力争达到世界先进水平――攻克生物医学工程几个难题的回忆

清华大学工程力学系教授  席葆树

 

 

    1976年7月2日医科院的几位专家来到我们实验室，请教关于血压测量的问题，当时我正在研究微压传感器，他们知道后想将微压传感器用于测量血压。第二天是星期日，早上，医科院吴阶平院长带着这几位专家又来到清华大学工字厅，要求我们研制一种新型血压计，这种血压计不用臂套，不用打气，对病人没有痛苦，而且医生还要能很快掌握，数据能与现有的水银血压计测的数据相比，要求两个星期做好，因为病人等着用。我说没有搞过，答应可以试一试，于是就要求我把其他工作放下，立即上马开始工作。我当时开始感到问题严重，大概是中央哪个领导要用，可不是好玩的。可是退路已经没有了，想缓冲一下，就说今天是星期天，研究室的人员都回家了，等明天上班再说吧，吴阶平院长说，这个病人急需，现在就去把人找回来，下午就开始工作，并指示医科院的几位专家也一起来共同工作。校长办公室派了一辆吉普车，我就坐车把研究室的同志挨家找了回来。任务很简单也很严峻，要求在两个星期内研制出一套当时世界上还没有的新型电子血压计。后来我们知道了这个病人就是毛主席，因为毛主席患的是肺心病，需要随时监测血压，而普通血压计用臂套打气，频繁测量，手都麻木了。这个任务实在是艰巨，既是重要的政治任务，又是尖端科技，而且要求在两个星期内完成，实在是不敢想象，但是既然要求我们来完成，就不能不做。没有搞过血压计也就不知道深浅，只好硬着头皮搞，后来才知道这是当时世界上都未解决的一个难题。回想起来真有点后怕。领导上很重视，由当时的医科院科研处处长顾方舟教授亲自坐阵清华督战（后来顾方舟教授一直是医科院院长），由著名的外科权威曾??九教授负责联络，每天来清华一次，了解进展情况，吴阶平院长每三天来一次与我们讨论。派来了医用电子学和理疗方面的教授前来协同工作。学校也很重视，科研处大力支持，凡是我需要的人可以随时调来，需用什么仪器可以随时调用，一路开绿灯。力学系、电子系、建筑声学的有关老师都来了，一下子就组成了一个由十几个人组成的非常齐心协力的研制组。开始工作了，大家不分白天黑夜，需要做什么试验就立即动手，常常是在几个小时之内就得做完一个实验，得出结论，例如要测血管的柯氏声频谱，就立即去建筑声学实验室，用最好的进口仪器进行测量，二、三个小时就做完了。把进口的血压计都拿来了，但都离不开用臂套打气，因为当时世界上还没有不用臂套打气的血压计。我们必须研究新的测量方案，而现在的血压计的测量原理是俄国医生柯洛特科夫在100多年前提出的，全世界大家都公认的。不用臂套打气用什么办法呢？如果是一个科研项目，可以慢慢摸索几年。而现在要求在两个星期内完成一台实用的仪器，交给大夫在临床上使用，这可真不是一件简单的事。我挖空心思找了各种流体力学测量压力的方法，都无济于事。发动大家集思广益想办法，有人提出测量手腕上的桡动脉血压，然后换算出手臂上的血压，于是就立即动手来制作。我们实验室因为搞传感器研究，所以各种机电条件都很好，有各种机加工机床，有制作调试电子线路的仪器设备，各种器材都在手边，非常方便。大家分头去作，几个小时后试验样机就作好了，试验一下，不行，于是大家就讨论改进，再作再改进。有人提议测颈动脉的血压，于是又立即动手制作，结果也不行，大小方案作了33个。两个星期过去了，没有一个方案可行，这时一些事情不多的人都回去了，医科院的教授也有事回去了。我想真的做不出来吗？这时我思想上感到的压力就别提了。虽然两个星期来每天晚上只睡三、四个小时觉，精力全部集中在方案上，因此没有时间去想思想上的压力。现在已经有点筋疲力尽，稍微松了一点，才想了想如果完不成怎么交待？虽然很困，但是彻夜难眠，翻来覆去想方案，从前面的失败中也了解了测量血压的困难所在，突然想到能否将声音、压力和检测机构放在一个传感器里作成一个复合传感器，又构思出了一个新的方案。于是天一亮，就起来到实验室开动机器做了起来，不一会电子系的俞昌老师来了，我就请他做一个放大器，又把测量仪器进行了改装，从白天一直折腾到晚上，整整一个通宵，终于完成了第34个方案，制成了一套新的仪器，试验了一下，好像能测出血压。第二天早上医科院的教授来了，我让他试了一试。他一试高兴地说能测血压，于是就在走廊里喊人来测血压，同时用新做的仪器和水银血压计对比，测了20多个人，真是老天不负有心人，结果统计数字令人兴奋，收缩压的符合率达到95％，舒张压的符合率达到85％。不一会曾??九教授来了，当他看到了数据并亲自试了一下后，一拍大腿兴奋地说：成了，赶快拿走。我请求说这一套还有点漏气，做得太粗糙，是否再给两天时间，我再改进一下，同时再做一套备用的，他同意了。传感器上有个橡胶零件，是一个关键部件，为了不漏气、可靠和好看，想到是给毛主席用的，要做得美观一些，必须开一个模具来制造，平常制造这个模具需要一个月，我找到机械厂厂长要求协助制作，他说最快也得一个星期，我说不行，最多两天就得作出来，他说实在不行，我只好回到实验室自己想办法，于是立即找来材料，上机床加工，一直干到深夜，一套橡胶模具做出来了，第二天橡胶制品研究所送来了橡胶原料，终于制成了合格的橡胶零件。

