Искусственное легкое. Физики создали внешние искусственные легкие для новорожденных Можно ли поставить человеку искусственные легкие

То, что вдувание воздуха в легкие может оживить человека, знали с древнейших времен, но вспомогательные приборы для этого начали производить только в средние века. В 1530 году Парацельс впервые применил ротовой воздуховод с кожаными мехами, предназначенными для раздувания огня в камине. Через 13 лет Везалеус опубликовал труд «О строении человеческого тела», в котором обосновал пользу вентиляции легких через введенную в трахею трубку. А в 2013 году исследователи Университета Кейс Вестерн Резерв создали прототип искусственного легкого. Аппарат использует очищенный атмосферный воздух и не нуждается в концентрированном кислороде. Устройство по структуре напоминает человеческое легкое с силиконовыми капиллярами и альвеолами и работает на механической помпе. Биополимерные трубки имитирую разветвления бронхов на бронхиолы. В будущем запланировано совершенствование аппарата с привязкой к сокращениям миокарда. Мобильное устройство с большой вероятностью может заменить транспортный аппарат ИВЛ.

Размеры искусственного легкого - до 15x15x10 сантиметров, размеры его хотят максимально приблизить к человеческому органу. Огромная площадь газовой диффузионной мембраны дает 3-х - 5-ти кратное повышение эффективность кислородообмена.

Пока прибор тестируется на свиньях, но тесты уже показали его эффективность при дыхательной недостаточности. Внедрение искусственного легкого поможет отказаться от более массивных транспортных аппаратов ИВЛ, работающих со взрывоопасными кислородными баллонами.

Искусственное легкое позволяет активизировать пациента, в противном случае прикованного к постельному реаниматологическому либо транспортному аппарату ИВЛ. А с активизацией возрастают шанс на выздоровление и психологическое состояние.

Пациенты, ожидающие пересадки донорского легкого, обычно вынуждены находиться в больнице довольно долго на аппарате для искусственной оксигенации, пользуясь которым, можно только лежать в койке и наблюдать, как за тебя дышит машина.

Проект искусственного легкого, способного протезировать дыхательную недостаточность, дает этим пациентам шанс на скорейшее выздоровление.

В комплект портативного искусственного легкого входит само легкое и насос для крови. Автономная работа рассчитана на срок до трех месяцев. Малые размеры аппарата позволяют ему заменить транспортный аппарат ИВЛ экстренных медицинских служб.

Работа легкого основана на портативном насосе, обогащающем кровь газами воздуха.

Некоторым людям (особенно новорожденным детям) не требуется длительная подача высококонцентрированного кислорода из-за его окислительных свойств.

Еще один нестандартный аналог ИВЛ, применяемый при высоком повреждении спинного мозга, - чрезкожная электростимуляция диафрагмальных нервов («френикус-стимуляция»). Разработан трансплевральный массаж легких по В. П. Смольникову - создание в плевральных полостях состояния пульсирующего пневмоторакса.

Содержание

При нарушении дыхания у больного проводится искусственная вентиляция легких или ИВЛ. Ее применяют для жизнеобеспечения, когда пациент не может самостоятельно дышать или когда лежит на операционном столе под анестезией, которая вызывает нехватку кислорода. Выделяют несколько видов ИВЛ – от простой ручной до аппаратной. С первой может справиться практически любой человек, вторая – требует понимания устройства и правил применения медицинского оборудования­

Что такое искусственная вентиляция легких

В медицине под ИВЛ понимают искусственное вдувание воздуха в легкие с целью обеспечения газообмена между окружающей средой и альвеолами. Применяться искусственная вентиляция может в качестве меры реанимации, когда у человека серьезные нарушения самостоятельного дыхания, или в качестве средства для защиты от нехватки кислорода. Последнее состояние возникает при анестезии или заболеваниях спонтанного характера.

Формами искусственной вентиляции являются аппаратная и прямая. Первая использует газовую смесь для дыхания, которая закачивается в легкие аппаратом через интубационную трубку. Прямая подразумевает ритмичные сжимания и разжимания легких для обеспечения пассивного вдоха-выдоха без использования аппарата. Если применяется «электрическое легкое», мышцы стимулируются импульсом.

Показания для ИВЛ

Для проведения искусственной вентиляции и поддержания нормального функционирования легких существуют показания:

• внезапное прекращение кровообращения;
• механическая асфиксия дыхания;
• травмы грудной клетки, мозга;
• острое отравление;
• резкое снижение артериального давления;
• кардиогенный шок;
• астматический приступ.

