Искусственные органы сердечно-сосудистой системы Искусственное сердце Искусственные клапаны

Искусственные органы сердечно-сосудистой системы Искусственное сердце Искусственные клапаны сердца

Концепция замещения функции сердца механическим аналогом не нова. Еще в 1812 г. La Gallois заметил, что если удастся заменить сердце каким либо насосом крови, то можно успешно сохранять живой любую часть тела. Дальнейшие исследования проводились в направлении частичной замены функции одного из отделов сердца (правого или левого желудочка) и только с созданием аппарата «сердце легкие» стало возможным всерьез разрабатывать проблему полной замены сердца механическим аналогом. Следует отметить, что отечественная наука имеет приоритет в осуществлении этой идеи. В. П. Демиховым (1960 г. ) показана принципиальная возможность поддержания кровообращения в организме животного с помощью механического устройства, имплантированного на место удаленного собственного сердца. После такой операции собака жила в течение 2, 5 ч. Последующее исследование создания искусственного сердца (ИС) связано с именем W. Kolff (1980 г. ). Почти 25 лет потребовалось для того, чтобы в эксперименте были достигнуты стабильные результаты выживания животных и созданы предпосылки для использования метода имплантации в клинической практике. Работы по созданию ИС интенсивно проводились несколь кими

К 1970 г. были достигнуты ощутимые успехи животные выживали до 100 ч (лаборатория Университета штата Юта в Солт Лейк Сити, США). Однако в связи с последующими неудачами встал вопрос о том, возможно ли выживание животного с ИС более 100 ч. Только в 1974 г. удалось достигнуть выживаемости животных в течение 1 мес. , а в 1977 г. было получено стабильное выживание 75% животных в течение этого срока. Во многих лабораториях показано, что животное может успешно существовать в течение нескольких месяцев с ИС, работающим от пневмопривода. Реципиентов можно повторно оперировать с целью коррекции размещения ИС и замены одного из искусственных желудочков в случае нарушения их работы. Полученные результаты позволили считать, что метод замены собственного сердца искусственным как временная мера может быть применен в клинике.

Это тем более важно, что одной из основных причин, ограничивающих в настоящее время более широкое использование трансплантации сердца в клинике, является подбор подходящего донора сердца, поскольку национальные и интернациональные Программы не обеспечивают необходимого количества трансплантатов. Идея имплантации ИС в качестве первого этапа для поддержания жизни реципиента на период подыскания подходящего донора полностью оправдана в клинической практике. С 70 х по 2000 г. советские/российские ученые медики в содружестве с инженерами создали более 20 моделей ИС В то время техническим и медико биологическим требованиям в результате длительных испытании на гидродинамических стендах отвечали две модели. Одна из них модель «мешотчатого типа» изготовленная из фторсиликонового каучука. В основу этой модели положены топографические исследования сердца человека и требования, предъявляемые к «сердечному насосу» . Эти требования предусматривают: использование материалов, способных выдерживать длительные циклические нагрузки и препятствовать тромбообразованию; создание конструкций, исключающих образование застойных зон, областей повышенных скоростей сдвига и местных напряжений; сведение до минимума площади циклически соприкасающихся поверхностей, от величины которых во многом зависит травма форменных элементов крови.

Первое искусственное сердце в России

Наружная стенка камер желудочков жесткая или полужесткая, а внутренняя мягкая и эластичная. На входе и выходе из внутреннего мешка имеются клапаны. При подаче воздуха или жидкости между стенками такого желудочка внутренний мешок сжимается и происходит выжимание из него крови. При снижении давления между стенками происходит расправление внутреннего мешка; давление внутри него становится меньше, чем давление перед входным клапаном, клапан открывается и происходит заполнение желудочка кровью.

Другая модель ИС имеет «диафрагменный тип» конструкции в жестком корпусе. Активные предсердия снижают давление пульсирующего тока крови в венозном русле, благодаря чему снижается гемолиз. Систолический выброс крови в этой модели и последующее заполнение желудочков происходят в результате перемены положения диафрагмы под давлением на ее поверхность газа или жидкости от привода. Однонаправленный ток крови в искусственных желудочках обеспечивают входной и выходной клапаны.

