Inżynierii Heart-płuco


Original: http://illumin.usc.edu/14/engineering-the-heart-lung-machine/fullView/

Coronary aortalno, szeroko stosowane w leczeniu chorób układu krążenia, wiąże skierowanie pacjenta bloodflow wokół serca w celu umożliwienia chirurdzy w obsłudze. Maszyny płuco-serce i krew syntetycznie tlenowych pompy podczas takich zabiegów, aby utrzymać pacjenta przy życiu. Pierwsza maszyna płuco-serce sięga 1930 roku i składał się z wielu takich samych elementów jak maszyny dzisiaj. Konstrukcja każdego z tych składników jest inspirowane przez różnych zasad fizyki i inżynierii, w tym dynamiki płynów i gradientów ciśnienia. Inżynierowie są teraz zastosowanie tych samych pojęć do tworzenia nowych modeli płuco-serce maszyny, takie jak zminiaturyzowanych lub przenośne wersje. Dzięki fundacji w biologii, fizyki i inżynierii, serce-płuco okazał się zrewolucjonizować leczenie chorób serca.

Wprowadzenie
Choroba serca jest ważnym problemem zdrowotnym w obliczu Amerykanów już dziś. Według American Heart Association, 80 milionów mężczyzn i kobiet cierpi na choroby układu krążenia w 2006 roku. W 2005 roku ponad 860.000 pacjentów z chorobą sercowo-naczyniowych zmarło [1]. Mimo tych statystyk, sytuacja nie jest beznadziejna. Różne rozwiązania istnieją, takie jak zmiany w stylu życia, leki, lub w przypadkach najcięższych, w operacji pomostowania naczyń wieńcowych. Pacjenci mogą przejść różne typy operacji pomostowania serca naprawiać ich błędne serca lub naczyń krwionośnych. Operacja jest powszechnie nazywany operacji na otwartym sercu, ponieważ lekarze rzeczywiście otwierają pacjenta klatkę piersiową, narazić serce i działają na nim. W celu umożliwienia takiego zabiegu ma być wykonywana, serce musi zostać tymczasowo zatrzymane od bicia.

Oczywiście serce jest niezbędny narząd. Jeśli przestanie bić, tlen noszenia krwi nie może być rozpowszechniane poprzez ciało, a osoba umrze wkrótce potem. Stanowi to dość kłopotliwe dla układu sercowo-naczyniowego chirurgów: w jaki sposób mogą zatrzymać serce do działania na nim jeszcze utrzymać pacjenta przy życiu? Odpowiedź tkwi w specjalnym urządzeniu, zwanym płuco-serce maszyna lub krążenia maszyny ręcznej. Serce-płuco to urządzenie, które podłącza się do naczyń krwionośnych i służy jako osoby serce i płuca na czas. Innymi słowy, krwi pacjenta omija serce, aby wejść do maszyny, a nie, gdzie jest dotleniona, tak jak byłoby to w płucach. Stamtąd, pompy maszynowe krew do reszty ciała (rys. 1).

