كليه مصنوعي پوشيدني جايگزين دياليز
نویسندگان: مهندس الهه شريف زاده، مهندس فرشته ارادي زارع
منبع: ماهنامه مهندسی پزشکی
حدود 1/3 ميليون نفر در سراسر جهان به دليل نارسايي مزمن كليوي نيازمند دياليز هستند. شمار معدودي از اين بيماران تحت پيوند كليه قرار مي‌گيرند و كليه اهدايي كمياب است. بنابراين نياز به دستگاهي مصنوعي جهت رفع نياز بيماران كليوي احساس مي شد. كليه ي مصنوعي پوشيدني (WAK) ، خطر انتقال عفونت ناشي از دستگاه هاي همودياليز را كاهش داده و از مراجعات مكرر به مراكز دياليز جلوگيري مي‌كند. علاوه بر اين، طراحي منحصر به فرد آن به شكل يك كمربند، راحتي بيمار و افزايش فعاليت هاي روزانه او را به دنبال دارد.
مهمترين وظيفه كليه‌ها برداشت مواد زائد از خون و بازگرداندن خون تصفيه شده به بدن است. هر دقيقه حدود يك ليتر خون از طريق سرخرگ كليوي وارد كليه‌ها مي‌شود و پس از اينكه خون تصفيه شد، از طريق سياهرگ‌هاي كليوي به بدن باز مي شود. وقتي فعاليت كليه ها 15% حالت نرمال آن شود، فرد جهت فيلتر كردن خونش از تركيبات اضافي به عمل دياليز نياز پيدا مي كند.
همودياليز فرايندي است كه طي آن تركيبات سمي ميكروسكوپي با استفاده از غشاي تصفيه گر مانند دياليزر از خون خارج مي شود. بيماران بايد معمولا سه بار در هفته به واحد دياليز مراجعه كنند. با اين حال انجام دياليز، با محدوديت هايي نيز همراه است. دستگاه هاي دياليزر موجود، سنگين وبزرگ هستند، بايد به پريز برق متصل باشند. به تامين مداوم آب تازه براي روان نگه داشتن جريان دياليز نيازدارند و بيمار مجبور است ساعت هاي طولاني به اين دستگاه پرزحمت وسنگين متصل باشد. بنابراين راه حلي فني مورد نياز است تا علاوه بر افزايش زمان دياليز، هزينه هاي جانبي و نيروي انساني را نيز كاهش دهد. با توجه به معايب ذكر شده، نياز مبرمي به دستگاه هاي دياليز قابل حمل و پوشيدني كه بتواند به طور مكرر در 24 ساعت شبانه روز و هفت روز هفته مورد استفاده قـرار گيـرد، احسـاس مـي شـود. كليـه مصنـوعـي پـوشيـدنـي اوليـن گـام در دستيابي به دستگاه‌هاي تصفيه خون پوشيدني است. اين دستگاه مي‌تواند بيماراني كه در مراحل پيشرفته نارسايي كليوي قرار دارند به
دفعات بيشتر و مدت طولاني‌تر دياليز كند و آنان را از وصل شدن به دستگاه هاي همودياليز بي نياز كند.
كليه مصنوعي پوشيدني
همانگونه كه از نام دستگاه مشخص است، اين كليه به صورت پوشيدني و به شكل يك كمربند طراحي شده است. هردو انتهاي كمربند، با چفت هاي كمربند معمولي مانند قلاب يا حلقه هايي، محكم به هم بسته مي شوند.
اين كمربند قسمت هاي زير را در بر مي گيرد:
بخش دياليزر، شامل دو لوله يكي جهت انتقال خون از رگ ها به درون دستگاه و ديگري ارسال خون تازه به بدن.
بخش جاذب
پمپ ضرباني دوكاناله
بخش پمپ اضافي (زاپاس)
ميكرو پمپ هاي كمكي براي رساندن هپارين، منيزيم، كلسيم ، پتاسيم و سديم كربنات
بـخــش كـنـتــرل الـكتـرونيكـي كـه شـامـل يـك مـيـكـروپـروسسور (ريزپردازنده) و باتري هايي براي به كار انداختن دستگاه است.
