心臟輔助裝置作為治療心衰的重要醫療器械，已經在臨床上得到了廣泛的應用。本文對心臟輔助裝置的應用現狀、存在的問題以及未來的發展趨勢進行了綜述，其中包括心臟輔助裝置的分類、國內外代表性的研究成果、心臟輔助裝置的適應證等，而且還對心臟的生物力學指標、心衰的生物力學因素、心衰的評價指標、近幾年國內外心臟輔助裝置的血流動力學研究以及治療心衰的新方法等進行了分析總結，為進一步優化心臟輔助裝置結構及其臨床應用提供理論參考。
引用本文： 陳穎, 尹忠杰, 譚文長. 心臟輔助裝置應用現狀與心衰生物力學研究進展. 生物醫學工程學雜志, 2019, 36(6): 1043-1047. doi: 10.7507/1001-5515.201904041 復制
引言
心力衰竭（heart failure，HF），簡稱心衰，是一種嚴重危害人類生命安全的疾病，是任何心臟結構異常或功能異常導致的心室充盈或射血能力受損的一種復雜的臨床綜合征，是心臟疾病的嚴重及終末階段。HF 的臨床癥狀主要有呼吸困難、頸靜脈壓力升高和水腫等體征，其中，高血壓、糖尿病、心肌梗死是引起 HF 的三大主要發病誘因。據統計資料顯示，在歐洲，HF 的發病率超過 1%，而且在 70 歲以上的老年人中發病率更是高達 10%[1]。而在我國，HF 的死亡率已接近 40%，5 年內的死亡率已經超過了惡性腫瘤致死率，并且隨著我國人口老齡化進程的加劇，HF 發病率還有逐年升高的趨勢[2]。
心臟移植是治療終末期 HF 患者的最佳方法，然而心臟移植不僅存在著術后免疫排斥反應，供體缺乏更是制約心臟移植手術開展的最大瓶頸。心臟輔助裝置的出現，一定程度上緩解了心臟移植供體嚴重缺乏的問題。20 世紀 70 年代初，隨著材料加工、血泵結構、驅動設計、監測控制、手術操作和術后監護等一系列技術的快速發展，人類開始探索將一些輔助設備應用于心室的臨床治療。到 20 世紀 80 年代末期，世界各地陸續展開了對各種不同類型心臟輔助裝置的研究[3]。自 1971 年有文獻報道將心臟輔助裝置應用于治療 HF 以來，如今人工心臟已經在臨床上得到了廣泛應用[4]。心臟輔助裝置也逐漸成為晚期 HF 患者的主要治療手段，與此同時也成為了患者等待心臟移植過渡期維持生命的重要選擇[5]。
因此，本文對心臟輔助裝置的應用現狀和 HF 的生物力學研究進展進行綜述，旨在為進一步優化心臟輔助裝置的結構及其臨床應用提供理論參考。
1 心臟輔助裝置的分類及其國內外代表性的研究成果
心臟輔助裝置一般可分為機械循環輔助裝置（mechanical circulatory support，MCS）、心室輔助裝置（ventricular assist device，VAD）和全人工心臟（total artificial heart，TAH）。
MCS 主要包括：主動脈內球囊泵（intra-aortic balloon pump，IABP）和體外膜肺氧合（extracorporeal membrane oxygenation，ECMO）。IABP 的歷史可以追溯到 1968 年，當時是將其應用于心源性休克的治療領域。IABP 的主要作用是作為冠脈介入治療的輔助治療手段，使用 IABP 不但能降低手術中低血壓和閉塞血管再通后無復流的發生率，還能降低心肌缺血再灌注損傷的可能性[6]。但 IABP 有其局限性，它在很大程度上依賴于患者自身的左心室功能，對于完全喪失泵血能力的患者，IABP 所起的作用非常有限。而 ECMO 是一種可以中短期替代呼吸并且具備心肺聯合輔助能力的裝置，它可以同時對雙心室進行輔助，通常用于全心 HF 和自主呼吸較弱的低氧肺病患者。值得一提的是，因為兒童 HF 患者多為先天性的全心 HF，ECMO 是兒科患者應用最多的機械循環支持方式[7]。
