Полная версия

Главная arrow Техника arrow БИОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ МЕДИЦИНСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Принципы проектирования БТС для искусственного очищения крови

Определение целевого назначения и класса проектируемой БТС. В современной медицине искусственное очищение крови (ИОК) получило всеобщее признание как эффективный метод управления физиологическим состоянием человеческого организма. В настоящее время ИОК, основанное на экстракорпоральной перфузии биологических жидкостей, успешно и интенсивно используют:

  • • для лечения острой почечной недостаточности (ОПН), возникающей в результате различного рода заболеваний, послеоперационных осложнений, отравлений, травм, радиационных поражений;
  • • длительного жизнеобеспечения больных с хронической почечной недостаточностью (ХПН), которым регулярно 2-3 раза в неделю в течение всей жизни проводится процедура очищения крови продолжительностью 4 -5 ч;
  • • подготовки больных к пересадке почки и в послеоперационный период;
  • • жизнеобеспечения больных при пересадках различных органов.

К концу XX в. в США насчитывалось 3100 диализных центров,

предоставляющих услуги по очищению крови пациентам, стра-

дающим различными видами почечной недостаточности. Аналогичные услуги оказывают различные клиники, имеющие нефроло- гические отделения.

Из 260 тыс. больных ХПН 60 % лечатся гемодиализом. Более 214 тыс. больных, страдающих терминальной почечной недостаточностью (ТПН), лечатся с помощью различных видов гемодиализа.

В мире в 1995-2002 гг. зафиксировано 3,5 млн человек, страдающих ХПН, из которых помощь по очищению крови получают 1,2 млн. Ежегодно регистрируется 800 новых почечных больных на 1 млн жителей.

По статистическим данным, в Москве только 10 % больных почечной недостаточностью имеют возможность очищать кровь.

Несмотря на успехи, достигнутые в технологии очищения крови, разработанные методы все еще нуждаются в дальнейшем совершенствовании. Такие возможности далеко не исчерпаны.

Больная почка может быть временно заменена искусственной. Известен случай, когда больному удалось сохранить жизнь, несмотря на то что анурия продолжалась 82 дня.

Стабилизация ионного гомеостаза, детоксикация, дегидратация, деинфицирование сочетаются при ИОК с функциональными возможностями малопоточной оксигенации, иммунологических воздействий, инфузии лекарственных веществ и замещающих растворов, термической, ультрафиолетовой, лазерной и магнитной обработки крови.

Универсальность нормализующего воздействия позволяет использовать различные методы экстракорпорального ИОК в нефрологии, реаниматологии, трансплантологии, кардиологии, пульмонологии, психиатрии (для лечения шизофрении), терапии, онкологии и в других областях медицины.

Практическая реализация современных методов ИОК неразрывно связана с применением аппаратов искусственного очищения (АИО).

Создание и клиническое применение АИО основано на общих закономерностях структуры, функционирования и практического применения технического оснащения искусственного жизнеобеспечения с использованием искусственных органов, реализующих экстракорпоральное очищение организма.

В практической медицине наиболее широкое признание получил гемодиализ как один из самых универсальных и эффективных методов ИОК. Клинический успех гемодиализа неразрывно связан с использованием аппарата искусственной почки.

Первые попытки создания аппарата искусственной почки относятся к 1912 г., когда врачи из США экспериментально доказали возможность удаления из организма животного продуктов жизнедеятельности путем диализа.

Однако только в 1943 г. врачу В. Кольфу (Нидерланды) удалось разработать первый пригодный для клинического применения аппарат искусственной почки. Результаты были убедительны: несколько человек, обреченных на смерть, выздоровели.

Аппарат искусственной почки Кольфа стал первым искусственным органом, получившим массовое распространение. Более чем за 60 лет принципы создания аппарата искусственной почки были развиты и дополнены. В результате возникло самостоятельное направление медицинской науки и техники искусственного очищения, занимающееся исследованием, разработкой, производством и клиническим применением АИО для гемодиализа (АГД), гемосорбции (АГС) и гемофильтрации (АГФ).

Высокая производительность детоксикации, независимость функциональных возможностей от состояния организма и уровня интоксикации, детерминированность и широкий диапазон регулирования нормализующих воздействий на человеческий организм обусловливают регулярное использование АИО для длительного жизнеобеспечения сотен тысяч больных ТПН во всем мире. Это позволяет им вести активный образ жизни, а в большинстве случаев и сохранять работоспособность. Для таких больных аппарат искусственной почки стал единственным источником жизни.

