人造心臟 無線供能

　　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；而當心臟真的痛了起來，情況便已不妙?，F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。最近發明的無線供電新技術，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，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、但不會產生并發癥的機械血泵，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。

　　在人工心臟技術發展的早期，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，它和傳統血泵之間最大的區別在于拋棄了脈動式的供血方式，改以平緩而持續的流動。它就像是一個持續轉動的鼓風機，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口更小，手術后感染的幾率更低；而雖然血栓的產生率與傳統隔膜泵相仿，但是在植入葉輪泵的病患體內，血栓并發癥的發生率卻更低—據推測，這可能是因為高速旋轉的葉輪能夠有效粉碎血栓的緣故。

　　現在，人工心臟已經能夠讓患者離開醫院，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計目標。根據美國馬里蘭州的國立心肺血液研究所提出的構想，人工心臟應該可以全部植入體內、沒有導線或者導管穿過人體；它應該攜帶方便，應該能夠作為天然心臟的替代裝置。很明顯，距離這一目標，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?，F在的人工心臟都需要電能，而體內供電裝置的研究進展并沒有達到可以臨床試驗的程度。雖然人們已經開發出了使用葡萄糖的體內燃料電池和柔軟的納米壓電發電機，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在，近距離無線供電技術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：當導體在磁場中運動切割磁力線時，將會在導體內產生感應電流。當我們把一卡通靠近讀卡器的磁場時，一卡通中的線圈會產生電流，供電給芯片以發出信號。

　　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，麻省理工學院助理教授Marin Soljacic開發出新的技術，使用被叫做“磁耦合共振”的原理實現了電能無線傳輸，能量轉化率達到40%。兩年后，在2009年8月的英特爾開發者論壇上，來自西雅圖華盛頓大學和英特爾西雅圖實驗室的Joshua Smith展示了類似的技術，系統效率達到了75%。

　　這種技術的核心在于“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中，發送端和接收端的線圈被調校成一個磁共振系統，當發送端產生的振蕩磁場頻率和接收端的固有頻率相同時，接收端就會產生共振，實現能量傳輸；而對固有頻率不同的導體則不起作用?，F在，Joshua Smith打算把這種原理用在人工心臟的供能系統上。

　　在前不久召開的美國胸外科協會年會上，Smith和他的合作者、匹茲堡大學的Pramod Bonde提交了一篇論文，展示了使用這種“可調范圍共振電能傳輸系統”，簡稱FREE-D供電方式的人工心臟?，F在他們設計的這套系統，體內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%，整個系統的能源利用率也有將近80%?；颊呖梢栽谝路锇惭b能量發送端和電池，而不再像以前那樣把電池掛在體外，增加感染的風險。他們也可以在床上或者室內其他地方安裝發送端，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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