После операции

Интубационную трубку аппарата искусственной вентиляции вставляют в легкие пациента в операционной или после доставки из нее в отделение интенсивной терапии или палату наблюдения за состоянием больного после наркоза. Целями и задачами необходимости ИВЛ после операции считаются:

• исключение откашливания мокроты и секрета из легких, что снижает частоту инфекционных осложнений;
• уменьшение потребности в поддержке сердечно-сосудистой системы, снижение риска нижнего глубокого венозного тромбоза;
• создание условий для питания через трубку для снижения частоты расстройства ЖКТ и возвращения нормальной перистальтики;
• снижение отрицательного влияния на скелетную мускулатуру после длительного действия анестетиков;
• быстрая нормализация психических функций, нормализация состояния сна и бодрствований.

При пневмонии

Если у больного возникает тяжелая пневмония, это быстро приводит к развитию острой дыхательной недостаточности. Показаниями применения искусственной вентиляции при этой болезни считаются:

• нарушения сознания и психики;
• снижение артериального давления до критического уровня;
• прерывистое дыхание более 40 раз в минуту.

Проводится искусственная вентиляция на ранних стадиях развития заболевания, чтобы увеличить эффективность работы и снизить риск летального исхода. ИВЛ длится 10-14 суток, через 3-4 часа после ввода трубки делают трахеостомию. Если пневмония носит массивный характер, ее проводят с положительным давлением к концу выдоха (ПДКВ) для лучшего распределения легких и уменьшения венозного шунтирования. Вместе с вмешательством ИВЛ проводится интенсивная терапия антибиотиками.

При инсульте

Подключение ИВЛ при лечении инсульта считается реабилитационной мерой для больного и назначается при показаниях:

• внутреннее кровотечение;
• поражение легких;
• патология в области дыхательной функции;
• кома.

При ишемическом или геморрагическом приступе наблюдается затрудненное дыхание, которое восстанавливается аппаратом ИВЛ с целью нормализации утраченных функций мозга и обеспечения клеток достаточным количеством кислорода. Ставят искусственные легкие при инсульте на срок до двух недель. За это время проходит изменение острого периода заболевания, снижается отечность мозга. Избавиться от ИВЛ нужно по возможности, как можно раньше.

Виды ИВЛ

Современные методы искусственной вентиляции разделяют на две условные группы. Простые применяются в экстренных случаях, а аппаратные – в условиях стационара. Первые допустимо использовать при отсутствии у человека самостоятельного дыхания, у него острое развитие нарушения ритма дыхания или патологический режим. К простым методикам относят:

1. Изо рта в рот или изо рта в нос – голову пострадавшего запрокидывают назад до максимального уровня, открывают вход в гортань, смещают корень языка. Проводящий процедуру становится сбоку, рукой сжимает крылья носа больного, отклоняя голову назад, другой рукой держит рот. Глубоко вдохнув, спасатель плотно прижимает губы ко рту или носу больного и резко энергично выдыхает. Больной должен выдохнуть за счет эластичности легких и грудины. Одновременно проводят массаж сердца.
2. Использование S-образного воздуховода или мешка Рубена . До применения у больного нужно очистить дыхательные пути, после чего плотным образом прижать маску.

Режимы ИВЛ в реанимации

Аппарат искусственного дыхания применяется в реанимации и относится к механическому методу ИВЛ. Он состоит из респиратора и интубационной трубки или трахеостомической канюли. Для взрослого и ребенка применяют разные аппараты, отличающиеся размером вводимого устройства и настраиваемой частотой дыхания. Аппаратная ИВЛ проводится в высокочастотном режиме (более 60 циклов в минуту) с целью уменьшения дыхательного объема, снижения давления в легких, адаптации больного к респиратору и облегчения притока крови к сердцу.

Методы

Высокочастотная искусственная вентиляция делится на три способа, применяемые современными врачами:

• объемная – характеризуется частотой дыхания 80-100 в минуту;
• осцилляционная – 600-3600 в минуту с вибрацией непрерывного или прерывистого потока;
• струйная – 100-300 в минуту, является самой популярной, при ней в дыхательные пути с помощью иглы или тонкого катетера вдувается кислород или смесь газов под давлением, другие варианты проведения – интубационная трубка, трахеостома, катетер через нос или кожу.

