性紅斑狼瘡、重癥肌無力、藥物中毒、重度血型不合妊娠等。,65,根據(jù)其組成和性質(zhì)主要可分三類： （1）非生物型，又稱物理型，主要通過物理或機械的方法進行治療，如血漿置換、膽紅素吸附等。 （2）生物型，將生物部分如同種及異種肝細(xì)胞與合成材料相結(jié)合組成特定的裝置，患者的血液或血漿通過

35、該裝置進行物質(zhì)交換和解毒轉(zhuǎn)化等。 （3）混合型，由生物及非生物型組成的具有兩者功能的人工肝支持系統(tǒng)。,5.4.1 分類介紹,66,非生物型人工肝： 目前較常用的方法有血漿置換（Plasma exchange，PE）、血漿膽紅素、氨及藥物吸附（PA）、全血灌流（HP）、血液濾過（HF）等。 較少開展的方法有血液透析加吸附（Biologic-DT）、雙重濾過血漿置換（DFPP）等。,67,血漿置換 目前以血漿置換在國內(nèi)外應(yīng)用最多。采用血漿分離器將患者血漿從全血中分離并棄去，同時代之以新鮮冷凍血漿或人血白蛋白等溶液。此方法在去除血液中膽紅素、內(nèi)毒素、細(xì)胞毒性因子等有害物質(zhì)的同時，補充多種生物活性成分

36、。成人一次置換3000-3500毫升血漿并適當(dāng)補充部分白蛋白及其它液體，可使患者血清中的內(nèi)毒素、膽紅素、腫瘤壞死因子等有害物質(zhì)迅速減少35%-60%左右，同時補充的凝血因子、補體、白蛋白、纖維蛋白等所需成分迅速在體內(nèi)發(fā)揮作用。伴隨血液中毒性物質(zhì)的減少，臨床癥狀也有較為明顯的改善。,68,血漿膽紅素吸附 是另一常用和公認(rèn)的非生物型肝支持技術(shù)。它是將分離器分離的血漿再經(jīng)一特殊的吸附柱吸附去除部分膽紅素等，爾后回到患者體內(nèi)。類似的吸咐方法還有活性碳血氨及毒素吸附及直接血液灌流（吸咐）等，不同主要在于吸附柱性質(zhì)及對目標(biāo)吸附物的選擇。,69,70,WLXGX-888型偉力血液凈化人工肝支持系統(tǒng),71,血

37、漿置換最常見的不良反應(yīng)主要有：血漿過敏、血壓下降、出血及局部血腫、灌流及分離器堵塞及異體血漿潛在的感染。膽紅素等毒物吸吸附主要的不良反應(yīng)還有血小板及血漿白蛋白下降等。 由于肝功能衰竭時不僅肝臟解毒功能不全，其合成、分泌、轉(zhuǎn)化功能也嚴(yán)重受損，而后者單純以非生物型人工肝治療則難以解決。而且由于在清除毒物的同時機體一些有用的成分如促肝細(xì)胞生長因子也被清除，因而非生物型人工肝的療效是有限的。,72,生物型人工肝（Bioartifical Liver） 主要由生物反應(yīng)器、有活力的培養(yǎng)肝細(xì)胞及循環(huán)輔助系統(tǒng)組成。其原理如下：將肝細(xì)胞置于生物反應(yīng)器中，患者血液或血漿在循環(huán)輔助裝置的作用下流經(jīng)生物反應(yīng)器時通過半

38、透膜或直接與培養(yǎng)肝細(xì)胞之間進行物質(zhì)交換。 具有解毒、分泌、合成及轉(zhuǎn)化等多種類似自然肝的功能及作用。 所用細(xì)胞最好是人源非腫瘤細(xì)胞系，同時易于大量長期培養(yǎng)并具有較高的生物活性。目前研究較多的有原代培養(yǎng)的異種動物如大鼠、兔、豬等的肝細(xì)胞，其中原代培養(yǎng)的豬肝細(xì)胞是目前研究最多的一種細(xì)胞，在臨床應(yīng)用中取得較好的效果。,73,混合型或雜交型人工肝 由于肝功能衰竭患者血中的毒物對培養(yǎng)的肝細(xì)胞有毒害作用，可影響到肝細(xì)胞的活力和治療效果，因此一般先將患者血漿經(jīng)非生物型的膽紅素或其它吸咐裝置吸咐，而后再進入生物反應(yīng)器中循環(huán)。 使用異種細(xì)胞存在著潛在的免疫反應(yīng)，動物傳染病傳播到患者，以及倫理學(xué)等問題。,74,5.

