Введение к работе
Актуальность проблемы
Современные достижения сердечно-сосудистой хирургии, реаниматологии, интенсивной терапии, внедрение новых высокотехнологических методов лечения, таких как регионарная перфузия с газообменом неразрывно связаны с экстракорпоральным кровообращением (ЭКК). С помощью экстракорпорального кровообращения стало возможным успешное лечение больных с тяжелым кардиогенным шоком (Шумаков В. Н. с соавт., 1980; Loisence D. et al., 1975) дыхательной недостаточности (Hill J. et al., 1975; Zapol W. et al., 1979) и развитие методов лечения злокачественных новообразований с применением регионарной перфузии в онкологии (Моисеенко В. М. и соав., 2004).
Процесс внелегочного газообмена предусматривает циркуляцию крови в режиме ЭКК с насыщением венозной крови кислородом и удаление из нее углекислого газа. Проведение перфузии в течение многих часов и даже дней потребовало создание принципиально нового класса газообменных устройств — мембранных оксигенаторов (МО), а также совершенствование перфузионных насосов, автоматизации процессов доставки газовых смесей. В последние десятилетия общепринятой является мембранная схема осуществления артифициального газообмена. Во многом она воспринимается существующей парадигмой на безальтернативной основе. В то же время существует и другие подходы к решению задач мас-сообмена для повышения эффективности использования МО при лечении различных состояний (Firmin R. К. et al., 1999; Misava Y. et al., 2000; Kaufman D., et al.; Mc. Cunn, et al.; Kolovos N. S. et al.; Diaz A. L. et al.; Remenapp R. T. et al., 2001). Практически все авторы приходят к выводу, что не смотря на значительную стоимость экстракорпоральных систем, перфузионной аппаратуры, расходных принадлежностей, использование методов ЭКК и внелегочного газообмена целесообразна.
В настоящее время в России не производятся МО для клинического применения. Практически при всех кардиохирургических операциях с применением ЭКК используются одноразовые МО и комплекты магистралей импортного производства.
Развитие таких высокоэффективных методов лечения, как регионарная перфузия (сосудистая хирургия онкология, травманология), экстракорпоральная вспомогательная оксигенация (пульмонология, реаниматология) сдерживается отсутствием на рынке медицинской продукции газообменных устройств отечественного производства, современных отечественных перфузионных насосов и автоматических устройств доставки газовых смесей в МО.
"рОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ ' БИБЛИОТЕКА -{
Принципиалышм решением данной проблемы могло бы стать создание отечественного производства экстракорпоральных систем нового поколения на базе уже существующих и перспективных технологий.
Первая попытка выйти за рамки традиционных дискретных схем осуществления межфазного распределения была предпринята лауреатом Нобелевской премии А. Мартином. Он высказал идею реализации непрерывного двумерного хроматографического процесса, сущность которого заключалась в непрерывном перемещении слоя сорбента перпендикулярно направлению потока смеси разделяемых веществ (Martin A. J., et al., 1949). Практическая реализация и теоретическое обоснование межфазного обмена между потоками газа и полярной жидкости, такой как вода и кровь была осуществлена в Санкт-Петербурге профессором Л. Н. Москвиным (Москвин Л.Н., 1991).
Новая схема массообмена в системе жидкость-газ, получила название хроматомембранного газообмена. Она близка к процессам газообмена в легких. Процесс массообмена осуществляется в гидрофобной пористой среде, имеющий два типа пор, условно микро- и макропоры. Экспериментальные исследования хроматомембранного массообменного процесса до сих пор в основном были посвящены изучению его возможностей в химическом анализе (Москвин Л. Н., 1994; Moskvin L. N. et al, 1994). Единственная попытка его использования в качестве нового метода оксигенации крови в эксперименте (Скорих В. И и др., 1992) подтвердила жизнеспособность самой идеи, но не нашла своего дальнейшего теоретического и практического развития.
Настоящая работа посвящена проведению всесторонних исследований возможностей хроматомембранного процесса для осуществления искусственного газообмена в системе кровь — газ.
