Титановое сердце на дисковых насосах
Оптимальный способ гонять кровь, не разрушая ее
Золотым стандартом лечения терминальной стадии сердечной недостаточности считается трансплантация донорского сердца. Потребность в пересадке сердца в России составляет тысячи операций в год, однако выполнить трансплантацию удается примерно одной десятой части нуждающихся пациентов.
Дисковый насос для поддержки кровообращения
Фото: ИТПМ СО РАН
Дисковый насос для поддержки кровообращения
Фото: ИТПМ СО РАН
Институт теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича СО РАН совместно с ФГБУ «Национальный медицинский исследовательский центр им Е.Н.Мешалкина» и АО НПК «Импульс-проект» разработали и испытали на животных искусственное сердце на основе компактных центробежных дисковых насосов.
Распространенность хронической сердечной недостаточности очень высокая: в Европе насчитывается 14 млн пациентов, в США — более 6 млн, в России — около 3 млн. Ежегодно летальность пациентов из листа ожидания составляет от 30% до 35%. Без своевременной операции средняя продолжительность жизни пациента составляет менее двух лет.
Реальной долговременной альтернативой чужому сердцу является искусственное. Для этого пациенту в зависимости от характера его сердечной недостаточности имплантируется в один или в оба желудочка небольшой насос, который работает от расположенных снаружи аккумуляторов. Совместные эксперименты физиков и медиков показали хорошие результаты: лабораторные животные (свиньи) продемонстрировали стабильную работу оборудования механической поддержки сердца — исследователи провели на них серию испытаний длительностью от трех до шести часов.
«Производители искусственного сердца в России и за рубежом используют центробежные шнековые и лопастные насосы, у которых есть один существенный недостаток,— пояснил один из ведущих разработчиков дискового насоса для поддержки кровообращения кандидат технических наук, сотрудник ИТПМ СО РАН Юрий Приходько.— При отличной производительности и высоком КПД насосы других типов создают сдвиговые напряжения внутри перекачиваемой жидкости, в результате которых эритроциты и другие форменные элементы крови разрушаются».
Сохранить эритроциты и удешевить насос
Стенд для проведения испытаний с донорской кровью
Фото: ИТПМ СО РАН
Стенд для проведения испытаний с донорской кровью
Фото: ИТПМ СО РАН
Уровень разрушений эритроцитов измеряется по содержанию свободного гемоглобина в крови. Эксперименты на дисковом насосе показали, что средний уровень свободного гемоглобина оказался на порядок ниже предельных допустимых значений в ходе шестичасовых стендовых испытаний. В медицинской практике существует официально установленный допустимый уровень разрушения элементов крови, в который укладываются параметры всех существующих современных насосов, однако, находясь внутри этих пределов, предпочтительнее иметь показатели ближе к нижней границе нормы. Именно поэтому ученые выбрали конструкцию дискового насоса Теслы, где эритроциты практически не подвергаются механическим повреждениям.
Работа дискового насоса обеспечивается благодаря трению диска о кровь (вязкое трение), который вращается и увлекает за собой равномерный плавный поток, где нет такого резкого перепада давлений внутри жидкости, как, например, в лопастном или шнековом насосе.
Несмотря на использование искусственного сердца во многих странах мира, можно уверенно сказать, что ни одна из существующих технологий не является полностью безопасной для пациентов. Например, чем выше КПД и число оборотов насоса, тем ниже уровень сохранности эритроцитов и других элементов крови, что существенно влияет на самочувствие и иммунитет пациента. Целью сибирских ученых стало если не довести эту технологию до совершенства, то заметно улучшить ее параметры.
Век искусственному сердцу
Первые аппараты для поддержки работы сердца появились в России в начале ХХ века, а затем были усовершенствованы и использованы в середине ХХ века. В 1926 году советский физиолог Сергей Брюхоненко создал аутожектор — первое в мире устройство, способное поддержать кровообращение длительное время. С 1929 по 1937 год аутожектор был успешно использован при операциях на открытом сердце у собак. Изобретение получило в 1928 году советский патент, а двумя годами позже — английский, французский и немецкий.
