artificial Heart valve

April 25, 2009
Artificial Valves That Lend Hearts a Helping Hand
For the past five decades, artificial heart-valve designs have evolved to successfully replace natural valves, which often begin to leak or harden over time
By Amber Dance

The heart relies on four valves that act as one-way gates, controlling blood flow out of each of the heart's four chambers. The mitral valve between the two left chambers of the heart has two leaflets, or cusps; the tricuspid, pulmonary and aortic valves each have three. The leaflets swing open and shut like saloon doors with every beat, maintaining a steady blood supply. (A person's heart generally beats 80 million times a year and five to six billion times over the course of a normal lifetime, according to Irvine, Calif.–based valve producer Edwards Lifesciences.)

> Slide Show: Artificial heart valve improvements over the past 50 years

As comedian and actor Robin Williams, 57, and 83-year-old former first lady Barbara Bush found out recently, in many cases, the valves don't last a lifetime; some become leaky. Called a regurgitating valve, this allows pumped blood to wash back into the heart. Others pick up calcium from the blood, eventually becoming hardened, restricting blood flow (a condition known as stenosis). When the body does not receive enough blood, a person can experience symptoms such as shortness of breath. Aortic and mitral valves most commonly require treatment. Once symptoms such as lightheadedness and blackouts arise, a person with an untreated faulty aortic valve has a 50 percent chance of dying within six months, says Eugene Grossi, a professor of cardiothoracic surgery at New York University School of Medicine and director of cardiac surgery research.That means that for thousands of Americans, an artificial heart valve fashioned from tissue-thin flaps is all that stands between health and heart failure. About 140,000 Americans go under the knife for valve replacement or repair every year, according to Toronto-based Millennium Research Group, a firm that tracks the medical device, pharmaceutical and biotechnology industries.Doctors have developed several stand-ins for the natural tissue that can regulate blood flow without missing a beat. "Heart valves are the one device that when you get it in and it's successful, you add 10 or 15 years to their life," says Donald Bobo, vice president for heart valve therapy at Edwards Lifesciences. Edwards—along with Saint Jude Medical in Saint Paul, Minn., and Minneapolis-based Medtronic, Inc.—is a top provider of artificial valves worldwide, Bobo says. Sorin Group in Milan, Italy, also has a share in the global heart valve therapy market, estimated to be worth $1.6 billion in 2008, according to Edwards market estimates.Valve technology took off in 1958 when engineer and Edwards founder Miles "Lowell" Edwards applied his experience designing hydraulic debarking methods for the lumber industry and a fuel-injection system for World War II aircraft to the medical arena. Working with cardiothoracic surgeon Albert Starr, the two developed a valve that Starr could use in his ailing patients. Surgeons implanted the Starr-Edwards artificial valve, designed in Edward's backyard workshop, for the first time in 1960. Although that first patient died shortly after receiving the device, the second survived for 10 more years before dying from a fall off a ladder.People tried dozens of different designs in the ensuing decades, says Ajit Yoganathan, a biomedical engineer who studies valves at the Georgia Institute of Technology in Atlanta. "Most of them were developed in someone's garage or someone's basement." The technology has evolved from a caged-ball design into valves with artificial flaps, pig valves processed for human use, and hand-sewn biologic valves made from cow tissue."All of these valves have analogues in hydraulics, pipelines, aviation, automobiles," Bobo says. But the human body presents special challenges. "Blood ends up being a pretty different environment compared to oil or gas," he adds. The lipids in blood can destroy synthetic materials; tissue valves are subject to the same wear and tear and calcification that natural valves are."There is still room for improvement," such as better materials, Yoganathan says. He would also like to see small valves available to children with congenital heart defects. The next development likely to hit the U.S. market is valves that can be implanted without open heart surgery.

Source:>http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=artificial-heart-valves

งานวิจัยข้อเข่าเทียม

งานวิจัยข้อเข่าเทียม
ฉบับที่ : 12 / 2549
โดย : อ. ดร.ชัญญาพันธ์ วิรุฬห์ศรีอ. ดร.ไพรัช ตั้งพรประเสริฐ
>http://newsletters.eng.chula.ac.th/?q=node/112

