Technika i medycyna


14-06-2019 18:23:05

Prof. dr hab. med. inż. Jacek Moll – kardiochirurg dziecięcy, kierownik Kliniki Kardiochirurgii Instytutu Centrum Zdrowia Matki Polki w Łodzi. Honorowy Złoty Inżynier Przeglądu Technicznego.

Nowoczesna medycyna wymaga dzisiaj stosowania bardzo zaawansowanego sprzętu zarówno diagnostycznego, jak i leczniczego. W kardiochirurgii, która nie może funkcjonować bez odpowiednich urządzeń technicznych, najważniejszy jest aparat do krążenia pozaustrojowego, czyli tak zwane sztuczne płuco-serce.

Kardiochirurgia jest bardzo młodą dziedziną medycyny. Pewne zabiegi chirurgiczne wykonywane były już w starożytności, natomiast pierwsze operacje naprawcze serca w krążeniu pozaustrojowym zrobiono dopiero w latach 50. XX w. Aby można było zatrzymać własne serce pacjenta i je naprawić, trzeba było zastosować tzw. sztuczne płuco-serce. Aparat taki składa się z trzech głównych elementów: pompy zasysającej i tłoczącej krew do pacjenta, wymiennika gazów, czyli oxygenatora oraz wymiennika ciepła pozwalającego ogrzewać lub chłodzić pacjenta. Pierwszy tego typu aparat, opracowany i wypróbowany przez Johna Heyshama Gibbona, wymagał wypełnienia go ogromną objętością krwi – ok. 12 l, dlatego w krótkim czasie zrezygnowano z jego stosowania. Przełomowym momentem było opracowanie i zastosowanie oxygenatora spieniającego, o pojemności mniejszej niż 1 l.

Przepuszczanie powietrza przez krew powodowało jej spienianie, a w związku z tym powstała ogromna powierzchnia styku z krwią, dająca wymianę gazową i pozwalająca na utlenowanie krwi. Problemem było jednak przejście z postaci piany do płynnej krwi nie zawierającej pęcherzyków gazu, mogących tworzyć zatory w tętnicach. Dzięki postępowi w wytwarzaniu tworzyw sztucznych zbudowano zbiornik wypełniony zwojami nici z tworzywa sztucznego (polipropylen), w którym następowało odpienienie krwi i dopiero wtedy było możliwe pompowanie jej do układu krążenia pacjenta.

Czekając na nowe serce

Rozwój techniki utlenowania krwi, czyli opracowanie i zastosowanie oxygenatora membranowego i kapilarnego, pozwolił na operowanie małych dzieci i stosowanie w ECMO, czyli w zewnątrzustrojowym utlenowaniu krwi u pacjentów z wirusowym zapaleniem płuc, takim jak grypa świńska czy ptasia. ECMO tętniczo-żylne stało się bardzo pomocnym urządzeniem ratującym życie pacjentów z pooperacyjną niewydolnością krążenia, będąc pomostem do podłączenia sztucznych komór. Te urządzenia do mechanicznego wspomagania krążenia, jak wspomniane sztuczne komory i sztuczne serce, są wyrazem postępu w leczeniu pacjentów z niewydolnością krążenia.

Sztuczne komory z założenia mają wspomagać jedną lub obie komory serca do czasu uzyskania odpowiedniego serca do przeszczepu. Komory mogą być napędzane pneumatycznie, uzyskując przepływ pulsacyjny dzięki ruchomej membranie sterowanej sprężonym powietrzem, lub mogą mieć budowę pomp wirowych dających ciągły, a nie pulsacyjny przepływ krwi. Oba typy aparatów wspomagających są urządzeniami zastępującymi pracę serca do czasu uzyskania serca od dawcy.

Sztuczne serce z założenia miało zastąpić własne serce na całe życie. Jednak okazało się, że po dłuższym okresie jego stosowania (kilka lat) dochodzi do wielu powikłań, głównie zakrzepowych, zmuszających do jego wymiany lub kwalifikacji do przeszczepu serca, pod warunkiem, że powikłania nie były bardzo duże (np. udar mózgu lub znaczna zatorowość płucna lub systemowa).

Nawet ogromny postęp w opracowywaniu nowych tworzyw sztucznych, również tych uwalniających heparynę, nie pozwolił na traktowanie wszystkich mechanicznych urządzeń wspomagających lub zastępujących pracę serca jako urządzenia docelowego, pozwalającego na wieloletnie przeżycie pacjenta.

Zastawki

W sztucznych komorach i sztucznym sercu mają zastosowanie sztuczne mechaniczne zastawki serca. Zastawki biologiczne nie nadają się do tych urządzeń ze względu na zbyt małą wytrzymałość mechaniczną. Polska sztuczna komora ma polskie zastawki mechaniczne, opracowane specjalnie do zastosowania w tych komorach. Zastawki biologiczne ze względu na swoją mniejszą wytrzymałość mechaniczną i ograniczoną trwałość, wynoszącą ok. 15 lat, implantowane są u pacjentów w zaawansowanym wieku (zwykle powyżej 75., 80. roku życia. Zastawki biologiczne specjalnej konstrukcji, pozwalającej na ich ściśnięcie i umieszczenie w cewniku, mogą być implantowane przezskórnie bez potrzeby otwierania klatki piersiowej i stosowania krążenia pozaustrojowego. Istnieje wiele rodzajów zastawek, wykonywanych z różnych materiałów biologicznych. Oczekuje się, że ostatnio opracowane zastawki, wykonywane z pozbawionego komórek osierdzia wołowego, końskiego lub świńskiego, będą bardziej trwałe dzięki potencjalnej możliwości przebudowania ich struktury i napełzaniu własnych komórek wsierdzia. Technologia ta chroni przed wykrzepianiem i koniecznością stosowania leków przeciwkrzepliwych.