Помимо рассмотренных способов, отличающихся по частоте дыхания, выделяют режимы ИВЛ по типу используемого аппарата:

1. Автоматический – дыхание пациента полностью подавлено фармакологическими препаратами. Больной полностью дышит при помощи компрессии.
2. Вспомогательный – дыхание человека сохраняется, а подачу газа осуществляют при попытке сделать вдох.
3. Периодический принудительный – используется при переводе от ИВЛ к самостоятельному дыханию. Постепенное уменьшение частоты искусственных вдохов заставляет пациента дышать самому.
4. С ПДКВ – при нем внутрилегочное давление остается положительным по отношению к атмосферному. Это позволяет лучше распределять воздух в легких, устранять отеки.
5. Электростимуляция диафрагмы – проводится через наружные игольчатые электроды, которые раздражают нервы на диафрагме и заставляют ее ритмично сокращаться.

Аппарат ИВЛ

В режиме реанимации или постоперационной палате используется аппарат искусственной вентиляции легких. Это медицинское оборудование нужно для подачи газовой смеси из кислорода и сухого воздуха в легкие. Используется принудительный режим с целью насыщения клеток и крови кислородом и удаления из организма углекислого газа. Сколько разновидностей аппаратов ИВЛ:

• по виду применяемого оборудования – интубационная трубка, маска;
• по применяемому алгоритму работы – ручной, механический, с нейроконтролируемой вентиляцией легких;
• по возрасту – для детей, взрослых, новорожденных;
• по приводу – пневмомеханический, электронный, ручной;
• по назначению – общего, специального;
• по применяемой сфере – отделение интенсивной терапии, реанимации, послеоперационное отделение, анестезиологии, новорожденных.

Техника проведения искусственной вентиляции легких

Для выполнения искусственной вентиляции врачи используют аппараты ИВЛ. После осмотра больного доктор устанавливает частоту и глубину вдохов, подбирает газовую смесь. Газы для постоянного дыхания подаются через шланг, связанный с интубационной трубкой, аппарат регулирует и держит под контролем состав смеси. Если используется маска, закрывающая нос и рот, аппарат снабжается сигнализационной системой, оповещающей о нарушении процесса дыхания. При длительной вентиляции интубационная трубка вставляется в отверстие через переднюю стенку трахеи.

Проблемы в ходе искусственной вентиляции легких

После установки аппарата искусственной вентиляции и в ходе его функционирования могут возникнуть проблемы:

1. Наличие борьбы пациента с аппаратом ИВЛ . Для исправления устраняют гипоксию, проверяют положение вставленной эндотрахеальной трубки и саму аппаратуру.
2. Десинхронизация с респиратором . Приводит к падению дыхательного объема, неадекватной вентиляции. Причинами считаются кашель, задержка дыхания, патологии легких, спазмы в бронхах, неправильно установленный аппарат.
3. Высокое давление в дыхательных путях . Причинами становятся: нарушение целостности трубки, бронхоспазмы, отек легких, гипоксия.

Отлучение от искусственной вентиляции легких

Применение ИВЛ может сопровождаться травмами из-за повышенного давления, пневмонии, снижения работы сердца и прочих осложнений. Поэтому важно прекратить искусственную вентиляцию как можно быстрее с учетом клинической ситуации. Показанием для отлучения является положительная динамика выздоровления с показателями:

• восстановление дыхания с частотой менее 35 в минуту;
• минутная вентиляция сократилась до 10 мл/кг или меньше;
• у пациента нет повышенной температуры или инфекции, апноэ;
• показатели крови стабильны.

Перед отлучением от респиратора проверяют остатки мышечной блокады, сокращают до минимума дозу успокаивающих препаратов. Выделяют следующие режимы отлучения от искусственной вентиляции.

Лёгкие человека - это парный орган, располагающийся в грудной клетке. Их основная функция – дыхание. Правое лёгкое имеет больший объём по сравнению с левым. Это обусловлено тем, что сердце человека, находясь посредине грудной клетки, имеет смещение в левую сторону. Объём лёгких составляет в среднем около 3 литров , а у профессиональных спортсменов более 8 . Размерами одно лёгкое женщины примерно соответствует сплюснутой с одной стороны трёхлитровой банке, при массе 350 г . У мужчин эти параметры на 10-15% больше.

Формирование и развитие

Формирование лёгких начинается на 16-18 день эмбрионального развития из внутренней части зародышевого лепестка – энтобласта. С этого момента и примерно до второго триместра беременности происходит развитие бронхиального дерева. Уже с середины второго триместра начинается формирование и развитие альвеол. К моменту рождения структура лёгких младенца полностью идентичны этому органу взрослого человека. Только следует заметить, что до первого вдоха в лёгких новорожденного нет воздуха. И ощущения при первом вдохе для младенца сродни ощущениям взрослого человека, который попытается вдохнуть воду.

