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影响世界的专利-人工心脏

作者:admin 来源: 日期:2014/1/23 17:52:46 人气:12 加入收藏 评论:0 标签:

人的心脏的作用是推动血液循环,向全身的器官、组织提供充足的血液流量,以便向他们供应氧和各种营养物质,并带走代谢的终产物,使人体细胞维持正常的代谢和功能。心脏对人体如此重要,但其本身又精细、又复杂、又柔嫩,这使治疗诸如心力衰竭等严重心脏病、延长患者生命的希望变得渺茫。于是,先驱者们将希望寄托在能否制造一种人工心脏装置代替已衰竭心脏维持人的生命。上世纪70年代,美国的一项具有里程碑意义的、名称为“可逆电动液压能转换器提供动力和控制的全人工心脏和心脏辅助装置”的专利及其实施使其成为可能,创造了人类生物技术上的一个奇迹。

  发明人罗伯特·考夫勒·贾维克(Robert Koffler Jarvik)1946年5月11日在美国密歇根州出生,受家庭影响,从小就对机械和医学感兴趣,两者对其人生发展产生很大影响。他在少年时代,曾到手术室观看他父亲对患者做外科手术,从而激发了他对外科手术工具创新欲。在他尚未高中毕业时,就有关外科血量自助固定器发明获得其平生第一件专利。后来,他又爱好艺术,尤其是雕刻,以致于在1964年进入锡拉丘兹(Syracuse)大学,学习机械制图和建筑学。进大学后不久,他父亲患病改变了他的人生发展轨迹。他父亲因患心脏病、动脉瘤而进行手术,他下决心力致于生物工程人工心脏方面的学习和研究。他转而学习生物和医学,并于1968年获得动物学学士学位。尔后,到意大利的波伦亚(Bologna)大学、美国纽约大学学习医学,1971年获医学硕士学位。其后,进入美国犹他州盐湖城犹他大学,从事医学、人工心脏方向的学习研究,并于1976年获得医学博士学位。

  贾维克提出上述名称的美国专利申请是于1977年12月9日,并于1979年12月13日批准为专利,专利号为US4173796。在提出专利申请时,贾维克已为人工心脏装置钻研了10余年,查阅了大量文献资料,其中包括上百个涉及人工心脏方面的专利文献,内容包括人工心脏泵、机械隔膜以及相关的各种动力源等。在其专利说明书中就引用了US3896501等16篇专利文献。在申请专利前,他已成功地做过将人工心脏植入动物的试验。该专利是关于“全人工心脏和包括左心室辅助装置的心脏辅助装置”提示了一种用于全人工心脏或心脏辅助系统的、为驱动和控制隔膜、囊或轴对称血液泵的电动液压能转换系统。这个系统包括一个可逆的液压泵,例如轴流泵,它含有定子组合元件和叶轮,并且该泵流体流动与叶轮惯性之比具有高比率;一个可逆无刷直流电机,例如由电机反向电动势换向的无刷直流电机,其动力与惯性之比具有高比率,该电机含有转子和固定原件;一个装有泵的叶轮和转子的轴,用于支撑轴、电机转子和泵转动叶轮组成的组装件;用于使人工心脏交替收缩和舒张运行的所设电机反向装置以及用于控制所设电机反向装置的控制装置。并且,上述能量转换系统中,人工心脏收缩时从人工心脏心室中推出的血液量实质上等同于由可逆液压泵泵出的液体的量;在它所驱动的心脏辅助系统中,泵适合安置在病人的腹部,其依从的贮存囊适合安置在胸腔,而能量转换器安置在泵和囊之间;电机反向控制由或电机不同力矩产生的反馈信号或压力传感器或心电图仪的信号操作的,从而选择控制电机的速度。

