Искусственные внутренние органы
Создание подобных систем предполагает введение в организм человека для восстановления нарушенных функций различных чужеродных элементов биологического и технического свойства. При этом в одних случаях элементы лишь механически взаимодействуют с естественными тканями и органами (очки и контактные линзы, протезы пищевода, соединительные штифты, простейшие протезы двигательных органов). Эти элементы требуют первичного согласования. Будучи один раз подобранными не нуждаются в дальнейшем управлении. Другое дело замена сложных органов и систем организма (сердце – желудочки, клапаны или всё сердце; почки; печень; система дыхания), которые работают в рамках сложных систем управления и при их замене они должны получить регуляторные способности и включаться в систему механизмов естественного регулирования. При создании подобных БТС задача управления искусственными аналогами органов и систем является актуальной как для устройств восстанавливающих информационно-кибернетические функции организма (сложные протезы двигательных функций), так и для аппаратов поддерживающих функции внутренних органов.
Источник вещества – это любой процесс (физический, химический, физиологический) непосредственным результатом которого является появление в организме какого-либо вещества или химического соединения. Пример: процесс внешнего дыхания является физиологическим источником кислорода. Аэробный процесс окисления глюкозы служит источником АТФ, жирных кислот, воды и углекислого газа.
Компармент – количество вещества какого-либо вещества, которое при описании процессов транспорта и обмена в организме рассматривается как единое целое. Само описание организма и процессов протекающих в нём с помощью компармента получило название компарментального анализа (компарментального моделирования).
Уровень вещества – измеряется в любых величинах.
Поток – процессы, формирующиеся при перемещении вещества из источника в компармент или из одного компармента в другой. Для кислорода можно указать поток из альвеолярного воздуха в артериальную кровь, затем в межклеточную жидкость органов и тканей, затем в клетку. Потоки могут быть сосредоточенными, то есть ограниченными в организме (поток кислорода с артериальной кровью ограничен артериями), чаще потоки рассредоточены по многим областям в организме. Пример: скорость распада, при физической нагрузке, АТФ определяется множеством потоков АТФ во всех работающих мышцах.
Сток – любой процесс при котором данное соединение или вещество удаляется из внутренней среды организма. Внешнее дыхание – это физиологический сток углекислого газа. Образование АТФ – химический сток глюкозы и других углеводов. Стоком АТФ являются энергозатраты в организме (мышечные сокращения, генерация и проведение нервных импульсов, транспорт вещества, переваривание пищи). Стоки могут быть сосредоточенными и рассредоточенными.
Нарушение функционирования внутренних органов означает:
1) Невозможность для естественных механизмов управления поддерживать нужные темпы потоков в структуре организма и как следствие его гомеостаза.
2) Нарушение этой структуры за счёт выхода из строя источников или стоков.
Поэтому восстановить нарушенные функции можно:
1) корректировка темпов потоков вещества и энергии в существующей системе источников и стоков без изменения её структуры. Пример: искусственный водитель ритма сердца (пейсмейкер).
2) Возможность изменения самой структуры системы потоков вещества в организме за счёт введения искусственных источников и стоков. Пример: в системе кровообращения источником может служить насос заменяющий желудочек. В системе углеводного обмена автодозаторы инсулина при сахарном диабете. Пример искусственного стока – аппарат искусственная почка. Биосистемы второго типа называют искусственные органы.
С точки зрения инженерной физиологии искусственные внутренние органы представляют собой ведомые источники и стоки в метаболической системе организма управляемые совместно физиологическими механизмами регуляции и специальными техническими средствами в соответствии с потребностями организма. Правильнее говорить не об искусственных органах, а о технических средствах коррекции метаболических и транспортных функций органов.
Функции органов:
1) Доставка или поступление вещества в организм извне к органам и тканям внутри организма.
