ИСКУССТВЕННОЕ СЕРДЦЕ
Описание
Искусственное сердце — аппарат для полной замены на то или иное время насосной функции сердца; находится в процессе разработки.
Первая модель Искусственного сердца была создана советским ученым В. Демиховым в 1937 г. и применена в эксперименте на собаках, к-рым удалялись желудочки сердца. Она состояла из двух спаренных насосов мембранного типа, приводимых в действие электромотором, расположенным вне грудной полости. С помощью этого аппарата удавалось поддерживать кровообращение в организме собаки в течение двух с половиной часов. Однако широкие исследования по этой проблеме начались лишь в конце 50-х гг.
В 1966 г. под руководством Б. В. Петровского во Всесоюзном научно-исследовательском институте клинической и экспериментальной хирургии была создана первая в СССР лаборатория Искусственного сердца. Проблема создания И. с. развивается по двум направлениям. Одно из них — создание И. с. с внешним приводом. Практическое значение работ в этом направлении обусловлено в первую очередь необходимостью иметь для экстренных реанимационных ситуаций готовую к использованию модель сердца, способную на непродолжительный период времени (от нескольких часов до нескольких дней) обеспечить кровоток, необходимый для жизнедеятельности организма, от момента внезапного прекращения деятельности больного сердца до момента подбора сердечного трансплантата. Кроме того, создание И. с. с внешним приводом позволяет производить в условиях эксперимента исследование материалов для изготовления модели имплантируемого искусственного сердца, изучать режимы ее работы, а также влияние аппарата на организм в целом и на отдельные органы и системы. Второе, неизмеримо более сложное направление — создание и применение полностью имплантируемого И. с., предназначенного для многолетнего обеспечения организма адекватным кровообращением.
Модели таких аппаратов И. с. при использовании в эксперименте позволяют проводить также испытания различных материалов, систем автоматического управления. Ведется поиск специальных источников и преобразователей энергии.
С 70-х гг. советские ученые-медики в содружестве с инженерами создали более 20 моделей Искусственного сердца.
Техническим и медико-биологическим требованиям в результате длительных испытаний на гидродинамических стендах отвечают две модели. Одна из них — модель «мешотчатого типа» (рис. 1) — изготовлена 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.
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 мешками происходит расправление внутреннего мешка; давление внутри него становится меньше, чем давление перед входным клапаном, клапан открывается и происходит заполнение желудочка кровью.
Современная модель Искусственного сердца имеет желудочки, обеспечивающие пульсирующий ток крови. Эта модель имеет небольшой вес, соответствует средней величине сердца человека, удобна для имплантации. Аппарат высокочувствителен к венозному притоку и обладает способностью увеличивать число пульсовых циклов до 140—150 в 1 мин., что позволяет достигать минутного объема перекачиваемой крови до 14—15 л.
Другая модель И. с. (рис. 2) 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. с. 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.
Конструкции клапанов для И. с. чрезвычайно разнообразны. Все их можно разделить на лепестковые и вентильного типа. Лепестковые клапаны бывают одно-, двух-, трех- и даже четырех лепестковые. Клапаны вентильного типа имеют запирательные элементы в форме диска, конуса или полусферы. В некоторых моделях И. с. с внешним приводом применяются естественные (свежие или консервированные) клапаны сердца животных (телят или свиней), которые закрепляют на специальных каркасах. Поверхность жесткой конструкции корпуса используется для нанесения токопроводного слоя, который служит обкладкой конденсатора емкостного датчика объема крови; второй обкладкой конденсатора является кровь на границе раздела кровь — диафрагма.
В качестве приводов для И. с. довольно широко используются электромеханические устройства. В различных конструкциях И. с. они отличаются друг от друга; самый простой электромеханический привод состоит из электромоторов постоянного тока. Расположенные снаружи приводы соединяются с камерами исполнительных механизмов с помощью пластмассовых шлангов для подведения газа или жидкости к насосам.
