實(shí)踐創(chuàng)新大賽論文.doc

蘭州理工大學(xué)第一屆過(guò)程裝備工程蘭州理工大學(xué)第一屆過(guò)程裝備工程 實(shí)踐與創(chuàng)新大賽論文實(shí)踐與創(chuàng)新大賽論文 課題名稱(chēng)課題名稱(chēng) 人工心臟的過(guò)程原理及其發(fā)展 學(xué)校名稱(chēng)學(xué)校名稱(chēng) 蘭州理工大學(xué) 專(zhuān)業(yè)名稱(chēng)專(zhuān)業(yè)名稱(chēng) 過(guò)程裝備與控制工程 成員姓名成員姓名 鄭細(xì)勇 陳 晶 指導(dǎo)指導(dǎo)教師教師 劉興旺 遞交日期 遞交日期 2012 年年 06 月月 10 日日 蘭州理工大學(xué)第一屆過(guò)程裝備工程實(shí)踐與創(chuàng)新大賽你的題目 1 人工心臟的過(guò)程原理及其發(fā)展人工心臟的過(guò)程原理及其發(fā)展 摘摘 要要 本文簡(jiǎn)介了人工心臟的起源 發(fā)展歷史以及現(xiàn)今人工心臟的分類(lèi) 簡(jiǎn)介了主流人工 心臟的過(guò)程原理 并展望了未來(lái)人工心臟的發(fā)展方向 人工心臟是指科學(xué)家為了挽救越 來(lái)越多的心臟病患者的生命 而研制出來(lái)的一種人造器官 人工心臟與人類(lèi)心臟大小相 當(dāng) 據(jù)它的發(fā)明者稱(chēng)可以完全替代人類(lèi)心臟 從而挽救數(shù)千患有心臟病患者的生命 人 工心臟是在解剖學(xué) 生理學(xué)上代替人體因重癥喪失功能不可修復(fù)的自然心臟的一種人工 臟器 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞 分類(lèi) 過(guò)程原理 VAD TAH 發(fā)展歷史 意義 你的題目蘭州理工大學(xué)第一屆過(guò)程裝備工程實(shí)踐與創(chuàng)新大賽 2 目目 錄錄 第一章 人工心臟的分類(lèi)及其過(guò)程原理 3 1 1 心臟的簡(jiǎn)述 3 1 2 人工心臟的分類(lèi) 3 1 3人工心臟的過(guò)程原理 3 1 3 1 組成 4 1 3 2 材料 4 1 3 3 調(diào)節(jié) 5 第二章 VAD 和 TAH 5 2 1 VAD 5 2 1 1 膈膜汞 5 2 1 2 葉輪汞 5 2 2 TAH 6 第三章 人工心臟的發(fā)展歷史 6 3 1 初次的嘗試 6 3 2 艱難的前進(jìn) 6 3 3 首次永久性人造心臟移植 6 3 4 全植入型人造心臟 7 3 5 人工心臟的發(fā)展方向 7 3 6 人工心臟的意義 7 蘭州理工大學(xué)第一屆過(guò)程裝備工程實(shí)踐與創(chuàng)新大賽你的題目 3 第一章 人工心臟的分類(lèi)及其過(guò)程原理 1 1 心臟的簡(jiǎn)述 心臟好比人體內(nèi)部的引擎 驅(qū)動(dòng)人體的各個(gè)部分正常運(yùn)轉(zhuǎn) 從本質(zhì)上而言 心臟 是一種通過(guò)肺臟和機(jī)體維持供氧和血液循環(huán)的肌肉泵 一天之中 人的心臟要壓送約 7570 升的血液 心臟就像引擎一樣 如果不小心保護(hù)就會(huì)損壞 壓送血液的效率就會(huì) 降低 進(jìn)而會(huì)出現(xiàn)心衰 普通成年人的心臟泵血速度為每分鐘 60 到 100 次 心臟的收 縮分為兩個(gè)階段 1 第一階段 左右心房同時(shí)收縮 將血液壓送到左右心室 2 第二 階段 左右心室一起收縮 將血液射出心臟 然后 心肌將會(huì)松弛 以迎接下一次心 跳 這樣 血液又充滿(mǎn)心臟 1 2 人工心臟的分類(lèi) 人工心臟分為輔助人工心臟和完全人工心臟 輔助人工心臟有左心室輔助 右心 室輔助和雙心室輔助 以輔助時(shí)間的長(zhǎng)短又分為一時(shí)性輔助 二周以?xún)?nèi) 及永久性輔 助 二年 兩種 