《生物医学工程导论-人工器官》.ppt

1、1,人 工 器 官,生物医学工程导论,2,5.1 概述,定义：人工器官是生物医学工程专业中一门新的学科。它主要研究模拟人体器官的结构和功能，用人工材料和电子技术制成部分或全部替代人体自然器官功能的机械装置和电子装置。当人体器官病损而用常规方法不能医治时，有可能给病人使用一个人工制造的器官来取代或部分取代病损的自然器官，补偿或修复或辅助其功能。,3,发展：20世纪80年代以来，人工器官的研究和应用迅速发展，可以说，人体除大脑尚无人工大脑替代外，几乎人体各个器官都在进行人工模拟研制中，其中有不少人工器官已成功地用于临床。,4,5,人工器官按功能分为11类： （1）支持运动功能的人工器官，如人工关节

2、、人工脊椎、人工骨、人工肌腱、肌电控制人工假肢等。 （2）血液循环功能的人工器官，如人工心脏及其辅助循环装置、人工心脏瓣膜、人工血管、人工血液等。 （3）呼吸功能的人工器官，如人工肺（人工心肺机）、人工气管、人工喉等。 （4）血液净化功能的人工器官，如人工肾（血液透析机）、人工肺等。 （5）消化功能的人工器官，如人工食管、人工胆管、人工肠等。,6,（6）排尿功能的人工器官，如人工膀胱、人工输尿管、人工尿道等。 （7）内分泌功能的人工器官，如人工胰、人工胰岛细胞。 （8）生殖功能的人工器官，如人工子宫、人工输卵管、人工睾丸等。 （9）神经传导功能的人工器官，如心脏起搏器、膈起搏器等。 （10）感

3、觉功能的人工器官，如人工视觉、人工听觉（人工耳蜗）、人工晶体、人工角膜、人工听骨、人工鼻等。 （11）其他类，人工硬脊膜、人工皮肤等。,7,人工器官按原理分类 机械式装置（如人工心脏瓣膜、人工气管、人工晶体等） 电子式装置（如人工耳蜗、人工胰、人工肾、心脏起搏器等） 人工器官按使用方式分类 植入式，如人工关节、人工心脏瓣膜、心脏起搏器。 体外式，如人工肾、人工肺、人工胰。这些体外式人工器官实际上都是由电子控制的精密机械装置。,8,特点：人工器官是多种学科研究的结晶，该学科是生物材料、生物力学、组织工程学、电子学（包括计算机）特别是微电子学以及临床医学相结合的多学科的交叉学科。,9,由于人工器官

4、的种类非常多，下面只重点介绍几种： 人工心脏瓣膜 人工肾 人工肝 人工心脏 人工耳蜗,10,5.2 人工心脏瓣膜5.2.1 概述,定义：人工心脏瓣膜是可植入心脏内代替心脏瓣膜（主动脉瓣、肺动脉瓣、三尖瓣、二尖瓣），能使血液单向流动，具有天然心脏瓣膜功能的人工器官。当心脏瓣膜病变严重而不能用瓣膜分离手术或修补手术恢复或改善瓣膜功能时，则须采用人工心脏瓣膜置换术。换瓣病例主要有风湿性心脏病、先天性心脏病、马凡氏综合症等。,11,12,13,人工瓣膜的类型 机械瓣 球型瓣 Ball Valves 碟型瓣 Disk Valves 单叶碟瓣 Single Leaflet Disk Valves 双叶碟瓣

5、 Bileaflet Disk Valves 组织瓣（生物瓣） 人体组织瓣 Human Tissue Valves (Homografts, Autografts, Ross Procedure) 动物组织瓣 Animal Tissue Valves (Xenografts, Heterografts),14,5.2.2 球型瓣,球型瓣是植入人体的第一种人工心脏瓣膜，许多年来有许多种不同的设计，但到目前为止，在美国临床上仍在使用的球型瓣只剩下Starr-Edwards瓣。 球型瓣包括一个支架和球体，是临床使用最早的心脏瓣膜。他们是一组最可靠及持久的瓣膜设计。 Starr-Edwards瓣 Ma

6、govern-Cromie Sutureless Valve 不缝合瓣 Smeloff-Sutter瓣,15,Starr-Edwards Model 1000,型号: Starr-Edwards model 1000 类型: 主动脉笼球瓣 Aortic caged ball 生产厂商: 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线部分: Three radiopaq

