Биотехнические аспекты вспомогательного кровообращения и искусственного сердца

2

Проблемы создания искусственного сердца

Биотехнические аспекты вспомогательного кровообращения

и искусственного сердца

В. В. Морозов, д-р техн. наук, профессор, Владимирский государственный университет им. А. Г. и Н. Г. Столетовых

Сердечно-сосудистые заболевания занимают первое место среди причин смерти. В настоящее время смертность от сердечно-сосудистой патологии стоит на первом месте, превышая смертность от онкологических заболеваний и несчастных случаев. Заболеваемость сердечно-сосудистой патологией среди групп населения до 18 лет составляет 5 %, до 60 лет — 22,6 %, старше 60 лет — 40 %, при этом из них погибает 4, 57 и 63 % соответственно [1, 4, 5, 9]. Только в США более чем 700 тысяч человек умирают каждый год по причине сердечных заболеваний. В США каждый год в около 400 000 случаях ставится диагноз сердечной недостаточности. По данным за последние 5 лет, остаются в живых лишь 50 % пациентов с данным заболеванием. Было установлено, что 70 000...120 000 данным пациентам могла бы помочь пересадка сердца. Основными показаниями к пересадке сердца являются дилатационная кардиомиопатия и ишемическая болезнь сердца, а главная причина, лимитирующая длительное выживание больных после трансплантации, — это болезнь коронарных артерий пересаженного сердца [2, 3, 9].

Острый дефицит донорских органов вынуждает все шире применять механические замещающие устройства. Проблема замены жизненно важных органов искусственными является одной из наиболее актуальных в современной биологии и медицине. Она затрагивает широкий круг вопросов биологического, медицинского и технического характера, часть которых разрабатывается в эксперименте, а другие уже доведены до клинической практики. В решении данной проблемы выделяют два основных направления: 1) постоянная замена естественного органа протезом, полностью имитирующим его функции; 2) временная замена функции на период лечения органа до восстановления

его функциональной способности (механический «мост») [8].

Для решения этих задач в течение последних 50 лет создаются различные системы, заменяющие функции живых органов. Стационарные аппараты активно используются в клинической практике, однако они неудобны для пациентов, поскольку ограничивают свободу перемещения и требуют постоянного контроля со стороны обслуживающего персонала [1]. После широких экспериментальных испытаний встал вопрос о разработке автономных систем, которые обеспечивали бы пациенту свободу перемещения, постоянную диагностику системы и не вызывали обширных инфекционных процессов. В настоящее время механический «мост» осуществляют внутриаортальным насосом-баллончиком, экстракорпоральной системой обхода левого желудочка, насосами мембранного или роторного типа, имплантируемыми системами вспомогательного кровообращения (ВК) и искусственного сердца (ИС) [4].

В качестве систем, успешно применяющихся в клинической практике более чем в 50 центрах 12 стран мира, можно отметить системы HeartMate VE (Thermo Cardiosystems Inc., США), Novacor LVAS (Baxter, США) и др. В этой связи особо остро стоит вопрос создания отечественных вариантов таких систем для применения их в ведущих кардиологических клиниках РФ (ФНЦ НИИ трансплантологии и искусственных органов им. акад. В. Д. Шумакова; Научном Центре сердечно-сосудистой хирургии им. Бакулева; Институте хирургии им. Вишневского; Российском научном центре хирургии им. акад. Б. В. Петровского РАМН и др.) в количествах, удовлетворяющих запросы отечественной медицины. Поскольку стоимость зарубежных систем высока, приобретение их для большинства медицинских учреждений невозможно. Создание отечественных моделей аппаратов искусственного сердца позволит заполнить имеющийся их дефицит в отечественной медицине.

Системы ВК и ИС являются биотехническими системами длительного действия и целенаправленного поведения. Анализируя зарубежную и отечественную литературу, под понятием систем ВК и ИС следует понимать механическую систему, производящую перемещение крови с целью снижения работы миокарда и/или увеличения его энергоснабжения (рис. 1, а, б). Выбор системы ВК и ИС

№ 4(1Б)/2011 |

биотехносфера

Проблемы создания искусственного сердца

3

Рис. 1 \ Состав имплантируемых систем: а — BE; б — ИС

зависит от тщательного анализа причины, которая привела к необходимости ее применения. Спектр разработанных систем ВК и ИС достаточно широк и продолжает расти. На сегодняшний день существует большое количество классификаций систем вспомогательного кровообращения, в основу которых заложены самые различные принципы их использования. Признаки классификации систем ВК и ИС предложены В. И. Шумаковым [3, 4], В. Е. Толпекиным, Н. И. Куликовым [5] и другими отечественными авторами [8, 9]. Ряд классификаций описан зарубежными учеными [11—14].

