Содержание
Введение
1. Особенности аппарата «искусственное сердце»
1.1 История развития аппаратов
1.2 БТС-МТ «Искусственное сердце»
1.3 Виды хирургического вмешательства на сердце
1.4 Сравнительный анализ донорского и искусственного сердец
2. Принцип работы и перспективы развития
2.1 Основные научные направления
2.1.1 Механические «искусственные сердца»
2.1.2 Тканевая инженерия
2.1.3 3D принтинг
2.2 Принцип работы механических сердец
2.2.1 AbioCor
Нужна помощь в написании курсовой?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.
2.2.2 BiVACOR
2.2.3 CARMAT
2.2.4 SynCardia Total
Заключение
Список литературы
Введение
Век — век прорыва в медицине. Из стволовых клеток ученые научились выращивать сосуды, кости, сухожилия, целые органы, клапаны сердца, сердечную мышцу. Уже проводятся операции по установке искусственного сердца человеку.
Искусственное сердце или искусственные желудочки применяются у больных в терминальной стадии сердечной недостаточности для спасения их жизни и поддержки кровообращения до того момента, когда найдется подходящей для пересадки сердца донорский орган. У некоторых больных с противопоказаниями для пересадки сердца (возраст, сопутствующие заболевания и т.д.) искусственное сердце может быть имплантировано как окончательный вариант.
1. Особенности аппарата «искусственное сердце»
1.1 История развития аппарата
Чуть более 100 лет назад ведущий хирург мира Т.Бильрот предсказывал, что любой врач, рискнувший произвести операцию на человеческом сердце, сразу же потеряет уважение своих коллег. Сегодня только в США ежегодно выполняется около 100 000 таких операций.
Еще в конце 19 в. появились сообщения об успешных попытках операций на сердце, а в 1925 впервые удалось расширить пораженный сердечный клапан. В середине 40-х годов 20 в. были разработаны методы частичной хирургической коррекции ряда сложных врожденных пороков сердца, что сохранило жизнь многим обреченным детям.
В 1937 году советский ученый В. П. Демихов продемонстрировал возможность поддержания кровообращения в организме собаки с помощью пластикового насоса, приводимого в движение электродвигателем: собака прожила 2,5 часа.
В первом искусственном клапане сердца использовался силиконовый шарик в металлическом каркасе. В 1952 г. американский хирург Чарльз Хуфнагель установил клапан с шариком и каркасом пациенту с поврежденным аортальным клапаном.
Нужна помощь в написании курсовой?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.
В 1953 Дж. Гиббону (США) удалось ликвидировать дефект межпредсердной перегородки (сохранившегося после рождения сообщения между двумя предсердиями); операция была произведена на открытом сердце под непосредственным визуальным контролем, что стало возможным благодаря применению устройства, обеспечивающего экстракорпоральное кровообращение, а именно аппарата сердце-легкие.
В 60-х годах американские ученые В. Кольф и Т. Акутсу разработали искусственное сердце из полихлорвинила, состоящее из двух мешочков, включенных в единый корпус. Оно имело четыре трехстворчатых клапана и работало от пневмопривода, расположенного снаружи. Уже в 1969 году Доминго Лиотта осуществил первую попытку имплантации искусственного сердца в человеческий организм. Аппарат в организме тяжело больного пациента проработал 64 часа, после чего был заменен донорским сердцем. Больной вскоре умер от пневмонии, но это был первый дающий надежду результат. В 1982 году американцы снабдили несколько больных более совершенным устройством, получившим название «Джарвик-7». Барни Кларк, первый пациент, прожил с искусственным сердцем 112 дней, а жизнь Билла Шредера «Джарвик-7» поддерживал 620 дней.
В 2010 году в НЦССХ им. А. Н. Бакулева была произведена операция по полной замене сердца человека на искусственный аналог кардиохирургом Лео Бокерия, совместно с его американским коллегой. Этот аппарат обеспечивает кровоснабжение органов и тканей пациента, однако его недостатком является наличие аккумулятора массой 10 кг, нуждающегося в перезарядке каждые 12 часов.