7、ue metal struts join at top, ball radiolucent, cage radiopaque. Three metal feet project into center of orifice from ring. 使用时间: 1961-1966 在美国已经很少使用。,16,Starr-Edwards Model ,17,Magovern-Cromie Sutureless Valve 不缝合瓣,采用不缝合的技术植入人体内。在瓣膜缘的四周有小的钩子，手术者将其安置在合适位置后，用小钩子固定。,18,19,型号: Magovern-Cromie valve 类型:

8、Aortic caged ball 生产厂商: 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线部分: Cage radiopaque, open at top, ball radiopaque, hooks protrude from base ring. 使用时间: 1963-停止时间不详,20,Smeloff-Sutter V

9、alve,在设计笼球瓣时，有一个思路就是减小球的大小来减低瓣膜对流出道的阻塞。但如果球体太小，小于瓣膜的横径，那么球体有移位的可能。所以Smeloff-Sutter和Cutter-Smeloff瓣在两边都有笼球来限制球体的活动，但有保持小球体改善血液动力学的优点。,21,二尖瓣,22,三尖瓣,23,主动脉瓣,24,型号: Smeloff-Sutter valve 类型: Aortic, mitral, tricuspid caged ball 生产厂商: Sutter Biomedical Inc. 材料: Ball-Silicone rubber; cage-titanium; sewing

10、 ring-Teflon 不透X线部分: Radiolucent ball, 3 struts from both top and bottom of valve, open cages on both sides, inflow cage smaller than outflow。 使用时间: 1966-停止时间不详(不连续的使用)。 可能存在的问题: 球体移位，球体随脂质吸收后体积增加，有可能造成流出道阻塞。,25,正在植入球形人造心脏瓣膜,26,5.2.3 碟型瓣 Disk Valves,碟型瓣分单页和双页碟瓣。 最早的设计是单页碟瓣，临床上取得了巨大的成功。尽管双页碟瓣的出现要晚些，却

11、已占领目前美国人工机械心脏瓣膜市场90%的份额。,27,最具有历史意义的单页碟瓣是最早的Bjork-Shiley瓣，已经停止在美国的销售。目前在美国使用的单页碟瓣多为Medtronic-Hall瓣及 Omniscience瓣。 以下是历史上出现和使用的各种单页瓣膜，许多目前已经停用。,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单页（Single Leaflet）碟瓣,28,Beall Model 106,是一个笼碟瓣 材料: Disk-pyrolytic carbon; cage-pyrolytic carbon; sewing ring- Dacron. 生产厂商: Coratomic 不透X线部分: Two parallel bars attached to an indented opaque ring with fou

13、r struts, disk is radiopaque. 生产时间：1974年3月- (目前已经停止使用),29,30,型号: Harken P2 Prosthetic valve 类型: Mitral caged disk 生产厂商: Medical engineering, originally Surgitek-Surgitool 材料: Disk Silicone; Cage: Titanium; sewing ring: Dacron 不透X线部分: Radiopaque disk, lens shaped, four thin struts cross in middle, cl

14、osed cage design. 使用时间: 1967-停止时间不详，非连续使用,Harken P2,31,Harken Valve: 流出道观，关闭状态,32,Harken Valve: 侧面观,33,Harken Valve: 斜面 流入道观，开放状态,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 双页（Bileaflet）碟瓣,最早、最主要、最成功的是St. Jude瓣，它的成功导致了许多模仿的设计，但其仍为美国植入最多的机械瓣膜。其他一些双页瓣，包括C

16、arbomedics瓣和Edwards-Duromedics瓣目前在美国已很少使用。 模仿的设计，多是对其悬挂系统的小的改进，其中最有竞争力的是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 组织瓣,组织瓣由采用的材料分类，材料的来源为动物或人体组织。使用的组织类型可以是瓣膜组织，也可以不是瓣膜组织。,43,5.2.4.1 人体组织瓣 Human Tissue Valves,无排斥反应，不用免疫抑制治疗 人体组织瓣的应用有两种： 同种异体移植,Homografts ：将一个瓣膜从一个人移植到另一个人。 自身移植,Autograft：从本人的一个部位移植到另一个部位。应用最多的自身移植是将肺动脉瓣移植到主动脉瓣，称为Ross手术。,44,45,5.2.

