2017年12月，美國棒球名人堂成員Rod Carew接受了一次心臟移植手術，成功地延長了他的生命。然而，這次手術的背后，還有一個不為人知的故事。在移植前的15個月，Carew的心臟是靠一臺機器來維持的，這臺機器就是心室輔助裝置（LVAD）。
LVAD俗稱人工心臟，是一種機械循環支持（MCS）系統，可以暫時或永久地替代心臟的部分或全部功能，用于治療終末期心力衰竭（HF）。
HF是一種常見的心血管疾病，指的是心臟無法有效地泵送足夠的血液到全身，導致器官和組織缺氧和水腫。HF的發病率和死亡率都很高，嚴重影響患者的生存質量和預后。據估計，全球約有2600萬人患有HF，其中中國約有890萬，占全球的34%。
▲LVAD的原理：通過將左心室的血液泵送到主動脈，輔助心臟
LVAD的發展歷史可以追溯到上世紀50年代，當時第一次成功使用體外循環，為心臟手術提供了可能。隨后，美國國家心臟研究所（現為國家心肺血液研究所，NHLBI）成立了人工心臟計劃，推動了LVAD的研發。
經過幾十年的努力，LVAD從最早的氣動式泵，發展到現在的連續流動式泵，甚至是磁懸浮式泵和液力懸浮式泵，不斷提高了性能和可靠性，降低了并發癥和成本，擴大了適應癥和規模。目前，LVAD已經成為HF治療的重要組成部分，可以作為心臟移植的橋梁或目的，也可以作為長期的心臟替代治療 。
本文旨在回顧LVAD的過去，分析LVAD的現狀和未來，為研究者提供一個全面的視角，了解這一行業的發展歷程和前沿動態。
LVAD的歷史進展
LVAD的起源可以追溯到1953年，當時美國醫生John Gibbon成功地使用了一臺體外循環機，為一名患有先天性心臟病的18歲女孩進行了心臟手術。這是人類歷史上第一次使用機器來替代心臟的功能，為后來的人工心臟的發明奠定了基礎。
1964年，美國國家心臟研究所（現為國家心肺血液研究所，NHLBI）成立了人工心臟計劃，旨在研發一種能夠完全替代心臟的機械裝置，用于治療HF患者。這個計劃促進了LVAD的研發，因為LVAD可以作為一種過渡性的解決方案，為患者提供臨時的循環支持，直到找到合適的心臟移植供體。
第一代心室輔助裝置：搏動泵LVAD
第一代LVAD的特點是脈動式泵，模擬了心臟的收縮和舒張的節律，通過一個氣動驅動系統，將氣壓轉化為血壓，將血液從左心室泵出，輸送到主動脈。第一代LVAD的優點是能夠產生脈動性血流，保持血管的彈性和血液的生物相容性，減少血栓和出血的風險。
然而，第一代LVAD也有很多缺點，主要是需要較大的體積和較高的能耗，需要外部的氣源和電源，需要穿過皮膚的管路，容易發生感染和機械故障等并發癥。因此，第一代LVAD主要用于橋接心臟移植（BTT），即為等待心臟移植的患者提供短期的循環支持，一般不超過6個月 。
第一代LVAD的代表產品有Novacor LVAD和HeartMate XVE等。Novacor LVAD是一種雙腔式泵，由一個泵腔和一個驅動腔組成，通過一個電磁閥控制氣壓的變化，實現泵腔的收縮和舒張，將血液從左心室泵出。HeartMate XVE是一種單腔式泵，由一個泵腔和一個推桿組成，通過一個電動馬達控制推桿的運動，實現泵腔的收縮和舒張，將血液從左心室泵出。
這兩種LVAD都進行了多項臨床試驗，證明了它們的安全性和有效性。其中最有影響力的是REMATCH試驗，這是一項隨機對照試驗，比較了HeartMate XVE和最佳藥物治療對于不適合心臟移植的HF患者的效果。結果顯示，HeartMate XVE可以顯著提高患者的生存率和生活質量，將1年生存率從25%提高到52%，將2年生存率從8%提高到23% 。
