Artificial heart

Japanese: 人工心臓 - じんこうしんぞう

A heart that partially or completely replaces the functions of a living heart, temporarily or semi-permanently. An artificial heart that partially or temporarily replaces the functions of the heart is called an auxiliary heart. There are left ventricular auxiliary hearts, right ventricular auxiliary hearts, and biventricular auxiliary hearts. In reality, left ventricular auxiliary hearts are more common because of the prevalence of left ventricular failure. However, right ventricular auxiliary hearts are used for right ventricular failure such as congenital heart disease. In more severe cases, a biventricular auxiliary heart may be required. On the other hand, a total artificial heart is intended to completely and semi-permanently replace the functions of a living heart. However, total artificial hearts can also be used temporarily as a stopgap measure until a donor heart is obtained for a heart transplant, and as of 2003, approximately 400 clinical cases have been reported worldwide.

[Kazuhiko Atsumi]

Artificial heart devices and animal experiments

[1] Pneumatically-driven artificial heart Current artificial hearts, whether auxiliary or total, consist of three parts: a blood pump, a drive control device, and an energy source. The blood pump, which functions as a pump for the heart, is made of an elastic sac or diaphragm, has a circular, semicircular, or elliptical shape, and is contained within an outer frame. This blood pump is either implanted in the body or attached to the body wall and is attached to the inlet or outlet of the living heart. This blood pump can also pump out a pulsatile flow similar to that of a living heart by repeatedly applying pressure and suction using positive or negative air pressure, and can also adjust and control the heart rate, blood flow rate, and blood flow waveform (blood pressure waveform). This drive method is called pneumatic drive. In order to pump out blood in one direction, one artificial valve is attached to each of the inlet and outlet of the blood pump (four in total on the left and right).

This pneumatically driven type has been the mainstream of artificial heart research until recently, and has been used in animal experiments, with survival times of about one year being possible in major research facilities around the world. The survival times in animals using total artificial hearts to date include 344 days by Kazuhiko Atsumi (1928-2019) et al. at the University of Tokyo, 360 days by Hiroshi Imachi (1942-), 297 days by WJ Kolff (1911-2009) et al. at the University of Utah (USA), 226 days by Hiroyuki Fukumasu (1941-) et al. at Kyoto University, 350 days at Hershey Medical Center (USA), 210 days by ES Bücherl (1919-2001) et al. at the University of Berlin (Germany), and 173 days by J. Vasku (1924-2017) et al. in the former Czechoslovakia. In addition, there have been over 50 cases of laboratory animals surviving for six months worldwide (2005).

By the way, when we look at the causes of death in these long-term survivors who survived for six months,
They can be broadly divided into three groups: (1) embolism due to blood clots and Parnus formation (abnormal growth of fibrous tissue at the connection between the artificial heart and the living body), (2) blood pump rupture and failure of the drive mechanism, and (3) infection, poor circulation control, and other causes. Group (1) is a problem due to the materials or design of the blood pump, group (2) is a problem with the engineering of the hardware, and group (3) is a problem with postoperative management or the medical software that controls the artificial heart.

Currently, blood pumps used in major facilities around the world are diaphragm type, except for the Sac type at the University of Tokyo. The materials are polyurethane or copolymers of polyurethane and silicone, except for biomaterials (chemically treated dura mater of human brain) at Cleveland Clinic (USA). Artificial valves are Björk-Shiley valves (mechanical valves coated with titanium and carbon) except for the cuspate valve at Cleveland Clinic.

[2] Internal artificial heart The ideal fully internal artificial heart is one in which all systems, including the blood pump, drive control mechanism, and energy, can be implanted within the body. To achieve this, many problems must be solved, such as the design of the blood pump, an efficient, ultra-compact and durable energy conversion system, an ultra-compact and reliable measurement and control system, and a high-performance, ultra-compact and safe energy source. Fundamental research into internal artificial hearts includes the pusher plate type with a reciprocating plunger, linear actuator drive, and wave pump.

[Kazuhiko Atsumi]

Current status and problems of clinical use of ventricular assist devices and total artificial hearts

[1] Clinical Applications of Assisted Hearts There are two types of blood pumps used in external assisted hearts: steady flow and pulsatile flow. For long-term use of more than a few days, pulsatile flow pumps are considered to be more physiological. As of 2008, there are thought to be approximately 30,000 clinical cases of external assisted hearts worldwide. Looking at the results, data shows that 552 cases (45.1%) were removed from the patient after the effect of the assisted heart became apparent, and 302 cases (24.7%) survived for a long time (1,223 clinical cases as of 1993). Recently, long-term assisted hearts that use left ventricular assistance for several months to several years have been researched and developed in the United States, and a system that is built into the body, including a blood pump and a driving mechanism, has been developed, and there are approximately 4,000 clinical cases (2008). Recently, centrifugal pumps and axial flow pumps have been developed as non-pulsatile steady flow pumps, and have been applied in clinical practice, becoming the mainstream of assisted hearts. The purpose of assist hearts was to treat acute heart failure or to serve as a bridge to heart transplantation, but recently there has been progress in the development of artificial hearts for semi-permanent use.

