杨明：走在人工心脏的探索之路上

本刊记者 李素雪

人工心脏是利用机械的方法把血液输送到全身各器官以代替心脏的功能。

人工心脏是目前解决心脏移植供心来源不足的一种有效途经。

能走在人工心脏研究的世界前沿，凭的是持之以恒，踏实努力。

细节决定成败，从细小问题入手就能发现一些新东西，鼓励和培养学生的仔细探索的精神。

每年都有无数人罹患心力衰竭，而可供移植的心脏却越来越难找到。研究者由此萌生大胆设想：用人造心脏取代自然心脏。来自上海交通大学电子信息与电气工程学院仪器系的杨明教授就是关注此类问题的研究者。

科技攻关 成果卓著

杨明教授曾在英国利兹大学从事应用于人工心脏肌肉超声器件研究。2005年回国于上海交通大学电子信息与电气工程学院仪器系继续从事人工心脏研究。

高效率、小型化、全植入体内的人工心脏可以显著改善病人的生活质量，使病人恢复到正常生活，甚至能够离开医院回到家中。这就对人工心脏的测量控制技术提出了更高的要求，成为制约患者生存率的主要因素。人工心脏的测量控制系统是用来监测人体血液循环、生理参数变化以及人工心脏运行的各项指标参数，控制人工心脏的工作状态，使之适应于实验或人体的循环生理需要，是保障人工心脏可靠正常运行、使病人长期存活的重要条件。

杨明教授及其领导的研究小组将相关的医学知识、血液动力学、传感与动作技术、控制技术、电子技术、流体及精密机械等相关知识相结合，围绕治疗心力衰竭的人工心脏辅助器件、系统等开展研究与开发。

人工心脏研究的焦点是轴流泵和离心泵，血液基本以恒定的流量从泵体输送至全身。这种人工心脏的缺点是不能产生搏动血流和易造成血栓和溶血，不能充分实现组织灌注，对人体血液循环的影响一直存在争议。而传统搏动式人工心脏的发展由于受到驱动器体积、性能等条件的制约，亦遭遇了瓶颈。针对搏动式人工心脏发展所遇到的关键问题采用新的驱动装置，杨明教授及其科研团队提出并实现了多种新型搏动泵的设计方案，在满足人体生理需求的基础上，不断缩小人工心脏的体积，模拟自然心脏的各种生理功能。

现有的搏动式人工心脏一般是采用传统的电磁电机提供动力，但电磁电机在人工心脏的尺寸限制下转速较高、力矩较小，且易受到电磁干扰的影响。由于维持人工心脏的搏动需要维持较大的力矩和较低的转速，所以需要额外增加减速机构，电机的震动和冲击不可避免。通过研究讨论，他们引进了一种新型电机直接实现低速大转矩运行，既可直接达到接近人体心跳频率的有力搏动，并具有运转稳定、低噪声、不受电磁干扰影响等优点。与传统方案相比，缩小了泵体的尺寸，改善了血泵的性能。

心血管系统不仅是一套精密的流体系统，还承载着神经信号的传导、生理活动的控制等功能。因此生理控制器的研究逐渐受到关注。在临床中，人工心脏必须根据病人体型和不同生理状态（如睡眠、轻微运动、情绪波动）自动调节输出（流量、压力搏动频率等）。此外，对各种并发症（如右心衰竭、脑损伤等）的研究也要求将人工心脏视为整个心血管系统的一部分。由于临床应用中可获取的生理信号非常有限，必须基于体循环模型非接触地估计各种生理参数并合理地制定控制策略。他们在模拟体外循环平台上对流体参数辨识、自适应控制等领域进行了研究，并争取将这项技术应用到临床实践。

对于人工心脏来说，由于其长期持续运转需要大量的电力供应，目前的解决方案是利用外接电源为电机等一系列功耗元件提供能量。因此每个用户都要从体内穿过皮肤接出一条电源线，这无疑增大了患者感染的可能，也将会给患者的生活造成极大的不便。他们也致力于无线能量传输这一技术，希望不通过电缆，而是利用电磁场的耦合，实现体内和体外能量的交换。目前已经实现了近距离的无线能量传输，针对装置的安全性，效率等多个方面正在做深入研究。可以想象，无线能量传输技术一旦投入使用，将极大地推动人工心脏的临床应用。

此外，杨明教授目前还承担了一项国家自然基金科学仪器基础研究专款项目“可植入搏动式超声致动血泵关键技术基础研究”和一项国家自然基金面上项目“人工心脏辅助超声致动血泵数学建模与温升控制”等研究任务。

科学管理 捷报频传

杨明专注于利用超声马达的手段和方法研究人工心脏疾病相关的生命进程机理。在这一领域中，他用才情和执着书画着超越生命的蓝图。智者，敢于操纵梦想；师者，传道授业，必定选择永远的奉献。在杨明的人生字典里，我们能轻松的找到这些，似乎这就是他科研生命的主题。在专业领域，他是一个认真做事的人，生活中，他却奉行着低调做人的原则，如果说自己在专业领域取得了一些成果，那都是团队共同努力的结果，绝不是自己一个人的功劳。

回国后，除了科研工作外，杨明还积极探索科研协同机制，先后与一些三甲医院的心外科建立长效研究科研合作机制，为医工结合交叉学科的科研工作机制探索提供了有效的实践和经验。

几年来他共招收博硕士研究生20余人，其中已毕业的博士3人，硕士15人。在学生培养上倾尽全力，把所学的科研思想，实验技术毫无保留传授给学生，并鼓励工作人员和学生大胆创新，支持他们做探索性的工作。坚持以人为本，组织建设良好的人才团队，把“让想干事的人能干事，让能干事的人干成事，让干成事的人成大事”作为自己的工作思路。

实验室目前已研制出两种人工心脏血泵原理样机，其中一种的性能参数和国际刊物中发表论文中性能指标相当，甚至超过。为验证人工心脏血泵的性能，他们也研制出了人体血液循环模拟系统。实验室还在高水平国际刊物上发表论文7篇，授权中国发明专利10余件。这些科研成果的取得无一不是实验室成员集体努力的结果。

尽管杨教授和他的科研团队在人工心脏研究机制的探索的上做了大量的工作，获得了众多的科研成果，但他心里很清楚，所做的这些仅仅是人工心脏研究机制探索的一部分，还有大量的工作需要去做，这是一项长期甚至一生的事业，因此，他下一步的工作重点是与其他从事人工心脏研究工作的科研单位和科学家进行深度合作，共同协作，获得系统性的突破和进展，将研究工作向上下游拓展，延伸至动物模型实验，期望能够获得初步的研究成果。

人工心脏的研究方兴未艾，其研究成果必将造福广大心脏病患者，应用前景十分广阔。目前国外的大量文献报道了人工心脏长期替代人类心脏工作是可能的，并有多种型号已经投入临床应用。我国作为世界人口第一的大国，终末期心脏病患者数量庞大，所以在国内开展人工心脏的研究更具意义。随着国家对基础科学领域投入的逐年增加，支撑人工心脏的各学科领域将得到长足进展，相信在不久的将来，人工心脏的几大关键技术终将会取得突破。不论是作为短期的心室辅助，抑或是等待心脏移植供体的过渡桥梁，甚至是永久的替代心脏，人工心脏都将得到广泛地应用。人工心脏的研究任重而道远，但杨明坚信，不远的将来，终将聆听到永恒的心跳声。