39、5 人工心臟,定義：人工心臟是利用機械的方法把血液輸送到全身各器官以代替心臟的功能的裝置。人工心臟可分為暫時性，即部分取代心臟的輔助性人工心臟；長期性，即取代整個心臟的安全人工心臟。,75,5.5.1人工心臟的發(fā)展史,1895年，試制人工心臟泵對機體的組織和器官進行灌流。 本世紀(jì)30年代，研制出世界上第一個人工心臟。暫時的輔助性人工心臟，實際上是一種體外循環(huán)機。 1957年美國開始完全人工心臟的研究。1958年制成塑料的人工心臟，并進行了以人工心臟置換狗心臟的試驗，但這只狗只活了90分鐘。 1969年，人工心臟用于人體。,76,1982年 ，JARVIK-7是世界上第一個試圖永久性植入人體的完

40、全人工心臟。此種人工心臟外部有驅(qū)動裝置，患者借助管子與機器相連接，可長期使用，這種人工心臟的最大缺點是需要由體外裝置提供動力的能源。,77,1998年，首個輕便式的心臟“輔助器”投放英美市場。2000年，給病人植入首個Jarvik-2000型人工心臟，重約90克，附在心臟的左心室上。 2001年7月2日，世界上第一例全植入式人工心臟植入手術(shù)在美國獲得成功。名為AbioCor。 重約兩磅，呈柚子狀，材料是塑料和鈦。151天身亡。 完全代替心室功能并能完整植入體內(nèi)的人工心臟，不依賴體外的機器工作，能給病人更多活動能力。 由4部分構(gòu)成：金屬鈦的心臟本體、一微型鋰電池、一計算機控制系統(tǒng)以及外接電池組。

41、人造心臟本體取代患者心臟的左右心室，微型鋰電池和控制系統(tǒng)將植入患者的腹腔，外接電池組不植入人體，而是通過安裝在腹部表皮下的插座向植入的微型鋰電池充電。有兩個替代左右心室的腔室，4個接口，分別連接左右心房、主動脈、肺動脈。兩個腔室中間是電動機和泵，在心臟與血管的接口部分裝有活塞，以代替心臟瓣膜的功能。 鋰電池能量耗盡的時候由外掛電池組充電。,78,79,80,5.5.2 人工心臟的分類,按用途分類：左心室輔助循環(huán)、右心室輔助循環(huán)及雙心室輔助循環(huán)和全人工心臟。左或右心室輔助應(yīng)用比較早，雙心室輔助循環(huán)優(yōu)勢甚至優(yōu)于全人工心臟，全人工心臟對可置入性、持續(xù)能源、組織相溶性提出了很高的要求。 按應(yīng)用分類：短

42、期泵、間斷性泵、長期泵和永久性泵。短期泵、間斷性泵主要為左、右室輔助循環(huán)，用以短期輔助自身心臟恢復(fù)供血功能；長期泵和永久性泵主要指雙室輔助循環(huán)、全人工心臟，用以終末期心臟疾病等待心臟移植或永久性全人工心臟移植。,81,5.5.3 結(jié)構(gòu)與材料學(xué)進展,1. 泵的進展從血流效果上來看分為搏動性血流和非搏動性血流兩種。理論上講搏動性血流更適于人體生理特點，但是它必須有活瓣、彈性隔膜以及巨大的心室容量。而非搏動性人工心臟需要高效的能源與軸承密封或電磁軸承以減少血栓形成，維持正常器官功能，它需要更高的血管內(nèi)壓，并能造成器官血流和生化特點的變化，從全人工心臟的永久性應(yīng)用來看進一步發(fā)展非搏動性泵更有利于人工心