В 1937 году основоположник российской трансплантологии Владимир Демихов впервые в мире имплантировал модель искусственного сердца в эксперименте на собаке. Собака прожила два часа. В 1946 году Демиховым впервые в мире было успешно пересажено собаке второе искусственное сердце, а вскоре он смог полностью заменить сердечно-легочный комплекс, что стало мировой сенсацией. В 1953–1957 годах, когда хирурги уже делали операции на открытом сердце, им потребовалась система внешней поддержки. Насосы не было нужды имплантировать внутрь сердца, поэтому они были стационарными и достаточно большими.
Под руководством легендарного хирурга-трансплантолога Валерия Ивановича Шумакова разрабатывались и внедрялись в клиническую практику искусственные клапаны сердца, кардиостимуляторы, искусственное сердце и левый желудочек, аппараты вспомогательного кровообращения. Усовершенствованный им в 1963 году шаровой протез митрального клапана использовался в СССР более 20 лет. В 1972 году Шумаков впервые использовал механическое сердце в российской клинике. В США первая имплантация искусственного сердца человеку проведена в 1969 году, вторая — в 1981-м, а в 1991-м первый пациент покинул госпиталь с электрическим портативным устройством.
Современные импланты-насосы заменяют не все сердце целиком, а берут на себя работу одного из его желудочков, который чаще всего выходит из строя и сердце пациента не может полноценно работать. Чтобы сердце продолжило выполнять свою функцию, на него пришивают маленький насос, который гонит кровь напрямую в аорту без участия левого желудочка. LVAD — Left Ventricular Assist Device — имплантируемые насосы левого желудочкового обхода сердца, они же — насосы вспомогательного кровообращения для обхода левого желудочка. Такие насосы начали устанавливать российским пациентам в начале ХХI века.
Существующая на сегодняшний день российская технология обходится пациентам в 7,5–8 млн руб., что существенно ограничивает количество операций в год. Еще выше стоимость имплантируемых зарубежных приборов поддержки кровообращения. Для сравнения: операция по трансплантации донорского органа стоит 2,5 млн руб., то есть втрое меньше. За 20 лет, с 1998 по 2018 год, во всех российских стационарах было имплантировано 89 искусственных аппаратов, то есть в среднем по 4 в год. Если оптимизировать технологию и масштабировать производство, полагают разработчики из ИТПМ СО РАН, искусственные системы кровообращения могут стать дешевле и доступнее. Конструкция центробежного дискового насоса делает возможным такой сценарий.
Дожить до операции и не только
Применение в клинической практике механической поддержки сердца позволяет достигнуть выраженного регресса проявлений сердечной недостаточности и дождаться трансплантации донорского сердца, но все-таки сопровождается риском тромбоза и септических осложнений. Из-за большого количества осложнений при имплантации систем поддержки кровообращения работы по созданию более совершенного аппарата продолжаются постоянно во всем мире.
Приоритетной целью всех проводимых исследований в данной области является создание совершенных насосов, которые минимально травмировали бы и разрушали форменные элементы крови и не требовали больших доз антикоагулянтной (разжижающей кровь) и антиагрегантной (подавляющей образование тромбоцитов) терапии. В частности, одна из причин повышенного тромбоза — это слишком высокие обороты насоса, при которых он перегревается и белки крови сворачиваются (запекаются). Эти эффекты отчасти побеждаются медикаментозно, но снизить в допустимых пределах обороты для избежания перегрева и при этом сохранить КПД — одна из первостепенных задач при дальнейшей реализации разработки.
Системы вспомогательного кровообращения используются не только затем, чтобы пациенты могли дожить до трансплантации донорского органа. Они нужны очень большому количеству людей, которым пересадка сердца принципиально противопоказана по причине преклонного возраста, высокого давления, дисфункции почек, высокого индекса массы тела и целому ряду других. Впрочем, для подключения искусственных систем кровообращения существует не меньше других противопоказаний.
Внутреннее устройство дискового насоса
Фото: ИТПМ СО РАН
Внутреннее устройство дискового насоса
Фото: ИТПМ СО РАН
Алмазное покрытие вместо шлифовки
Вспомогательные имплантируемые системы, существующие на сегодняшний день, имеют свои ноу-хау, будь то российский «Спутник», который производит Зеленоградский инновационно-технологический центр, немецкие Jarvik 2000 и Incor, американско-европейский Heart Mate. Все они используют два основных физических принципа работы насосов, у каждого из которых свои плюсы и минусы.
