Взгляд изнутри. Медицинские имплантаты. Часть 1.

Мир вокруг нас меняется с повсеместным использованием носимых электронных устройств - коммуникационных, медицинских, геопозиционных, платежных и т.п. Но мы полагаем, что эти технологии являются промежуточными и не так долго осталось ждать, когда подобные устройства будут носиться не на теле человека, а внутри него. Это будущее, которое мы пока видим в основном в фантастических фильмах, но с которым будет жить уже нынешнее поколение. Мы хотим представить вам несколько подобных технологий, которые, вероятно, уже очень скоро станут привычными для нас и нашего тела.

Существующие сегодня имплантаты делятся на пассивные, такие как, например, искусственные суставы, искусственные клапаны и кожные или сосудистые имплантаты, и активные, которые требуют энергии для усиления функций органов или для подавления соответствующей болезни и могут активно взаимодействовать с человеческим телом. Наш обзор касается как раз последних.

Имплантируемые устройства для терапии сердца

 Имплантируемые электрокардиостимуляторы прочно вошли в практику лечения нарушений ритма и проводимости сердца. Быстрое совершенствование этих устройств в последние годы привело к значительному расширению их использования и появлению новых возможностей электротерапии. Так технология имплантируемых устройств помимо терапии брадиаритмий в наше время развивается по трем основным направлениям:

• имплантируемые кардиовертеры-дефибрилляторы для электротерапии желудочковых тахиаритмий и профилактики внезапной смерти;
• имплантируемые устройства для лечения сердечной недостаточности или ресинхронизационной терапии;
• устройства для профилактики и лечения предсердных тахиаритмий.

Создаются также и комбинированные устройства, сочетающие в себе возможности нескольких видов электротерапии.

Abbott Gallant ICD и CRT-D

Компания Abbott недавно объявила о том, что сертифицировала в Европе и США линейку имплантируемых кардиовертеров-дефибрилляторов (ICD) и систем кардиоресинхронизирующей терапии с функцией дефибриллятора (CRT-D) нового поколения, получивших наименование Gallant. Новые устройства отличаются долговечностью батареи и совместимостью с МРТ. Кроме того, эти приборы используют Bluetooth и приложение пациента MyMerlinPulse для смартфона для улучшенного удаленного мониторинга.

Приложение предоставляет людям доступ к данным, производительности устройства и истории передачи данных, что помогает им играть активную роль в своем лечении. С помощью приложения врачи могут постоянно контролировать своих пациентов в удаленном режиме, что позволяет выявлять бессимптомные эпизоды, а пациенты самостоятельно передавать информацию врачам, что может привести к более раннему вмешательству и снизить клиническую нагрузку.

Монитор сердечной деятельности Boston Scientific LUX-Dx

Американская компания Boston Scientific разработала и сертифицировала имплантируемый кардиомонитор LUX-Dx, способный обнаруживать трудноопределимые сердечные аритмии, такие как мерцательная аритмия, и помогать в диагностике их происхождения.

Алгоритм обнаружения состоит из двух отдельных компонентов, один из которых детектирует подозрительную аритмию, а другой проверяет, действительно ли присутствует обнаруженная аритмия. После подтверждения аритмии беспроводное устройство посылает сигнал кардиологу пациента через приложение на телефоне пациента. Наличие компонента двойной проверки в программном обеспечении имплантата помогает предотвратить ложные срабатывания.

Чтобы помочь кардиологам получить максимальную отдачу от устройства, особенно учитывая продолжающуюся пандемию COVID-19, LUX-Dx может быть удаленно перепрограммирован врачом, позволяя настроить параметры обнаружения аритмии.

Устройство может обнаруживать мерцательную аритмию предсердий, паузу ритма, трепетание предсердий, брадикардию и тахикардию в пределах определенных параметров, которые определяет врач.