  下面结合附图对发明作进一步说明。图1是轴流泵纵向剖面图,并也图示了叶片和静叶片的轮廓。图2是使用无刷直流电机和泵流泵的人工心脏电动液压能转换器的纵向剖面图。图3、4、5是使用轴流泵可逆能量转换器的不同布局。图6是用简单的剖视图表示使用适合于驱动隔膜型全人工心脏的电动液压能量转换器;它表示了当两个血液心室中的一个完全排空时的液压液体的极度位置。图7是类似图6的示图,它表示当液压体泵到另一边的情况。在图1、图2中,(2)表示电机绕组和芯片;(4)表示电机转子,该转子包括安装于轴(6)的永磁铁,该永磁铁最好含有稀土钻,使磁材料具有足够的磁通量,并对所使用的液压液体防腐,另外在绕组达到电流高尖锋时不退磁;无刷直流电机轴(6)由一对轴承(8)和(10)支撑,该轴承必须能承受轴向推力和轴向负载,可以是滚珠轴承或者套筒轴承,并应使用特种材料以便在高速和反复换向中长期使用;轴流泵的转子(12)借助于销(14)直接安装于电机轴上,转子具有叶片(16);轴流泵还使用静止叶片(18)和(20)使由叶轮导致的转动的液体流变成轴向流;叶轮由轴(22)驱动,其转动如(24)所示流体的流向由图1箭头所示;轴流泵应是大容量低压力高速运行的,轴流泵外壳(26)两头连有导管(28)和(30)将流体流向人工心室或者流向储存囊。在图6中,液压液体(32)用打点图示表示,它占居在心室隔膜后面的腔室,两液压流体导管分别用(28)和(30)表示,很小的右心室液在液体腔(34);血液占据了有短划线图示的心室;图6中,右心室表示处于舒张期末尾,而左心室处于收缩期末尾,图7表示与图6相反的情况,此时,当左心室处于舒张位置结束时,左心室液压流体腔室(32)实际上其液压液体是排空的。

  贾维克非常详细地介绍了其发明的优点,避免人体排斥,相当有规律地运行,具有合适的心率。对心血管、心肌无什么损害,耐用、可靠、简单、轻便,不会产生过度的热量和噪音。1982年,贾维克—7型首次植入一个患者的病体,代替原有心脏,病人活了112天,死于多脏器衰竭。紧接着4个病人也没有更长时间活下来。尽管后来也曾有病人植入贾维克—7型后活了620天,但是,贾维克—7型外接电源和控制部分仍在体外,连接线的引入体内也常引起感染,只能作为等待合适活体移植等暂时使用,没被批准为正常治疗手段。然而,世界各国越来越多机构和人员加入人工心脏装置的研究和开发,新技术和产品层出不穷。

  贾维克获得了博士学位后,仍留在犹他大学从事人工心脏装置研究、开发工作,也曾创办过商业公司以便推广人工心脏装置的运用。1987年,他离开了犹他大学,到纽约成立了贾维克研究所。借助于材料科学、工厂技术和控制技术的发展成果,以及研发的深化,他又发明了贾维克—2000型人工心脏装置。该装置只有象指姆大小,通过非常细的动力线与用螺钉安装在耳朵后面颅骨上硬币大小的发送器相连,电池包佩带在腰部。他们在继续开发、改进他的产品。对新产品,他说:“左心室辅助系统,与早期最大不同是自然心脏不用移走,而小的装置植入左心室提供泵的作用(即泵和电源植入心脏),降低了感染的风险。”他想要为患者提供价格相对便宜,植入后可正常生活的终身使用的人工心脏装置。”

参考文献:
《Inverting the 20th Century》
美国专利 US4173769

(陈仲华)

发明人:罗伯特·考夫勒·贾维克(Robert Koffler Jarvik)

Robert Koffler Jarvik,1946年5月11日在美国密歇根州出生,受家庭影响,从小就对机械和医学感兴趣。1976年在美国犹他州盐湖城犹他大学获得医学博士学位,专门从事医学、人工心脏方向的学习研究。设计研制了贾维克—7型人造心脏,开创了人造心脏移植的先河。

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