Koblet til hjertet: Kirurgene har plassert sensorene både utenpå hjertet og inne i hjertemuskelen. Målingene skal gjøre både ved åpen og lukket brystkasse for å teste hvorledes signalene endrer seg når brysthulen lukkes. (Bilde: Jørgen Skjelsbæk)
Operasjonen: Dyreforsøk er komplisert og krevende, men grisen som opereres i dyp narkose får samme behandling som om den var et menneske. Her er stipendiat Harald Bergan i dyp konsent-rasjon for å plassere akselerometersensorer på hjertet. Ansvarlig for forsøket er Ole-Johannes Grymyr (bak til høyre). (Bilde: Jørgen Skjelsbæk)
Monteres på hjertet: Akselerometret som monteres på hjertet har en kurvet tipp som hjelper til med å holde sensoren på plass. Selve sensoren er montert på et fleksibelt substrat, som også fungerer som kabel ut til datamaskinen­. Den er kapslet inn i medisinsk silikon for å gi elektrisk isolasjon og fordi kroppsvev og hjerte kun skal være i kontakt med biokompatible materialer. (Bilde: Jørgen Skjelsbæk)
Sensoren: Prototypen som brukes i dag inneholder et treakse-akselero­meter som måler 2x2x1 mm. Mikroteknologimiljøet på Høgskolen i Vestfold har pakket sensoren i silikon og koblet de elektriske ledningene til sensor­elementet. En sensor med betydelig mindre­ dimensjon kommer på markedet i nær fremtid. (Bilde: Jørgen Skjelsbæk)
Måler hjertet: Den lille sensoren er bølge­formet for å kunne festes til hjertet. Den neste generasjonen vil bli betydelig mindre. (Bilde: Jørgen Skjelsbæk)
Dr. med. Steinar Halvorsen ved Intervensjonsssenteret. (Bilde: Jørgen Skjelsbæk)
Direktør Erik Fosse . (Bilde: Jørgen Skjelsbæk)

CARDIACCS

Norsk sensor kan revolusjonere hjertekirurgi

Akselerometer

  • Et akselerometer er en sensor som måler akselerasjon, det vil si hastighets­endringer.
  • I smarttelefoner sitter det akselero­metre som måler endringer langs alle tre akser. De brukes til å måle gravitasjon, helling og bevegelse.
  • De fleste akselerometre i dag er basert på mikroteknologi og sensorene bruker enten piezoelektrisk, piezoresistiv eller kapasitiv prinsipp for å konvertere mekanisk bevegelse til et elektrisk signal.
  • Integrerte enaksesensorer ble tatt i bruk for å utløse airbagger på 80-tallet. I dag er treaksesensorer både svært utbredt, billig og særdeles presise.

Metoden

  • Den norskutviklede metoden er patent­søkt og det er opprettet et selskap, Cardiaccs as, som eier rettighetene til patentet i samarbeid med HiVe.
  • Selskapet Inven2, som eies av UiO og Oslo universitetssykehus, er ansvarlig for patenteringen og fremtidige lisens­avtaler for den norske teknologien.

 

Vi er kledd i grønt og befinner oss ved Intervensjonssenteret på Rikshospitalet, klare til å overvære en hjerteoperasjon.

Pasienten er riktignok en gris, men denne skal få implantert et norskutviklet instrument som kan overvåke hjerter på en helt ny måte.

Grisehjerte

Det er overraskende stille på operasjonssalen. Når vi kommer inn, er grisen i dyp narkose. Den fikk en sprøyte og sovnet allerede i dyrestallen.

Kirurgene er i ferd med å åpne brystbeinet og spenne det ut for å komme til det bankende hjertet. Det er mange folk til stede, men alle er konsentrert om oppgaven: å montere akselerometre på hjertekamrene til grisen.

Teknologi vi forbinder med mobiltelefoner skal fortelle forskerne nøyaktig hvordan hjertet oppfører seg. Vi hadde forventet oss mer blod, men dette er ingen skremmende opplevelse – selv for en grønnkledd ikke-kirurg.

