УДК 62

ИСКУССТВЕННОЕ СЕРДЦЕ И ИСКУССТВЕННЫЕ ЖЕЛУДОЧКИ СЕРДЦА

Уразбахтин Руслан Рустемович1, Вавилов Вячеслав Евгеньевич2
1Уфимский государственный авиационный технический университет, студент
2Уфимский государственный авиационный технический университет, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры Электромеханики

Аннотация
В данной статье рассматриваются искусственное сердце (ИС), искусственный левый желудочек сердца (ИЛЖС) и искусственный правый желудочек сердца (ИПЖС). Объясняется цель применения данных устройств. Рассматриваются различные варианты исполнения ИС, ИЛЖС и ИПЖС, выявляются преимущества и недостатки рассматриваемых ИС, ИЛЖС и ИПЖС. Также приведены примеры отечественных устройств и описаны перспективы развития ИС, ИЛЖС и ИПЖС.

Ключевые слова: ИЛЖС и ИПЖС, искусственное сердце (ИС), искусственный левый желудочек сердца (ИЛЖС), искусственный правый желудочек сердца (ИПЖС), перспективы ИС, преимущества и недостатки ИС


ARTIFICIAL HEART AND ARTIFICIAL VENTRICLES

Urazbakhtin Ruslan Rustemovich1, Vavilov Vyacheslav Evgenevich2
1Ufa State Aviation Technical University, student
2Ufa State Aviation Technical University, candidate of technical sciences, senior lecturer of the Department of Electromechanics

Abstract
This article discusses artificial heart (AH), the artificial left ventricle (ALV) and the artificial right ventricle (ARV). The purpose of the application of these devices explained in this article. Discusses the different versions of AH, ALV and ARV, identifies the advantages and disadvantages of the considered AH, ALV and ARV. It also provides examples of domestic devices and describes the prospects of development of AH, ALV and ARV.

Keywords: advantages and disadvantages of AH, ALV and ARV, artificial heart (AH), artificial left ventricle (ALV), artificial right ventricle (ARV), prospects of AH


Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Уразбахтин Р.Р., Вавилов В.Е. Искусственное сердце и искусственные желудочки сердца // Современные научные исследования и инновации. 2017. № 2 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2017/02/78875 (дата обращения: 05.03.2017).

В настоящее время огромное количество смертей происходит из-за сердечной недостаточности. Людей, страдающих сердечной недостаточностью, насчитывается несколько десятков миллионов человек. Среди них есть как взрослые, так и дети.

По своей сути сердечная недостаточность представляет собой определенное состояние организма, при котором по некоторой причине сердце теряет способность обеспечивать необходимым количеством крови все ткани и органы.

Для возникновения сердечной недостаточности существует достаточно много причин [1].

Во-первых, сердечная недостаточность может возникнуть из-за ишемической болезни сердца. Ишемическая болезнь сердца развивается в результате того, что по коронарным артериям к сердцу поступает недостаточное количество кислорода. Недостаточное количество кислорода может поступать к сердцу из-за того, что происходит атеросклероз коронарных артерий с сужением их просвета и образованием бляшек на стенках артерий. Проявлениями ишемической болезни сердца могут быть аритмии сердца, стенокардия, инфаркт миокарда и внезапная сердечная смерть [2].

Во-вторых, причиной возникновения сердечной недостаточности может служить дилатационная кардиомиопатия. Дилатационная кардиомиопатия – это заболевание сердца, при котором происходит растяжение полостей сердца и как следствие снижается сократительная способность полостей сердца (сердце не справляется со своей насосной функцией). В свою очередь дилатационная кардиомиопатия может развиваться из-за вирусного или аутоиммунного воздействия, чрезмерного употребления алкоголя и воздействия на организм токсических агентов. Если выявить причину дилатационной кардиомиопатии не удается, то такая разновидность заболевания называется идиопатическая кардиомиопатия. Дилатационная кардиомиопатия диагностируется в том случае, если не выявлено других причин сердечной недостаточности. У большого количества людей с сердечной недостаточностью это состояние вызвано дилатационной кардиомиопатией [3].

