پزشکی بالینی

قلب مصنوعي، افسانه اي که تحقق يافت

در گذشته نه چندان دور، پيوند قلب از انساني به انسان ديگر تنها راه نجات بيماراني بود که در حادترين مراحل بيماري قلبي قرار داشتند. اما  همواره تعداد متقاضيان دريافت پيوند بسيار بيشتر از تعداد اهدا کنندگان بوده است. به اين ترتيب همه ساله هزاران نفر در صف انتظار پيوند جان خود را از دست مي دهند. توليد قلب مصنوعي دريچه اميدي براي بيماران قلبي گشوده است. اما قلب مصنوعي چگونه کار مي کند؟

قلب همانند موتوري در بدن است که نيروي لازم براي تمامي فعاليت ها را توليد مي کند. در نظر اول شايد قلب تنها يک عضله به نظر برسد که خون را به رگ ها پمپ مي کند. اما اولين دانشمنداني که قدم در راه توليد قلب مصنوعي گذاشتند، با ماشيني پيچيده روبرو شدند که بايد 6000 ليتر خون را در يک روز به ريه ها و  ساير اعضاي بدن پمپ کند. به علاوه  نحوه تامين انرژي اين ماشين نيز مشکلي پيچيده بود.‏

اولين قلب مصنوعي
در سال 1982، نمونه اوليه اي از يک قلب مصنوعي توسط ‏Paul Winchel‏ طراحي شد. اما استفاده از آن در بدن يک انسان کاري مخاطره آميز به نظر مي رسيد. در نهايت جراح متبحري به نام دکتر ‏William Devries‏ از دانشگاه ‏Utah‏ آمريکا تصميم به انجام اين پيوند گرفت. او اين دستگاه را ‏Jarvik-7‎‏ ناميد. اين  نخستين ماشيني بود که مي توانست به طور دائم جايگزين قلب شود. بيمار دريافت کننده پيوند، دندانپزشکي 61 ساله به نام ‏Barney Clark‏ بود. شانس زندگي او در صورت عدم دريافت پيوند، کمتر از سي روز پيش بيني مي شد. جراحي با موففيت انجام شد و کلارک 112 روز زنده ماند. ‏
يکي از ويژگي هاي ‏Jervik-7‎‏ ، به کارگيري نوعي فلز مخصوص در حفرات داخلي آن بود. خون در برخورد با اين نوع فلز منعقد شده و لايه اي در داخل حفرات تشکيل مي داد. اين امر  سبب تسهيل حرکت خون در قلب مي شد.‏
عملکرد‎ Jarvik-7‎همانند پمپ هوا طراحي شده بود و برخلاف مدل پيشرفته امروزي، لازم بود چندين رشته سيم از بدن بيمار بيرون آمده و به منبع نغذيه خارجي متصل شود. طبيعي ترين پيامد اين طراحي، بروز عفونت هاي متعدد در محل عبور سيم ها از پوست بود. پيش از توقف توليدJarvik-7‎‏ ، از آن در چندين بيمار ديگر نيز استفاده شد. اما به علت بروز مشکلات فني نظير خطاهاي مکانيکي و حجم بسيار بزرگ دستگاه، توليد آن متوقف شد.‏