Использование АИО нередко сопровождается осложнениями, которые частично могут быть вызваны неоптимальными перераспределениями объема крови, изменениями концентрации натрия в плазме крови и нарушениями взаимного равновесия вне- и внутриклеточного секторов организма.

Наиболее распространены следующие осложнения: гипертензия, судороги, дизэквилибрирующий синдром, последиализный период гипертензии и обусловленный гипернатриемией избыток жидкости, а также осложнения, связанные с неадекватной скоростью ультрафильтрации.

Современные АИО позволяют осуществлять профилирование - программирование и контроль кислотности диализата, скорости ультрафильтрации и концентраций натрия, калия, бикарбоната в процессе гемодиализа. В существующих портативных АИО профилирование, как правило, не предусмотрено.

Многолетнее искусственное жизнеобеспечение большого числа людей, обреченных на гибель без этого вида медицинской помощи, требует значительных материальных затрат, исчисляемых миллиардами долларов. Несмотря на это, применение АИО привлекает к себе общественное внимание, является важным показателем социальной защищенности и убедительно свидетельствует о высоком уровне развития эфферентной медицины и ее технического оснащения. Ежегодно в мире изготовляют десятки тысяч аппаратов искусственной почки и вспомогательных устройств, миллионы комплектов одноразовых стерильных кровопроводящих магистралей и диализаторов. Производство АИО стало высокорентабельной отраслью медицинской промышленности, прообразом будущей индустрии искусственных органов.

К настоящему времени исследования искусственных органов, БТС и инженерной физиологии привели к формированию целостного представления об АИО как о системе технических средств, которые в своей функциональной и конструктивной взаимосвязи при разумно ограниченной избыточности способны удовлетворять зачастую противоречивым медико-техническим, технологическим и экономическим требованиям.

Исследования, проведенные в начале 1960-х годов В. Коль- фом, Б. Скрибнером, Д. Куинтоном, показали принципиальную возможность длительного жизнеобеспечения больных ХПН путем периодического (программного) очищения крови. Это расширило клиническую потребность в аппаратах искусственной почки при условии снижения затрат на подготовку и проведение очищения крови, а также повышения его эффективности и безопасности.

В связи с этим особое значение приобрело создание АИО с автоматическим непрерывным контролем параметров очищения крови, обеспечивающих уменьшение трудоемкости обслуживания, стабильность клинических показателей и безопасность применения.

Для успешной автоматизации АИО необходимо исследовать принципы построения, разработать медико-технические требования и алгоритмы функционирования, предложить и реализовать методы испытаний и клинического применения автоматических АИО. Это, в свою очередь, требует создания соответствующих комплектующих изделий - первичных преобразователей и исполнительных элементов, разрешенных для использования в медицинской технике (датчики давления и детекторы уровня жидкости, преобразователи электрической проводимости растворов, насосы, дозаторы жидкости, управляемые клапаны).

Развитие автоматических АИО, расширение и усложнение их функциональных возможностей сопровождалось соответствующим возрастанием затрат на разработку, изготовление и эксплуатацию аппаратов.

Представленные в литературе результаты изучения режимов функционирования и схемотехнических решений АИО носят, как правило, узкоспециализированную направленность и не формируют общей концепции построения автоматического АИО. Поэтому актуальной задачей является разработка и обоснование общих закономерностей построения автоматического АИО. Только ясное понимание требований к структуре, функциональным параметрам, техническим характеристикам и конструктивному исполнению может способствовать созданию качественных АИО.

Развитие автоматических АИО требует постоянного разрешения противоречия между узкоспециализированным, информационно разобщенным характером знаний о разных сторонах природы и практической необходимостью их комплексного использования. Важнейшим условием успеха становится системный подход к разработкам АИО. Решение конкретных задач создания АИО основано на взаимопонимании специалистов различных областей при взаимосвязанном преодолении многочисленных медико-технических, технологических и экономических проблем.

При стихийных бедствиях, техногенных катастрофах и вооруженных конфликтах многие человеческие жизни были спасены благодаря экстренным применениям АИО для лечения острых ин-

токсикаций. Однако именно в этих условиях использование стационарных аппаратов существенно ограничено вследствие их нетранспортабельное™. По этой же причине, помимо высокой стоимости, почти невозможно применение стационарных АИО на дому для больных ХПН.

