【影響世界的專利】人工心臟

人工心臟

人工心臟專利圖

人的心臟的作用是推動血液循環，向全身的器官、組織提供充足的血液流量，以便向他們供應氧和各種營養物質，並帶走代謝的終產物，使人體細胞維持正常的代謝和功能。心臟對人體如此重要，但其本身又精細、又復雜、又柔嫩，這使治療諸如心力衰竭等嚴重心臟病、延長患者生命的希望變得渺茫。於是，先驅者們將希望寄托在能否制造一種人工心臟裝置代替已衰竭心臟維持人的生命。上世紀70年代，美國的一項具有裡程碑意義的、名稱為“可逆電動液壓能轉換器提供動力和控制的全人工心臟和心臟輔助裝置”的專利及其實施使其成為可能，創造了人類生物技術上的一個奇跡。

發明人羅伯特.考夫勒.賈維克（Robert Koffler Jarvik）1946年5月11日在美國密歇根州出生，受家庭影響，從小就對機械和醫學感興趣，兩者對其人生發展產生很大影響。他在少年時代，曾到手術室觀看他父親對患者做外科手術，從而激發了他對外科手術工具創新欲。在他尚未高中畢業時，就有關外科血量自助固定器發明獲得其平生第一件專利。后來，他又愛好藝術，尤其是雕刻，以致於在1964年進入錫拉丘茲（Syracuse）大學，學習機械制圖和建筑學。進大學后不久，他父親患病改變了他的人生發展軌跡。他父親因患心臟病、動脈瘤而進行手術，他下決心力致於生物工程人工心臟方面的學習和研究。他轉而學習生物和醫學，並於1968年獲得動物學學士學位。爾后，到意大利的波倫亞（Bologna）大學、美國紐約大學學習醫學，1971年獲醫學碩士學位。其后，進入美國猶他州鹽湖城猶他大學，從事醫學、人工心臟方向的學習研究，並於1976年獲得醫學博士學位。

賈維克提出上述名稱的美國專利申請是於1977年12月9日，並於1979年12月13日批准為專利，專利號為US4173796。在提出專利申請時，賈維克已為人工心臟裝置鑽研了10余年，查閱了大量文獻資料，其中包括上百個涉及人工心臟方面的專利文獻，內容包括人工心臟泵、機械隔膜以及相關的各種動力源等。在其專利說明書中就引用了US3896501等16篇專利文獻。在申請專利前，他已成功地做過將人工心臟植入動物的試驗。該專利是關於“全人工心臟和包括左心室輔助裝置的心臟輔助裝置”提示了一種用於全人工心臟或心臟輔助系統的、為驅動和控制隔膜、囊或軸對稱血液泵的電動液壓能轉換系統。這個系統包括一個可逆的液壓泵，例如軸流泵，它含有定子組合元件和葉輪，並且該泵流體流動與葉輪慣性之比具有高比率﹔一個可逆無刷直流電機，例如由電機反向電動勢換向的無刷直流電機，其動力與慣性之比具有高比率，該電機含有轉子和固定原件﹔一個裝有泵的葉輪和轉子的軸，用於支撐軸、電機轉子和泵轉動葉輪組成的組裝件﹔用於使人工心臟交替收縮和舒張運行的所設電機反向裝置以及用於控制所設電機反向裝置的控制裝置。並且，上述能量轉換系統中，人工心臟收縮時從人工心臟心室中推出的血液量實質上等同於由可逆液壓泵泵出的液體的量﹔在它所驅動的心臟輔助系統中，泵適合安置在病人的腹部，其依從的貯存囊適合安置在胸腔，而能量轉換器安置在泵和囊之間﹔電機反向控制由或電機不同力矩產生的反饋信號或壓力傳感器或心電圖儀的信號操作的，從而選擇控制電機的速度。

