Искусственные органы и их элементы

Технические средства реабилитации и восстановления утраченных функций

Технические средства реабилитации и восстановления утраченных функций составляют достаточно большой и самостоятельный класс медицинской техники. На этапе реабилитации решаются задачи стимулирования отдельных органов и систем, для чего используется либо специально разрабатываемая техника, либо традиционное физиотерапевтическое оборудование. Средства восстановления утраченных функций заменяют в функциональном отношении отдельные органы и даже целые физиологические системы организма.

Искусственные органы и их элементы

Искусственные органы и их элементы можно разделить на два больших класса: 1) аппаратура искусственного экстракорпорального (вне организма) жизнеобеспечения; 2) имплантируемые искусственные элементы органов и систем. Экстракорпоральные аппараты и системы составляют довольно обширный и самостоятельный класс медицинской техники. К ним относятся такие аппараты и системы, как: «искусственное легкое», «искусственная почка», «искусственное кровообращение», «искусственное сердце» и др. Известны комбинированные аппараты, сочетающие в себе несколько функций, например: в отделениях реанимации используют аппараты, сочетающие в себе одновременно реализуемые функции «искусственного кровообращения» и «искусственного легкого».

9.2 Имплантируемые биостимуляторы

Наиболее широкое распространение в медицинской практике получили имплантируемые кардиостимуляторы, которые работают в организме более чем у полумиллиона пациентов. Этот класс биостимуляторов применяется при различных нарушениях автоматизма работы сердца.

Имплантируемый электрокардиостимулятор состоит из двух частей: стимулятора (герметичный корпус с источником питания и деталями электрической схемы) и электродов.

Объем корпуса стимулятора, не превышает 50-60 см³, толщина не более 10 мм, масса 100-150 гр. Для стимуляции желудочков сердца применяются прямоугольные импульсы напряжением 3-5 В. Длительность импульсов составляет около 1 мс, частота повторения 70 имп/мин.

Первые электрокардиостимуляторы были рассчитаны на асинхронный режим работы. Их недостаток связан с невозможностью восстановления нормального ритма при стимуляции проводимости нервных путей от предсердия к желудочку. В этом случае возникают два конкурирующих ритма собственный (естественный) и внешний (принудительный). В результате нарушается нормальная работа сердца, в некоторых случаях может даже наступить фибрилляция желудочков. Указанного недостатка лишены биоуправляемые электрокардиостимуляторы.

В биоуправляемых электрокардиостимуляторах управление может осуществляться либо от Р-волны, либо от R-зубца электрокардиограммы, то есть соответственно от потенциалов сокращения предсердия либо желудочка. Среди Р-управляемых электрокардиостимуляторов наиболее распространены Р-синхронизированные. Генератор импульсов этих стимуляторов синхронизирован с Р-волной, которая воспринимается специальным предсердным электродом. После усиления управляющий сигнал запускает генератор импульсов.Импульс на выходе стимулятора появляется с задержкой порядка 120 мс, что соответствует времени распространения волны возбуждения по нервной системе сердца. В случае если частота сокращений предсердий становится менее 70 или более 140 ударов в минуту стимулятор переходит на фиксированный ритм.

Наибольшее распространение получили кардиостимуляторы, управляемые R-зубцом (R-запрещающие стимуляторы или стимуляторы «по требованию»). Такой стимулятор генерирует стимулирующий импульс, только если частота сокращений сердца становится ниже определенного значения (обычно 70 ударов в минуту). При нормальной естественной активности генератор импульсов заперт. R-синхронизированные стимуляторы создают импульсы, синхронные с R-зубцом. При нормальной частоте сокращений стимулирующий импульс попадает в абсолютную рефракторную фазу сокращения мышцы желудочка, и поэтому не оказывает какого-либо влияния на ее работу При снижении частоты сокращений ниже допустимого предела стимулятор переходит на фиксированный ритм. R-синхронизированные стимуляторы выполнят те же функции, что и R-запрещающие, но постоянно генерируют импульсы, что приводит к увеличению потребляемой энергии. По этой причине эти стимуляторы малоперспективны.

