《生物医学工程导论—人工器官》.ppt
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1、人人 工工 器器 官官生物医学工程导论生物医学工程导论15.1 概述概述l定义定义:人工器官是生物医学工程专业中人工器官是生物医学工程专业中一门新的学科。它主要研究模拟人体器一门新的学科。它主要研究模拟人体器官的结构和功能,用人工材料和电子技官的结构和功能,用人工材料和电子技术制成部分或全部替代人体自然器官功术制成部分或全部替代人体自然器官功能的机械装置和电子装置。当人体器官能的机械装置和电子装置。当人体器官病损而用常规方法不能医治时,有可能病损而用常规方法不能医治时,有可能给病人使用一个人工制造的器官来取代给病人使用一个人工制造的器官来取代或部分取代病损的自然器官,补偿或修或部分取代病损的自
2、然器官,补偿或修复或辅助其功能。复或辅助其功能。2l发展:发展:20世纪世纪80年代以来,人工器官的年代以来,人工器官的研究和应用迅速发展,可以说,人体除研究和应用迅速发展,可以说,人体除大脑尚无人工大脑替代外,几乎人体各大脑尚无人工大脑替代外,几乎人体各个器官都在进行人工模拟研制中,其中个器官都在进行人工模拟研制中,其中有不少人工器官已成功地用于临床。有不少人工器官已成功地用于临床。34l人工器官人工器官按按功能功能分为分为1111类类:(1)支支持持运运动动功功能能的的人人工工器器官官,如如人人工工关关节节、人人工工脊脊椎椎、人人工工骨骨、人人工工肌肌腱腱、肌肌电电控控制制人人工工假假肢等
3、。肢等。(2)血血液液循循环环功功能能的的人人工工器器官官,如如人人工工心心脏脏及及其其辅辅助助循循环环装装置置、人人工工心心脏脏瓣瓣膜膜、人人工工血血管管、人人工血液等。工血液等。(3)呼呼吸吸功功能能的的人人工工器器官官,如如人人工工肺肺(人人工工心心肺肺机)、人工气管、人工喉等。机)、人工气管、人工喉等。(4)血血液液净净化化功功能能的的人人工工器器官官,如如人人工工肾肾(血血液液透析机)、人工肺等。透析机)、人工肺等。(5)消消化化功功能能的的人人工工器器官官,如如人人工工食食管管、人人工工胆胆管、人工肠等。管、人工肠等。5(6)排排尿尿功功能能的的人人工工器器官官,如如人人工工膀膀胱
4、胱、人人工工输尿管、人工尿道等。输尿管、人工尿道等。(7)内内分分泌泌功功能能的的人人工工器器官官,如如人人工工胰胰、人人工工胰岛细胞。胰岛细胞。(8)生生殖殖功功能能的的人人工工器器官官,如如人人工工子子宫宫、人人工工输卵管、人工睾丸等。输卵管、人工睾丸等。(9)神神经经传传导导功功能能的的人人工工器器官官,如如心心脏脏起起搏搏器器、膈起搏器等。膈起搏器等。(10)感感觉觉功功能能的的人人工工器器官官,如如人人工工视视觉觉、人人工工听听觉觉(人人工工耳耳蜗蜗)、人人工工晶晶体体、人人工工角角膜膜、人人工听骨、人工鼻等。工听骨、人工鼻等。(11)其他其他类,人工硬脊膜、人工皮肤等。类,人工硬脊
5、膜、人工皮肤等。6l人工器官人工器官按按原理原理分类分类机械式装置(如人工心脏瓣膜、人工气管、机械式装置(如人工心脏瓣膜、人工气管、人工晶体等)人工晶体等)电子式装置(如人工耳蜗、人工胰、人工肾、电子式装置(如人工耳蜗、人工胰、人工肾、心脏起搏器等)心脏起搏器等)l人工器官人工器官按按使用方式使用方式分类分类植入式,如人工关节、人工心脏瓣膜、心脏植入式,如人工关节、人工心脏瓣膜、心脏起搏器。起搏器。体外式,如人工肾、人工肺、人工胰。这些体外式,如人工肾、人工肺、人工胰。这些体外式人工器官实际上都是由电子控制的精体外式人工器官实际上都是由电子控制的精密机械装置。密机械装置。7l特点:特点:人工器
6、官是多种学科研究的结晶,人工器官是多种学科研究的结晶,该学科是生物材料、生物力学、组织工该学科是生物材料、生物力学、组织工程学、电子学(包括计算机)特别是微程学、电子学(包括计算机)特别是微电子学以及临床医学相结合的多学科的电子学以及临床医学相结合的多学科的交叉学科。交叉学科。8l由于人工器官的种类非常多,下面只重由于人工器官的种类非常多,下面只重点介绍几种:点介绍几种:人工心脏瓣膜人工心脏瓣膜人工肾人工肾人工肝人工肝人工心脏人工心脏人工耳蜗人工耳蜗95.2 人工心脏瓣膜人工心脏瓣膜5.2.1 概述概述l定义:人工心脏瓣膜是可植入心脏内代定义:人工心脏瓣膜是可植入心脏内代替心脏瓣膜(主动脉瓣、