В связи с изложенным выше актуальна разработка портативных и относительно недорогих АИО, обладающих достаточным набором терапевтических процедур.

Цель проектирования данной БТС - жизнеобеспечение больных почечной недостаточностью. Следовательно, АИО относятся к классу искусственных органов и систем жизнеобеспечения (см. рис. 15.1).

Создание базы данных о свойствах биообъекта. Почки - важная часть сердечно-сосудистой системы (рис. 15.5), поддерживают жидкостное и минеральное равновесие тела и выводят конечные продукты обмена веществ (например, мочевину). Обе почки содержат около 2,5 млн почечных телец, через которые ежедневно протекают 1700 л крови (1,2 л/мин).

Каждый день капилляры почечных телец выделяют в пространство боуменовых капсул примерно 180 л ультрафильтрата (первичной мочи), 99 % которого реабсорбируется в кровь через систему проксимальных канальцев.

В почечном мозговом веществе (петлях Генле, собирательных трубочках) оставшаяся жидкость концентрируется и через сосочки подается в почечные чашечки. Из почечных лоханок моча через мочеточник попадает в мочевой пузырь, а оттуда через мочеиспускательный канал - наружу (около 1,5 л мочи в сут).

При почечной недостаточности очищение крови может проводиться вне тела посредством диализатора или гемосорбера, подсоединенного к сосудам предплечья (лечение диализом или гем- мосорбцией, рис. 15.6).

Создание вербальной и математической моделей биообъекта. Осуществляемая с помощью аппарата искусственной почки гемодиализная и гемосорбционная терапия может сопровождаться осложнениями, вызванными, в частности, неоптимальным перераспределением объема жидкости в организме, а также неадекватными скоростями перфузии, ультрафильтрации и сорбции.

Общая схема сердечно-сосудистой системы (главные кровеносные сосуды показаны без капиллярных сетей)

Рис. 15.5. Общая схема сердечно-сосудистой системы (главные кровеносные сосуды показаны без капиллярных сетей):

ПП - правое предсердие; ЛП - левое предсердие; ПЖ - правый желудочек; ЛЖ - левый желудочек

В связи с этим для автоматических систем управления аппаратами искусственной почки необходимы специальные алгоритмы. Эти алгоритмы должны обеспечивать в текущем режиме автоматический контроль и регулирование скоростей перфузии, ультрафильтрации, сорбции и других параметров процедуры в интервалах, оптимальных для пациента. В результате по окончании процедуры кровь пациента должна иметь минимально допустимую концентрацию токсиканта.

Схема гемосорбционной системы

Рис. 15.6. Схема гемосорбционной системы:

I - кровь; 2 - перфузионный насос; 3 - массообменное устройство (сорбционная колонка); 4 - ловушка воздуха

Во внутренней среде организма человека содержание веществ X, (/ = 1,..., и), к которым будем относить электролиты, а также низко- и среднемолекулярные (молекулярной массой 500...5000 даль- тон) органические продукты обмена веществ (например, мочевину, креатинин, мочевую кислоту, олигопептиды), характеризуется концентрациями с; (г = 1, 2,..., и), а содержание жидкости - объемом V. При этом

где Со/ - среднее значение концентрации веществ X,- во внутренней среде организма здорового человека; Дс, - отклонение концентрации веществ X/ от среднего значения; V0 - средний объем жидкости в организме здорового человека; Д V - отклонение объема жидкости в организме от среднего значения.

При нормальной жизнедеятельности организма отклонения Дс, и AV в организме не превышают своих предельно допустимых физиологически нормальных значений:

где Дс* - предельно допустимое физиологически нормальное отклонение концентрации веществ X/ от среднего значения; AV* предельно допустимое физиологически нормальное отклонение объема жидкости в организме от среднего значения.

При этом концентрация с,- веществ X/ и объем V жидкости в организме (см. рис. 15.5) могут изменяться в следующих пределах:

где Дс*т!п, Дс*тах - минимально и максимально допустимые физиологически нормальные концентрации веществ X/, с"тт = со, - Дс*, Дс*,,^ = со, + Дс’; V^in, F,*ax - минимально и максимально допустимые физиологически нормальные объемы жидкости в организме, С„ = Vo-AV’-, = V0 + AV'.