VAD 按其輔助位置的不同，又可分為左心室輔助裝置（left ventricular assist device，LVAD）、右心室輔助裝置（right ventricular assist device，RVAD）以及雙心室輔助裝置。從血流輸入方式可分為搏動性血流 VAD 和連續性血流 VAD，連續性血流 VAD 提供的血流相對穩定，更符合人體的血流動力學特征，而且血栓栓塞的發生率較低。臨床上使用最多的是 LVAD。第一代 LVAD 屬于搏動性血泵，雖然能給患者提供泵血功能，但它的缺點是體積太大，且過多的導線組件容易誘發感染。第二代 LVAD 發展為體積較小的連續性血泵，如 HeartMate II（Thoratec，Inc.，美國）、Jarvik 2000（JarvikHeart，Inc.，美國）以及 Heart Assist5（ReliantHeart，Inc.，美國）都是典型的第二代 LVAD。盡管與第一代相比，第二代 LVAD 使用患者的生存率有了很大提高，但是依然存在著出血、驅動線接觸部位感染及泵血栓形成等并發癥。如今的 LVAD 已經發展到第三代，新一代的 LVAD 具有更小的體積，能產生較穩定的連續性血流，還增加了估算血流輸出量功能，細菌感染和血栓的發生率也明顯低于第二代。
TAH 則主要分為：氣動驅動的搏動式 TAH、回轉式 TAH 和電機驅動的搏動式 TAH。目前臨床上最具代表性的 TAH 是 CardioWest（SynCardia Systems，Inc.，美國），它是由兩個心室和四個瓣膜組成的搏動性氣動泵，可對雙心室同時衰竭的患者進行輔助。新一代的 TAH 為電力水驅動方式，采用生物瓣為基材，生物瓣具有很好的血液通透效果，可使流動過程無阻礙，如今生物瓣已經在 TAH 中得到了越來越廣泛的應用，但是目前依然處于實驗室研發階段，尚未開展大規模臨床應用[8]。
國外心臟輔助裝置的研發主要集中在美國和日本[9]，常見的心臟輔助裝置如表 1 所示。從表 1 中可以看到國外心臟輔助裝置的生廠商較多，而進口心臟輔助裝置具有代表性的是 HeartMate III（Thoratec，Inc.，美國）和 IHVAD（Medtronic，Inc.，美國），其植入后的臨床效果已被認可，但是該類 LVAD 植入后仍有少部分患者可能會引起右心 HF 的并發癥，其致病機制目前尚未完全明確[10]。
表1
常用心臟輔助裝置一覽表
Table1.
List of cardiac assist devices
國產心臟輔助裝置中比較典型的是中國醫學科學院阜外醫院和蘇州同心醫療器械有限公司研發的心臟輔助裝置 ChinaHeart（蘇州同心醫療器械有限公司，中國）。國產的第一代心臟輔助裝置可用于支持動物的慢性長期存活實驗研究，目前該產品已經發展到第三代。國產的第三代心臟輔助裝置采用磁懸浮技術，該技術無接觸軸承，它通過電磁線圈電流變化所產生的電磁力作為推動力，其與血液沒有機械式接觸；與傳統心臟輔助裝置相比，取消了導管，具有更好的生物相容性，大大降低了感染的發生率和溶血的風險，可與進口心臟輔助裝置相媲美。中國醫學科學院阜外醫院報道了國內首例接受該人工心臟植入術的患者順利植入 TAH 的案例[11]。
2 心臟輔助裝置的適應證和存在的問題
并不是所有 HF 患者都適合采用心臟輔助裝置進行治療。2016 年歐洲心臟病學會給出了心臟輔助裝置的建議適應證[12]：① 有急性感染或多器官功能障礙，不宜馬上進行心臟移植手術的患者，需要使用心臟輔助裝置改善臟器血流情況的患者；② 需要采用心臟輔助裝置給予機體恢復其血流動力學功能的心源性休克患者；③ 近期進行過大手術、且心臟排血量低下，或是心律不穩定的患者；④ 沒有合適的心臟供體或其它原因暫時不能進行心臟移植手術，需要依靠心臟輔助裝置來維持生命的 HF 患者。
現有的心臟輔助裝置存在一些普遍問題，比如：使用 VAD 的患者有時候會有不同程度的出血、血栓凝結，還可能會出現因泵體囊袋、管道、泵體等所導致的細菌感染性疾病，導致心內膜炎、縱隔炎等并發癥的發生。有研究表明，應用 LVAD 治療時，患者發生最多的并發癥就是細菌感染，臨床上一般只能采用抗生素來應對此類并發癥[13]。其中，最為嚴重的并發癥是敗血癥，而且心臟輔助裝置植入的時間越長，感染發生率越高。基于以上原因，建議 VAD 作為心臟輔助裝置的未來研究方向是向小型化、無線化發展，使其減少導線組件支撐，最大限度地避免細菌感染。
對 TAH 而言，溶血和血栓問題是該領域研究中一直備受關注的問題，也是影響其可靠性的主要因素之一[14]。目前在國內外 TAH 的研究中，主要的探究方向是通過改變血泵的結構和基本參數等來模擬不同條件下，血液溶血性能的差異。Szwast 等[15]運用大渦模擬方法對 TAH 的溶血現象進行了研究。他們的研究結果表明，血泵內能量耗散越大，或者相對于其它地方能量耗散大的地方，細胞的溶血值越高。TAH 無論是電機驅動型還是氣動驅動型，散熱都是一個很大的技術難題，因為多余的熱量如果不能隨著血液循環排出體外而逐漸堆積在體內，就會使患者的器臟受損[16]。
