قلب مصنوعی و دستگاه کمکی بطن
وضعیت بیماری های قلبی
5 میلیون آمریکایی مبتلا به نارسائی قلبی
اضافه شدن سالانه 550000 نفر به جمعیت فوق
مسن بودن اکثر بیماران قلبی
نیاز به جایگزینی سالانه 100000 قلب
نارسائی قلبی
عدم پمپ موثر خون توسط قلب
کاهش جریان خون
عدم تامین نیاز اکسیژن بدن
بسته شدن شریان ها
ضعیف شدن قلب به مرور زمان
فشار خون بالا
آسیب ماهیچه قلب یا دریچه قلبی
مشکلات مادرزادی
مشکلات ناشی از بیماری های دیگر
راه های درمان
آنژیوپلاستی
بای پس شریان کرونر
جایگزینی دریچه قلب
پیوند قلب
دستگاه کمکی بطن
جایگزینی کامل قلب
مهندسی بافت قلب
www.mayoclinic.org
www.mayoclinic.org
www.cdha.nshealth.ca
مقدمه
اگرچه قلب به لحاظ مفهومی ساده است (عضله ای است که مانند پمپ عمل می کند)، اما به دلیل جزئیات و ریزه کاری هایی که دارد، همانندسازی از آن با مواد مصنوعی و منابع تغذیه، کاری بسیار چالش انگیز و پیچیده است.
پیامد های این چالش ها، شامل پس زدن شدید جسم خارجی و از کار افتادن دستگاه پس از مدت نسبتا کوتاه و وجود باطری های خارج بدن است که تحرک را از فرد می گیرد.
این مشکلات باعث کوتاه شدن عمر بیمار (در صورت بدست نیاوردن قلب اهدایی) یا محدود شدن دوره استفاده از دستگاه می شود.
4
تاریخچه
دستگاه قلب – ریه در سال 1953 برای اولین بار با موفقیت در عمل قلب باز به کار برده شد.
در روسیه در سال 1937 وی.پی. دمیچف یک قلب مصنوعی را در بدن سگ کاشت.
در سال 1969 قلب یک مرد در حال مرگ را با قلب تمام مصنوعی در انستیتو قلب تگزاس در هوستون آمریکا، به عنوان پلی موقتی برای پیوند قلب، عوض کردند. بیمار پس از عمل به هوش آمد و بهبودی یافت. بعد از 64 ساعت قلب مصنوعی برداشته شد و با قلب اهدایی جایگزین گردید.
5
تاریخچه
درسال 2000، جارویک 2000 که یک دستگاه کمک قلبی است به بازار آمد.
در سال 2001، آبیوکورAbioCor کاشتنی توسط کمپانی AbioMed آبیومد ساخته شد.
این اولین قلب مصنوعی مستقل از خارج بود. می توانست تا حدود 17 ماه کار کند.
قلب مصنوعی کامل موقت "کاردیو وست" (TAH –t) با استفاده ازفنآوری جارویک-7 ، توسط پژوهشگران دانشگاه آریزونا ساخته شد و برای استفاده درسال 2004 تایید شد.
6
پیشرفت ها
1964:
درخواست انستیتو خون، ریه و قلب ملی ایالات متحده از شرکت های مختلف برای ساخت قلب مصنوعی
دو دهه بعد:
باقی ماندن تنها دو سازنده
Abiomed & Syncardia
2000:
ساخت قلب مصنوعی کامل جایگزین
تاریخچه
10
انواع قلب مصنوعی
قلب مصنوعی مکانیکی
قلب بیومصنوعی
11
قلب مصنوعی وسیله ای است که درون بدن کاشته می شود تا جانشین قلب طبیعی فرد شود.
این وسیله با ماشین ”قلب و ریه"، CPB، که یک دستگاه خارج از بدن برای تامین ضربان و اکسیژن خون برای مدت کوتاهی است، متفاوت است.