22、4.2 动物组织瓣膜(异种移植物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 人工肾,定义： 又称人工透析机，是用人工方法模仿人体肾小球的过滤作用，在体外循环的情况下，去除人体血液内过剩的含氮化合物、新陈代谢产物或逾量药物等，调节水和电解质平衡，以使血液净化的一种高技术医疗仪器。人工肾是一种透析治疗设备。透析疗法包括血液透析、血液滤过、血液灌流和腹膜透析，是分别应用血液透析机、血滤机、血液灌流器和腹膜透析管对病人进行治疗的技术。,53,发展： 1913年英国的阿黛尔用硝棉胶膜作为透析膜，生理盐水作为透析液为肾病患者进行透析。这就是人工肾的前驱研究。 1935

29、年黑斯首次将透析技术用于临床。 1943年荷兰医生科尔夫制成了第一个人工肾，首次以机器代替人体的重要器官。 1960年，美国外科医生斯克里布纳发明了一种塑料连接器，可永久装进病人前臂，连接动脉和静脉，与人工肾极容易连接，不会损伤血管，这样就能够为病人长期进行血液透析治疗。,54,1946年在伦敦，哈默.史密斯医院使用的由科尔夫发明的早期人工肾,55,德国贝朗全电脑控制血液透析仪,56,原理： 需从病人动脉将血液引流出来，在人工肾经过透析后再从静脉输入病人体内。它的核心部分是一种用高分子材料（称为膜材料）制成的透析器。这种膜材料具有半通透特性，可代替肾小球以实现其毛细血管壁的滤过功能，达到血液净

30、化的目的。现用的膜材料有用化学方法从棉花中提取的再生纤维素和改良纤维素，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。当今世界上有300多种产品的人工肾，所用透析膜材料有30多种。,57,人工肾是应用的膜分离技术原理。根据GibbsDonnan膜平衡原理，用半透膜将引出 人体外的血液与专门配制的透析液隔开。由于血液和透析液所含溶质浓度的不同，及其所形成的渗透浓度差，使包含代谢产物的溶质（如尿素、肌肝、尿酸，以及废物硫酸盐、酚和过剩离子Na+、K+、Cl），在浓度梯度的驱动下，从浓度高的血液一侧，通过半透膜向浓度低的透析液一侧移动（称为弥散作用）；而水分则从渗透浓

31、度低的一侧向浓度高的一侧转移（称为渗透作用），最终实现动态平衡，达到清除人体代谢废物和纠正水、电解质和酸碱平衡的治疗目的。,58,组成： 透析型人工肾由三部分组成：血液净化系统（透析器）、透析液供给系统和自动控制系统。 常用的透析器是空心纤维型结构，由内径200m，壁厚30m左右的透析膜材料制成的1万1.5万根空心纤维，组装在直径510cm、长约2025cm的圆柱状玻璃容器内。血液在空心纤维管内流动，透析液则环绕空心纤维管外四周流动，分别用泵驱动使血液和透析液循环。 当代人工肾由微机控制，可自动检测和控制渗透压（静脉回路压力和透析液压力之差）、透析液的温度及浓度，并能进行静脉口路气泡检测及报警

32、，漏血检测及报警，以及透析液低电导检测及报警。,59,人工肾透析回路组成示意图,60,血液透析准备：病人需要接受一系列检查；做血管入口。两种：永久性血管入口（包括瘘管和移植片）和暂时性血管入口（如中央管）。把动脉和静脉连接在一起就形成瘘管。这将扩张静脉，从而增加血流量。 血液透析过程： 1. 将两根针插入永久性血管入口。一根针将血液输出体外，另一根针则将清洁过的血液输回体内。约一杯量的血液留在体外。 2.血液从体内被抽出。 3.向血管或人工肾脏注入防凝剂，防止凝结。 4.血液流经人工肾脏，废物和多余水分被清除。 5.清洁后的血液通过气压指示器（安全装置）。 6.血液通过静脉针流回人体内。,61

