3.4.1 Контроль и управление в бтс временной и длительной компенсации утраченных функций организма

Автоматическое управление аппаратами активного воздействия в системе кровообращения. Оно может быть организовано по показателям величины артериального или венозного давления, давления в полостях сердца (предсердии или желудочке), по эфферентным импульсам в диафрагмальных нервах, по величине венозного притока крови, по сигналам с датчиков длительности фаз сердечного цикла, растяжения аорты и т.д. Особенностью управления аппаратами вспомогательного кровообращения является то, что их деятельность должна быть синхронизована с работой сердца пациента [4].

Рассмотрим в качестве примера управление искусственным желудочком (ИЖ). Оно должно осуществляться не только в соответствии со сдвигами системного кровообращения, но и обязательно с учетом фаз сокращений естественного сердца. При недостаточной сократительной способности левого желудочка применение ИЖ, являясь эффективным лечебным средством, облегчает работу сердца. Этот способ получил название контрпульсации. Ее физиологический смысл заключается в том, что в фазу систолы ИЖ снижает давление крови в аорте, облегчая тем самым сокращение желудочка, а в период диастолы, наоборот, повышает давление крови, способствуя улучшению коронарного кровотока. При этом необходима четкая синхронизация работы сердца и ИЖ, так как, например, при одновременной систоле собственного и вспомогательного желудочков может резко повыситься давление крови в левом желудочке, что иногда приводит к аритмии и даже фибрилляции.

Эффект контрпульсации может быть достигнут разными способами, общим для которых является извлечение объема крови из артериального русла в фазу систолы сердца и возвращение его обратно в фазу диастолы. Схема управления таким устройством представлена на рисунке 3.14.

Рис. 3.14. Схема управления искусственным желудочком (по Гурфинкелю и др., 1972):

1 – усилитель зубца P; 2 – задержка PQ; 3 – задерживающая цепь; 4 – генератор импульсов; 5 – коммутатор; 6 – задержка фазы насоса ST; 7 – управление длительностью нагнетания; 8 – установка давления нагнетания; 9 – силовая установка давления ИЖ; 10 – установка давления всасывания; 11 – силовая установка всасывания ИЖ; 12 – датчик давления в насосе; 13 – датчик давления в бедренной артерии; 14 – датчик давления в желудочке; 15 – запись ЭКГ; 16 – измеритель скорости кровотока; 17-19 – измерители давления; 20 – самописец; 21 – управление насосом; 22 – осциллоскоп: РЭ – регистрирующий электрод; СЭ – стимулирующий электрод

Другой способ достижения контрпульсации заключается в применении «баллонного метода». Его сущность состоит во введении в аорту с помощью катетера тонкостенного баллона. В фазу диастолы баллон раздувают газом, при этом давление в сосуде возрастает; во время систолы газ быстро откачивают. Этот способ менее травматичен и поэтому может применяться у больных на протяжении долгого времени.

Разрабатывается и ряд других методов достижения контрпульсации; их сущность заключается в использовании для вспомогательного кровообращения сокращений различных мышц данного организма. Например, вокруг дистальной части аорты подшивают участок диафрагмальной мышцы с сохраненными кровообращением и иннервацией (рисунок 3.15).

Серебряные электроды подсоединяют к левому диафрагмальному нерву. При их стимуляции в период систолы удается улучшить максимальное артериальное давление, в период диастолы – диастолическое давление, что и ведет к улучшению работы сердца.

Управление аппаратами активного воздействия в системе дыхания. Оно должно осуществляться в тех случаях, когда нарушение функций дыхательной мускулатуры приводит к такому ухудшению легочной вентиляции, что возникает необходимость в искусственном дыхании. Применение в этих случаях аппаратов искусственного дыхания обеспечивает заданный ритм и глубину дыхания.

Функции легких, как известно, не ограничиваются сферой газообмена – передачей кислорода из воздуха в кровь помощью и выделением углекислоты.