Все системы ВК и ИС можно разделить по типу насоса (мембранный, центрифужный, роликовый), по типу привода (электромеханический, электрогидравлический, электромагнитный, пневматический, комбинированный), по степени автономности, по методу подключения (паракорональное, экстра-корональное, имплантируемое), по типу источника энергии, по типу системы управления (аналоговая, цифровая и др.) и т. д. Подробное описание данных классификаций приведено в работе [8]. Простая и удобная классификация систем ВК, применяемая сегодня в кардиохирургической клинике, приводится ниже [4].

1. Системы ВК, улучшающие энергоснабжение миокарда.

2. Системы ВК, уменьшающие потребление миокардом кислорода:

— на основе насосов пульсового типа (Novacor LVAD, Thoratec VAD, HeartMate VE-LVAS, Heart-Mate IP-LVAS, Berlin Heart VAD и др.);

— на основе насосов аксиального типа (Hemo-pump, Jarvic 2000, Baylor&NASA, NIMBUS, VALVO-pump и др.);

— на основе насосов центрифужного типа (Biopump, Jomed).

3. Системы ВК, одновременно улучшающие энергоснабжение миокарда и уменьшающие потребление им кислорода.

Классификации систем ИС рассмотрены в научных трудах [9, 12], по некоторым признакам они совпадают с классификацией систем ВК.

Наибольший интерес вызывают имплантируемые устройства. В состав системы ВК и ИС в общем случае входят следующие элементы (см. рис. 1, а, б):

1 — имплантируемый блок насоса, состоящий из привода 1а, искусственного желудочка сердца (ИЖС) 1б и камеры воздушного компенсатора 1в;

2 — система питания, состоящая из основного 2а и резервного 2б источников питания, а также системы чрескожной передачи энергии 2в; 3 — система управления (СУ) — контроллер.

В системе ВК имплантируемый блок соединяется с естественным сердцем с помощью соединительных магистралей: из одного патрубка ИЖС через магистраль кровь выталкивается насосом в естественное сердце через аорту, а поступает в него — через магистраль, соединенную с венозной артерией. Тем самым заменяется функция левого желудочка естественного сердца. В системе ИС имплантируемый блок насоса полностью заменяет естественное сердце (см. рис. 1, б).

В рассматриваемых системах ВК и ИС ИЖС 1б и привод 1а всегда являются имплантируемыми элементами. Система управления 3 в ряде систем (электромагнитной Novacor, электромеханической HeartMate VE-LVAS, пневматической HeartMate IP-LVAS, электрогидравлической HeartSaverVAD) является выносной и крепится на поясе, а в неко-

биотехносфера

| № 4(16)/2Ш

Проблемы создания искусственного сердиа

торых системах (например, электромеханической ArrowLionHeart и Hokkaido Tokai University) — имплантируемой. Система питания 2 также может быть частично имплантируемой или неим-плантируемой. Так, в системах ВК (Baylor VAS, ArrowLionHeart) используется система чрескожной передачи энергии 2в, когда источники энергии 2а и 26 крепятся снаружи, а система катушки и элементы чрескожной передачи энергии (TETS) — внутри организма. В других системах (Novacor, HeartMate) система чрескожной передачи энергии отсутствует, поэтому аккумуляторы 2а и 26 закрепляются на поясе, а передача энергии приводу осуществляется по специальному кабелю. Ряд систем ВК и ИС используют имплантируемые источники энергии, рассчитанные на короткое время эксплуатации [6, 7], для обеспечения работоспособности при выключенном аккумуляторе. В большинстве случаев контроллер системы управления имеет прямой интерфейс с внешним компьютером, который используется для полного диагностирования пациента и механической системы, а также для программирования контроллера.

Создание имплантируемых систем ВК и ИС, позволяющих в течение длительного времени обеспечивать поддержку кровообращения не ухудшая качества жизни пациента и не ограничивая свободу его передвижения, является главной задачей в научных разработках отечественных и зарубежных ученых.