Нейростимуляторы

Имлантируемые нейростимуляторы - это медицинские приборы для электрической или иной стимуляции центральной или периферической нервной системы. Нейростимуляторы применяются для лечения хронических болевых синдромов и некоторых других нарушений функций нервной системы, таких как эпилепсия, болезнь Паркинсона, депрессия, мигрень.

Система лечения болезни Паркинсона BS Vercise Gevia

Компания Boston Scientific разработала и сертифицировала систему глубокой стимуляции мозга Vercise Gevia, предназначенной для лечения симптомов болезни Паркинсона. Эта система, использующая специализированные электроды, путем точно нацеленной электрической стимуляции мозга позволяет облегчить симптомы болезни и лучше контролировать нежелательные побочные эффекты.

Терапия с помощью глубокой стимуляции мозга помогает пациентам с болезнью Паркинсона контролировать свои симптомы и улучшить качество жизни.

Устройство отличается наличием перезаряжаемой батареи длительного действия и позволяет без помех проходить процедуру МРТ.

Безбатарейный нейронный стимулятор от университета Райса

Ученые из университета Райса разработали имплантируемый беспроводной нейронный стимулятор, которому не требуется батарея. Устройство питается от внешнего магнитного поля и может быть использовано как часть системы для лечения широкого спектра заболеваний, включая эпилепсию, болезнь Паркинсона и хроническую боль.

 Устройство позволяет избежать недостатков других систем беспроводной передачи энергии, таких как радиоволны и ультразвук, которые могут выделять опасное количество тепла или иным образом негативно влиять на соседние ткани.

Крошечный новый имплантат, размером меньше рисового зерна, покрыт "магнитоэлектрическим" материалом, который производит электрическое напряжение в ответ на приложенное магнитное поле. Один слой материала вибрирует при наличии магнитного поля, а другой, пьезоэлектрический кристалл, стимулируется этой вибрацией для получения электрического напряжения. Частота колебаний слишком мала, чтобы влиять на соседние клетки.

Система лечения дисфункции кишечника и мочевыводящей системы Axonics r-SNM

Компания Axonics Modulation Technologies разработала и сертифицировала в США Sacral Neuromodulation System (r-SNM) - систему, предназначенную для лечения дисфункции кишечника, недержание кала методом нейромодуляции крестцового нерва. Компания также работает над получением разрешения на использование этого устройства и для лечения гиперактивности мочевого пузыря и недержания мочи. 

Это устройство имеет "срок жизни" порядка 15 лет, что в три раза больше, чем может работать любое другое аналогичное устройство. Это связано с тем, что имплантат компании Axonics размером примерно с USB-накопитель может перезаряжаться непосредственно через кожу без необходимости его извлечения, в отличие от подобных устройств, которые необходимо извлекать для замены батарей. Кроме того, прибор Axonics на 60% меньше, чем конкурентные системы.

Обеспечивая электростимуляцию крестцового нерва, устройство "исправляет" ошибочные сигналы, посылаемые между кишечником, мочевым пузырем и мозгом.

r-SNM совместима с МРТ, т.е. при прохождении процедуры МРТ-сканирования нет необходимости это устройство удалять.

Имплантат-нейромодулятор поставляется вместе с беспроводным домашним зарядным устройством, которое позволяет пациентам оставаться активными и в период перезарядки батареи. Зарядка осуществляется в течение примерно двух часов и ее требуется производить раз в 1 - 3 недели, в зависимости от того, как много энергии уже использовано после последней зарядки.

Имплантируемая система для лечения боли Algovita

Американская компания Greatbatch разработала и начала продажи своей системы стимуляции спинного мозга Algovita, которая используется для лечения хронической боли в спине и конечностях.

Устройство использует 24-канальный имплантируемый генератор электрических импульсов и различные, зависящие от нужд конкретных пациентов, конфигурации электродов. Мощность выходного сигнала и диапазон параметров может настраиваться, причем большая часть настройки осуществляется с помощью беспроводного внешнего программатора. Используемые в устройстве электроды могут растягиваться и, кроме того, они могут быть разной длины для более оптимального использования.