Diagnostyka

Kardiochirurgia jest dziedziną medycyny z konieczności nasyconą dużą liczbą sprzętu technicznego, zarówno specjalistycznych narzędzi chirurgicznych, jak i urządzeń monitorujących parametry życiowe pacjenta, takie jak ciśnienie żylne, tętnicze, utlenowanie krwi i pomiar rzutu serca, czyli objętość krwi pompowanej w ciągu 1 minuty. Diagnostyka nieinwazyjna wad serca wymaga specjalistycznego sprzętu, takiego jak echokardiograf dający jedno-, dwu- lub trójpłaszczyznowy obraz struktur serca. Dzięki wykorzystaniu zjawiska Dopplera stała się możliwa ocena przepływów krwi, obliczanie gradientów ciśnień, funkcji i kurczliwości mięśnia sercowego.

Natomiast diagnostyka inwazyjna wymaga bardzo specjalistycznego angiokardiografu z możliwością trójwymiarowego obrazowania badanych struktur serca z pomiarami ciśnienia krwi w poszczególnych jamach serca i naczyniach. Istnieje także możliwość pewnych działań interwencyjnych, jak rozszerzanie zwężonych naczyń lub zakładanie stentów, czyli rusztowań trwale podtrzymujących rozszerzoną strukturę.

W diagnostyce wad serca pomocnymi badaniami, umożliwiającymi niekiedy wyeliminowanie działań inwazyjnych, jest tomografia komputerowa i rezonans magnetyczny. Pozwala to na uzyskanie lepszych wyników operacyjnych, a nawet na leczenie wad jeszcze niedawno uważanych za nieoperacyjne.

Roboty, materiały i 3D

Duże nadzieje związane z zastosowaniem robotów operacyjnych w kardiochirurgii nie spełniły się, pomimo możliwości znacznie większej precyzji wykonania połączeń naczyniowych lub innych działań rekonstrukcyjnych na zastawkach oraz innych strukturach serca. Związane jest to ze znacznie dłuższym czasem trwania operacji. Ma to szczególne znaczenie w przypadkach wymagających zatrzymania pracy serca. Roboty operacyjne okazały się natomiast bardzo pomocne w operacjach urologicznych.

Nowoczesne materiały kompozytowe, ceramiczne czy też wykonane z odpowiednich stopów metali takich jak tytan, mających bardzo dużą wytrzymałość mechaniczną i odporność na ścieranie, znalazły szerokie zastosowanie w ortopedii i protetyce. Izotopy promieniotwórcze z kolei są stosowane do diagnostyki oraz leczenia pacjentów z nowotworami różnych narządów.

Chirurgia plastyczna wykorzystuje programy komputerowe w 3D do rekonstrukcji uszkodzonych części ciała. Coraz większe zastosowanie mają drukarki trójwymiarowe do wytwarzania modeli uszkodzonych narządów, umożliwiając precyzyjne zaplanowanie ich rekonstrukcji. Przeniesienie obrazu trójwymiarowego z tomografii komputerowej na drukarkę pozwala wydrukować potrzebną część ciała.

Poprowadzić lekarza

Inne urządzenia techniczne, wykorzystujące światłowody i manipulatory do operacji małoinwazyjnych, laparoskopowych, znalazły zastosowanie w chirurgii jamy brzusznej i klatki piersiowej. Nawigacja śródoperacyjna dzięki integracji z endoskopem i mikroskopem umożliwia bardzo precyzyjne zlokalizowanie nieprawidłowych struktur oraz ich usunięcie. Operację można zaplanować, opierając się na obrazie uzyskanym z tomografii komputerowej lub rezonansu magnetycznego. Nawigacja ma szczególne znaczenie w neurochirurgii, chirurgii kręgosłupa oraz laryngologii. Dynamiczna nawigacja śródoperacyjna pozwala na bezpieczne usunięcie zmian chorobowych bez uszkodzenia zdrowych struktur. Nowoczesna medycyna wymaga dokładnej, precyzyjnej diagnostyki i szybkiego leczenia pacjentów. Dzięki współpracy inżynierów i lekarzy opracowano różne modele operacyjnej sali hybrydowej ze sprzętem do obrazowania chorych narządów i równoczesnego leczenia interwencyjnego lub chirurgicznego. Sala operacyjna hybrydowa musi spełniać wymogi normalnej sali operacyjnej, a jednocześnie, w zależności od potrzeb danej specjalizacji chirurgicznej, być wyposażona w aparat RTG, tomograf komputerowy lub aparat do rezonansu magnetycznego. Sala hybrydowa kardiochirurgiczna pozwala na wykonanie podczas jednej operacji zarówno leczenia typowo chirurgicznego oraz interwencji polegającej na zamknięciu lub rozszerzeniu struktur naczyniowych, a także kontroli pooperacyjnej skuteczności tych działań.

Nowoczesna medycyna nie może funkcjonować bez pomocy urządzeń będących produktem nowoczesnej myśli technicznej.

Musi istnieć ścisła współpraca lekarzy i inżynierów. Ci pierwsi muszą przedstawiać potrzebę zbudowania urządzeń wspomagających ich pracę w zakresie diagnostyki i leczenia danej grupy pacjentów, natomiast zadaniem inżynierów jest przedstawienie możliwości techniczno-materiałowych oraz wstępna kalkulacja cenowa wykonania prototypu takiego urządzenia.

Komentuje Waldemar Rukść

eNOT.pl - Portal Naczelnej Organizacji Technicznej | eNOT.pl