1.2.3. Биомеханика и электричество

Сегодня мы хорошо знаем, как устроены наши пять органов чувств — зрение, слух, обоняние, осязание, вкус. Это сенсорные системы. В них выявлены клетки, воспринимающие внешние стимулы, и нервы, по которым информация передается в мозг. Для большинства же биоэлектрических эффектов соответствующие клетки и пути передачи сигналов мало известны. Механизм восприятия клетками электромагнитных полей объясняется двумя теориями, причем обе постулируют принципиально новые процессы. Согласно первой из них, между нервными клетками возможны кооперативные взаимодействия, зависимые от электромагнитных полей; согласно второй, восприятие поля происходит только в определенных условиях, а именно при наличии у клеток особого электрического статуса. Еще одна теория объясняет связь между воздействием электромагнитного поля и развитием того или иного заболевания: предполагается, что это воздействие вызывает стресс, и если оно достаточно длительное, то происходит ослабление иммунной системы, соответственно снижаются адаптивные возможности организма и на этом фоне легко возникает болезнь.

Биоэлектрические явления в организме и связанные с этим возможности регистрации биологического сигнала возродили достаточно старую инженерную идею о создании специальных устройств — биомеханических манипуляторов, в которых можно объединить сенсорные и механические устройства. С одной стороны, появление такого инженерного направления, как создание искусственных конечностей, подобных руке человека, было продиктовано необходимостью “оснащения” исполнительными механизмами механических систем, которые сегодня называются роботами, а с другой стороны, пробной попыткой воспроизвести некоторые внутренние органы организма на механической — инженерной —основе. Такое направление чрезвычайно интересно не только в познавательном аспекте, но и с исторической точки зрения.

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.

В 1940-х гг. 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.

Компьютерное моделирование в биомеханике основано на чрезвычайно тонком понимании анатомических особенностей строения конечностей различных организмов. Не лишним будет напомнить, что конструирование и создание первого космического самоходного аппарата — лунохода — осуществлялась на основе рассмотрения многочисленных моделей опорно-двигательного аппарата различных организмов. 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 создаются в целях формирования определенных представлений о деятельности организма и его различных частей. Такие модели способны приблизительно описать принцип работы различных частей тела, подсистем организма, среды их обитания. Модели можно строить на основах, формулируемых на языке механики, физики, химии или математики. Для некоторых моделей есть вероятность существовать очень долго, а некоторые создаются только для выяснения некоторых простых вопросов, понимание которых важно при создании биологической и медицинской аппаратуры. Существуют антропометрические модели, например модель бедренной кости в области тазобедренного сустава. 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.

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. Имплантация или эндопротезирование в середине 20 в. становится одной из интересных тем биоинженерии.

В 1937 г. 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.

Как известно, в живом организме есть процессы, порождающие появление электрического тока. Величина таких токов незначительна, а биологические потенциалы, фиксируемые на поверхности живого организма, также малы. В организме есть ткани, которые порождают электрические потенциалы, а также ткани, которые являются проводниками электрического тока. Различные ткани, в том числе и 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.

В целях правильного выбора того или иного вида лечения и протезирования часто используют телеметрические методы исследования.

Другой, не менее грандиозной, идеей представляется проект по созданию искусственного сердца. Желание создать один из важнейших органов живого организма — сердце — на основе механических и биоэлектрических представлений о механизмах возбуждения сердечной мышцы было настолько сильным, что первые разработки сразу стали поступать на клинические испытания. 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).

В первых проектах по этой теме 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 г. 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 г. 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, если такие проекты будут признаны целесообразными, в будущем в искусственное сердце будет встраиваться электрический насос, питающийся от закрепленного на поясе аккумулятора. Но уже сегодня выдвигаются новые, более прогрессивные идеи генной инженерии, которая позволит по генной информации, записанной Природой всего в одной клетке организма, воспроизвести необходимый орган. Такой орган не вступит в противоречие с другими органами и системами данного конкретного организма, поскольку будет являться полным Природным аналогом. Очевидно, что работа таких внутренних органов в составе организма чрезвычайно сложна, а возможность понять эти принципы обеспечения жизнедеятельности существует только при наличии определенных знаний.

Как уже отмечалось, организм постоянно стремится сохранить свои существенные параметры жизнедеятельности на некотором допустимом уровне. Для этого используются различные внутренние механизмы регуляции состояния организма, которые связаны между собой информационными каналами связи. По существу в живом организме можно рассматривать два уровня информационных связей: химический, точнее говоря электрохимический, и нейронный. Первый реализуется на основе различных биохимических процессов в жидкой фазе организма, крови, межклеточной жидкости, а второй в нейронных сетях, связанных с эффектом распространения электрического импульса.