بخش دياليزر
اين بخش از 4 دياليزر تشكيل مي شودكه با اســتــفـــاده از جـــريـــان خـــون بــيــمـــار ديـــالـيــزي، نـاخـالـصـي‌هـاي خـون بيمار را تصفيه مي كند. مـجـمـوعـه ديـالـيـزرهـا كـه به شكل سري به هم وصل‌اند، ازطريق پمپ معمولي، خون بيمار را وارد تيوپ (لوله) ورودي و سپس لوله خروجي مـي كـنـنـد. درطـول ديـالـيـز، ديـالـيست درجهت عكس جريان خون با استفاده از پمپي معمولي، پــمــپـــاژ مـــي شـــود. هـــر ديـــالــيـــزر، مــتــشـكــل از مجموعه‌اي از فيبرهاي توخالي، براي گردش خـون اسـت و مـايـع دياليست دراطراف جداره هاي بيروني فيبرهاي توخالي ودر خلاف جهت گردش خون درون فيبرها، به گردش و پمپاژ در مي آيد. جداره هاي بيروني فيبرها، خلل وفرجي دارند كه ناخالصي ها مي توانند از طريق آن، از خون خارج و به دياليست ريخته شوند.
هــر ديــالـيــزر، در واقــع ديـالـيـزري ظـريـف بـا پـوششـي انعطـاف پـذيـر است كه مطابق با بدن بيمار طراحي شده است. به علاوه، جداره هاي اطراف پوشش، منحني شكل اند تا با انحناهاي بدن بيمار هماهنگ شوند. اين پوشش مي تواند از موادي مانند: پلي اورتان و پلي وينيل كلرايد كه منعطف با بدن بيمار هستند، ساخته شود.
لوله ورودي خون، داراي پورت جانبي است كه از طريق آن، مايع ضد انعقاد، به خون پمپاژ مي شود. مواد ضد انعقادي كه عموما درخون ريخته مي شود شامل: هپارين، پروستاساكلين، هپارين كم وزن، هيدرودين وسديم سيترات است.
بخش جاذب
در بخش جاذب، دياليست مورد نظر از طريق تيوب دياليست و از بخش دياليزر، به سمت مجموعه ابزارهاي جاذب حركت مي كند. سپس دياليست، دوباره ساخته شده، درتيوب جريان يافته و به بخش دياليزر باز مي گردد. بيمار مي تواند هرازگاهي با ضربات آهسته اي، مقدار اضافي ديالسيت را به درون محفظه اي كه براي مواد اضافي وغيرقابل استفاده در نظر گرفته شده است، خالي كند.
ابزارهاي جاذب، شامل مجموعه اي از كارتريج ها هستند تا ديالسيت مورد نظر را دوباره بسازند. در نتيجه با بازسازي دياليست توسط كارتريج هاي جاذب، دستگاه دياليز، تنها به ميزان اندكي دياليست نياز دارد. هركارتريج جاذب، كارتريج ظريفي است كه يك جاذب جداگانه دارد. بخش جاذب از پنج كارتريج تشكيل شده، شامل كارتريج چــاركــول(زغــالــي)،كــا رتــريــج اوره اي، كــارتــريــج زيــركــونـيــوم فـسـفــات، كــارتــريـج هيدروزيركونيوم اكسيد وكارتريج كربن.
عوامل موثر درجذب، دما و فاصله انتشار است. porous از بهترين موادي است كه براي جذب بيشتر به كار مي رود. از جمله مزاياي اين كارتريج، سطح مقطع بزرگ و فاصله انتشار كوچك است.
اولين فيلتر موجود در كارتريچ، حاوي اوره است كه دياليست مورد استفاده را فيلتر كرده و عملكردش با درهم شكستن اوره به جا مانده از خون در دياليزر است. هنگامي كه اوره تجزيه مي شود، دست كم دو ماده حاصله از آن آمونياك و دي اكسيدكربن هستند.