В 2013 году французская компания CARMAT получила добро Еврокомиссии на имплантацию своего искусственного сердца первым четырем пациентам. Протез CARMAT представляет собой имплантируемый гидравлический насос, который питается от внешних батарей.
1.2 БТС-МТ «Искусственное сердце»
искусственный сердце хирургический донорский
−непосредственное функционирование органов (работа сердца, легких, почек, конечностей);
−управление работой данных органов. Для автоматического управления этими процессами необходимы различные технические устройства.
В первом случае это будут протезы самих органов: искусственные сердце, легкие, почки, конечности, а во втором — протезы управления органами . Например, в первом случае может применяться протез самого сердца, восполняющий утраченные функции организма, а во втором — кардиостимулятор, поддерживающий жизнедеятельность больного сердца.
Оба случая относятся к терапевтическим БТС-М.
Терапевтические БТС (БТС-МТ) — управляющие БТС, восстанавливающие естественные функции организма и физиологических систем больного человека, поддерживающие их в пределах нормы, а так же выполняющие роль замещения утраченных физиологических функций организма.
Характер взаимодействия технических и биологических звеньев определяет структуру БТС.
В случае терапевтических БТС организм выступает в роли управляемого объекта. Эффективность БТС, в этом случае, определяется степенью близости текущего состояния организма или показателей эффективности функционирования физиологических систем к норме. Здесь, в основном, проявляется метаболический характер взаимодействия биологических и технических звеньев.
Метаболические функции организма включают доставку из среды субстратов, питательных веществ, окислителя (углеводы, белки с помощью желудочно-кишечного тракта; кислород с помощью дыхательной системы и кровообращения), получение энергии, синтез и преобразование веществ (биохимические процессы), выведение из организма продуктов жизнедеятельности (воды, углекислого газа).
Нужна помощь в написании курсовой?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.
Метаболический уровень взаимодействия в БТС в наибольшей степени проявляется при создании искусственных органов (искусственное сердце, почки), а также систем жизнеобеспечения при работе человека в экстремальных условиях среды (космические, глубоководные исследования).
Технические звенья формирования лечебного воздействия могут использовать вещественный, энергетический и информационный типы управления состоянием организма.
Наиболее гибким типом управления в БТС для коррекции состояния организма является энергетический тип управления. С помощью регулируемого энергетического воздействия наиболее просто осуществляется дозирование лечебного фактора и достигается избирательное воздействие на требуемую функциональную систему.
Следует отметить, что в различных БТС построение цепи управления может существенно отличаться. Так, в одних случаях, оценка физиологических показателей, выработка диагностических признаков, формирование управляющих сигналов может осуществляться с помощью только технических средств, в других, наиболее сложных, функцию одного или нескольких блоков выполняет врач или исследователь.
Например, БТС электрокардиостимуляции с использованием имплантируемого стимулятора, работающего «по запросу», реализуется по структуре первого типа. Физиологическим звеном здесь является сердце с его проводниковой системой, к которому подводятся стимулы, задающие ритм сокращения. Собственная биоэлектрическая активность сердца, ослабленная или частично нарушенная в результате патологического процесса, используется для оценки состояния сердечной деятельности. Блок оценки физиологических показателей включает в себя усилитель биопотенциалов, соединенный электродами с миокардом. Блок диагностики работает, в простейшем случае, по принципу компаратора: если собственная активность сердца превышает заданный уровень, то включается формирователь управляющих сигналов для блокирования генератора стимулов. В случае ослабления собственной активности сердца включается генератор стимулов. Таким образом, реализуется простейший вариант управления одним параметром воздействия при оценке одного физиологического показателя.