قلبي مدرن  ‏
دو کشف اساسي در توليد قلب هاي مصنوعي مدرن نقشي کليدي به عهده داشتند. مورد اول توليد پوريه  ضد انعقاد است که در لايه بيروني قلب مصنوعي استفاده مي شود و احتمال پس زده شدن آن را از سوي سيستم ايمني و بافت هاي اطراف به حداقل مي رساند. کشف مهم ديگر، اختراع سيستم منبع تغذيه قابل کاشت درون بدن است که هيچ گونه حرارتي در بافت هاي اطراف خود ايجاد نمي کند. اين دو کشف از ابداعات فردي به نام ‏Hiroaki Harusaki‏ است. ‏
اين دو ويژگي به همراه دهها تکنولوژي ديگر در قالب يک مدل قلب مصنوعي با نام ‏AbioCor‏ ارائه شده است. اين مدل در سال 2001 براي نخستين بار به کار گرفته شد و در سال 2004 با رسيدن به حد نصاب هاي لازم، مجوز ‏FDA‏ را دريافت کرد. 86 درصد از بيماران دريافت کننده ‏AbioCor‏ بيش از يک سال و 64 درصد بيش از 5 سال شانس زندگي يافتند. ‏
نحوه عملکرد قلب مصنوعي
قلب انسان به طور ميانگين خون را با نرخ 60 تا 100 بار در دقيقه پمپاژ مي کند. قلب در دو مرحله عمل مي کند:‏
1- در مرحله اول، دهليزهاي راست و چپ به طور همزمان منقبض شده  و خون را به خارج از قلب مي فرستند.‏
2- بطن ها منقبض شده و خون را به ريه ها و ساير نقاط بدن هدايت مي کنند.‏
پس از آن عضلات قلب تا تپش بعدي استراحت مي کنند. در اين فاصله قلب مجدداً از خون پر مي شود.
در بيماراني که از قلب مصنوعي جديد استفاده مي کنند، قلب مصنوعي جايگزين بطن ها شده و دهليز ها هنوز در جاي خود باقي مانده اند. بنابراين در مرحله اول از فرآيند پمپاژ خون، همچنان دهليز هاي قلب طبيعي به طور همزمان منقبض شده و خون را به خارج از قلب مي فرستند. اما مرحله دوم متفاوت از قلب طبيعي انجام مي شود. از آنجا که نحوه طراحي قلب مصنوعي به صورتي است که در هر لحظه خون را تنها به يکي از دو بطن مي فرستد، ابتدا خون به ريه ها فرستاده شده و سپس به ساير نقاط بدن پمپ مي شود. قلب مصنوعي قادر است خون را با نرخ ده ليتر در دقيقه پمپ کند که براي فعاليت هاي روزانه کافيست.‏
اجزاي قلب مصنوعي
قلب مصنوعي ‏AbioCor‏ از جنس تيتانيوم و پلاستيک بوده و چهار بخش زير را به هم متصل مي کند:
* دهليز راست
* دهليز چپ
* آئورت
* شريان ريوي
مکانيسم عملکرد دستگاه بسيار شبيه به يک پمپ هيدروليک است. در اين نوع از پمپ ها، مايع هيدروليک فشار را از نقطه‌اي به نقطه ديگر منتقل مي‌کند. براي درک بهتر عملکرد قلب مصنوعي، نحوه کار اجزاي مختلف آن را بررسي مي کنيم:
1. پمپ هيدروليک: عملکرد اين قطعه همانند پمپ هيدروليک صنعتي است.  نوعي ماده غير قابل فشرده سازي در اين پمپ جريان دارد که نيروي اعمال شده را از يک نقطه به نقطه ديگر مي فرستد.‏
‏2. دريچه ورودي: اين دريچه براي جريان يافتن مايع هيدروليک از يک قسمت به قسمت ديگر، باز و بسته مي شود. هنگامي که مايع به سمت راست حرکت مي کند، خون از درون بطن مصنوعي به ريه ها پمپ مي‌شود و هنگامي که مايع به سمت چپ مي رود، خون به ساير نقاط بدن فرستاده مي‌شود.‏
‏3. سيستم انتقال انرژي به صورت بي سيم: اين سيستم به نام ‏Transcutaneus Energy Transfer‏ (انتقال انرژي از درون پوست) خوانده مي شود. اجزاي تشکيل دهنده آن دو سيم پيچ داخلي و خارجي هستند. اين دو سيم پيچ انرژي را از يک باتري خارجي گرفته و از طريق القاي الکترومغناطيسي آنرا به باتري داخلي و واحد کنترل مي فرستند(شکل شماره 3). ‏
‏4. باتري داخلي: يک باتري قابل شارژ است که در داخل شکم بيمار ايمپلنت مي شود. باتري داخلي 30 تا 40 دقيقه وقت در اختيار بيمار قرار مي دهد تا بتواند فعاليت هايي نظير حمام کردن را که در طي آنها مجبور به جدا کردن باتري خارجي است، انجام بدهد.‏
‏5. باتري خارجي: اين باتري روي يک کمربند قرار گرفته و به دور کمر بيمار بسته مي شود. قابل شارژ بوده و 4 تا 5 ساعت کار مي‌کند.‏
‏6. واحد کنترل: اين ابزار الکترونيکي کوچک در جداره شکم بيمار کار گذاشته مي شود و به کنترل نحوه پمپاژ قلب و ريتم قلبي اختصاص دارد.‏
وزن کلي دستگاه در حدود 2 پوند (0.9 کيلوگرم) است.
‏
مراحل جراحي
پيوند قلب مصنوعي، جراحي بسيار ظريفي است. نه تنها جراح بايد دو بطن راست و چپ را از قلب بيمار جدا کند، بلکه بايد يک شيء خارجي را در قفسه سينه کار بگذارد.  در طي جراحي بيمار موقتاً به پمپ مصنوعي قلب و ريه متصل مي شود تا قلب از تپش ايستاده و جراحي ميسر شود. قلب مصنوعي به وسيله صدها بخيه به دهليزهاي قلب طبيعي وصل شده و جراح براي پوشاندن بخيه ها از يک لايه بافت مصنوعي استفاده مي کند. تعداد پرسنل حاضر در پيوند قلب مصنوعي معمولاً بسيار زياد است. علاوه بر دو جراح زبده و دستيارانشان، چندين متخصص و تيم پرستاري به کنترل شرايط مي پردازند.  مراحل به اين شرح هستند:‏
1. جايگذاري سيم پيچ داخلي در شکم
2. باز کردن جناغ سينه و اتصال دستگاه پمپ قلب و ريه (در اين مرحله قلب از تپش ايستاده و خون بيمار از طريق دستگاه پمپ مي شود).‏
3. جداسازي بطن هاي قلب طبيعي( دهليزها جدا نمي شوند).‏
4. استفاده از يک مدل پلاستيکي براي تعيين محل دقيق قرارگيري قلب مصنوعي
5. بريدن بافت هاي مصنوعي در اندازه هاي مطلوب و بخيه زدن آنها به آئورت و شريان ريوي
6. قلب مصنوعي وارد قفسه سينه شده و اتصالات آن با شريان ريوي، آئورت، و دهليز هاي راست و چپ برقرار مي شود.‏
7. تخليه کامل هواي داخل دستگاه
8. جداسازي بيمار از پمپ قلب و ريه
9. حصول اطمينان از صحت عملکرد قلب
10. بستن قفسه سينه
شرايط دريافت پيوند
کانديداهاي دريافت قلب مصنوعي معمولاً "بيمارترين بيماران" هستند. يعني در شديدترين حالت ناراحتي قلبي به سر مي برند. پيوند قلب مصنوعي تنها هنگامي انجام مي شود که کانديداي پيوند حائز تمامي شروط زير باشد:
* در حادترين مرحله بيماري قلبي باشد‏.‏
* اميد به زندگي در وي کمتر از 30 روز برآورد شده باشد.‏
* هيچ امکاني براي دريافت قلب طبيعي وجود نداشته باشد.‏
* هيچ راه درماني جايگزيني در دسترس نباشد.‏
* سايز قفسه سينه بيمار با ابعاد قلب مصنوعي همخواني داشته باشد. اين شرط از طريق عکس برداري ‏CAT Scan‏ و ‏X-Ray‏ بررسي مي شود. عکس‌هاي بدست آمده با استفاده از يک برنامه کامپيوتري به نام ‏CAD‏ براي نوعي اندازه‌گيري مجازي، بازسازي مي شوند.2 اين نرم افزار قلب طبيعي را به صورت مجازي حذف کرده و ‏AbioCor‏ را مجازاً در قفسه سينه قرار مي دهد و در صورت همخواني ابعاد، اجازه پيوند داده مي شود.‏