برخلاف CPB قلب مصنوعی درون بدن قرار می گیرد و برای مدت های طولانی تر استفاده می شود و بیمار می تواند فعالیت های روزانه خود را انجام دهد.
قلب مصنوعی مکانیکی
12
انواع قلب مصنوعی مکانیکی
قلب مصنوعی کامل(TAH) :
تمام قلب بیمار را بر داشته و به جای آن یک قلب مصنوعی قرار داده می شود. پروسه عمل شبیه پیوند یک قلب کامل از شخصی دیگر در بدن بیمار است.
قلب آبیوکر Abiocor یکی از این قلبهاست.
وسایل کمک قلبی:
این وسایل با قلب مصنوعی کامل ( TAH) متفاوت هستند. قلب بیمار به طور کامل برداشته نمی شود و قسمتی از آن با دستگاه کمک قلبی جایگزین می گردد. وسایل کمک قلبی شامل دستگاه کمک بطن چپ LVAD یا دستگاه کمک بطن راستRVAD و یا هردو دستگاه می باشد. برخلاف قلب مصنوعی کامل، دستگاه کمک قلبی، تنها مسئول بخشی از خروجی قلب بیمار است. برای نمونه جارویک Jarvik یک وسیله کمک قلبی است.
13
وسایل کمک قلبی
اولین دستگاه کمک قلبی، در سال 1994 توسط FDA تایید شد.
مزیت ها نسبت به قلب مصنوعی کامل
1.کوچکتر هستند
2. به طور بالقوه دوام بیشتری دارند
3. طول عمر آنها بیشتر از نسل فعلی قلب تمام مصنوعی است.
14
قلب بیو مصنوعی
در این روش امید است که یک قلب کامل طبیعی را با استفاده از سلولهای بنیادین stem cells خود فرد بیمار با داربستی که از قلب جسد انسان یا خوک بدست می آید، بسازند.
این روش هنوز بر روی انسان آزمایش نشده است.
عملیات ساخت این قلب :
1. با عمل دسلولاریزاسیون (جدا کردن سلول ها از یک ارگان) سلول های قلب جسد را خارج کردند و شبکه خارج سلولی و رگها و دریچه ها را برجا گذاشتند.
2. سلول های بنیادین را به این داربست تزریق کردند.
3. سازه بدست آمده را در یک محفظه استریل گذاشتند تا رشد کند. سپس سازه تحریک الکتریکی شد.
15
قلب بیو مصنوعی
نتایج
دو روز پس از تزریق سلول های نابالغ قلبی به داربست، انقباضات میکروسکوپیک سازه مشاهده شد. 8 روز بعد، قلب بیومصنوعی می تپید و پمپ می کرد، اگرچه تنها دو درصد کارایی یک قلب کامل را داشت ولی محققان را امیدوار به ساخت قلب با بازدهی کامل کرد.
مزایا و معایب
این روش بسیار پرهزینه است.
یکی از مزیتهای احتمالی آن نسبت به قلب اهدایی آن است که چون قلب بیومصنوعی از سلول های خود فرد ساخته می شود، در نتیجه بدن دیگر آن را پس نمی زند و دیگر نیازی به استفاده از داروهای سرکوبگر سیستم ایمنی نیست.
16
شرایط تجویز قلب مصنوعی
امید به زندگی در بیمار کمتر از ۳۰ روز برآورد شده باشد.
▪ هیچ امکانی برای دریافت قلب طبیعی وجود نداشته باشد.
▪ هیچ راه درمانی جایگزینی در دسترس نباشد.
▪ سایز قفسه سینه بیمار با ابعاد قلب مصنوعی همخوانی داشته باشد.