Наибольшее распространение регионарная перфузия (Limb prfiusion) или, что более полнее отражает суть процесса — регионарное экстракорпоральное кровообращение (РЭКК), получила за рубежом в онкологической практике для создания высоких кошдентраций химио и биопрепаратов при опухолевых заболеваниях конечностей (Блохин Н. Н., Трапезников Н. Н, 1963; Баллюзек Ф. В., Скорик В. И., Горбачевский А. М., 1965; Eggermont А. М. М. et al., 1993, 1996; Schraffordt-Koops Н. et al, 1994; Нага Y. et al., 2000). Особенно эффективной данная методика оказалась при комплексном лечении меланом (LejueneF. J. et al, 1993; KrementzE. T. et al.; Klaase J. M. et al.; Cavalier R. et al, 1994; FrakerD.L. et al.; Taber S.W.et al, 1996; Lienard D. et al, 1992, 1998; De Wilt J. H. W. et al, 1999, 2000; Kroon В. B. R. et al.; Lejeune F. J. et al, 2002; Marko B. Lens et al, 2003). Возможность сочетания высоких доз современных химиопрепаратов с регионарной перфузионной гипертермией, применение метода до, во время, и после хирургической операции или лучевой терапии, возвели метод РЭКК в ранг «золотого
стандарта» в лечении злокачественных новообразований конечностей (GeehanD. М. et al., 1993; Нага Y. et al., 2000; Bakhshandeh A., et al., 2002; Eggermont A. M. M. et al., 2003).
В нашей стране пионерами РЭКК являлись Н. Н. Блохин и В.И.Колесов (1961). Экспериментальное обоснование и клиническое применение метода было осуществлено на кафедре факультетской хирургии 1-го ЛМИ А. О. Левиным (1970), применив созданную Ф. В. Баллюзеком (1966) конструкцию аппарата ЭКК — «ИСЛ-3». Цель исследования
Разработать технологию экстракорпоральной оксигенации крови на принципах хроматомембранного массообменного процесса и обосновать ее преимущества перед известными аналогами.
Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи: Задачи исследования
-
Разработать конструкции хроматомембранных массообменных блоков, применительно к различным задачам экстракорпорального газообмена;
-
Разработать общую схему процесса хроматомембранной оксигенации, учитывающую необходимость поддержания в экстракорпоральном контуре избыточного давления крови по отношению к газовой смеси и обеспечивающую минимальную травму крови;
-
Разработать перфузионный насос с компьюерным управлением и низкой травмой крови.
-
Разработать универсальный комплекс-стенд для лабораторных испытаний газообменных устройств в условиях максимальной адекватности экстракорпоральному кровообращению и исследовать принципиальную возможность и целесообразность одновременных испытаний хроматомембранных оксигенаторов и перфузионных насосов на данном стенде.
-
Обосновать выбор условий применения хроматомембранного экстракорпорального газообмена в сердечно-сосудистой хирургии и онкологии для лечения ишемических состояний;
-
Провести сравнительную оценку современных МО и оксигенаторос на принципе хроматомембранного газообмена по характеру влияния на гомеостаз человека во время экстракорпорального регионарного кровообращения в онкологической практике;
Достижение поставленной цели и решение перечисленных частных задач призвано дать ответ на общий для современной медицины вопрос: «Есть ли в экстракорпоральном кровообращении альтернатива мембранной оксигенации и если есть, то каковы ее преимущества?».
Научная новизна работы
Разработана технология изготовления массообменных устройств для экстракорпорального газообмена, функционирующих на принципах нового хроматомембранного способа массобмена; экспериментально оценены их функциональные характеристики в экспериментах in vitro и in vivo.
Проведены испытания и доказана эффективность хроматомембранного способа газообмена в клинической практике при проведении операций АКШ в условиях ЭКК и фармако-холодовой кардиоплегии (ФХКП) для процедуры гипероксического прекондиционирования миокарда и при проведении операций экстракорпорального регионарного кровообращения, гипертермии и химиотерапии при злокачественных заболеваниях.
Показано, что гипероксическое прекондиционирование с использованием хроматомембранного газообмена при операциях АКШ уменьшает риск развития послеоперационной острой миокардиальной недостаточности (ОМН).
Разработан аппаратный комплекс для экстракорпоральной гипертермической перфузии включающий перфузионный насос и хроматомем-бранный массообменный блок и методика его применения при лечении злокачественных заболеваний.
