Энциклопедия Кольера - биомедицинская инженерия

ОСНОВНЫЕ ОБЛАСТИ ИССЛЕДОВАНИЙ

Компьютерное моделирование в биомеханике. Роль компьютерного моделирования в биомедицинской инженерии трудно переоценить. На основе количественных данных исследований программист создает модели биологических процессов и структур; соответствующие программы могут предсказать поведение биологической структуры, системы или организма в зависимости от внешних воздействий, лечения, развития болезни или старения. Компьютерные модели способны приблизительно описать механику работы различных частей тела, например бедренной кости в области тазобедренного сустава, или же они могут описать, каким образом замена головки берцовой кости на искусственную повлияет на функционирование кости в целом. Можно использовать моделирование и для анализа возможных изменений в конструкции протеза, а также связанного с ними риска для больного. Однако важнее всего то, что компьютерное моделирование позволяет избежать проведения экспериментов на людях.

Биоматериалы и биомеханика ткани. В отличие от специалистов по моделированию многие инженеры-биомедики имеют дело непосредственно с биологическими тканями мышцами, связками, сухожилиями и даже клеточными мембранами. Чаще всего их работа связана с измерением физических параметров (таких, как прочность, жесткость, упругость) или функциональных показателей (электрической активности, количеств выделяемого вещества, осмотического давления в клетках и т.п.). Подобные измерения важны не только для фундаментальной науки; они создают основу для практически важных разработок, одним из примеров которых служит искусственное сердце. Биомеханика изучает в основном механические свойства опорно-двигательного аппарата. Фундаментальные исследования в этой области послужили базой для разработки искусственных суставов, которые применяются для замены суставов, необратимо поврежденных в результате тяжелого артрита или артроза. Это изобретение, уже облегчившее страдания тысячам людей, может быть, самое впечатляющее достижение биомедицинской инженерии.

Имплантация (эндопротезирование). В 1937 пригодными для имплантации были признаны три типа металлических материалов нержавеющая сталь марки 316-L, хромо-кобальто-молибденовый сплав (виталлий) и титан. Эти материалы достаточно прочны, долговечны, устойчивы к коррозии и не вызывают серьезных воспалительных реакций в организме. С их появлением в практику травматологии быстро вошли разнообразные фиксаторы (стержни, пластинки, винты и гвозди), предназначенные для закрепления костей в правильном положении до тех пор, пока не восстановится костная ткань. Большинство подобных фиксаторов было разработано в те годы, когда механика костей и мягких тканей была изучена слабо и отсутствовали данные о том, каким нагрузкам подвергается имплантат в организме. Современные фиксаторы для срастания переломов значительно эффективнее; возникающие в них напряжения и деформации рассчитываются заранее. Благодаря современным фиксирующим устройствам пожилой человек с переломом шейки бедра часто снова начинает ходить практически через неделю после травмы. Несмотря на огромный успех в области эндопротезирования тазобедренного и коленного суставов, срок службы этих протезов ограничивался примерно 10 (максимум 20) годами. Это определялось двумя факторами: ослаблением креплений элементов протеза и недостатками метилметакрилатного костного цемента. Поиск более надежных способов фиксации дал свои результаты: появились металлические протезы как с пористой поверхностью, так и с покрытием из фосфата кальция в форме гидроксиапатита, который имитирует поверхность кости. Благодаря пористой структуре наружного слоя протеза кость врастает в поверхность протеза и стабилизирует его до конца жизни пациента. Покрытие металлического протеза гидроксиапатитом имитирует нормальную кость, что способствует более физиологичному и долговечному соединению протеза с костью.

Биоэлектрическая инженерия. Различные ткани, в т.ч. костная ткань, генерируют электрические импульсы. Подобный пьезоэлектрический эффект играет важную роль в формировании костей взрослого человека. Кроме того, он влияет на скорость и прочность срастания костей. Биоэлектрические явления все чаще пытаются использовать для более эффективного лечения переломов. Например, вблизи несрастающегося перелома имплантируют электроды и пропускают слабый электрический ток, который проходит через ткань в месте имплантации. Такой подход позволяет добиться правильного срастания даже в тех случаях, когда обычные способы лечения не приносят успеха

(см. также Биоэлектричество).