 

    正在这时唐山发生了地震，北京震情也很大，大家都住进了在楼外临时栓在小树上的用布扯起的蓬里，楼里不能进人，实验室的动力电已经断了，这时新血压计还有几个零件没有加工完，怎么办？于是我也顾不得地震摇晃，进到实验室把照明电的三根线接到机器上，开动了机床，终于加工完了全部零件。当一套由一个复合血压传感器和测量仪器组成的新型血压计组装完成后，真有说不出的兴奋，什么疲倦、地震全忘了。我母亲当时在我这里，地震前几天她去西直门表姐家住，地震了，表姐打电话要我赶快去接她回来，可我哪有时间，我得赶快把仪器装好送到吴阶平院长手里，最后表姐急了，只好自己把她送了回来。当我在医科院的抗震指挥棚里找到吴阶平院长时，他非常高兴，带我到他办公室与我谈了许久。他说“没想到你们到底还是搞成功了，我国的医疗仪器很多都是进口外国的，这一个可是我们中国的”。我说时间急，做得粗糙，其中很多问题还需要深入仔细研究。他说可以立个项目来进一步研究。后来医科院科研处就给我们发了一个立项的函。

 

    新型血压计是采用一个复合血压传感器，只要往动脉血管上轻轻一压就可显示出血管的血压，实现了没有臂套打气，对病人不造成痛苦，病人睡觉时也能测，医生稍加训练就能掌握，测手臂上弘动脉处的血压与水银血压计测的数值完全可以相比。完全达到了要求。不仅如此，只要有表浅动脉的地方都能测出血管的血压，如：颈动脉、颞动脉都可以测，只是医学上至今没有办法测，因而没有数据进行比较，因此它在医学上是很有用处的。仪器交出后我就再也没有见到，因为毛主席逝世后，吴院长很忙一直找不到他，过了一年才托人问到吴院长，吴院长说：毛主席逝世后很乱，仪器找不到了，不知哪里去了。本来我想把它要回来，再重新研究一下，但至今也没有再见到，除了我脑子里留下的记忆和一堆剩余的零件外，什么资料也没有来得及留下。

 

    20多年来，由于其他科研任务一个接一个，没有时间再回头来把它研究一下，转化生产。但至今这种测量血压的方案在世界上仍然具有新颖性。

 

 

    1976年我们研制成功的新型电子血压计，交给了毛主席护理小组使用。因此也就和医学界的专家交上了朋友。我的专业是实验流体力学，力学系“文革”前主要是针对航空航天方面培养人，“文革”后航空航天方面人才暂时过剩，我们就面临着重新选定科研方向，大家纷纷结合实际需要选择研究方向。这时一些朋友建议我转向生物医学工程，从事生物流体力学方向研究，具体选择了心血管生物流体力学，成立了生物力学研究室。开始我们拿到了北京市科委的人工心脏研究项目经费，与北京医学院附属第三医院心外科合作，进行人工心脏研究。1980年国家科委组团赴美国和德国考察生物医学工程，我有幸作为代表团成员出国考察。通过对两个国家的考察，开阔了眼界，增长了知识。回国后，我向国家科委一局医学处建议立项研究人工心脏瓣膜的有关技术，因为从医学统计数字知道，我国约有万分之一的人患心脏瓣膜病，而用人工制造的心脏瓣膜置换损坏了的心脏瓣膜，病人又可以恢复健康和劳动能力。国内许多单位正在开展人工心脏瓣膜的研制工作，科委要我去调查一下，写个报告。我对北京、上海、武汉、成都、广州等地的20多个研制单位逐个进行了调研。发现各地都是“土”法上马，没有理论指导，没有检测方法和仪器，凭直观在制作，很不科学，而一个人造瓣膜一旦植入人体，就意味着是一条生命，是来不得半点马虎的。于是我向国家科委写了一份报告，建议作为“六·五”科技攻关项目立项，有重点地支持几个地区开展研究。并且向当时的科委赵东宛副主任作了汇报。为了配合各地的研究工作，急需解决人工心脏瓣膜体外性能检测技术与装置问题，清华承担了这项研究任务。科学基金作为重点项目拨款十万元，后来科委又拨给了二十万元经费，就开始了研制工作。

 

