kunstigt hjerte

kunstigt hjerte

baggrund

et naturligt hjerte har to pumper, hver med to kamre. Det højre atrium pumper iltudtømt blod fra kroppen ind i højre ventrikel, som pumper det til lungerne. Det venstre atrium sender luftet blod fra lungerne ind i venstre ventrikel, som pumper det ud til kroppen. Med hvert hjerteslag trækker de to atria sig sammen efterfulgt af de store ventrikler.

kongestiv hjertesvigt, som er hjertets stadigt faldende evne til at pumpe blod, er en af de største dødsårsager. Denne sygdom er forårsaget af pludselige skader fra hjerteanfald, forringelse af virusinfektioner, ventilfejl, højt blodtryk og andre problemer. Ifølge American Heart Association lever anslået fem millioner amerikanere med hjertesvigt, og over 400.000 nye tilfælde diagnosticeres hvert år. 50% af alle patienter dør inden for fem år. Hjertesygdomme kostede den amerikanske sundhedsindustri omkring 95 milliarder dollars i 1998.

selvom medicin og kirurgiske teknikker kan hjælpe med at kontrollere symptomer, er den eneste kur mod hjertesvigt en organtransplantation. I 1998 var omkring 7.700 amerikanere på den nationale hjertetransplantationsliste, men kun 30% modtog transplantationer. Kunstige hjerter og pumpehjælpsenheder er således blevet udviklet som potentielle alternativer.

et kunstigt hjerte opretholder hjertets blodcirkulation og iltning i forskellige perioder. Det ideelle kunstige hjerte skal slå 100.000 gange hver 24.time uden at kræve smøring eller vedligeholdelse og skal have en konstant strømkilde. Det skal også pumpe hurtigere eller langsommere afhængigt af patientens aktivitet uden at forårsage infektion eller blodpropper.

de to hovedtyper af kunstige hjerter er hjerte-lungemaskinen og det mekaniske hjerte. Den første type består af en iltning og en pumpe og bruges hovedsageligt til at holde blodet flydende, mens Hjertet opereres. Denne maskine kan kun fungere i et par timer, da blodet bliver beskadiget efter længere tid.

et mekanisk hjerte er designet til at reducere den samlede arbejdsbyrde for et hjerte, der ikke længere kan arbejde med sin normale kapacitet. Disse hjerter består af udstyr, der pulserer blodet mellem hjerteslag eller bruger en kunstig hjælpeventrikel (venstre ventrikelassistentenhed, LVAD), der pumper en del af den normale hjerteudgang. Fordi sådanne anordninger normalt resulterer i komplikationer for patienten, er de generelt blevet brugt som en midlertidig erstatning, indtil naturlige hjerter kan opnås til transplantation. På verdensplan er omkring 4.000 LVAD ‘ er blevet implanteret. Markedet for disse enheder anslås til 12 milliarder dollars om året i USA.

historie

siden slutningen af det nittende århundrede har forskere forsøgt at udvikle en mekanisk enhed, der kunne genoprette ilt til blodet og fjerne overdreven kulsyre samt en pumpe til midlertidigt at erstatte hjertehandling. Det tog næsten 100 år, før den første succesfulde hjerte-lunge maskine blev brugt på et menneske af John H. Gibbon Jr.i 1953. Fire år senere blev det første kunstige hjerte (lavet af plastik) i den vestlige verden implanteret inde i en hund. National Heart Institute

A. et pneumatisk kunstigt hjerte. B. et gyro centrifugal kunstigt hjerte.

etablerede det kunstige hjerteprogram i 1964, hvilket førte til det første samlede kunstige hjerte til menneskelig brug implanteret i 1969.

vægten skiftede til venstre ventrikulære hjælpesystemer og blodkompatible materialer i 1970. I samme år blev en LVAD brugt med succes. Imidlertid fortsatte blodpumpeudviklingen, og enhederne blev mindre, lettere, mere acceptable og klinisk vellykkede. En række polyurethan – og plastpumper af langlivstid blev også udviklet. I løbet af 1980 ‘ erne indførte Food and Drug Administration (FDA) mere restriktive regler for Lov om standarder for medicinsk udstyr, hvilket førte til højere udviklingsomkostninger. Mange forskningsgrupper måtte droppe ud, med kun få tilbage i dag.

måske er den mest berømte videnskabsmand Dr. Robert Jarvik, der opfandt et kunstigt hjerte kaldet Jarvik-7. Denne enhed, fremstillet af aluminium og plast, erstattede de to nedre kamre i det naturlige hjerte og brugte to gummimembraner til pumpevirkningen. En ekstern kompressor på størrelse med et køleskab holdt det kunstige hjerte bankende. Barney Clark var den første patient, der modtog dette hjerte. Han overlevede 112 dage før fysiske komplikationer forårsaget af implantatet tog sit liv. I 1986 blev Vilhelm Schroeder den anden Jarvik-7-modtager, der overlevede i omkring 20 måneder.