محدودیت های فعلی و چشم انداز قلب مصنوعی
نگاهی واقع بینانه به مدل های کنونی قلب مصنوعی مکانیکی، اشکالاتی را نمایان می کند:
مشکل بزرگی سایز
کوتاهی طول عمر
متفاوت بودن شکل پالس فشار خون
مشکل باطری
لخته شدن خون
پس زده شدن
18
Criteria for a Heart Substitute
Must fit into chest cavity and connect to atria, pulmonary artery and aorta quickly
Provide an adequate blood flow (8 – 10 liters/min)
Send deoxygenated blood to the lungs and oxygenated blood to the body
Operate continuously for an indefinite period of time
Provide adequate warning if something is wrong or if it is going to fail
Criteria for a Heart Substitute
Should increase/decrease blood flow based on patient activity level
Should not evoke an immune response
No wires or tubes that penetrate the skin
Should not produce blood clots
Should not damage red blood cells
Ideally should have pulsatile blood flow
Many others we haven’t thought of!
We bring life to engineering!
Why Heart Substitutes Fail
Immune response “rejects” transplant or side effects due to immune suppression
Infection due to tubes and wires passing through skin
Formation of clots
Damage to red blood cells
Lack of pulsatile blood flow?
22
قلب مصنوعی وارد قفسه سینه شده و اتصالات آن با شریان ریوی، آئورت و دهلیز های راست و چپ برقرار می شود.
جداسازی بیمار از پمپ قلب و ریه
حصول اطمینان از صحت عملکرد قلب
بستن قفسه سینه
مراحل جراحی
23
جایگذاری سیم پیچ داخلی در شکم
باز کردن جناغ سینه و اتصال دستگاه پمپ قلب و ریه (در این مرحله قلب از تپش ایستاده و خون بیمار از طریق دستگاه پمپ می شود).
جداسازی بطن های قلب طبیعی (دهلیزها جدا نمی شوند).
استفاده از یک مدل پلاستیکی برای تعیین محل دقیق قرارگیری قلب مصنوعی
بریدن بافت های مصنوعی در اندازه های مطلوب و بخیه زدن آنها به آئورت و شریان ریوی
مراحل جراحی
قلب مصنوعی کامل Liotta
طراحی در سال 1969 توسط دکتر لیوتا و کاشت توسط دکتر کولی
دارای پمپ نیوماتیکی و دو بطن
دریچه ی کنترل ورود و خروج جریان
لوله های ورودی و خروجی از جنس داکرون
محفظه ی پمپ از جنس سیلاستیک و داکرون
اتصال پمپ توسط تیوب های سیلاستیکی پوشیده شده از داکرون به منبع تغذیه
قرارگیری کنسولی به اندازه ی یک ماشین لباس شویی کنونی در کنار بیمار
دو واحد تغذیه ی نیوماتیکی برای ایجاد خلاء و پمپ خون
زنده ماندن بیمار برای سه روز
قلب مصنوعی کامل Akutsu III
1981 کاشت توسط دکتر کولی
دارای دو تغذیه ی هوا و دو محفظه ی پمپ خون
محفظه های پمپ ساخته شده از پلی یورتانی به نام Avcothane
کنترل ورود و خروج خون به کمک دریچه های قلبی دیسکی Bjork-Shiley
اتصال پروتز بطن از یک طرف به قسمتی از دهلیز قلب طبیعی
اتصال پمپ توسط تیوب داکرونی پوشش داده شده با velour به کنسول کنترل خارجی
کنسول کنترلی شامل سیستم محرک نیوماتیکی، سیستم کنترل، نمایشگر و سیستم تغذیه ی الکتریکی
برخی از پلیمرهای مورد استفاده
1958:
قلب ساخته شده از پلی وینیل کلراید توسط دکتر Akutsu
زنده ماندن سگ پس از کاشت آن برای 90 دقیقه
1965:
قلب ساخته شده از لاستیک سیلیکونی
آزمایش در بدن گوساله
Ref: http://www.owlnet.rice.edu/~bioe301/kortum/class/students/slides/lecture19.pdf
قلب مصنوعی کامل Jarvik-7
ساخته شده توسط دکتر رابرت جارویک در سال 1982
زنده ماندن اولین بیمار با جارویک برای 112 روز
دارای دو پمپ مشابه با بطن قلب طبیعی از جنس پلی یورتان و به شکل دیسک
تغذیه ی نیوماتیکی بطن ها
انتقال هوا از درون محفظه با سرعت 40 تا 120 بار در دقیقه به بیرون
اتصال قلب مصنوعی به کمک بست هایی از جنس داکرون به دهلیز قلب طبیعی
خطوط تغذیه ی پلی یورتانی محفظه ی هوای بطن
بسته شدن تیوب ها در محل خروج از پوست به کمک یک بست سیلاستیک پوشیده شده با velour
تغذیه ی خارجی هوای مورد نیاز قلب
کنسول تغذیه بزرگ و سنگین (در ابعاد یک یخچال خانگی)
متصل به منابع هوای فشرده، مکش و جریان الکتریسیته
محافظت سیستم به کمک یک باتری قابل شارژ
We bring life to engineering!
