Rola badań naukowych we wspomaganiu projektowania sztucznej komory serca

Transkrypt

1 Rola badań naukowych we wspomaganiu projektowania sztucznej komory serca dr Magdalena Kopernik Akademia Górniczo Hutnicza w Krakowie Wydział InŜynierii Metali i Informatyki Przemysłowej Katedra Informatyki Stosowanej i Modelowania Kraków,

2 Plan prezentacji: Wstęp Modelowanie: Serce człowieka Modele fizyczne pomp serca Modele fizyczne zastawek serca Badawcze metody doświadczalne Zagadnienia do modelowania matematycznego Modelowanie matematyczne materiału komory serca i zastawki aortalnej Podsumowanie

3 Wstęp Badania naukowe obejmujące modelowanie fizyczne i matematyczne obiektu wspomagają projektowanie sztucznych narządów takich jak sztuczna komora serca.

4 Modelowanie Model fizyczny to obiekt lub układ, który stanowi reprodukcję rzeczywistego obiektu lub układu w warunkach laboratoryjnych. Model matematyczny to obiekt lub układ, który stanowi reprodukcję modelu fizycznego będącego obiektem lub układem za pomocą równań i parametrów.

5 Serce człowieka Berlin heart model fizyczny Model matematyczny

6 Serce człowieka Serce człowieka to rodzaj pompy, która w sposób pulsacyjny rozprowadza krew w układzie krąŝenia. Kierunek przepływu krwi jest kontrolowany przez cztery zastawki. Lewa komora serca oraz zastawki mitralna i aortalna są poddawane największym obciąŝeniom systemowym.

7 Schemat przekróju serca widok z boku widok z boku z przepływem krwi widok z góry

8 Modele fizyczne pomp serca Dlaczego powstawają modele fizyczne pomp serca? 1. Cele nadrzędne: odciąŝenie uszkodzonego mięśnia sercowego uchronienie pacjenta przed koniecznością transplantacji stworzenie moŝliwości powrotu pacjenta do Ŝycia bez pompy. 2. Cele dodatkowe: zastąpienie serca podczas operacji kardiochirurgicznych.

9 Jarvik-7 Total Artificial Heart W 1982 roku Wiliam de Vries (USA,Utah) przeprowadził pierwszą w świecie operację wszczepienia sztucznego serca jako sztucznego organu docelowo zastępującego serce naturalne. To permanentnie działające sztuczne serce - Jarvik 7 implantowano pacjentowi B.Clark (47). PrzeŜył dzięki niemu 112 dni. W 13 dniu, z powodu awarii zastawki konieczna była wymiana jednej z komór. Jeszcze tylko cztery razy stosowano sztuczne serce w takim celu do 1985r. NajdłuŜej w historii człowiek ze sztucznym sercem Ŝył 620dni.

10 Podział pomp krwi ze względu na cel stosowania: Pompy do zastępowania serca w czasie operacji na otwartym sercu Pompy wspomagające komory serca Sztuczne serce pompy zastępujące serce Podział pomp krwi ze względu na przepływ: Pompy tworzące przepływ pulsacyjny Pompy tworzące przepływ ciągły Podział pomp krwi ze względu na czas stosowania: krótkoterminowe średnioterminowe permanentne

11 Kalendarium - historia polskich komór sztucznego serca i komór wspomagania serca Listopad pierwsza transplantacja serca w Klinice Kardiochirurgii w Zabrzu (Z.Religa) Listopad pierwsza komora mechanicznego wspomagania lewej komory serca typu LVAD BRNO (Z.Religa z zespołem z Brna) Marzec pierwsza implantacja sztucznego serca TAH VII BRNO ( Z.Religa z zespołem z Brna) Maj pierwsza implantacja sztucznego serca z Moskwy typu POISK (Z.Religa z zespołem z Moskwy) Marzec pierwsza implantacja polskiej komory wspomagania serca POLVAD (Z.Religa)

12 Polskie komory sztucznego serca Poltah Polskie komory sztucznego serca Poltah są membranowymi pompami krwi zasilanymi i sterowanymi pneumatycznie. Polska Komora Wspomagania Serca POLVAD Polska Komora Wspomagania Serca POLVAD jest membranową pompą krwi sterowaną i zasilaną pneumatycznie połączoną z układem krwionośnym za pomocą specjalizowanych kaniul.