اميد به آينده
در جولاي 2006، قلب مصنوعي در بدن يک دختر 15 ساله کانادايي ايمپلنت شد.3گرچه معمولاً در هنگام پيوند قلب مصنوعي، قلب طبيعي (بطن ها) از بدن خارج مي شود، در اين دختر قلب طبيعي حفظ شده و قلب مصنوعي به طور موقت و تا زمان پيدا شدن يک قلب اهدايي استفاده شد. اما نتيجه نهايي بسيار شگفت انگيز بود. قلب مصنوعي به تقويت قلب خود بيمار کمک کرد و بعد از 146 روز از بدنش خارج شد. در نهايت قلب اين دختر عملکرد خود را از سر گرفت.‏
اما نگاهي واقع بينانه به مدل هاي کنوني، اشکالاتي را نمايان مي کند. هنوز هم مشکل بزرگي سايز و کوتاهي طول عمر باقي است. به علاوه ، به علت اينکه اين دستگاه ها بايد به روش پمپاژ عمل کنند، حرکت در اجزاي آنها زياد بوده و به تجهيزات مکانيکي نسبتاً بزرگي نياز دارند. پژوهشگران به قلب هايي مي انديشند که جريان خون را به صورت پيوسته برقرار کرده و عملکردي روتوري داشته باشند. اين قلب هاي روتوري، بسيار کوچک بوده و به علت جريان هميشگي خون در آنها، فاقد نبض خواهند بود. اما هنوز مشخص نيست که جريان خون پيوسته چه تاثيري بر بافت هاي موجودات زنده خواهد داشت. مطالعات انجام شده روي حيوانات حاکي از يکسان بودن نتايج جريان خون بدون نبض و جريان خون پمپاژي است. به هر ترتيب، تا زماني که اين مدل در يک داوطلب انساني به کار گرفته نشود، نمي توان از صحت نتايج آن مطمئن بود.  به هر روي، پيشرفت تکنولوژي قلب مصنوعي آنچه را که زماني محال به نظر مي رسيد ميسر کرده است.‏

شکل شماره 1-  قلب مصنوعي ‏AbioCor
شکل شماره 2-  نمايش دهليز ها و بطن ها در قلب طبيعي‏
شکل شماره 3- بلوک دياگرام چگونگي قرارگيري قلب مصنوعي در بدن

منابع و مراجع:‏
http://health.howstuffworks.com/artificial _heart.htm
http://www.technologyreviwe.com
http://en.wikipedia.org/wiki/artificial_heart

منبع: نشریه مهندسی پزشکی شماره ۸۰