8月14日,中央广播电视总台纪录频道(CCTV-9)播出纪录片《创新的征途》第五集《守护生命》,走进泰达国际心血管病医院和航天泰心科技有限公司,感受“火箭心” 从研发到应用的突破之路。
中国人口平均寿命预期将达到79岁。仅仅在100多年前,中国人的平均寿命只有 30 多岁。这令人叹为观止的进步和许多因素有关,而其中一个无法忽视的原因就是医学的进步。
此刻是手术台上最为紧张的瞬间。 “有没有血压了?”这场起死回生的任务,已经是年过七旬的泰达国际心血管病医院院长刘晓程参与的第184次人工心脏手术了。他要在那颗垂死的心脏上植入一枚人工心脏,用机械的力量辅助生命跳动。人工心脏并非真正的心脏,而是一个乒乓球大小的机械血泵。 主治医生将泵体缝合在心脏左心室内的心尖处,通过泵内高速旋转的叶轮将左心室的血液持续抽出,经由一根人工血管绕过衰竭的心脏,直接泵入主动脉,保证全身供血。机械泵能够根据患者活动量实时调节卸载量,自动匹配血液流量的需求。
人工心脏是一个国家高端医疗器械科技水平的标志之一。近几年,国内人工心脏技术发展迅速,已成为治疗终末期心衰的重要解决方案。2009年,刘晓程联合中国运载火箭技术研究院,花费4年时间研制出了中国版人工心脏,并将其取名为“火箭心”。
刘晓程说:“人工心脏就是用机械的方法来代替心脏泵血。16年前我就找到中国运载火箭技术研究院,我要和我的工学团队交叉融合,他学医,我学工,最后在我们的边缘地带产生一个新的产品。”
因此,每台“火箭心”手术时,都会有两位工程师站在刘晓程身旁,为其提供技术支持。
刘晓程与中国运载火箭技术研究院联合研制的第一代“火箭心”,重量有180克。
“人工心脏越小,越好装到人身上。人的心脏就这么大个,现在把装置装在心尖,装置越大,它惰性就越大,会影响心脏的运动。尤其是体重小的人,包括儿童,没法装大东西,迄今全世界都没有儿童用的心脏。” 刘晓程谈到。
于是,刘晓程联合运载火箭技术团队随即启动了第二代 “火箭心” 的研制工作。
运载火箭技术团队讨论着:“哪一块需要改?”“这些部位,重点是中间的部分和边缘。”
这是研发团队经历的上百次失败中的一次,模拟实验再次检测到增高的剪切力,这块小小的高剪切应力区正是打碎血液中红细胞的元凶。
刘晓程说:“红细胞是运氧的,长得像个烧饼一样。它除了运载营养,还运载着氧气到全身各处,而且红细胞又像葡萄一样非常脆。怎么用泵把血打出去,又不破坏红细胞,这很难。”
这种红细胞在机械力作用下破裂的情况,在医学领域叫溶血反应,它会引发肾损伤和缺氧,严重时可致命。当第二代 “火箭心” 体积缩小后,必须提高血泵内血液流速来维持身体所需的血液流量。但血液转速过高又可能破坏红细胞,导致溶血加重。
航天泰心科技有限公司研发部经理范庆麟谈到:“转速、体积和溶血性能,是一组互相矛盾的参数,所以要在这些互相矛盾的参数里面寻找一个平衡。对溶血性能影响最大的是流体性能的设计,也就是叶片的设计。”
人工心脏的机械结构大致由四部分组成:泵壳、叶片、电机和电器元件。为了在保持原转速的前提下,兼顾效率又避免破坏红细胞,医工团队经过大量技术攻关,不断优化叶片的形状。
“叶片是极其复杂怪异的结构,它既不是椭圆,也不是双曲线,不是那种标准的简单曲线。” 范庆麟介绍道。
对叶轮的每处细微调整,研发团队都必须反复评估其溶血风险。
范庆麟坦言:“实质上没有好的方法,就是不停地尝试。”
对于此刻的医工团队来说,那串复杂的流体力学方程式将成为未来拯救生命的密码。
“我再给你一点啊,还是说你再加一点转?”“不用加转,你给我一点,我给你点。“泵手感反正很稳定。” “出来了,看一看。”医工团队交流着调试情况。
历经近百次的试验,研发团队研制的第二代“火箭心”,溶血指标大幅优于国际公认最佳产品。
刘晓程自豪地说:“这是一个重要的里程碑,这是全球最小、最好的磁悬浮人工心脏,和它同类的产品重220克,这个第二代“火箭心”只有75克。”