Система в своей работе использует трехмерные карты боли, парестезии и их наложения.

Восстановление способности ходить для парализованных людей

Американские ученые из университета в Луисвилле разработали решение, позволяющее восстановить способность стоять и ходить у людей после серьезного повреждения спинного мозга. Они использовали для этого эпидуральную стимуляцию спинного мозга с помощью имплантата с одновременными тренировками на беговой дорожке. Стимуляция заключалась в непрерывном применении электрического тока на разных частотах и интенсивностях в конкретных местах пояснично-крестцового отдела спинного мозга. В этом месте расположены узлы нейронных сетей, которые в значительной степени контролируют движение бедер, коленей, лодыжек и пальцев стопы.

Таким образом они смогли восстановить у четырех парализованных людей способность самостоятельно стоять, причем двое из них теперь могут и ходить, пользуясь для этого обычными ходунками.

Нейростимулятор для лечения ожирения

Американские ученые из университета Висконсина в Мэдисоне разработали технологическое, не использующее лекарственных препаратов решение проблемы ожирения. Они создали миниатюрный безбатарейный имплантат, который стимулирует блуждающий нерв и, соответственно, оказывает влияние на мозг. Устройство крепится к желудку таким образом, что позволяет ему почувствовать движение, которое происходит при попадании пищи из пищевода. Поскольку в имплантат встроен миниатюрный наногенератор, устройство обеспечивает свое питание за счет простой тряски (например, при ходьбе) органов пищеварения. Когда имплантат обнаруживает перистальтику желудка, он начинает электрически стимулировать блуждающий нерв прямо из желудка, и делает это дольше, чем сам желудок естественным образом. При этом у мозга "создается впечатление", что в желудочно-кишечный тракт поступает больше пищи, чем на самом деле, и чувство голода исчезает, удовлетворившись "виртуальной пищей".

При исследованиях на лабораторных крысах имплантат привел к потере веса у крыс почти на 40% по сравнению с контрольной группой.

Нейрокомпьютерный интерфейс

Интерфейс "мозг-компьютер" — это система, которая обеспечивает взаимодействие между мозгом и компьютером (или другими цифровыми устройствами). Наиболее простой пример — это генерация команд для внешнего устройства с помощью активности мозга. Внешним устройством может быть компьютер, приложение, робот, дрон, протез, экзоскелет и всё что угодно.

Сфера применения таких интерфейсов очень широкая. Самое популярное применение нейроинтерфейсов в медицине — это нейрореабилитация. Это возможность ускорить процесс реабилитации человека после травмы или инсульта с помощью тренировок с интерфейсом «мозг-компьютер», который подразумевает поддержку моторной активности.

Система для полностью парализованных людей

Американский консорциум BrainGate, в котором совместно работают ученые разных специальностей, разработали решение, позволяющее полностью парализованным пациентам контролировать обычный планшет с помощью своих мыслей.

Все это стало возможным за счет использования созданного специалистами BrainGate интерфейса типа "мозг-компьютер", включающий в свой состав небольшой имплантат, который обнаруживает и записывает сигналы мозга, ассоциированные с желаемым перемещением курсора и производимые моторной корой головного мозга. Нейронные сигналы транслируются в Bluetooth-интерфейс, работающий как беспроводная мышь, подключаемая к любому планшету, который можно купить в магазине, без специального программного обеспечения.

Участникам исследования имплантировали в моторную кору головного мозга одно или два устройства размером с "таблетку аспирина для детей", представляющее собой матрицу из 100 микроэлектродов размером 4 х 4 мм. После определенной тренировки пациенты научились выполнять до 22 команд в минуту (перемещение курсора + кликание), используя при этом различные приложения. Они могут печатать текст со скоростью до 30 символов в минуту, используя стандартный интерфейс почтовой программы или текстового редактора.

В обзоре использовались материалы Medgadget.com, Daily Mail, Futurism, Stimwave Freedom, Senseonics, Implantable-device.com, Intarcia, Boston Scientific, Rice.

Продолжение следует...