det medicinske samfund indså, at et fuldstændigt implanterbart hjerte kunne undgå mobilitets-og infektionsproblemer forårsaget af Jarvik-7. I 1988 begyndte National Institutes of Health at finansiere udvikling af sådanne hjerter og støttede et sådant program i 1991 på i alt 6 millioner dollars. Tre år senere blev en elektrisk og batteridrevet implanterbar LVAD tilgængelig. I 1999 blev Charlie Chappis den første patient, der nogensinde blev frigivet fra et hospital med en sådan enhed. Andre kunstige hjerter af forskellige designs testes i øjeblikket.

råvarer

et kunstigt hjerte eller LVAD er lavet af metal, plast, keramik og dyredele. En titanium-aluminium-vanadium legering anvendes til pumpen og andre metaldele, fordi den er biokompatibel og har egnede strukturelle egenskaber. Titaniumdelene støbes på en specialiseret titaniumprocessor. Bortset fra blodkontaktflader bearbejdes titanen til en bestemt finish. Blodkontaktflader modtager en speciel belægning af titaniummikrosfærer, der binder permanent til overfladen. Med denne belægning klæber blodcellerne til overfladen og skaber en levende foring.

en blodkontaktmembran i pumpen er lavet af en speciel type polyurethan, der også er struktureret for at give blodcelleadhæsion. To rørformede transplantater er lavet af polyester (som bruges til at fastgøre enheden til aorta), og ventilerne er faktiske hjerteklapper fjernet fra en gris. Andre dele, der udgør motoren, er lavet af titanium eller andre metaller og keramik.

Design

der er flere kritiske problemer, når du designer en LVAD. Væskedynamikken i blodgennemstrømningen skal forstås, så der pumpes nok blod, og der ikke skabes blodpropper. Der skal vælges materialer, der er biokompatible; ellers kan pumpen svigte. Motorens effektivitet skal optimeres, så der genereres minimal varme. På grund af mulig afvisning skal hele enhedens samlede volumen og overfladeareal holdes så lille som muligt. En typisk LVAD vejer omkring 2,4 lb (1.200 gm) og har et volumen på 1,4 pints (660 ml).

Or. Robert Jarvik.

Robert Jarvik blev født den 11.maj 1946 i Midland, Michigan, og opvokset i Stamford, Connecticut. Han kom ind på Syracuse University i 1964, hvor han studerede arkitektur og mekanisk tegning. Efter at hans far udviklede hjertesygdom, skiftede Jarvik til præmedicin. Han dimitterede i 1968 med en bachelor of arts i naturvidenskab, men blev afvist af medicinske skoler i USA. Han kom ind på universitetet i Bologna i Italien, men forlod i 1971 for at tjene en master of arts i erhvervsmæssig biomekanik.

Jarvik ansøgte om et job ved University of Utah. Direktøren for Institut for biomedicinsk teknik og Division af kunstige organer, Villem Kolff, havde udviklet et kunstigt hjerte siden midten af 1950 ‘ erne. Jarvik begyndte som sin laboratorieassistent og tjente sin medicinske grad i 1976.

den 2.December 1982 transplanterede læger det første kunstige hjerte til et menneske. Denne plast-og aluminiumsenhed, Jarvik-7, blev implanteret i Barney Clark, som overlevede i 112 dage efter operationen. Flere andre patienter fik Jarvik-7 hjerter, men ingen levede mere end 620 dage. De største fordele var, at der ikke ville vente på et menneskeligt hjerte, og at der ikke var nogen chance for afvisning. Den åbenlyse faldgrube, der var patienter, var for evigt forbundet med en trykluftsmaskine via rør.

Jarvik-7 blev til sidst brugt som et stopgap-mål for patienter, der ventede på naturlige hjerter og gav håb om, at der ikke ville vente på transplantationer. I 1998 fortsatte Jarvik arbejdet med en selvstændig enhed, der skulle implanteres i en persons syge hjerte for at få det til at fungere korrekt.

fremstillingsprocessen

• 1 De fleste af komponenterne er lavet til brugerdefinerede specifikationer af tredjepartsproducenter, herunder maskinbutikker og printkortproducenter. Svineventilerne sys inde i transplantaterne med suturer hos et medicinsk udstyrsfirma, der er specialiseret i hjerteklapper.

  når alle komponenter er opnået, samles og testes LVAD-systemet for at sikre, at hver enhed opfylder alle SPECIFIKATIONER. Når den er testet, kan LVAD steriliseres og pakkes til forsendelse.

danner polyurethan dele

• 2 nogle kunstige hjerteproducenter fremstiller deres egne polyurethandele. En proces anvender en proprietær flydende opløsning, der hældes på en keramisk dorn lag for lag. Hvert lag opvarmes og tørres, indtil den ønskede tykkelse er nået. Delen fjernes derefter fra dornen og inspiceres. Ellers bruger en tredjepartsproducent en sprøjtestøbning eller vakuumstøbningsproces kombineret med radiofrekvenssvejsning.