De norske forskerne ved Intervensjonssenteret er i ferd med å utvikle teknologi som kan revolusjonere flere typer hjertekirurgi. De vil bruke akselerometre, som vi finner i alle moderne smarttelefoner, til å overvåke hjertets bevegelser.

Ved å feste slike sensorer på hjertet under en bypassoperasjon, kan de få data om hjertet som ellers bare ultralyd kan gi.

På lengre sikt kan de skaffe vitale data som kan brukes til å regulere driften til kunstige hjertepumper som opereres inn i svært syke mennesker, som ellers bare kan reddes av en transplantasjon.

Les også: Sjekk fremtidens behandlinger på sykehuset

Operasjonen: Dyreforsøk er komplisert og krevende, men grisen som opereres i dyp narkose får samme behandling som om den var et menneske. Her er stipendiat Harald Bergan i dyp konsent-rasjon for å plassere akselerometersensorer på hjertet. Ansvarlig for forsøket er Ole-Johannes Grymyr (bak til høyre). Jørgen Skjelsbæk

Mange operasjoner

Hjertet er en fantastisk muskel som pumper opptil 40 liter blod i minuttet rundt i kroppen. Det er det venstre hjertekammeret som tar seg av det store kretsløpet i kroppen og som må pumpe mot det største mottrykket.

Det høyre pumper blodet gjennom lungene og har en mindre belastende jobb. Derfor er det som regel venstre hjertekammer som rammes av sykdom.

Etter hvert som teknologien har utviklet seg, gjøres det færre store inngrep i hjertet hvor brystkassen må åpnes.

Mange pasienter som tidligere måtte ha slike operasjoner, kan nå helbredes med teknikk hvor man går inn i årene og setter inn alt fra stent, som åpner tette årer, til å bytte hjerteklaffer.

Det er de mest alvorlige tilfellene som nå opereres, og det gjøres fremdeles et stort antall­ bypassoperasjoner hvor årene som forsyner hjerte­muskelen med blod skiftes ut.

Under en slik operasjon bruker man to teknikker for å overvåke hjertefunksjonen. Den ene er basert på trykkmålere, med én i en arterie i armen og den andre i en vene i halsen.

Den andre metoden er å sette inn en ultralydsonde i halsen. Ultralyd gir et svært godt bilde av hjertefunksjonen. Problemet er at sonden trekkes ut når operasjonen er ferdig, og det har vist seg at trykkmålingen gir et altfor dårlig resultat.

Det kan være kritisk i timene og dagene etter en operasjon når det er stor risiko for at et nytt hjerteinfarkt kan oppstå.

Les også: Snart kan du få sprøytestikk uten smerter

Det norske alternativet

Ideen til å bruke små akselerometre dukket opp på Intervensjonssenteret ved Rikshospitalet for flere år siden.

Senterets sjef, hjertekirurg Erik Fosse, observerte hvordan førsteamanuensis ved Institutt for informatikk ved Universitetet i Oslo (UiO), sivilingeniør Ole Jacob Elle, eksperimenterte med akselerometre for å styre en robot­arm. Det inspirerte ham.

Fra den første ideen om å bruke akselerometre til å måle hjertebevegelser, tok det ikke lang tid før de første testene på grisehjerter var gjennomført:

– Den gode sensitiviteten overrasket oss, og vi bestemte oss raskt for å gå videre med forskningen. Vi fikk en fantastisk god korrelasjon mellom dataene vi kunne lese ut fra instrumentene vi satte inn og de vi kunne måle med ultralyd. Målet med forskningen vår er å utvikle ny teknologi, og vi skjønte at dette kunne bli et svært nyttig produkt, sier Fosse.

Men selve elektronikken trengte de hjelp til.