ИСТОРИЧЕСКИЙ ОЧЕРК

Рождение биомеханики. В 1940-х годах шведский ортопед К.Хирш впервые начал применять специальные приборы и датчики для измерения физических характеристик опорно-двигательного аппарата человека. Работы Хирша и его учеников легли в основу биомеханики одной из главных областей биомедицинской инженерии. Результаты проведенных Хиршем экспериментов имели колоссальное значение. В частности, оказалось, что силы, действующие на бедренный сустав в поперечном направлении, примерно одинаковы независимо от того, поднимает ли человек ногу, чтобы перевернуться в постели, или ходит. Поэтому сегодня пожилым людям с переломом шейки бедра после установки фиксатора перелома (гвоздя) разрешены прогулки. А ведь совсем недавно они были обречены на длительный постельный режим, который часто приводил к пневмонии, тромбозу и другим осложнениям со смертельным исходом. Полученные Хиршем данные позволили подобрать более прочные материалы для искусственных суставов, разработать элементы более долговечных протезов, а также специальные гвозди для бедренных фиксаторов, которые позволяют больному еще при срастании перелома шейки бедра полностью опираться на больную ногу. Кроме того, эти данные помогают врачу научить больного, как лучше пользоваться костылями или тростью.

Разработка приемной полости протеза. После Второй мировой войны группа ученых из Калифорнии параллельно с Хиршем искала пути улучшения протезов для солдат, перенесших ампутацию ног. С помощью киносъемки и анализа движений ученые смогли предсказать, какие нагрузки и какое давление со стороны протеза может испытывать культя. Именно эти методы и помогли им в конце концов разработать улучшенную конструкцию приемной полости протеза, которая находится в постоянном контакте с культей. Новый тип протеза удобен и носится много часов подряд, не причиняя вреда коже.

Протезы тазобедренного и коленного суставов. В 1963 английский врач Дж.Чарнли создал полный протез тазобедренного сустава и шейки бедра с чашеобразной приемной полостью в области таза и металлическим шаром и стержнем, заменяющими верхнюю часть бедренной кости. Однако трение между частями протеза препятствовало нормальной ходьбе. Чарнли определил, что для решения проблемы нужно выполнить два условия: элементы протеза должны прочно фиксироваться в костях больного, а трение между рабочими частями протеза должно быть очень мало. Он добился успеха, применив новый цементирующий материал метилметакрилат, который и до сих пор используется как стандартный костный цемент. Чуть позже Ф. Ганстон, опираясь на работу Чарнли, сконструировал протез коленного сустава. В настоящее время протезы тазобедренного и коленного суставов служат по 10-15 лет.

Искусственное сердце. Аппараты типа "искусственное сердце" уже вошли в медицинскую практику, хотя пока они еще не могут полностью заменить настоящее сердце. Для того чтобы искусственное сердце могло быть использовано в качестве постоянно работающего аппарата, оно должно: 1) иметь небольшие размеры; 2) обеспечивать достаточный выброс крови; 3) регулировать выброс в зависимости от нужд организма; 4) легко подвергаться стерилизации; 5) изготовляться из долговечных материалов; 6) прокачивать кровь без резких толчков, чтобы избежать разрушения эритроцитов (гемолиза). Пока ученые разработали лишь устройства, заменяющие две нижних камеры сердца (желудочки). При имплантации их соединяют с двумя верхними камерами (предсердиями), предварительно удалив заменяемые желудочки. Первую имплантацию искусственного сердца человеку произвел в 1969 Д.Кули в США. Аппарат работал 64 ч, пока не было найдено человеческое сердце для пересадки. Долговременная имплантация искусственного сердца была впервые выполнена 2 декабря 1982 хирургами Медицинского центра при Университете Юты, США. Использовался аппарат Джарвик-7, названный так в честь его изобретателя Р.Джарвика. Этот аппарат был изготовлен из формованного полиуретана, укрепленного на алюминиевой рамке, причем в основании каждой камеры была растягивающаяся резиновая мембрана. Обе мембраны соединялись с внешним насосом двумя шлангами, проходящими через брюшную полость больного. Насос подавал сжатый воздух, под давлением которого резиновые мембраны выталкивали кровь через искусственные клапаны в кровеносную систему. Больной, которому была произведена имплантация, Барни Кларк, прожил 112 дней; за это время искусственное сердце совершило 13 млн. ударов. Вероятно, в будущем в искусственное сердце будет встраиваться электрический насос, питающийся от закрепленного на поясе аккумулятора.

См. также Сердце.