此外，心臟輔助裝置進入體內屬于異物植入，多數患者需要采取抗凝治療。因此，醫生需要密切監測患者的凝血指標，比如監測其國際敏感度指數（international sensitivity index，ISI）等。
3 心臟的生物力學指標、HF 的分類及評價指標等
人體心臟的生物力學指標通常有以下 4 個：① 心肌的應變與應變率。應變在物理學上是指相對變形，主要用于描述物體的拉伸與剪切程度，是一個無量綱參數。最早將應變概念應用到心臟力學研究中的是美國科學家 Mirsky 等[17]，在 1973 年發表的學術論文中指出，心肌應變是指心肌受力后發生的相對形變，它反應了心臟肌肉的舒張、收縮的變形程度。② 心室壁應力。應力在物理學上原是指材料單位面積上所承受的作用力，心室壁應力通常指的是心臟在收縮過程中心肌纖維產生的主動應力。③ 心肌的最大勁度。心肌最大勁度指的是心室收縮末期應力與應變關系的斜率。心肌的最大勁度對心肌收縮力的變化較為敏感，是評價左心室心肌收縮能力的主要指標。④ 左心室的解旋速度和扭轉角度。心臟的左右心室是由單塊肌纖維帶構成的，單塊肌纖維始于右心室的肺動脈瓣下，一直延伸到左心室和主動脈相連接，肌纖維的收縮與松弛引起左心室收縮期的扭轉舒張期的解旋動作。左心室的解旋動作在一個心動周期的等容舒張期最為明顯，該指標是整體評判心臟功能的生物力學指標。
針對 HF 的分類，可有以下幾種分類規則：按照收縮功能和舒張功能來分，分為收縮性 HF 和舒張性 HF；按發病速度，可分為急性 HF 和慢性 HF；按心臟缺血與充血區分，可分為缺血性 HF 和充血性 HF；按發病部位區分，又可分為左心 HF、右心 HF 和全心 HF。但是因為心室之間相互影響，左心 HF 會引起右心 HF，反過來也是如此。右心室收縮功能障礙是慢性 HF 的強預后指標。而心臟磁共振技術（cardiac magnetic resonance，CMR）是無創性評價心臟結構與功能的金標準，因其在時空的分辨率、組織對比度、多平面能力以及安全性能的優越性，該技術已成為無創性評價各心室疾病的最常用技術[18]。
常規反映心室收縮功能的指標有：心室射血分數（ventricular ejection fractions，VEF）、心室短軸縮短率（ventricular fractional shortening，VFS）等。但是 VEF 和 VFS 主要體現的是心室內力學情況，并不能體現心肌自身的收縮情況，心室長軸縱行應變、應變率是評價心室收縮功能的敏感參數[19]。
盡管常規的體檢，例如：中心靜脈壓（central venous pressure，CVP）、肺毛細血管楔壓（pulmonary capillary wedge pressure，PCWP）和心臟指數（cardiac index，CI），也是評估 HF 的血流動力學依據[20]，但有創的右心導管插入術（right heart catheterization，RHC），仍然是評估右心 HF 的血流動力學金標準[9]。
4 心臟輔助裝置能否改善衰竭心臟的功能
因為導致 HF 的病理因素非常復雜，HF 在過去通常被認為是不可逆轉的疾病。但是近十年來的科學研究報道顯示，VAD 的使用有助于逆轉 HF 的發展。Sun 等[21]的研究發現，終末期的 HF 患者在使用 VAD 后，一些肥大的心肌細胞恢復了正常結構。Couperus 等[22]的研究也發現，在植入 LVAD 后，不僅能使心臟分泌物腦利鈉肽（B-type natriuretic peptide，BNP）顯著減少，甚至還使右心室收縮期的應變也得到了改善。總之，心臟輔助裝置有使心臟負荷降低和改善微環境的作用，特別是 VAD，這主要由于其是通過增加心肌灌注，延長細胞壽命來改善患者的心臟功能的。
心臟輔助裝置還有使心肌細胞和線粒體功能恢復的功能，一定程度上甚至可使鈣離子傳導回歸正常，并有改善神經內分泌系統的輔助功能。從宏觀角度看，心臟輔助裝置還可逆轉心室重構，明顯改善血流動力學環境，增加血液輸出量，維持身體各器官的供血需求。但是現有證據依然只能說明心臟輔助裝置確有改善心室的功能，但不是完全重塑心臟結構使其得到永久性康復[23]。
