Устройство и способ для экспериментального изучения и расширения временных границ сверхглубокой гипотермии

Область техники

Изобретение относится к области экспериментальной медицины, в частности к медицине катастроф. Настоящее изобретение относится к устройству и способу изучения устойчивости млекопитающих к гипотермии, позволяющим также повысить способность к выживанию в условиях искусственно сформированной длительной, сверхглубокой гипотермии, сопровождающейся значительным снижением физиологической активности, вплоть до остановки сердечной деятельности.

Предшествующий технический уровень

Аварии на подводных лодках убедительно показали необходимость создания эффективных способов противодействия развитию ишемических состояний в условиях недостаточности кислорода. Одним из таких способов является формирование у животных или человека состояния глубокой или сверхглубокой гипотермии (выделяют поверхностную - 32-35°С, умеренную - 28-32°С, глубокую -20-28°С и сверхглубокую - 20°С и ниже стадии гипотермии), при которой достигается значительное снижение частоты сердечных сокращений, а затем и полная обратимая остановка сердца (обратимая клиническая смерть).

Известна проблема, связанная с повышением устойчивости млекопитающих к охлаждению, которую пытаются решить предварительным активированием биохимических процессов млекопитающих до их глубокого охлаждения [1, 2].

Известно, что гипотермию создают в хирургической практике при охлаждении органов (при операциях на сердце и головном мозге). С этой целью обычно охлаждают часть органов и не подвергают гипотермии все тело млекопитающего. Для повышения устойчивости человека и животных к гипотермии используют лекарственные средства [3].

Так же известны технические решения, которые используют средства, повышающие устойчивость организма в постгипотермическом периоде [4].

В рамках исследования сверхглубокой гипотермии животных проводились исследования допустимых предельных значений гипотермии при использовании внешнего охлаждения всего организма животного [5]. Максимальная гипотермия достигалась при использовании внешнего охлаждения ледяной водой (0°С) без применения гиперкапнической гипоксии и фармакологических препаратов. При этом у животного возникало состояние клинической смерти после остановки сердца. Исследовалась продолжительность периода выхода из состояния клинической смерти и проводился поиск оптимальной скорости согревания организма, обеспечивающей возможность оживления.

Проведение проверки опубликованных данных показало, что недостатком описанного способа является малый период времени клинической смерти, после которой сократительная деятельность сердца и общая жизнедеятельность животных еще может быть восстановлена. В тех случаях, когда отогрев животных после остановки сердца начинается через 20 минут, а общая длительность клинической смерти (интервал времени от остановки сердца до повторного начала сердечных сокращений) не превышает 30 минут, вероятность полного восстановления жизнедеятельности крыс равна 96%. Более позднее начало отогрева охлажденных крыс, когда длительность клинической смерти превышает 50-60 минут, всегда приводит к смерти животных.

Однако, существует ограниченное число способов и устройств для изучения особенностей поведения организмов млекопитающих при формировании состояния гипотермии, для терапевтического лечения гипотермии животных, а также для вывода млекопитающих из состояний, связанных с остановкой сердца.

Известно, что в терапии остановки сердца широко используют устройства для вентиляции легких и устройства для внутреннего и наружного массажа сердца и легких. В патенте РФ №RU288861 «Реаниматор» [6] описано устройство, предназначенное для наружного массажа и принудительной вентиляции легких при остановке сердца человека. Устройство содержит корпус с конструктивными элементами фиксации пациента, механизм наружного массажа сердца с регуляторами усилия массажа и контрольными приборами, маску для дыхания с системой подачи кислорода. Устройство дополнительно содержит возможность автоматического выключения реаниматора в момент появления у пациента пульсовой волны и возможность слежения за проявлением пульсовой волны.

Известен патент США №US7226427 [7], где описано устройство, в котором массаж легких и сердца осуществляют с помощью механического воздействия на центральную часть грудной клетки одновременно с подачей газа в легкие. В патенте РФ №RU2194488 [8], описано устройство, в котором грудная клетка сдавливается по всему периметру грудной клетки с помощью ремней.

В патенте США №US5490820 [9] описано устройство, которое включает в себя два или более грудных компрессора, предпочтительно надувных пузырей, с помощью которых формируют давление сверху на легкие и на боковые поверхности легких, увеличивая давление в соответствующих областях, размещенных в конструкции жилета.