7、肺动脉瓣、三替心脏瓣膜(主动脉瓣、肺动脉瓣、三尖瓣、二尖瓣),能使血液单向流动,尖瓣、二尖瓣),能使血液单向流动,具有天然心脏瓣膜功能的人工器官。当具有天然心脏瓣膜功能的人工器官。当心脏瓣膜病变严重而不能用瓣膜分离手心脏瓣膜病变严重而不能用瓣膜分离手术或修补手术恢复或改善瓣膜功能时,术或修补手术恢复或改善瓣膜功能时,则须采用人工心脏瓣膜置换术。换瓣病则须采用人工心脏瓣膜置换术。换瓣病例主要有风湿性心脏病、先天性心脏病、例主要有风湿性心脏病、先天性心脏病、马凡氏综合症等。马凡氏综合症等。101112l人工瓣膜的类型人工瓣膜的类型机械瓣机械瓣球型瓣球型瓣BallValves碟型瓣碟型瓣DiskVa
8、lves单叶碟瓣单叶碟瓣SingleLeafletDiskValves双叶碟瓣双叶碟瓣BileafletDiskValves组织瓣组织瓣(生物瓣)(生物瓣)人体组织瓣人体组织瓣HumanTissueValves(Homografts,Autografts,RossProcedure)动物组织瓣动物组织瓣AnimalTissueValves(Xenografts,Heterografts)135.2.2 球型瓣球型瓣l球型瓣是植入人体的第一种人工心脏瓣膜,球型瓣是植入人体的第一种人工心脏瓣膜,许多年来有许多种不同的设计,但到目前许多年来有许多种不同的设计,但到目前为止,在美国临床上仍在使用的球型
9、瓣只为止,在美国临床上仍在使用的球型瓣只剩下剩下Starr-Edwards瓣。瓣。l球型瓣包括一个支架和球体,是临床使用球型瓣包括一个支架和球体,是临床使用最早的心脏瓣膜。他们是一组最可靠及持最早的心脏瓣膜。他们是一组最可靠及持久的瓣膜设计。久的瓣膜设计。Starr-Edwards瓣瓣Magovern-CromieSuturelessValve不缝合瓣不缝合瓣Smeloff-Sutter瓣瓣14Starr-Edwards Model 1000l型号型号:Starr-Edwardsmodel1000l类型类型:主动脉笼球瓣主动脉笼球瓣Aorticcagedballl生产厂商生产厂商:Baxter
10、Healthcare,EdwardsCVSDivision,SantaAna,CAl材料材料:Silasticball,Cage-StellitealloyNo.21,closedcage;sewingring-Teflonl不透不透X线部分线部分:Threeradiopaquemetalstrutsjoinattop,ballradiolucent,cageradiopaque.Threemetalfeetprojectintocenteroforificefromring.l使用时间使用时间:1961-1966l在美国已经很少使用。在美国已经很少使用。15Starr-Edwards Mod
11、el 16Magovern-Cromie Sutureless Valve 不缝合瓣不缝合瓣l采用不缝合的技术植入人体内。在瓣膜采用不缝合的技术植入人体内。在瓣膜缘的四周有小的钩子,手术者将其安置缘的四周有小的钩子,手术者将其安置在合适位置后,用小钩子固定。在合适位置后,用小钩子固定。1718l型号型号:Magovern-Cromievalvel类型类型:Aorticcagedballl生产厂商生产厂商:Coratomic,originallySurgitool,laterMedicalEngineeringCorp.l材料材料:Ball-Siliconerubberwithbarium;ca
12、ge-titanium;sewingring-none.Cageopenattop.l不透不透X线部分线部分:Cageradiopaque,openattop,ballradiopaque,hooksprotrudefrombasering.l使用时间使用时间:1963-停止时间不详停止时间不详19Smeloff-Sutter Valvel在设计笼球瓣时,有一个思路就是减小在设计笼球瓣时,有一个思路就是减小球的大小来减低瓣膜对流出道的阻塞。球的大小来减低瓣膜对流出道的阻塞。但如果球体太小,小于瓣膜的横径,那但如果球体太小,小于瓣膜的横径,那么球体有移位的可能。所以么球体有移位的可能。所以Sme