43、臟解決血栓和全置入人體的問題。從泵血的方式來看，傳統(tǒng)的氣動泵正由可攜帶性、可置入性、可壓縮性好的電動泵代替。,82,進行動物實驗的人工心臟的血液泵,83,2.能源的演變從應(yīng)用的功能設(shè)置來看可分為外置型與內(nèi)置型和固定型與可移動型，從實用性來看，可移動內(nèi)置電源最為理想。主要有三個研究方向：高能電池（核能電池）、高效儲電瓶（代表產(chǎn)品為鋰電）、經(jīng)皮充電（研究最熱、最有希望的技術(shù)之一）。,84,3. 選用材料 高分子材料一直是人工循環(huán)的主要應(yīng)用材料。針對人工心臟的特點聚脂類有較好的應(yīng)用前途，如聚烏拉坦。今后還有可能利用人工材料的特點體外塑行以微創(chuàng)手術(shù)將人工心臟置入人體，或者將人工材料做成人體可降解材料，

44、使其在一定時期后功能完成后自然降解，以免除二次手術(shù)。 人工合金對人工心臟也做 出了較大的貢獻，如鎳鈦合金曾經(jīng)作為人工心臟瓣膜、心室，其堅固性、輕質(zhì)、表面光滑性非常適于人工心臟。近來有人做成鎳鈦鋯合金其優(yōu)越性更為突出。,85,4.人工心臟的調(diào)節(jié)人工心臟的可調(diào)節(jié)性是其又一突出進展。將人工心臟與集成電路芯片結(jié)合起來根據(jù)自體適時需要控制人工心臟的做功。如LDPACE 左室輔助循環(huán)可以根據(jù)病人的心電圖按1：1到1：8調(diào)節(jié)心臟做功。預(yù)計將來可以結(jié)合生物傳感器根據(jù)更多血流動力學(xué)指征進行自身調(diào)節(jié)。,86,5.5.4人工心臟的臨床應(yīng)用和并發(fā)癥,應(yīng)用選擇及治療學(xué)基礎(chǔ)短期心室支持主要用于輔助心臟渡過其急性期病變的可

45、逆性心臟疾病和部分短期內(nèi)可以等到供心的心臟移植患者。前者見于急性心肌炎、心室部分切除、骨髂肌心肌成形、心臟人工瓣膜置換術(shù)后等，例如The LDPACE 。輔助循環(huán)可逆性心臟病的機制近年來有許多研究對免疫學(xué)、病理學(xué)、分子生物學(xué)得以深入研究，為其進一步應(yīng)用提供了依據(jù)。人工心臟長期應(yīng)用主要用于等待同種心臟移植或永久攜帶全人工心臟患者，見于終末期心臟病患者。,87,人工心臟的管理 人工心臟的管理包括人工心臟的機械管理和人工心臟攜帶者并發(fā)癥的管理。 前者的突破在于人工心臟與電腦程序化控制結(jié)合和機械工藝的改進。 攜帶者的管理主要針對其并發(fā)癥出血、栓塞、感染、右心功能衰竭，到目前為止以上并發(fā)癥仍然是人工心臟

46、應(yīng)用的主要瓶頸。近來的研究集中在改進人工心臟的材料結(jié)構(gòu)及工藝，總的來看沒有突破性進展。,88,5.5.5 人工心臟的發(fā)展方向,隨著人工心臟向小型化、耐用性強及低阻力的發(fā)展有可能將來像人工心臟起搏器一樣得以廣泛應(yīng)用。 人工心臟的發(fā)展需要進一步解決的問題： 1.小型而具有高射血效能 2.安全可靠的控制系統(tǒng)和能源供應(yīng)模型 3.經(jīng)久耐用的帶瓣血室,89,5.6 人工耳蝸（Cochlear Implant）,定義：又稱電子耳蝸，或耳蝸埋植，人工電子耳。是植入式電子裝置，能將聲能轉(zhuǎn)換成電能，通過植人鼓階、圓窗或耳囊內(nèi)的電極，直接刺激耳蝸內(nèi)殘余的聽神經(jīng)纖維，使聾人產(chǎn)生聽覺。,90,聽覺產(chǎn)生的原理： 耳蝸基底