5 心臟輔助裝置的血流動力學研究以及治療 HF 的新方法
近年來，國內外很多學者就心臟輔助裝置的血流動力學問題開展了大量的研究工作。常宇等[24]用計算機仿真的方法比較了心臟輔助裝置的串聯植入和旁路植入這兩種方式對主動脈內微栓運動規律的血流動力學影響。研究發現，旁路植入方式下，微栓進入腦部的概率低于串聯植入方式。此外，他們課題組還采用同樣的方法研究了心臟輔助裝置植入對左心室內血流動力學的影響，研究結果表明心臟輔助裝置可以迅速降低心室的壓力以及負荷，并能增加灌注時間，使器官得以充分灌注；此外，還能降低心室壁面剪切應力，增加心室內血液流動的渦流強度，并使渦流在心室內的持續時間明顯延長。蘇州大學的黃柊喻等[25]研究了我國自主研發的第三代完全磁懸浮 VAD 對于 HF 患者的循環輔助效果，其結論是該 VAD 能夠通過搏動控制器產生一定速度的搏動，提供足夠的心室輔助，并可以進一步改良優化，提供符合生理條件的搏動血流。
血流動力學的改變幾乎貫穿著 HF 發生發展的全過程，而 HF 發生的機制主要是由于心肌重構。廖曉倩等[26]報道了一種非血液接觸性 VAD，該裝置不僅能輔助心臟的泵血功能，減少心肌耗氧，還可以避免血栓以及血液感染的風險，但是它的局限性在于只能對心室的壓力進行輔助。Hydren 等[27]研究了 LVAD 的泵速對治療 HF 患者外周血管搏動的影響，認為可以通過改變 LVAD 泵出的血流速度來發揮其改善人體血流動力學的潛能。Ahmad 等[28]開發了一個結合電激活和心肌力學耦合的心臟流體機電有限元模型，在理想情況下運用血流動力學方法來研究 LVAD 的性能，該模型可以對患者何時出現心室衰竭進行模擬預測。Sacks 等[29]探討了連續性血流 VAD 與兒童原位心臟移植術后血管痙攣發生率的關系。該研究認為心臟移植手術前曾使用過連續性血流 VAD 的兒童患者更容易引起血流動力學狀態的不穩定性，并進一步增加小兒心臟植入術后血管痙攣的發生率，可見心臟輔助裝置對兒童的應用需要更加謹慎對待。
經皮心室重塑術（percutaneous ventricular restoration，PVR）是近十年來剛興起的治療 HF 的新途徑，它的治療主要是針對陳舊前壁心肌梗死的 HF 患者，通過微創介入的方法在此類患者心臟內植入名為“降落傘”的心室隔離裝置。臨床上最為典型的是植入 CardioKinetix 公司生產的心室隔離裝置 Parachute（CardioKinetix，Inc.，美國），該裝置的植入可有效地改善 HF 患者的臨床癥狀。在心臟病發作后，很多左心 HF 患者會有左室擴張從而導致心輸出量減少，造成如氣短等的 HF 癥狀。缺血性心臟病會引發 HF 癥狀，即左室功能障礙，植入“降落傘”后，它可以使受損傷的肌肉隔離，這樣就減少了總體的心容積并恢復更加正常的左室功能。據中國中醫科學院和北京大學第一醫院關于“降落傘”裝置通過股動脈植入心室的臨床案例研究結果認為，經皮心室重塑術可以作為缺血性 HF 治療的重要選擇[30]。
另外，近幾年文獻上還報道了一種稱之為心臟再同步化治療（cardiac resynchronization therapy，CRT）的新方法來應對慢性 HF，該方法是在傳統起搏的基礎上增加左心室起搏，通過雙心室起搏方式治療心室收縮不同步的問題。再同步化治療可以改善患者的心臟功能，是 HF 治療史上新的里程碑[31]。
6 HF 的生物力學因素以及心臟輔助裝置的未來發展趨勢
生物力學因素在 HF 的發生、發展過程中扮演著重要角色，其中包括微觀的細胞分子生物力學和宏觀的血流動力學兩個層面：① 在細胞分子層面，心室的主動松弛能力與心肌細胞的鈣超載、線粒體超氧炫都密不可分，而且細胞骨架蛋白的表達也影響著心肌僵硬度的力生物學機制。② 從宏觀的血流動力學層面看，HF 的發生涉及流體力學、固體力學、組織力學和器官力學等內容。因此，未來新型心臟輔助裝置的設計，應該同時著眼于心臟的細胞分子生物力學和宏觀的血流動力學機制，以期開發出可長期適用于人體的心臟輔助裝置。
目前，無論是接受心臟輔助裝置作為維持生命的永久性治療，還是作為心臟移植術前的過渡性治療，心臟輔助裝置都已得到了前所未有的廣泛應用。并且隨著生物醫學工程、機械加工以及心血管生物力學研究的不斷深入，心臟輔助裝置的功能也日益強大，其有效性和安全性也在不斷地提高。今后，制造出體積小、使用壽命長、符合人體血流動力學生理特征的心臟輔助裝置也將逐漸成為可能，為重癥 HF 患者提高生活質量、延續生命提供更高的保障。因此，在不久的將來，應該可以研制出并發癥低、普適性高的心臟輔助裝置，而其臨床應用前景也會越來越廣闊。