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 может быть имплантировано как окончательный вариант.

Результаты применения искусственного сердца в Немецком Кардиологическом Центре в Берлине В общей сложности со дня основания Центра до 1 января 2009 г. различные типы искусственного сердца были использованы у 1229 больных. У более 300 больных была впоследствии успешно произведена пересадка сердца, у 101 пациента искусственное сердце было удалено после того, как собственное сердце восстановило свою работу. У больных с противопоказаниями для пересадки сердца искусственный желудочек имплантируется в качестве окончательной терапии. Таким образом, искусственное сердце является наряду с пересадкой донорского одним из самых эффективных методов лечения пациентов в конечной стадии сердечной недостаточности. По состоянию на 1 января 2009 у 108 больных искусственное сердце было имплантировано на постоянной основе. В настоящее время 104 больных наблюдаются после вживления искусственных желудочков различных типов: часть из них уже выписана домой, другие ожидают выписки. Некоторые больные остались настолько довольны результатами операции и улучшением качества своей жизни, что отказались от дальнейшей пересадки сердца. Особое место занимает применение искусственного сердца у детей. В Центре разработана и успешно имплантируется пациентам система Berlin. Heart. Эта система может применяться у новорождённых с весом от 2000 граммов. Более 100 детей получили искусственное сердце. На основании опыта Центра, искусственное сердце в детской модификации pediatric Berlin Heart Excor и методика его применения, с успехом применяются во всём мире. Более 400 операций было сделано в США и в Канаде, есть опыт применения в странах Европы и Азии.

Модель искусственного сердца ( Берлин, 1987 г. )

Первая операция по имплантации искусственного сердца

Искусственные желудочки Berlin. Heart

Схема работы искусственного желудочка

В 1998 году впервые в мире был имплантирован искусственный желудочек с принципиально новым принципом действия, сконструированный при участии специалистов NASA и Майкла Де. Бейки. Этот маленький насос массой всего 93 грамма способен перекачивать до 6 7 литров крови в минуту и тем самым обеспечивать нормальную жизнедеятельность всего организма

Левосторонний искусственный желудочек ИНКОР, слева с блоком управления

Больной после вживления искусственного левого желудочка типа Micro. Med De. Bakey на своей прежней работе в качестве владельца фирмы по уборке помещений. На левом боку хорошо видна маленькая сумка с батареями и управляющим блоком

Больной спустя 4 года после вживления искусственного левого желудочка типа Novacor на своём мотороллере. На животе в специальной жилетке находятся батареи и управляющий блок

По состоянию на 2009 год не создано эффективного имплантируемого человеку протеза всего сердца. Ряд ведущих кардиохирургических клиник проводит успешные частичные замены органических компонентов на искусственные. Например, производится замена клапанов, крупных сосудов, предсердий, желудочков. Также следует отметить, что вполне успешно производится пересадка донорского сердца. По состоянию на 2010 год существуют прототипы эффективных имплантируемый искусственно человеку протезов всего сердца. В центре имени Бакулева 26 марта 2010 года была произведена операция по полной замене сердца человека на искусственный аналог кардиохирургом Лео Бокерия, совместно с его американским коллегой. Данный аппарат обеспечивает адекватное кровоснабжение органов и тканей пациента, главным его недостатком является наличие аккумулятора весом в 10 кг, нуждающимся в перезарядке каждые 12 часов. В настоящее время данные протезы рассматриваются как временная мера позволяющая пациенту с тяжелой сердечной патологией дожить до момента пересадки сердца.

Французские ученые разработали полностью искусственное сердце, которое можно пересадить человеку. По их словам, уже в 2011 году может состояться первая пересадка совершенно автономного искусственного органа.