47、膜的機械特性和毛細(xì)胞的靜纖毛的梯度變化是耳蝸對輸入聲波進行頻率和空間分析的形態(tài)學(xué)基礎(chǔ)。耳蝸基底膜的基底部分對高頻敏感，頂部對低頻敏感，人類語言頻率范圍為5003000Hz，與基底膜從底部算起的1025mm的相應(yīng)位置相對應(yīng)。 基底膜振動時，帶動相連的復(fù)膜及毛細(xì)胞的靜纖毛發(fā)生剪切運動，使毛細(xì)胞表皮板的電阻發(fā)生變化，調(diào)制了通過毛細(xì)胞的電流，產(chǎn)生了耳蝸的感受器電位，這就是耳蝸的機械電換能過程。 耳蝸感受器電位可以使毛細(xì)胞底部的表面膜電位發(fā)生變化，從而引起耳蝸神經(jīng)末梢產(chǎn)生興奮，產(chǎn)生突觸后電位，又形成神經(jīng)動作電位由耳蝸神經(jīng)向中樞傳遞，從而形成聽覺。,91,92,聲波通過時的耳蝸,93,特點： 大多數(shù)的聽障

48、患者都是由于聽覺毛細(xì)胞先天發(fā)育不良或受損。 人工電子耳是在耳蝸內(nèi)植入電極越過發(fā)育不良或受損的聽覺毛細(xì)胞，將聲波轉(zhuǎn)換為電波后直接刺激聽覺神經(jīng)再傳至大腦。 一般助聽器只單純放大聲音，仍須經(jīng)包含不良毛細(xì)胞的原有路徑傳導(dǎo)，因此語言辨識能力受到影響，特別是高頻聽力無法有效提升。所以效果比助聽器更好。,94,發(fā)展： 1790年Volta首先發(fā)現(xiàn)電流刺激耳朵會產(chǎn)生聽覺 1957年Djourno等將金屬線放入聾人的耳蝸，并用交流電刺激，人工電子耳植入術(shù)的研究正式萌芽。 1957年埃伯哈特等發(fā)現(xiàn)，人的聽力系統(tǒng)可將聲音區(qū)分為24個波道，聽覺神經(jīng)中某一部分的纖維傳導(dǎo)低音信號，相鄰部分的纖維傳導(dǎo)的聲音訊號就略高些，如

49、此類推，構(gòu)成一個可預(yù)見的模式。 1972年House與Urban研發(fā)出單頻道人工電子耳， 1984年澳洲的Clark等則研發(fā)出核式(Nucleus)22個多頻道人工電子耳， 目前人工電子耳的市場以多頻道為主，澳洲核式已進展到24個頻道，其他主要的廠牌包括美國的Clarion有八個頻道，奧地利的MED-EL 40+ 則有12對電極。 電子耳效果好壞，與頻道多寡關(guān)系不大，取決因素在于語言處理策略(processing strategy)對訊號處理的速度。,95,原理：人工耳蝸是模擬耳蝸的生理功能的電子裝置，由體內(nèi)和體外兩部分組成。 體外部分象助聽器一樣戴在外部 微型話筒：接收外界聲能并轉(zhuǎn)換成電信號

50、 言語處理器：根據(jù)特殊信號處理方案調(diào)制信號，處理過的信號被放大到一定幅度，送到發(fā)射線圈上 信號發(fā)送裝置：經(jīng)電磁感應(yīng)方式或經(jīng)射頻發(fā)射方式，將信號傳送到植入部分的接收線圈上， 體內(nèi)部分 接收器刺激器：將信號放大，再傳送到電極上，放于顳骨上磨出之凹槽內(nèi)。 電極，電極植入耳蝸之鼓室階內(nèi)，直接刺激殘余的耳蝸神經(jīng)成分。,96,人工耳蝸（感應(yīng)式）的組成示意圖,97,類型： 言語處理方案（模擬或特征提?。?電極數(shù)（單導(dǎo)或多導(dǎo)） 電極放置位置（蝸內(nèi)或蝸外） 刺激結(jié)構(gòu)（單極或雙極） 經(jīng)皮傳送方式（透皮或經(jīng)皮）,98,Clarion人工電子耳系統(tǒng),99,麥克風(fēng) 聲音是經(jīng)由麥克風(fēng)傳入人工電子耳系統(tǒng)的。麥克風(fēng)位于訊息發(fā)

