Инженеры Массачусетского технологического института разрабатывают роботизированную копию правого желудочка сердца

Автор - Jennifer Chu

Введение

Инженеры MIT разработали роботизированную копию правого желудочка сердца, которая имитирует биение и перекачку крови живого сердца.

Роботизированный желудочек сочетает в себе настоящую сердечную ткань с синтетическими, похожими на воздушные шары, искусственными мышцами, которые позволяют ученым контролировать сокращения желудочка, наблюдая за тем, как функционируют его естественные клапаны и другие сложные структуры.

Искусственный желудочек может быть настроен таким образом, чтобы имитировать здоровое и патологическое состояния. Команда манипулировала моделью для имитации состояний дисфункции правого желудочка, включая легочную гипертензию и инфаркт миокарда. Они также использовали модель для тестирования кардиоустройств. Например, команда имплантировала механический клапан для восстановления естественного неисправного клапана, а затем наблюдала, как в ответ меняется насосная функция желудочка.

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

“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 может быть использован в будущем для изучения влияния искусственной вентиляции легких на правый желудочек и разработки стратегий профилактики правожелудочковой недостаточности у этих уязвимых пациентов”..

Сингх и ее коллеги сообщают подробности о новой разработке в статье в открытом доступе, опубликованной сегодня в журнале Nature Cardiovascular Research. Среди ее соавторов - доцент Эллен Рош, которая является основным членом IMES и заместителем руководителя отдела исследований на кафедре машиностроения Массачусетского технологического института; наряду с Джин Боннемейн, Кэгларом Озтюрком, Кларой Парк, Диего Кеведо-Морено, Меган Роулетт и Йилинг Фан из Массачусетского технологического института; Брайан Айерс из Массачусетская больница общего профиля; Кристофер Нгуен из Кливлендской клиники; и Моссаб Саид из Бостонской детской больницы.

Балет ритмов

Правый желудочек - это одна из четырех камер сердца, наряду с левым желудочком, левым и правым предсердиями. Из четырех камер тяжелее всего приходится левому желудочку, поскольку его толстая конусообразная мускулатура предназначена для перекачки крови по всему телу. Рош говорит, что правый желудочек по сравнению с ним - “балерина”, поскольку он справляется с более легкой, но не менее важной нагрузкой.

“Правый желудочек перекачивает дезоксигенированную кровь в легкие, поэтому ему не нужно перекачивать так сильно”, - отмечает Рош. “Это более тонкая мышца с более сложной архитектурой и движениями”. Это усложняет для врачей точное наблюдение и оценку функции правого желудочка у пациентов с заболеваниями сердца. “Обычные инструменты часто не в состоянии охватить 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 кардиологических устройств для лечения ее дисфункции, команда разработала реалистичную функциональную модель правого желудочка, которая одновременно отражает его анатомические особенности и воспроизводит его насосную функцию. Модель включает в себя настоящую сердечную ткань, которую команда решила включить, поскольку 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 мышцей желудочка. Попытка отлить или напечатать эти очень тонкие структуры довольно сложна”, - объясняет Рош.

Срок годности сердца

В новом исследовании команда сообщает об исследовании правого желудочка свиньи, который они обработали, чтобы тщательно сохранить его внутренние структуры. Затем они обернули его силиконовой оболочкой, которая действовала как мягкий синтетический миокард или мышечная оболочка. Внутри этой оболочки команда внедрила несколько длинных трубок, похожих на баллоны, 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 движение сердца.

Чтобы проверить его прокачивающую способность, команда наполнила модель прозрачной жидкостью, схожей по вязкости с кровью. 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 могли настроить частоту и мощность насосных трубок, чтобы имитировать различные сердечные заболевания, такие как нерегулярное сердцебиение, ослабление мышц и гипертония.

“В некотором смысле мы реанимируем сердце таким образом, что сможем изучать и потенциально лечить его дисфункцию”, - говорит Рош. Чтобы показать, что искусственный желудочек можно использовать для тестирования сердечных устройств, команда хирургическим путем имплантировала кольцеобразные медицинские устройства различных размеров для восстановления трехстворчатого клапана камеры - створчатого одностороннего клапана, который пропускает кровь в правый желудочек. Когда этот клапан протекает или физически поврежден, это может вызвать правожелудочковую недостаточность или фибрилляцию предсердий и приводит к таким симптомам, как снижение физической активности, 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 его с помощью кольцеобразных устройств разных размеров. Они наблюдали, какое устройство улучшило поток жидкости в желудочке, когда он продолжал перекачивать.

“Благодаря своей способности точно воспроизводить дисфункцию трехстворчатого клапана роботизированная копия служит идеальной тренировочной площадкой для хирургов и интервенционных кардиологов”, - говорит Сингх. “Они могут попрактиковаться в новых хирургических методах ремонта или замены трехстворчатого клапана на нашей модели, прежде чем выполнять их на реальных пациентах”.

В настоящее время RRV может имитировать реалистичную работу в течение нескольких месяцев. Команда работает над повышением этой производительности и позволяет модели работать непрерывно в течение более длительных периодов времени. 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 доводит до совершенства. “Мы предполагаем соединить это с левым желудочком, чтобы создать полностью настраиваемое искусственное сердце, которое потенциально могло бы функционировать у людей”, - говорит Рош. “У нас еще довольно много времени, но это всеобъемлющее видение”.

Это исследование было частично поддержано Национальным научным фондом.



Оригинальная статья - https://news.mit.edu/2023/mit-engineers-design-robotic-replica-hearts-right-chamber-1208