2) Производство энергии в организме
3) Обмен веществ
4) Выведение конечных продуктов
Первая метаболическая функция. Среди вещества поступающего из окружающей среды выделяют субстраты (белки, липиды, углеводы, витамины, незаменимые аминокислоты), топливо (углеводы), окислитель (кислород). Искусственная доставка всех субстратов и топлива осуществляется специальными техническими средствами искусственного питания (зонды, автоматические капельницы). Применение этих средств обязательно при наследственных и приобретённых дефектах пищевода, желудка и кишечника, а также при некоторых операциях на органах желудочно-кишечного тракта. Доставка кислорода обеспечивается вспомогательными средствами дыхания (респираторы, аппараты искусственного дыхания, оксигенаторы в аппаратах искусственного кровообращения, системы гипербарической оксигенации). Возможны два варианта решения задачи:
А) Принудительное введение воздуха или других смесей и газов с кислородом в лёгкие с помощью аппаратов искусственной вентиляции лёгких (при параличе дыхательной мускулатуры)
Б) Непосредственное обогащение крови кислородом с помощью оксигенаторов входящих в системы искусственного кровообращения.
Искусственный транспорт всех веществ к тканям и органам внутри организма осуществляется вспомогательными средствами кровообращения, к которым относятся: пейсмейкеры (генерация ритма), массажёры, стимуляторы, автоматические дозаторы лекарств, аппараты искусственного кровообращения, сердечные шунты, искусственные желудочки и сердце.
В медицинской практике широко используется замена отдельных механических элементов системы (сосудов, клапанов, самой крови искусственными аналогами). Существуют неинвазивные методы поддержания кровообращения (массажёры). В хирургической практике распространены аппараты искусственного кровообращения. При использовании аппаратов искусственного кровообращения возникают проблемы.
Во-первых, позволяют полноценно заменять сердце на несколько часов. Это обусловлено тем, что кровь из аппарата искусственного кровообращения поступает в организм через бедренную артерию, то есть в противоположном с естественным кровотоком направлении.
Во-вторых, ухудшается качество крови из-за механического воздействия на форменные элементы.
Недостатков присущих аппаратам искусственного кровообращения лишено искусственное сердце.
Вторая и третья метаболические функции организма реализуются синтезом в организме АТФ и других макроэргических соединений. Имплантируемые в организм или транскожные источники АТФ не могут обеспечить работу внутренних органов, поскольку их энергия потребляется самими искусственными внутренними органами. Однако производство других источников энергии (глюкозы) может обеспечиваться автодозаторами активных веществ (дозаторы инсулина).
Четвёртая метаболическая функция – выведение конечных продуктов обмена из внутренней среды организма. Вещества подлежащие выведению из организма – вода, углекислый газ, азот, мочевина и другие шлаки. Углекислота и водяные пары покидают организм тем же путём, которым поступает кислород, поэтому техническим дублёром выведения этих продуктов из организма является аппарат искусственного дыхания. Очистка крови и организма в целом от других конечных продуктов обмена осуществляются с помощью метода экстракорпоральной гемокоррекции, которые входят в отдельную отрасль современной медицины – эфферентной медицины.
К экстракорпоральной гемокоррекции относятся трансфузиологические операции направленного количественного и качественного изменения клеточного, белкового, вводно-электролитного, ферментного, газового состава крови, во внеорганизменном (перфузионном) контуре кровообращения. В основе ЭКГК лежат методы мембранной, сорбционной, центрифужной, электромагнитной, окислительной технологии обработки крови.
К мембранным технологиям относят:
1) гемодиализ
2) гемоплазмо и ультрафильтрация
3) гемооксигенация
4) перитонеальный диализ
К центрифужной относят:
1) плазмоферез
2) эритроцитоферез
3) лейкоцитоферез
4) тромбоцитоферез
К сорбционным относят:
1) гемосорбция
2) плазмосорбция
3) лимфосорбция
4) ликворосорбция
К электромагнитной относятся методы, основанные на облучении ультрафиолетовым, лазерным, рентгеновским, магнитным излучением.