Известна заявка на патент США №US20150272822 [10], в которой описано сочетанное действие механического воздействия на центральную часть грудной клетки и возможность охлаждения боковых поверхностей пациента за счет пропускания охлаждающей жидкости или газа через подушки, устанавливаемые с двух сторон и примыкающие к бокам пациента.

Однако для того чтобы исследовать возможности организма млекопитающих в условиях сверхглубокой гипотермии необходимо обеспечить охлаждение всего животного с большой скоростью. Это необходимо для моделирования условий, возникающих при попадании, например, человека, в условиях катастроф в ситуации, связанные с быстрым охлаждением.

Наиболее оптимально использовать в ходе эксперимента воздействие на животное холодной воды для охлаждения всего тела. В этом случае применение известных технических решений для изготовления устройств реанимации при остановке сердца весьма проблематично. Устройства, использующие неэластичные ремни сложны в обслуживании и могут изменять свои свойства в условиях работы в жидкости. Устройства, в которых сдавливание грудной клетки происходит в ее центре не оптимально для небольших животных, к которым относятся мыши и крысы, поскольку у них грудная клетка расположена не поперек, а растянута вдоль тела.

Основной задачей настоящего изобретения является создание способа и устройства для экспериментального изучения процессов глубокой гипотермии и остановки сердца на лабораторных животных, а также расширения предельных временных границ сверхглубокой гипотермии.

В рамках решения этой задачи, целью настоящего изобретения, является разработка устройства, в котором используют механизм для наружного массажа сердца и легких млекопитающих с учетом их анатомических особенностей.

Другой целью изобретения является разработка устройства для массажа, работающего в условиях погружения в жидкую среду с возможностью получения воспроизводимых результатов при тестировании большого количества экспериментальных животных.

Техническим результатом использования в предлагаемом изобретении механизма для наружного массажа легких и сердца является улучшение эксплуатационных характеристик за счет осуществления возможности проведения исследований с разными типоразмерами животных, упрощение конструкции за счет сокращения общего числа и типов элементов, входящих в состав шарнирно-рычажного механизма, повышение надежности и ресурса работы за счет простоты технического решения.

Сущность изобретения

Одним из аспектов изобретения является устройство для изучения устойчивости млекопитающих к сверхглубокой гипотермии и расширения предельных временных границ нахождения животного в этом состоянии состоящее из платформы, на которой закрепляют на спине испытываемое животное, пластиковой ванны, системы искусственной вентиляции, системы контроля температуры и частоты биения сердца животного, в которую входят игольчатый электрод, датчик температуры, через соответствующие усилители сигнала, подключенные к интерфейсу, интерфейс и компьютер. Устройство дополнительно содержит механизм наружного массажа сердца и легких, который подключен через узел управления механизмом к системе управления частотой массажа сердца и легких. При этом возвратно-поступательное перемещение вертикального штока механизма способно передаваться к левому и правому двухступенчатому шарнирному приводу для синхронного встречного перемещения первого и второго горизонтальных штоков с установленными на них лапками для передачи давления от вертикального штока через шарниры и лапки на боковые стороны животного для осуществления наружного массажа сердца и легких, где механизм для массажа расположен на платформе над животным таким образом, чтобы его лапки давили на боковые области поверхности грудной клетки животного, с возможностью осуществления наружного массажа сердца и легких.

Другим аспектом изобретения является способ изучения устойчивости млекопитающих к сверхглубокой гипотермии и расширения предельных временных границ нахождения животного в этом состоянии. Животное фиксируют на платформе в положении на спине, интубируют и осуществляют искусственную вентиляцию легких, регистрируют частоту сердечных сокращений и ректальную температуру тела. Над животным размещают механизм наружного массажа сердца и легких, с возможностью перемещения устройства для осуществления индивидуальной настройки положения под конкретное животное. Помещают платформу с размещенным животным на дно пластиковой ванны, в которой обеспечивают циркуляцию воды с температурой 1°С. Интенсивность искусственной вентиляции легких снижают по мере снижения ректальной температуры. При достижении частоты сердечных сокращений до 2-3 сокращений в минуту, включают механизм наружного массажа сердца и легких для пульсирующего механического воздействия на обе боковые поверхности животного в области легких. При этом искусственную вентиляцию легких и непрямой массаж сердца проводят во время всего периода остановки сердца. По данным частоты сердечных сокращений определяют границу, после которой животное выходит из состояния клинической смерти при его отогревании. Интенсивность искусственной вентиляции легких постепенно увеличивают в процессе отогревания по мере роста ректальной температуры, запуска собственной работы сердца и увеличения частоты сердечных сокращений.