▲第一代搏動泵LVAD
盡管第一代LVAD取得了一定的成就，但它們的局限性也很明顯，主要是可靠性低，舒適性差，適應癥窄，無法滿足日益增長的HF患者的需求。因此，研究人員開始探索新一代的LVAD，以期改進性能和降低并發癥。
第二代心室輔助裝置：軸流泵LVAD
第二代LVAD的特點是連續流動式泵，不再模擬心臟的脈動，而是通過一個旋轉的葉輪，將血液從左心室持續地泵出，輸送到主動脈。第二代LVAD的優點是能夠大幅度縮小體積，降低能耗，提高耐用性，減少機械故障的風險。
第二代LVAD可以分為軸向流式泵和離心流式泵，根據葉輪的方向和形狀的不同，產生不同的血流特征。第二代LVAD不僅可以用于橋接心臟移植（BTT），還可以用于目的治療（DT），即為無法接受心臟移植的患者提供長期的循環支持，甚至可以作為心臟移植的替代方案。
第二代LVAD為軸流式血泵。代表產品為雅培公司的HeartMate II和Jarvic 2000。HeartMate II是一種軸向流式泵，由一個螺旋槳狀的葉輪組成，通過一個電動馬達驅動，將血液從左心室沿著一個直線的流道泵出。這兩種LVAD都進行了多項臨床試驗，證明了它們的安全性和有效性。其中最有影響力的是ADVANCE，ENDURANCE，ROADMAP等試驗，比較了HeartMate II和HeartWare HVAD對于不同類型的HF患者的效果。結果顯示，這兩種LVAD都可以顯著提高患者的生存率和生活質量，降低一些并發癥的發生率，擴大了適應癥范圍，增加了患者的選擇 。
▲第二代軸流泵LVAD
第二代LVAD的優勢是顯而易見的，主要是提高了性能和可靠性，降低了并發癥和成本，擴大了適應癥和規模。然而，第二代LVAD也有一些不足，主要是仍然存在出血，感染，血栓，右心功能不全等并發癥，需要長期使用抗凝和免疫抑制藥物，導致患者的生活負擔和醫療成本。此外，第二代LVAD的血液為連續流，這種機械血流缺乏正常的脈動性，在長期輔助后，容易導致血管畸形，主動脈瓣關閉不全，主動脈擴張，器官灌注不足，中風等多種問題。因此，研究人員開始探索新一代的LVAD，以期改善血液的生物相容性和脈動性。
LVAD的現狀
第三代心室輔助裝置：離心泵LVAD
第三代LVAD為非接觸離心血泵。包括磁懸浮式、液力懸浮式、磁液懸浮等技術，這些技術減少了摩擦和磨損，提高了血液的生物相容性，降低了血栓和出血的風險。磁懸浮技術將葉輪完全懸浮在一個磁場中，無需接觸任何固體表面，從而避免了葉輪和流道之間的摩擦和磨損，延長了泵的壽命，減少了血液的損傷，降低了血栓的形成。
磁液懸浮式血泵由一個圓盤狀的葉輪組成，通過一個電磁懸浮系統驅動，徑向依靠血液的液壓張力，軸向依靠磁力，將葉輪懸浮在血液中。液力懸浮利用純水等生物相容的液體，將葉輪托起懸浮，這種方式效率更高，可以保留生理性葉輪，也去除了磁懸浮和磁液懸浮的二次流道，血液相容性更好，風險更低。
第三代LVAD不僅可以用于橋接心臟移植和目的治療，還可以用于心臟恢復，即為有可能恢復心臟功能的患者提供暫時的循環支持，直到心臟自愈或減少損傷。此外，部分LVAD產品還可用于長期終身輔助。
▲第三代人工心臟不同產品的臨床數據對比
第三代LVAD分為長期型LVAD和短期型LVAD。長期型LVAD是獲批可以長期終身輔助的產品，短期LVAD只獲批用于短期過渡治療，最終需要轉換為心臟移植。