Группа ученых Индийского технологического института города Кхарагпура разработала уникальное искусственное сердце, стоимость которого составит около 2 тысяч долларов. Надежность разработанного индийскими учеными образца будет на порядок выше, чем у существующих западных аналогов, а стоимость примерно в 30 раз ниже. Высокий уровень безотказности обеспечивает нетрадиционная схема устройства механизма за основу взято сердце таракана. “Таракан необычайно живучее насекомое. Он существовал до появления человека и, скорее всего, будет жить на Земле, когда человека уже не будет”, сказал профессор Гуха. Ученый пояснил, что сердце таракана состоит из 13 камер, тогда как у человека их четыре. Тараканье сердце продолжает работать, даже если откажет одна из камер. Отказ одной камеры у сердца человека приводит к его остановке и гибели. “Давление крови в нашем образце нагнетается пошагово в пяти камерах из 13. В существующих западных аналогах работает одна камера, давление нагнетается за один раз, что разрушительно воздействует на живые клетки”, сказал Гуха. Профессор сообщил, что при изготовлении искусственного сердца используется комбинация пластмассы и металла. Группа из десяти научных сотрудников кхарагпурского института работала над созданием искусственного сердца три года. Научно исследовательские работы финансировал Департамент науки и технологий правительства Индии. Сейчас искусственное сердце испытывают на лягушке: у нее оно качает кровь, находясь снаружи. По словам Гухи, уже получено разрешение на вживление образца в живой организм для продолжения опытов. “В мае месяце мы поставим сердце козе”, сказал ученый. По оценке Гухи, для завершения цикла испытаний на животных потребуется еще год, после чего можно будет приступить к испытаниям на людях. Для этого необходимо получить разрешение правительства. В опытах будут принимать участие ведущие кардиохирурги из Калькуттского медицинского колледжа и больницы и делийского Всеиндийского института медицинских наук (ВИМК). Если опыты покажут работоспособность устройства, то уже через три года первое искусственное сердце может быть установлено человеку, сказал Гуха. Врачи положительно оценивают работу кхарагпурских биоинженеров.

Так выглядит искусственное сердце по индийски

Еще одна модель ИС (самостоятельно генерирует сердечный ритм и подзаряжается через выведенный на поверхность груди металлический контакт)

ИСКУСТВЕННЫЕ КЛАПАНЫ СЕРДЦА • Пороки клапанов могут быть врожденными или приобретенными. • Врожденные пороки возникают при неправильном формировании структур сердца при внутриутробном развитии, иногда до зрелого возраста они не дают о себе знать. Приобретенные пороки возникают вследствие ревматизма, инфекции, нарушений обмена веществ (когда в створках откладываемся кальций), травмы и других причин. • Основные виды пороков сердечных клапанов: • митральный стеноз • недостаточность митрального клапана • пролапс митрального клапана • аортальный стеноз • недостаточность аортального клапана • трикуспидальный стеноз • трискупидальная недостаточность • Нормальная работа сердца во многом зависит от функционирования его клапанного аппарата.

4 клапана сердца

Разработка протезов клапана сердца человека является сложной конструкторской задачей, требующей особого подхода, решение которой находится на пересечении многих наук: медицины, анатомии, физики, химии, материаловедения. Для получения оптимальной конструкции, способной удовлетворить многочисленные требования, необходимо рассматривать ее с точки зрения каждой из выше перечисленных наук. Благодаря продолжительным клиническим наблюдениям, можно выделить основные влияющие факторы, без учета и анализа которых, при решении данной задачи, невозможно обойтись. Основное требование, предъявляемое к имплантируемому в организм материалу, является отсутствие реакции организма на него. Под этим следует понимать следующее: в период пребывания в организме не возникают никакие новые соединения, которые могли бы стать токсичными для организма или вызвать воспалительную реакцию; нет быстрого изменения основных свойств, которые нарушали бы его функционирование; материал устойчив к коррозии.