Les også: Her utvikles fremtidens medisiner

Monteres på hjertet: Akselerometret som monteres på hjertet har en kurvet tipp som hjelper til med å holde sensoren på plass. Selve sensoren er montert på et fleksibelt substrat, som også fungerer som kabel ut til datamaskinen­. Den er kapslet inn i medisinsk silikon for å gi elektrisk isolasjon og fordi kroppsvev og hjerte kun skal være i kontakt med biokompatible materialer. Jørgen Skjelsbæk

Avanserte sensorer

Derfor innledet Intervensjonssenteret et samarbeid med Høgskolen i Vestfold (HiVe), som har utviklet sensoren.

– Da vi begynte utviklingen, fantes det ikke akselerometre som målte alle tre aksene, og selv med én akse var de mye større enn i dag. Jobben vår var å lage en sensor som kan sys inn i et menneskehjerte. Det stiller helt andre krav til akselerometrene enn de vi finner i mobiltelefoner og spillkontroller som bruker slike i dag. Vår må være biokompatibel, tåle støy, være svært liten og ha helt spesielle isolasjonsegenskaper. I tillegg må den tåle sjokk om man trenger å bruke en hjertestarter, sier Kristin Imenes, som leder sensorprosjektet ved HiVe.

Til nå har de bare testet sensoren på griser – og på mennesker under hjerteoperasjoner – men Imenes tror at de allerede i løpet av ett år vil kunne lage en sensor som også kan stå i kroppen en tid etter operasjonen.

Det ultimate målet er at sensoren skal kunne vare i mange år, men det stiller ytterligere krav til elektronikken.

Sensorer: Dette er Norges ukjente milliardbutikk

Tidlig optimisme

I det første forsøket for rundt åtte år siden festet Fosse et akselerometer på venstre hjertekammer i et grisehjerte. Der trykkmålingen ikke kunne gi detaljert informasjon, viste akselerometerdataene tydelig hvordan hjertekammeret fungerte.

Mye tydet på at dette kunne gi data av samme kvalitet som ultralydmålinger.

Brukt på et menneske etter en bypassoperasjon ville det øyeblikkelig avsløre om pasienten fikk et nytt hjerte­infarkt. Det var all grunn til optimisme.

– Vi skjønte tidlig at teknologien kunne forbedre måten vi overvåker pasienter på etter en operasjon. Men det har tatt tid å utvikle teknologien, og vi har måttet vente på at akselero­metrene har blitt små nok. I mellomtiden har vi utviklet veldig mye kompetanse på bruken av slike sensorer, sier Fosse.

Tre akser Sensoren: Prototypen som brukes i dag inneholder et treakse-akselero­meter som måler 2x2x1 mm. Mikroteknologimiljøet på Høgskolen i Vestfold har pakket sensoren i silikon og koblet de elektriske ledningene til sensor­elementet. En sensor med betydelig mindre­ dimensjon kommer på markedet i nær fremtid. Jørgen Skjelsbæk

Tre akser

Uttestingen av akselerometrene på griser, hvor man samtidig har overvåket hjertet med ultralyd og EEG, har gitt innsikt i hvordan data fra den nye teknologien kan tolkes – og hvor nøyaktig den er.

Akselerometret gjør at man kan følge bevegelsen til venstre hjertekammer langs tre akser. Ved å stimulere hjertet med medisiner, har man sett hvordan amplitudene øker, og ved å roe ned hjertet med betablokkere faller de. Slike forsøk har dannet grunnlaget for utviklingen av metoden.

Å feste sensorene til hjertet er ikke noe problem, ifølge dr.med. ved Intervensjonssenteret, Steinar Halvorsen.

Ved slike operasjoner fester de alltid et par elektroder i hjertet som de kan bruke til å regulere pulsen med hvis det trengs. Det blir som en slags midlertidig pacemaker.

Halvorsen forteller at denne kabelen med elektroder trekkes ut når hjertet går som det skal. Det skjer vanligvis en ukes tid etter operasjonen.

– Ideen vår er å kombinere et akselerometer med en slik kabel. Da kan kvaliteten på overvåkningen bli tilsvarende som – eller bedre enn – om vi hadde en ultralydsensor i halsen på pasienten en ukes tid. Det kan bli en liten revolusjon. Tiden etter en slik operasjon er kritisk, og det kan oppstå komplikasjoner som ikke er lette å oppdage i dag. I tillegg kan en slik forbedret overvåkning bli viktig for å dosere medisinering mye mer nøyaktig og lese av virkningen av den, sier Halvorsen.