Патологические состояния организма наступают при |Дс,-1 > | Дс’ | или AV>AV | и могут характеризоваться:

  • • гипоконцентрацией с," in < с, < Дс,’тш ;
  • • гиперконцентрацией Acimm < с, < с** ах;
  • • гипогидратацией V“m m ;
  • • гипергидратацией F^ax < V< Fj**x.

Здесь c“jn, c“ax - минимальная и максимальная физиологически предельно допустимые (совместимые с жизнедеятельностью организма) концентрации веществ X/, c~in = с0, - Дс**, с,"ах = с0, + + Дс** (Дс** - физиологически предельно допустимое отклонение концентрации веществ X, от среднего значения); F"n , - ми

нимальный и максимальный физиологически предельно допустимые (совместимые с жизнедеятельностью организма) объемы жидкости в организме, V"n = V0 - AY' V"m = Vo + AY' (AV"‘ - физиологически предельно допустимое отклонение объема жидкости в организме от среднего значения).

При дальнейшем развитии патологических состояний, когда отклонение Дс,- превышает физиологически предельно допустимое значение Дс** (|Дс,-1 > | Дс**|) или когда отклонение AV больше физиологически предельно допустимого значения Д Y' (|ДК| > |ДК**|), происходит прекращение жизнедеятельности организма.

Летальный исход наступает при с, < с,"in или при с,- > с”ах, а также когда V < F“n или F > F^’x.

При жизнедеятельности здорового организма его естественное очищение (выведение веществ X,) и удаление избытка жидкости осуществляются с физиологически нормальными скоростями, изменяющимися в физиологически допустимых пределах:

где dcj Idt - скорость изменения концентрации с,- веществ X,- во внутренней среде организма при естественном очищении; dVIdt - скорость выведения из организма избытка жидкости; njmin и vimax - минимально и максимально физиологически допустимые скорости изменения концентрации с,- веществ X,- во внутренней среде организма при естественном очищении; С/тш и ?/тах - минимально и максимально физиологически допустимые скорости выведения из организма избытка жидкости.

Таким образом, одними из основных функциональных характеристик биологической системы очищения организма являются:

  • • стабилизация ионного состава внутренней среды организма на физиологически нормально допустимом уровне;
  • • очищение организма от низко- и среднемолекулярных органических продуктов обмена веществ с физиологически допустимой скоростью;
  • • выведение из организма избытка жидкости с физиологически допустимой скоростью.

Вследствие нарушения в организме функций органов, обеспечивающих поддержание водно-электролитного баланса в физиологически нормальных пределах и детоксикацию организма, наступают патологические состояния, при которых

Так, при нарушении экскреторной функции почек наступает почечная недостаточность, характеризуемая гиперконцентрациями в крови натрия, калия, мочевины, креатинина, мочевой кислоты и других веществ, а также гипергидратацией организма.

Таблица 15.3. Искусственные органы

Метод искусственно- го жизнеобеспечения

Процессор

Управ

ляющая

среда

исполнительный

управляющий

Искусственное кровообращение (искусственное сердце ИС)

Перфузионная

камера

Насос перфузион- ный (блок перфузи- онный)

Механи

ческая

энергия

Искусственная оксигенация (искусственное легкое)

Мембранный

оксигенатор

Г азораспределитель

Кислород

Т ерморегул ирова- ние

Теплообменник

Терморегулятор

Тепловая

энергия

Инфузия:

инсулина

раствора

Искусственный распределитель кровотока То же

Искусственная поджелудочная железа

Блок инфузионный

Инсулин

Раствор

Сорбция

Сорбционная

колонка

Сорбент

Г емодиализ

Диализатор

Блок диализата со сливом диализата (генератор и распределитель)

Блок диализата с рециркуляцией и регенерацией диализата (регенератор и распределитель)

Несте

рильный

диализат

Г емо диафильтрация

Искусственный

распределитель

кровотока

Блок диализата Блок инфузионный

Заме

щающий

раствор

Г емофильтрация

Г емофильтр

Блок ультрафильтрата

То же

Раздельная ультрафильтрация

Ультрафильтр

Блок ультрафильтрата

То же

Развитие почечной недостаточности может привести к летальному исходу, если не оказать на организм нормализующего воздействия, которое можно обеспечить, например, искусственным очищением.