Увеличение количества альвеол, продолжается до 20-22 лет. Особенно сильно это происходит в первые полтора–два года жизни. А после 50 лет, начинается процесс инволюции, вызванный возрастными изменениями. Уменьшается ёмкость лёгких, их размер. После 70 лет, ухудшается диффузия кислорода в альвеолах.

Строение

Левое лёгкое состоит из двух долей – верхней и нижней. У правого, кроме вышеперечисленных, есть ещё и средняя доля. Каждая из них делится на сегменты, а те, в свою очередь, на лабулы. Скелет лёгких состоит из древовидно разветвляющихся бронхов. Каждый бронх входит в тело лёгкого вместе с артерией и веной. Но раз эти вены и артерии из малого круга кровообращения, то по артериям течёт кровь, насыщенная углекислым газом, а по венам - кровь, обогащённая кислородом. Оканчиваются бронхи бронхиолами в лабулах, образуя в каждой полторы дюжины альвеол. В них и происходит газообмен.

Суммарная площадь поверхности альвеол, на которой происходит процесс газообмена, непостоянна и меняется с каждой фазой вдоха-выдоха. На выдохе она составляет 35-40 кв.м., а на вдохе 100-115 кв.м.

Профилактика

Основным методом профилактики большинства заболеваний является отказ от курения и соблюдение правил техники безопасности при работе на вредных производствах. Как это ни удивительно, но отказ от курения понижает риск возникновения рака лёгкого на 93% . Регулярные физические упражнения, частое пребывание на свежем воздухе и здоровое питание дают шанс практически любому человеку избежать многих опасных заболеваний. Ведь многие из них не лечатся, и спасает их только пересадка лёгкого.

Трансплантация

Первую в мире операцию по пересадке лёгкого выполнил в 1948 г наш врач – Демихов. С тех пор количество подобных операций в мире превысило 50 тысяч. По сложности эта операция даже несколько сложнее, чем пересадка сердца. Дело в том, что лёгкие, кроме основной функции дыхания, несут ещё и дополнительную – выработка иммуноглобулина. А его задача уничтожать всё чужеродное. И для пересаженных лёгких таким чужеродным телом может оказаться весь организм реципиента. Поэтому после трансплантации пациент обязан пожизненно принимать препараты, подавляющие иммунитет. Сложность с сохранением донорских лёгких - ещё один усложняющий фактор. Отдельно от организма они «живут» не более 4 часов. Пересаживать можно как одно, так и два лёгких. Операционная бригада состоит из 35-40 врачей высшей квалификации. Почти 75% пересадок происходят всего при трёх заболеваниях:
ХОБЛ
Муковисцидоз
синдром Хэммена - Рича

Стоимость подобной операции на Западе составляет около 100 тыс. евро. Выживаемость пациентов находится на уровне 60%. В России подобные операции делают бесплатно, а выживает только каждый третий реципиент. Да и если во всём мире ежегодно делается более 3000 трансплантаций, то в России только 15-20. Достаточно сильное снижение цен на донорские органы в Европе и в США наблюдалось во время активной фазы войны в Югославии. Многие аналитики связывают это с бизнесом Хашима Тачи по продаже живых сербов на органы. Что кстати и подтвердила Карла Дель Понте.

Искусственные лёгкие – панацея или фантастика?

В 1952 году в Англии впервые в мире была проведена операция с использованием ЭКМО. ЭКМО - это не прибор и не устройство, а целый комплекс для насыщения крови пациента кислородом вне его тела и удаления из неё углекислого газа. Это крайне сложный процесс может в принципе служить неким подобием искусственного лёгкого. Только пациент оказывался прикованным к постели и зачастую находился в бессознательном состоянии. Но с использованием ЭКМО при сепсисе выживает почти 80%, а при серьёзной травме лёгких более 65% пациентов. Сами комплексы ЭКМО очень дороги, и например в Германии их всего 5, а стоимость процедуры составляет около 17 тыс. долларов.

В 2002 году в Японии было объявлено об испытании прибора, подобного ЭКМО, только размером с две пачки сигарет. Дальше испытаний дело не пошло. Через 8 лет американские учёные из Йельского института создали почти полноценное, искусственное лёгкое. Оно было сделано наполовину из синтетических материалов, а наполовину из живых клеток лёгочной ткани. Устройство было испытано на крысе, и при этом оно вырабатывало специфический иммуноглобулин в ответ на введение патологических бактерий.