完全人工心臟包括一時(shí)性完全人工心臟 以輔助等待心臟移植及永 久性完全人工心臟 要想制成像自然心臟那樣精確的組織結(jié)構(gòu) 完全模擬其功能的人 工正臟是極不容易的 需要醫(yī)學(xué) 生物物理學(xué) 工程學(xué) 電子學(xué)等多學(xué)科的綜合應(yīng)用 及相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期的研究 1 3人工心臟的過(guò)程原理 圖 1 3 1 人工心臟的組成 你的題目蘭州理工大學(xué)第一屆過(guò)程裝備工程實(shí)踐與創(chuàng)新大賽 4 1 3 1組成 液壓泵 該裝置的基本原理與重型設(shè)備中使用的液壓泵相似 即通過(guò)一種不可 壓縮的液體將作用于某一點(diǎn)的力傳到另一點(diǎn) 泵內(nèi)的齒輪以每分鐘 10 000 轉(zhuǎn)的速度快 速旋轉(zhuǎn)來(lái)產(chǎn)生壓力 液壓閥 該閥門(mén)不斷開(kāi)合 使工作液體從人造心臟的一側(cè)流到另一側(cè) 液體流 到右側(cè)時(shí) 液壓泵通過(guò)一個(gè)人造心室將血液壓送到肺部 液體流到左側(cè)時(shí) 液壓泵將 血液壓送到人體的其他部位 無(wú)線能量傳輸系統(tǒng) 也稱(chēng)作經(jīng)皮能量傳輸系統(tǒng) TET 該系統(tǒng)包括兩個(gè)線圈 一個(gè)內(nèi)置線圈 一個(gè)外置線圈 用于通過(guò)磁力將外置電池中的電能經(jīng)由皮膚 不會(huì) 穿透體表 傳輸?shù)絻?nèi)置電池 內(nèi)置線圈接收到電能后將其傳輸?shù)絻?nèi)置電池和控制器裝 置 內(nèi)置電池 一個(gè)植入患者腹內(nèi)的可充電電池 當(dāng)內(nèi)置電池與主電池?cái)嚅_(kāi)連接時(shí) 患者可以依靠?jī)?nèi)置電池進(jìn)行某些活動(dòng) 如洗澡 持續(xù)時(shí)間為 30 到 40 分鐘 外置電池 該電池系在患者腰部的尼龍腰帶上 每個(gè)可充電電池能提供大約 4 到 5 小時(shí)的能量 控制器 這種小型電子設(shè)備植入患者的腹腔內(nèi) 它的作用是監(jiān)控心臟的跳動(dòng)速 度 1 3 2材料 圖 1 3 2 人工心臟的組成材料 高分子材料一直是人工循環(huán)的主要應(yīng)用材料 針對(duì)人工心臟的特點(diǎn)聚脂類(lèi)人工心 臟有較好的應(yīng)用前途 例如最近研究較多的聚烏拉坦就具有耐用 彈性好 抗老化 順應(yīng)性好 組織相溶性好的特點(diǎn) 除此之外還有人將其分子輔基改變 合成進(jìn)硅和維 生素 E 等進(jìn)一步改善其特性以更有利于人工器官的應(yīng)用 今后還有可能利用人工材料 的特點(diǎn)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 蘭州理工大學(xué)第一屆過(guò)程裝備工程實(shí)踐與創(chuàng)新大賽你的題目 5 料 使其在一定時(shí)期后功能完成后自然降解 以免除二次手術(shù) 另外 人工合金對(duì)人 工心臟也做出了較大的貢獻(xiàn) 如鎳 鈦合金曾經(jīng)作為人工心臟瓣膜 心室 其堅(jiān)固性 輕質(zhì) 表面光滑性非常適于人工心臟 近來(lái)有人做成鎳 鈦 鋯合金其優(yōu)越性更為突 出 1 3 3調(diào)節(jié) 人工心臟的可調(diào)節(jié)性是其又一突出進(jìn)展 將人工心臟與集成電路芯片結(jié)合起來(lái)根 據(jù)自體適時(shí)需要控制人工心臟的做功 如 LD PACE 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(jì)將來(lái)可以結(jié)合生物傳感器根據(jù)更多血流動(dòng)力 學(xué)指征進(jìn)行自身調(diào)節(jié) 第二章 