Передача воздействия в медицинских БТС терапевтического типа может осуществляться контактным или бесконтактным путем. В контактных системах передача энергии от источника воз- действия к биологической ткани происходит при помощи инвазивных средств, например, путем использования вживляемых электродов. При бесконтактной передаче воздействия технические звенья содержат излучатели, как правило, концентрированных колебаний (например, ультразвуковых или электромагнитных), направленных на биологическую ткань.
1.3 Виды хирургического вмешательства
1) Аппарат сердце-легкие (искусственное кровообращение
Хотя современные аппараты сердце-легкие по производительности и эффективности намного превосходят первую модель Гиббона, принцип их работы остается тем же. Венозную кровь больного, чаще всего с помощью крупных канюль (трубок), введенных через правое предсердие в верхнюю и нижнюю полые вены, отводят в оксигенатор — устройство, в котором кровь на большой поверхности контактирует с богатой кислородом газовой смесью, что обеспечивает ее насыщение кислородом и потерю углекислоты. Затем оксигенированная (насыщенная кислородом) кровь через канюлю, помещенную в артерию (обычно в аорту вблизи отхождения от нее безымянной артерии), нагнетается обратно в тело больного. При прохождении крови через аппарат сердце-легкие, как правило, используют приспособления для ее подогрева и охлаждения, а также добавляют к ней необходимые вещества.
В настоящее время применяются оксигенаторы двух основных типов. В одних из них (пузырьковых) для создания большой поверхности контакта между кровью и газом богатая кислородом газовая смесь пропускается через кровь в виде пузырьков. Недостатком этого эффективного и недорогого метода оксигенации является повреждение клеток крови при длительном прямом воздействии кислорода.
Другой тип — мембранные оксигенаторы, в которых между кровью и газом находится тонкая пластиковая мембрана, защищающая кровь от непосредственного контакта с газовой смесью. Однако мембранные оксигенаторы несколько дороже и сложнее в работе, поэтому обычно их применяют лишь в тех случаях, когда предполагается длительное использование аппарата.
2) Замена клапанов.
В настоящее время существуют два основных вида клапанных протезов — механические и биологические. И в тех и в других имеется кольцо (обычно из дакрона), которое вшивают в сердце, чтобы фиксировать положение протеза.
Механические клапанные протезы построены либо по принципу шарика в сетке (шар изготавливался из силикона, корпус — из титана, манжета — из тефлоновой ткани. Быстрое разрушение силиконового шара предотвращается методом вулканизации материала), либо по принципу поворачивающегося диска и выполнены из искусственного материала (пришивная манжета из дакрона, полиэстера, створки из пиролитического углерод а, кольцо из титана) и помещенные в обшитый синтетической тканью металлический каркас различной конструкции.
Нужна помощь в написании курсовой?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.
Биологические искусственные клапаны — это либо свиные аортальные клапаны, которые крепятся на специальном устройстве, либо клапаны, выкроенные из бычьего перикарда (фиброзной сумки, окружающей сердце). Предварительно их фиксируют в растворе глютарового альдегида; в результате они утрачивают свойства живой ткани и потому не подвергаются отторжению, опасность которого существует при любой пересадке органов.
Операция замены протезом пораженного клапана сердца. Техника имплантации различных протезов клапанов сердца практически идентична.
При протезировании клапанов чаще применяют срединную стернотомию в условиях искусственного кровообращения. Перикард вскрывают продольным разрезом и берут на держалки. Аппарат искусственного кровообращения подключают по схеме аорта — полые вены. Операцию предпочтительнее выполнять на остановленном сердце.
Для протезирования митрального клапана левое предсердие открывают разрезом спереди от легочных вен. После фиксируют митральный клапан за створки, подтягивают на себя и приступают к его иссечению. Размер протеза устанавливают с помощью шаблона-измерителя.
Для протезирования клапанов аорты, после наложения зажима на её восходящую часть, пунктируют ее переднюю стенку иглой, соединенной с системой для внутриаортального нагнетания холодового кардиоплегического раствора, и одновременно начинают охлаждать сердце снаружи. Пережимают аорту, вскрывают ее просвет. По трем секторам накладывают П-образные швы, которыми прошивают фиброзное кольцо, а концами нитей — манжету клапана, фиксируя протез.