Kochanie
Rysunek 1: Schemat wykazując kolejność przepływu krwi pomiędzy płuco-serce maszyny i ciała.
W ten sposób serce-płuco zasadniczo zastępuje najważniejsze narządy, w ten sposób podtrzymywania życia pacjenta. Z pierwotnego rozwoju do składników obecnych modeli do swoich przyszłych zastosowań, serce-płuco jest naprawdę imponujący wyczyn technologii, która integruje zasad inżynieryjnych przepływu cieczy, gradienty ciśnienia i transfer ciepła do jednej ratującej życie urządzenia.
Historia maszyny płuco-serce
Pierwsza maszyna tego typu została opracowana przez chirurga Jana Heysham Gibbon w 1930 roku [2]. W tym czasie lekarze szukali nad możliwością krążeniu pozaustrojowym, czy przepływ krwi na zewnątrz ciała [3]. Zastanawiali się, czy istnieje sposób na przedłużenie tego krążeniu pozaustrojowym ominąć nie tylko drobnych narządów, jak to często robiono w chirurgii w tym czasie, ale ominąć serce całkowicie. Zasmucony po śmierci chorego w połowie chirurgii Gibbon postawił sobie za zadanie wymyślić sztucznego płuco-serce, które mogłyby utrzymać pacjenta przy życiu podczas operacji serca.
W latach 1934 i 1935, Gibbon zbudował prototyp swego serca płuco i przetestowany swoją funkcję kotów w celu dokonania oceny, jakie problemy powinna zostać rozstrzygnięta przed użyciem go z ludzi [4]. Na przykład, w jednym modelu Gibbon zauważył, że niewystarczająca ilość bloodflow został wyjściu z maszyny, więc zdecydował się na przepływ ciągły, a nie w krótkich impulsów [4]. Wprowadzając bloodflow, że pozostanie na tym samym poziomie w sposób ciągły, zamiast zwiększania i zmniejszania rytmem set, to zwiększa całkowitą pojemność objętość krwi, które mogą przepływać przez maszyny.
W 1940, dr Gibbon spotkał Thomas Watson, inżynier i prezes firmy International Business Machines (IBM). Gibbon i Watson, wraz z innymi inżynierami z IBM, współpracował w dążeniu do skutecznej maszyny krążenia pozaustrojowego i razem stworzyli kolejny nowy model [2]. Gdy ten model testowania, wykonując operacje na temat psów, zauważyli, że wiele z ich badanych zmarł po operacji z powodu zatorowości w płucna występuje wtedy, gdy mała cząstka lub tkanek migruje do innej części ciała i powoduje zablokowanie naczynia krwionośnego co zapobiega żywym tkankom z otrzymywania tlenu) [5]. Od tych eksperymentów, widzieli potrzebę dodać filtr do swojego aparatu. Gibbon i IBM inżynierowie postanowili skorzystać z 300-mikrometrów o 300 mikronów filtrem siatkowym, które okazały się skuteczne w zatrzymując tych szkodliwych cząsteczek tkanek [4].
W 1953 r. Gibbon sam zakończył pierwszą udaną operację na ludzkim pacjenta z pomocą krążenia maszyny obwodnicy [6]. Od tego czasu otwarte operacje serca wykonywane były przez ponad 55 lat, z prawie 700.000 wykonywane corocznie w ostatnich latach [1]. Wiele się zmieniło od pierwszego modelu Gibbon, ale główne koncepcje inżynierii za jego maszyny pozostały takie same. Dzisiejsza serce-lung-maszyna zawiera te same podstawowe elementy: zbiornik na tlen złej krwi żylnej, Dotleniacz, regulator temperatury, pompa do kierowania przepływu krwi z powrotem do ciała, filtr, aby zapobiec zator i tkanki rury do powiązać wszystkie inne elementy razem [4].
Dzisiejsze maszyny: Journey Through jego składników
W operacji na otwartym sercu, chirurg 1-ty łączy maszynę obwodnicy do pacjenta przez rurki wstawiając nazwie Kaniule żylne do żyły cavae, w dużych naczyniach krwionośnych prowadzących do serca [7]. To przekierowuje przepływ krwi do serca płuco, omijając serce całkowicie. Inżynierowie muszą projektować kaniule żylne takie, że dokładna i kontrolowana ilość krwi przepływa przez nich do maszyny. Robią to poprzez tworzenie rurki w różnych rozmiarach i opory [8]. Według Fluid Dynamic zasad, tym większa rura, tym bardziej ciecz może przepływać przez niego w danym momencie. Z drugiej strony, jeśli rura ma większą odporność, która jest kontrolowana przez chropowatości powierzchni i lepkość płynu, a następnie mniej płynu może przejść. Regulując te dwie właściwości, inżynier może stworzyć kaniule żylne, które pozwalają współczynniki krwi przepływać z ciała i do urządzenia.
