编者按：本文来自微信大众号“大数据文摘”（ID：BigDataDigest），来历 IEEE，翻译 张大笔茹、林苗、夏雅薇，36氪经授权发布。
心衰（心力衰竭）是指心脏无法泵出满意的血液运送到全身来坚持身体机能。
全世界至少有2600万心衰患者，而我国心力衰竭患者数量每年也在以新发病例50万例的速度添加，以往这种疾病最有用的办法是心脏移植手术，可是供体的数量远远不及需求的患者数量。
在这种情况下，许多科学家把目光投向了人工心脏。
50多年来，德克萨斯心脏研讨所（THI）的心外科医师和生物医学工程师一向在寻觅一种人工心脏，用来彻底代替供给十分缺少的天然心脏。
他们企图调整各种泵送机制的金属和塑料设备的份额，但做出来的机器中没有一个能比美人类心脏。
2019年4月，他们的尽力总算迎来了成功的曙光。
装上磁悬浮心脏的奶牛，在跑步机上跑了半小时
一头毛烘烘的棕色母牛正在休斯顿的一家THI研讨所安静地咀嚼着草。
在为期90天的试验中，它的生命由Bivacor公司制造的植入型人工心脏坚持。整个试验期间，母牛小腿健康、精力充沛，体重以正常速度添加，它乃至在跑步机上慢跑了30分钟。
他们不运用运用人体心脏四腔结构和动作的机械泵，他们会运用一种新办法——一个磁悬浮旋转盘。Bivacor心脏只需一个活动部分就可将富含氧气的血液运送到身体各部分并将耗尽氧气的血液送回肺部。
要制造出体积细巧，与身体相交融，节能且经用的人工心脏需求战胜许多技能难题。要知道人类的心脏每天跳动大约112,000次，每年便是4200万次，可想而知这其间的难度。
到现在为止，研讨人员现已测验了15头运用Bivacor心脏的奶牛，尽管对动物测验有点不人道，但这是证明设备安全性并推行到人类临床试验的仅有办法。研讨人员运用个头较小的Corriente小牛代表成年患者，还将Bivacor心脏植入几只绵羊身上，仿照身段较小的患者，包括儿童。
测验标明，因为只要一个运动部件悬浮在磁场中，因而不用忧虑冲突和机械磨损导致的机器毛病，人工心脏能够坚持杰出的状况，也能够满意用户的心血管需求。
自2001年以来，Timms一向致力于规划人工心脏。第一个概念模型测验了规划的液压可行性，单个转子泵送流体在两个方向上。
18年磨一剑，期望能长时刻代替心脏
Bivacor创始人之一Timms在18年前就开端从事这个项目了。多年来，磁悬浮心脏的中心理念没怎么变过，但工程师们现已大大改进了其技能。该设备现已到了根本能够进行人体试验的阶段了，Bivacor心脏成为了长时刻以来许多心脏沉痾患者的期望。
在Bivacor的工程试验室里，Timms正在修补人工心脏最新原型的部件。
其实心脏病专家一向等待着人工心脏的呈现，1969年，THI的医师Denton Cooley在一位正在等候移植手术的患者身上植入了第一个“全人工心脏”，这为他争取了64小时的捐赠器官抵达前的时刻。可是，该患者在移植手术后不久就因为感染逝世，Cooley的团队也因忧虑其可靠性和与人体的相容性而放置了该设备的研讨。
Bivacor Alternate Anatomy插图：泵的左边代表解剖学心脏的左心室，它将含氧血液（赤色）运送到身体的最远端，右侧代替将脱氧血液（蓝色）送回肺部右心室。
从那以后，人类开发了几种全人工心脏，有一些现已进入人体试验阶段了。但这些设备体积巨大、沉重还简单发生机械毛病，因而只要两个在美国取得了监管组织的同意。
SynCardia Systems人工心脏于2004年被同意为“移植桥梁”，现在正作为永久性代替品进行测验。可是，用户有必要带着一个6千克的箱子，其间包括一个声响巨大的空气压缩机，衔接穿透腹部的管子，用空气驱动该设备的两个气动泵。
第二颗人工心脏AbioCor在2006年取得同意，随后当即停产，其时出产该设备的公司以为它不适合商业化。
现在最常运用的机械支撑是左心室辅佐设备（LVAD）。它首要为问题心脏的左心室供给抽吸动力，经过分支动脉泵入富含氧气的血液，运送至全身。LVAD现在被用作等候移植患者的暂时辅佐工具，在不能移植的情况下，也可永久植入患者胸腔。可是，LVAD或许导致右心室虚弱，承受移植的患者需求进行药物医治，有时乃至要在右心室植入辅佐设备。