13、loff-Sutter和和Cutter-Smeloff瓣在两边都有笼瓣在两边都有笼球来限制球体的活动,但有保持小球体球来限制球体的活动,但有保持小球体改善血液动力学的优点。改善血液动力学的优点。20二尖瓣21三尖瓣22主动脉瓣23l型号型号:Smeloff-Suttervalvel类型类型:Aortic,mitral,tricuspidcagedballl生产厂商生产厂商:SutterBiomedicalInc.l材料材料:Ball-Siliconerubber;cage-titanium;sewingring-Teflonl不透不透X线部分线部分:Radiolucentball,3strut
14、sfrombothtopandbottomofvalve,opencagesonbothsides,inflowcagesmallerthanoutflow。l使用时间使用时间:1966-停止时间不详停止时间不详(不连续的使用不连续的使用)。l可能存在的问题可能存在的问题:球体移位,球体随脂质吸收后球体移位,球体随脂质吸收后体积增加,有可能造成流出道阻塞。体积增加,有可能造成流出道阻塞。24正在植入球形人造心脏瓣膜 255.2.3 碟型瓣碟型瓣 Disk Valvesl碟型瓣分单页和双页碟瓣。碟型瓣分单页和双页碟瓣。l最早的设计是单页碟瓣,临床上取得了最早的设计是单页碟瓣,临床上取得了巨大的成
15、功。尽管双页碟瓣的出现要晚巨大的成功。尽管双页碟瓣的出现要晚些,却已占领目前美国人工机械心脏瓣些,却已占领目前美国人工机械心脏瓣膜市场膜市场90%的份额。的份额。26l最具有历史意义的单页碟瓣是最早的最具有历史意义的单页碟瓣是最早的Bjork-Shiley瓣,瓣,已经停止在美国的销售。目前在美国使用的单页碟已经停止在美国的销售。目前在美国使用的单页碟瓣多为瓣多为Medtronic-Hall瓣及瓣及Omniscience瓣。瓣。l以下是历史上出现和使用的各种单页瓣膜,许多目以下是历史上出现和使用的各种单页瓣膜,许多目前已经停用。前已经停用。lBeall Valve lBjork-Shiley V
16、alves lCooley-Cutter Aortic Valve lCross-Jones ValvelGott Daggett ValvelHarken ValvelKay-Shiley ValvelLillehei-Kaster Medtronic-Hall ValvelOmniscience ValvelStarr-Edwards Disc ValveslUltracor Heart ValvelWada Cutter Valve5.2.3.1单页单页(Single Leaflet)碟瓣碟瓣27Beall Model 106l是一个笼碟瓣是一个笼碟瓣l材料材料:Disk-pyrolyt
17、iccarbon;cage-pyrolyticcarbon;sewingring-Dacron.l生产厂商生产厂商:Coratomicl不透不透X线部分线部分:Twoparallelbarsattachedtoanindentedopaqueringwithfourstruts,diskisradiopaque.l生产时间:生产时间:1974年年3月月-(目前已经停止使用目前已经停止使用)2829l型号型号:HarkenP2Prostheticvalvel类型类型:Mitralcageddiskl生产厂商生产厂商:Medicalengineering,originallySurgitek-Su
18、rgitooll材料材料:DiskSilicone;Cage:Titanium;sewingring:Dacronl不透不透X线部分线部分:Radiopaquedisk,lensshaped,fourthinstrutscrossinmiddle,closedcagedesign.l使用时间使用时间:1967-停止时间不详,非连续使用停止时间不详,非连续使用Harken P230Harken Valve:流出道观,关闭状态31HarkenValve:侧面观侧面观32HarkenValve:斜斜面面流流入入道道观观,开开放放状状态态33Kay-Shiley MGCD SerieslModels:
19、Kay-ShileyMGCDSerieslType:MitralcageddiskvalvewithmuscleguardslMaterials:Disk-Delrin;Cage-Haynes25;Sewingring-Teflon.Strutsareuncovered,guardscovered.lXRay:Twothinsetsofparallelstrutsforcage,diskisfaintlyvisible,twoparallelbarssurround2/3sewingringtoformmuscleguardslDates:1968-1980(Discontinued)3435
