楊明：走在人工心臟的探索之路上

本刊記者 李素雪

人工心臟是利用機(jī)械的方法把血液輸送到全身各器官以代替心臟的功能。

人工心臟是目前解決心臟移植供心來源不足的一種有效途經(jīng)。

能走在人工心臟研究的世界前沿，憑的是持之以恒，踏實(shí)努力。

細(xì)節(jié)決定成敗，從細(xì)小問題入手就能發(fā)現(xiàn)一些新東西，鼓勵(lì)和培養(yǎng)學(xué)生的仔細(xì)探索的精神。

每年都有無數(shù)人罹患心力衰竭，而可供移植的心臟卻越來越難找到。研究者由此萌生大膽設(shè)想：用人造心臟取代自然心臟。來自上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院儀器系的楊明教授就是關(guān)注此類問題的研究者。

科技攻關(guān) 成果卓著

楊明教授曾在英國(guó)利茲大學(xué)從事應(yīng)用于人工心臟肌肉超聲器件研究。2005年回國(guó)于上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院儀器系繼續(xù)從事人工心臟研究。

高效率、小型化、全植入體內(nèi)的人工心臟可以顯著改善病人的生活質(zhì)量，使病人恢復(fù)到正常生活，甚至能夠離開醫(yī)院回到家中。這就對(duì)人工心臟的測(cè)量控制技術(shù)提出了更高的要求，成為制約患者生存率的主要因素。人工心臟的測(cè)量控制系統(tǒng)是用來監(jiān)測(cè)人體血液循環(huán)、生理參數(shù)變化以及人工心臟運(yùn)行的各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)，控制人工心臟的工作狀態(tài)，使之適應(yīng)于實(shí)驗(yàn)或人體的循環(huán)生理需要，是保障人工心臟可靠正常運(yùn)行、使病人長(zhǎng)期存活的重要條件。

楊明教授及其領(lǐng)導(dǎo)的研究小組將相關(guān)的醫(yī)學(xué)知識(shí)、血液動(dòng)力學(xué)、傳感與動(dòng)作技術(shù)、控制技術(shù)、電子技術(shù)、流體及精密機(jī)械等相關(guān)知識(shí)相結(jié)合，圍繞治療心力衰竭的人工心臟輔助器件、系統(tǒng)等開展研究與開發(fā)。

人工心臟研究的焦點(diǎn)是軸流泵和離心泵，血液基本以恒定的流量從泵體輸送至全身。這種人工心臟的缺點(diǎn)是不能產(chǎn)生搏動(dòng)血流和易造成血栓和溶血，不能充分實(shí)現(xiàn)組織灌注，對(duì)人體血液循環(huán)的影響一直存在爭(zhēng)議。而傳統(tǒng)搏動(dòng)式人工心臟的發(fā)展由于受到驅(qū)動(dòng)器體積、性能等條件的制約，亦遭遇了瓶頸。針對(duì)搏動(dòng)式人工心臟發(fā)展所遇到的關(guān)鍵問題采用新的驅(qū)動(dòng)裝置，楊明教授及其科研團(tuán)隊(duì)提出并實(shí)現(xiàn)了多種新型搏動(dòng)泵的設(shè)計(jì)方案，在滿足人體生理需求的基礎(chǔ)上，不斷縮小人工心臟的體積，模擬自然心臟的各種生理功能。

現(xiàn)有的搏動(dòng)式人工心臟一般是采用傳統(tǒng)的電磁電機(jī)提供動(dòng)力，但電磁電機(jī)在人工心臟的尺寸限制下轉(zhuǎn)速較高、力矩較小，且易受到電磁干擾的影響。由于維持人工心臟的搏動(dòng)需要維持較大的力矩和較低的轉(zhuǎn)速，所以需要額外增加減速機(jī)構(gòu)，電機(jī)的震動(dòng)和沖擊不可避免。通過研究討論，他們引進(jìn)了一種新型電機(jī)直接實(shí)現(xiàn)低速大轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，既可直接達(dá)到接近人體心跳頻率的有力搏動(dòng)，并具有運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定、低噪聲、不受電磁干擾影響等優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)方案相比，縮小了泵體的尺寸，改善了血泵的性能。

心血管系統(tǒng)不僅是一套精密的流體系統(tǒng)，還承載著神經(jīng)信號(hào)的傳導(dǎo)、生理活動(dòng)的控制等功能。因此生理控制器的研究逐漸受到關(guān)注。在臨床中，人工心臟必須根據(jù)病人體型和不同生理狀態(tài)（如睡眠、輕微運(yùn)動(dòng)、情緒波動(dòng)）自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出（流量、壓力搏動(dòng)頻率等）。此外，對(duì)各種并發(fā)癥（如右心衰竭、腦損傷等）的研究也要求將人工心臟視為整個(gè)心血管系統(tǒng)的一部分。由于臨床應(yīng)用中可獲取的生理信號(hào)非常有限，必須基于體循環(huán)模型非接觸地估計(jì)各種生理參數(shù)并合理地制定控制策略。他們?cè)谀M體外循環(huán)平臺(tái)上對(duì)流體參數(shù)辨識(shí)、自適應(yīng)控制等領(lǐng)域進(jìn)行了研究，并爭(zhēng)取將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到臨床實(shí)踐。