VAD 和 TAH 2 1 VAD VAD 是利用機(jī)械或生物手段部分或全部替代心臟機(jī)能的方法 其研究可以回溯到體 外循環(huán)動(dòng)脈泵開(kāi)始 現(xiàn)在應(yīng)用于臨床的 VAD 以隔膜泵和葉輪泵為主 2 1 1 隔膜泵 隔膜泵又稱(chēng)容積式泵 其結(jié)構(gòu)及工作原理是依照自然心臟設(shè)計(jì)的 核心部件為一 個(gè)由柔韌性材料構(gòu)成的腔囊 腔囊與自然心腔一樣 作用是容納血液 腔兩端連接進(jìn) 出口導(dǎo)管 同時(shí)在兩接口處分別放置單向閥門(mén) 保證血液?jiǎn)蜗蛄鲃?dòng)以代替瓣膜功能 當(dāng)對(duì)囊墻壁施以外力時(shí) 腔內(nèi)容積被迫變化 容積減小時(shí)血液經(jīng)出口流出 增加時(shí)則 吸納從進(jìn)口流入的血液 如此周而復(fù)始 完成心臟功能 前已有幾種隔膜泵可常規(guī)應(yīng) 用于心力衰竭病人臨時(shí)左心室和右心室輔助 目前臨床應(yīng)用最廣的植入式 VAD 是電動(dòng) 式隔膜泵 2 1 2 葉輪泵 葉輪泵是一種非仿生性的血泵 分為離心泵 軸流泵及混流泵三種 無(wú)論何種形 式均采用高速旋轉(zhuǎn)的葉輪帶動(dòng)血液的單向流動(dòng) 從而不需要單向閥門(mén)來(lái)控制血流方向 你的題目蘭州理工大學(xué)第一屆過(guò)程裝備工程實(shí)踐與創(chuàng)新大賽 6 它克服了隔膜泵結(jié)構(gòu)復(fù)雜 體積大 工作壽命短 能耗高等缺點(diǎn) 適用于永久性植人 體內(nèi)時(shí)采用 從而逐漸成為的主流 電動(dòng)軸流泵是一種高速旋轉(zhuǎn)的 可植入式 連續(xù) 恒流血泵 離心泵通常僅能進(jìn)行幾天的心臟輔助 其他幾種血泵能提供幾周至幾個(gè)月 的循環(huán)支持 2 2 TAH 目前技術(shù)較為成熟并應(yīng)用于臨床的 TAH 分別為氣動(dòng)式和電動(dòng)式 而 CardioWest TAH 和 AbioCor TAH 為其中的佼佼者 CardioWest 由氣體驅(qū)動(dòng) 能植入到心臟原位 它由一剛性泵外罩組成 具有兩個(gè) 球形的聚氨甲酸乙醋室腔 兩個(gè)室腔對(duì)接到心房袖口 流出導(dǎo)管與大血管相連接 兩 根氣體驅(qū)動(dòng)線經(jīng)皮層穿出 與一外置的控制系統(tǒng)相連 由外置控制系統(tǒng)監(jiān)測(cè)心臟的壓 力和運(yùn)行 主要的不足是控制裝置不便攜帶且需要抗凝 AbioCor 是第一個(gè)完全獨(dú)立的可永久性植入 TAH 它由體內(nèi)和體外兩部分組成 體 內(nèi)部分由一個(gè)胸部裝置 一個(gè)可再次充電電池和一個(gè)微型電子箱構(gòu)成 體外部分是一 個(gè)電池盒 胸部裝置裝有一個(gè)內(nèi)置馬達(dá) 重約 1 千克 驅(qū)動(dòng)血液流經(jīng)肺和身體的其他 部位 由于使用了經(jīng)皮能量傳送技術(shù) AbioCor 廢除了經(jīng)皮層穿出的驅(qū)動(dòng)線管 因此減 少了感染率 2001 年 Jewish 醫(yī)院的醫(yī)生首次將 AbioCor 成功應(yīng)用于臨床 AbioCor 最具革命性的變化是 心臟 可全部植入體內(nèi) 由體外電子控制系統(tǒng)調(diào)整其功能 它 可根據(jù)人體需要來(lái)調(diào)節(jié)心跳的速度 其外接電池組不用植入身體 而是通過(guò)安裝在腹 部表皮下的插座向置于體內(nèi)的微型鋰電池充電 微型鋰電池可以自動(dòng)工作 30 分鐘 且 與人類(lèi)心臟一樣 它在人體活動(dòng)量增加時(shí)加快血流 在休息時(shí)減緩血流 這一手術(shù)的 成功受到了醫(yī)學(xué)界的高度評(píng)價(jià) 也標(biāo)志著 TAH 