В медицинской практике ИОК неразрывно связано с использованием искусственных органов, которыми принято называть устройства, предназначенные для временной или постоянной активной замены утраченной функции природного прототипа (табл. 15.3). Отсутствие в этом определении каких-либо ограничений функционального назначения естественного прототипа позволяет считать, что замещаемая функция может участвовать как в управлении анатомическим, физиологическим или психическим состоянием организма, так и в диагностике этого состояния. Кроме того, при более широком подходе замещаться и при необходимости дополняться могут не только в той или иной мере утраченные, но и физиологически нормальные функции.

В течение более чем полувекового развития техники экстракорпорального очищения крови предложены различные математические модели системы организм - искусственная почка, учитывающие те или иные особенности организма и конструкции аппарата.

С помощью таких моделей формулируют принципы технического и программного обеспечения автоматических АИО, разрабатывают медико-технические требования, методы испытаний и применения этих аппаратов.

Однако известные модели многомерны и многопараметричны или, наоборот, слишком редуцированы. На их основе трудно построить алгоритмы для эффективного автоматического управления аппаратами искусственной почки.

В частности, такие модели, как правило, не учитывают, что фактическое время взаимодействия аппарата с организмом существенно отличается от заданной продолжительности процедуры. Это связано с остановками кровотока или потока диализата и снижением скорости ультрафильтрации, инициированных состоянием пациента, действиями персонала или другими аварийными ситуациями.

На рис. 15.7 приведена кинетическая модель прохождения веществ через организм, которая количественно описывается многомерной системой дифференциальных уравнений. Численное решение такой системы возможно с помощью современных технических средств. Однако верификация и идентификация этой модели весьма затруднена, поэтому ее следует упростить (редуцировать).

Блок-схема (а) и кинетический граф (б) кинетической модели прохождения веществ через организм

Рис. 15.7. Блок-схема (а) и кинетический граф (б) кинетической модели прохождения веществ через организм

На рис. 15.8 показан кинетический граф редуцированной модели прохождения веществ через организм, на основе которой может осуществляться автоматизация очищения крови.

Кинетический граф редуцированной модели прохождения веществ через организм с подключенным аппаратом искусственной почки

Рис. 15.8. Кинетический граф редуцированной модели прохождения веществ через организм с подключенным аппаратом искусственной почки:

О - внешняя среда; 1 - желудочно-кишечный тракт; 2 - кровеносная система; 3 - органы и ткани; 4 - почки; 5 - аппарат искусственной почки

Математическая модель функционирования аппарата искусственной почки по /-му веществу X, описывается следующей системой дифференциальных уравнений: где Ху - количества /-го вещества X, в j-м блоке системы организм - искусственная почка; г^9 г я - источники вещества Х^; кцт - кинетические коэффициенты (поток вещества X, по ребру из блока / в блок т) г,01, г/3, кцт > 0.

При расчетах количества мочевины обычно принимают следующие числовые данные:

Объем, л:

крови......................................................... 4,55

плазмы ...................................................... 2,5

Содержание мочевины, г/л:

в плазме .................................................... 0,25

в моче........................................................ 17

Диурез, мл/мин ....................................................... 1,0

Клиренс мочевины, мл/мин................................... 68

Таким образом образуется 0,3 г мочевины на 1 г белка.

Модель экскреции биологически активных веществ из организма при экстракорпоральном очищении крови позволяет на основе отклонения вектора состояния организма от нормы оценить соотношение эффузионного и инфузионного потоков крови. Нормальное соотношение должен обеспечивать аппарат искусственной почки. Это соотношение является базовым при построении автоматического управления аппаратами искусственной почки.

При значениях кц2 = к = 1; к,25 = к2 = 0,9; = 0,8; х]0 = 1; х20 =

= *зо = *40 = *50 = 0; гт = г = 2; гв = 0; ?,10 = каз = ?,з2 = ?/4о = кал = = Аг/42 = ?/52 = ?/50 = 0 (идентификация параметров), получают следующие решения:

Соответствующие графические зависимости приведены на рис. 15.9.

Кинетика очищения жидкостей организма при включении аппарата искусственной почки (/ = 0)

Рис. 15.9. Кинетика очищения жидкостей организма при включении аппарата искусственной почки (/ = 0):

1 - желудок; 2 - кровь; 3 - ткань

Верификация модели показывает хорошее соответствие расчетных и экспериментальных данных.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>