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人 工 器 官

人 工 器 官. 生物医学工程导论. 5.1 概述. 定义 ： 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，补偿或修复或辅助其功能。. 发展： 20世纪80年代以来，人工器官的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。 . 人工器官 按 功能 分为11类 ：

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人 工 器 官

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  1. 人 工 器 官 生物医学工程导论

  2. 5.1 概述 • 定义：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，补偿或修复或辅助其功能。

  3. 发展：20世纪80年代以来，人工器官的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。

  4. 人工器官按功能分为11类： （1）支持运动功能的人工器官，如人工关节、人工脊椎、人工骨、人工肌腱、肌电控制人工假肢等。 （2）血液循环功能的人工器官，如人工心脏及其辅助循环装置、人工心脏瓣膜、人工血管、人工血液等。 （3）呼吸功能的人工器官，如人工肺（人工心肺机）、人工气管、人工喉等。 （4）血液净化功能的人工器官，如人工肾（血液透析机）、人工肺等。 （5）消化功能的人工器官，如人工食管、人工胆管、人工肠等。

  5. （6）排尿功能的人工器官，如人工膀胱、人工输尿管、人工尿道等。 （6）排尿功能的人工器官，如人工膀胱、人工输尿管、人工尿道等。 （7）内分泌功能的人工器官，如人工胰、人工胰岛细胞。 （8）生殖功能的人工器官，如人工子宫、人工输卵管、人工睾丸等。 （9）神经传导功能的人工器官，如心脏起搏器、膈起搏器等。 （10）感觉功能的人工器官，如人工视觉、人工听觉（人工耳蜗）、人工晶体、人工角膜、人工听骨、人工鼻等。 （11）其他类，人工硬脊膜、人工皮肤等。

  6. 人工器官按原理分类 • 机械式装置（如人工心脏瓣膜、人工气管、人工晶体等） • 电子式装置（如人工耳蜗、人工胰、人工肾、心脏起搏器等）． • 人工器官按使用方式分类 • 植入式，如人工关节、人工心脏瓣膜、心脏起搏器。 • 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密机械装置。

  7. 特点：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交叉学科。特点：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交叉学科。

  8. 由于人工器官的种类非常多，下面只重点介绍几种：由于人工器官的种类非常多，下面只重点介绍几种： • 人工心脏瓣膜 • 人工肾 • 人工肝 • 人工心脏 • 人工耳蜗

  9. 5.2 人工心脏瓣膜5.2.1 概述 • 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、肺动脉瓣、三尖瓣、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，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、马凡氏综合症等。

  10. 人工瓣膜的类型 • 机械瓣 • 球型瓣 Ball Valves • 碟型瓣 Disk Valves • 单叶碟瓣 Single Leaflet Disk Valves • 双叶碟瓣 Bileaflet Disk Valves • 组织瓣（生物瓣） • 人体组织瓣 Human Tissue Valves (Homografts, Autografts, Ross Procedure) • 动物组织瓣 Animal Tissue Valves (Xenografts, Heterografts)

  11. 5.2.2 球型瓣 • 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，但到目前为止，在美国临床上仍在使用的球型瓣只剩下Starr-Edwards瓣。 • 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久的瓣膜设计。 • Starr-Edwards瓣 • Magovern-Cromie Sutureless Valve 不缝合瓣 • Smeloff-Sutter瓣

  12. Starr-Edwards Model 1000 • 型号: Starr-Edwards model 1000 • 类型: 主动脉笼球瓣 Aortic caged ball • 生产厂商: Baxter Healthcare, Edwards CVS Division, Santa Ana, CA • 材料: Silastic ball, Cage-Stellite alloy No. 21, closed cage; sewing ring-Teflon • 不透X线部分: Three radiopaque metal struts join at top, ball radiolucent, cage radiopaque. Three metal "feet" project into center of orifice from ring. • 使用时间: 1961-1966 • 在美国已经很少使用。