33、,腹膜透析 經腹膜透析導管注入透析液，留置腹腔4-6小時以淨化血液，之後將透析液引流出來，再注入一袋新鮮透析液。 每日執行4-5次換液(每次換液所需時間約20-30分)，24小時持續進行透析 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整 緩慢，血液中生化值的變動平穩,62,63,5.4 人工肝5.4.1 概述,概念：又称人工肝支持系统(Artificial Liver support system,ALSS)。就是借助人工干预使肝脏功能得以暂时替代，从而为患者自身细胞再生及功能恢复创造较好的内环境及宝贵的时间。 人工肝与其它内科治疗的主要区别在于前者主要通过“功能替代”治病，后

34、者主要通过“功能加强”治病。 人工肝的研究始于20世纪50年代,64,人工肝的应用： 国内主要用于急慢性肝功能衰竭的支持治疗，为自身肝细胞功能再生及功能恢复创造条件。在国外主要作为肝移植前的暂时维持手段及移植后的肝脏最初无功能状态时的暂时替代。 主要适应症有：重症肝炎、肝衰竭、血小板减少性紫癜、多发性骨髓瘤、高血脂、全身性红斑狼疮、重症肌无力、药物中毒、重度血型不合妊娠等。,65,根据其组成和性质主要可分三类： （1）非生物型，又称物理型，主要通过物理或机械的方法进行治疗，如血浆置换、胆红素吸附等。 （2）生物型，将生物部分如同种及异种肝细胞与合成材料相结合组成特定的装置，患者的血液或血浆通过

35、该装置进行物质交换和解毒转化等。 （3）混合型，由生物及非生物型组成的具有两者功能的人工肝支持系统。,5.4.1 分类介绍,66,非生物型人工肝： 目前较常用的方法有血浆置换（Plasma exchange，PE）、血浆胆红素、氨及药物吸附（PA）、全血灌流（HP）、血液滤过（HF）等。 较少开展的方法有血液透析加吸附（Biologic-DT）、双重滤过血浆置换（DFPP）等。,67,血浆置换 目前以血浆置换在国内外应用最多。采用血浆分离器将患者血浆从全血中分离并弃去，同时代之以新鲜冷冻血浆或人血白蛋白等溶液。此方法在去除血液中胆红素、内毒素、细胞毒性因子等有害物质的同时，补充多种生物活性成分

36、。成人一次置换3000-3500毫升血浆并适当补充部分白蛋白及其它液体，可使患者血清中的内毒素、胆红素、肿瘤坏死因子等有害物质迅速减少35%-60%左右，同时补充的凝血因子、补体、白蛋白、纤维蛋白等所需成分迅速在体内发挥作用。伴随血液中毒性物质的减少，临床症状也有较为明显的改善。,68,血浆胆红素吸附 是另一常用和公认的非生物型肝支持技术。它是将分离器分离的血浆再经一特殊的吸附柱吸附去除部分胆红素等，尔后回到患者体内。类似的吸咐方法还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质及对目标吸附物的选择。,69,70,WLXGX-888型伟力血液净化人工肝支持系统,71,血

37、浆置换最常见的不良反应主要有：血浆过敏、血压下降、出血及局部血肿、灌流及分离器堵塞及异体血浆潜在的感染。胆红素等毒物吸吸附主要的不良反应还有血小板及血浆白蛋白下降等。 由于肝功能衰竭时不仅肝脏解毒功能不全，其合成、分泌、转化功能也严重受损，而后者单纯以非生物型人工肝治疗则难以解决。而且由于在清除毒物的同时机体一些有用的成分如促肝细胞生长因子也被清除，因而非生物型人工肝的疗效是有限的。,72,生物型人工肝（Bioartifical Liver） 主要由生物反应器、有活力的培养肝细胞及循环辅助系统组成。其原理如下：将肝细胞置于生物反应器中，患者血液或血浆在循环辅助装置的作用下流经生物反应器时通过半

38、透膜或直接与培养肝细胞之间进行物质交换。 具有解毒、分泌、合成及转化等多种类似自然肝的功能及作用。 所用细胞最好是人源非肿瘤细胞系，同时易于大量长期培养并具有较高的生物活性。目前研究较多的有原代培养的异种动物如大鼠、兔、猪等的肝细胞，其中原代培养的猪肝细胞是目前研究最多的一种细胞，在临床应用中取得较好的效果。,73,混合型或杂交型人工肝 由于肝功能衰竭患者血中的毒物对培养的肝细胞有毒害作用，可影响到肝细胞的活力和治疗效果，因此一般先将患者血浆经非生物型的胆红素或其它吸咐装置吸咐，而后再进入生物反应器中循环。 使用异种细胞存在着潜在的免疫反应，动物传染病传播到患者，以及伦理学等问题。,74,5.