За более чем 40 летний период разработки и клинического использования протезов клапана сердца человека, предложено множество (свыше 100) различных конструкций клапанов. Однако многие из предложенных моделей отличаются друг от друга некоторыми непринципиальными о точки зрения гидродинамики деталями (способами фиксации запирающих элементов, применяемыми материалами и т. д. ). С точки зрения гидродинамики, все известные модели клапанов сердца можно разделить на два больших класса: первый протезы, геометрически имитирующие естественные клапаны сердца, второй протезы с подвижным запирающим элементом (вентильные клапаны). Среди протезов первого класса можно выделить две самостоятельные группы: клапаны из биологических тканей (гомоклапаны, аутоклапаны, гетероклапаны), клапаны из полимерных материалов. Протезы первого класса дают положительный эффект после протезирования, они не вызывают тромбоэмболических осложнений обладают удовлетворительными гидродинамическими характеристиками. Но такие недостатки, как малая долговечность протеза и сложность подготовки протеза к операции пока ограничивают возможность кассового применения гомо и гетероклапанов в клиниках России и за рубежом.

В последнее время наиболее широко разрабатываются и используются клапаны вентильного типа. Это обусловлено тем, что они обеспечивают удовлетворительный клинический эффект, обладают удовлетворительными гидродинамическими характеристиками, надежны и долговечны при работе в организме, не требуют от хирурга дополнительной обработки их перед операцией. По структуре потока (профилю поля скоростей), формируемого на клапанах вентильного типа, можно выделить четыре группы протезов, нашедших применение в клиниках: • Клапаны с шаровым запирающим элементом (ЗЭ); • Клапаны с дисковым ЗЭ, имеющим плоскопараллельное перемещение; • Клапаны с дисковым ЗЭ, имеющим угловое перемещение; • Клапаны с двухстворчатым ЗЭ.

Клапаны с шаровым ЗЭ. Первый клапан с шаровым ЗЭ был имплантирован больному 10 марта 1960 г. С тех пор заметно повысилось качество протезов, возникло много различных модификаций, улучшились результаты протезирования. Достоинством протезов данного вида является высокая надежность, удовлетворительные гидродинамические характеристики, равномерное омывание потоком всех элементов клапана, препятствующее образованию застойных зон и нарастанию тромбов, сравнительно невысокая стоимость изготовления. Шаровой клапан включает в себя 4 конструктивных элемента: корпус, ограничители хода, шаровой ЗЭ, подшивную манжету. В известных конструкциях клапанов варьируются материалы, из которых изготовлены элементы клапана; количество и вид ограничителей хода. Корпус и ограничители хода могут обшиваться тканью или покрываться антитромбогенными материалами, подшивная манжета изготавливается или из тканого материала, или в виде устройства механической фиксации протеза. Применение шаровых клапанов дает положительные клинические результаты. Тем не менее, протезы данного типа имеют и ряд недостатков: • довольно часто наблюдаются тромбоэмболические осложнения; • повышенный гемолиза крови; • большие габариты протеза могут служить причиной различных патологий при протезировании митрального клапана. • величина гидравлического сопротивления клапана довольно значительна (в несколько раз выше, чем у непораженного клапана). Это является ограничением при протезировании у пациентов с узкой аортой и малыми объемными размерами желудочка. В группу шаровых клапанов можно включить отечественный клапан МКЧ 27, имеющий ЗЭ в виде полусферы. Гидродинамические характеристики этого клапана практически такие же, как у шарового протеза, его достоинством являются меньшие осевые габариты.

Клапаны с дисковым ЗЭ, имеющим плоскопараллельное перемещение. Необходимость в протезах клапанов сердца с малыми объемными размерами послужила причиной разработки клапанов с плоскопараллельным ходом диска. Несмотря на худшие гидродинамические характеристики, клапаны этой группы нашли применение при протезировании митральных клапанов у пациентов с малыми объемными размерами левого желудочка. Протезы этой группы имеют те же конструктивные элементы, что и клапаны с шаровым ЗЭ. В известных моделях варьируются материалы, из которых изготовлены элементы клапана, ограничители хода могут покрываться антитромбогенными материалами, применяются диски различного профиля (чечевицеобразные, двухконусные, эллиптические). Известны протезы с ограничителями хода, установленными на запирающем элементе. Клапаны с плоскопараллельным ходом диска не получили широкого применения. Это обусловлено в первую очередь гораздо худшими гидродинамическими характеристиками, меньшей надежностью, большим числом тромбоэмболических осложнений по сравнению с шаровыми протезами.