دياليست حاوي آمونياك و دي اكسيدكربن، از فيلتر اول خارج مي شود. همان طور كه اوره، قبلا از خون خارج شده، اكنون اين دو ماده هم بايد خارج شوند؛ پس به فيلتر دوم وارد مي شوند. اين فيلتر، حاوي تركيباتي مانند زيركونيوم يا فسفات زيركونيوم است. زيركونيوم موجود در فيلتر دوم، آمونياك را جذب مي كند. فيلتر زيركونيوم، در نهايت با آمونياك، اشباع مي شود و در اين هنگام است كه كارآيي آن براي جذب هرچه بيشتر آمونياك، پايين مي آيد و ما مجاز نيستيم به آمونياك اجازه گردش در دياليست را بدهيم، از اين رو در اين دستگاه سنسوري در جريان دياليست تعبيه شده كه ميزان وجود آمونياك را مي سنجد. اين سنسور مي تواند از نوع سنسور Ph، سنسور مخصوص آمونياك يا سنسور كنداكتيو(هادي) باشد. سنسور Ph، ميزان Ph دياليست را بررسي مي كند تا بفهمد كه مايع، بيش از حد قليايي شده يا نرمال است. سنسور آمونياك، ميزان آمونياك موجود و سـنـســور كـنــداكـتـيـو، ميـزان تغييـرات انتقـالـي دياليست را بررسي مي كند.
وجـود آمـونـيـاك در دياليست، باعث قليايي شدن آن مي شود. لازم به ذكر است كه بسته به نوع مواد شيميايي يا جاذبي كه در فيلترها وجود دارد، ممكن است دياليست، اسيدي هم شود. فـيـلـتـر سـوم، هـيـدروزيـركونيوم اكسيد، قدرت بيشتري در زدودن آمونياك و ديگر آلودگي ها از دياليست دارد. يك خنثي كننده حباب هاي گاز يا يك والو، ممكن است بخشي از اين فيلتر باشد. ايـن خـنثي كننده حباب، بايد قبل از پمپ قرار بـگـيـرد. فـيـلـتر چهارم يعني كربن، به پاكسازي بيشتر دياليست از ناخالصي ها، از طريق جذب آن هـا كـمـك مـي كـند. اين فيلترها، ترجيحا به صـورت فـيلتر كارتريجي طراحي شده اند. هر كارتريج مي تواند به دستگاه ملحق و بعد جدا شود. بيمار مي تواند كارتريج ها را هر روز يا يك روز در ميان عوض كند. هر كارتريج فيلتر، بايد در حالت خشك شده اش، كمتر از نيم پاند وزن داشته باشد و وزن كل كارتريج ها هم بايد كمتر از دو پوند باشد.
پمپ ضرباني دو كاناله
پمپي الكتريكي متشكل از دو پمپ است كه ممكن است هر دو با يك موتور و يا با موتورهاي جداگانه عمل كنند. اين دو پمپ، توسط باتري قابل شارژ تغذيه شده و با استفاده از ميكرو كنترلر مي توان آن ها را با قابليت هاي مختلفي از جمله: تنظيم حركت پمپ ها، حجم جاري درآن ها به ازاي هر حركت، سرعت، شتاب، سرعت پمپاژ (تـعداد چرخه پمپ در دقيقه)، فشار پمپ و... تنظيم كرد. اين نوع پمپ ها، جرياني با سرعت 15 مـيلي ليتر بر دقيقه را فراهم مي كنند. ابعاد تقريبي چنين پمپي7/9*1/7*6/4 با وزني كمتر از400 گرم است.
يك نمونه موتور پمپ مايع مي تواند يك عضو يا چندين عضو پمپاژ داشته باشد كه حركات ضرباني همزماني را دريك يا چند مايع كه در كانال هاي كارتريج در جريان اسـت، ايجـاد مـي كند. تحريك دو حفره موجود در كارتريج، توسط نوسان مكانيزم فشـاري پمـپ مكـانيكي صورت مي گيردكه به ميله استوانه اي خروجي يك موتور سرعت ثابت يا متحرك وصل است. حركت دوراني استوانه پمپ، به خاطر وجود چرخ‌‌دنده هايي است كه حركات مدور وغير مدور را ايجاد مي كنند. بخش قابل انفصال پمپ ضرباني دو كاناله، در قسمت موتور پمپ به گونه اي جا سازي شده كه به مكانيزم رهايابي اجازه دهد تا اجزاي پمپاژ بتوانند به طور ريتميك، منبسط و منقبض شده وباعث فرستادن جريان از پمپ ورودي و سپس خارج ساختن آن از پمپ خروجي شوند.
