人工心臓

人工心臓

背景

自然の心臓には2つのポンプがあり、それぞれに2つのチャンバーがあります。 右心房は、酸素が枯渇した血液を体から右心室に送り込み、肺に送ります。 左心房は、肺からの通気された血液を左心室に送り、それを体に送り出す。 各心拍では、2つの心房が一緒に収縮し、その後に大きな心室が続きます。

心臓が血液を送り出す能力が着実に低下している鬱血性心不全は、主要な死因の一つである。 この病気は、心臓発作による突然の損傷、ウイルス感染による悪化、弁の機能不全、高血圧および他の問題によって引き起こされる。 米国心臓協会によると、推定500万人のアメリカ人が心不全で生活しており、毎年400,000以上の新しい症例が診断されています。 すべての患者の約50％が5年以内に死亡する。 心臓病は、米国の健康産業に約9 95億1998年に要しました。

薬物療法と外科的技術は症状をコントロールするのに役立ちますが、心不全の唯一の治療法は臓器移植です。 1998年には、約7,700人のアメリカ人が全国の心臓移植リストに載っていましたが、移植を受けたのは30％だけでした。 人工心臓とポンプアシスト装置は、このように潜在的な選択肢として開発されています。

人工心臓は、様々な期間にわたって心臓の血液循環と酸素化を維持します。 理想的な人工心臓は、潤滑やメンテナンスを必要とせずに24時間ごとに100,000回打つ必要があり、一定の電源を持っている必要があります。 また、感染や血栓のいずれかを引き起こすことなく、患者の活動に応じて、より速くまたはより遅くポンプする必要があります。

人工心臓の二つの主要なタイプは、心肺装置と機械心臓です。 最初のタイプは、酸素供給器とポンプで構成され、主に心臓が作動している間に血液の流れを維持するために使用されます。 この機械は少数の時間血がより長い時の後で傷つくようになるのでだけ作動できます。

機械的な心臓は、もはや通常の能力で働くことができない心臓の総作業負荷を軽減するように設計されています。 これらの心臓は、拍動の間に血液をパルスする装置、または正常な心拍出量の一部をポンプで送る人工補助心室（左心室補助装置、LVAD）を使用する装置で構成されている。 そのような装置は、通常、患者に合併症をもたらすので、それらは、一般に、移植のために自然の心臓が得られるまで、一時的な代替品として使用されて 世界中で約4,000人のLVADsが移植されている。 これらのデバイスの市場は、米国では年間120億ドルと推定されています。

歴史

19世紀後半以来、科学者たちは、血液に酸素を回復させ、過剰な二酸化炭素を除去することができる機械装置と、一時的に心臓の作用に取って代わられるポンプを開発しようとしてきました。 最初の成功した心肺装置が1953年にJohn H.Gibbon Jr.によって人間に使用されるまでには、ほぼ100年かかりました。 四年後、西洋世界で最初の人工心臓（プラスチック製）が犬の中に移植されました。 国立心臓研究所

は1964年に人工心臓プログラムを設立し、1969年に人工心臓を移植した最初の人工心臓です。

1970年に左心室補助システムと血液適合性材料に重点が移った。 同じ年に、LVADが正常に使用されました。 しかし、血液ポンプの開発は続けられ、装置はより小さく、より軽く、より受け入れられ、臨床的に成功した。 長命の時間のいくつかのポリウレタンおよびプラスチックポンプはまた開発されました。 1980年代には、食品医薬品局（FDA）は、より高い開発コストにつながる、医療機器基準法に、より制限的なルールを課しました。 多くの研究グループが中退しなければならず、今日は少数しか残っていませんでした。