Перечень фигур

Далее изобретение будет разъяснено более подробно со ссылкой на приложенные чертежи, которые показывают различные варианты осуществления

Фиг. 1. Структурная схема устройства.

Фиг. 2. Внешний вид механизма для наружного массажа сердца и легких.

Фиг.3. Охлаждение и отогрев крыс, длительность клинической смерти которых не превышала 30 минут. Длительность периода времени от остановки сердца до начала отогревания не превысила 15 минут. На фиг. 3А приведена динамика ректальной температуры в процессе охлаждения-отогрева. На фиг. 3Б приведена динамика частоты сердечных сокращений (ЧСС) в процессе охлаждения-отогрева.

Фиг. 4. Охлаждение и отогрев крыс без применения установки для непрямого массажа сердца. Длительность периода времени от остановки сердца до начала отогревания превысила 40 минут. На фиг. 4А приведена динамика ректальной температуры в процессе охлаждения-отогрева. На фиг. 4Б приведена динамика частоты сердечных сокращений (ЧСС) в процессе охлаждения-отогрева.

Фиг. 5. Охлаждение и отогрев крыс с применением установки для непрямого массажа сердца. Длительность периода времени от остановки сердца до начала отогревания превысила 40 минут. Длительность обратимой клинической смерти составила около 50 минут. На фиг. 5А приведена динамика ректальной температуры в процессе охлаждения-отогрева. На фиг. 5Б приведена динамика частоты сердечных сокращений (ЧСС) в процессе охлаждения-отогрева.

Описание изобретения

Структурная схема устройства приведена на фиг. 1. Описываемое устройство содержит: платформу 1, на которой закрепляют на спине испытываемое животное 2, пластиковую ванну 3, механизм наружного массажа сердца и легких 6; систему искусственной вентиляции, в которую входит баллон 15 с газом, кран 16, ресивер 17 трехходовой клапан 18; систему управления частотой массажа сердца и легких, в которую входит: игольчатый электрод 4, датчик температуры 5, усилители сигнала 10 и 11, узел 9 управления механизмом 8, интерфейс 13, шина 7 передачи данных, компьютер 14.

На фиг. 2 приведен внешний вид механизма для массажа. Механизм наружного массажа сердца и легких 6 выполнен на основе перевернутой V образной рамы, которая размещается на платформе 1 над рабочей зоной, в которой закреплено животное 2. В верхней части V образной рамы закреплена вертикальная направляющая 23, внутри которой перемещается вертикальный шток 24. В центральной части штока закреплена ось 25, на которой шарнирно соединены: верхняя часть первого левого рычага 26 и первого правого рычага 27. При этом нижняя часть первого левого рычага 26 шарнирно соединена с верхней частью второго левого рычага 28, а нижняя часть первого правого рычага 27 шарнирно соединена с верхней частью второго правого рычага 29. Центральные части нижних рычагов 28, 29 установлены на дополнительные оси 30 и 31 с возможность их вращения. При этом нижние части второго левого 28 и второго правого 29 рычагов соответственно входят в пазы левого горизонтального штока 32 и правого горизонтального штока 33 с возможностью передачи вертикального перемещения штока 24 через шарнирные соединения рычагов 26-29 в горизонтальное перемещение штоков 32 и 33 установленных в направляющие 34 и 35. На внутренних концах штоков 32 и 33 симметрично друг относительно друга закреплены лапки (толкатели) 36 и 37.