目前，長期輔助已經成為了應用主流。在Intermacs兩萬例的病例報告統計中，美國超過80%的患者植入人工心臟的目的為終身長期輔助（Destination Therapy）。這也說明了在未來，長期輔助一定是人工心臟的趨勢。
中國藥監局器械審評中心官網的技術審評報告顯示，短期過渡的LVAD產品僅評價3個月的器械成功率，患者帶器械存活3個月即為達標，也說明了其目的主要是3個月左右的短期過渡輔助。
盡管心室輔助的長期植入需求巨大，但目前獲批長期植入的LVAD寥寥無幾。在中國，目前僅有 EVAHEART I 獲批長期使用。在美國，僅有 Heartmate 3 獲批長期使用，其他磁懸浮、磁液懸浮等產品均未獲批長期植入。這也說明了對于人工心臟的長期植入，各國的藥監局審批極為謹慎，除了產品的技術外，還需綜合評估長期臨床效果、安全性、有效性、并發癥及不良事件。
目前在全球范圍內，長期型LVAD僅有HeartMate III和EVAHEART I。這兩款產品既可用于長期終身治療，也可用于短期輔助。HeartMate III是一種磁懸浮離心流式泵。HeartMate III的特點是運用了算法增強血流脈動功能，可以定期調節葉輪的轉速，產生周期性的血流變化，模擬正常的脈動性血流，保護血管和器官的功能。EVAHEART I則是一種液力懸浮血泵，利用純水來懸浮葉輪，具有開放式的葉輪和全主流道設計，血液的脈動性較強，基本可以模擬真實人體的血流，患者可以感受到脈搏。
這兩種LVAD都進行了多項臨床試驗，證明了它們的安全性和有效性。其中最有影響力的是MOMENTUM 3和Competence等試驗，比較了HeartMate III和EVAHEART對于不同類型的HF患者的效果。結果顯示，這兩種LVAD都可以顯著提高患者的生存率和生活質量，降低出血和血栓等并發癥的發生率，擴大了適應癥范圍，增加了患者的選擇 。
▲圖2021年數據顯示81%的LVAD植入目的為終身長期輔助
短期型LVAD在國內外有很多產品。在美國，獲批及試驗中的短期LVAD有Excor、HeartAssist5、ReliantHeart等產品，中國的短期LVAD包括蘇州同心CH-VAD、深圳核心Corheart 6等，這些產品目前僅獲批用于短期輔助。
第三代LVAD的潛力是巨大的，可以進一步改善HF患者的預后和生活質量，減少并發癥的發生和醫療成本，增加患者的依從性和滿意度。然而，第三代LVAD也有一些挑戰，主要是需要更多的長期數據和證據來證明其安全性和有效性，需要更多的創新和優化來解決仍然存在的問題，如感染、右心衰、瓣膜衰敗、中風等。
▲第三代人工心臟生存率已和心臟移植基本持平
LVAD技術展望
第四代心室輔助裝置：脈動血流、雙心輔助、全心輔助
隨著技術的不斷進步，LVAD的治療效果和安全性也在持續提高，有望取代心臟移植成為終末期心衰患者的終末治療手段。LVAD的發展方向包括更好的組織相容性表面材料、全植入系統、搏動性血流、流量自動調節系統、小切口植入、全人工心臟等，以期未來能提供更安全、舒適、高效的循環支持。
目前，已經有多款新型LVAD產品在進行研發或臨床試驗，早期的試驗結果顯現出優越的效果，有望在未來成為新一代的心衰患者治療首選。以下是目前進展較快的第四代人工心臟產品介紹。
CorWave LVAD：這是一種利用波動膜技術的LVAD，它可以模仿健康心臟的脈動和血流速率，從而克服目前LVAD所帶來的并發癥。該設備已經在歐洲和美國獲得了臨床試驗所需的監管許可，并計劃在2023年開始首次人體試驗。其優點特性有：