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
引言
心力衰竭（heart failure，HF），簡稱心衰，是一種嚴重危害人類生命安全的疾病，是任何心臟結構異常或功能異常導致的心室充盈或射血能力受損的一種復雜的臨床綜合征，是心臟疾病的嚴重及終末階段。HF 的臨床癥狀主要有呼吸困難、頸靜脈壓力升高和水腫等體征，其中，高血壓、糖尿病、心肌梗死是引起 HF 的三大主要發病誘因。據統計資料顯示，在歐洲，HF 的發病率超過 1%，而且在 70 歲以上的老年人中發病率更是高達 10%[1]。而在我國，HF 的死亡率已接近 40%，5 年內的死亡率已經超過了惡性腫瘤致死率，并且隨著我國人口老齡化進程的加劇，HF 發病率還有逐年升高的趨勢[2]。
心臟移植是治療終末期 HF 患者的最佳方法，然而心臟移植不僅存在著術后免疫排斥反應，供體缺乏更是制約心臟移植手術開展的最大瓶頸。心臟輔助裝置的出現，一定程度上緩解了心臟移植供體嚴重缺乏的問題。20 世紀 70 年代初，隨著材料加工、血泵結構、驅動設計、監測控制、手術操作和術后監護等一系列技術的快速發展，人類開始探索將一些輔助設備應用于心室的臨床治療。到 20 世紀 80 年代末期，世界各地陸續展開了對各種不同類型心臟輔助裝置的研究[3]。自 1971 年有文獻報道將心臟輔助裝置應用于治療 HF 以來，如今人工心臟已經在臨床上得到了廣泛應用[4]。心臟輔助裝置也逐漸成為晚期 HF 患者的主要治療手段，與此同時也成為了患者等待心臟移植過渡期維持生命的重要選擇[5]。
因此，本文對心臟輔助裝置的應用現狀和 HF 的生物力學研究進展進行綜述，旨在為進一步優化心臟輔助裝置的結構及其臨床應用提供理論參考。
1 心臟輔助裝置的分類及其國內外代表性的研究成果
心臟輔助裝置一般可分為機械循環輔助裝置（mechanical circulatory support，MCS）、心室輔助裝置（ventricular assist device，VAD）和全人工心臟（total artificial heart，TAH）。
MCS 主要包括：主動脈內球囊泵（intra-aortic balloon pump，IABP）和體外膜肺氧合（extracorporeal membrane oxygenation，ECMO）。IABP 的歷史可以追溯到 1968 年，當時是將其應用于心源性休克的治療領域。IABP 的主要作用是作為冠脈介入治療的輔助治療手段，使用 IABP 不但能降低手術中低血壓和閉塞血管再通后無復流的發生率，還能降低心肌缺血再灌注損傷的可能性[6]。但 IABP 有其局限性，它在很大程度上依賴于患者自身的左心室功能，對于完全喪失泵血能力的患者，IABP 所起的作用非常有限。而 ECMO 是一種可以中短期替代呼吸并且具備心肺聯合輔助能力的裝置，它可以同時對雙心室進行輔助，通常用于全心 HF 和自主呼吸較弱的低氧肺病患者。值得一提的是，因為兒童 HF 患者多為先天性的全心 HF，ECMO 是兒科患者應用最多的機械循環支持方式[7]。
VAD 按其輔助位置的不同，又可分為左心室輔助裝置（left ventricular assist device，LVAD）、右心室輔助裝置（right ventricular assist device，RVAD）以及雙心室輔助裝置。從血流輸入方式可分為搏動性血流 VAD 和連續性血流 VAD，連續性血流 VAD 提供的血流相對穩定，更符合人體的血流動力學特征，而且血栓栓塞的發生率較低。臨床上使用最多的是 LVAD。第一代 LVAD 屬于搏動性血泵，雖然能給患者提供泵血功能，但它的缺點是體積太大，且過多的導線組件容易誘發感染。第二代 LVAD 發展為體積較小的連續性血泵，如 HeartMate II（Thoratec，Inc.，美國）、Jarvik 2000（JarvikHeart，Inc.，美國）以及 Heart Assist5（ReliantHeart，Inc.，美國）都是典型的第二代 LVAD。盡管與第一代相比，第二代 LVAD 使用患者的生存率有了很大提高，但是依然存在著出血、驅動線接觸部位感染及泵血栓形成等并發癥。如今的 LVAD 已經發展到第三代，新一代的 LVAD 具有更小的體積，能產生較穩定的連續性血流，還增加了估算血流輸出量功能，細菌感染和血栓的發生率也明顯低于第二代。
