文｜辛江

　　制圖｜李婷婷

　　人工心臟將能夠替代天然心臟嗎？如果有了夠好的供電技術(shù)的話，也許能。

　　也許沒什么器官能夠如心臟般重要，以至于被引申出諸多含義。人們會傷心痛心，但是這些感情卻和那個在我們胸腔中跳動的、拳頭大小的肌肉團無關(guān)；而當(dāng)心臟真的痛了起來，情況便已不妙。現(xiàn)在，心室輔助裝置能夠緩解燃眉之急，但是它卻并非完美無缺。最近發(fā)明的無線供電新技術(shù)，將會讓人工心臟變得完美一點。

　　在成年后，心臟平均每分鐘會把5升血液送進動脈。心臟一旦停止工作，其他器官就無法得到氧氣供應(yīng)，只需要幾分鐘就會死亡。

　　這就是心臟衰竭。雖然心臟移植手術(shù)能夠幫助心臟衰竭患者再延長幾個月或者幾年的生存時間，但是合適的心臟供體不容易獲得。1960年代開始的“全人工心臟”計劃，正是為了拯救嚴重心衰的病患而開始的。

　　人工心臟，或者心室輔助裝置，本質(zhì)上都是替換自然心臟的人造血泵裝置。如果能造出可長期代替自然心泵功能、但不會產(chǎn)生并發(fā)癥的機械血泵，心臟病將不再會是人類最恐懼的殺手之一。1969年，人工心臟第一次被應(yīng)用于人體，患者使用它度過了64小時的時間；1982年，氣動式心室輔助裝置被植入人體，為一位名叫Barney Clark的患者延長了將近4個月的壽命。

　　在人工心臟技術(shù)發(fā)展的早期，人們嘗試模仿天然心臟的運動，把血液一次次泵進動脈。它看起來更加自然，但是卻總會帶來一些可怕的并發(fā)癥，包括感染、器官衰竭、嚴重出血、血栓等等。1998年，名為“MicroMed DeBakey”的心臟輔助裝置進入了臨床試驗階段，它和傳統(tǒng)血泵之間最大的區(qū)別在于拋棄了脈動式的供血方式，改以平緩而持續(xù)的流動。它就像是一個持續(xù)轉(zhuǎn)動的鼓風(fēng)機，只不過流過它的扇葉的，不是空氣而是血液。因為植入這種新型葉輪泵的創(chuàng)口更小，手術(shù)后感染的幾率更低；而雖然血栓的產(chǎn)生率與傳統(tǒng)隔膜泵相仿，但是在植入葉輪泵的病患體內(nèi)，血栓并發(fā)癥的發(fā)生率卻更低—據(jù)推測，這可能是因為高速旋轉(zhuǎn)的葉輪能夠有效粉碎血栓的緣故。

　　現(xiàn)在，人工心臟已經(jīng)能夠讓患者離開醫(yī)院，并且在沒有獲得合適供體的情況下生活幾年。但是這還遠遠沒有達到人工心臟的設(shè)計目標(biāo)。根據(jù)美國馬里蘭州的國立心肺血液研究所提出的構(gòu)想，人工心臟應(yīng)該可以全部植入體內(nèi)、沒有導(dǎo)線或者導(dǎo)管穿過人體；它應(yīng)該攜帶方便，應(yīng)該能夠作為天然心臟的替代裝置。很明顯，距離這一目標(biāo)，人工心臟還有很長的路要走。

　　就算可以將人工心臟微型化，并且制造出足夠可靠的機械零件，供能裝置依然是一個大問題。現(xiàn)在的人工心臟都需要電能，而體內(nèi)供電裝置的研究進展并沒有達到可以臨床試驗的程度。雖然人們已經(jīng)開發(fā)出了使用葡萄糖的體內(nèi)燃料電池和柔軟的納米壓電發(fā)電機，但是目前還不足以用在人工心臟上。無線供電也許會是個更好的主意。

　　早在1890年，傳奇人物、交流電之父尼古拉·特斯拉就設(shè)計出了無線供電的方案，試圖利用在地面和大氣電離層之間的電磁波來遠距離傳輸電能?，F(xiàn)在，近距離無線供電技術(shù)早已成為我們生活的一部分，比如公交一卡通，它的原理只是人們早就了解的電磁感應(yīng)：當(dāng)導(dǎo)體在磁場中運動切割磁力線時，將會在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流。當(dāng)我們把一卡通靠近讀卡器的磁場時，一卡通中的線圈會產(chǎn)生電流，供電給芯片以發(fā)出信號。

　　但是這種方式的能耗太高—磁場強度按照距離的平方衰減，只要距離稍微遠一點，獲得的電量就會大幅減少。2007年，麻省理工學(xué)院助理教授Marin Soljacic開發(fā)出新的技術(shù)，使用被叫做“磁耦合共振”的原理實現(xiàn)了電能無線傳輸，能量轉(zhuǎn)化率達到40%。兩年后，在2009年8月的英特爾開發(fā)者論壇上，來自西雅圖華盛頓大學(xué)和英特爾西雅圖實驗室的Joshua Smith展示了類似的技術(shù)，系統(tǒng)效率達到了75%。

　　這種技術(shù)的核心在于“共振”，它是一種非常高效的能量傳輸方式。在這種新的無線供電技術(shù)中，發(fā)送端和接收端的線圈被調(diào)校成一個磁共振系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)送端產(chǎn)生的振蕩磁場頻率和接收端的固有頻率相同時，接收端就會產(chǎn)生共振，實現(xiàn)能量傳輸；而對固有頻率不同的導(dǎo)體則不起作用?，F(xiàn)在，Joshua Smith打算把這種原理用在人工心臟的供能系統(tǒng)上。

　　在前不久召開的美國胸外科協(xié)會年會上，Smith和他的合作者、匹茲堡大學(xué)的Pramod Bonde提交了一篇論文，展示了使用這種“可調(diào)范圍共振電能傳輸系統(tǒng)”，簡稱FREE-D供電方式的人工心臟?，F(xiàn)在他們設(shè)計的這套系統(tǒng)，體內(nèi)接收線圈的直徑最小僅有4.3厘米，電流傳送能量比例高達91.8%，整個系統(tǒng)的能源利用率也有將近80%。患者可以在衣服里安裝能量發(fā)送端和電池，而不再像以前那樣把電池掛在體外，增加感染的風(fēng)險。他們也可以在床上或者室內(nèi)其他地方安裝發(fā)送端，以擺脫惱人的電線。

　　但是，要在市場上看到這種裝置，可能還需要幾年時間?，F(xiàn)在這些研究者們正在改進這種裝置，包括減少接收端的面積，縮減體內(nèi)植入部分的體積等等。也許有一天，人工心臟可以完全替代天然心臟，而其所需的能量，可以直接從無處不在的電磁波中得到。

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