13 POLVAD pozaustrojowe komory wspomagania serca Membrana wielowarstwowa Pierścień zastawki Dysk zastawki Części twarde komory zastawka trójpłatkowa

14 MEDOS pozaustrojowe komory wspomagania serca Implantable Pneumatic Left Ventricular Assist System (Thermo Cardiosystems, Inc., Woburn MA)

15 Tendencje rozwojowe

16 Modele fizyczne zastawek serca Dlaczego powstawają modele fizyczne (protezy) zastawek serca? Wady wrodzone - budowa wszystkich zastawek moŝe być nieprawidłowa w wyniku wrodzonych zaburzeń rozwojowych serca. Wady nabyte - przyczyną uszkodzenia zastawek jest proces zapalny, gorączka reumatyczna, która prowadzi do zwęŝenia ujścia lub niedomykalności zastawek. Do powstawania tych wad przyczynia się zakaŝenie paciorkowcem hemolizującym typu A i osobnicza nadwraŝliwości na toksyny. Najczęściej zostaje uszkodzona zastawka mitralna, rzadziej zastawka aortalna. Zastawki prawej komory wyjątkowo rzadko stanowią problem kliniczny.

17 Do zastąpienia nieodwracalnie zniszczonej chorobą zastawki serca moŝemy zastosować protezę, czyli jej model fizyczny: biologiczny lub mechaniczny

18 Statystyka Co roku wszczepia się pacjentom na świecie ponad 200 tysięcy protez zastawek serca. W USA umieralność z powodu zastawkowych chorób serca była powyŝej w 1999 roku, a z tej liczby zmarło z powodu wad zastawki aortalnej. W Stanach Zjednoczonych wykonuje się rocznie wszczepienia w przybliŝeniu około zastawek. Zastawka w ciągu siedemdziesięciu lat Ŝycia człowieka jest otwierana i zamykana 2.5 miliarda razy. W Polsce w 2003 roku wykonano ponad 4100 operacji serca, których przyczyną były wadliwie zastawki. Obecnie wszczepiane bioprotezy zastawki aortalnej pracują prawidłowo po 5 latach od wszczepienia tylko u 70% pacjentów, a po 10 latach u zaledwie 5% pacjentów.

19 Kalendarium W 1951r amerykański chirurg C. Hufnagel tworzy plastikowa zastawkę aortalną. W 1960r chirurg A. Starr wszczepił zastawkę mechaniczną o konstrukcji typu zawór kulowy (zastawka Starr-Edwards (S-E)) w serce człowieka zastępując uszkodzoną chorobowo zastawkę mitralną. Pierwszą w świecie zastawką dyskową była (od 1969) zastawka Bjork- Shiley. W 1979r wprowadzono zastawkę dwupłatkową St. Jude Medical. W 1962r D. Ross wszczepił pierwszą zastawkę z tkanki ludzkiej. W 1968r A. Carpentier wszczepił zastawkę wieprzową konserwowaną glutardehydem. W 1971r drogę w kierunku zastawek wytwarzanych z osierdzia zwierzęcego otworzył M. Jonescu. W 1995r prof. Z. Religa wszczepił w Zabrzu zastawkę mitralną na konserwowaną w stanie głębokiego mroŝenia. stencie

20 Protezy zastawek serca Nie ma idealnej protezy, która moŝe zastąpić zastawki serca. Idealna proteza powinna: powodować minimalne opory przepływu, nie prowadzić do turbulencji i cieni mogących skutkować zastojem krwi i wykrzepianiem, mieć nikłą niedomykalność i przeciek wsteczny w fazie zamknięcia, posiadać taką trwałość, aby chory nie wymagał reoperacji z powodu jej uszkodzenia, być zbudowana z materiałów nietoksycznych, nieonkogennych i nie reagować biochemicznie z tkankami chorego.

21 Protezy zastawek serca moŝna podzielić na dwie główne grupy: 1. Zastawki mechaniczne - kulowe, dyskowe, dwupłatkowe oraz spręŝyste zastawki syntetyczne tworzone na podobieństwo zastawek naturalnych. Obecnie lekarze stosują z wyboru zastawki mechaniczne z uchylnym jednym lub dwoma dyskami. Zastawki kulowe

22 Zastawki dyskowe Wady: Po wszczepieniu zastawek mechanicznych komplikacje spowodowane są reakcją układu krzepnięcia zwiększoną skłonnością do wykrzepiania, co wymaga leczenia antykoagulacyjnego, a to wiąŝe się z ryzykiem powikłań krwotocznych. Zastawki mechaniczne powodują hemolizę krwi. Zalety: Zaletą tego typu protez jest trwałość, gdyŝ zmniejszają ryzyko reoperacji z powodu zastawkowej dysfunkcji. Polska zastawka syntetyczna POLPU

23 poliwęglowy dysk tytanowy pierścień pokryty nanokrystalicznym diamentem Cykl pracy polskiej zastawki mechanicznej NCD Polvad zaprojektowanej przez Prof. J. Molla.