高保真脈動性。該設備利用電磁致動器驅動的盤狀膜，在該膜上產生的波可以從外向內徑移動，從而將血液推向中心孔口，模仿天然心臟的搏動。這種脈動性血流可以保護血管和器官的功能，降低出血和中風等并發癥的風險。
智能泵送。該設備具有智能控制系統，可以根據患者的生理需求，調節膜的運動頻率和幅度，產生周期性的血流變化，適應不同的活動狀態。
低剪切力。該設備的波動膜技術可以避免血液與任何固體表面的接觸，從而減少血液的損傷，降低血栓的形成，提高血液的生物相容性。
▲圖：Corwave LVAD內部原理
EVAHEART II：EVAHEART II是采用第四代液力懸浮技術的LVAD，具有開放式葉輪及全主流道設計，該設備目前在美國獲得FDA的IDE許可進行臨床試驗，試驗早期結果顯示，EVAHEART II與HM3生存率及心衰恢復效果沒有顯著性差異，但其90天的無卒中生存率（100%）明顯高于HM3（62.5%）。其優點特性有：
超小型泵體設計，超大流量。得益于EVAHEART II的驅動系統與流道設計優化，其血泵體積大幅度縮小，重量僅為EVAHEART I的64%，但最高流量達到了20L/min，是市面上其他產品的2倍。EVAHEART2僅需1700RPM左右的轉速即可產生5L左右的血流。作為對比，磁懸浮血泵則需要5000RPM以上才能達到同樣的血流輔助。高速轉動的葉輪極易對血液造成破壞，導致血液中的血細胞、凝血因子等受到不可逆的破壞，導致血紅蛋白、乳酸脫氫酶暴露在血液中，數值升高。
脈動性血流，全面器官保護。第三代人工心臟的血液為連續流，這種機械血流缺乏正常的脈動性，在長期輔助后，容易導致血管畸形、右心衰、主動脈瓣關閉不全、主動脈擴張、器官灌注不足、中風等多種問題。因此，在新一代心室輔助裝置的研發中，血液脈動性一直被作為重點突破方向。EVAHEART II率先解決了這個問題，其自適應葉輪與寬流道設計帶來更平緩的HQ曲線，可以讓使用者的血流產生20-30mmHg的脈壓差，維持血液脈動性，降低多種并發癥。
Bioflow無插入血管，無感輔助。人工心臟的入血管設計上一直變化不大，大部分為深入左心室的金屬管路。這種設計雖然穩固，但也帶來了楔形血栓、心律失常、室壁抽吸等風險。EVAHEART 首創的Bioflow血管從根本上解決了這些問題。該血管植入后和心內膜齊平，去除了第三代血管深入心臟的金屬端，避免了金屬管周圍形成楔形血栓的可能。無插入的設計避免了長期血管與心內膜觸碰可能引起的心律失常、心肌損傷等風險，不干擾心臟內部流體動力，真正做到了無感輔助。
▲EVAHEART LVAD植入示意
BiVACOR：這是一種采用磁懸浮技術的雙心輔助裝置，它可以完全替代患者的原生心臟，提供高流量和低功耗的血流。該設備由一個單一的旋轉葉輪組成，可以同時為左右心室提供血液，且具有自適應的流量平衡系統，可以根據患者的生理變化進行調節。該設備已經在澳大利亞和美國進行了動物試驗，顯示了良好的生物相容性和可靠性。其優點特性有：
簡單結構。該設備只有一個運動部件，即旋轉的葉輪，無需復雜的瓣膜或膜片，從而降低了故障的可能性，延長了設備的壽命，減少了維護的成本。
高效性能。該設備的離心泵技術可以提供高達12L/min的血流，滿足患者的動態活動需求。同時，該設備的功耗很低，僅為10W左右，比其他TAH節省了一半以上的能量，從而減輕了患者的負擔，延長了電池的使用時間。
