Развитие технологий искусственных сердец

Министерство науки и образования Российской Федерации

ФГАОУ ВПО «Уральский Федеральный Университет

им. первого Президента России Б.Н. Ельцина»

Физико-технический факультет

Кафедра «Вычислительной техники»

Реферат по дисциплине

«Медицинская информатика»

Развитие технологий искусственных сердец

Преподаватель: Каримова О.Х.

Исполнитель: Проскурина А.К.

студентка гр. Фт-200801

Екатеринбург

Содержание

Введение

.        Литературный обзор

.1       Описание Аналога 1

.2       Описание Аналога 2

.3       Описание Аналога 3

.        Критерии оценки

.1       Выбор критериев, расстановка весовых коэффициентов

.2       Выбор шкалы оценок

.        Оценка аналогов. Выбор прототипа

.        Моделирование прототипа

.1       Гипотезы по преодолению недостатков прототипа

Заключение

Библиографический список

Введение

Тема исследования - «Развитие технологий искусственных сердец».

Целью реферата является поиск наилучшего искусственного сердца по всем критериям.

Для реализации цели поставлены следующие задачи:

) сделать литературный обзор по теме «Искусственные сердца»

) обозначить критерии, по которым будут исследованы несколько аналогов

) отобрать наиболее лучший аналог

) выяснить преимущества и недостатки

) моделирование прототипа

Объект исследования - искусственные сердца

Теоретическая значимость - результаты исследования можно использовать в будущем для развития идей. Практическая значимость - результаты исследования можно использовать в будущем для развития технологий. Актуальность. Заболевания сердца ежегодно уносят до 17 млн жизней во всем мире. 20 тыс. человек ежегодно умирают только в США, не дождавшись пересадки донорского сердца.

Новое сердце предназначено в первую очередь пациентам, которые перенесли обширный инфаркт и у которых наблюдаются регулярные остановки сердца, а также тем, кому не помогают медикаментозное лечение, искусственные водители ритма или невозможна пересадка донорского сердца. Сегодняшнее поколение искусственных сердец - устройства размером с большой палец, которые имплантируются в грудную клетку и перекачивают кровь из полости сердца в аорту. Эти устройства приходится перезаряжать, используя для этого внешний источник питания. С 2000 года в США такие «желудочковые протезы» хирурги пересадили 220 пациентам. Чаще всего такой протез используется для того, чтобы пациент смог дожить до момента пересадки донорского сердца.

1. Литературный обзор

Выделим аналоги: механические устройства, позволяющее временно заменить насосную функцию собственного сердца больного, когда оно становится неспособным выполнять требуемую работу по обеспечению организма достаточным количеством крови - искусственные сердца.

1.       Электрическое сердце «AbioCor» компании «Abiomed (штат Массачусетс)»;

2.       Искусственное сердце «HeartWare» в Немецком Кардиологическом Центре в Берлине;

.        Искусственное сердце «HeartAssist 5 PediatricVAD» компании «MicroMedCardiovascular».

1.1    Описание Аналога 1

Искусственное сердце AbioCor предназначено для тех больных, которым уже нельзя вылечить собственное сердце или имплантировать донорское. Как правило, в течение месяца такие пациенты умирают. Но теперь с помощью нового устройства летальный исход можно значительно отсрочить. Имплантировать AbioCor можно только больным, чей рост не ниже 182 сантиметров, а вес - не меньше 77 кг. Поэтому женщинам пока AbioCorI вживлять не будут.

выполнен из титана и пластика, его вес составляет 907 граммов. Внутренний литиевый аккумулятор и контроллер аппарата вживляются в тело - в брюшную полость, а зарядное устройство имплантируется недалеко от нового сердца, в грудную полость. На пояс пациент надевает два внешних литиевых аккумулятора (по 2.6 кг каждый), которые питаются от электросети и подзаряжают искусственное сердце через кожу.

Заряда внутренней батареи хватает на час работы AbioCor, а внешние аккумуляторы позволяют сердцу работать четыре часа в автономном режиме.

Аппарат прошёл клинические испытания на четырнадцати пациентах, которым AbioCor продлил жизнь, в среднем, на 4,5 месяца. Двое больных с искусственным сердцем показали отличные результаты - они прожили после имплантации десять и семнадцать месяцев.

Цена AbioCor составляет около 25 тыс. долларов США, сообщает DailyNewsCentral. Однако учёные надеются вскоре усовершенствовать прибор, что приведёт к снижению его себестоимости. В настоящее время специалисты компании Abiomed работают над созданием ещё одной модели искусственного сердца. Новое устройство по размерам будет на треть меньше AbioCor и, как ожидают разработчики, сможет продлить срок жизни тяжелобольных на пять лет.

