Мягкий робот поможет сердцу биться

Около 41 млн человек по всему миру живут с синдромом сердечной недостаточности — хроническим нарушением работы сердца. Очень часто этот синдром является одной из причин смерти. Примерно каждый второй с таким диагнозом умирает в течение пяти лет после постановки диагноза.

Нарушение работы сердца проявляется в том, что сердечная мышца не обеспечивает кровообращение в достаточной степени. Из-за этого в крови скапливается большое количество углекислого газа со всеми вытекающими последствиями: гипоксия органов и тканей, ацидоз, нарушения метаболизма и в конце концов — возможная смерть.

К счастью, благодаря последним достижениям электроники и мягкой робототехники у миллионов людей скоро появится надежда на выздоровление.

В настоящее время один из методов лечения сердечной недостаточности заключается в установке системы поддержки желудочка сердца (ventricular assist device, VAD) — механического устройства, которое частично или полностью заменяет функцию сердца.

Варианты имплантации систем поддержки желудочков сердца

Такая система помогает при сердечной недостаточности, но повышает риск накопления тромбов и возникновения инсульта.

Исследователи из Гарвардского университета и Бостонской детской больницы разработали более эффективную и безопасную альтернативу. Это мягкая силиконовая муфта, изготовленная точно по контурам сердца и окружающая его со всех сторон. Роботизированная муфта сокращается точно в такт сокращениям сердца и помогает ему справляться с работой.

«Эта работа представляет собой великолепное доказательство концептуального результата для такого мягкого робота. Он демонстрирует способность безопасно взаимодействовать с мягкими тканями и помогает улучшить функцию сердца», — говорит Конор Уолш (Conor Walsh), один из авторов научной статьи.

Разработанная муфта сделана из мягкого материала, который не вызывает отторжения. Поверх самой муфты накладываются швы, которые сокращаются и под воздействием пневматических приводов. Направление швов продумано таким образом, чтобы муфта сокращалась и поворачивалась синхронно с внешним слоем сердечной мышцы. В каком-то смысле это своеобразный аналог роботизированного экзоскелета, укрепляющий живое сердце, созданный по его подобию.

Гелевое покрытие снижает трение между роботом и живой тканью.

Преимущество силиконового материала ещё и в том, что муфту можно изготовить для любого размера и формы сердца. Более того, она может дополнить биологический орган в случае его дефекта. Например, если левый желудочек сердца работает слабее правого желудочка, то устройство можно настроить таким образом, чтобы оно активнее помогало сердцу именно со стороны левого желудочка.

Активность работы устройства контролируется компьютером и настраивается в случае необходимости. Например, если сердечная функция восстанавливается, то мощность поддержки можно уменьшить. Теоретически, в некоторых случаях благодаря такой поддержке сердце может полностью восстановиться после сердечного приступа, так что устройство со временем можно будет отключить.

В своё время кардиология отказалась от использования механизмов сжатия сердца из-за технических ограничений в пользу устройств типа VAD, но сейчас с развитием мягкой робототехники есть смысл снова пересмотреть эти принципы.

Для самой робототехники это тоже важное достижение, ведь данный прибор — первый мягкий робот, предназначенный для работы внутри человеческого тела. Впрочем, перед началом экспериментов на людях предстоит провести ещё ряд долговременных экспериментов на животных.

Возможно, когда-нибудь в будущем подобные устройства смогут практически полностью устранить смертность от сердечной недостаточности. Всем людям будут устанавливать поддержку для сердца на 55-летие, как часть пенсионного пакета от государства или страховой компании — и человек сможет дальше жить полноценной жизнью, не опасаясь сердечного приступа.

Конструкция мягкого робота для поддержки сердца

В первом поколении мягкий робот пока довольно громоздкий. Электроника для съёма данных и пневматика выполнены в виде внешних периферийных устройств, которые располагаются снаружи тела. То есть весь этот набор придётся возить/носить с собой. Остаётся надеяться, что инженеры смогут быстро решить проблему миниатюризации периферии.

Комплект оборудования для обслуживания имплантата

Научная работа опубликована 18 января 2017 года в журнале Science Translational Medicine (doi: 10.1126/scitranslmed.aaf3925).