的研究向前邁進(jìn)了一大步 第三章 人工心臟的發(fā)展歷史 3 1 初次的嘗試 1982 年 美國(guó)猶他大學(xué)醫(yī)學(xué)中心的威廉 德夫里斯博士領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)手術(shù)小組 給 一名叫克拉克的心臟病患者植入一顆名叫賈維克的人類(lèi)第一個(gè)人造心臟 開(kāi)創(chuàng)了人造 心臟移植的先河 震驚了世界 這顆人造心臟是由猶他醫(yī)療小組成員羅伯特 賈維克 設(shè)計(jì)的 它通過(guò)兩條 2 米長(zhǎng)的軟管連到體外的一部機(jī)器上 壓縮空氣維持著這顆人造 心臟的跳動(dòng) 克拉克在手術(shù)后不久就能夠站起來(lái)走幾步路 自己吃東西 這顆塑料心 臟在他的胸腔里跳動(dòng)了將近 1300 萬(wàn)次 維持了 112 天的生命 后來(lái)他們又陸續(xù)給另外 4 名病人移植賈維克人造心臟 但其中活的最長(zhǎng)的患者只存活了 620 天 從此 人造心 臟的移植處于了停滯階段 美國(guó)在 1984 年規(guī)定 只能用賈維克人造心臟作為過(guò)渡 使 垂死病人延長(zhǎng)生命 等待移植人心 3 2 艱難的前進(jìn) 1991 年 1 月美國(guó)亞利桑那大學(xué)醫(yī)學(xué)中心和猶他大學(xué)美德福特研究基金會(huì)聯(lián)合成立 了卡迪奧威斯特公司 在賈維克人造心臟的基礎(chǔ)上推出了卡迪奧威斯特人造心臟 1993 年 1 月 11 日 亞利桑那大學(xué)醫(yī)學(xué)中心為一名 46 歲的婦女移植了第一顆卡迪奧威 斯特人造心臟作為等待真正心臟的過(guò)渡手段 一 兩個(gè)月后人造心臟取出 醫(yī)生給她 移植了人心 1993 年 8 月 11 日 加拿大渥太華心臟研究所宣布 他們研制成功了第一 蘭州理工大學(xué)第一屆過(guò)程裝備工程實(shí)踐與創(chuàng)新大賽你的題目 7 顆永久性的人造心臟 該人造心臟不同于 賈維克 的機(jī)械心臟 它能植入人體體內(nèi) 并維持病人一生的生命 3 3 首例永久性人造心臟移植 1995 年 10 月 23 日 一位 64 歲的英國(guó)退休電影制片人成為世界上第一位接受永 久性電動(dòng)人造心臟的人 這次手術(shù)是英國(guó)牛津約翰 拉德克里夫醫(yī)院的史蒂夫 韋斯 塔比醫(yī)生主持實(shí)施的 植入的永久性電動(dòng)人造心臟的設(shè)計(jì)者是美國(guó)德克薩斯心臟研究 所 制造者是美國(guó)熱動(dòng)力心臟系統(tǒng)公司 3 4 全植入型人造心臟 這種人造心臟只有拇指大小 可植入人的心臟內(nèi) 并能根據(jù)人體的活動(dòng)情況自動(dòng)調(diào) 節(jié)泵的壓力和速度 它通過(guò)無(wú)線電波從體外的電池組中獲得能量 省卻了導(dǎo)線 即安 全又方便 1998 年底 美國(guó)德克薩斯州著名的外科醫(yī)生邁克爾 德巴凱和美國(guó)宇航局 的科學(xué)家們共同研制成功一種只有三號(hào)電池那么大的全植入式人造心臟 它可以植入 患者的胸腔內(nèi) 每分鐘轉(zhuǎn)動(dòng) 1000 次 幫助因病癥而喪失部分功能的心臟把血液輸送到 身體的其余部分 此次人造心臟植入手術(shù) 植入的就是世界上首顆可以完全代替心臟 功能并能完整植入體內(nèi)的人造心臟 3 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(qiáng)及低阻力的發(fā)展有可能將來(lái)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(jìn)一步解決四個(gè)問(wèn)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 4 大量的 研究經(jīng)費(fèi) 3 6人