เมื่อพูดถึงคณะวิศวกรรมศาสตร์ หลายท่านคงนึกถึงภาพของการเรียนการสอนและการทำวิจัยที่เกี่ยวกับเครื่องจักรกล เครื่องยนต์กลไกต่างๆ แต่วันนี้เราจะพาท่านไปรู้จักกับอีกด้านหนึ่งของงานวิจัยด้านวิศวกรรมศาสตร์ ที่เป็นการนำความรู้ทางทางวิศวกรรมไปใช้กับงานทางด้านการแพทย์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งผู้ที่จะมาพูดคุยกับเราในเรื่องนี้คือ อาจารย์ ดร.ชัญญาพันธ์ วิรุฬห์ศรี และ อาจารย์ ดร.ไพรัช ตั้งพรประเสริฐ อาจารย์ประจำภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์ ซึ่งทั้งสองท่านมีความสนใจในการทำข้อต่อเทียมเพื่อช่วยเหลือผู้ป่วยที่ต้องทำการเปลี่ยนข้อต่อต่างๆของร่างกาย เช่น เข่า สะโพก เป็นต้นอาจารย์ ดร.ชัญญาพันธ์ “เริ่มแรกได้คุยกับเพื่อนที่เป็นแพทย์ ซึ่งเค้าเล่าให้ฟังถึงปัญหาด้านการแพทย์ เลยรู้สึกว่าความรู้ด้าน Mechanic ที่ตนเองเรียนมานั้นสามารถนำมาประยุกต์ใช้กับงานทางด้านนี้ได้ เริ่มทำจริงๆ มาได้ปีกว่าๆ ซึ่งไม่ได้จบมาทางด้าน Biomechanic โดยตรง แต่นำศาสตร์ทางด้าน Mechanic มาใช้ และการได้คุยกับหมอแล้วทำให้รู้ปัญหาด้านข้อต่อมากขึ้น ซึ่งตอนนี้ในเมืองไทยได้นำเข้าข้อต่อเทียมต่างๆ ทั้งหมด อย่างเช่นการผ่าตัดข้อเข่าครั้งหนึ่งต้องเสียค่าใช้จ่ายประมาณ 60,000 – 100,000 บาท รู้สึกว่าแพงเกินไป”
อาจารย์ ดร.ไพรัช “สำหรับผมตอนอยู่ที่ญี่ปุ่น ห้อง Lab จะมีสองส่วน ส่วนหนึ่งจะเป็นทางด้าน Manufacturing ซึ่งผมเรียนทางด้านนี้ อีกส่วนหนึ่งจะเป็นทางด้าน Robot ช่วยทางด้านการผ่าตัด โดยส่วนตัวผมเองก็สนใจทางด้านนี้ด้วย จึงติดภาพมาว่าอยากจะทำงานที่เกี่ยวข้องกับการแพทย์ พอกลับมาผมจึงสนใจอยากทำทางด้านนี้” และนั่นคือจุดเริ่มต้นที่ทำให้อาจารย์ทั้งสองท่านหันมาสนใจงานวิจัยทางด้านวิศวกรรมชีวเวช คืองานวิศวกรรมที่มีความเกี่ยวเนื่องทางด้านการแพทย์ โดยงานที่ทั้งสองท่านให้ความสนใจทำเป็นอันดับแรกคือการทำข้อเข่าเทียม“ตอนนี้มีโครงการที่คิดจะทำ คือออกแบบและสามารถผลิตข้อเข่าเทียมให้ได้ด้วยตนเอง เป็นแบบของคนไทย ไม่ยึดติดกับของต่างประเทศ ทำให้เราสามารถผลิตได้ด้วยตนเอง ทำได้ภายในประเทศด้วย เนื่องจากตอนนี้ข้อเข่าเทียมที่ใช้กันประเทศไทยเป็นการนำเข้ามาจากยุโรปและอเมริกา ซึ่งมีหลายขนาดแต่ไม่เข้ากับสัดส่วนของคนไทย หรือคนเอเชีย ซึ่งจากงานวิจัยของนักวิจัยในทวีปเอเชียไม่ว่าจะเป็นเกาหลี ญี่ปุ่น ไต้หวัน หรืออินเดีย ต่างก็พบว่าข้อเข่าเทียมจากยุโรป และอเมริกานั้นมีความไม่เหมาะกับสรีระของคนในประเทศนั้นๆ จึงคิดว่าถึงเวลาที่คนไทยคนจะผลิตข้อเข่าเทียมของตนเองเพื่อให้เหมาะกับสรีระของคนไทย”