В настоящее время разработан AbioCor II, у которогоклинические испытания начались в 2008 году. Продолжительность службы аппарата достигает пяти лет. Новый вариант искусственного сердца меньше предыдущего на 35 %, что позволяет имплантировать его женщинам. Предприняты меры, которые должны снизить вероятность развития инсульта, что было одним из замечаний контролирующих инстанций к первой модели AbioCor.

1.2    Описание Аналога 2

Искусственное сердце или искусственные желудочки применяются у больных в терминальной стадии сердечной недостаточности для спасения их жизни и поддержки кровообращения до того момента, когда найдется подходящей для пересадки сердца донорский орган. У некоторых больных с противопоказаниями для пересадки сердца (возраст, сопутствующие заболевания и т.д.) искусственное сердце может быть имплантировано как окончательный вариант. В нашем Центре в настоящее время после имплантации искусственного сердца более 200 пациентов наблюдались или ещё наблюдаются уже более года и более 50 пациентов более трёх лет. Эти больные находятся в кругу семьи или работают по своей прежней специальности. Более 10 больных находятся на искусственном сердце свыше 5 лет. В редких случаях, особенно после операций на ослабленном сердце или при остром массивном инфаркте миокарда, в течение нескольких дней применяется кратковременная механическая поддержка ослабевшего сердца.

HeartWare - это своеобразный насос, который всасывает кровь из левого желудочка и вбрасывает ее в аорту. При этом двигатель насоса совершает 2700 оборотов в минуту. Питается прибор от миниатюрных батареек, которые размещаются на плече или поясе больного.

Аппарат будет функционировать, если регулярно заряжать батарейку (т.е. неограниченное количество раз).

Особое место занимает применение искусственного сердца у детей. В нашем Центре разработана и успешно имплантируется пациентам система BerlinHeart. Эта система может применяться у новорождённых с весом от 2000 граммов.

Недавно была разработана и успешно применена у 16 больных методика имплантации левостороннего насоса в качестве бивентрикулярной поддержки.

Приблизительная цена 20 тыс. долларов.

У больных с бивентрикулярной недостаточностью мы имплантируем после определенной модификации внутри перикарда два насоса типа HeartWare. Если раньше больным приходилось тянуть за собой тележки с компрессом весом 20 кг, и у них на животе снаружи тела находились 2 искусственных желудочка, то сейчас подобные больные носят две сумки через плечо (обе по 2,5 кг), соединенных тонким кабелем с насосами внутри грудной клетки.

1.3    Описание Аналога 3

В каждом очередном поколении искусственных сердец разработчики стараются уменьшить габариты и вес, сделать механизм менее травматичным для крови и повысить долговечность агрегата. Любое достижение в данной сфере - это дополнительные месяцы чьей-то жизни.5 Pediatric VAD - последнее поколение искусственного сердца от MicroMed, вариант для детей. Вес насоса составляет всего 92 грамма, а его размеры 7,1 х 3 сантиметра. Вес всего имплантата (включая трубки и датчик потока) - 235 граммов. Производительность может меняться от 1 до 10 литров в минуту. Снаружи тела находится сумка через плечо, весом в 4 кг. Это единственное педиатрическое устройство VAD, одобренное к применению в США и Европе.

Ныне изделия MicroMed эволюционировали. Особое внимание инженеры и учёные уделили гидродинамике потока крови внутри насоса - на самом микроскопическом уровне. Подшипники, лезвия турбины и другие элементы получили изменения, призванные сгладить ток.

Аппарат от MicroMed перегоняет кровь из левого желудочка в аорту, то есть служит вспомогательным устройством, облегчающим работу больному органу. У компании есть разные варианты этого насоса, отличающиеся немного размерами: для взрослых и детей

На установку имплантата медики идут, когда иные варианты уже исчерпаны. И любое новое устройство, которое продлит жизнь умирающего хоть ещё на сколько-нибудь (а значит, увеличит его шанс на получение донорского органа), - окажется поистине королевским подарком.

Достоинством нового аппарата считается гарантия, что организм больного не отторгнет новое сердце, как часто бывает с искусственными и донорскими сердцами. Аппарат может функционировать, если регулярно заряжать батарейку. Это можно делать неограниченное количество раз. На экспериментальной стадии каждое искусственное сердце будет стоить от 80 до 93 тыс. долларов.