Z kaniul, krew spływa do zbiornika żylnego, komora wykonana z tworzywa sztucznego lub chlorku winylu (PVC), który gromadzi i przechowuje krew z ciała pacjenta [9]. Zbiornik musi mieć dużą pojemność woluminu, aby pomieścić dużą ilość krwi. Zgodnie z ustawą Boyle’a, ciśnienie i objętość są odwrotnie proporcjonalne w stałej temperaturze, jako jeden wzrasta, drugie zmniejsza. Tak więc, duża objętość żylnej zbiornika na daje niskie ciśnienie. Wszystkie rozpuszczalniki naturalnie przejść z regionów wyższego ciśnienia do obszarów niższego ciśnienia. Zatem, skoro zbiornik ma niskie ciśnienie krew płynie od wysokociśnieniowych zbiorników w organizmie do urządzenia ręcznego w zbiorniku żylnym.
Po opuszczeniu zbiornika żylnego, krwi kolejne podróże do płuco-serce maszyny pompy, który wykorzystuje siłę kompresji lub siły odśrodkowe do kierowania przepływu krwi. Pompa może przyjść w jednej z dwóch typów: pomp rolkowych lub pompy odśrodkowe. W pompie wałka, krew wchodzi zakrzywioną śledzić rury wykonane z elastycznego materiału, często PCV, lateks, lub silikon [8]. Jak krew wchodzi, dwa cylindryczne rolki obracać i przesuwać do przodu, zwężenie przewód. Ta kompresja zmniejsza objętość w probówce, dzięki czemu krew nie ma miejsca, aby przejść jednak do przodu. Podobnie jak ściskając tubkę pasty do zębów popycha do przodu i pasty z tuby, kompresję pompę wałka wymusza przepływ krwi do przodu, przez resztę maszyny ręcznej. Chociaż pompy rolkowe mogą być używane jako podstawowy pompy w maszynie płuco-serce, pompy odśrodkowe są często wykorzystywane jako alternatywa. Pompa wirowa składa się z plastikowej koła, które obraca się bardzo szybko, napędzający płyn od środka obrotu [8]. Wyobraź sobie, przędzenie wiadro wody nad głową wystarczająco szybko tak, że woda jest wciśnięty na zewnątrz w stosunku do wiadra i nie wypadają. Ta sama siła jest wykorzystywana w serce-płuco jak rotacja pompy odśrodkowej wymusza przepływ krwi obok kołowrotka i na zewnątrz w kierunku kolejnego odcinka rury. Podczas gdy niektóre płuco-serce producenci maszyn preferują tego typu pompy, ponieważ wierzą, że redukuje powstawanie szkodliwych elementów układu krzepnięcia krwi, w tym momencie oba rodzaje pomp są szeroko stosowane [10].
Krew wypływa z pompy do wymiennika ciepła, który wykorzystuje koncepcję przekazywania ciepła do chłodzenia krwi, aż do optymalnej temperatury do zabiegu. Organizm ludzki normalnie utrzymuje temperaturę wewnętrzną 37 stopni Celsjusza, ale podczas zabiegu kardiochirurgicznego, lekarze obniżyć pacjenta temperatury rdzenia do stanu umiarkowanej hipotermii lub od 5 do 10 stopni niższa niż zwykle [8]. Gaz Tlen jest bardziej rozpuszczalny w zimnej krwi niż w ciepłej krwi [11]. Tak więc obniżenie temperatury zwiększa ilość tlenu przez komórki pacjenta krwi mogą unieść.
Po podstawowej zasady przekazywania ciepła, cieplejsza obiekt zawsze będzie przenosić ciepło do każdego chłodniejszego obiektu, z którymi jest w kontakcie. Podobnie, jeśli zimny obiekt dotyka cieplejszy obiekt cieplejszy obiekt będzie chłodzony. To właśnie ma miejsce w sercu-płuco wymiennika ciepła. Składa się z termicznie regulowanej komorze zimnej wody z tworzywa sztucznego rubes zanurzonych w nim. Gdy krew przepływa przez rury, energia cieplna jest przekazywana między wodą a rurki, a następnie pomiędzy przewodami i krwi. Cieplejsze obiekt, krew, staje się chłodniejsze, a chłodnica obiekt, woda staje się cieplejsza. Tak więc, wymiennik ciepła schładza krew do żądanej temperatury.