TAH 則主要分為：氣動驅動的搏動式 TAH、回轉式 TAH 和電機驅動的搏動式 TAH。目前臨床上最具代表性的 TAH 是 CardioWest（SynCardia Systems，Inc.，美國），它是由兩個心室和四個瓣膜組成的搏動性氣動泵，可對雙心室同時衰竭的患者進行輔助。新一代的 TAH 為電力水驅動方式，采用生物瓣為基材，生物瓣具有很好的血液通透效果，可使流動過程無阻礙，如今生物瓣已經在 TAH 中得到了越來越廣泛的應用，但是目前依然處于實驗室研發階段，尚未開展大規模臨床應用[8]。
國外心臟輔助裝置的研發主要集中在美國和日本[9]，常見的心臟輔助裝置如表 1 所示。從表 1 中可以看到國外心臟輔助裝置的生廠商較多，而進口心臟輔助裝置具有代表性的是 HeartMate III（Thoratec，Inc.，美國）和 IHVAD（Medtronic，Inc.，美國），其植入后的臨床效果已被認可，但是該類 LVAD 植入后仍有少部分患者可能會引起右心 HF 的并發癥，其致病機制目前尚未完全明確[10]。
表1
常用心臟輔助裝置一覽表
Table1.
List of cardiac assist devices
國產心臟輔助裝置中比較典型的是中國醫學科學院阜外醫院和蘇州同心醫療器械有限公司研發的心臟輔助裝置 ChinaHeart（蘇州同心醫療器械有限公司，中國）。國產的第一代心臟輔助裝置可用于支持動物的慢性長期存活實驗研究，目前該產品已經發展到第三代。國產的第三代心臟輔助裝置采用磁懸浮技術，該技術無接觸軸承，它通過電磁線圈電流變化所產生的電磁力作為推動力，其與血液沒有機械式接觸；與傳統心臟輔助裝置相比，取消了導管，具有更好的生物相容性，大大降低了感染的發生率和溶血的風險，可與進口心臟輔助裝置相媲美。中國醫學科學院阜外醫院報道了國內首例接受該人工心臟植入術的患者順利植入 TAH 的案例[11]。
2 心臟輔助裝置的適應證和存在的問題
并不是所有 HF 患者都適合采用心臟輔助裝置進行治療。2016 年歐洲心臟病學會給出了心臟輔助裝置的建議適應證[12]：① 有急性感染或多器官功能障礙，不宜馬上進行心臟移植手術的患者，需要使用心臟輔助裝置改善臟器血流情況的患者；② 需要采用心臟輔助裝置給予機體恢復其血流動力學功能的心源性休克患者；③ 近期進行過大手術、且心臟排血量低下，或是心律不穩定的患者；④ 沒有合適的心臟供體或其它原因暫時不能進行心臟移植手術，需要依靠心臟輔助裝置來維持生命的 HF 患者。
現有的心臟輔助裝置存在一些普遍問題，比如：使用 VAD 的患者有時候會有不同程度的出血、血栓凝結，還可能會出現因泵體囊袋、管道、泵體等所導致的細菌感染性疾病，導致心內膜炎、縱隔炎等并發癥的發生。有研究表明，應用 LVAD 治療時，患者發生最多的并發癥就是細菌感染，臨床上一般只能采用抗生素來應對此類并發癥[13]。其中，最為嚴重的并發癥是敗血癥，而且心臟輔助裝置植入的時間越長，感染發生率越高。基于以上原因，建議 VAD 作為心臟輔助裝置的未來研究方向是向小型化、無線化發展，使其減少導線組件支撐，最大限度地避免細菌感染。
對 TAH 而言，溶血和血栓問題是該領域研究中一直備受關注的問題，也是影響其可靠性的主要因素之一[14]。目前在國內外 TAH 的研究中，主要的探究方向是通過改變血泵的結構和基本參數等來模擬不同條件下，血液溶血性能的差異。Szwast 等[15]運用大渦模擬方法對 TAH 的溶血現象進行了研究。他們的研究結果表明，血泵內能量耗散越大，或者相對于其它地方能量耗散大的地方，細胞的溶血值越高。TAH 無論是電機驅動型還是氣動驅動型，散熱都是一個很大的技術難題，因為多余的熱量如果不能隨著血液循環排出體外而逐漸堆積在體內，就會使患者的器臟受損[16]。
此外，心臟輔助裝置進入體內屬于異物植入，多數患者需要采取抗凝治療。因此，醫生需要密切監測患者的凝血指標，比如監測其國際敏感度指數（international sensitivity index，ISI）等。