Электроды кардиостимуляторов подвергаются в течение длительного времени механическим (вызванным сокращением сердца) и химическим воздействиям и в значительной степени определяют надежность и долговечность стимулятора. Классификация электродов:

- По способу соединения с сердцем: миакардиальные (вводятся в мышцу сердца, требуется вскрытие грудной клетки) и эндокардиальные (вводятся в полость сердца через вену);

- В зависимости от вида электрической цепи: монополярные (мышцу сердца соединяют с отрицательным выходом стимулятора) и биполярные (два полюса, контактирующие с сердцем, соединены соответственно с положительным и отрицательным выходами стимулятора).

(Рисунок) Контактные наконечники 1 миокардиальных электродов расположены под прямым углом по отношению к проводнику 3 и имеют рабочую поверхность порядка 20 мм². Для защиты проводника от изгиба наконечник укрепляется в головке из силиконовой резины 2 (рисунок а: подшиваемая головка миокардиальных электродов: после введения в миокард подшивается к нему через отверстие в головке. Также получил распространение наконечник в виде штопора (рисунок б – бесшовная: 1 – наконечник, 2 – головка из силикона, 3 – провод, 4 – сетчатый диск), ввертываемого в мышцу сердца. Головка имеет сетчатый диск 4, обрастающий тканью. Такой наконечник не нуждается в подшивании, что упрощает и ускоряет его установку.

Наконечники изготавливаются из платины, платиноиридиевого сплава или сплавов на основе никеля и кобальта. Проводники обычно выполняют в виде спирали из нескольких платиноиридиевых проволок. Конструкция корпуса имплантируемого стимулятора должна обеспечивать герметичность и химическую инертность по отношению к тканям организма. Наиболее часто применяются заливка деталей и элементов схемы эпоксидной смолой, либо опрессовка их силиконовой резиной. В связи с необходимостью защиты от внешних помех используются также корпуса из нержавеющей стали или титана.

Больные с имплантированным кардиостимулятором должны периодически проходить обследование с целью выявления возможных изменений в состоянии стимулятора. Обычно обследования проводят через 5-6 месяцев в течение первой половины гарантируемого срока службы, затем через 3-4 месяца, за исключением последних 20% срока службы, когда обследования проводятся ежемесячно.

Источники питания имплантируемых электрокардиостимуляторов должны при малой массе и габаритах иметь емкость, достаточную для длительной и надежной работы стимуляторов. Используют следующие виды элементов питания: ртутно-цинковые батареи (срок службы 2-3 года), литий-ионные батареи (5-7 лет), ядерные источники питания (более 10 лет).

Влияние на работу стимулятора различного рода источников помех. Биоуправляемые стимуляторы более чувствительны к внешним помехам, чем асинхронные (наличие у них усилителя, рассчитанного на сигналы порядка нескольких милливольт). Так, например, действие помехи на асинхронный стимулятор может привести к некоторому увеличению частоты следования импульсов. В случае же R-запрещаюшего стимулятора сигнал помехи может быть воспринят как собственная электрическая активность сердца, в результате чего прекратится подача импульсов и пациент окажется без какой-либо внешней стимуляции. Меры по повышению помехоустойчивости электрокардиостимуляторов: экранирование электрической части стимулятора; использование фильтров, защищающих устройство от ВЧ полей.

Рисунок.В качестве примера имплантируемого асинхронного электрокардиостимулятора рассмотрим схематическую реализацию прибора типа ЭКС-4, предназначенного для лечения стойкой атриовентрикулярной блокады сердца. Этот стимулятор пригоден для работы как с эндокардиальными, так и с миокардиалъными электродами.