51、射器上面，或者位于耳掛式的白金系列聲音處理器上。 全方位的麥克風(fēng)能夠接收來自360度各個方向的聲音，麥克風(fēng)接收后把聲音傳送到聲音處理器，處理器再將聲音轉(zhuǎn)變成數(shù)字訊號。 系統(tǒng)所能感應(yīng)到的音量強度范圍（輸入動態(tài)范圍），是由系統(tǒng)當(dāng)中的軟件和電子零件所決定的。輸入動態(tài)范圍越廣，所能捕捉到的聲音就越多。Clarion系統(tǒng)最廣的輸入動態(tài)范圍可以達(dá)到60分貝。,100,101,聲音處理器 Clarion聲音處理器中含有全世界速度最快的省電微形數(shù)字聲音處理芯片(mini-DSP)，迷你芯片使Clarion的聲音處理器能快速地處理訊息。 聲音處理器是一個效率極高的微電腦，在一秒當(dāng)中可以處理一億項指令。,102,

52、103,新一代電極 Clarion新一代電極具有特別的電極分隔器，這些枕頭狀的突起具有絕緣的作用，可以防止電流互相接觸而產(chǎn)生干擾，使電流能夠準(zhǔn)確地刺激聽神經(jīng)。 Clarion有十六個電極它們的接觸面呈長方形，電流傳送的方向直接對準(zhǔn)聽神經(jīng)神經(jīng)元的位置。 新一代電極柔軟的前彎結(jié)構(gòu)，能使手術(shù)植入容易的進行。,104,105,106,107,電極定位器 不管耳蝸的形狀或大小，Clarion的電極定位器都能夠把電極置放在最接近聽神經(jīng)的位置。 電極定位器放置在耳蝸內(nèi)電極的后方，它保全了耳蝸內(nèi)部空間的暢通，使疤痕組織難以擴展，讓使用者未來有機會接受更新的人工電子耳科技。,108,109,人工胰腺,人工胰是用

53、人工方法取代正常胰腺內(nèi)分泌功能的一種機械裝置，由微機控創(chuàng)。人工胰是糖尿病患者的胰島素分泌不足時的一種補充 體外型人工胰：是1971年由Siemens發(fā)明的，后經(jīng)不斷改進已用于臨床。它是由血糖傳感器、測量電路、微機控制系統(tǒng)、胰島素儲存器、注射器及能源組成，佩帶在病人前肢上。這種人工胰運用生物控制技術(shù)，可實時檢測患者血液中的血糖含量，用微處理器自動分析并控制注射器向患者輸入胰島素的量。這種人工胰由于使用不方便，目前只在糖尿病患者手術(shù)等情況下使用。,110,半生物型人工胰島：人工胰島是利用動物胰島細(xì)胞用免疫隔離膜法，防止植入人體后產(chǎn)生排異反應(yīng)，當(dāng)人體血糖變化時，則人工胰島發(fā)生反應(yīng)達(dá)到有效控制血糖的目

54、的。這種人工胰島是1965年由加拿大麥吉爾大學(xué) TMS Chang發(fā)明的，至今進入動物實驗階段，還未進入臨床應(yīng)用。1983年加拿大多倫多大學(xué)用海藻酸鈣包埋胰島細(xì)胞制成人工胰，他們將人工胰島細(xì)胞植入病鼠腹膜腔內(nèi)，成功地控制了病鼠的血糖濃度達(dá)10個月之久 。,111,植入型人工胰：法國蒙彼利埃市大學(xué)醫(yī)療中心，在世界上首次為一胰島素依賴型糖尿病患者成功地進行了人工胰腺植入手術(shù)。 這個人工胰腺主要由胰島素泵和血糖監(jiān)測儀兩部分組成。胰島素泵被植入患者腹腔內(nèi)的胰腺位置上，大約有厘米厚厘米長，主要包括一個使用壽命為年的電池和一個濃縮胰島素儲藏器。,112,跟目前普遍使用的胰島素泵一樣，患者每個月需要通過皮膚