Гемодиализ – метод детоксикации, основанный на принципе диффузионного и фильтрационного переноса через полупроницаемую мембрану, низкомолекулярных соединений и внутрисосудистой жидкости из циркулируемой экстракорпоральной (вне организма) крови в диализирующий (очищающий) раствор. Показания к применению гемодиализа – острая почечная недостаточность любого генеза, отравление спиртами и техническими жидкостями, изотоническая гипергидротация (отёки) при заболеваниях сердца, печени, не эффективной медикаментозной терапии.
Гемосорбция – метод детоксикации основанный на выведении из крови больного токсичных веществ путём перфузии через адсорбенты в экстракорпоральном контуре. Основные показания к применению: острые отравления снотворными препаратами, тяжёлыми металлами, хлор и фосфор содержащими органическими соединениями, тяжелые генерализованные формы инфекционных заболеваний (брюшной тиф, дифтерия), тяжёлые эндотоксикозы (внутренние отравления) хирургического и терапевтического генеза, абстинентный синдром при наркомании, токсикомании и алкоголизме, маниакальные и депрессивные состоянии при психических заболеваниях.
Плазмоферез – метод ЭКГК основанный на замене плазмы больного компонентами крови и кровезаменителя. В зависимости от метода проведения (скорость, объём перфузии, объём и количество плазмозамещения). Может иметь несколько направлений: детоксикационную, иммунокоррегирующую, реокоррегирующую. Показания: тяжёлые декомпенсированные стадии эндотоксикоза (после травм, ранений, радиационного поражения), бронхиальная астма, болезни крови, тотальный гемолиз при отравлениях ядами.
Плазмосорбция. Если при плазмоферезе выведение плазмы не замешается компонентами крови или кровезаменителями, а сорбируется и реинфузируется то это плазмосорбция. Плазмосорбция может быть: селективной (сорбентом является иммуносорбент), полуселективной (ионообменные смолы), не селективной (различные виды активированных углей).
Цитоферез – метод ЭКГК основанный на выведении отдельных клеточных компонентов крови больного и замене их препаратами крови или кровезаменителями.
Гемооксигенация – метод ЭКГК основанный на изменении состава крови путём оксигенации при перфузии в экстракорпоральном контуре. Различают пузырьковую, плёночную, мембранную и оксигенацию с помощью искусственных переносчиков кислорода. По объёмной скорости перфузии выделяют высоко и малопоточную оксигенацию. Показания: тяжёлые генерализованные формы эндотоксикоза, тяжёлые пневмонии, отёк лёгких.
Перитонеальный диализ – метод детоксикации, в основе которого лежит диффузный и фильтрационный перенос через мембрану (брюшину) низко и среднемолекулярных токсических субстратов и жидкости из внутри и внесосудистого русла в полость брюшины. Удаляются водорастворимые вещества. Показания: профилактика прогрессирования эндотоксикоза при перитоните, панкреатите, тяжёлая застойная форма сердечной недостаточности, острые отравления снотворными, хлорсодержащими соединениями.
Гемо и ультрафильтрация – методы детоксикации, основанные на принципе фильтрационного переноса жидких и некоторых токсических веществ через полупроницаемую мембрану за счёт градиента давления из циркулируемой экстракорпоральной крови. Если в качестве массообменных устройств применяются диализаторы, то операция называется – изолированная ультрафильтрация (сухой диализ). При этом из крови выводятся ионы низкомолекулярные вещества. В случае использования гемофильтров – гемофильтрация. Из крови выводятся вещества низкой и средней молекулярной массы. Показания для ультрафильтрации – отёки и гипергидротации вследствие заболеваний сердца и почек. Показания для гемофильтрации те же и острые отравления спиртами, техническими жидкостями, эндотоксикоз.
Ликворосорбция – операция внеорганизменной, фракционной или непрерывной обработки ликвора с применением гемосорбента. Показания тяжёлый опиумный и алкогольный абстинентный синдром, демиелинизирующие заболевания мозга при не эффективном традиционном лечении, мозговые комы неясной этимологией, менингоэнцефалит с высокой мутностью ликвора, толерантность к нейродепресантам.