39、5 人工心脏,定义：人工心脏是利用机械的方法把血液输送到全身各器官以代替心脏的功能的装置。人工心脏可分为暂时性，即部分取代心脏的辅助性人工心脏；长期性，即取代整个心脏的安全人工心脏。,75,5.5.1人工心脏的发展史,1895年，试制人工心脏泵对机体的组织和器官进行灌流。 本世纪30年代，研制出世界上第一个人工心脏。暂时的辅助性人工心脏，实际上是一种体外循环机。 1957年美国开始完全人工心脏的研究。1958年制成塑料的人工心脏，并进行了以人工心脏置换狗心脏的试验，但这只狗只活了90分钟。 1969年，人工心脏用于人体。,76,1982年 ，JARVIK-7是世界上第一个试图永久性植入人体的完

40、全人工心脏。此种人工心脏外部有驱动装置，患者借助管子与机器相连接，可长期使用，这种人工心脏的最大缺点是需要由体外装置提供动力的能源。,77,1998年，首个轻便式的心脏“辅助器”投放英美市场。2000年，给病人植入首个Jarvik-2000型人工心脏，重约90克，附在心脏的左心室上。 2001年7月2日，世界上第一例全植入式人工心脏植入手术在美国获得成功。名为AbioCor。 重约两磅，呈柚子状，材料是塑料和钛。151天身亡。 完全代替心室功能并能完整植入体内的人工心脏，不依赖体外的机器工作，能给病人更多活动能力。 由4部分构成：金属钛的心脏本体、一微型锂电池、一计算机控制系统以及外接电池组。

41、人造心脏本体取代患者心脏的左右心室，微型锂电池和控制系统将植入患者的腹腔，外接电池组不植入人体，而是通过安装在腹部表皮下的插座向植入的微型锂电池充电。有两个替代左右心室的腔室，4个接口，分别连接左右心房、主动脉、肺动脉。两个腔室中间是电动机和泵，在心脏与血管的接口部分装有活塞，以代替心脏瓣膜的功能。 锂电池能量耗尽的时候由外挂电池组充电。,78,79,80,5.5.2 人工心脏的分类,按用途分类：左心室辅助循环、右心室辅助循环及双心室辅助循环和全人工心脏。左或右心室辅助应用比较早，双心室辅助循环优势甚至优于全人工心脏，全人工心脏对可置入性、持续能源、组织相溶性提出了很高的要求。 按应用分类：短

42、期泵、间断性泵、长期泵和永久性泵。短期泵、间断性泵主要为左、右室辅助循环，用以短期辅助自身心脏恢复供血功能；长期泵和永久性泵主要指双室辅助循环、全人工心脏，用以终末期心脏疾病等待心脏移植或永久性全人工心脏移植。,81,5.5.3 结构与材料学进展,1. 泵的进展从血流效果上来看分为搏动性血流和非搏动性血流两种。理论上讲搏动性血流更适于人体生理特点，但是它必须有活瓣、弹性隔膜以及巨大的心室容量。而非搏动性人工心脏需要高效的能源与轴承密封或电磁轴承以减少血栓形成，维持正常器官功能，它需要更高的血管内压，并能造成器官血流和生化特点的变化，从全人工心脏的永久性应用来看进一步发展非搏动性泵更有利于人工心

43、脏解决血栓和全置入人体的问题。从泵血的方式来看，传统的气动泵正由可携带性、可置入性、可压缩性好的电动泵代替。,82,进行动物实验的人工心脏的血液泵,83,2.能源的演变从应用的功能设置来看可分为外置型与内置型和固定型与可移动型，从实用性来看，可移动内置电源最为理想。主要有三个研究方向：高能电池（核能电池）、高效储电瓶（代表产品为锂电）、经皮充电（研究最热、最有希望的技术之一）。,84,3. 选用材料 高分子材料一直是人工循环的主要应用材料。针对人工心脏的特点聚脂类有较好的应用前途，如聚乌拉坦。今后还有可能利用人工材料的特点体外塑行以微创手术将人工心脏置入人体，或者将人工材料做成人体可降解材料，