Диаметр магистралей, через которые проходит газ, зависит от того, какой газ используется в системе. Напр., при применении воздуха диаметр магистрали должен быть не менее 6—7 мм. В тех случаях, когда необходимо подвести электроэнергию, используют провода, покрытые биологически инертными пластмассами.
В одной из моделей в качестве источника энергии используется радиоизотопная ампула с плутонием-238, помещенная в тепловой аккумулятор. Двигателем служит двухпоршневая тепловая машина с независимым приводом на каждый желудочек И. с. Кровяной насос является одновременно и теплообменником, и первичным датчиком для системы регулирования. Общий вес модели менее 2 кг, объем ок. 1,8 л.
Наряду с техническими вопросами по созданию И. с. большие трудности представляет проблема изыскания материалов для изготовления узлов И. с. К ним предъявляются следующие требования: высокая прочность, отсутствие «усталости», способность сохранять свои физ.-хим. свойства в организме человека, обладать биол, инертностью.
При конструировании Искусственного сердца используются нержавеющая сталь, титановые сплавы, полимерные материалы (фторопласты, полиолефины), различные соединения кремнийорганических каучуков (силиконы), полиуретаны, полиэфирсиликонуретаны, пироуглероды, материалы с тромборезистентными покрытиями на основе гидрофильных гелей, полиэлектролитных комплексов с отрицательным поверхностным зарядом и др. Конструкции из полимерных материалов даже при длительной работе позволяют уменьшить опасность тромбоза. Однако, несмотря на это, проблема профилактики тромбоза, который наблюдается как в полостях сердца, так и в соединительных магистралях и внутриорганных кровеносных сосудах, остается актуальной. В связи с этим проводятся исследования патогенетических механизмов тромбообразования в условиях контакта крови с большой площадью полимерной поверхности, обширной операционной травмы, обусловленной кардиэктомией, особенностями искусственного кровообращения и травмой форменных элементов крови. При этом отмечается значительный выброс в кровь тканевого и кровяного тромбопластина, который создает гиперкоагуляционный фон и способствует активизации тромбообразующих свойств крови.
Кроме того, большую роль в процессах, происходящих на границе кровь — полимер, играют электрокинетические явления. Они связаны с тем, что форменные элементы и белки крови заряжены отрицательно. Неизмененная внутренняя оболочка сердца и сосудов также несет отрицательный заряд. Отталкивание элементов крови от одноименно заряженной сосудистой стенки — важный фактор, препятствующий тромбообразованию. Наличие положительного или нулевого потенциала на поверхности полимерного материала, по-видимому, одна из причин, предрасполагающих к тромбообразованию.
Лаймен (D. Lyman, 1972), Адати (М. Adachi, 1973) отметили особенность синтетических материалов типа велюр с нерассеченной петлей или с очень короткими ворсинками при использовании их в качестве пластического материала в хирургии сердца — способность задерживать форменные элементы крови. При пропитывании кровью такой поверхности в петлях велюра или между ворсинками оседают форменные элементы и белки крови и через 40—45 дней формируется очень гладкая и тонкая биол, выстилка, по микроскопическому строению чрезвычайно похожая на эндотелий. Длительность срока образования защитной выстилки на поверхности синтетических материалов значительно ограничивает возможности использования такого способа профилактики тромбообразования в И. с., т. к. за это время не исключается возможность образования тромбов на поверхности используемых полимерных материалов.
Важное место в разработке И. с. занимают гидродинамические исследования. Главная их цель — совершенствование геометрии полостей, исключение застойных зон, вихревых турбулентных течений, потоков с большими градиентами скоростей.
Не менее сложная задача — создание автоматического управления работой И. с., обеспечивающего кровоток в соответствии с потребностями организма. Известно, что сердце человека и животных меняет свою динамику в очень широком диапазоне. Так, у человека в состоянии покоя она равна 5,5—6,5 л в 1 мин. и при значительной физ. нагрузке возрастает в несколько раз.