生理互動。該設備的專利左右流量平衡系統可以動態地調節葉輪的轉速，使左右心室的血流保持平衡，避免右心功能不全的發生。該系統還可以根據患者的血壓和心率的變化，自動調整血流的強度，模擬正常的心臟反射機制。
▲圖：BiVACOR TAH植入示意圖
Realheart TAH：這是一種模仿人類心臟結構和功能的全人工心臟，它是世界上第一款四腔人工心臟，可以產生類似于天然心臟的脈動性血流。該設備由兩個泵組成，每個泵有一個進血口和一個出血口，可以分別連接到左右心房和左右心室，從而實現完整的心臟替代。該設備已經在歐洲進行了動物試驗，顯示了有效的血流和血壓，以及較低的血液損傷。其優點特性有：
真實模擬。該設備的設計靈感來源于人類心臟的解剖結構和生理功能，可以完全復制心臟的收縮和舒張，產生與天然心臟相似的脈動性血流，保持血管的彈性和器官的灌注，提高患者的生活質量。
完全替代。該設備的四腔設計可以完全替換患者的原生心臟，無需保留任何心臟組織，從而避免了心臟再生或恢復的可能性，適用于無法接受心臟移植或其他LVAD的患者，擴大了適應癥范圍。
靈活調節。該設備的兩個泵可以獨立地控制左右心室的血流，從而實現精確的流量平衡，適應不同的生理狀態。該設備還可以根據患者的需要，調節泵的運動頻率和幅度，產生不同的脈壓差，模擬不同的心率和血壓。
▲圖：Realheart全人工心臟植入示意圖
Corvion LVAD：Corvion是一家美國的醫療技術公司，它開發了一種全植入式的左心室輔助裝置（LVAD），用于治療終末期心力衰竭的患者，該產品目前已經獲得了美國FDA的突破性設備認定，正在進行臨床試驗。該產品的特點和優點有：
全植入式。該產品不需要穿透皮膚的電源線，而是通過無線充電技術，為植入體內的泵提供電能，從而降低感染和出血等并發癥的風險，提高患者的舒適度和依從性。
高效傳輸。該產品采用了磁共振無線電力傳輸技術，可以實現高效、穩定、可調節的電能傳輸，不受距離、角度、位置等因素的影響，也不會對人體或其他設備產生有害的電磁干擾，可以為泵提供持續的動力，同時也可以為接收器內的電池充電，以備發射器失效或離開的情況。
智能控制。該產品具有智能控制和監測功能，可以根據患者的生理需求和環境變化，自動調節電力輸出，同時也可以通過無線通信，將患者的心臟數據傳輸給醫生或護理人員，以便及時發現和處理異常情況。
▲圖：corvion無線充電LVAD植入示意圖
Flowmaker：Flowmaker是法國醫療公司Fineheart開發的全植入式心臟輸出恢復系統（ICOMS），用于治療嚴重的心力衰竭患者。該產品的特點和優點有：
全植入式。該產品不需要穿透皮膚的電源線，而是通過無線充電技術，為植入體內的泵提供電能，從而降低感染和出血等并發癥的風險，它的能量需求很小，其70克的電池通過皮膚無線經皮能量傳輸系統（TET）充電，提高患者的舒適度和依從性。
脈動性血流。該產品可以產生類似于天然心臟的脈動性血流，保持血管的彈性和器官的灌注，提高患者的生活質量和預后，其血流能夠與主動脈瓣開啟同步，對原生心臟的每次搏動進行輔助。
流量自動調節。該產品具有智能控制和監測功能，可以根據患者的生理需求和環境變化，自動調節泵的運動頻率和幅度，產生不同的血流強度，模擬正常的心臟反射機制。
無需出血管：該產品直接從心尖放置到主動脈瓣口，血液從心室抽吸后直接從主動脈瓣口流出，無需再另外安裝人工血管來連接LVAD和主動脈。
▲圖：fineheart flowmaker植入示意圖
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