3 心臟的生物力學指標、HF 的分類及評價指標等
人體心臟的生物力學指標通常有以下 4 個：① 心肌的應變與應變率。應變在物理學上是指相對變形，主要用于描述物體的拉伸與剪切程度，是一個無量綱參數。最早將應變概念應用到心臟力學研究中的是美國科學家 Mirsky 等[17]，在 1973 年發表的學術論文中指出，心肌應變是指心肌受力后發生的相對形變，它反應了心臟肌肉的舒張、收縮的變形程度。② 心室壁應力。應力在物理學上原是指材料單位面積上所承受的作用力，心室壁應力通常指的是心臟在收縮過程中心肌纖維產生的主動應力。③ 心肌的最大勁度。心肌最大勁度指的是心室收縮末期應力與應變關系的斜率。心肌的最大勁度對心肌收縮力的變化較為敏感，是評價左心室心肌收縮能力的主要指標。④ 左心室的解旋速度和扭轉角度。心臟的左右心室是由單塊肌纖維帶構成的，單塊肌纖維始于右心室的肺動脈瓣下，一直延伸到左心室和主動脈相連接，肌纖維的收縮與松弛引起左心室收縮期的扭轉舒張期的解旋動作。左心室的解旋動作在一個心動周期的等容舒張期最為明顯，該指標是整體評判心臟功能的生物力學指標。
針對 HF 的分類，可有以下幾種分類規則：按照收縮功能和舒張功能來分，分為收縮性 HF 和舒張性 HF；按發病速度，可分為急性 HF 和慢性 HF；按心臟缺血與充血區分，可分為缺血性 HF 和充血性 HF；按發病部位區分，又可分為左心 HF、右心 HF 和全心 HF。但是因為心室之間相互影響，左心 HF 會引起右心 HF，反過來也是如此。右心室收縮功能障礙是慢性 HF 的強預后指標。而心臟磁共振技術（cardiac magnetic resonance，CMR）是無創性評價心臟結構與功能的金標準，因其在時空的分辨率、組織對比度、多平面能力以及安全性能的優越性，該技術已成為無創性評價各心室疾病的最常用技術[18]。
常規反映心室收縮功能的指標有：心室射血分數（ventricular ejection fractions，VEF）、心室短軸縮短率（ventricular fractional shortening，VFS）等。但是 VEF 和 VFS 主要體現的是心室內力學情況，并不能體現心肌自身的收縮情況，心室長軸縱行應變、應變率是評價心室收縮功能的敏感參數[19]。
盡管常規的體檢，例如：中心靜脈壓（central venous pressure，CVP）、肺毛細血管楔壓（pulmonary capillary wedge pressure，PCWP）和心臟指數（cardiac index，CI），也是評估 HF 的血流動力學依據[20]，但有創的右心導管插入術（right heart catheterization，RHC），仍然是評估右心 HF 的血流動力學金標準[9]。
4 心臟輔助裝置能否改善衰竭心臟的功能
因為導致 HF 的病理因素非常復雜，HF 在過去通常被認為是不可逆轉的疾病。但是近十年來的科學研究報道顯示，VAD 的使用有助于逆轉 HF 的發展。Sun 等[21]的研究發現，終末期的 HF 患者在使用 VAD 后，一些肥大的心肌細胞恢復了正常結構。Couperus 等[22]的研究也發現，在植入 LVAD 后，不僅能使心臟分泌物腦利鈉肽（B-type natriuretic peptide，BNP）顯著減少，甚至還使右心室收縮期的應變也得到了改善。總之，心臟輔助裝置有使心臟負荷降低和改善微環境的作用，特別是 VAD，這主要由于其是通過增加心肌灌注，延長細胞壽命來改善患者的心臟功能的。
心臟輔助裝置還有使心肌細胞和線粒體功能恢復的功能，一定程度上甚至可使鈣離子傳導回歸正常，并有改善神經內分泌系統的輔助功能。從宏觀角度看，心臟輔助裝置還可逆轉心室重構，明顯改善血流動力學環境，增加血液輸出量，維持身體各器官的供血需求。但是現有證據依然只能說明心臟輔助裝置確有改善心室的功能，但不是完全重塑心臟結構使其得到永久性康復[23]。
5 心臟輔助裝置的血流動力學研究以及治療 HF 的新方法