Клапаны с дисковым ЗЭ, имеющим угловое перемещение. Необходимость улучшения гидродинамических характеристик протезов с плоскопараллельным ходом дискового запирающего элемента привело к созданию целого ряда моделей, в которых запирающий дисковый элемент поворачивается в открытом состоянии на некоторый угол относительно оси потока. Первыми здесь были протез Alvarer, состоящий из полипропиленового диска с двумя эксцентричными стойками, исполняющими роль ограничителей хода, и полипропиленового корпуса с двумя выступами, предупреждающими выпадение стоек из корпуса и протез Melrose, состоящий из полипропиленового диска с тремя стойками, одна из которых короче двух других и не обшитого корпуса, поворот диска относительно оси потока составлял 30 град, что не привело к существенному улучшению гидродинамических характеристик. Это вызвало появление новых моделей с углом поворота диска 60 0 и более, Wada-Cutter, Bjork. Shiley, Hillehei-Kaster. Опыт клинического применения протезов с угловым перемещением диска оказался удачным. Эти клапаны успешно конкурируют с шаровыми протезами по имплантации. Они обладают достаточной долговечностью (за исключением некоторых конструкций, например Wada-Cutter), хорошими гидродинамическими характеристиками, вызывают меньшую по сравнению с шаровыми протезами травму крови. Но протезы и этой группы обладают рядом недостатков: • Профиль поля скоростей потока несимметричен, при прохождении через клапан поток крови изменяет свое направление по оси диска, часть протеза с тыльной стороны диска находится в застойной зоне прямого потока, что способствует образованию и нарастанию тромбов в этой области. При имплантации в аортальную позицию струя крови после прохождения через клапан направляется в стенку аорты, что приводит к ухудшению структуры потока и может вызвать патологические последствия. • Травма крови, хотя и меньшая чем у протезов с шаровым з. э. , все таки • существует. • Частота тромбоэмболических осложнений довольно значительна.

Клапан с двухстворчатым ЗЭ. Известен протез клапана сердца, содержащий кольцеобразный корпус, в котором размещен запирающий элемент в виде двух поворотных створок, каждая из которых имеет поверхность обращенную к прямому потоку крови, поверхность обращенную к обратному потоку крови, а также средства для установки створок внутри корпуса, содержащие выемки с поверхностью вращения на внутренней поверхности корпуса и выступы на каждой из створок, боковая поверхность которых повторяет поверхность выемок. Средства для установки створок позволяют им вернуться из закрытого положения, в открытое. Некоторые протезы данной конструкции, для обеспечения более равномерного обмывания потоком крови внутренних поверхностей сердца и аорты, и предотвращения появления застойных зон, предусматривают вращение поворотных створок вокруг центральной оси клапана. Такой протез клапана, до недавнего времени, характеризовался недостаточной надежностью, так как поверхности контакта средств для установки створок внутри кольцеобразного корпуса (паз выступ) имеют малую площадь контакта, чем обуславливается локальный характер износа и, следовательно, возможен повышенный износ поверхностей, а большие локальные напряжения материала протеза способствуют разрушению протеза клапана сердца (в основном из за неудовлетворительных механических свойств материалов деталей протеза). В настоящее время существует большое количество разных модификаций клапанов данного типа, и некоторые из них, на пример “Мед. Инж”, по своим прочностным и гидродинамическим характеристикам превзошли все описанные выше виды протезов клапанов сердца.

ИКС «МЕДИНЖ»

Биологические заменители клапанов сердца