44、使其在一定时期后功能完成后自然降解，以免除二次手术。 人工合金对人工心脏也做 出了较大的贡献，如镍钛合金曾经作为人工心脏瓣膜、心室，其坚固性、轻质、表面光滑性非常适于人工心脏。近来有人做成镍钛锆合金其优越性更为突出。,85,4.人工心脏的调节人工心脏的可调节性是其又一突出进展。将人工心脏与集成电路芯片结合起来根据自体适时需要控制人工心脏的做功。如LDPACE 左室辅助循环可以根据病人的心电图按1：1到1：8调节心脏做功。预计将来可以结合生物传感器根据更多血流动力学指征进行自身调节。,86,5.5.4人工心脏的临床应用和并发症,应用选择及治疗学基础短期心室支持主要用于辅助心脏渡过其急性期病变的可

45、逆性心脏疾病和部分短期内可以等到供心的心脏移植患者。前者见于急性心肌炎、心室部分切除、骨髂肌心肌成形、心脏人工瓣膜置换术后等，例如The LDPACE 。辅助循环可逆性心脏病的机制近年来有许多研究对免疫学、病理学、分子生物学得以深入研究，为其进一步应用提供了依据。人工心脏长期应用主要用于等待同种心脏移植或永久携带全人工心脏患者，见于终末期心脏病患者。,87,人工心脏的管理 人工心脏的管理包括人工心脏的机械管理和人工心脏携带者并发症的管理。 前者的突破在于人工心脏与电脑程序化控制结合和机械工艺的改进。 携带者的管理主要针对其并发症出血、栓塞、感染、右心功能衰竭，到目前为止以上并发症仍然是人工心脏

46、应用的主要瓶颈。近来的研究集中在改进人工心脏的材料结构及工艺，总的来看没有突破性进展。,88,5.5.5 人工心脏的发展方向,随着人工心脏向小型化、耐用性强及低阻力的发展有可能将来像人工心脏起搏器一样得以广泛应用。 人工心脏的发展需要进一步解决的问题： 1.小型而具有高射血效能 2.安全可靠的控制系统和能源供应模型 3.经久耐用的带瓣血室,89,5.6 人工耳蜗（Cochlear Implant）,定义：又称电子耳蜗，或耳蜗埋植，人工电子耳。是植入式电子装置，能将声能转换成电能，通过植人鼓阶、圆窗或耳囊内的电极，直接刺激耳蜗内残余的听神经纤维，使聋人产生听觉。,90,听觉产生的原理： 耳蜗基底

47、膜的机械特性和毛细胞的静纤毛的梯度变化是耳蜗对输入声波进行频率和空间分析的形态学基础。耳蜗基底膜的基底部分对高频敏感，顶部对低频敏感，人类语言频率范围为5003000Hz，与基底膜从底部算起的1025mm的相应位置相对应。 基底膜振动时，带动相连的复膜及毛细胞的静纤毛发生剪切运动，使毛细胞表皮板的电阻发生变化，调制了通过毛细胞的电流，产生了耳蜗的感受器电位，这就是耳蜗的机械电换能过程。 耳蜗感受器电位可以使毛细胞底部的表面膜电位发生变化，从而引起耳蜗神经末梢产生兴奋，产生突触后电位，又形成神经动作电位由耳蜗神经向中枢传递，从而形成听觉。,91,92,声波通过时的耳蜗,93,特点： 大多数的听障

48、患者都是由于听觉毛细胞先天发育不良或受损。 人工电子耳是在耳蜗内植入电极越过发育不良或受损的听觉毛细胞，将声波转换为电波后直接刺激听觉神经再传至大脑。 一般助听器只单纯放大声音，仍须经包含不良毛细胞的原有路径传导，因此语言辨识能力受到影响，特别是高频听力无法有效提升。所以效果比助听器更好。,94,发展： 1790年Volta首先发现电流刺激耳朵会产生听觉 1957年Djourno等将金属线放入聋人的耳蜗，并用交流电刺激，人工电子耳植入术的研究正式萌芽。 1957年埃伯哈特等发现，人的听力系统可将声音区分为24个波道，听觉神经中某一部分的纤维传导低音信号，相邻部分的纤维传导的声音讯号就略高些，如