对Bivacor来说，我们都期望供给能够它是真实代替问题心脏的长时刻机械代替品。
3D打印，磁悬浮旋转盘，挨近零损耗
与大多数前期的测验不同，研讨人员并未着手仿照心脏的天然脉动泵送机制，当左心室将血液面向身体阀门翻开，右心室将血液面向肺部时阀门封闭，这是大多数现有的人工心脏用正排量泵原理作业：两个人工腔室被分叉，膜向前曲折，经过机械阀门将血液推出。
Bivacor选用离心泵来推进血液继续流入动脉。这种泵没有阀门，因而在最根本形式下运用Bivacor心脏的患者将没有脉息。可是最近研讨人员调整了设备，为它供给了一个脉动流出选项，期望临床医师在检查植入Bivacor心脏病患者的心脏监护仪时能够看到如医学院时了解的读数。
Bivacor心脏像拳头巨细——大约650克，比成人的心脏稍重。外壳由简直不会引发免疫反响的非腐蚀性资料钛制成。患者将佩带一个4千克的外部控制器包，其间包括两个可充电电池（每个大约供电5小时），也能够直接插入电源插座。
自2001年以来，Timms一向致力于规划人工心脏。第一个概念模型测验了规划的液压可行性，单个转子泵送流体在两个方向上。
后来的原型用于牛和羊的测验。
动物试验的另一个原型，证明该设备是经用的，而且能够习惯不断改动的心血管需求。
终究的规划更适合人体解剖学，第一次人体试验或许在2020年开端。
整个规划进程中，运用3D打印机制造钛和塑料零件，因而能够快速测验不同的几许形状。为了临床试验，研讨人员在洛杉矶的工程办公室建立了硬件仿照的人体循环体系；这个模型在受控环境中能够重复彻底地验证设备，并削减对动物测验的需求。
Bivacor心脏的首要立异规划在于使用马达和旋转盘的简略结构，能一起将血液泵送至身体及肺部。旋转盘彻底悬浮在磁场中，其原理类似于高速列车的磁悬浮行进办法。磁盘的两边均有开放式的叶轮叶片，其间较大的设备压强较大，可将血液泵送到整个身体，较小的设备压强较小，用于将血液泵送到肺部。每一侧都能够做到每分钟泵送超越12L的血液，能够满意想要进行适量运动的患者需求。
尽管两边泵送出来的血液会在悬浮盘的边际有所混合，但并不会影响血流的方向。氧合血液从高压部位流到低压部位，标明氧气饱满的血液已回来肺部。这种流向实际上便是规划人工心脏的首要特征。悬浮盘周围的血液活动不断冲刷着壳体，保证不会有血液阻滞在某个区域，而构成风险的血液凝块。
马达缸体经过与旋转盘里的永磁体耦合，来供给旋转扭矩。在人工心脏正常作业时，它能以每分钟1600至2700转的速度旋转转盘。
马达和转子之间的彼此引力经过与另一边马达的磁轴承进行抵消，主动调整壳体内的转盘方位。因为转盘会跟着患者的走路、爬楼梯、跳动以及日常活动，发生天然性的移动，因而，这种主动调整是十分有必要的。它能坚持转盘的正确悬挂，并避免转盘转到壳体的旁边面，以防万一损坏组件并损坏血细胞。
该体系控制方位的作业原理如下：细小的非触摸式传感器宣布与转盘彼此作用的磁场，快速定位其准确方位。假如转盘在某个方向上移动，控制体系会将电能输入制动器内的电磁线圈，调整转盘因运动而发生的方位偏移。
这个进程的中心在于磁轴承制动器的规划，因为它们有必要满意小、满意轻、满意高效、满意强壮，才干及时调整因人们的移动而发生的摇摇晃晃。研讨人员经过计算机仿照不同资料、形状的磁场，来优化规划结构，才干找到在小空间内供给大能量的设备。一个满意小而简便的设备，意味着它能适配妇女、儿童等身体较小的集体。
为了进步人工心脏的功率，研讨人员还在悬浮体系中集成了“零功率”控制器。这个控制器能监测到轴承因转盘上的外力而发生额定的电磁功率，让磁轴承体系中的永磁体供给足以平衡的力，将转盘的方位调整到适宜的方位。尽管实时调整是安稳性控制器的首要任务，这个体系并不能到达这个状况，可是它的确削减了磁轴承在遭到外力作用时发生的功率。
为了快速测验人工心脏的原型，削减动物测验次数，Bivacor团队制造了一个类人体循环体系的设备，来仿照血液在全身和肺部的活动。