    在国外考察时，也看到了国外许多单位研制的人工心脏瓣膜检测试验装置，发现他们都未很好考虑试验时的相似条件，即模拟试验装置上的试验如何与人体生理相似。很多装置与人体生理条件相差很远，这样测得的结果是没有什么意义的。于是我根据流体力学试验相似原理，设计了一套装置。为了与人体生理实际相似，其心室和主动脉弓的形状和大小应该与生理条件近似，为了能观察流场，必须用透明弹性硅橡胶制成，其弹性特性还必须与人体近似，而且可以任意调节。模拟血管阻力的线性阻力器要在一段不锈钢管中装上几千根不锈钢毛细管，紧密地排在里面，这些关键部件都必须我们自己做。我们四处寻访，从国外找到了透明弹性硅橡胶，向北京橡胶制品研究所的专家请教制作工艺。祖佩贞高级实验师经过摸索，终于制成了漂亮的心室和主动脉弓模型，在电子管厂找到了很细的不锈钢毛细管，线性阻力器也制成了。试验台的动力源是一个关键问题，国外有的用机械凸轮传动，有的用液压伺服机构，这些传动方式都不好，特性太硬，人的心脏是能自动调节的软特性。因此我们大胆地采用了直线电机驱动，直接用电信号驱动心室的舒张运动，便于调节，更符合生理条件。这种大推力的直线电机当时没有地方可买，不得不自己设计制造，其中线圈骨架我们采用钛合金制成，十分薄，很轻，性能很好，推力达25公斤，完全能满足试验要求。驱动直线电机需要一台200瓦的直流功率放大器，买一台要一万多元，我们就自己动手，制成了一台性能优良的200瓦直流功率放大器。整个系统的驱动信号需要一台任意波形发生器，可以根据试验要求产生心室容积变化曲线。我们按照光电原理制成了一台简单、稳定、实用的任意波形发生器。这样试验台的关键技术问题都解决了，一台性能比国外优良的人工心脏瓣膜体外模拟试验装置就研制成功了。

 

86年6月召开了一个鉴定会，卫生部的老部长钱信忠同志亲自来参加，他当时是中国生物医学工程学会会长，除卫生部和科委的有关领导外，国内外学者专家30多人对试验台进行了鉴定，一致认为在生理相似性、稳定性和可调节性方面处于世界领先地位，国外专家也说这是他看到的最好的人工心脏瓣膜试验台。因此87年获得了国家科技进步二等奖。

    当时美国卫生部FDA正在研究人造心脏瓣膜的评价标准问题，在世界上选了20个实验室，将一套标准瓣膜轮流在这些实验室中进行测定后将数据寄给他们。当FDA知道我们也建立了试验台后，也邀请我们参加了这个计划。

 

    试验台建成后为国外生产厂家和国内研制单位测试了150多个人工心脏瓣膜。国内外单位纷纷要求购买。我想，我们以清华的条件克服了许多困难才研制成功。如果其他单位也都去重复，那将是很浪费的。高等学校的科研成果，除了以论文发表外，还可以产品的形式满足社会需要。我们又向前延伸了一步，花了一年多时间，将试验台投入了小批量生产，产品卖给了美国的瓣膜公司和国内的北京、上海、广州、西安等地的人工心脏瓣膜研究单位，卫生部药品生物制品检定所把它作为人工心瓣国家检测中心的主要设备。这样不仅以论文的形式在国内外发表了我们的科研成果，而且以产品的方式提供给其他研究单位，使科研成果以最快的方式产生效果，推动了我国人工心脏瓣膜事业的发展。我们也因此得到了经济回报。我们用卖试验台的钱在清华盖了一座生物力学小楼，大大改善了研究条件。

 

    人工心脏瓣膜体外性能试验技术与装置任务完成后，又提出了人工心瓣的疲劳寿命问题。如何检测人工心脏瓣膜的疲劳寿命，一直是国际上没有解决的问题，世界上许多国家的专家学者都在致力于研究。我们发现国外所采用的检测指标是不对的。人工心脏瓣膜的寿命问题，从工程上来看是它在一定受力载荷下的疲劳问题。国外都用跨瓣压力差作为检测时的控制参数，美国FDA和国际标准化组织ISO所制定的检测标准中也是用跨瓣压差作为标准。我们从力学分析来看，应当控制心瓣的受力载荷，而不是跨瓣压差，于是我们提出了人工心脏瓣膜在检测其疲劳寿命时应以瓣上所受载荷与生理条件相似作为控制条件。经过理论分析和模型试验后，作为“七·五”国家科技攻关项目，我们研制成功了一台比较科学的人工心脏瓣膜疲劳寿命试验台，在“七·五”攻关项目展览会上受到好评，获重大成果奖。

 

    1992年我在日本东京大学访问时介绍了这个试验台，引起了他们的兴趣，之后早稻田大学人工器官研究室主任专程来中国三次参观了解，并买了一台装备在他们实验室。今年这位教授来中国访问时，还特别介绍说他们的研究工作是在我们的试验台上进行的。我们清华大学研制开发的实验装置，也能装备在国外著名厂家和大学的实验室，我们都感到十分自豪。

 

    这套仪器已经申请了发明专利并由北京希必实机电技术有限公司投入小批量生产，产品已经装备了卫生部药检所、国家检测中心和阜外医院等一些研究单位。这说明了科研成果不仅应该以论文形式发表，而且应该以产品的形式尽快转化，推动科学技术的发展。