“การออกแบบและผลิตแบ่งเป็น 4 ขั้นตอนคร่าวๆ คือ ขั้นตอนที่หนึ่ง เก็บข้อมูลทางด้ายกายวิภาคของข้อเข่าคนไทย ไม่ว่าจะเป็นรูปร่างของส่วนโค้งเว้า ขนาดสัดส่วนความกว้างความยาว โดยได้ความร่วมมือจากภาควิชาออร์โธปิดิกส์ คณะแพทยศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย”
“ขั้นตอนที่สอง ก็จะเป็นการเอาข้อมูลของโมเดลที่ได้มาวิเคราะห์การเคลื่อนไหว การเดิน การนั่ง การยืน ทั้งของผู้ป่วยและของคนปกติด้วย วิเคราะห์ทางด้าน Dynamic เช่น วัดว่าการนั่งและลุกขึ้นยืนเกิด force เท่าไหร่ที่หัวเข่า และความเร็วของ joint เท่าไหร่ ซึ่งจะวัดโดยใช้พวก Motion capture system มีติดมาร์กเกอร์ไปที่ข้อเข่า แล้วถ่ายภาพ ดูว่าขณะนั่งแล้วลุกการเคลื่อนไหวมีความเร็วเกิดขึ้นเท่าไหร่ ความเร่งเกิดขึ้นเท่าไหร่ แล้วคำนวณหา force ออกมา ซึ่งตอนนี้เราพอจะทำได้เป็น 2 มิติ แต่จริงๆ แล้วขาคนเดินแล้วจะมีการบิดเกิดขึ้น จึงควรจะต้องใช้กล้องหลายๆ ตัวในการวัด ซึ่งจะช่วยให้มีความแม่นยำมากยิ่งขึ้น”
“ขั้นตอนที่สาม เป็นขั้นตอนของการออกแบบหน้าตาของข้อเข่าเทียม โดยนำข้อมูลมาออกแบบ Conceptual design ว่าควรจะเป็นอย่างไร ซึ่งที่เราคิดไว้ คือการเลียนแบบธรรมชาติ คือ ความเร็วที่เราวัด ความเร่งที่เราวัด แรงที่เกิดขึ้น นี่คือธรรมชาติ การออกแบบก่อนใส่และหลังใส่ ทำอย่างไรให้ force ที่เกิดขึ้น ความเร็วที่เกิดขึ้น เหมือนเดิม ตัวข้อต่อต้องเป็นอย่างไร”
“ขั้นตอนที่สี่ เป็นขั้นตอนของการการผลิต วัสดุที่ใช้ส่วนใหญ่เป็น Biocompatible Material เช่น โคบอลโครเมี่ยม พลาสติกชนิด Ultra high molecular weight polyethylene และไทเทเนียมอัลลอย คือนำเข้าวัสดุเหล่านี้เข้ามาก่อนแล้วผลิตเป็นรูปร่างข้อต่อเอง ต้องศึกษาว่าวัสดุเหล่านี้ต้องผลิตอย่างไร ต้องมีการทำวิจัยก่อน เพราะปกติประเทศเราไม่ค่อยได้ขึ้นรูปวัสดุเหล่านี้อยู่แล้ว ถ้าเป็นโลหะ เหล็กหรืออลูมิเนียม เราส่งให้โรงกลึงทั่วไปเค้าทำเค้าก็ทำได้ แต่ถ้าเป็นวัสดุที่ใช้กับร่างกายคน เช่น ไทเทเนียมอัลลอยแล้ว เวลาขึ้นรูป จะทำได้ยากเพราะจะมีค่าการนำความร้อนของชิ้นงานต่ำ ทำให้มีดสึก และเกิด vibration จะได้ผิวชิ้นงานที่ไม่ดี ซึ่งจะทำให้นำไปใช้งานไม่ได้”