おそらく最も有名な科学者は、Jarvik-7と呼ばれる人工心臓を発明したRobert Jarvik博士です。 アルミニウムおよびプラスチックからなされるこの装置は自然な中心の2つのより低い部屋を取り替え、ポンプ行為のために2つのゴム製ダイヤフラムを使用した。 冷蔵庫の大きさの外部圧縮機は、人工心臓の鼓動を保ちました。 バーニー-クラークはこの心臓を受け取った最初の患者でした。 彼はインプラントによって引き起こされた物理的な合併症が彼の命を奪った前に112日を生き延びた。 1986年、ウィリアム-シュローダーは第二のJarvik-7レシピエントとなり、約20ヶ月間生存した。

医療界は、完全に移植可能な心臓がJarvik-7によって引き起こされる移動性および感染の問題を避けることができることに気づいた。 1988年、国立衛生研究所はそのような心臓の開発に資金を提供し始め、1991年にそのようなプログラムを合計6万ドルで支援していました。 3年後には、電気式および電池式の移植可能なLVADが利用可能になりました。 1999年、Charlie Chappisは、このような装置で病院から解放された最初の患者になりました。 様々なデザインの他の人工心臓が現在テストされています。

原材料

人工心臓またはLVADは、金属、プラスチック、セラミック、および動物の部品から作られています。 チタン-アルミニウム-バナジウム合金は、生体適合性であり、適切な構造特性を有するため、ポンプおよび他の金属部品に使用される。 チタニウムの部品は専門にされたチタニウムプロセッサで投げられる。 血液接触面を除いて、チタンは特定の仕上げに機械加工されています。 血接触の表面は表面に永久に結ぶチタニウムのmicrospheresの特別なコーティングを受け取る。 このコーティングでは、血液細胞が表面に付着し、生きている裏地を作り出します。

ポンプ内の血液接触ダイアフラムは、血液細胞の付着を提供するためにテクスチャ加工された特殊なタイプのポリウレタンから作られています。 二つの管状移植片は、（大動脈に装置を取り付けるために使用される）ポリエステルから作られ、バルブは、豚から除去された実際の心臓弁である。 モーターを構成する他の部品はチタニウムか他の金属および製陶術からなされます。

設計

LVADを設計する際には、いくつかの重要な問題があります。 血流の流体力学は、十分な血液が汲み出され、血栓が作られないように理解されなければならない。 材料はbiocompatibleである選ばれなければなりません;さもなければポンプは失敗できます。 モーターの効率は最低の熱が発生するように最大限に活用されなければならない。 拒絶反応の可能性があるため、デバイス全体の総体積および表面積はできるだけ小さく保つ必要があります。 典型的なLVADの重量は約2.4ポンド（1,200gm）で、容量は1.4パイント（660ml）です。

• 1 部品のほとんどは機械工場およびプリント基板の製造業者を含む第三者の製造業者によって注文の指定に、なされます。 ブタ弁は中心弁を専門にする医療機器の会社で縫合線が付いている接木の中で縫われます。

  すべての部品を入手したら、LVADシステムを組み立ててテストし、各デバイスがすべての仕様を満たしていることを確認します。 一度テストされて、LVADは郵送物のために殺菌し、包むことができる。

ポリウレタン部品の形成

• 2 一部の人工心臓メーカーは独自のポリウレタン部品を製造しています。 一つのプロセスは、層ごとにセラミックマンドレル層に注がれる独自の液体溶液を使用しています。 各層を加熱し、所望の厚さに達するまで乾燥させる。 部品は心棒からそれから取除かれ、点検されます。 さもなければ、第三者の製造業者は無線周波数の溶接と結合される射出成形か真空の鋳造物プロセスを使用します。

• 3 それぞれの人工心臓は、一緒に入れてテストするために数日かかります。 組立工程はクリーンルームで汚染を避けるために行われる。 各人工心臓は、特殊な接着剤を使用して一緒に入れられている最大50のコンポーネントで構成されています。 これらの接着剤は高温で硬化する必要があります。 複数の組立作業はモーターハウジングおよび部品のアセンブリ、percutaneous管のアセンブリおよびポリウレタンダイヤフラムへの補助機関車の版の付属品を含 これらのサブシステムは個別に検査され、システム全体の最終組立が行われます。 接木は別に組み立てられ、操作の間に付す。