24 2. Zastawki biologiczne - homografty, stentowe lub bezstentowe, wykonane z tkanki zwierzęcej lub ludzkiej Zastawki biologiczne jednogatunkowe: Zastawka aortalna. Homograft aortalny to odcinek aorty wstępującej wraz z zastawką aortalną. Pozyskany po smierci od dawcy w sposób aseptyczny jest przechowywany w płynie odŝywczym z antybiotykami w temperaturze 4C lub w stanie głębokiego mroŝenia. MoŜna nim zastąpić zastawkę aortalną lub płucną chorego, lub uŝyć jako kanał odpływu prawokomorowego w operacji naprawczej wad wrodzonych serca. Zastawka płucna. Wyciętą zastawkę płucną chorego moŝna wszyć w miejsce uszkodzonej zastawki aortalnej (operacja Rossa u dzieci daje szansę w pełni Ŝywej, rosnącej zastawki).

25 2.2. Utrwalane chemicznie zastawki biologiczne stentowe (tzn. w sztywnej lub półsztywnej oprawie) Zastawki obcogatunkowe tworzone są z zastawek serc świni lub szyte z osierdzia (lub opony twardej), bydlęcego. Sieciowane i równocześnie sterylizowanie tkanki uzyskano za pomocą formaldehydu lub glutardehydu, co umoŝliwiło przygotowanie i przechowywanie zastawek przez długi okres czasu (średnio 5 lat). Z powodu występowania znacznego usztywnienia płatków zrezygnowano ze stosowania formaldehydu do utrwalania zastawek.

26 Stentowe zastawki przechowywane w stanie głębokiego mroŝenia. Zespół prof. Z. Religi dokonał znacznych osiągnięć w tej dziedzinie. Ideą przewodnią ich powstania jest dostarczenie pacjentowi zastawki, której komórki Ŝyją. Stanowią one szansę uzyskania zastawki, która mogłaby się lepiej bronić w organiźmie przed negatywnymi procesami wapnienia i starzenia. Zastawka mitralna w twardej oprawie (stent) typu Religa jest w pełni oryginalnym pomysłem. W zabrzańskim IPS FRK opracowano równieŝ zastawkę płucną, mroŝoną na stencie. RELIGA P. RELIGA M. Polska zastawka wieprzowa - POLBIO

27 2.3. Zastawki bezstentowe Nie posiadają one sztywnej konstrukcji (chociaŝ ściana zastawki bywa obszyta tkaniną lub perikardium) co powoduje, Ŝe są trudniejsze w implantacji. Są to głównie zastawki aortalne. Wielu badaczy odnotowuje, Ŝe z powodu występowania mniejszych niŝ dla zastawek w sztywnej oprawie napręŝeń w materiale w czasie pracy serca, zastawki bezstentowe wolniej wapnieją. RELIGA M.S.

28 Wady: Zastawki biologiczne są mniej trwałe niŝ zastawki mechaniczne. Przyczyny reoperacji protezy biologicznej to wapnienie, pęknięcie płatka i powikłania zatorowe. Występują one częściej w pozycji mitralnej niŝ aortalnej. Zalety: Protezy biologiczne są spręŝyste, dzięki czemu ich parametry przepływu są optymalne. Na wytrzymałość bioprotez wpływa tkanka, z której wykonana jest proteza, sposób konserwacji, obszycie na stencie lub nie, młody wiek chorego, choroby towarzyszące.

29 Badawcze metody doświadczalne 1. Hydrauliczne testery (proste modele fizyczne układu krąŝenia) zastawek i pomp serca

30 Test kwalifikacyjny zastawki gradient ciśnienia i przepływ przez zastawkę w czasie jednego cyklu stanowisko badawcze Zastawki w pozycji mitralnej aortalnej analiza obrazu z kamery

31 Paszport zastawki Hydrauliczne testery słuŝą do przeprowadzenia testów kwalifikacyjnych i długoterminowych, które pozwalają otrzymać infromacje o jakościowym i ilościowym przepływie przez badane obiekty.

32 2. Testery obrazowania ilościowego i jakościowego przepływu oraz analizy lokalnych parametrów przeływu przez zastawki i pompy serca stanowisko badawcze

33 Wpływ zastawek POLPU i SORIN na przepływ w komorze POLVAD POLPU SO O44 SO O24 POLPU SORIN otwarta zamknięta otwarta zamknięta

34 3. Testery do badań materiałowych (wytrzymałościowych i zmęczeniowych) zrywanie i trenowanie tkanek stanowisko badawcze

35 Zagadnienia do modelowania matematycznego Zjawiska związane z: Model fizyczny pompy - przepływem krwi parametry globalne przepływu, turbulencje - zachowaniem krwi jako medium wielofazowego skrzepy, hemoliza krwi, agregacja czerwonych krwinek komora geometria komory i zastawki zastawka dobór typu zastawki Ściana komory i płatek zastawki aortalnej: - mechaniczne własności wielowarstwowego układu materiałów w tym nanopowłok, - biozgodność trwała obecność Ŝywych komórek na powierzchni materiału syntetycznego, - technika nanoszenia powłok.