В модели И. с. «диафрагменного типа» система управления основана на информации от емкостного датчика объема предсердия. Разрабатывается система управления, в к-рой в качестве датчика информации используется остающаяся часть живого сердца —его предсердия и синусовый узел, служащие мультипараметрическим датчиком в системе управления. Для формирования частоты сокращений желудочков используют P-волновый электрический кардиостимулятор и преобразователь длительности систолы.
Имплантация Искусственного сердца не получила клинического применения. Готовые модели И. с., отдельные его узлы (напр., клапаны и приводы), прежде чем их начинают изучать в эксперименте на животных, исследуются на различных стендах (рис. 3). Эти стенды — гидравлическая модель сердечно-сосудистой системы, конечно, со множеством допущений и упрощений. Жидкость, к-рая циркулирует на стенде, по своей вязкости приближается к вязкости крови. Как правило, в контур стендовых установок включают расходомеры и ряд других устройств, напр, камеру для измерения величины обратного тока жидкости через входной и выходной клапаны при различных режимах работы И. с. Датчики давления, вводимые в различные отделы И. с., позволяют определять колебания давления внутри его, перепады давления на клапанах и ряд других параметров. На специальных стендах изучают также турбулентность потоков жидкости, проходящих через И. с. и его клапаны, степень разрушения крови и т. д.
Испытанные на стендах модели И. с. имплантируются животным (собакам, свиньям, овцам, но чаще телятам весом 70—110 кг). Выбор, напр., телят обусловлен тем, что форменные элементы их крови по своим физ. свойствам наиболее близки к человеческим. Кроме того, размеры сердца теленка указанного веса приблизительно равны габаритам сердца взрослого человека.
Операция имплантации И. с. в эксперименте выполняется под эндотрахеальным наркозом в условиях Гипотермия искусственная).
После выключения сердца животного из кровообращения его удаляют, оставляя правое и левое предсердия. Аорта и легочный ствол пересекаются на уровне полулунных клапанов. Затем производят имплантацию И. с. с помощью канюль или сосудистых швов, соединяющих соответствующие камеры. При использовании канюль предсердия, аорта и легочная артерия И. с. соединяются с предсердиями и крупными сосудами животного. Более совершенной является методика имплантации И. с. с помощью сосудистых швов. Техника этой операции принципиально не отличается от общепринятой техники ортотопической пересадки сердца (см.). После соединения И. с. с организмом воздух из всех полостей его вытесняется физиол, р-ром; только после удаления даже мельчайших пузырьков воздуха Искусственное сердце можно включать. Как только работа И. с. стабилизировалась, грудную клетку зашивают.
Продолжительность жизни экспериментальных животных с И. с. составляет в среднем 3—5 дней. В отдельных экспериментах она приближается к 1 мес.
При работе Искусственного сердца развиваются различные изменения в легких, печени, почках и др. органах. Эти изменения могут быть как функциональными, так и морфологическими.
См. также Искусственные органы.
Библиография: Проблемы искусственного сердца и вспомогательного кровообращения, под ред. Б. В. Петровского и В. И. Шумакова, М., 1970; Шумаков В. И. и др. Модель искусственного сердца для интраперикардиальной имплантации, Мед. техника, №5, с. 5, 1970, библиогр.; Akutsu T. Artificial heart, Total replacement and partial-support, Amsterdam, 1975; Kennedy J. H. a. o. Progress toward an orthotopic cardiac prosthesis, Biomater, med. Devices artif. Org., v. 1, p. 3, 1973; Lyman D. J., Hill D. W. a. Stirk R. K. The interaction of tissue cells with polymer surfaces, Trans. Amer. Soc. artif. intern. Org., v. 18, p. 19, 1972, bibliogr.
В. И. Шумаков.