samling

• 3 hvert kunstigt hjerte tager flere dage at sammensætte og teste. Samleprocessen udføres i et rent rum for at undgå forurening. Hvert kunstigt hjerte består af op til 50 komponenter, der er sammensat ved hjælp af specielle klæbemidler. Disse klæbemidler kræver hærdning ved høje temperaturer. Flere samleprocesser sker parallelt, herunder samling af motorhuset og komponenter, samling af det perkutane rør og fastgørelse af skubbepladerne til polyurethanmembranen. Disse delsystemer inspiceres individuelt, så sker den endelige samling af det komplette system. Transplantaterne samles separat og fastgøres under drift.

test

• 4 når samlingen er afsluttet, testes hver enhed ved hjælp af specielt udstyr, der simulerer Tryk i kroppen. Alle elektroniske komponenter testes med elektronisk testudstyr for at sikre, at alle kredsløb fungerer korrekt.

sterilisering / emballering

• 5 Efter at det kunstige hjerte er testet og passerer, sendes det til en ekstern service til sterilisering. Hver enhed er forseglet i plastbakker og returneret til hjerteproducenten. Det pakkes derefter i brugerdefinerede kufferter for at beskytte det mod forurening og forhindre skader.

kvalitetskontrol

de fleste komponenter har allerede bestået inspektion, før de ankommer til hjerteproducenten. Nogle komponenter inspiceres stadig dimensionelt, da de kræver stramme tolerancer—i størrelsesordenen milliontedele tomme, hvilket kræver specielle måleværktøjer. For at overholde FDA-reglerne styres hver komponent (inklusive klæbemidler), der bruges i processen, af parti og serienummer, så sporingsproblemer er mulige.

biprodukter/affald

skrot titanium genvindes og genanvendes efter omsmeltning og omarbejdning. Ellers produceres der lidt affald, da de fleste komponenter har bestået inspektion, inden de forlader de forskellige producenter. Andre defekte dele kasseres. Når en enhed er blevet brugt af en patient, sendes den tilbage til hjerteproducenten til analyse for at forbedre designet.

fremtiden

inden for det næste årti kommer en række nye enheder på markedet. Pennsylvania State University forskere udvikler et elektromekanisk hjerte drevet af radiofrekvensenergi, der overføres gennem huden. En motor driver push plader, som veksler i at trykke mod plast blodfyldte sække til at simulere pumpning. Patienter bærer en batteripakke i løbet af dagen og sover med enheden tilsluttet en stikkontakt. Dette kunstige hjerte vil blive testet hos mennesker inden 2001.

flere forskningsgrupper Udvikler pumper, der cirkulerer blod kontinuerligt, snarere end at bruge en pumpehandling, da disse pumper er mindre og mere effektive. I Australien Udvikler Micromedical Industries Limited en kontinuerlig roterende blodpumpe, som forventes at blive implanteret i et menneske inden 2001. Ohio State University ‘ s cardiology department udvikler en plastikpumpe på størrelse med en hockeypuck, der er selvregulerende. Denne pumpe implanteres hos patienter i flere uger, indtil deres eget hjerte kommer sig.

Thermo Cardiosystems, Inc. arbejder også på en LVAD med en kontinuerlig strømningsrotationspumpe), forventes at blive implanteret engang i 2000, og en LVAD med en kontinuerlig strømningscentrifugalpumpe. Sidstnævnte er stadig i en tidlig udviklingsfase, men er planlagt til at være verdens første bæreløse pumpe, hvilket betyder, at den ikke har nogen dele, der bærer. Dette opnås ved magnetisk suspension af pumpens rotor. Begge disse enheder vil være tilgængelige med transkutan energioverførsel, hvilket betyder, at enhederne vil være fuldt implanterbare.

med færre donorhjerter bliver tilgængelige, Udvikler andre også et kunstigt hjerte, der er en permanent erstatning. Disse udskiftninger kan være i form af en venstre ventrikelassistentanordning eller et totalt kunstigt hjerte, afhængigt af patientens fysiske tilstand. Lvads udvikles af opfinderen Robert Jarvik og den berømte hjertekirurg Michael DeBakey. Total artificial hearts er ved at blive udviklet i fællesskab af Abiomed, Inc. i Massachusetts. I Japan udvikler forskere samlede kunstige hjerter baseret på et silikone kugleventil system og en centrifugalpumpe med et lejesystem lavet af alumina keramik og polyethylen komponenter.

alternativer til kunstige hjerter og hjerteassistentpumper er også under udvikling. For eksempel er der opfundet en speciel klemme, der ændrer formen på et sygt hjerte, hvilket forventes at forbedre pumpeeffektiviteten med op til 30%. En sådan anordning kræver minimal invasiv kirurgi at implantere.