近年來，國內外很多學者就心臟輔助裝置的血流動力學問題開展了大量的研究工作。常宇等[24]用計算機仿真的方法比較了心臟輔助裝置的串聯植入和旁路植入這兩種方式對主動脈內微栓運動規律的血流動力學影響。研究發現，旁路植入方式下，微栓進入腦部的概率低于串聯植入方式。此外，他們課題組還采用同樣的方法研究了心臟輔助裝置植入對左心室內血流動力學的影響，研究結果表明心臟輔助裝置可以迅速降低心室的壓力以及負荷，并能增加灌注時間，使器官得以充分灌注；此外，還能降低心室壁面剪切應力，增加心室內血液流動的渦流強度，并使渦流在心室內的持續時間明顯延長。蘇州大學的黃柊喻等[25]研究了我國自主研發的第三代完全磁懸浮 VAD 對于 HF 患者的循環輔助效果，其結論是該 VAD 能夠通過搏動控制器產生一定速度的搏動，提供足夠的心室輔助，并可以進一步改良優化，提供符合生理條件的搏動血流。
血流動力學的改變幾乎貫穿著 HF 發生發展的全過程，而 HF 發生的機制主要是由于心肌重構。廖曉倩等[26]報道了一種非血液接觸性 VAD，該裝置不僅能輔助心臟的泵血功能，減少心肌耗氧，還可以避免血栓以及血液感染的風險，但是它的局限性在于只能對心室的壓力進行輔助。Hydren 等[27]研究了 LVAD 的泵速對治療 HF 患者外周血管搏動的影響，認為可以通過改變 LVAD 泵出的血流速度來發揮其改善人體血流動力學的潛能。Ahmad 等[28]開發了一個結合電激活和心肌力學耦合的心臟流體機電有限元模型，在理想情況下運用血流動力學方法來研究 LVAD 的性能，該模型可以對患者何時出現心室衰竭進行模擬預測。Sacks 等[29]探討了連續性血流 VAD 與兒童原位心臟移植術后血管痙攣發生率的關系。該研究認為心臟移植手術前曾使用過連續性血流 VAD 的兒童患者更容易引起血流動力學狀態的不穩定性，并進一步增加小兒心臟植入術后血管痙攣的發生率，可見心臟輔助裝置對兒童的應用需要更加謹慎對待。
經皮心室重塑術（percutaneous ventricular restoration，PVR）是近十年來剛興起的治療 HF 的新途徑，它的治療主要是針對陳舊前壁心肌梗死的 HF 患者，通過微創介入的方法在此類患者心臟內植入名為“降落傘”的心室隔離裝置。臨床上最為典型的是植入 CardioKinetix 公司生產的心室隔離裝置 Parachute（CardioKinetix，Inc.，美國），該裝置的植入可有效地改善 HF 患者的臨床癥狀。在心臟病發作后，很多左心 HF 患者會有左室擴張從而導致心輸出量減少，造成如氣短等的 HF 癥狀。缺血性心臟病會引發 HF 癥狀，即左室功能障礙，植入“降落傘”后，它可以使受損傷的肌肉隔離，這樣就減少了總體的心容積并恢復更加正常的左室功能。據中國中醫科學院和北京大學第一醫院關于“降落傘”裝置通過股動脈植入心室的臨床案例研究結果認為，經皮心室重塑術可以作為缺血性 HF 治療的重要選擇[30]。
另外，近幾年文獻上還報道了一種稱之為心臟再同步化治療（cardiac resynchronization therapy，CRT）的新方法來應對慢性 HF，該方法是在傳統起搏的基礎上增加左心室起搏，通過雙心室起搏方式治療心室收縮不同步的問題。再同步化治療可以改善患者的心臟功能，是 HF 治療史上新的里程碑[31]。
6 HF 的生物力學因素以及心臟輔助裝置的未來發展趨勢
生物力學因素在 HF 的發生、發展過程中扮演著重要角色，其中包括微觀的細胞分子生物力學和宏觀的血流動力學兩個層面：① 在細胞分子層面，心室的主動松弛能力與心肌細胞的鈣超載、線粒體超氧炫都密不可分，而且細胞骨架蛋白的表達也影響著心肌僵硬度的力生物學機制。② 從宏觀的血流動力學層面看，HF 的發生涉及流體力學、固體力學、組織力學和器官力學等內容。因此，未來新型心臟輔助裝置的設計，應該同時著眼于心臟的細胞分子生物力學和宏觀的血流動力學機制，以期開發出可長期適用于人體的心臟輔助裝置。
目前，無論是接受心臟輔助裝置作為維持生命的永久性治療，還是作為心臟移植術前的過渡性治療，心臟輔助裝置都已得到了前所未有的廣泛應用。并且隨著生物醫學工程、機械加工以及心血管生物力學研究的不斷深入，心臟輔助裝置的功能也日益強大，其有效性和安全性也在不斷地提高。今后，制造出體積小、使用壽命長、符合人體血流動力學生理特征的心臟輔助裝置也將逐漸成為可能，為重癥 HF 患者提高生活質量、延續生命提供更高的保障。因此，在不久的將來，應該可以研制出并發癥低、普適性高的心臟輔助裝置，而其臨床應用前景也會越來越廣闊。
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