แม้ในขณะนี้จะทำวิจัยเกี่ยวกับข้อเข่าเทียม แต่ความสนใจของการทำวิจัยทางด้านนี้ไม่ได้มุ่งเน้นไปที่ข้อเข่าเทียมแต่เพียงอย่างเดียว“จริงๆ แล้วเราไม่ได้เน้นที่ทางด้านข้อเข่าเพียงอย่างเดียว เรามีความสนใจทางด้านการออกแบบระบบดามกระดูกสันหลังด้วย เป็นการพยายามออกแบบระบบดามกระดูกสันหลังที่เลียนแบบธรรมชาติ สำหรับผู้ป่วยที่หมอนรองกระดูกเสื่อม ตัวหมอนรองกระดูกจะไปทับเส้นประสาททำให้เกิดอาการปวดหลัง และวิธีการรักษาโดยทั่วไปในปัจจุบัน คือหมอจะผ่าตัดเอาหมอนรองกระดูกออก แล้วนำกระดูกส่วนอื่นบดแล้วใส่เข้าไปแทน จากนั้นก็ทำการดามยึดกระดูกให้แน่น ไม่ให้เคลื่อนไหว ก็จะสามารถลดการเจ็บปวดได้ แต่หมอก็บอกว่าคนไข้ที่ดามกระดูกด้วยวิธีนี้ มักจะต้องกลับมารักษาอีก เพราะหมอนรองกระดูกข้อถัดไปเสื่อม ที่เป็นเช่นนี้ก็เนื่องจากการดามกระดูกสันหลังแบบเดิมนี้ผิดธรรมชาติและทำให้หมองรองกระดูกข้อที่ติดกันรับ load มากเกินไป เป็นสาเหตุให้หมอนรองกระดูกข้อต่อมาเสียไปด้วย ดังนั้นจึงมีความคิดที่จะออกแบบตัวดามว่าทำอย่างไรที่จะทำให้สามารถเกิดเคลื่อนไหวที่ Flexible กว่าวิธีการรักษาแบบเดิมในลักษณะของ Dynamic Stabilization ซึ่งตอนนี้อยู่ในขั้นตอนของการออกแบบ ทำไฟไนต์เอลิเมนต์ และออฟติไมเซชัน โดยพยายามหารูปร่างหน้าตาของระบบการดามกระดูกสันหลังที่ให้คุณสมบัติที่ใกล้เคียงกับหมอนรองกระดูกธรรมชาติ”
“นอกจากนี้ยังมีการออกแบบและผลิตข้อสะโพกเทียม ก็กำลังอยู่ในขั้นตอนการออกแบบอยู่ ก็ใช้หลักการเดียวกันกับการออกแบบข้อเข่าเทียม”
“แต่ที่อยากทำเรื่องเข่าและสะโพกก่อน เพราะถ้าโครงการสำเร็จขึ้นมาก็สามารถผลิตได้จริง นำไปใช้ได้เลย เพราะอย่างที่โรงพยาบาลจุฬาฯ มีการผ่าทุกวัน โดยเฉลี่ยแล้ววันละ 1 หรือ 2 ราย ซึ่งส่วนใหญ่เป็นที่คนสูงอายุ ปีหนึ่งประมาณ 400 – 500 ชิ้น อย่างเข่านี่ค่าใช้จ่ายทั้งหมดประมาณ 70,000 – 80,000 บาท ต่อราย”
สุดท้ายนี้สิ่งที่อาจารย์ทั้งสองท่านอยากฝากไว้ก็คือ“จริงๆ แล้ว เป้าหมายของกลุ่มวิจัยเราคือ อยากทำออกมาแล้วมีผู้ใช้และผู้ใช้สามารถใช้งานได้จริง เพราะตอนนี้อย่างแพทย์เองก็คาดหวังว่าถ้าทีมหมอและวิศวฯ ช่วยกันทำจนสามารถสร้างผลงานออกมาได้ ก็จะเริ่มต้นนำไปใช้กับที่โรงพยาบาลจุฬาฯ แต่การที่จะทำอะไรออกมาได้ดีจนกระทั่งผลิตและใช้ได้จริงนั้น จำเป็นที่จะต้องได้รับการสนับสนุนจากมหาวิทยาลัยและรัฐบาล เพราะค่อนข้างต้องใช้เงินทุนสูงมากในการทำวิจัยทางด้านนี้ ตัวอย่างเช่นงานวิจัยเหล่านี้ ต้องการเก็บข้อมูลการถ่ายภาพ MRI หรือ CT เป็นจำนวนหลายร้อยข้อมูล และนำมาสร้างเป็น 3D MODEL และวัดขนาดต่างๆ ซึ่งต้องมีโปรแกรมเฉพาะทางมาช่วย ส่วน Motion capture system ก็ต้องเป็นเครื่องมือที่มีกล้องหลายตัวและมีความละเอียดสูง แล้วยังมีเครื่องมือที่จะใช้ในการผลิต และวัสดุที่ใช้ในการวิจัยก็มีราคาแพง ซึ่งเป็นเงินหลักหลายล้านบาท ตอนนี้เราก็กำลังพยายามหาแหล่งเงินทุนอยู่”