Среди всех существующих систем ВК и ИС электромеханические системы, на наш взгляд, наиболее приемлемы для использования в имплантируемых устройствах, поскольку обладают хорошими регулировочными свойствами и высокими динамическими показателями при высокой надежности (вероятность безотказной работы приближается к 1), а также большим сроком службы (более 10000 ч непрерывной работы).

Важной проблемой функционирования систем ВК и ИС является создание надежного привода, обеспечивающего непрерывный кровоток. Сердце выбрасывает кровь в сосуды импульсами (порциями) и в норме создает максимальное давление, равное примерно 120 мм рт. ст. Однако в тот момент, когда кровь из сердца не поступает в сосуды, давление там не падает, как правило, ниже 70—80 мм рт. ст. Имеющиеся в организме взрослого человека около 5000 мл крови совершают полный кругооборот примерно за 1 мин. Если в каком-либо органе возникает потребность в большом количестве крови, она обеспечивается прежде всего за счет расширения просвета артериол, открытия большого количества капилляров и только потом — за счет увеличения производительности сердца. Она возрастает за счет увеличения количества крови, выбрасываемой за одно сокращение (ударный объем), а также за счет учащения сокращений.

В терминах технической механики это означает, что выходные элементы привода ВК и ИС должны совершать возвратно-поступательное движение с частотой 1...2 Гц (соответствует пульсу 60.. .120 ударов в минуту) при усилии на штоке не ниже 100 Н. Каждый цикл состоит из двух фаз — систолы и диастолы: рабочий цикл совершается в фазе систолы, а затем пауза в фазе диастолы. Движение мембран может осуществляться как от одного, так и от двух выходных звеньев. В первом случае к хвостовикам исполнительного механизма крепятся мембраны, совершающие возвратно-поступательное движение, создавая необходимое давление для перекачки крови. Во втором случае оба выходных штока воздействуют на мембраны одновременно через рычажную систему.

Одной из главных проблем в создании имплантируемого устройства ВК и ИС является обеспечение продолжительной, непрерывной работы механической системы в условиях ограниченного теплоотво-да. Известно, что для этого необходимо обеспечение КПД привода выше 0,6. Это связано с тем, что полезная мощность при частоте 120 ударов в минуту составляет около 15 Вт, а мощность рассеяния тепла кровотоком — 5 Вт.

Медико-технические требования ставят задачу создания искусственного желудочка для насоса крови со следующими техническими характеристиками: ход мембраны насоса крови — 18.22 мм; объем заполнения насоса крови — 60.80 см3; частота выброса крови из камеры НК — 40.120 мин-1; давление на выходе (артериальное давление) — до 120 мм. рт. ст.; давление на входе (венозное давление) — 10.20 мм рт. ст.; ресурс работы изделия — 10 000 ч; насос крови жестко устанавливается на корпусе привода, его диафрагма не имеет точек крепления с толкателем; входной и выходной клапаны насоса крови выбираются из ряда отечественных или зарубежных материалов.

Отдельные проблемы представляют обеспечение гемосовместимости используемых материалов имплантируемых систем и создание искусственных желудочков для насосов крови с заданными гемодинамическими параметрами (минимальной травмой крови, отсутствием тромбообразования и

др.) [10].

В данном номере журнала «Биотехносфера» опубликованы работы отечественных ученых, представляющие различные направления в разработке систем ВК и ИС и известные отечественные научные школы: ФНЦ «ФГУ трансплантологии и искусственных органов имени академика В. И. Шумакова Минздравсоцразвития», НИУ «Московский авиационный институт», Московский государственный институт электронной техники (технический университет), ВНИИИ медицинской техники, ГОУ ВПО «Владимирский государственный университет им. А. Г. и Н. Г. Столетовых», производственные фирмы ООО «Донна-М» и ООО «Биософт-М».

№ 4(1Б)/2011 |

биотехносфера

Проблемы создания искусственного сердца

Ряд исследований проводился в рамках реализации Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» 2009-2013 гг. и при поддержке грантов РФФИ.

Проблема создания искусственного сердца является одной из наиболее сложных и многогранных в современной биологии, медицине и технике, и один номер журнала не может вместить результаты современных исследований, проводимых в этой области. Хочется надеяться, что начатое обсуждение на страницах журнала вызовет интерес научной общественности, ученых, специалистов, студентов, магистрантов и аспирантов к данной тематике и позволит довести изложенные идеи до конкретных практических результатов и внедрения в клинику.