در اين طرح، از پمپ ضرباني دو كاناله استفاده شده است. اين پمپ كه با باتري يا تبديل انرژي AC به DC كار مي كند، مي تواند در حكم موتور مكانيكي دستگاه كليه پوشيدني باشد و كارش ايجاد جريان ضرباني همزمان خون و دياليست در طول درمان ديـاليـزي است. اين پمپ ضرباني دو كاناله شامل دو بخش ميكرو موتور وكارتريج جريان است. والوهايي كه در هر دو مسير كانال هاي كارتريج تعبيه شده اند، والوهاي يك طرفه اي هستند كه در صورت اعمال فشار مثبت به آن، باز مي شوند. والو ورودي شامل يك سر شير، حلقه o مانند o-ring، در پوش شير، توپ انسدادگر (مسدود كننده)، فنر و يك آداپتور لوله اي منحني شكل (موجي) است؛ هنگامي كه لوله موجي به آداپتور متصل مي شود، توسط مكانيزم فشاري، منبسط يا منقبض شده و عمل مكش در والو ورودي ايجاد مي شود. در اين حالت، توپك را ه فنر را سد كرده و از حلقه دور مي شود.
فنر از جنس پلي مري، از دو حلقه متحدالمركز تشكيل شده: حلقه داخلي و حلقه بيروني. سه عدد ميل چرخ نيز بين حلقه داخلي و بيروني، به كار رفته است تا وضعيت اين دو را متصل و محكم كند. حلقه داخلي در واقع نقش اتصال گر و محكم كننده وضعيت توپك انسداد گر را دارد. علاوه بر اين، با به جريان انداختن حجم بيشتري در دريچه هاي انسدادي، از لرزش يا نوسان توپك انسدادگر جلوگيري مي كند. حلقه خارجي فنر هم توپك را احاطه مي كند تا والو بتواند فورا در مقابل جريان هايي با شدت پايين، بسته شود.
پمپ هاي كمكي
لوله خروجي داراي پورتي جانبي است كه مواد اضافي ديگر از طريق مجموعه اي از پمـپ هـاي اضـافـي، بـه خـون فـرستـاده مـي شـود. ازپيستـون، ساكشن، ميكرو يا ساير پمپ‌هاي رولي كوچك ديگر، مي توان براي اين منظور استفاده كرد. تمامي اين پمپ ها به دسته مـيـكــرو پمـپ هـا تعلـق دارنـد. هـرپمـپ، ميـزان كنترل شده اي ازمواد را به جريان خون اضافه مي‌كند كه اين ميزان به طور الكترونيكي و توسط ريزپردازنده اي در بخش الكترونيكي دستگاه، كنترل مي شود. پزشك معالج مي تواند با اين متد، دزهاي ازپيش تعيين شده براي بيمار را تعيين كند. ازآنجا كه اين خون هاي اضافي قبل از وارد شدن به خون اصلي نمي توانند با هم تركيب شوند، جريان هاي جداگانه اي دارند. اين مواد اضـافـي حاوي سديم سيترات، كلسيم، پتاسيم وسديم بي كربنات است.
ميكروكنترلر
ميكروكنترلر مي تواند وضعيت پمپ يا ديگر اطلاعات مربوط به پمپ ها را روي نمايشگر نـشـان دهـد. يـوزر كـنـتـرل (كنترل كاربر) داراي دكمه ها، سوئيچ ها، دستگيره ها، اتصال گر و بعضا گيرنده هاي مادون قرمز است كه مي تواند زمينه را براي كنترل دستگاه توسط خود بيمار، پـرسـتـار و يـا تنظيمات كامپيوتري، فراهم كند. عـــلاوه بــر ايــن، امـكــان دريــافــت تـنـظـيـمــات و فرستادن اطلاعات از طريق پيج يا ديگر راه هاي تلكامي نيز امكان پذير است. مثلا تنظيم تمامي عـمـلـكـردهـا مـانـنـد سرعت پمپ، شتاب، سايز دريچه ها، فشار خارجي، سرعت جريان، rpm و خـامـوش و روشـن كـردن، هـمـگـي تـوسـط پنل كنترل كاربر يا ابزار ارتباط گر، مانيتور و كنترل مي شوند.
يك سنسور رطوبت نيز به طور الكترونيكي به ميكرو متصل است كه ميزان وغلظت رطوبت موجود در پوشش يا سطح آن را تعيين مي كند. پوشش و سطح دستگاه مي تواند از موادي مانند پلاستيك، پلاستيك-پارچه يا ساير مواد مناسب باشد.