С деятельностью легких связаны также обмен веществ и механизм иммунитета. Но только одну из функций – газообмен – может компенсировать искусственное легкое.

Давно созданы и нашли широкое клиническое применение аппараты воздушно-пузырькового, ротационного, решетчатого и многих других типов. Основным их недостатком была невозможность длительной эксплуатации, связанная с гемолизом и денатурацией белков плазмы крови вследствие длительного контакта крови с воздухом. Доя устранения этого недостатка были разработаны ИЛ мембранного типа, сконструированные таким образом, чтобы кровь вступала в контакт с воздухом через мембрану. Для этой цели использовали силиконовые мембраны, обладающие хорошей совместимостью с кровью, проницаемостью для кислорода и углекислоты, химической устойчивостью, не включающие растворимых примесей, не оказывающие отрицательного влияния на эритроциты и не вызывающие тромбоза и денатурации белков плазмы. Эти мембраны наряду с хорошей технологичностью обладают динамической механической прочностью (они выдерживают без повреждения давление крови в 980 гПа), стойкостью к действию агрессивных среди высоких температур во время дезинфекции.

Если, прежние аппараты можно было использовать только в ходе операции, то искусственные мембранные легкие типа «сэндвич» с плоскими мембранами и полыми волокнами применяются в случае временного снижения легочной активности (например, при пневмонии), для восстановления функций, при реанимациях и т.д. Описаны случаи использования ИЛ в течение двух недель.

Для обеспечения адекватной вентиляции, необходимой для насыщения крови кислородом и для поддержания нормального щелочно-кислотного равновесия, управление аппаратом искусственного дыхания должно осуществляться в соответствии с потребностями организма.

При отсутствии патологических изменений в центральном аппарате регуляции дыхания в организме (в дыхательном центре) управлять устройствами искусственного дыхания следует с помощью сигналов, получаемых от дыхательного центра.

В качестве источника управляющих сигналов может быть использована электрическая активность дыхательной мускулатуры – наружных межреберных мышц. Их биопотенциалы после усиления и сглаживания обеспечивают управление электромагнитными клапанами, соединяющими респиратор с дыхательными путями (рисунок 3.16).

Информацию для формирования сигналов управления аппаратурой искусственного дыхания (АИД) можно получить путем регистрации и усиления биотоков другой группы дыхательных мышц-расширителей крыльев носа, непосредственно в выполнении дыхательной функции участия не принимающих, но получающих сигналы со стороны дыхательного центра. Такая же интегральная характеристика сигналов управления дыхательного центра, идущих к дыхательной мускулатуре, может поступать при регистрации биотоков диафрагмального нерва.

Рис. 3.16. Схема избирательной перфузии биоэлектрического управления искусственным дыханием:

1 – дыхательный центр; 2 – межреберные мышцы; 3 – диафрагма; 4 – усилитель биопотенциалов; 5 – интегратор; 6 – усилитель мощности; 7 – электромагнитные клапаны; 8 – респиратор

При нарушении функций дыхательного центра система управления АИД также должна строиться с учетом информации о потребностях организма. Поскольку получить ее в этом случае непосредственно от системы управления организмом невозможно, «протез» внешнего управления должен строиться на основании контроля за дыхательными объемами и напряжением углекислого газа в выдыхаемом воздухе. «Протезы» внешнего управления при нарушении собственных регуляторных механизмов управления деятельностью сердечной, мышцы. Наиболее широкое распространение в клинической практике получили автоматические устройства для управления ритмом сердца. В разных странах мира на 1 миллион жителей приходится от 36 до 120 первичных имплантаций кардиостимуляторов в год. Только в США и Канаде живет около 200000 больных с имплантированными водителями ритма, в ФРГ таких больных более 20000, во Франции – более 1000.