  13. Starr-Edwards Model １０００

  14. Magovern-Cromie Sutureless Valve 不缝合瓣 • 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，手术者将其安置在合适位置后，用小钩子固定。

  15. 型号: Magovern-Cromie valve • 类型: Aortic caged ball • 生产厂商: Coratomic, originally Surgitool, later Medical Engineering Corp. • 材料: Ball-Silicone rubber with barium; cage-titanium; sewing ring-none.Cage open at top. • 不透X线部分: Cage radiopaque, open at top, ball radiopaque, hooks protrude from base ring. • 使用时间: 1963-停止时间不详

  16. Smeloff-Sutter Valve • 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。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Smeloff-Sutter和Cutter-Smeloff瓣在两边都有笼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。

  17. 二尖瓣

  18. 三尖瓣

  19. 主动脉瓣

  20. 型号: Smeloff-Sutter valve • 类型: Aortic, mitral, tricuspid caged ball • 生产厂商: Sutter Biomedical Inc. • 材料: Ball-Silicone rubber; cage-titanium; sewing ring-Teflon • 不透X线部分: Radiolucent ball, 3 struts from both top and bottom of valve, open cages on both sides, inflow cage smaller than outflow。 • 使用时间: 1966-停止时间不详(不连续的使用)。 • 可能存在的问题: 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。

  21. 正在植入球形人造心脏瓣膜

  22. 5.2.3 碟型瓣 Disk Valves • 碟型瓣分单页和双页碟瓣。 • 最早的设计是单页碟瓣，临床上取得了巨大的成功。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膜市场90%的份额。

  23. 5.2.3.1单页（Single Leaflet）碟瓣 • 最具有历史意义的单页碟瓣是最早的Bjork-Shiley瓣，已经停止在美国的销售。目前在美国使用的单页碟瓣多为Medtronic-Hall瓣及 Omniscience瓣。 • 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。 • Kay-Shiley Valve • Lillehei-Kaster Medtronic-Hall Valve • Omniscience Valve • Starr-Edwards Disc Valves • Ultracor Heart Valve • Wada Cutter Valve • Beall Valve • Bjork-Shiley Valves • Cooley-Cutter Aortic Valve • Cross-Jones Valve • Gott Daggett Valve • Harken Valve

  24. Beall Model 106 • 是一个笼碟瓣 • 材料: Disk-pyrolytic carbon; cage-pyrolytic carbon; sewing ring- Dacron. • 生产厂商: Coratomic • 不透X线部分: Two parallel bars attached to an indented opaque ring with four struts, disk is radiopaque. • 生产时间：1974年3月- (目前已经停止使用)

  25. Harken P2 • 型号: Harken P2 Prosthetic valve • 类型: Mitral caged disk • 生产厂商: Medical engineering, originally Surgitek-Surgitool • 材料: Disk Silicone; Cage: Titanium; sewing ring: Dacron • 不透X线部分: Radiopaque disk, lens shaped, four thin struts cross in middle, closed cage design. • 使用时间: 1967-停止时间不详，非连续使用

  26. Harken Valve: 流出道观，关闭状态

  27. Harken Valve: 侧面观

  28. Harken Valve: 斜面 流入道观，开放状态

  29. Kay-Shiley MGCD Series • Models: Kay-Shiley MGCD Series • Type: Mitral caged disk valve with muscle guards • Materials: Disk-Delrin; Cage-Haynes 25; Sewing ring-Teflon. Struts are uncovered, guards covered. • X Ray: Two thin sets of parallel struts for cage, disk is faintly visible, two parallel bars surround 2/3 sewing ring to form muscle guards • Dates: 1968-1980 (Discontinued)

  30. 5.2.3.2 双页（Bileaflet）碟瓣 • 最早、最主要、最成功的是St. Jude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机械瓣膜。其他一些双页瓣，包括Carbomedics瓣和Edwards-Duromedics瓣目前在美国已很少使用。 • 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Medtronic parallel瓣。 • ATS Bileaflet Valve • Carbomedics Valve • Edwards Duromedics Valve • Medtronic Parallel Valve • On-X Valve • St. Jude Valve