В-третьих, сердечная недостаточность может быть вызвана наличием пороков сердца. Порок сердца – это заболевание, которое характеризуется нарушением анатомической структуры отдельных частей сердца, клапанного аппарата, перегородки или крупных сосудов. Причиной сердечной недостаточности могут быть как врожденные пороки сердца, так и приобретенные. Врожденные пороки сердца образовываются еще у плода человека в результате неправильного развития органов на стадии, в которой закладываются группы клеток. Приобретенные пороки сердца появляются у человека в результате ревматизма, кардиосклероза, сифилитического поражения и других тяжелых заболеваний [4, 5].

Рассмотрим характеристику сердечной недостаточности по локализации в организме человека. Принято выделять левожелудочковую сердечную недостаточность (причина возникновения – перегрузка левого желудочка или снижение сократительной функции миокарда), правожелудочковую сердечную недостаточность (причина возникновения – перегрузка правого желудочка в связи с, например, легочной гипертензией) и смешанная сердечная недостаточность (причина – перегрузка левого и правого желудочков одновременно).

Лечение сердечной недостаточности начинается с назначения лекарственной терапии. Если лекарственная терапия не приносит результатов, то ставится вопрос о хирургическом вмешательстве [1].

Рассмотрим случай, когда хирургическое вмешательство представляет собой трансплантацию сердца. Трансплантация сердца (пересадка сердца) является сложной дорогостоящей операцией. Помимо этого, с пересадкой сердца связаны некоторые трудности. Например, нехватка здоровых донорских сердец. Поэтому промежуток времени между обнаружением у пациента тяжелой сердечной недостаточности и трансплантацией подходящего донорского сердца примерно составляет от 6 до 18 месяцев. Помимо этого существует риск, что после трансплантации сердца организм пациента «отвергнет» донорское сердце, что может привести к смерти пациента [6].

В связи с этим на сегодняшний день разрабатываются электромеханические системы, которые смогли бы заменить донорские сердца. Часто такого назначения системы называют искусственными сердцами, что является ошибкой, ведь некоторые из подобных систем лишь помогают работе больного сердца, не заменяя его при этом.

В зависимости от вида сердечной недостаточности по локализации в организме применяются различные виды электромеханических систем. Если у человека обнаружена левожелудочковая сердечная недостаточность, то ему может имплантироваться искусственный левый желудочек сердца (ИЛЖС). Если у человека обнаружена правожелудочковая сердечная недостаточность, то ему может имплантироваться искусственный правый желудочек (ИПЖС). Если же у человека смешанная сердечная недостаточность, то требуется имплантация искусственного сердца (ИС). Функция упомянутых устройств заключается в том, что они помогают сердцу справиться со своей насосной функцией. Иными словами поддерживать в организме нормальное кровоснабжение за счет перекачки необходимого для обеспечения метаболизма количества крови.

У операции по имплантации устройств ИЛЖС, ИПЖС и ИС есть ряд преимуществ перед операцией по пересадке сердца. Во-первых, искусственные имплантаты с гораздо меньшей вероятностью вызовут осложнения связанные с тем, что организм пациента начнет отвергать установленное в результате операции устройство. Во-вторых, стоимость операции по имплантации электромеханического устройства много меньше, чем стоимость трансплантации донорского сердца. В-третьих, операции по имплантации ИЛЖС или другого устройства не требуется ожидать длительное время, что уменьшает риск смерти человека.

ИЛЖС, ИПЖС и ИС могут использоваться в двух назначениях. Первое назначение – помочь пациенту пережить период между обнаружением сердечной недостаточности и трансплантацией сердца. В таком случае правильнее говорить о вспомогательных системах кровообращения (ВСК). ВСК может выполнять ту же функцию, что ИЛЖС, ИПЖС или ИС. Но ВСК рассчитывается на меньшую продолжительность работы по времени и обычно является менее удобной чем, например, ИЛЖС в эксплуатации. Второе назначение рассматриваемых устройств – замена донорского сердца. На сегодняшний день ИЛЖС, ИПЖС и ИС разрабатываются так, чтобы заменить донорское сердце.