Способ для изучения устойчивости млекопитающих к сверхглубокой гипотермии, вызывающей остановку сердца и расширения предельных временных границ нахождения животного в состоянии сверхглубокой гипотермии, включает следующие операции. Животное фиксируют на платформе в положении на спине, интубируют и осуществляют искусственную вентиляцию легких. Закрепляют на лапах игольчатые электроды для регистрации частоты сердечных сокращений, вводят в тело датчик температуры для регистрации ректальной температуры. Над животным размещают механизм наружного массажа сердца и легких, с возможностью перемещения устройства для осуществления индивидуальной настройки положения под конкретное животное. Помещают платформу с размещенным животным на дно пластиковой ванны, в которой обеспечивают циркуляцию воды с температурой 1°С. Измеряют ректальную температуру и частоту сердечных сокращений и снижают интенсивность искусственной вентиляции легких по мере снижения ректальной температуры. По данным частоты сердечных сокращений определяют границу, после которой животное выходит из состояния клинической смерти при его отогревании.

При снижении в процессе охлаждения частоты сердечных сокращений до 2-3 сокращений в минуту, включают механизм наружного массажа сердца и легких для механического воздействия на обе боковые поверхности животного в области легких и осуществляют непрямой массаж легких и сердца. При этом искусственную вентиляцию легких и непрямой массаж сердца проводят во время всего периода остановки сердца. Интенсивность искусственной вентиляции легких постепенно увеличивают в процессе отогревания по мере роста ректальной температуры, запуска собственной работы сердца и увеличения частоты сердечных сокращений.

Устройство работает следующим образом. Находящееся под эфирным наркозом животное 2 фиксируют на платформе 1 в положении на спине. Животное интубируют для осуществления искусственной вентиляции легких через шланг 19, который подключен через трехходовой клапан 18 и шланг 20 к системе искусственной вентиляции легких. Клапан 18 управляют селеноидом 21 по сигналу с выхода интерфейса 13. На лапах животного закрепляют игольчатые электроды 4 для регистрации частоты сердечных сокращений и ректально вводят датчик температуры 5 для регистрации температуры тела. Над животным устанавливают механизм наружного массажа сердца и легких 6, размещенный на V образной раме. Подводят к боковым поверхностям животного 2 лапки 36 и 37, которые выполнены с возможностью регулирования усилия массажа. Платформу 1 вместе с крысой 2 помещают в пластиковую ванну 3. Подают циркулирующую воду, поступающую от термостата 22, и имеющую на первом этапе температуру 1°С для глубокого переохлаждения тела животного до температуры 5-8°С.

Ректальную температуру животного 2 контролируют датчиком температуры 5 связанным через усилитель 11, выходной сигнал которого поступает через интерфейс 13 и шину 7 на компьютер 14. По мере снижения ректальной температуры снижают интенсивность искусственной вентиляции легких управляя ресивером 17 вручную или по программе с компьютера (на фиг. 1 связь ресивера с компьютером не показана). Полностью искусственную вентиляцию не отключают даже после окончательной остановки сердца.

Частоту сердечных сокращений контролируют с помощью игольчатого электрода 4, который подключен к усилителю 10, выходной сигнал которого поступает через интерфейс 13 и шину 7 на компьютер 14. Частота сердечных сокращений снижается одновременно со снижением ректальной температуры, и при достижении 10°С наблюдаются лишь эпизодические сокращения сердца. В этот момент (около 10°С) по команде с компьютера 14 через шину 7, интерфейс 13 на вход узла управления 9 поступает сигнал, который преобразуется в механизме 8 в возвратно поступательные движения штока 24 расположенного в механизме наружного массажа сердца и легких 6. Через шарнирные соединения рычагов механизма закрепленного на V образной раме движение штока 24 преобразуется в возвратно поступательные движения правой 37 и левой лапки 36, которые осуществляют периодическое давление на обе боковые поверхности в боковых областях легких животного. При температуре 9-8°С собственные сокращения сердца полностью прекращаются и наступает клиническая смерть. Насыщение крови кислородом продолжается в период клинической смерти, поскольку подача воздуха через шланг 19 осуществляется при помощи системы искусственной вентиляция легких, а искусственное кровообращение во время клинической смерти поддерживается с помощью механизма наружного массажа сердца и легких 6.