Z wymiennika ciepła, chłodzone krew wejdzie Dotleniacz, gdzie jest nasycona tlenem. Dzisiejsze maszyny płuco-serce używać oksygenatora, który próbuje naśladować płuco samo. To Dotleniacz, trafnie nazwał Dotleniacz membrana składa się z cienkiej błony zaprojektowany tak cienkie błony pęcherzyków płucnych, że wypełnione powietrzem worka, które składają się płuca. Krew żylna z wymiennika ciepła przepływa obok jednej stronie membrany, natomiast gaz tlen jest przechowywany na inny. Mikropory w membranie pozwalają gazowy tlen płynąć do krwi i do krwinek siebie. Podobnie jak krew płynie spontanicznie wzdłuż gradientu ciśnienia, gazy również przenieść z regionów o wysokim ciśnieniu do obszarów o niskim ciśnieniem cząstkowym. Dotleniacz jest zaprojektowany tak, że ciśnienie tlenu po stronie gazu błony jest znacznie wyższe niż ciśnienie we krwi [12]. Tak więc, tlen przechodzi przez membranę do krwi, po naturalnej wysokiej do niskiej gradientu ciśnienia.
W tym momencie w podróż przez serce-płuco, krew została pobrana, chłodzi i dotleniona, więc jest prawie gotowy, aby powrócić do ciała pacjenta. Zanim to nastąpi, jednak musi on przejść przez filtr, aby wyeliminować możliwość zatorowości. Wszystko, co może doprowadzić do zablokowania naczyń krwionośnych, czy jest pęcherzyk powietrza, kawałek materiału syntetycznego lub krzepnięcia białka, stanowi wielkie zagrożenie dla pacjenta i musi być filtrowane z krwi powracającej. Filtry stosowane w serce-płuco składają się z nylonu lub nici poliestrowej tkane na ekranie z małych porów [8]. Małe pory pułapki szkodliwych pęcherzyków lub cząstki, dzięki czemu krew czystszą, wolny od niebezpiecznych powodujących zator-cząsteczek, aby przejść przez cały. Po przefiltrowaniu, krew przemieszcza się plastikowych rurek zwanych kaniule tętnicze. Arterie, naczynia krwionośne, które dostarczają bogatą w tlen krew z serca do reszty ciała, mają najwyższą prędkość każdego statku. Aby naśladować to, inżynierowie zaprojektowali kaniule tętnicze jest bardzo wąski [8]. W dynamiki płynów, natężenie przepływu cieczy przez statku jest równa przekrojowych razy strefy prędkości przepływu. Tak więc, rury, jak tętnic kaniul, które mają mniejszą średnicę pozwalają na większą prędkością krwi. W czasie zabiegu, lekarz wprowadza Kaniule do jednej z głównych tętnic pacjenta, np. aorty lub tętnicy udowej [7]. Krew następnie opuszcza ostatniego elementu krążenia maszyny obwodnicy, wchodzi własnych pacjenta naczynia, i znów sprawia jej naturalny podróż przez układ krążenia.
Serce-Maszyny Przyszłości
Istnieją dziesiątki maszyn płuco-serce obecnie na rynku, które są szeroko stosowane w salach operacyjnych całego kraju. Większość z tych maszyn zatrudniają te same podstawowe elementy i funkcje. Jednak, podobnie jak większości dziedzin nauki i techniki, technologia serce-płuco nie jest stagnacja. Ostatnie przełomy inżynierów biomedycznych dać spojrzenie na krążeniowo maszyn Objazd przyszłości. W 2007 roku pierwszy na świecie przenośny serca płuc maszyna otrzymała znak CE, który oficjalnie pozwolił mu być sprzedawane w całej Europie. Waży zaledwie 17,5 kg i napędzany za pomocą akumulatora, Lifebridge B2T mogą być transportowane do różnych części szpitala, dając ratowników lub lekarzy pogotowie szansę rozpocząć krążeniu pozaustrojowym w krytycznych pacjentów jeszcze przed dotarciem do sali operacyjnej [13] (Rys. 2).
Szpital Europejska / European Hospital
Rysunek 2: Kompaktowe 17,5 kg serce-płuco Lifebridge B2T.
Kolejnym nowym rozwoju maszyny płuco-serce jest MiniHLM, zminiaturyzowane serce-płuco opracowane dla niemowląt. Zamiast wszystkie elementy rozmieszczone osobno, jak z maszynami normalnej wielkości, MiniHLM integruje funkcje tak, że urządzenie jest znacznie mniejsze i bardziej zwarte [13]. Pozwala to kardiochirurgia obwodnica ma być wykonana na noworodki, coś, co z pewnością rozwinąć zdolności, z którym chorób serca u noworodków może być leczona.