[2] Clinical application of the total artificial heart To date, there have been two cases of the short-term use of the total artificial heart as a bridge to heart transplantation, performed in 1985 by DA Cooley (1920-2016) in Houston (USA). In both cases, heart transplants were performed a few days later, but unfortunately, the patients died a few days or weeks later, mainly from infection or multiple organ failure. On the other hand, there have been five clinical cases of the total artificial heart for long-term use, four by W. De Vries (1943- ) in the United States and one at the Karolinska Institute in Sweden. The first case in the United States was a severe case of idiopathic cardiomyopathy, and the patient died of multiple organ failure 112 days later. Since then, more than 100 total artificial hearts have been used as a bridge to heart transplantation. As of 1996, artificial hearts have been used clinically in 1,286 patients, of whom 776 (60%) underwent heart transplants and 687 (88.5%) were discharged from the hospital. The record for survival of a total artificial heart in the United States is 620 days. All of the above examples are pneumatically driven. These were performed up until the year 2000, and although there have been few clinical cases since then, clinical procedures are continuing in Europe and the United States. However, research is also underway to develop an internal total artificial heart, and although trial clinical procedures have been carried out in the United States, it is expected that full-scale clinical application will occur in the near future.

[Kazuhiko Atsumi]

"Electromagnetically Driven Artificial Heart," edited by the Institute of Electrical Engineers of Japan's Electromagnetically Driven Artificial Heart System Research Committee (1994, Corona Publishing)" ▽ "Artificial Organs Illustrated," edited by the Japanese Society for Artificial Organs, limited edition with CD-ROM (2008, Haru Shobo)" ▽ "The Latest Cardiopulmonary Bypass -- Theory and Practice," 5th Edition, edited by Yuichi Ueda and Akihiko Usui (2017, Nagoya University Press)"

[References] | Artificial organs | Heart transplant

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

生体の心臓の機能を部分的にあるいは完全に、一時的にあるいは半永久的に代行するものをいう。人工心臓のうち、心臓の機能を部分的、一時的に代行するものを補助心臓という。補助心臓には左心補助心臓と右心補助心臓、および両心補助心臓があるが、実際には左心室不全が多いことから、左心補助心臓の適用が多くなっている。しかし、先天性心臓疾患のような右心室不全に対しては右心補助心臓が適用される。さらに重症になると両心補助心臓を必要とする場合もある。一方、完全人工心臓は、生体の心臓の機能を完全に、半永久的に代行することを目的としている。しかし、その応用としては、心臓移植の提供者の心臓を入手するまでの期間、つなぎとして一時的に完全人工心臓を利用する場合もあり、2003年までに、世界で約400の臨床例が報告されている。

［渥美和彦］

人工心臓の装置および動物実験

〔1〕空気圧駆動型人工心臓　現在の人工心臓は、補助心臓、完全人工心臓のいずれも、血液ポンプ・駆動制御装置・エネルギー源の三つの部分から成り立っている。心臓のポンプの働きをする血液ポンプは、弾力性のあるサック（袋）あるいはダイアフラム（隔膜）からなっており、円形、半円形あるいは楕円(だえん)形を呈していて、外枠の中に入っている。この血液ポンプは、体内に植え込まれるか、あるいは体壁に装着して、生体の心臓の入口あるいは出口につけられる。また、この血液ポンプは、空気圧の陽圧あるいは陰圧による圧迫および吸引を繰り返すことにより、生体の心臓と同様な拍動流を送り出すことができるとともに、心拍数、血流量あるいは血流波形（血圧波形）などを調節し、制御することもできる。この駆動方式を空気圧駆動とよんでいる。なお、送り出す血液の方向を一方向にするために、血液ポンプの入口と出口の部分におのおの1個（左右では合計4個となる）の人工弁がつけられている。

　この空気圧駆動型が、最近までの人工心臓の研究の主流をなしており、動物実験に利用され、世界のおもな研究施設において約1年の生存が可能になってきている。これまでに得られた完全人工心臓を用いた動物実験での生存日数としては、東京大学・渥美(あつみ)和彦（1928―2019）らの344日、井街宏(いまちこう)（1942―　）の360日、ユタ大学（アメリカ）・コルフW. J. Kolff（1911―2009）らの297日、京都大学・福増広幸（1941―　）らの226日、ハーシー医療センター（アメリカ）の350日、ベルリン大学（ドイツ）・ビュッヘルE. S. Bücherl（1919―2001）らの210日、旧チェコスロバキアのバスクJ. Vasku（1924―2017）らの173日などがある。なお、実験動物の6か月生存例は世界で50例を超えている（2005）。