искусственный сердце аналог прототип

2. Критерии оценки

2.1    Выбор критериев, расстановка весовых коэффициентов

Критерии, по которым из всех предложенных аналогов выбирается прототип:

2)      Кому можно имплантировать (И)

)        Полная или частичная замена больного сердца (З)

)        Вес внешних аккумуляторов (В)

Чтобы воспользоваться методом попарного сравнения критериев, используем шкалу:

- критерии равнозначны

- промежуточное значение между равенством и слабым превосходством

- слабое превосходство 1ого критерия над 2м

- промежуточное значение между слабым превосходством и сильным

- сильное превосходство 1ого над 2м

- промежуточное значение между сильным превосходством и значительным

- значительное превосходство 1ого над 2м

- промежуточное значение между значительным превосходством и абсолютным

- абсолютное превосходство 1ого над 2м

Формула, по которой считаются весовые коэффициенты :

Таблица 2. Матрица попарного сравнения критериев

2.2    Выбор шкалы оценок

Аналогам по каждому из критериев были поставлены оценки от 0 до 1.

Шкала оценок:

 = ;

 = ;

 = ;

 = ;

3       Оценка аналогов. Выбор прототипа

Результат оценки аналогов приведен в таблице:

Таблица 1. Оценка аналогов

Таблица взвешенных оценок. Интегральная оценка рассчитывается по формуле

, где  и

Таблица 3. Взвешенные оценки аналогов

В результате оценки аналогов по выбранным критериям был выбран прототип - аналог, набравший наибольшую сумму баллов по критериям, наиболее близкий по технической сущности (по смыслу) и по достигаемому эффекту аналог.

После оценки каждого из аналогов в соответствии с установленными критериями был выбран прототип, набравший наибольшее количество баллов - Искусственное сердце «HeartWare» немецкого кардиологического центра в Берлине. Этот имплантат наиболее удобен в использовании и наиболее надежен.

4       Моделирование прототипа

Структурная схема прототипа выглядит следующим образом:

Рисунок 1

- Насос «HeartWare»

- Аккумуляторная батарея для подачи тока

- Входное устройство: электронные сенсоры, которые реагируют на изменения давления, густоты крови.

- Анализатор, сравнение с заложенными стандартными значениями показателей с поступившими данными

- Корректор, с учетом полученных данных от анализатора регулировка уровня притока крови.

HeartWare - это своеобразный насос, который всасывает кровь из левого желудочка и вбрасывает ее в аорту. При этом двигатель насоса совершает 2700 оборотов в минуту. Питается прибор от миниатюрных батареек, которые размещаются на плече или поясе больного.

Главным недостатком любого искусственного сердца является его постоянная подзарядка, без которой сердце может остановиться. Носить большой аккумулятор тоже неудобно.

4.1    Гипотезы по преодолению недостатков прототипа

Для того, чтобы можно было как можно дольше не подзаряжать батарею, нужно применить более энергоемкий аккумулятор и снизить потребление энергии.

Таким образом, схема прототипа с дополнительным параметрами будет выглядеть следующим образом:

Рисунок 2

0 - Насос «HeartWare»

- Улучшенная аккумуляторная батарея.

- Входное устройство: электронные сенсоры, которые реагируют на изменения давления, густоты крови.

- Анализатор, сравнение с заложенными стандартными значениями показателей с поступившими данными

- Корректор, с учетом полученных данных от анализатора регулировка уровня притока крови.

Основной целью является замена аккумуляторной батареи и более правильное распределение энергии. Батарея должна быть минимального размера, веса, но в то же самое время и более энергоемкая.

Заключение

Необходимость в применении искусственного сердца возникает при ишемической болезни сердца (после тяжелых осложнений инфаркта миокарда), при некоторых формах дилатационной кардиомиопатии, у больных, ожидающих пересадки сердца, а также после операции на открытом сердце, когда не удается отключить больного от аппарата искусственного кровообращения.

Целью реферата являлся поиск искусственного сердца с наиболее продвинутыми технологиями, а именно, были выявлены аналоги этих аппаратов. После оценки аналогов был выявлен прототип, была проведена его критика и выдвинута гипотеза по устранению недостатков. Таким образом, была получена структурная схема искусственного сердца. Цель реферата достигнута.

Библиографический список

1)   Искусственное сердце AbioCor продлит жизнь умирающим (Компьюлента) http://science.compulenta.ru/285322/

2)      Сайт разработчиков AbioCor http://www.abiomed.com/products/heart_replacement.cfm

3)      AbioCor (Википедия) http://ru.wikipedia.org/wiki/Abiocor

)        Искусственное сердце (Немецкий кардиологический центр в Берлине) http://www.dhzb.ru/artifcard.htm#1

5)      Двойная турбина продлит жизнь пациентам без пульса <http://www.membrana.ru/articles/health/2008/10/16/181700.html>