وجود رطوبت و غلظت در پوشش، مي تواند بـيـانـگـر نـشـت مـايـعـاتـي مـثـل خـون بـيمار، مايع دياليست و ديگر مايعات درگير در دستگاه باشد. سـنـسـور رطـوبـت بـه هـنـگـام تـشـخـيـص وجود رطوبت، سيگنالي را به ميكرو مي فرستد و آلارم فعال مي شود.
عملكرد دستگاه
جريان خون بيمار، ابتدا از راه تيوب ورودي خون، وارد دستگاه مي شود. در مرحله بعد، واسطه گر فشارخون، ميزان فشارخون ورودي را سنجيده و سيگنال آن را به ميكروكنترلر مي فرستد. سپس اين خون توسط پمپ، پمپاژ مي شود.
مخـزنـي كـه حـاوي رقيـق كننـده خـون يـا مـاده ضـد انعقـادي مـاننـد هپارين يا ديگر ضد‌انعقادهاي قابل قبول است، به كمك يك ميكروپمپ، به جريان خون متصل مي شود. ميكروپمپ، نوعي پمپ است كه مي تواند مقادير ميكروسكوپي را در هر دقيقه در جريان خون پمپاژ كند. ميكروپمپ براي عملكرد خود بين 1تا500 ميلي وات انرژي نياز دارد. اين ميكروپمپ، محتويات اندازه گيري شده و مورد نياز جريان خون را به طور مداوم يا غير مداوم، براي جريان خون، كه قبل از دياليزر قرار دارد، فراهم مي كند.
حس گر واسطه ديگري هم فشارخون جريان را بعد از ورود به پمپ خون و قبل از ورود به دياليزر بررسي مي كند و پس از خواندن اطلاعات، سيگنال آن را به ميكروكنترلر (MC) مي فرستد.
ابعاد دياليزر ممكن است از 2/0تا1 مترمربع از كل حجم دستگاه دياليز باشد. در طول دياليز، خون، در خلاف جهت جريان دياليست جريان مي يابد تا فرآيند دياليز را به حداكثر برساند. پس از آنكه خون، دياليزه شد، از دياليزر خارج شده و به سمت سومين واسطه گر، جريان مي يابد. اين واسطه گر، سيگنالي را براي ميكروكنترلر ارسال مي كند. تركيب هر سه واسطه گر اول، دوم و سوم، سنجش هاي فشار متفاوتي را فراهم مي كند كه توسط ميكروكنترلر، تحليل و بررسي مي شوند. براي مثال، اگر فشار جريان در دياليزر، بالا باشد، به اين معني است كه ممكن است، لخته اي در آن باشد، يا جريان زيادي در آن در حركت است؛ در نتيجه ممكن است دستگاه به وضعيت آلارم درآيد يا پمپاژ خون و سرعت و شتاب آن از طريق ميكروكنترلر در قسمت كنترل، هماهنگ شود. اگر هم فشار جريان در دياليزر پايين باشد، به اين معناست كه جريان نشتي دارد يا مقداري هوا در جريان خون است. در اين صورت ميكروكنترلر ممكن است كل يا بخشي از دستگاه را به خاطر وجود چنين مشكلاتي خاموش كند.
خون از طريق تيوب خروجي به بيمار باز مي گردد. الكتروليت ها، داروها، ويتامين ها و ديگر مايعات را مي توان از طريق تركيب مخزن و ميكروپمپ، قبل از وارد شدن خون به بدن بيمار، به آن اضافه كرد.
واسطه گر چهارمي هم وجود دارد كه ميزان فشار دياليست را در سمت ورودي پمپ دياليست، مي سنجد و اطلاعات آن را به ميكروكنترلر ارسال مي كند. پمپ دياليست هم مانند پمپ خون، ترجيحاً دومين پمپ موردنظر ما در اين دستگاه است. اما مي تواند به صورت يك پمپ جداگانه نيز استفاده شود.