下面結合附圖對發明作進一步說明。圖1是軸流泵縱向剖面圖，並也圖示了葉片和靜葉片的輪廓。圖2是使用無刷直流電機和泵流泵的人工心臟電動液壓能轉換器的縱向剖面圖。圖3、4、5是使用軸流泵可逆能量轉換器的不同布局。圖6是用簡單的剖視圖表示使用適合於驅動隔膜型全人工心臟的電動液壓能量轉換器﹔它表示了當兩個血液心室中的一個完全排空時的液壓液體的極度位置。圖7是類似圖6的示圖，它表示當液壓體泵到另一邊的情況。在圖1、圖2中，（2）表示電機繞組和芯片﹔（4）表示電機轉子，該轉子包括安裝於軸（6）的永磁鐵，該永磁鐵最好含有稀土鑽，使磁材料具有足夠的磁通量，並對所使用的液壓液體防腐，另外在繞組達到電流高尖鋒時不退磁﹔無刷直流電機軸（6）由一對軸承（8）和（10）支撐，該軸承必須能承受軸向推力和軸向負載，可以是滾珠軸承或者套筒軸承，並應使用特種材料以便在高速和反復換向中長期使用﹔軸流泵的轉子（12）借助於銷（14）直接安裝於電機軸上，轉子具有葉片（16）﹔軸流泵還使用靜止葉片（18）和（20）使由葉輪導致的轉動的液體流變成軸向流﹔葉輪由軸（22）驅動，其轉動如（24）所示流體的流向由圖1箭頭所示﹔軸流泵應是大容量低壓力高速運行的，軸流泵外殼（26）兩頭連有導管（28）和（30）將流體流向人工心室或者流向儲存囊。在圖6中，液壓液體（32）用打點圖示表示，它佔居在心室隔膜后面的腔室，兩液壓流體導管分別用（28）和（30）表示，很小的右心室液在液體腔（34）﹔血液佔據了有短劃線圖示的心室﹔圖6中，右心室表示處於舒張期末尾，而左心室處於收縮期末尾，圖7表示與圖6相反的情況，此時，當左心室處於舒張位置結束時，左心室液壓流體腔室（32）實際上其液壓液體是排空的。

賈維克非常詳細地介紹了其發明的優點，避免人體排斥，相當有規律地運行，具有合適的心率。對心血管、心肌無什麼損害，耐用、可靠、簡單、輕便，不會產生過度的熱量和噪音。1982年，賈維克—7型首次植入一個患者的病體，代替原有心臟，病人活了112天，死於多臟器衰竭。緊接著4個病人也沒有更長時間活下來。盡管后來也曾有病人植入賈維克—7型后活了620天，但是，賈維克—7型外接電源和控制部分仍在體外，連接線的引入體內也常引起感染，隻能作為等待合適活體移植等暫時使用，沒被批准為正常治療手段。然而，世界各國越來越多機構和人員加入人工心臟裝置的研究和開發，新技術和產品層出不窮。

賈維克獲得了博士學位后，仍留在猶他大學從事人工心臟裝置研究、開發工作，也曾創辦過商業公司以便推廣人工心臟裝置的運用。1987年，他離開了猶他大學，到紐約成立了賈維克研究所。借助於材料科學、工廠技術和控制技術的發展成果，以及研發的深化，他又發明了賈維克—2000型人工心臟裝置。該裝置隻有象指姆大小，通過非常細的動力線與用螺釘安裝在耳朵后面顱骨上硬幣大小的發送器相連，電池包佩帶在腰部。他們在繼續開發、改進他的產品。對新產品，他說：“左心室輔助系統，與早期最大不同是自然心臟不用移走，而小的裝置植入左心室提供泵的作用（即泵和電源植入心臟），降低了感染的風險。”他想要為患者提供價格相對便宜，植入后可正常生活的終身使用的人工心臟裝置。”

參考文獻：

《Inverting the 20th Century》

美國專利 US4173769

發明人：羅伯特.考夫勒.賈維克

Robert Koffler Jarvik，1946年5月11日在美國密歇根州出生，受家庭影響，從小就對機械和醫學感興趣。1976年在美國猶他州鹽湖城猶他大學獲得醫學博士學位，專門從事醫學、人工心臟方向的學習研究。設計研制了賈維克—7型人造心臟，開創了人造心臟移植的先河。