Les også: Her ligger fremtidens antibiotika

Erstatter transplantasjon

Målet med den nye norske overvåkningsmetoden stopper ikke ved sykesenga etter operasjoner. Forskerne tror dette kan bli et svært viktig hjelpemiddel for alle som er kritisk hjertesyke.

Disse pasientene har ett år eller mindre igjen å leve om de ikke får en hjertetransplantasjon.

I USA er rundt en halv million i denne kategorien, men bare 2000 av dem transplanteres. I Norge er prosenten som får nytt hjerte vesentlig høyere.

De siste ti årene har det vært mulig å sette inn en pumpe, Left Ventricular Assist Device (LVAD), som overtar jobben til venstre hjertekammer i det syke hjertet.

Ideen var at pumpen skulle trykke blodet rundt i kroppen til man fant et donorhjerte, men LVAD har vist seg så driftssikker at den er godkjent for permanent bruk i USA. Blant andre har tidligere visepresident Dick Cheney operert inn en LVAD.

Måler hjertet: Den lille sensoren er bølge­formet for å kunne festes til hjertet. Den neste generasjonen vil bli betydelig mindre. Jørgen Skjelsbæk

Må synkroniseres

Problemet med en LVAD er imidlertid at den må synkroniseres nøye med aktiviteten til høyre hjertekammer. For mye eller for lite effekt kan resultere i at høyre hjertekammer suger venstre kammer tomt for blod, eller at det overfylles. Det kan resultere i akutt hjertesvikt i høyre kammer.

Med den norskutviklede sensorteknikken kan et av problemene med LVAD være løst.

Akselerometrene kan gi verdifull overvåkning av høyre hjertekammer slik at man kan styre pumpa bedre og eliminere balanseproblemene. De tenker også å montere en sensor på venstre kammer, for å se om det viser tegn til bedring.

En annen utfordring med en LVAD er at slike pumper i dag går på fast turtall. I praksis betyr det at kroppen ikke får økt blodsirkulasjon når pasienten for eksempel skal gå opp en bratt trapp eller en lang bakke. Det kan være plagsomt.

Derfor ønsker nordmennene å hente ut data fra hjertet selv, slik at de også kan se når hjertet vil slå fortere eller saktere for å reagere på belastning.

– Vi tror vi kan bruke de målingene vi henter ut til å regulere turtallet på pumpa og gi pasienten bedre livskvalitet. Slik informasjon er også svært viktig for sykehuset. Vi kan så å si koble pasientenes hjertedata direkte til syke­huset via en mobiltelefon som kan overvåke situasjonen i sanntid. Det kan gjøre at hjertespesialistene kan rådgi pasienten og eventuelt fjernjustere pumpa, sier Halvorsen.

Les også: Vil erstatte dyreforsøk med datasimulering

Full hjertekontroll

Han tror de kan utvikle filter som kan hente ut pasientens skritt og kroppsbevegelser, som forteller om pasientens aktivitetsnivå, fra akselerometerdataene.

De vil kunne brukes sammen med hjertedataene til enda bedre styring.

– I fremtiden kan slike hjertepumper gjøre transplantasjoner overflødige. Det er en stor fordel å slippe å gå på livslang immundempende medisin.

Og hvordan gikk det så med grisen? Den våknet aldri opp og ble aldri spist. Den tilbrakte sine siste timer i narkose og ble avlivet etter forsøket.

I så måte var den mye heldigere enn griser flest her i landet. Det eneste den kanskje merket, var et lite sprøytestikk i dyrestallen.

Artsfrendene i kjøttdisken har nok en mindre hyggelig utgang på livet enn grisen som fikk bidra til revolu­sjonerende, norsk sensorforskning.

Les også:

Scanner kreft med mindre radioaktivitet

Slik skal pasientsensorer kommunisere bedre

Her er din nye kreftlege