1. Бокерия Л. А., Шаталов К. В., Свободов А. А. Системы вспомогательного и заместительного кровообращения. М.: НЦССХ им. А. Н. Бакулева РАМН, 2000. 196 с.

2. Искусственное сердце / В. И. Шумаков, И. К. Зимин и др.; Отв. ред. Б. В. Петровский. Л.: Наука, 1980. 371 с.

3. Шумаков В. В., Толпекин В. Е., Попов Т. А. Атлас вспомогательного кровообращения. Алма-Ата: Гылым, 1992. 208 с.

4. Шумаков В. И., Толпекин В. Е., Шумаков Д. В. Искусственное сердце и вспомогательное кровообращение. М.: Янус-К, 2003. 376 с.

5. Куликов Н. И., Толпекин В. Е. Вспомогательное кровообращение и основы системного подхода к проектированию имплантируемых технических средств с пульсирующим кровотоком. М.: изд-во МАИ, 2009.

6. Okamoto K., Hashimoto T., Mitamura Y. Design of miniature implantable left ventricular assist device using CAD/CAM technology // Journal of Artificial Organs. 2003. Vol. 6. P.162-167.

7. Honda N. Ultracompact, completely permanent use electromechanical ventricular assist device and total artificial heart / N. Honda [at al.] // Artificial Organs. 1999. Vol. 23. No. 3. P. 253-261.

8. Имплантируемая система вспомогательного кровообращения на базе мехатронных модулей / В. В. Морозов, А. В. Жданов, Е. А. Новикова, Ю. А. Новикова, А. Б. Костерин. Владимир: изд-во ВлГУ, 2006. 134 с.

9. Биотехнические и медико-биологические аспекты разработки имплантируемых систем обхода левого желудочка пульсового типа / В. П. Ганин, В. В. Морозов, А. В. Жданов. Владимир: изд-во ВлГУ, 2007. 180 с.

10. Морозов В. В., Жданов А. В., Шмыгов Е. И. и др. Синтез искусственных желудочков сердца с заданными гемоди-намическими характеристиками. Владимир: изд-во ВлГУ, 2007. 192 с. (ISBN 978-5-89368-827-6).

11. Pierce M. Rollerscrew gives beat to artificial heart // Machine Design. 1989. Vol. 5. P. 49-50.

12. Jufer M. A totally implantable electrical heart // The Journal of Heart Transplantation. 1985. Vol. IV. 5:496-498.

13. Sasaki T., Takatani S., Shiono M. at al. Development of a totally implantable electromechanical artificial heart systems: Baylor Ventricular Assist System //Artifitial Organs. 1992. 16(4):407-413.

14. Takatani S., Shiono M., Sasaki T. at al. Development of a totally implantable electromechanical total artificial heart: Baylor TAH //Artifitial Organs. 1992. 16(4):398-406.

r

Издательство «Политехника» представляет

Космическая одиссея Юрия Гагарина / В. Н. Куприянов. — СПб.: Политехника, 2011. — 317 с.: ил. ISBN 978-5-7325-0979-3 Цена: 390 руб.

К 50-летию первого полета человека в космос издательство выпустило книгу о Ю. А. Гагарине, правдиво отражающую реальную историю этого свершения. Это настоящее историческое расследование, проведенное автором для восстановления истинного хода событий. В результате анализа документальных материалов: публикаций советской и зарубежной периодики, воспоминаний самого Юрия Гагарина и других участников подготовки и проведения полета, автору удалось открыть завесу над многими, ранее секретными фактами, отсеять домыслы и приукрашивания.

Один из очерков рассказывает о периоде жизни Ю. Гагарина, связанном с его учебой в Ленинграде.

Книга заинтересует читателей, желающих узнать реальные сведения из истории отечественной космонавтики.

Для приобретения книги по издательской цене обращайтесь в отдел реализации: Тел.: (812) 571-61-44, 312-53-90; тел./факс: (812) 312-44-95;

e-mail: sales@polytechnics.ru, gfm@polytechnics.spb.ru, через сайт: www.polytechnics.ru

J

биотехносфера

I № 4.(1Б)/201