А буквально через год, в 2011 году, уже в Канаде, учёные сконструировали и испытали устройство, принципиально отличающееся от вышеприведённых. Искусственное лёгкое, которое полностью имитировало человеческое. Сосуды из силикона толщиной до 10 микрон, аналогичная человеческому органу площадь газопроницаемой поверхности. Самое главное, это устройство, в отличии от других не нуждалось в чистом кислороде и способно было обогащать кровь кислородом из воздуха. А для работы ему не нужны сторонние источники энергии. Его можно имплантировать в грудную клетку. Испытания на людях планируют провести к 2020 году.

Но пока это всё только разработки и экспериментальные образцы. А в наличии в этом году учёными Питсбургского университета было анонсировано устройство PAAL. Это такой же комплекс ЭКМО, только размером с футбольный мяч. Для обогащения крови ему нужен чистый кислород, и использовать его можно только в амбулаторных условиях, но зато пациент остаётся мобильным. И на сегодняшний день, это самая лучшая альтернатива лёгким человека.

Mohammadhossein Dabaghi et.al. \Biomicrofluidics 2018

Группа ученых из Канады и Германии создала внешние искусственные легкие для новорожденных, родившихся с проблемами дыхательной системы. Новые внешние легкие представляют собой систему микроканалов, состоящую из двухсторонних пористых мембран, обогащающих протекающую через них кровь кислородом. Кровь по таким каналам течет самостоятельно, что является огромным плюсом и помогает избежать множества проблем, связанных с внешними насосами, сообщается в статье в Biomicrofluidics.

Респираторный дистресс-синдром (РДС) проявляется у примерно 60 процентов новорожденных при 28-недельной гестации, у 15–20 процентах при сроке 32-36 недель. При этом из-за того, что легкие - один из органов, развивающихся в конце беременности, преждевременно рожденные младенцы при РДС нуждаются в дополнительной внешней помощи для насыщения крови кислородом, пока их собственные легкие не смогут полностью выполнять свои функции самостоятельно. При этом бывают случаи, когда механической вентиляции легких недостаточно, и врачи вынужденны обогащать кровь кислородом напрямую. В таких случаях приходится прогонять кровь младенца через специальные мембранные системы, в которых происходит насыщение крови кислородом.

Но, в отличие от взрослых, у новорожденных детей объем крови обычно не превышает 400–500 миллилитров, а значит, чтобы избежать чрезмерного разведения крови и понижения гематокрита, опасно использовать более 30–40 миллилитров крови для оксигенации вне тела. Этот факт ограничивает время, которое единица крови может проводить вне организма, то есть процесс оксигенации должен происходить достаточно быстро. Кроме того, для избежания перепадов давления, которые происходят при использовании перфузионного насоса и могут повредить клетки крови, в идеале движение крови через мембранную систему должно обеспечивать сердце. И, хоть это и не критично, но было бы хорошо, чтобы мембраны могли обогащать кровь кислородом, используя для этого обычный воздух, а не специально приготовленную смесь газов или чистый кислород.

Все эти требования ученые попытались удовлетворить, использовав концепцию искусственной плаценты. Она подразумевает обмен газами между кровью и внешним источником, не смешивая при этом кровь младенца с другими жидкостями (лишь добавив в нее солевой раствор для поддержания количества циркулирующей в кровеносных сосудах жидкости). При этом, поскольку объем крови вне организма должен не превышать 30 миллилитров, необходимо создать структуру, в которой при фиксированном объеме площадь соприкосновения крови с газообменной мембраной максимальна. Проще всего это сделать, заполнив кровью параллелепипед с очень маленькой высотой, однако такая структура будет очень неустойчива. Именно тот факт, что конструкция должна быть тонкой, но при этом прочной, а также изготовленной из пористых материалов и накладывал основные ограничения на создание искусственных легких.

Для эффективного газообмена ученые разместили две квадратные (43×43 миллиметра) пористые полидиметилсилоксановые мембраны параллельно друг-другу, расположив между ними сеть из квадратных колонн со стороной в миллиметр, образовав множество прямых, перпендикулярных друг-другу каналов, по которым течет кровь. Кроме механического удерживания мембран, эти колонны также способствовали перемешиванию крови, делая ее более однородной по составу во всей системе. Также, для достаточной устойчивости конструкции, отсутствия деформаций во время работы и уменьшения влияния дефектов, одна из мембран должна быть достаточно толстой, чтобы обеспечить прочность структуры, но в то же время достаточно тонкой для того, чтобы через нее мог происходить газообмен. Для уменьшения толщины полидиметилсилоксанового слоя, не теряя при этом в механических свойствах, исследователи вставили в него сеть из полосок армированной стали.