　ところで、これらの6か月の長期生存例における死因をみると、
(1)血栓による栓塞(せんそく)、パーヌス形成（人工心臓と生体の結合部に線維組織が異常に増殖する）グループ、(2)血液ポンプの破裂、駆動装置の故障などのグループ、(3)感染、循環の制御の不良、その他の原因のグループ、の三つに大別される。(1)群は血液ポンプの材料あるいはデザインによる問題であり、(2)群はハードウェアの工学技術的問題であり、(3)群は術後の管理あるいは人工心臓を制御する医学的ソフトウェアの問題である。

　現在、世界のおもな施設で使用されている血液ポンプは、東京大学のサック型を除いて、他はダイアフラム型である。また材料は、クリーブランド・クリニック（アメリカ）の生体材料（人間の脳の硬膜を化学処理したもの）を除いて、ポリウレタンあるいはポリウレタンとシリコーンなどの共重合体である。人工弁は、クリーブランド・クリニックの尖葉(せんよう)弁を除き、ビジョルク‐シャイリーBjörk-Shiley弁（チタンおよび炭素被覆の機械弁）である。

〔2〕体内内蔵型人工心臓　完全人工心臓の理想は、血液ポンプ、駆動制御メカニズムおよびエネルギーのすべてのシステムを生体内に植え込むことのできる内蔵型人工心臓である。この目的のためには、血液ポンプのデザイン、効率のよい超小型で耐久性のあるエネルギー変換システム、超小型で信頼性の高い計測制御系、高性能、超小型でかつ安全度の高いエネルギー源など、解決すべき問題点は多い。体内内蔵型の基礎的研究として、プランジャ往復運動によるプッシャープレート型、リニア・アクチュエータ駆動、波動ポンプなどが研究されている。

［渥美和彦］

補助心臓および完全人工心臓の臨床の現況と問題点

〔1〕補助心臓の臨床応用　体外式補助心臓に利用される血液ポンプとしては、定常流と拍動流の二つがあるが、数日以上の長期利用に関しては、拍動流ポンプのほうがより生理的であると考えられている。この体外式補助心臓の臨床例は、世界では2008年の時点で約3万例があるものと考えられる。その成果についてみると、データは補助心臓の効果が現れて補助心臓を患者から外したもの（離脱例）は552例（45.1％）であり、長期に生存した例は302例（24.7％）である（1993年現在、臨床例1223）。なお、最近では、左心室補助を数か月から数年にわたり利用する長期補助心臓がアメリカにおいて研究開発され、血液ポンプ、駆動メカニズムを含めて体内に内蔵するシステムが開発され、約4000例以上の臨床例がある（2008）。最近、拍動のない定常流のポンプとして、遠心ポンプ、および軸流ポンプの開発が進み、臨床に応用され、補助心臓の主流となってきた。補助心臓の対象としては、急性心不全、心臓移植へのつなぎであったが、最近は、半永久的使用の人工心臓開発も進められている。

〔2〕完全人工心臓の臨床応用　現在まで、完全人工心臓を心臓移植のつなぎとして短期に使用した例は、1985年、ヒューストン（アメリカ）のクーリイD. A. Cooley（1920―2016）による2例がある。2例とも数日後に心臓移植を行ったが、不幸にして数日あるいは数週間後に、主として感染あるいは多臓器不全症で死亡している。一方、長期利用を目的とした完全人工心臓の臨床例は、アメリカのドゥ・ブリエスW. De Vries（1943―　）による4例、およびスウェーデンのカロリンスカ大学の1例の計5例である。アメリカにおける第一例は、特発性心筋症の重症例に対して行われたものであり、112日後に多臓器不全症で死亡している。その後、100例以上の完全人工心臓が心臓移植のつなぎに使用されている。1996年現在1286名に人工心臓が臨床に利用され、そのうち776名（60％）に心臓移植が行われ、687名（88.5％）が退院した。完全人工心臓の生存記録はアメリカにおける620日となっている。前記の例はいずれも空気圧駆動方式である。これらは2000年までに行われたもので、その後の臨床例は少ないが、欧米において臨床術が継続されている。しかし研究中の体内内蔵型完全人工心臓の開発も進んでおり、アメリカにおいて試行的臨床術が行われたが、近い将来、本格的に臨床に応用されるものと思われる。

［渥美和彦］

『電気学会電磁駆動型人工心臓システム調査専門委員会編『電磁駆動型人工心臓』（1994・コロナ社）』▽『日本人工臓器学会編『人工臓器イラストレイティッド』CD-ROM付き限定版（2008・はる書房）』▽『上田裕一・碓氷章彦編『最新　人工心肺――理論と実際』第5版（2017・名古屋大学出版会）』

[参照項目] | 人工臓器 | 心臓移植

出典　小学館　日本大百科全書(ニッポニカ)日本大百科全書(ニッポニカ)について　情報 | 凡例

<<: Heart-lung machine

>>: Artificial feed - jinkoushiryo (English spelling) synthetic feed