Aktualne implementacje krążenia maszyny obwodnicy awansowała oryginalną ideę dalekiej przeszłości John Gibbon na prawie 80 lat temu. Jednak żaden krok w procesie była nieznaczna, ponieważ każda poprawa poprawiła bezpieczeństwo i użyteczność urządzenia. Inżynierowie nadal brać pod uwagę zarówno potrzeby biologiczne organizmu człowieka oraz podstawowych zasad fizyki w celu stworzenia funkcjonalnego biokompatybilny urządzenie, które wykonuje, co kiedyś było nie do pomyślenia, podtrzymywania życia ludzkiego bez użycia własnego serca lub układu oddechowego. Setki tysięcy pacjentów przejść otwartym sercu operacje bypass każdy rok, intensywne procedury, które wymagają krążeniu pozaustrojowym [14]. To setki tysięcy ocalonych z pomocą jednej podstawowej urządzenia biomedycznych: serce-płuco.

Referencje

[1] „Choroby serca AHA i Statystyki Stroke – 2009 Update.“ Heart Association American. Internet: 2009. [28 czerwca 2009].
[2] „Internal Praca z Krążeniowo maszyny bocznej.“ Zasoby Inżynierów chemicznym „. Internet: http://www.cheresour ces.com / cardiopul.shtml, 2008. [29 czerwca 2009].
[3] „krążenia pozaustrojowego.“ American Heritage Dictionary Medical. 2007. Internet: onary.thefreediction http://medical-dicti ary.com / pozaustrojowe + Circu rozporządzenia [29 czerwca 2009].
[4] Adora Ann Fou. „John H. Gibbon. Pierwsze 20 lat serce-płuco „. Texas Heart Institute Journal, tom 24 (1), s. 1-8, [On-line] Dostępny: http://www.pubmedcen tral.nih.gov / pageren der.fcgi artid = 32538 9 & pageindex = 1 [29 czerwca 2009] .
[5] Kelly D. Hedlund. „Tribute to Frank F. Allbritten, pochodzenia Jr Lewicy Vent komór podczas wczesnych latach operacji na otwartym sercu z Gibbon Heart-płuco.“ Texas Heart Institute Journal, tom. 28 (4), s. 292-296. [On-line] Dostępny: http://www.pubmedcen tral.nih.gov / artykuł render.fcgi artid = 10 1205, 2001 [30 czerwca 2009].
[6] Lawrence H. Cohn „Pięćdziesiąt lat chirurgii na otwartym sercu.“ Circulation, obj. 107, s. 2168-2170. [On-line] Dostępny: http://circ.ahajourn als.org / cgi / content / short/107/17/2168, 2003 [29 czerwca 2009].
[7] Ludwik K. Von Segesser. „Peripheral kaniulacja do krążenia pozaustrojowego.“ Multimedia Manual of Surgery kardiochirurgii Internet: http://mmcts.ctsnetj ournals.org / cgi / cont ent/full/2006/1009/m mcts.2005.001610, 2006, [30 czerwca 2009].
[8] Eugene A. Hessel, II i L. Henry Edmunds, Jr „krążenie pozaustrojowe:. Systemy perfuzji“ Cardiac Surgery w Adult. [On-line] Nowy Jork: McGraw-Hill, Dostępny: http://cardiacsurger y.ctsnetbooks.org / CG I / content/full/2/2003 / 317 2003, [30 Jun2009].
[9] „żylna Zbiorniki“. Sprzęt perfuzji. Internet:. Http://www.perfusion .com.au / CCP / Perfusio n% 20Equipment / żylna 20Reservoirs% htm, 2008, [30 czerwca 2009].
[10] Masaru Yoshikai, Masakatsu Hamada, Kyoumi Takarabe i Yukio Okazak. „Kliniczne zastosowanie pomp odśrodkowych i pompy Roller w operacjach na otwartym sercu:. Ocena porównawcza“ Artificial Organs s. 704-706, Internet: http://www3.intersci ence.wiley.com / Journ al/121514553, 2008, [30 czerwca 2009].
[11] Gordon Giesbrecht i James A. Wilkerson. Hipotermia, odmrożenia, i inne zimne Urazy. Seattle: Książki górali, 2006 roku.
[12] „Oxygenators membranowych.“ Sprzęt perfuzji. Internet: http://www.perfusion .com.au / CCP / Perfusio% n 20Equipment/Membrane 20Oxygenators.htm%, 2008 [30 czerwca 2009].
[13] J, H Schnöring Arens, F Reisch, JF Vázquez-Jiménez, T Schmitz-Rode i U Steinseifer. „Rozwój miniaturowych serce-płuco dla noworodków z wrodzoną wadą serca.“ Społeczeństwo amerykańskie sztucznych narządów wewnętrznych Dz. [i /], obj. 54 (5), s. 509-13. Www.:? Http://www.ncbi.nlm nih.gov/pubmed/18812 743 ordinalpos = 2008, [30 czerwca 2009].
[14] „aha otwartym sercu Statystyki operacji“. Serce Amerykańskie Stowarzyszenie Internet:.? Http://www.americanh eart.org / presenter.j html identyfikator = 4674, 2009 [29 czerwca 2009].
[15] Mark Z. Jacobson. Podstawy Atmospheric modelowania. New York: Cambridge University Press, 2005.
[16] „gotowy do działania: 17.5 kg serce-płuco.“ Europejska Szpital Online. Internet: http://www.european- hospital.com / topics / article/2412.html, 1 września 2007 [6 lipca 2009].

Comments are closed.