مايع دياليست تميز و تازه، از فيلترهاي جاذب و از طريق پمپ دياليست، به جريان دياليست وارد مي شود. پمپ دياليست مي تواند با سرعتي بين صفر تا 150 ميلي ليتر بر دقيقه جاري شود و ميزان نرمال جريان در اين دستگاه بين 40تا100 ميلي ليتر بر دقيقه است. از آنجا كه اين دستگاه به كمتر از يك ليتر دياليست نياز دارد، استفاده از آب استريل يا هموژنيزه از نظر اقتصادي مقرون به صرفه خواهد بود.
ديـــالـيـسـتـــي كــه از پـمــپ ديــالـيـســت خــارج مي‌شود، از مبدل فشار ديگري عبور مي كند تا فشار آن در سمت ورودي دياليزر سنجيده شود. ديـاليـزر، جـريان دياليست را ترجيحا برخلاف جهت خون، حركت مي دهد. در اين حين، مواد آلوده و سموم موجود در خون، از جداره دياليزر به دياليست وارد شده و به اين ترتيب خون بيمار تصفيه مي شود.
دياليست، پس از عبور از دياليزر ، به سمت مبدل فشار ديگري جريان مي يابد كه اين بار در سـمــت خـروجـي ديـاليـزر قـرار دارد و سيگنـال مـربـوط بـه فـشـار ديـالـيـسـت را بـه ميكروكنترلر ارسـال مـي كـنـد كـه گـويـاي نـشـتـي در ديـالـيزر، مـسـدود شـدن آن يـا هـرگـونه وضعيت ديگري است.
سنسور، در ارتباط الكتريكي با ميكروكنترلر است. اگر سيگنال ارسال شده به آن نشان دهنده اين باشد كه فيلتر دوم، يعني فيلتر زيركونيوم، قادر به جذب بيشتر ميزان آمونياك موجود در ديـالـيـسـت نـيست، پس وضعيت آلارم، توسط ميكروكنترلر، فعال مي شود و اين كاربر را متوجه مي سازد كه يك يا چند فيلتر (يا كارتريج) نياز به تـعـويـض دارنـد. حـتـي مـمـكـن اسـت وضـعـيت آلارم، دستگاه را هم خاموش كند. مثلاً ممكن است يك يا چند پمپ، متوقف شوند يا سرعت جـريان يك يا چند ميكروپمپ، كند شود. كند شــدن رونــد جــريـان، مـي تـوانـد جـذب بـيـشـتـر آمونياك را در بخش فيلترهاي جاذب، تسهيل و بيشتر كند.
بعد از عبور دياليست از دياليزر و ترجيحاً قبل از ورود آن بـه كـارتريج (هاي) فيلتر، دياليست همراه با آلودگي ها و ساير مايعات، مي تواند از طريق والوي از دياليست خارج شده و وارد مايع مثانه شود. محل مايعات مثانه مي تواند در حجم 1/0تا2ليتر، در قسمت پايين دستگاه تعبيه شود و سنسـور مـربـوطـه، هنگامي كه ذخيره به حد از پيش تعيين شده رسيده باشد، با ميكروكنترلر در ارتباط الكترونيكي قرار گرفته و وضعيت آلارم را فعال مي كند.
مـحـفـظــه مـثـانـه را مـي تـوان بـه صـورت يـك كـارتـريـج خـالـي كـه بـا تـركـيـب مـيـكـروپـمـپ و والوي، پر مي شود، در دستگاه به كار برد. اين محفظه يا كارتريج مثانه، مي تواند مواد جاذبي، براي جذب مايع موجود در محفظه داشته باشد؛ اين مواد شامل پنبه، پليمر، اسفنج، مواد فشرده، پودر ژلاتين و ديگر مواد جاذب مايعات است كه از حركت مايع درون كارتريج جلوگيري مي كند. محفظه مثانه، مي تواند طوري طراحي شود كه حجم آن با پرشدن گسترش يابد.
مزاياي دستگاه WAK
1- بالابردنPH دياليست به 4/7براي بالابردن جذب آمونيوم
2- افــزايــش كـلـيــرانــس بــا جــريــان ضـربـانـي درمقايسه با جريان ثابت
3-امكان فعاليت فرد به دليل وزن پايين پمپ
4-حذف ميكروگلبول بتا 2 ازمايع دياليست توسط فيلتر كربن
5-سطح مقطع بزرگتر دياليزر
پاسخ با نقل قول
علاقه مندی ها (بوک مارک ها)