人造心臟 無(wú)線供能

　　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(huì)傷心痛心，但是這些感情卻和那個(gè)在我們胸腔中跳動(dòng)的、拳頭大小的肌肉團(tuán)無(wú)關(guān)；而當(dāng)心臟真的痛了起來(lái)，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(wú)缺。最近發(fā)明的無(wú)線供電新技術(shù)，將會(huì)讓人工心臟變得完美一點(diǎn)。

　　在成年后，心臟平均每分鐘會(huì)把5升血液送進(jìn)動(dòng)脈。心臟一旦停止工作，其他器官就無(wú)法得到氧氣供應(yīng)，只需要幾分鐘就會(huì)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(zhǎng)幾個(gè)月或者幾年的生存時(shí)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(jì)劃，正是為了拯救嚴(yán)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(zhǎng)期代替自然心泵功能、但不會(huì)產(chǎn)生并發(fā)癥的機(jī)械血泵，心臟病將不再會(huì)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(shí)的時(shí)間；1982年，氣動(dòng)式心室輔助裝置被植入人體，為一位名叫Barney Clark的患者延長(zhǎng)了將近4個(gè)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(yùn)動(dòng)，把血液一次次泵進(jìn)動(dòng)脈。它看起來(lái)更加自然，但是卻總會(huì)帶來(lái)一些可怕的并發(fā)癥，包括感染、器官衰竭、嚴(yán)重出血、血栓等等。1998年，名為“MicroMed DeBakey”的心臟輔助裝置進(jìn)入了臨床試驗(yàn)階段，它和傳統(tǒng)血泵之間最大的區(qū)別在于拋棄了脈動(dòng)式的供血方式，改以平緩而持續(xù)的流動(dòng)。它就像是一個(gè)持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的鼓風(fēng)機(jī)，只不過流過它的扇葉的，不是空氣而是血液。因?yàn)橹踩脒@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(cè)，這可能是因?yàn)楦咚傩D(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(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到人工心臟的設(shè)計(jì)目標(biāo)。根據(jù)美國(guó)馬里蘭州的國(guó)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(zhǎng)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(jī)械零件，供能裝置依然是一個(gè)大問題?，F(xiàn)在的人工心臟都需要電能，而體內(nèi)供電裝置的研究進(jìn)展并沒有達(dá)到可以臨床試驗(yàn)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(jī)，但是目前還不足以用在人工心臟上。無(wú)線供電也許會(huì)是個(gè)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(jì)出了無(wú)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(lái)遠(yuǎn)距離傳輸電能?，F(xiàn)在，近距離無(wú)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?cè)缇土私獾碾姶鸥袘?yīng)：當(dāng)導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)切割磁力線時(shí)，將會(huì)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(chǎng)時(shí)，一卡通中的線圈會(huì)產(chǎn)生電流，供電給芯片以發(fā)出信號(hào)。

　　但是這種方式的能耗太高—磁場(chǎng)強(qiáng)度按照距離的平方衰減，只要距離稍微遠(yuǎn)一點(diǎn)，獲得的電量就會(huì)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(shí)現(xiàn)了電能無(wú)線傳輸，能量轉(zhuǎn)化率達(dá)到40%。兩年后，在2009年8月的英特爾開發(fā)者論壇上，來(lái)自西雅圖華盛頓大學(xué)和英特爾西雅圖實(shí)驗(yàn)室的Joshua Smith展示了類似的技術(shù)，系統(tǒng)效率達(dá)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(wú)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(gè)磁共振系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)送端產(chǎn)生的振蕩磁場(chǎng)頻率和接收端的固有頻率相同時(shí)，接收端就會(huì)產(chǎn)生共振，實(shí)現(xiàn)能量傳輸；而對(duì)固有頻率不同的導(dǎo)體則不起作用。現(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(guó)胸外科協(xié)會(huì)年會(huì)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(jiǎn)稱FREE-D供電方式的人工心臟?，F(xiàn)在他們?cè)O(shè)計(jì)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(dá)91.8%，整個(gè)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(xiǎn)。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(chǎng)上看到這種裝置，可能還需要幾年時(shí)間?，F(xiàn)在這些研究者們正在改進(jìn)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(wú)處不在的電磁波中得到。

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