Около 41 млн человек по всему миру живут с синдромом сердечной недостаточности — хроническим нарушением работы сердца. Очень часто этот синдром является одной из причин смерти. Примерно каждый второй с таким диагнозом умирает в течение пяти лет после постановки диагноза.

Нарушение работы сердца проявляется в том, что сердечная мышца не обеспечивает кровообращение в достаточной степени. Из-за этого в крови скапливается большое количество углекислого газа со всеми вытекающими последствиями: гипоксия органов и тканей, ацидоз, нарушения метаболизма и в конце концов — возможная смерть.

К счастью, благодаря последним достижениям электроники и мягкой робототехники у миллионов людей скоро появится надежда на выздоровление.

В настоящее время один из методов лечения сердечной недостаточности заключается в установке системы поддержки желудочка сердца (ventricular assist device, VAD) — механического устройства, которое частично или полностью заменяет функцию сердца.

Варианты имплантации систем поддержки желудочков сердца

Такая система помогает при сердечной недостаточности, но повышает риск накопления тромбов и возникновения инсульта.

Исследователи из Гарвардского университета и Бостонской детской больницы разработали более эффективную и безопасную альтернативу. Это мягкая силиконовая муфта, изготовленная точно по контурам сердца и окружающая его со всех сторон. Роботизированная муфта сокращается точно в такт сокращениям сердца и помогает ему справляться с работой.

«Эта работа представляет собой великолепное доказательство концептуального результата для такого мягкого робота. Он демонстрирует способность безопасно взаимодействовать с мягкими тканями и помогает улучшить функцию сердца», — говорит Конор Уолш (Conor Walsh), один из авторов научной статьи.

Разработанная муфта сделана из мягкого материала, который не вызывает отторжения. Поверх самой муфты накладываются швы, которые сокращаются и под воздействием пневматических приводов. Направление швов продумано таким образом, чтобы муфта сокращалась и поворачивалась синхронно с внешним слоем сердечной мышцы. В каком-то смысле это своеобразный аналог роботизированного экзоскелета, укрепляющий живое сердце, созданный по его подобию.

Гелевое покрытие снижает трение между роботом и живой тканью.

Преимущество силиконового материала ещё и в том, что муфту можно изготовить для любого размера и формы сердца. Более того, она может дополнить биологический орган в случае его дефекта. Например, если левый желудочек сердца работает слабее правого желудочка, то устройство можно настроить таким образом, чтобы оно активнее помогало сердцу именно со стороны левого желудочка.

Активность работы устройства контролируется компьютером и настраивается в случае необходимости. Например, если сердечная функция восстанавливается, то мощность поддержки можно уменьшить. Теоретически, в некоторых случаях благодаря такой поддержке сердце может полностью восстановиться после сердечного приступа, так что устройство со временем можно будет отключить.

В своё время кардиология отказалась от использования механизмов сжатия сердца из-за технических ограничений в пользу устройств типа VAD, но сейчас с развитием мягкой робототехники есть смысл снова пересмотреть эти принципы.

Для самой робототехники это тоже важное достижение, ведь данный прибор — первый мягкий робот, предназначенный для работы внутри человеческого тела. Впрочем, перед началом экспериментов на людях предстоит провести ещё ряд долговременных экспериментов на животных.

Возможно, когда-нибудь в будущем подобные устройства смогут практически полностью устранить смертность от сердечной недостаточности. Всем людям будут устанавливать поддержку для сердца на 55-летие, как часть пенсионного пакета от государства или страховой компании — и человек сможет дальше жить полноценной жизнью, не опасаясь сердечного приступа.

Конструкция мягкого робота для поддержки сердца

В первом поколении мягкий робот пока довольно громоздкий. Электроника для съёма данных и пневматика выполнены в виде внешних периферийных устройств, которые располагаются снаружи тела. То есть весь этот набор придётся возить/носить с собой. Остаётся надеяться, что инженеры смогут быстро решить проблему миниатюризации периферии.

Комплект оборудования для обслуживания имплантата

Научная работа опубликована 18 января 2017 года в журнале Science Translational Medicine (doi: 10.1126/scitranslmed.aaf3925).