В зависимости от условий эксперимента отогревание начинают в диапазоне от 15 до 45 минут после начала клинической смерти. Согревание крыс осуществляется путем постепенного программированного нагревания воды в термостате 22 и ванне 3, в которой находится экспериментальное животное 2. Программирование нагрева возможно под управлением компьютера 14 через блок управления термостатом (на фиг. 1 не показан) или ручной установкой скорости прогрева на термостате 22. Механизм наружного массажа сердца и легких 6 отключается по команде с блока управления 9, вход которого связан с выходом интерфейса 13 подключенного к компьютеру 14. Команда на отключение формируется после запуска собственных сердечных сокращений, информация о которых поступает на вход усилителя 10 с игольчатого электрода 4 установленного в лапе животного и далее через интерфейс связи 13 поступает на вход компьютера 14. Обычно восстановление сердечных сокращений при нагреве обнаруживается при ректальной температуре 9-10°С. Далее регистрируют длительность клинической смерти, которую исчисляют от момента полной остановки сердца при охлаждении до повторного появления сердечных сокращения при отогреве. Интенсивность искусственной вентиляция легких постепенно увеличивают по мере роста ректальной температуры и увеличения числа сердечных сокращений в минуту с помощью ресивера 17, управление которым может осуществляться с помощью компьютера (на фиг. 1 не показано) или в ручном режиме.

Пример 1. Достижение сверхглубокой гипотермии при охлаждении лабораторных крыс без проведения массажа сердца и легких.

Находящуюся под эфирным наркозом крысу фиксируют на операционном столике в положении на спине. Животное интубируют для осуществления искусственной вентиляции легких, закрепляют на лапах игольчатые электроды для регистрации частоты сердечных сокращений и вводят датчик температуры для регистрации ректальной температуры. Для охлаждения крысу полностью помещают в пластиковую ванну с циркулирующей водой, имеющей температуру 1°С.

Интенсивность искусственной вентиляции легких снижают по мере снижения ректальной температуры, а при температуре 10°С полностью отключают. По мере снижения ректальной температуры частота сердечных сокращений снижается, а при достижении 9-8°С сердце полностью останавливается и наступает клиническая смерть.

Отогревание животного осуществляют путем контролируемого повышения температуры. При достижении температуры 8,5-9,0°С сердце вновь начинает медленно сокращаться, а при температуре 35°С частота сердечных сокращений полностью восстанавливается до нормы. Период времени от остановки сокращений сердца (9°С) при охлаждении до повторного появления сердечных сокращений (9°С) во время отогрева был принят за длительность клинической смерти.

На фиг. 3 представлены кривые изменения ректальной температуры крыс, охлажденных до 8°С, отогретых со скоростью 0,8 градуса в минуту и восстановивших жизнедеятельность в результате отогрева. В тех случаях, когда отогрев животных после остановки сердца начинается через 15 минут и длительность клинической смерти (интервал времени от остановки сердца до повторного начала сердечных сокращений) не превышает 30 минут, вероятность полного восстановления жизнедеятельности крыс равна 96%.

На фиг. 4 представлены графики охлаждения и отогрев крыс без применения установки для непрямого массажа сердца. Длительность периода времени от остановки сердца до начала отогревания превысила 40 минут. На фиг. 4А приведена динамика ректальной температуры в процессе охлаждения-отогрева. На фиг. 4Б приведена динамика частоты сердечных сокращений (ЧСС) в процессе охлаждения-отогрева. Сердце не восстановило свою деятельность в результате длительного охлаждения и животное погибло.

Пример 2. Достижение сверхглубокой гипотермии при охлаждении лабораторных крыс с проведением массажа сердца и легких.