History of Heart Substitutes
1969: Dr. Denton Cooley uses an artificial heart to sustain a patient waiting for a donor (survived 3 days)
1972: Cyclosporine introduced to suppress immune responses of transplant recipients
1982: Dr. William DeVries implants the Jarvik-7 artificial heart into Dr. Barney Clark (he survived 112 days)
Liotta heart (1969)
Jarvik-7 (1982)
XIV Brazilian Automatic Control Conference
29
Jarvik-7, Novacor LVAD, HG3b
30
جارویک (Jarvik2000) 2000 وسیله کمکی برای بطن چپ قلب است که با حفظ قلب بیمار در جای خود به صورت یک پمپ کمکی کار می کند.
این پمپ از نوع جریان محوری است که در آن خون، موازی با محور چرخش خون (شبیه پمپ کردن سیال هیدرولیک) جریان می یابد و دیافراگم قلب را دایم حرکت می دهد.
کلید ساخت یک پمپ جریان محوری کوچک و موثر، ماشین کاری بسیار دقیق است.
ساختمان جارویک 2000
History
History
History of Jarvik 7
CardioWest Total Artificial Heart
CardioWest TAH Patient Contacting Materials Matrix
Ref: SynCardia CardioWest TAH Instructions for Use
Abiocor
نگهدارنده ی سیستم گردش خون
افزایش طول عمر بیماران با نارسائی قلبی
قابلیت کاشت کامل در بدن
قابل تجویز برای بیماران با شدت بیماری بسیار بالا
70000$
Boston Museum of Science [http://www.mos.org/cst/article/3737/9.html]
http://www.chfpatients.com/implants/abiomed_tah_large_1.jpg
38
نحوه عملکرد قلب آبیوکور
اجزای قلب مصنوعی
قلب مصنوعی AbioCor از جنس تیتانیوم و پلاستیک بوده و چهار بخش زیر را به هم متصل می کند:
▪ دهلیز راست ▪ دهلیز چپ ▪ آئورت ▪ شریان ریوی
39
نحوه کار اجزای مختلف AbioCor
پمپ هیدرولیک:
عملکرد این قطعه همانند پمپ هیدرولیک صنعتی است. نیروی اعمال شده را از یک نقطه به نقطه دیگر می فرستد.
دریچه ورودی:
هنگامی که مایع به سمت راست حرکت می کند، خون از درون بطن مصنوعی به ریه ها پمپ می شود و هنگامی که مایع به سمت چپ می رود، خون به سایر نقاط بدن فرستاده می شود.
سیستم انتقال انرژی به صورت بی سیم:
اجزای تشکیل دهنده آن دو سیم پیچ داخلی و خارجی هستند. این دو سیم پیچ انرژی را از یک باتری خارجی گرفته و از طریق القای الکترومغناطیسی آنرا به باتری داخلی و واحد کنترل می فرستند.