• 4 アセンブリが完了した後、各装置はボディの圧力を模倣する特別な装置を使用してテストされる。 すべての電子部品は電子試験装置によってすべての回路部品の適切な機能を保障するためにテストされます。

• 5 人工心臓が試験され合格した後、滅菌のために外部のサービスに送られます。 各装置はプラスチック皿で密封され、中心の製造業者に戻る。 それは汚染からそれを保護し、損傷を防ぐために注文のスーツケースでそれから包まれます。

品質管理

ほとんどの部品は、心臓メーカーに到着する前にすでに検査に合格しています。 ある部品は特別な測定用具を要求するインチの百万分の一の順序の堅い許容を要求するのでまだ寸法的に点検される。 FDAの規則に合うためには、プロセスで使用されるあらゆる部品はロットおよび通し番号によって追跡問題が可能であるように制御されます（を含

副産物-廃棄物

スクラップチタンは、再溶融-再キャスト後に回収-リサイクルされます。 さもなければ、ほとんどの部品がさまざまな製造業者を去る前に点検に合格したので少し無駄は作り出されます。 その他の欠陥部品は廃棄されます。 装置が患者によって使用されたら、設計を改善するために分析のための中心の製造業者に送り返されます。

未来

次の十年以内に、いくつかの新しいデバイスが市場に出てくるでしょう。 ペンシルベニア州立大学の研究者は、皮膚を介して送信される無線周波数エネルギーによって供給される電気機械心臓を開発しています。 モーターはポンプを模倣するためにプラスチック血で満たされた嚢に対して押すことで交互になる押しの版を運転する。 患者は日中電池のパックを運び、電気出口に差し込まれる装置が付いている睡眠。 この人工心臓は、2001年までにヒトで試験される予定です。

いくつかの研究グループは、ポンプが小型で効率的であるため、ポンプ動作を使用するのではなく、血液を連続的に循環させるポンプを開発しています。 オーストラリアでは、Micromedical Industries Limitedが2001年までに人間に移植されることが期待されている連続流回転式血液ポンプを開発しています。 オハイオ州立大学の心臓学部門は、自己調節されているホッケーパックのサイズのプラスチックポンプを開発しています。 このポンプは、自分の心臓が回復するまで数週間患者に移植されます。

サーモカーディオシステムズ株式会社 また、2000年に移植される予定の連続流回転ポンプ付きLVADと連続流遠心ポンプ付きLVADにも取り組んでいます。 後者はまだ初期の開発段階にありますが、世界初のベアリングレスポンプになる予定であり、摩耗する部品がないことを意味します。 これはポンプの回転子を磁気的に中断することによって達成される。 これらの装置は両方ともtranscutaneousエネルギー移動と利用できます、装置が十分に植え込み可能であることを意味します。

ドナーの心臓が利用可能になるにつれて、他の人も永久的な代替品である人工心臓を開発しています。 これらの置換は、患者の身体状態に応じて、左心室補助装置または全人工心臓の形態であり得る。 LVADsは、発明者のRobert Jarvikと有名な心臓外科医のMichael DeBakeyによって開発されています。 Total artificial heartは、テキサス心臓研究所とAbiomed,Inc.によって共同開発されています。 マサチューセッツ州出身。 日本では，シリコーンボールバルブシステムとアルミナセラミックとポリエチレン成分からなる軸受システムを備えた遠心ポンプをベースとしたトータル人工心臓の開発が進められている。

人工心臓や心臓アシストポンプの代替品も開発中です。 例えば、30%までポンプ効率を改善すると期待される病気にかかった中心の形を変える特別なクランプは発明されました。 このような装置は、インプラントに最小限の侵襲手術を必要とする。