36 Mechaniczne własności wielowarstwowego układu materiałów złoŝonych z nanopowłok Schemat doświadczenia do pomiaru własności nanopowłok Odcisk w materiale wykonany wgłębnikiem PRÓBA WCISKANIA WGŁĘBNIKA Berkovicha Próbka wielopowłokowa widok z boku widok z boku widok z góry

37 ZaleŜnie od własności materiału powłoki wyniki doświadczalne mogą wyglądać następująco: wgłębnik Próbka jednopowłokowa wynik Na podstawie otrzymanego wyniku doświadczalnego wyznaczane są własności mechaniczne próbki jednopowłokowej np. twardość, moduł spręŝysto-plastyczny, które określają przydatność analizowanego materiału do określonych zastosowań.

38 Dla próbki wielopowłokowej wynik doświadczalny ma postać: siła, mn przemieszczenie, nm Aby wyznaczyć własności powłok wewnętrznych naleŝy zbudować model matematyczny doświadczenia i określić własności powłok wewnętrznych.

39 Modelowanie matematyczne materiału komory serca i zastawki aortalnej Model matematyczny doświadczenia z próbką 11 - to powłokową Przykładowy wynik dla modelu matematycznego w objętości próbki 11 - to powłokowej 500 nm

40 Model matematyczny zastawki aortalnej syntetycznej z układem wielopowłokowym o własnościach materiałowych określonych za pomocą wcześniej pokazanego modelowania matematycznego model zastawki pozycja otwarta powierzchnia zewnętrzna pojedynczego płatka zastawki

41 Przykładowy wynik dla modelu matematycznego pokazany na zewnętrznej powierzchni płatka zastawki aortalnej Analiza wyników z modeli matematycznych i zastosowanie innych metod matematycznych pozwoli wybrać najlepszy model zastawki pod względem geometrii i własności materiałowych, który zapewni dobre warunki przepływu.

42 śródła: 1., Praca magisterska: Analiza porównawcza zastawek aortalnych w badaniach in vitro, Uniwersytet Śląski, Katowice , Praca doktorska: Numeryczna symulacja zachowania się twardych nanopowłok poddawanych obciąŝeniom przewidywanym w ich eksploatacji, Politechnika Śląska, Katowice M. Nałęcz, Sztuczne narządy, Akademicka Oficyna Wydawnicza Exit, W-wa Materiały Pracowni Biocybernetyki Instytutu Protez Serca Fundacji Rozwoju Kardiochirurgii w Zabrzu 5. Materiały Koła Naukowego przy Instytucie Protez Serca Fundacji Rozwoju Kardiochirurgii w Zabrzu 6. Artykuły naukowe i popularnonaukowe 7. Internet

43 Podsumowanie Na świecie Ŝyje stulatków i 350 superstulatków, którzy mają ponad 110 lat. Ludzi, którzy urodzili się w XIX wieku i doŝyli wieku XXI sportetrował Mark Story. Zdjęcia do tego cyklu były wykonywane na całym świecie przez 18 lat.

44 Wiek 112, narodowość amerykańska Najstarszy człowiek w USA. Najstarszy kombatant I wojny światowej, został odznaczony m.in. Orderem Zwycięstwa i Francuską Legią Honorową. Po powrocie z frontu osiadł na farmie, oŝenił się i wychował siedmioro dzieci. Nigdy nie pił i nie palił, nie brałŝadnych lekarstw, nawet aspiryny. Prowadził samochód do 106 roku Ŝycia i pewnie prowdziłby dalej, gdyby dzieci nie schowały mu kluczyków. Wiek 114 lat i 226 dni, narodowość amarykańśka Oboje rodziców byli niewolnikami. Rodzina jadła to co wyhodowała. Kobieta nigdy nie stosowała Ŝadnej diety, nie miała nadwagi. Nigdy nie piła i nie paliła, a pierwszy raz poszła do lekarza, gdy skończyła 100 lat. Przez 72 lata była w związku małŝeńśkim z tym samym męŝczyzną. Wychowała 3 dzieci, doczkała się 5 wnuków, 46 prawnuków, 95 pra-prawnuków i 38 pra-pra-prawnuków.

45 Dziękuję za uwagę