В конце операции обязательно подшивают к миокарду временные электроды для электрокардиостимуляции и оставляют дренажи в перикардиальной полости и средостении.
3) Имплантация искусственного сердца
Операция имплантации искусственного сердца выполняется под эндотрахеальным наркозом в условиях искусственного кровообращения.
Грудной блок состоит из двух герметичных насосов крови, разделенных преобразователем энергии.
Каждый насос крови можно рассматривать как твёрдую камеру, содержащую мешочек, заполненный кровью. Пространство между мешочком и преобразователем энергии заполнено рабочей жидкостью.
Преобразователь энергии перемещает рабочую жидкость из одной стороны в другую, сжимая мешок в одном насосе и прогоняя кровь из него. Одновременно кровь активно втягивается в другой насос, заполняя его в течение следующего цикла. Преобразователь энергии толкает рабочую жидкость поочередно в обоих направлениях, заставляя насосы попеременно выталкивать кровь и наполняться ею.
Контроллер — это мозг вживленной системы, его функции:
- мониторинг грудного блока и прочих имплантированных компонентов
- управление грудным блоком
- связь между внешними компонентами и внутренними.
Имплантированная батарея, когда она новая и полностью заряжена, содержит достаточное количество электрической энергии для приведения в действие системы AbioCor примерно в течение 60 минут без внешнего источника питания.
Имплантированная система ЧПЭ получает электрическую энергию в виде радиоволн от внешней системы ЧПЭ и преобразует ее в напряжение постоянного тока, используемого остальной частью AbioCor.Console является основным внешним компонентом AbioCor системы. Он обеспечивает подачу питания и передачи данных внутренним компонентам, и представляет возможность пациенту или другим людям мониторинга и настройки работы системы. Console передает энергию через систему ЧПЭ, и обменивается данными через модуль связи RF.
Электроника, переносимая пациентом, представляет собой портативную систему, которая обеспечивает зарядку батареи в имплантированной AbioCor системе через внешнюю систему ЧПЭ, размещается в нейлоновой мешке с батареями, который можно носить через плечо.
Нужна помощь в написании курсовой?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.
1.2.2 BiVACOR
Новое устройство под названием BiVACOR было создано специалистами Технологического университета Квинсленда. Вместо «помп» и шарообразных мешков, имитирующих работу живого сердца, ученые использовали вращающийся диск, который разгоняет кровь по всему телу.
Проект BiVACOR (рисунок 3), над которым работают специалисты из Австралии и США, на данный момент проходит стадию испытаний на животных. Преимущество данной разработки — длительный срок эксплуатации, который создатели устройства оценивают в 5-10 лет и более. Эта модель не имитирует пульсирующую работу живого сердца, а обеспечивает постоянные потоки артериальной и венозной крови, для перекачивания которой используется вращающийся двусторонний ротор, подвешенный в магнитном поле (рисунок 4). Отсутствие крепежей и других зон механического контакта позволяет минимизировать износ деталей.
1.2.3 CARMAT
Разработанное под руководством профессора Алена Карпантье искусственное сердце CARMAT (Франция) замечательно тем, что само автоматически настраивается при изменении физической нагрузки на организм человека. В других моделях искусственных сердец такая подстройка осуществляется извне.
Устройство состоит из двух частей — имплантируемой и внешней. В отличие от всех своих предшественников внутренняя часть устройства, как и живое сердце, имеет два желудочка — левый и правый, которые разделены с помощью гибкой биомембраны. Один из них предназначен для крови, другой — для специальной жидкости, которая также заполняет и внешний пластичный мешок устройства.
Два миниатюрных насоса создают гидравлическое действие и заставляют жидкость давить на мембрану, имитируя тем самым сокращение сердечной мышцы. При этом искусственные клапаны обеспечивают перекачивание крови строго в одном направлении.