Создан универсальный перфузионный насос с компьютерным управлением и прецизионным регулированием окклюзии во время работы, позволяющий осуществлять широкий спектр экстракорпоральных операций.
Показано, что разработанный перфузионный насос в меньшей степени травмирует кровь при экстракорпоральных процедурах, чем известные аналоги. Практическая значимость работы
Результаты исследования показали, что разработанные отечественный хроматомембранные оксигенаторы являются высокоэффективными устройствами для газообмена, минимизирующими травму крови кровь во время экстракорпорального кровообращения.
Клиническое применение разработанных образцов газообменных устройств, функционирующих на новом хроматомембранном принципе газообмена позволило уменьшить риск возникновения ОМН после операции АКШ и достичь физиологических параметров гомеостаза при регионарной гипертермической перфузии и химиотерапии в онкологической практике.
На основании результатов гидродинамических испытаний по оригинальной методике разработан универсальный перфузионный насос обеспечивает в системах экстракорпорального кровообращения объемной скоростью (ОС) от 20 до 1700 мл/мин.
Разработана методика гипертермической регионарная перфузия с газообменом и высокодозной химиотерапией у больных со злокачественными новообразованиями конечностей.
Положения, выносимые на защиту
-
Принципиальная схема оксигенатора, реализующего хроматомем-бранный способ массообмена и конструкция экспериментальных образцов хроматомембранных оксигенаторов.
-
Экспериментальные подтверждения возможности использования атмосферного воздуха для хроматомембранной оксигенации крови и оптимальные соотношения объемных расходов воздуха и крови для эффективной оксигенации.
-
Результаты сравнительных испытаний экспериментальных экспериментальных и серийных половолоконных мембранных оксигенаторов, свидетельствующие о минимизации травмы форменных элементов и белковых структур крови в случае хроматомембранной оксигенации.
-
Идея и клиническое подтверждение возможности использования хро-матомембранного способа газообмена как для эффективного насыщения 02 кардиоплегического раствора (КПР), так и для поддержания адекватного экстракорпорального регионарного кровообращения в условиях гипертермической перфузии.
-
Конструкция перфузионньгх насосов, обеспечивающая низкую травму форменных элементов и белковых структур крови, оптимизированная на основании гидродинамических испытаний на специальном универсальном стенде.
-
Метод лечения злокачественных новообразований, основанный на экстракорпоральном регионарном гипертермическом кровообращении с хроматомембранным газообменом в сочетании с химиотерапией.
Апробация работы
Результаты исследования доложены на научной конференции «Актуальные проблемы сердечно-сосудистой легочной и абдоминальной хирургии» (С-Пб, 1999), Междисциплинарной конференции с международным участием «Новые биокибернетические технологии 21 века для диагностики и лечения заболеваний человека» («НБИТТ-21») (Петрозаводск, 2002, 2003); научной конференции, Актуальные проблемы анестезиологии, реаниматологии и интенсивной терапии (С-Пб., 2001), Третьем Всероссийском съезде сердечно-сосудистых хирургов (М., 1997), 73-м заседании секции сердечно-сосудистой хирургии и ангиологии Хирургического общества Пирогова (С-Пб., 1998), Четвертом Всероссийском съезде сердечнососудистых хирургов. (М., 1999), Пятом Всероссийском съезде сердечнососудистых хирургов. (Новосибирск, 1999), конгрессе «Высокие технологии», медицина, биотехнологии (Москва, 2004), выставке «Робототехника ВВЦ» (М. 2004), V и VI — Международных форумах «Высокие технологии XXI века» (М. 2004, 2005,), конференции „Technical means for prevention of radiation terrorism and liquidation of its consequences" (С-Пб., 2004). Реализация работы
Результаты исследования используются в кардиохирургической практике клиники Факультетской хирургии СПбГМУ имени академика
И.П. Павлова (Санкт-Петербург, ул. Л. Толстого 6/8); в онкологической практике НИИ Окологии имени профессора Н.Н. Петрова (Санкт-Петербург, пос. Песочный-2, Ленинградская, 68). Объем и структура работы
Диссертация изложена на 388 страницах машинописи и состоит из введения, 6-й глав, заключения, выводов, практических рекомендаций, приложения, указателя литературы содержащего 128 отечественных и 772 иностранных источников. Диссертация иллюстрирована 23 таблицей и 38 рисунками.