49、此类推，构成一个可预见的模式。 1972年House与Urban研发出单频道人工电子耳， 1984年澳洲的Clark等则研发出核式(Nucleus)22个多频道人工电子耳， 目前人工电子耳的市场以多频道为主，澳洲核式已进展到24个频道，其他主要的厂牌包括美国的Clarion有八个频道，奥地利的MED-EL 40+ 则有12对电极。 电子耳效果好坏，与频道多寡关系不大，取决因素在于语言处理策略(processing strategy)对讯号处理的速度。,95,原理：人工耳蜗是模拟耳蜗的生理功能的电子装置，由体内和体外两部分组成。 体外部分象助听器一样戴在外部 微型话筒：接收外界声能并转换成电信号

50、 言语处理器：根据特殊信号处理方案调制信号，处理过的信号被放大到一定幅度，送到发射线圈上 信号发送装置：经电磁感应方式或经射频发射方式，将信号传送到植入部分的接收线圈上， 体内部分 接收器刺激器：将信号放大，再传送到电极上，放于颞骨上磨出之凹槽内。 电极，电极植入耳蜗之鼓室阶内，直接刺激残余的耳蜗神经成分。,96,人工耳蜗（感应式）的组成示意图,97,类型： 言语处理方案（模拟或特征提取） 电极数（单导或多导） 电极放置位置（蜗内或蜗外） 刺激结构（单极或双极） 经皮传送方式（透皮或经皮）,98,Clarion人工電子耳系統,99,麦克风 声音是经由麦克风传入人工电子耳系统的。麦克风位于讯息发

51、射器上面，或者位于耳挂式的白金系列声音处理器上。 全方位的麦克风能够接收来自360度各个方向的声音，麦克风接收后把声音传送到声音处理器，处理器再将声音转变成数字讯号。 系统所能感应到的音量强度范围（输入动态范围），是由系统当中的软件和电子零件所决定的。输入动态范围越广，所能捕捉到的声音就越多。Clarion系统最广的输入动态范围可以达到60分贝。,100,101,声音处理器 Clarion声音处理器中含有全世界速度最快的省电微形数字声音处理芯片(mini-DSP)，迷你芯片使Clarion的声音处理器能快速地处理讯息。 声音处理器是一个效率极高的微电脑，在一秒当中可以处理一亿项指令。,102,

52、103,新一代电极 Clarion新一代电极具有特别的电极分隔器，这些枕头状的突起具有绝缘的作用，可以防止电流互相接触而产生干扰，使电流能够准确地刺激听神经。 Clarion有十六个电极它们的接触面呈长方形，电流传送的方向直接对准听神经神经元的位置。 新一代电极柔软的前弯结构，能使手术植入容易的进行。,104,105,106,107,电极定位器 不管耳蜗的形状或大小，Clarion的电极定位器都能够把电极置放在最接近听神经的位置。 电极定位器放置在耳蜗内电极的后方，它保全了耳蜗内部空间的畅通，使疤痕组织难以扩展，让使用者未来有机会接受更新的人工电子耳科技。,108,109,人工胰腺,人工胰是用

53、人工方法取代正常胰腺内分泌功能的一种机械装置，由微机控创。人工胰是糖尿病患者的胰岛素分泌不足时的一种补充 体外型人工胰：是1971年由Siemens发明的，后经不断改进已用于临床。它是由血糖传感器、测量电路、微机控制系统、胰岛素储存器、注射器及能源组成，佩带在病人前肢上。这种人工胰运用生物控制技术，可实时检测患者血液中的血糖含量，用微处理器自动分析并控制注射器向患者输入胰岛素的量。这种人工胰由于使用不方便，目前只在糖尿病患者手术等情况下使用。,110,半生物型人工胰岛：人工胰岛是利用动物胰岛细胞用免疫隔离膜法，防止植入人体后产生排异反应，当人体血糖变化时，则人工胰岛发生反应达到有效控制血糖的目

