Инженеры Массачусетского технологического института разработали роботизированную копию правой камеры сердца

Реалистичная модель может помочь в разработке более совершенных сердечных имплантатов и пролить свет на малоизученные сердечные заболевания.

Инженеры Массачусетского технологического института разработали роботизированную копию правого желудочка сердца, которая имитирует перекачку крови.

Робот-желудочек сочетает в себе настоящую сердечную ткань с синтетическими, похожими на баллоны искусственными мышцами, которые позволяют ученым контролировать сокращения желудочка, наблюдая за функционированием его естественных клапанов и других сложных структур.

Искусственный желудочек можно настроить таким образом, чтобы имитировать здоровое и больное состояние. Команда манипулировала моделью, имитируя состояния дисфункции правого желудочка, включая легочную гипертензию и инфаркт миокарда. Они также использовали модель для тестирования кардиальных устройств. Например, команда имплантировала механический клапан для ремонта естественного неисправного клапана, а затем наблюдала, как в ответ изменилась перекачка крови в желудочек.

Они говорят, что новый роботизированный правый желудочек, или RRV, может быть использован в качестве реалистичной платформы для изучения заболеваний правого желудочка и тестирования устройств и методов лечения, направленных на лечение этих заболеваний.

“Правый желудочек особенно подвержен дисфункции в условиях отделения интенсивной терапии, особенно у пациентов, находящихся на искусственной вентиляции легких”, - говорит Маниша Сингх, постдок Института медицинской инженерии и науки Массачусетского технологического института (IMES). “Симулятор RRV может быть использован в будущем для изучения воздействия искусственной вентиляции легких на правый желудочек и разработки стратегий предотвращения правожелудочковой недостаточности у этих уязвимых пациентов”.

Сингх и ее коллеги сообщают подробности новой конструкции в статье, опубликованной сегодня в открытом доступе в журнале Nature Cardiovascular Research. В число ее соавторов входят доцент Эллен Рош, которая является основным сотрудником IMES и заместителем руководителя отдела исследований департамента машиностроения Массачусетского технологического института; вместе с Джин Боннмен, Каглар Озтюрк, Кларой Парк, Диего Кеведо-Морено, Миган Роулетт и Илинг Фан из Массачусетского технологического института; Брайан Айерс из Массачусетской больницы общего профиля; Кристофер Нгуен из клиники Кливленда; и Моссаб Саид из Бостонской детской больницы.

Балет ритмов

Правый желудочек - одна из четырех камер сердца, наряду с левым желудочком, левым и правым предсердиями. Из четырех камер левый желудочек является самым тяжелым, поскольку его толстая конусообразная мускулатура предназначена для перекачки крови по всему телу. По сравнению с этим правый желудочек, по словам Роша, “балерина”, поскольку он выдерживает более легкую, но не менее важную нагрузку.

“Правый желудочек перекачивает дезоксигенированную кровь в легкие, поэтому ему не приходится перекачивать ее так сильно”, - отмечает Рош. “Это более тонкая мышца с более сложной архитектурой и движением”.

Такая анатомическая сложность затруднила клиницистам точное наблюдение и оценку функции правого желудочка у пациентов с пороками сердца.

“Обычные инструменты часто не в состоянии уловить сложную механику и динамику правого желудочка, что приводит к потенциальным ошибочным диагнозам и неадекватным стратегиям лечения”, - говорит Сингх.

Чтобы улучшить понимание малоизвестной камеры и ускорить разработку кардиальных устройств для лечения ее дисфункции, команда разработала реалистичную функциональную модель правого желудочка, которая отражает его анатомические особенности и воспроизводит насосную функцию.

В модель включена настоящая сердечная ткань, которую команда решила включить, потому что она сохраняет естественные структуры, которые слишком сложны для воспроизведения синтетическим путем.

“Существуют тонкие, крошечные хорды и створки клапанов с различными свойствами материала, которые движутся согласованно с мышцами желудочка. Отлить или напечатать эти очень тонкие структуры довольно сложно ”, - объясняет Рош.

Срок годности сердца

В новом исследовании команда сообщает о том, что исследует правый желудочек свиньи, который они обработали, чтобы тщательно сохранить его внутренние структуры. Затем они надели на нее силиконовую оболочку, которая выполняла роль мягкого синтетического миокарда, или мышечной оболочки. В эту оболочку команда встроила несколько длинных баллонных трубок, которые окружали настоящую ткань сердца, в положениях, которые команда определила с помощью компьютерного моделирования как оптимальные для воспроизведения сокращений желудочка. Исследователи подключили каждую трубку к системе управления, которую затем настроили на надувание и сдувание каждой трубки со скоростью, имитирующей реальный ритм и движения сердца.

Чтобы проверить его насосную способность, команда влила в модель жидкость, по вязкости схожую с кровью. Эта конкретная жидкость также была прозрачной, что позволило инженерам наблюдать с помощью внутренней камеры, как реагировали внутренние клапаны и структуры, когда желудочек прокачивал жидкость.

Они обнаружили, что насосная мощность искусственного желудочка и функция его внутренних структур были аналогичны тому, что они ранее наблюдали у живых здоровых животных, демонстрируя, что модель может реалистично имитировать работу и анатомию правого желудочка. Исследователи также могут настраивать частоту и мощность насосных трубок для имитации различных сердечных заболеваний, таких как нерегулярное сердцебиение, ослабление мышц и гипертония.

“В некотором смысле мы реанимируем сердце и таким образом можем изучать и, возможно, лечить его дисфункцию”, - говорит Рош.

Чтобы показать, что искусственный желудочек можно использовать для тестирования кардиальных устройств, команда хирургически имплантировала кольцеобразные медицинские устройства различных размеров для восстановления трехстворчатого клапана камеры — створчатого одностороннего клапана, пропускающего кровь в правый желудочек. Когда этот клапан негерметичен или физически поврежден, это может вызвать правожелудочковую недостаточность или мерцательную аритмию и приводит к таким симптомам, как снижение физической работоспособности, отеки ног и живота и увеличение печени.

Исследователи хирургическим путем манипулировали клапаном робота-желудочка, чтобы имитировать это состояние, затем либо заменили его, имплантировав механический клапан, либо отремонтировали с помощью кольцеобразных устройств разных размеров. Они наблюдали, какое устройство улучшает поток жидкости в желудочке, когда он продолжает перекачивать кровь.

“Благодаря способности точно воспроизводить дисфункцию трехстворчатого клапана RRV служит идеальной тренировочной площадкой для хирургов и интервенционных кардиологов”, - говорит Сингх. “Они могут опробовать новые хирургические методы восстановления или замены трехстворчатого клапана на нашей модели, прежде чем выполнять их на реальных пациентах”.

В настоящее время RRV может имитировать реалистичную функцию в течение нескольких месяцев. Команда работает над тем, чтобы увеличить эту производительность и позволить модели работать непрерывно на более длительных отрезках. Они также работают с разработчиками имплантируемых устройств, чтобы протестировать их прототипы на искусственном желудочке и, возможно, ускорить их доставку пациентам. Заглядывая далеко в будущее, Roche планирует соединить RRV с аналогичной искусственной функциональной моделью левого желудочка, которую группа в настоящее время дорабатывает.

05.04.2024 | Категория: Роботы