  31. St. Jude valve • Models: standard, HP series (supra-annular cuff), Masters Series (rotatable ring, supra-annular cuff) • Design: Mitral, aortic, tricuspid • Manufacturer: St. Jude Medical, Inc. • Materials: Cage-pyrolitic carbon; disk-pyrolytic carbon; sewing ring-double velour knitted polyester. Standard and HP ring attached with sutures (non-rotatable), Masters Series attached with helical spring and two retainer rings and is rotatable. • Sizes: Aortic:19-25 mm, Mitral:25-33 mm

  32. Durability: A few cases of disc fracture reported, most were probably due to surgical trauma during implantation. Estimated MTBF > 1,572*. • X Ray Appearance: The standard and HP St. Jude valves are only visible on Chest X-ray if leaflets caught edge on. Otherwise they are not visible and are known on our x-ray rounds as the Stealth Valve. The new Masters Series valves have a metal spring and 2 metal retainer rings and are visible on x-ray as a circular metallic ring. For all models, the leaflets open to 85 degrees from horizontal. The angle between open leaflets should therefore be 10-11 degrees. When closed, the angle between leaflets should be 120 degrees • MRI Compatibility: MRI imaging safe. Masters Series safe but probably cannot be visualized well on MRI due to metal in sewing ring • Dates: 1977 to Present.

  33. St. Jude Mitral Valve

  34. St. Jude Valve Inflow

  35. 5.2.4 组织瓣 组织瓣由采用的材料分类，材料的来源为动物或人体组织。使用的组织类型可以是瓣膜组织，也可以不是瓣膜组织。

  36. 5.2.4.1 人体组织瓣Human Tissue Valves • 无排斥反应，不用免疫抑制治疗 • 人体组织瓣的应用有两种： • 同种异体移植,Homografts ：将一个瓣膜从一个人移植到另一个人。 • 自身移植,Autograft：从本人的一个部位移植到另一个部位。应用最多的自身移植是将肺动脉瓣移植到主动脉瓣，称为Ross手术。

  37. 5.2.4.2 动物组织瓣膜(异种移植物xenograft) • Porcine Valves • Hancock Porcine Valve • Carpentier-Edwards Porcine Valve • Tissuemed Stented Porcine Valve • Pericardial（心包） Valves • Carpentier-Edwards Pericardial Valve • Ionescu-Shiley Pericardial Valve • Hancock Pericardial Valve • Stentless Valves • St. Jude Toronto SPV (Stentless Porcine Valve) • Medtronic Freestyle Stentless Aortic Valve • Tissuemed Stentless Pulmonary Valve

  38. Standard Hancock Model 242 • Type: Stented aortic porcine valve • Manufacturer: Medtronic Inc. • Materials: Porcine aortic valve leaflets, glutaraldehyde processed, on a polypropylene flexible stent reinforced with a metal ring (Haynes alloy no. 25) at base; sewing ring- Polyester with silicone rubber insert • Available in US: Yes • Sizes: Aortic 23 mm - 31 mm • Durability: 10 years - 90%, 15 years - 50% • X Ray Appearance: Single round metal "O" ring. • Dates: 1969 to present

  39. Carpentier-Edwards porcine valve • Type: model 6625 Mitral and model 2625 aortic porcine tissue valves • Manufacturer: Baxter-Edwards Inc. US  • Materials: Porcine valve tissue fixed in glutaraldehyde, stents made of wire, Elgiloy, which is a cobalt-nickel alloy; sewing ring-knitted Teflon • X Ray Appearance: A continuous thin wire bent into 3 "U" shaped loops • Available in US: Yes • Sizes: Mitral - 25 mm- 35 mm • Durability: 10 and 15 year durability probably similar to Hancock valve. • Dates: 1975 to present 

  40. CE Pericardial Valve • Manufacturer: Baxter Healthcare Corporation, Edwards CVS Division. US Manufacturing plant in Irvine, CA. • Available in US: Yes • Sizes: Aortic:19-27 mm, Mitral:Not available yet. Some surgeons have implanted large aortic valves in the mitral position but this is discouraged by the manufacturer. • Durability: At 12 years, Freedom from reoperation = 89%; Freedom from explant due to valve dysfunction = 91% • X Ray Appearance: A continuous thin wire bent into 3 "U" shaped loops

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