對(duì)于人工心臟來說，由于其長(zhǎng)期持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)需要大量的電力供應(yīng)，目前的解決方案是利用外接電源為電機(jī)等一系列功耗元件提供能量。因此每個(gè)用戶都要從體內(nèi)穿過皮膚接出一條電源線，這無疑增大了患者感染的可能，也將會(huì)給患者的生活造成極大的不便。他們也致力于無線能量傳輸這一技術(shù)，希望不通過電纜，而是利用電磁場(chǎng)的耦合，實(shí)現(xiàn)體內(nèi)和體外能量的交換。目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了近距離的無線能量傳輸，針對(duì)裝置的安全性，效率等多個(gè)方面正在做深入研究?？梢韵胂?，無線能量傳輸技術(shù)一旦投入使用，將極大地推動(dòng)人工心臟的臨床應(yīng)用。

此外，楊明教授目前還承擔(dān)了一項(xiàng)國(guó)家自然基金科學(xué)儀器基礎(chǔ)研究專款項(xiàng)目“可植入搏動(dòng)式超聲致動(dòng)血泵關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)研究”和一項(xiàng)國(guó)家自然基金面上項(xiàng)目“人工心臟輔助超聲致動(dòng)血泵數(shù)學(xué)建模與溫升控制”等研究任務(wù)。

科學(xué)管理 捷報(bào)頻傳

楊明專注于利用超聲馬達(dá)的手段和方法研究人工心臟疾病相關(guān)的生命進(jìn)程機(jī)理。在這一領(lǐng)域中，他用才情和執(zhí)著書畫著超越生命的藍(lán)圖。智者，敢于操縱夢(mèng)想；師者，傳道授業(yè)，必定選擇永遠(yuǎn)的奉獻(xiàn)。在楊明的人生字典里，我們能輕松的找到這些，似乎這就是他科研生命的主題。在專業(yè)領(lǐng)域，他是一個(gè)認(rèn)真做事的人，生活中，他卻奉行著低調(diào)做人的原則，如果說自己在專業(yè)領(lǐng)域取得了一些成果，那都是團(tuán)隊(duì)共同努力的結(jié)果，絕不是自己一個(gè)人的功勞。

回國(guó)后，除了科研工作外，楊明還積極探索科研協(xié)同機(jī)制，先后與一些三甲醫(yī)院的心外科建立長(zhǎng)效研究科研合作機(jī)制，為醫(yī)工結(jié)合交叉學(xué)科的科研工作機(jī)制探索提供了有效的實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)。

幾年來他共招收博碩士研究生20余人，其中已畢業(yè)的博士3人，碩士15人。在學(xué)生培養(yǎng)上傾盡全力，把所學(xué)的科研思想，實(shí)驗(yàn)技術(shù)毫無保留傳授給學(xué)生，并鼓勵(lì)工作人員和學(xué)生大膽創(chuàng)新，支持他們做探索性的工作。堅(jiān)持以人為本，組織建設(shè)良好的人才團(tuán)隊(duì)，把“讓想干事的人能干事，讓能干事的人干成事，讓干成事的人成大事”作為自己的工作思路。

實(shí)驗(yàn)室目前已研制出兩種人工心臟血泵原理樣機(jī)，其中一種的性能參數(shù)和國(guó)際刊物中發(fā)表論文中性能指標(biāo)相當(dāng)，甚至超過。為驗(yàn)證人工心臟血泵的性能，他們也研制出了人體血液循環(huán)模擬系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)室還在高水平國(guó)際刊物上發(fā)表論文7篇，授權(quán)中國(guó)發(fā)明專利10余件。這些科研成果的取得無一不是實(shí)驗(yàn)室成員集體努力的結(jié)果。

盡管楊教授和他的科研團(tuán)隊(duì)在人工心臟研究機(jī)制的探索的上做了大量的工作，獲得了眾多的科研成果，但他心里很清楚，所做的這些僅僅是人工心臟研究機(jī)制探索的一部分，還有大量的工作需要去做，這是一項(xiàng)長(zhǎng)期甚至一生的事業(yè)，因此，他下一步的工作重點(diǎn)是與其他從事人工心臟研究工作的科研單位和科學(xué)家進(jìn)行深度合作，共同協(xié)作，獲得系統(tǒng)性的突破和進(jìn)展，將研究工作向上下游拓展，延伸至動(dòng)物模型實(shí)驗(yàn)，期望能夠獲得初步的研究成果。

人工心臟的研究方興未艾，其研究成果必將造福廣大心臟病患者，應(yīng)用前景十分廣闊。目前國(guó)外的大量文獻(xiàn)報(bào)道了人工心臟長(zhǎng)期替代人類心臟工作是可能的，并有多種型號(hào)已經(jīng)投入臨床應(yīng)用。我國(guó)作為世界人口第一的大國(guó)，終末期心臟病患者數(shù)量龐大，所以在國(guó)內(nèi)開展人工心臟的研究更具意義。隨著國(guó)家對(duì)基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域投入的逐年增加，支撐人工心臟的各學(xué)科領(lǐng)域?qū)⒌玫介L(zhǎng)足進(jìn)展，相信在不久的將來，人工心臟的幾大關(guān)鍵技術(shù)終將會(huì)取得突破。不論是作為短期的心室輔助，抑或是等待心臟移植供體的過渡橋梁，甚至是永久的替代心臟，人工心臟都將得到廣泛地應(yīng)用。人工心臟的研究任重而道遠(yuǎn)，但楊明堅(jiān)信，不遠(yuǎn)的將來，終將聆聽到永恒的心跳聲。