55、將胰島素注射進儲藏器，然后再由胰島素泵根據(jù)具體情況將胰島素適量泵入患者的腹腔。 血糖監(jiān)測儀，其數(shù)值指示部分留在體外，而探頭部分則被植入患者頸部的頸靜脈中，并由一根兩毫米厚的導(dǎo)管連接至腔靜脈。,113,患者在接受手術(shù)的第一個月內(nèi)還需要通過化驗手指血來檢查血糖含量，并人工調(diào)節(jié)胰島素泵，控制胰島素注射量，此后，他將可以根據(jù)血糖監(jiān)測儀指示的數(shù)值 調(diào)節(jié)胰島素注射量，而無須再采血進行化驗。 目前，他們還不能把胰島素泵和血糖監(jiān)測儀兩部分有機地連接起來。為保證患者的健康，必須在反復(fù)驗證血糖監(jiān)測儀測量準(zhǔn)確無誤和肯定人工胰腺植入人體不產(chǎn)生副作用后，才能讓人工胰腺真正發(fā)揮自然胰腺的作用，即讓它根據(jù)患者體內(nèi)的血糖含量

56、自動調(diào)節(jié)胰島素的注射量。,114,人工皮膚,人工皮膚它是在受創(chuàng)傷皮膚治療過程中使用的一種暫時性的創(chuàng)面保護性覆蓋材料，科學(xué)的名稱應(yīng)該為人工的燒（創(chuàng)）傷覆蓋材料。 傳統(tǒng)的人工皮膚是由合成纖維制成的，一般由基底層與織物層結(jié)合而成?？椢飳佑慑\綸滌淪丙綸等纖維材料組成。將纖維織成具有特殊的絲絨狀或無絮狀的表面，其目的是使人體組織可以長入并固定。如把錦綸絲絨結(jié)合在厚度為0.25mm的聚合多肽基底層上，經(jīng)抗生物質(zhì)處理，制成的人工皮膚。,115,人工皮膚應(yīng)具備下列物理化學(xué)及生物化學(xué)條件：一是防止水分與體液從創(chuàng)面蒸發(fā)與流失；二是防止創(chuàng)面的感染；三是使用肉芽或新皮能逐漸成長，促使治愈。 傳統(tǒng)的人工皮膚雖有多種，但

57、都有不足之處。由甲殼素纖維制成的人工皮膚，醫(yī)療效果顯著優(yōu)于傳統(tǒng)的人工皮膚。目前已經(jīng)商品化了，其中商標(biāo)為帕斯基奇W的人工皮膚是比較理想的醫(yī)療效果非常出色的創(chuàng)傷保護材料。,116,它是采用血清蛋白質(zhì)對甲殼素微細(xì)纖維進行處理，以提高其吸附性，然后將甲殼素纖維切成長度為5- 15mm的短纖維，用水作分散劑，用聚乙烯醇作粘合劑制成非織造布，并切成適當(dāng)大小，包裝滅菌供臨床使用。,117,甲殼素人工皮膚耐溶解性強，便于表皮細(xì)胞長入，愈后不發(fā)生粘連，具有止血鎮(zhèn)痛的功效，并能抑制微生物菌類的繁殖，促進傷口愈合。還可以采用這種材料的基體，培養(yǎng)表皮細(xì)胞，再貼于創(chuàng)傷表面，待甲殼素纖維分解后，就形成完整的新生真皮。 甲

58、殼素人工皮膚是一種前所未有的高技術(shù)新材料，它能與生物體組織發(fā)生細(xì)胞間的親和與反應(yīng)，表現(xiàn)出卓有成效的輔助治療功能。,118,我國是擁有12.5億人口的大國,每年因事故燒傷病人不計其數(shù),治療中往往采用病人自身皮膚移植,遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求。人工皮膚的研究與開發(fā)，市場前景廣闊。,119,人工肺,人工肺系指用血氣交換，調(diào)節(jié)血內(nèi)氧氣和二氧化碳含量，取代人體肺功能的裝置，又稱氧合器。人工心臟亦即血泵，可取代人體心臟進行血液循環(huán)。人工心肺機就是由氧合器和血泵及輔助設(shè)備組成的，能進行體外循環(huán)的機械裝置。人工心肺機用于心臟手術(shù)的體外循環(huán)、肺移植的輔助呼吸、急性呼吸衰竭的輔助治療等。,120,121,體外循環(huán)將靜脈血通入氧以使血液氧含的設(shè)想，是Schroder干1882年提出的。經(jīng)過幾十年許多人的設(shè)計和實驗，到二十