Управление водителями ритма осуществляется с помощью биотоков сердца. При этом в самой конструкции пейсмекеров обратные связи не предусмотрены, они возникают в комплексе «автомат-сердце-организм». Так как искусственные водители ритма управляются биотоками сердца, а пейсмекеры, в свою очередь, стимулируют миокард желудочков, вызывая их сокращение, опорожнение полостей сердца и, в конечном итоге, движение крови по сосудам, то в процессе кровообращения и обмена веществ появляются разнообразные нервные и гуморальные сигналы, воздействующие на систему собственных водителей сердечного ритма и генерацию ими электрических потенциалов. Они и играют роль обратных связей.

Искусственные пейсмекеры разделяют на следующие основные типы:

• с фиксированным ритмом раздражения;

• синхронизированные по зубцу Р ЭКГ;

• готовые к работе «по требованию» в зависимости от зубца R ЭКГ.

В пейсмекерах второго и третьего типов есть специальное устройство, воспринимающее ЭКГ с электродов для стимуляции и блокирующее искусственную стимуляцию в том случае, если ритм сердцебиений нормален. При замедлении ритма или асистолии устройство «растормаживается» и генерирует импульсы определенной частоты. Если же стимуляция синхронизируется с зубцом Р ЭКГ так, что устройство постоянно генерирует раздражающие импульсы определенной частоты (например, 70 импульсов в минуту), то при нормальном ритме сердца они остаются без ответа, так как попадают в период абсолютной рефракторной фазы. Если частота сердечных сокращений замедляется, то импульсы попадают в возбудимый период и пейсмекер начинает искусственную стимуляцию, которая продолжается до тех пор, пока не восстановится нормальная частотам сердечных сокращений.

Особо следует выделить получившие широкое применение в БТС устройства, предназначенные для синхронизации лечебных, диагностических и других воздействий с теми или иными фазами сердечного цикла. В качестве примера подобного рода устройств можно указать аппаратуру, предназначенную для введения тромболитических агентов в венечные сосуды сердца при тромбозе и для автоматического управления антикоагулянтной терапией. Фибринолизин наиболее целесообразно вводить в первые часы после тромбоза, во время диастолы сердца, так как кровоток в миокарде наиболее интенсивен именно в этой стадии. В устройстве избирательной перфузии коронарных сосудов, схема которого представлена на рисунке 3.17, поступление вещества из автомата посредством катетера, проведенного к устьям венечных сосудов, регулируется по зубцу Р ЭКГ с задержкой, обеспечивающей попадание лекарства в фазу диастолы. Это способствует быстрому рассасыванию тромба.

Рис. 3.17. Система избирательной перфузии венечных сосудов:

а – положение катетера в сердце; б- блок-схема управляемой избирательной перфузии; в – функциональные параметры сердечно-сосудистой системы при перфузии;

1 – катетер, введенный в аорту; 2 – шприц; 3 – кардиосинхронизатор с программным устройством; 4 – электроды для ЭКТ; 5 – давление в аорте; 6 – коронарный кровосток; 7 – ЭКГ; 8 – фазы кардиоциклического шприца

Разработана группа кардиосинхронизаторов, фазы сердечного цикла в которых сопоставляются с моментом включения рассмотренной ниже диагностической аппаратуры.

Импульсные низкочастотные токи низкого напряжения используются для электростимуляции мышц с нарушенными функциями. Эта электрогимнастика применяется при парезах (снижение силы мышц) или параличах, когда происходит полная утрата активных движений. Рассмотрим методику электростимуляции на примере системы управления движениями «Миотон», разработанная в Институте кибернетики АН УССР. Биотоки, отводимые от мышц здорового человека, управляют формированием амплитуды сигналов импульсного генератора. Эти сигналы после усиления подаются на соответствующие мышцы больного. Последний повторяет движения «донора». Сигнал от донора можно записать на магнитную пленку и таким путем продублировать воздействие. С помощью прибора может также осуществлять многоканальную стимуляцию биотоками или обычную стимуляцию импульсным током (рисунок 3.18).