40
نحوه کار اجزای مختلف
باتری داخلی:
یک باتری قابل شارژ است که در داخل شکم بیمار ایمپلنت می شود و تنها 30 تا 40 دقیقه وقت در روز برای انجام فعالیت هایی مثل حمام کردن در اختیار بیمار می گذارند.
باتری خارجی:
این باتری قابل شارژ بوده و ۴ تا ۵ ساعت کار می کند.
واحد کنترل:
در جداره شکم بیمار کار گذاشته می شود و به کنترل نحوه پمپاژ قلب و ریتم قلبی اختصاص دارد.
بیماران گیرنده AbioCor
اولین بیمار
رابرت تولز در دوم جولای سال 2001
151 روز زندگی با قلب مصنوعی
طولانی ترین استفاده
تام کریسترسون برای 512 روز
آزمایش AbioCor برروی 14 نفر تا سپتامبر 2004
www.heartpioneers.com
سیستم Abiocor
Boston Museum of Science [http://www.mos.org/cst/article/3737/9.html]
Transcutaneous Energy Transmission
http://www.ps-lk3.de/images/ABIOCOR.JPG
اجزاء Abiocor:
بخش الکتریکی
باتری داخلی
30 تا 60 دقیقه انرژی
مجاز برای فعالیت های طبیعی
کنترل کننده ی داخلی
تنظیم تمام عملکرد ها نظیر پمپ خون و ارتباط با واحد خارجی
نیازمند سخت افزار با قابلیت اعتماد بسیار بالا
سیم پیچ RF و کنترل کننده ی خارجی
انتقال انرژی به باتری داخلی بدون سیم
عملکرد باتری خارجی به همراه کمربند برای مدت زمان 4 ساعت
انتقال دهنده ی اطلاعات بدست آمده به تجهیزات خارجی
اجزاء قسمت داخل شکم
به اندازه ی یک توپ سافت بال (محیط 30 سانتی متر)
وزن g200
مواد بکار رفته در آن
تیتانیوم
اپوکسی
نوعی پلی یورتان به نام (AngioFlex)
کربوتان
پارچه ی مخمل (Velour)
داکرون
Boston Museum of Science [http://www.mos.org/cst/article/3737/9.html]
نحوه ی کاشت
پیوند
شریان پالمونری
دهلیز راست
دهلیز چپ
آئورت
Heart Pioneers [http://www.heartpioneers.com/images/diagrams/connecting-heart-labelslarg.jpg]
We bring life to engineering!
AbioCor® Design Criteria
Grapefruit size, weighs 2 lbs, requires a 7 hour surgery for implantation
Can provide up to 8 liters/min of blood to the lungs and body
Has two chambers for pumping deoxygenated blood to the lungs and oxygenated blood to the body
Wireless energy transfer system allows for continuous operation
Internal controller monitors operation
We bring life to engineering!
AbioCor® Design Criteria
Internal controller increases/decreases blood flow based on blood oxygen levels
Materials are inert to the immune system
Completely contained within the chest – no wires or tubing through skin!
Made of special materials and special pump design to prevent clots and RBC damage
Pumping alternates between chambers, creating a pulsatile blood flow
The AbioCor artificial heart: How does it work?
External battery – This battery is worn on a Velcro-belt pack around the patient's waist. Each rechargeable battery offers about four to five hours of power.
The AbioCor artificial heart: How does it work?
Wireless energy-transfer system – Officially called the Transcutaneous Energy Transfer (TET), this system consists of two coils, one internal and one external, which transmit power via magnetic force from an external battery across the skin. The internal coil receives the power transmitted from the external coil and sends it to the internal battery and controller device.
The AbioCor artificial heart: How does it work?
Internal battery – A rechargeable battery is implanted inside the patient's abdomen. This gives a patient 30 to 40 minutes to perform certain activities, such as showering, while disconnected from the main battery pack.