Bivacor人工心脏的一个共同之处在于转盘能够沿着转轴移动，改动左右两边泵送的血液量。当转盘移向壳体的左边时，会削减左边叶轮叶片与壳体之间的空间，导致大部分血液随叶片旋转，然后添加左泵的功率，让更多的血液运送到全身。这个特色能协助患者在状况改动（如忽然站起）时进行快速调整。
该设备与人体十分符合，能依据患者的活动水平进行自习惯调整。当患者运动时，这个机械的心脏也会像真的心脏相同，输出更多的血液至肌肉运动。这种调整是经过参加身体反应来完成的：当患者在跑步机上跑步时，腿部以及其他部位的肌肉开端作业，并快速耗费血液中的氧气，将其变成脱氧血液回来循环体系。
这个进程会添加血液流入Bivacor人工心脏的流量，在不添加转盘速度的情况下，泵送更多的血液。尽管这个功用看上去十分根底，实际上却是液压规划的优化成果。研讨人员经过3D打印机，制造了许多只要细小不同的各种形状的壳体和叶轮叶片原型，用于试验仿照。
在这个研讨范畴，因为机械设备和生物体系之间的彼此作用过于杂乱，研讨人员所面对的最大应战之一是生物相容性。比方，设备的简略运送或许会损坏软弱的血细胞和其他血液成分。
Bivacor人工心脏的另一个要害规划在于，研讨人员保证悬浮转盘与壳体以及导管之间的有满意的空间用于血液泵送。在人工心脏正常作业期间，一切的活动途径至少有240微米的空隙，大于红细胞巨细的20倍。这种规划削减了血液因露出所发生的剪切力，并保证壳体内没有阻滞血液。
Scratch-pad（网络高速暂存存储器）草稿：Timms在攻读生物医学工程博士期间，因父亲被确诊为心力衰竭，而勾勒的Bivacor人工心脏原型草图。
泵送设备能以安稳的速度运转，并在安稳压力下发生接连的血流。在前期试验中，研讨人员专心于测验这种“无脉冲”形式。可是，他们很简单改动运转的速度，且后期的试验证明，可控的速度改动能发生大范围的血液活动和压强特性。先让泵送设备高速运转（运送更多血液），再低速运转（运送更少血液），会发生类似于生物心脏的脉冲；两种速度的快速替换让人工心脏看起来更像正常的心跳。
Bivacor人工心脏现在首要是在脉冲形式下作业。在心脏病学范畴，关于身体健康是否需求脉冲曾有过揭露评论。一些植入LVAD的患者会发生接连（无脉冲）的血流，一起也会呈现胃肠出血等问题，但现在没有清楚植入设备是否为主因。研讨人员期望Bivacor人工心脏能够兼容接连活动形式和脉冲形式，能为这一重要课题的科学研讨做出奉献。
方案下一年开端进行人类临床可行性试验
Bivacor创始人Timms在18年前开端研讨人工心脏的原始概念，产品阅历了屡次更新迭代。
Timms首要在他的家园澳大利亚开端这个项目，其开发团队与德国、日本、台湾和美国的研讨者进行了协作。在项目的不同阶段，为了能充沛使用全球协作者的专业资源，开发团队在全球各地分设了试验室。现在，Bivacor团队总部设在美国（洛杉矶和休斯敦）和澳大利亚（墨尔本和布里斯班），并专心于将试验原型转变为商业产品。
现在，研讨人员正在对设备的出产进程进行标准化：在产品的开发阶段，想要测验产品原型并快速进行迭代时，3D打印技能是十分有用的；现在他们正转入精细加工阶段，能使设备的部分方位更润滑、更准确，尺度更安稳共同。这些程序上的改动十分有利于设备的大规模出产。一起，研讨人员也具体记录了出产和植入进程的每一个过程，为第一次临床试验做好充沛的预备。
到2019年末，研讨人员方案能具有临床级体系。然后，他们将向美国食物和药物管理局提交请求，对人类患者进行前期可行性研讨，他们期望能于2020年开端临床试验。
研讨人员现已开端等待初次人体试验。重症患者因心力衰竭而进入手术室，经过手术，植入完善运转的Bivacor人工心脏。人工心脏能泵送很多的富氧血液流经全身，患者能因而而从头变得健康。
假如这些患者能脱离病床，拥抱家人，生命得以连续多年，就标明他们在研讨人工心脏方面跨出了十分大的一步。
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