По сути дела ИЛЖС, ИПЖС и ИС представляют собой миниатюрный электромеханический насос, который имплантируется в грудную клетку пациента и подсоединяется к его сердцу, и блок питания, представляющий собой набор, обычно, литий-ионных аккумуляторов. В таких системах может встречаться блок управления, позволяющий отслеживать оставшийся заряд на аккумуляторах и регулировать количество перекачиваемой крови. Обязательным элементом устройства является контрольно-зарядное устройство, через которое пациент должен регулярно производить зарядку аккумуляторов для обеспечения беспрерывной работы данного устройства.

Существующие на данный момент ИЛЖС, ИПЖС и ИС несовершенны и имеют ряд значительных недостатков, которые не позволяют им в полной мере заменить донорские сердца.

Первый недостаток заключается в том, что основная часть устройства – имплантируемый насос – подвержен износу. Также существует вероятность поломки имплантируемого насоса. Имплантируемый насос должен соответствовать очень высоким требованиям надежности и как можно в меньшей мере должен быть подвержен износу, так как выход из строя этого компонента ИЛЖС, ИПЖС или ИС грозит смертью пациенту. На сегодняшний день известны случаи отказов имплантируемых насосов. Стоит также отметить, что максимальный срок работы современного имплантируемого насоса составляет 3 года. По этой причине в настоящее время ИЛЖС, ИПЖС и ИС, как и ВСК, лишь позволяют человеку пережить промежуток времени между обнаружением сердечной недостаточности и операцией по трансплантации сердца.

Второй недостаток ИЛЖС, ИПЖС и ИС – необходимость регулярной подзарядки аккумуляторов устройства. Известны два варианта зарядки и расположения аккумуляторов соответственно. Первый вариант исполнения ИЛЖС, ИПЖС или ИС таков, что насос имплантируется в грудную клетку, а аккумуляторы остаются снаружи организма. Питание имплантируемого насоса от аккумулятора осуществляется посредством подачи электрического тока по проводам, которые проходят через отверстие в, например, брюшной полости пациентов. Внешнее расположение аккумуляторов позволяет использование аккумуляторов большой емкости, их требуется подзаряжать через 10 – 12 часов. Недостатком внешнего расположения аккумуляторов, во-первых, является то, что они создают определенные неудобства при повседневной жизни человека, использующего данное устройство. Во-вторых, при внешнем расположении аккумуляторов в организме человека присутствует рана, которая не затягивается на протяжении всего периода использования устройства (под раной подразумевается отверстие в теле человека, через которое проводами соединяются аккумуляторы и имплантируемый насос). По этой причине ИЛЖС, ИПЖС и ИС с внешним расположением аккумуляторов не могут заменить донорское сердце. Существуют ИЛЖС, ИПЖС и ИС с внутренним расположением аккумуляторов. Преимущество такого рода устройств заключается в том соответственно, что в теле человека отсутствует отверстие для проводов, связывающих аккумуляторы и имплантируемый насос. В таких устройствах аккумуляторы имеют малые размеры и имплантируются в свободные места грудной клетки (возможно расположение рядом с насосом) или в свободные места брюшной полости. Аккумуляторы и имплантируемый насос соединяются посредством проводов. Недостатком такой системы является малая емкость аккумуляторов и, соответственно, необходимость их частой подзарядки, обусловленные малыми размерами аккумуляторов. Особенность ИЛЖС, ИПЖС и ИС с внутренним расположением аккумуляторов – индукционная зарядка аккумуляторов посредством электромагнитного поля. На данный момент времени нельзя с уверенностью сказать, что производимая таким образом зарядка аккумуляторов не оказывает негативное влияние на работу некоторых систем человеческого организма. Стоит отметить, что при внутреннем расположении аккумуляторов зарядку требуется проводить в среднем каждые 2-3 часа.

К недостаткам существующих ИЛЖС, ИПЖС и ИС можно отнести большие размеры имплантируемого насоса и его довольно высокое энергопотребление. Также при длительной работе имплантируемого насоса внутри организма человека существует риск получения травмы крови в связи с тем, что разрушаются эритроциты крови при прохождении через имплантируемый насос.