Технические характеристики ЭКС-4: амплитуда прямоугольного импульса 4.5 В; длительность импульса 1 мс; длительность фронта 0.1 мс; длительность среза 0.2 мс; частота повторения импульсов 60-75 имп/мин; габариты 50х51х15 мм; масса 155 г.

Источником импульсов - транзистор VТ1 (блокинг-генератор). Трансформатора Т1 - задание длительности импульса, R1 и С1 определяют частоту повторения импульсов. Блокинг-генератор создает на базе транзистора VT2 отрицательный импульс и открывает его; при этом конденсатор С2 частично разряжается через ключ и нагрузку (сопротивление сердечной мышцы), создавая на ней стимулирующий импульс. В промежутках между импульсами конденсатор С2 подзаряжается через резистор R2 и нагрузку. Источник питания - ртутно-цинковые батареи Е1 и Е2. Диоды VD1 и VD2 - для равномерного расхода энергии батарей (поочередно). Корпус из нержавеющей стали. Корпус является анодом и с ним соединен минусовый полюс источника питания. Эндокардиальный или миокардиальный электрод является катодом и присоединяется к стимулятору.

Рисунок. Монополярный электрокардиостимулятор типа VVI со схемой, выключающей генератор, если частота сердечных сокращений превышает некоторый заданный верхний порог

Генератор (Г), формирователь длительности (ФД) и усилитель мощности (УМ) обеспечивают стимуляцию сердца (С) в заданном режиме. Усилитель (У), формирователь времени нечувствительности (ФВН) и фильтр высоких частот (ФВЧ) обеспечивают асинхронный режим работы стимулятора. Усилитель усиливает внутриполостной электрокардиосигнал, образуемый при сокращении желудочка. Учитывая, что асинхронная часть схемы не должна реагировать на выходные сигналы в течение некоторого времени после подачи стимулирующего импульса (300...380 мс), в схему введен формирователь времени нечувствительности, организующий требуемую задержку. В зоне действия относительно высокочастотных полей (обычно 50 ГЦ и более) возможно их усиление со срабатыванием асинхронной цепи, выключающей работу генератора импульса, что прекратит стимуляцию сердца. Для предотвращения этого эффекта в схему введен фильтр высоких частот подавляющий внешние помехи, не давая выключиться генератору. Таким образом, асинхронная часть схемы выключит генератор только в том случае, если естественная активность сердца превысит некоторое пороговое значение, и уровень высокочастотных помех не нарушит нормальной работы электрокардиостимулятора.

Рисунок Электрокардиостимулятор типа VAT (P – синхронный закон стимуляции)

Особенность этой схемы - при уменьшении амплитуды сигнала в цепи обратной связи (например, из-за потери чувствительности предсердного электрода при его зарастании мышечной тканью) цепь асинхронного управления перестает отключать генератор и схема переходит на асинхронный режим работы.

Рисунок Электрокардиостимулятор типа VDD (P – синхронная стимуляция с R - запрещ-м управлением).

Функции Р-синхронного электрокардиостимулятора совмещены с функциями электрокардиостимулятора R-запрещающего типа, что обеспечивается наличием полной цепи Р-синхронной схемы и дополнительной схемой, содержащей второй усилитель (У2)‚ второй формирователь времени нечувствительности (ФВН2) и второй фильтр верхней частоты (ФВЧ2). R-запрещающее воздействие осуществляется через вторые входы устройства задержки и генератора.

Рисунок.Электрокардиостимуляторы асинхронного типа (DOO) осуществляют асинхронную стимуляцию предсердия и синхронную с задержкой стимуляцию желудочка.

Генератор (Г), устройство задержки (УсЗ) и две выходные ступени с формирователями длительности (ФД1 и ФД2) и усилителями мощности (УМ1 и УМ2).

В настоящее время отечественная промышленность выпускает ряд современных электрокардиостимуляторов, среди которых можно выделить модели «Юниор» и «ЭКС 3000». Домашнее задание: основные технические характеристики и внешний вид аппаратов «ЭКС 3000» и «Юнион»