Работу протеза регулирует встроенный микропроцессор и система датчиков высоты и давления, которые отслеживают параметры кровотока в сердце. Благодаря этой миниатюрной системе искусственный орган мгновенно реагирует на изменения со стороны организма и корректирует скорость потока внутри себя. Это ещё одно весомое преимущество перед аналогами, поскольку большинство из них перекачивают кровь с постоянной скоростью.
Снаружи на теле пациента будет закреплена система для записи и передачи данных о работе сердца. Таким образом, лечащий врач сможет наблюдать за своими пациентами дистанционно.
В домашних условиях предполагается наличие внешнего блока питания, который можно будет повесить через плечо или перемещать на тележке. Сейчас это литиевые аккумуляторы. В дальнейшем планируется создание топливных элементов, которые при весе менее 3 килограммов обеспечат 12 часов бесперебойной работы искусственного сердца.
Ориентировочная цена сердца вместе с операцией составит от 140 до 180 тысяч евро, то есть от 12 до 15,5 миллионов рублей.
1.2.4 SynCardia
Искусственное сердце стоимостью 124800 долларов используют в случае полного отказа сердечной мышцы: шестикилограммовое устройство с портативной батареей можно носить с собой в рюкзаке. Уникальность SynCardia Freedom Portable Driver заключена в том, что ранее переносные приборы помогали лишь в случае частичного отказа сердца, не заменяя настоящий орган, а таких пациентов, как Стэн, подключали к стационарному аппарату, и в течение многих месяцев и лет те оказывались прикованными к постели.
Устройство замещает оба желудочка и четыре клапана сердца, способствуя восстановлению жизненно важных органов пациента. Это, в совокупности с отменой иммуносупрессивных препаратов, позволяет организму подготовиться к трансплантации.
На сегодняшний день проведено уже более 1 000 трансплантаций полностью искусственного сердца SynCardia, что помогло более чем 270 пациентам дождаться донорского сердца.- искусственное сердце <http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_medicine/12985> на пневмоприводе. Рабочая его часть (имплантируемое насосное устройство) представляет собой два искусственных желудочка, изготовленных из биополимеров медицинского назначения (полиуретана). Каждый искусственный желудочек состоит из кровяной и воздушной камер. Кровяные камеры с помощью специальных манжет, содержащих искусственные клапаны, соединяют с предсердиями, аортой и легочным стволом.
Нужна помощь в написании курсовой?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.
Воздушные камеры через воздуховод связаны с компрессорами, которые находятся вне организма больного. При подаче воздуха гибкая мембрана, разделяющая камеры, перемещается в полость кровяной камеры, и происходит выброс крови в магистральный <http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_medicine/17563> сосуд. При создании вакуума мембрана втягивается в полость воздушной камеры, благодаря чему кровь <http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_medicine/15483> из предсердий поступает в кровяную камеру. Регуляция этого процесса осуществляется с помощью специальной системы управления — привода искусственного сердца.
Так же используется SynCardia Freedom Portable Driver, что позволяет пациентам покинуть больницу, пока они ждут донорского сердца.
Заключение
Технический уровень в этой области ещё не настолько высок, чтобы от пересаженного на длительное время искусственного сердца можно было ожидать действительно существенного продления срока жизни пациента.
Однако перспективы здесь бесспорны: нет сомнения в том, что в конечном итоге будет создан аппарат, способный временно или постоянно выполнять функции сердца. Но пройдет еще немало времени, прежде чем он хотя бы приблизительно сравняется с настоящим сердцем в работоспособности, надежности, точности ритма и реакции на изменения потребностей организма. В ближайшем будущем искусственное сердце, разумеется, может использоваться для облегчения работы и восстановления функции сердца в пред- и послеоперационный периоды.
Источники
1. Валерий Шумаков, Владимир Толпекин «Искусственное сердце и вспомогательное кровообращение», 2009
2. Валерий Шумаков, Николай Зимин «Искусственное сердце», 2013