Российские производители из Зеленограда делают шнековые насосы крови. В США и Европе используют в основном лопастные. Дисковые же пока не используются нигде, хотя Пенсильванский университет не так давно получил на их разработку грант и отчитался в научной статье превосходными результатами.
Вместо длительной и дорогостоящей ручной шлифовки деталей насоса из медицинского титана сибирские разработчики решили использовать напыленное на этот титан алмазоподобное покрытие. «Первый свой экспериментальный образец в рамках федерального гранта мы делали не из медицинского титана, а из нержавеющей стали, чтобы в принципе оценить возможности разработки,— рассказывает Юрий Приходько.— Нам нужно было подобрать оптимальный размер ротора, чтобы соблюсти идеальный баланс между производительностью и массой прибора».
Модель дискового ротора для расчетов
Слишком маленький ротор — будут большие обороты, то есть большой объем разрушений эритроцитов. Слишком большой — получится превышение габаритов и массы насоса, а ведь он «пришивается» на сердце пациента и должен поместиться в грудной клетке человека. В результате ученые получили расход крови от 5 л до 10 л в минуту при давлении 100–120 мм ртутного столба: 5 л в спокойном состоянии и до 10 л — при повышенных нагрузках, как и происходит в обычной жизни здорового человека. Все эксперименты проводились на настоящей донорской крови в условиях, максимально приближенных к реальным.
Испытание прототипа
Отдельная важная задача — это разработка портативного источника питания, который должен работать как можно дольше от зарядки до зарядки. Его разработкой успешно занималась новосибирская производственная наукоемкая компания НПК «Импульс-проект». Аккумуляторы большой емкости человек физически не сможет на себе носить, поэтому ограничение энергопотребления насоса в 10 Вт — это принципиальное условие. Именно такое количество тепла может рассеять человеческий организм без ущерба для здоровья. «Одним из отличительных свойств разработанного насоса является номинальная скорость вращения его ротора — 2700 оборотов в минуту, это наименьший показатель среди известных аналогов для механической поддержки сердца»,— отмечают представители компании.
В процессе совместной работы с коммерческим предприятием специалисты ИТПМ СО РАН курировали свою часть разработки, связанную с гидродинамикой, а медицинские работники ФГБУ НМИЦ им. Е. Н. Мешалкина контролировали свою область функционирования оборудования — измеряли уровень свободного гемоглобина и десятки других параметров работы сердца лабораторного животного. В результате был получен действующий образец аппарата вспомогательного кровообращения в обход левого желудочка, который на данный момент ждет лицензирования и получения разрешения на серийное производство.
Создание прототипа разработки сопровождалось публикацией научных работ, которые были выполнены в научно-исследовательском отделе хирургии аорты, коронарных и периферических артерий Института патологии кровообращения ФГБУ НМИЦ им. Е. Н. Мешалкина. Кандидат медицинских наук Максим Жульков под руководством профессора Александра Чернявского опубликовал вместе с другими участниками эксперимента 11 научных статей в медицинских журналах и защитил кандидатскую работу «Устройство вспомогательной поддержки кровообращения на основе насоса дискового типа (экспериментальное исследование)».
Ее автор отмечает, что опытный образец на базе насоса дискового типа способен развивать производительность 5–7 л/мин при минимальном числе оборотов ротора (2500–3000 оборотов в минуту) и давлении 100 мм рт. ст. «Насос вязкого трения позволяет эффективно и безопасно осуществлять длительную механическую поддержку кровообращения в живом организме по данным серии острых и субхронических экспериментов, а внутренняя поверхность дискового насоса, модифицированная алмазоподобным покрытием, обладает низкими цитотоксическими и тромбогенными свойствами»,— говорит Максим Жульков.
Полвека назад аккумуляторы сердечных насосов врачи катали за пациентом на тележке, как, собственно, и сами насосы, поскольку кровообращение во время операций на сердце обеспечивалось через внешние системы. Сегодня система стала относительно миниатюрной, но ее внешняя часть остается по-прежнему снаружи. Будущее искусственного сердца — это не только безопасный насос, но и системы бесконтактной зарядки, которые навсегда избавят пациентов от торчащих из тела проводов.