54、的。这种人工胰岛是1965年由加拿大麦吉尔大学 TMS Chang发明的，至今进入动物实验阶段，还未进入临床应用。1983年加拿大多伦多大学用海藻酸钙包埋胰岛细胞制成人工胰，他们将人工胰岛细胞植入病鼠腹膜腔内，成功地控制了病鼠的血糖浓度达10个月之久 。,111,植入型人工胰：法国蒙彼利埃市大学医疗中心，在世界上首次为一胰岛素依赖型糖尿病患者成功地进行了人工胰腺植入手术。 这个人工胰腺主要由胰岛素泵和血糖监测仪两部分组成。胰岛素泵被植入患者腹腔内的胰腺位置上，大约有厘米厚厘米长，主要包括一个使用寿命为年的电池和一个浓缩胰岛素储藏器。,112,跟目前普遍使用的胰岛素泵一样，患者每个月需要通过皮肤

55、将胰岛素注射进储藏器，然后再由胰岛素泵根据具体情况将胰岛素适量泵入患者的腹腔。 血糖监测仪，其数值指示部分留在体外，而探头部分则被植入患者颈部的颈静脉中，并由一根两毫米厚的导管连接至腔静脉。,113,患者在接受手术的第一个月内还需要通过化验手指血来检查血糖含量，并人工调节胰岛素泵，控制胰岛素注射量，此后，他将可以根据血糖监测仪指示的数值 调节胰岛素注射量，而无须再采血进行化验。 目前，他们还不能把胰岛素泵和血糖监测仪两部分有机地连接起来。为保证患者的健康，必须在反复验证血糖监测仪测量准确无误和肯定人工胰腺植入人体不产生副作用后，才能让人工胰腺真正发挥自然胰腺的作用，即让它根据患者体内的血糖含量

56、自动调节胰岛素的注射量。,114,人工皮肤,人工皮肤它是在受创伤皮肤治疗过程中使用的一种暂时性的创面保护性覆盖材料，科学的名称应该为人工的烧（创）伤覆盖材料。 传统的人工皮肤是由合成纤维制成的，一般由基底层与织物层结合而成。织物层由锦纶涤沦丙纶等纤维材料组成。将纤维织成具有特殊的丝绒状或无絮状的表面，其目的是使人体组织可以长入并固定。如把锦纶丝绒结合在厚度为0.25mm的聚合多肽基底层上，经抗生物质处理，制成的人工皮肤。,115,人工皮肤应具备下列物理化学及生物化学条件：一是防止水分与体液从创面蒸发与流失；二是防止创面的感染；三是使用肉芽或新皮能逐渐成长，促使治愈。 传统的人工皮肤虽有多种，但

57、都有不足之处。由甲壳素纤维制成的人工皮肤，医疗效果显著优于传统的人工皮肤。目前已经商品化了，其中商标为帕斯基奇W的人工皮肤是比较理想的医疗效果非常出色的创伤保护材料。,116,它是采用血清蛋白质对甲壳素微细纤维进行处理，以提高其吸附性，然后将甲壳素纤维切成长度为5- 15mm的短纤维，用水作分散剂，用聚乙烯醇作粘合剂制成非织造布，并切成适当大小，包装灭菌供临床使用。,117,甲壳素人工皮肤耐溶解性强，便于表皮细胞长入，愈后不发生粘连，具有止血镇痛的功效，并能抑制微生物菌类的繁殖，促进伤口愈合。还可以采用这种材料的基体，培养表皮细胞，再贴于创伤表面，待甲壳素纤维分解后，就形成完整的新生真皮。 甲

58、壳素人工皮肤是一种前所未有的高技术新材料，它能与生物体组织发生细胞间的亲和与反应，表现出卓有成效的辅助治疗功能。,118,我国是拥有12.5亿人口的大国,每年因事故烧伤病人不计其数,治疗中往往采用病人自身皮肤移植,远远不能满足要求。人工皮肤的研究与开发，市场前景广阔。,119,人工肺,人工肺系指用血气交换，调节血内氧气和二氧化碳含量，取代人体肺功能的装置，又称氧合器。人工心脏亦即血泵，可取代人体心脏进行血液循环。人工心肺机就是由氧合器和血泵及辅助设备组成的，能进行体外循环的机械装置。人工心肺机用于心脏手术的体外循环、肺移植的辅助呼吸、急性呼吸衰竭的辅助治疗等。,120,121,体外循环将静脉血通入氧以使血液氧含的设想，是Schroder干1882年提出的。经过几十年许多人的设计和实验，到二十