The AbioCor artificial heart: How does it work?
Internal Controller – This small electronic device is implanted in the patient's abdominal wall. It monitors and controls the pumping speed of the heart.
The AbioCor artificial heart: How does it work?
Hydraulic pump – A gear inside the pump spins at 10,000 revolutions per minute (rpm) to create pressure.
Porting valve – This valve opens and closes to let hydraulic fluid flow from one side of the artificial heart to the other. When the fluid moves to the right, blood gets pumped to the lungs through an artificial ventricle. When the fluid moves to the left, blood gets pumped to the rest of the body.
We bring life to engineering!
How the AbioCor® Heart Works
Hydraulic pump forces blood to lungs and body
Power is provided by an internal rechargeable battery
Battery is recharged by coils on surface and below skin
Internal controller monitors system and controls pump speed
Comparison of the Jarvik 7 and AbioCor Total Artificial Hearts
Simplicity of the Jarvik and better hemodynamic with Higher flow (is beneficial for recovery of kidney, liver, lung, and gastrointestinal function)
AbioCor is a highly complex device with numerous implanted components and may require re-operation to replace the implanted battery and no drivelines penetrating the skin
Jarvik-7
AbioCor
مهمترین پلی یورتان های مورد استفاده
Biomer® By DuPont & Ethicon, poly(ether-urethane-urea)
Avcothane® By Nyilas, Avco Everett
Cardiothane® By Nyilas, Avco Everett
Tecoflex® By Thermmidics
BioSpan® By Polyer Technology Group, Inc
Bionate® By Polymer Technology Group, Inc
Pellethane® By Dow Chemical
Angioflex® By AbioMed
Thoralon ® By Thoratec
Chronoflex C ® By Szycher, Cardiotech
مقایسه ی پلی اتر یورتان ها و پلی کربنات یورتان ها
Journal of Biomedical Materials Research, Volume 48, Issue 1, Date: 1999, Pages: 13-23
مهمترین گروه های سطحی برای اصلاح سطح پلی یورتان ها
Ref: http://www.polymertech.com/materials/sme.html
پزشکان ایتالیایی نسل جدیدی از قلب مصنوعی را به یک بیمار 65 ساله پیوند زدند که می تواند از راه اینترنت کنترل شود.
در این راستا، پزشکان موسسه کلینیکی "هیومنیتاس" در میلان نسل جدیدی از قلب مصنوعی را به یک بیمار 65 ساله مرد پیوند زدند. این قلب مصنوعی قادر است اطلاعات را مستقیماً و از راه اینترنت به پزشکان انتقال دهد.
درحال حاضر تنها 18 نمونه از این قلب مصنوعی با قابلیت کنترل از راه اینترنت در تمام دنیا وجود دارد و فاز آزمایشی پیوند آن در مراکزی در برلین، بروکسل و میلان انجام شده است.
ین قلب مصنوعی در واقع یک دستگاه کوچک 5 سانتیمتری با وزن حدود 100 گرم است که "دستگاه همراه بطنی" نام دارد و از یک پمپ برخوردار است که در ابتدای بطن چپ قرار می گیرد و به قلب بیمار کمک می کند که خون را به روشی طبیعی پمپاژ کند.
نوآوری این دستگاه نسبت به سایر قلبهای مصنوعی در این است که این قلب دارای یک کنسول خارجی است که به رایانه متصل می شود و می تواند از راه اینترنت اطلاعاتی را درباره عملکرد خود به پزشکان انتقال دهد و به این ترتیب امکان کنترل از راه دور وضعیت بیمار را فراهم می کند.
این ویژگی به متخصصان اجازه می دهد که در زمان واقعی، حالت سلامت بیمار را با دریافت پارامترهای پمپاژ و با کنترل جریان خون، قدرت عملکرد و سرعت توربین بررسی کنند.
پایان