20、 5.2.3.2 双页(双页(Bileaflet)碟瓣碟瓣l最早、最主要、最成功的是最早、最主要、最成功的是St.Jude瓣,它的成功瓣,它的成功导致了许多模仿的设计,但其仍为美国植入最多的导致了许多模仿的设计,但其仍为美国植入最多的机械瓣膜。其他一些双页瓣,包括机械瓣膜。其他一些双页瓣,包括Carbomedics瓣瓣和和Edwards-Duromedics瓣目前在美国已很少使用。瓣目前在美国已很少使用。l模仿的设计,多是对其悬挂系统的小的改进,其中模仿的设计,多是对其悬挂系统的小的改进,其中最有竞争力的是最有竞争力的是Medtronicparallel瓣。瓣。ATSBileafletValv
21、eCarbomedicsValveEdwardsDuromedicsValveMedtronicParallelValveOn-XValveSt.JudeValve36lModels:standard,HPseries(supra-annularcuff),MastersSeries(rotatablering,supra-annularcuff)lDesign:Mitral,aortic,tricuspidlManufacturer:St.JudeMedical,Inc.lMaterials:Cage-pyroliticcarbon;disk-pyrolyticcarbon;sewingri
22、ng-doublevelourknittedpolyester.StandardandHPringattachedwithsutures(non-rotatable),MastersSeriesattachedwithhelicalspringandtworetainerringsandisrotatable.lSizes:Aortic:19-25mm,Mitral:25-33mmSt.Judevalve37lDurability:Afewcasesofdiscfracturereported,mostwereprobablyduetosurgicaltraumaduringimplantat
23、ion.EstimatedMTBF1,572*.lXRayAppearance:ThestandardandHPSt.JudevalvesareonlyvisibleonChestX-rayifleafletscaughtedgeon.Otherwisetheyarenotvisibleandareknownonourx-rayroundsastheStealthValve.ThenewMastersSeriesvalveshaveametalspringand2metalretainerringsandarevisibleonx-rayasacircularmetallicring.Fora
24、llmodels,theleafletsopento85degreesfromhorizontal.Theanglebetweenopenleafletsshouldthereforebe10-11degrees.Whenclosed,theanglebetweenleafletsshouldbe120degreeslMRICompatibility:MRIimagingsafe.MastersSeriessafebutprobablycannotbevisualizedwellonMRIduetometalinsewingringlDates:1977toPresent.3839St.Jud
25、eMitralValve40St.JudeValveInflow415.2.4 组织瓣组织瓣组织瓣由采用的材料分类,材料的来源组织瓣由采用的材料分类,材料的来源为动物或人体组织。使用的组织类型可为动物或人体组织。使用的组织类型可以是瓣膜组织,也可以不是瓣膜组织。以是瓣膜组织,也可以不是瓣膜组织。425.2.4.1 人体组织瓣人体组织瓣 Human Tissue Valves l无排斥反应,不用免疫抑制治疗无排斥反应,不用免疫抑制治疗l人体组织瓣的应用有两种:人体组织瓣的应用有两种:同种异体移植同种异体移植,Homografts:将一个瓣膜从:将一个瓣膜从一个人移植到另一个人。一个人移植到另一个
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