Последний существенный недостаток существующих ИЛЖС, ИПЖС и ИС – вибрации и шумы, которые возникают при работе имплантируемого насоса. В результате этого у человека, использующего ИЛЖС, ИПЖС или ИС развивается кардиопротезный психопатологический синдром. Кардиопротезный психопатологический синдром является расстройством высшей нервной деятельности и развивается у части пациентов, которым имплантировали ИЛЖС, ИПЖС или ИС. Связан он с тем, что человек начинает обращать внимание на вибрации, изменения звука работы устройства и шумы, которые являются нормальными для работы ИЛЖС, ИПЖС или ИС, но не были свойственны человеку до имплантации [7]. В связи с этим стоит задача создать имплантируемый насос, который при работе не создавал бы лишних шумов и вибраций.

Рассмотрим ИЛЖС, ИПЖС и ИС, существующие в Российской федерации. Стоит отметить, что на сегодняшний день Россия отстает в этой области разработок от таких зарубежных стран, как США и Германия. Разработками рассматриваемых в статье систем является МАИ. Известны следующие их разработки: ВСК ТА-2000, которая является первой ВСК отечественной разработки, и система обхода левого желудочка ИС-ВК, особенностью которой является обеспечение синхронизированного с работой естественного сердца пульсирующего кровотока. Также существует устройство «Спутник – 1», которое представляет собой ВСК. Известно, что система «Спутник – 1» стоит существенно меньше своих зарубежных аналогов, однако имплантируемый насос этой системы уступает импортным по многим характеристикам. В перспективе предполагается довести систему «Спутник – 1» до уровня, при котором она сможет заменить донорское сердце.

Итак, ИЛЖС, ИПЖС и ИС – очень перспективные разработки, но на сегодняшний день несовершенные. Недостатки существующих систем обуславливаются необходимостью частой подзарядки аккумуляторов (в случае их расположения внутри организма) или неудобством повседневного использования с риском появления нового заболевания (в случае расположения аккумуляторов внутри организма), а также несовершенством имплантируемого насоса. Заменить донорское сердце ИЛЖС, ИПЖС или ИС смогут тогда, когда имплантируемый насос будет соответствовать высоким требованиям надежности, обладать достаточно малыми размерами и низким уровнем энергопотребления, и не создавать при работе шумов и вибраций.


Библиографический список
  1. Шуст О.Г., Висмонт Ф.И. Сердечная недостаточность. Ишемическая болезнь сердца (патофизиологические аспекты) — Учебно-методическое пособие. — Минск: БГМУ, 2013. — 36 с.;
  2. Поликарпов Л.С., Хамнагадаев И.И., Яскевич Р.А., Деревянных Е.В., Гоголашвили Н.Г. Ишемическая болезнь сердца. Распространенность, профилактика, адаптация и реадаптация в различных экологических условиях — Красноярск: Изд-во КрасГМУ, 2011. – 328 с.;
  3. Вертинский Е.А., Ушакова Л.Ю., Чиж С.А. Кардиомиопатии. Клинико-инструментальная диагностика, лечение — Минск: БелМАПО, 2013. – 40с.;
  4. Маколкин В.И. Приобретенные пороки сердца — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Медицина, 1986. — 256 с.;
  5. Банкл Г. Врождённые пороки сердца и крупных сосудов — М.: Медицина, 1980. — 312 с.;
  6. Фатенков В.Н. Внутренние болезни Том 1 — Учебник. — В 2 т. — Самара: Офорт, 2006. — 580 с.;
  7. Кушнир О.Н. Психопатологические синдромы — Учебно-методическое пособие. — СПб: Государственная Медицинская Академя им. И.И. Мечникова. – 24 с.;
  8. URL: https://mai.ru/education/control/310-unpc/ (дата обращения: 03.02.2017);
  9. URL: http://lvad.ru/ (дата обращения: 03.02.2017);
  10. Патент РФ №2013106966 от 27.08.2014;
  11. URL: http://meduniver.com/Medical/cardiologia/1883.html MedUniver/ (дата обращения: 03.02.2017);
  12. URL: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3014118 (дата обращения: 03.02.2017);
  13. Чернявский А.М., Караськов А.М., Доронин Д.В., Дерягин М.Н., Фомичев А.В. Опыт использования имплантируемой системы механической поддержки сердца “Incon” с.84 – 92: Вестник трансплантологии и искусственных органов 2013 №04 том XV М.: Триада. — 144 с.


Все статьи автора «Уразбахтин Руслан Рустемович»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться:
  • Регистрация