Животное подготавливают к эксперименту согласно примеру 1. Над животным устанавливают механизм наружного массажа сердца и легких. Подводят к боковым поверхностям животного лапки, которые выполнены с возможностью регулирования усилия массажа. Платформу вместе с крысой помещают в пластиковую ванну и подают циркулирующую воду, поступающую от термостата, и имеющую температуру 1°С для глубокого переохлаждения тела животного до температуры 5-8°С. По мере снижения ректальной температуры интенсивность искусственной вентиляции легких снижают, но полностью не отключают даже после окончательной остановки сердца. При достижении температуры тела в пределах от 12 до 9°С возникают лишь эпизодические сокращения сердца. В этот момент по команде от компьютера запускается в действие механизм наружного массажа сердца и легких. При температуре 9-8°С собственные сокращения сердце полностью прекращаются и наступает клиническая смерть. Насыщение крови кислородом продолжается в период клинической смерти, поскольку подача воздуха осуществляется при помощи аппарата искусственной вентиляция легких. Искусственное кровообращение во время клинической смерти поддерживается с помощью механизма наружного массажа сердца и легких. Искусственная вентиляция легких и искусственное кровообращение осуществляется во время всего периода клинической смерти, вызванной переохлаждением, включая начало отогревания животных. Отогревание начинают в диапазоне от 40 до 45 минут после начала клинической смерти. Согревание крыс осуществляется путем постепенного программированного нагревания воды в ванне, в которой находится экспериментальное животное. Частота сердечных сокращений растет вместе с увеличением ректальной температуры животного и при ее достижении 35°С сердечная деятельность полностью восстанавливается. В этот момент крысу вынимают из воды, освобождают от электродов, трубки для искусственной вентиляции легких и термометра. Окончательное согревание животных осуществляют теплым воздухом при помощи бытового фена. Отогретых крыс помещают в стандартные боксы для дальнейшего содержания и наблюдения.

Результаты проведенных испытаний приведены на фиг. 5. При длительности клинической смерти более 50 минут контрольные животные не выжили. В отличие от этого, крысы, которые в период клинической смерти подвергались непрямому массажу сердца, восстановили сердечную деятельность и общую жизнеспособность (Фиг. 5Б). При этом длительность клинической смерти этих животных составила около 60 минут.

Таким образом, предложенный способ позволяет в два раза (до 60 минут в среднем) увеличивать длительность обратимой клинической смерти лабораторных крыс, охлажденных до сверхнизких положительных температур (до 5°С), после которой при отогреве животных еще возможно полное восстановление их жизнедеятельности.

Промышленная применимость

Устройство механизма для наружного массажа сердца и легких, работающего в условиях погружения в жидкую среду, позволяет осуществить возможность получения воспроизводимых результатов при тестировании большого количества экспериментальных животных. Применение такого устройства в сочетании с использованием искусственной вентиляции легких позволяет в условиях обратимой клинической смерти, вызванной глубокой гипотермией, когда собственная сердечная деятельность прекращается, продолжать обеспечивать организм кровью, обогащенной кислородом.

Источники информации

1. Мазалов В.К. и др. СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ МЛЕКОПИТАЮЩИХ К ОБЩЕМУ ОХЛАЖДЕНИЮ, Авт. Свидетельство СССР №SU1520688 (27.08.1995).

2. БАЖАНОВ Н.О. и др. СРЕДСТВО, ПОВЫШАЮЩЕЕ РЕЗИСТЕНТНОСТЬ ОРГАНИЗМА К ГИПОТЕРМИИ. Патент РФ №RU2010569 (11.04.1991).

3. Доронин Ю.Г. и др. СРЕДСТВО И СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ЧЕЛОВЕКА И ЖИВОТНЫХ К ГИПОТЕРМИИ АКТИВИРОВАНИЕМ ЖИЗНЕННО ВАЖНЫХ БИОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ. Патент РФ №RU2270008 (20.02.2006).

4. Бажанов Н.О. СРЕДСТВО, ПОВЫШАЮЩЕЕ РЕЗИСТЕНТНОСТЬ ОРГАНИЗМА В ПОСТГИПОТЕРМИЧЕСКОМ ПЕРИОДЕ. Патент РФ №RU2268049 (20.05.2004).

5. П.В. Щербаков и др. Обратимая глубокая гипотермия целостного организма крыс // Бюл. эксперим. биологии и медицины. - 1989. - Т. 107, №5, с. 543-545.

6. Сироткина М.Г. и др. «Реаниматор» Патент РФ №RU288861(00.00.1971).

7. STEEN STIG «Systems and procedures for treating cardiac arrest» патент США №US7226427 (2007-06-05).

8. ЛЭК Томас и др. «УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЖАТИЯ ГРУДНОЙ КЛЕТКИ ПРИ ОСТАНОВКЕ СЕРДЦА (ВАРИАНТЫ)». РФ №RU2194488 (27.06.2000).

9. SCHOCK ROBERT et al. «Active compression/decompression cardiac assist/support device and method». США №TJS5490820 (1996-02-13).

10. США №US20150272822 «Chest Compression Device». Патент США №US20150272822 (2015-10-01).