Forfattere
Kan legetøjshjerter fungere lige så godt som et rigtigt hjerte? For at finde ud af det købte vi seks legetøjshjerter, lige fra et uhyggeligt Halloween-hjerte, der slog, til et farverigt plys-hjerte. Vores gæt var, at legetøjshjerter ikke ville fungere lige så godt som et rigtigt menneskehjerte! Vi testede legetøjet i vores laboratorium ved hjælp af nøjagtig de samme værktøjer og metoder, som vi bruger til at teste rigtige hjerter og mekaniske blodpumper. Vi kiggede på flow, tryk, volumen og hvor godt legetøjshjertet pumpede vand. Vi bad også tre hjertekirurger om at bedømme hvert legetøjshjerte ud fra, hvor virkelige de så ud, og hvilke egenskaber de kunne lide. Som forventet var legetøjshjerterne ikke realistiske og kunne ikke pumpe lige så godt som et rigtigt hjerte. Denne artikel kombinerer menneskers sundhed og ingeniørarbejde i et sjovt og fjollet videnskabeligt spørgsmål. Vi håber, at læserne vil finde den lærerig og underholdende!
Vi er en gruppe forskere, ingeniører og læger, der studerer hjertet som en del af vores arbejde. Hjertet er et ekstremt vigtigt organ! Mennesker har kun ét hjerte, og hvis det bliver sygt, heler det ikke særlig godt, og vi kan ikke dyrke et nyt. Hjertet er lavet af muskler og ligger inde i brystet. Det er omtrent på størrelse med en knytnæve og pumper blod gennem kroppen for at holde en person i live. En særlig gruppe af celler inde i hjertet, kaldet sinusknuden, sender elektriske impulser gennem hjertet for at fortælle hjertets muskelceller, at de skal trække sig sammen. Når disse celler trækker sig sammen på samme tid, trækker hele hjertet sig sammen og pumper blod ud til resten af kroppen. Når hjertets muskelceller slapper af, slapper hjertet af og kan fyldes med blod igen til næste sammentrækning.
Det blod, der pumpes af hjertet, transporterer ilt og næringsstoffer til resten af kroppen (figur 1). Blodet strømmer gennem hjertet på en bestemt måde. Blodet inde i venstre forkammer strømmer ind i venstre hjertekammer gennem mitral (alle hjerteklapper sikrer, at blodet kun strømmer i én retning). Blodet i venstre hjertekammer pumpes derefter gennem aortaklappen og ud i aorta, som er en stor arterie som sender blod til mindre arterier, der når ud til alle organer i kroppen, inklusive selve hjertet. Organerne bruger ilt og næringsstoffer i blodet. e vener i disse organer transporterer det iltfattige blod og affaldsstoffer tilbage til hjertet. Alle venerne munder ud i vena cava, som er den største vene i kroppen. Blodet strømmer fra vena cava til højre forkammer, gennem trikuspidalklappen og ind i højre hjertekammer. Højre hjertekammer pumper blodet gennem pulmonalklappen og ind i lungearterien. Lungearterien sender blod til lungerne for at få en frisk forsyning af ilt. Iltfyldt blod forlader derefter lungerne via lungevenerne og kommer ind i venstre forkammer. Denne cyklus gentages med hvert hjerteslag.
Nogle gange bliver en persons hjerte sygt og svagt. Når dette sker, kan det ikke pumpe nok blod ud til resten af kroppen. Dette er en sygdom, der kaldes hjerteinsufficiens ( [2]. Lægerne forsøger først at give personen medicin, der kan hjælpe hjertet til at fungere bedre. For nogle mennesker er medicin ikke nok, og de bliver ved med at blive sygere. Den eneste behandling for hjertesvigt er at give personen et nyt, sundt hjerte. Denne procedure kaldes en hjerte. Transplanterede hjerter kommer fra organdonorer, der har indvilget (eller hvis familier har indvilget) i at give deres hjerter til en anden, når de dør.
Der er mere end 6 millioner mennesker i USA med hjertesvigt, men problemet er, at der kun udføres omkring 4.000 hjertetransplantationer om året. Hvorfor så få? Der er ikke nok donorhjerter til alle, der har brug for et. Hvis en patient med hjertesvigt ikke kan få et nyt hjerte, kan vedkommende dø. Hvordan kan vi hjælpe alle disse mennesker, der har brug for en hjertetransplantation, men ikke kan få en? Hjertekirurger kan implantere en lille maskine i personens bryst for at hjælpe det syge hjerte med at pumpe blod [3]. Disse maskiner kaldes mekaniske blodpumper (. Det er utroligt, at disse pumper har været i brug siden 1960’erne og har hjulpet mere end 30.000 mennesker!
Der findes mange forskellige legetøjshjerter til salg i butikker og online. Vi var nysgerrige efter at vide, hvor realistiske disse legetøj var, og hvor godt de faktisk fungerede. Ingen havde nogensinde undersøgt legetøjshjerter før. Da vi er eksperter i at undersøge hjertet og mekaniske blodpumper, besluttede vi at have lidt sjov med dette eksperiment!
Vi købte seks legetøjshjerter, lige fra et uhyggeligt Halloween-hjerteslag til et sødt, farverigt plys-hjerte (figur 1C). Vi gav hvert legetøjshjerte et sjovt navn: Claw, Beating, Frankenstein, Light Up, Gummy og Cute. Vi spurgte tre hjertekirurger ( om at bedømme hvert legetøjshjerte ud fra, hvor realistisk hjertet så ud, og hvilke interessante egenskaber de kunne lide.
Vi testede hvert legetøjshjerte ved hjælp af nøjagtig de samme værktøjer, som vi bruger til at studere rigtige hjerter og mekaniske blodpumper i vores laboratorium [4, 5]. Vi brugte specielle kameraer til at tage billeder af legetøjshjerterne. Derefter brugte vi plastrør til at efterligne et menneskes kredsløbssystem og vi fyldte slangerne med vand i stedet for rigtigt blod. Vi tilsluttede hvert legetøjshjerte til dette system og brugte sensorer til at observere, hvor godt legetøjshjertet pumpede vandet. Vi målte flowet ved hjælp af en flowprobe, der var placeret omkring slangerne. En flowprobe beregner flowet ved hjælp af krystalsensorer, der måler hastigheden, som lydbølger bevæger sig gennem vandet. Vi målte trykket ved hjælp af et lille rør fyldt med vand (et kateter), som vi placerede inde i legetøjshjerterne. Trykbølger inde i legetøjshjerterne bevæger sig gennem slangerne til en bøjelig mekanisk sensor – jo højere trykket er, jo mere bøjer sensoren sig. Vi målte også volumen ved hjælp af et kateter, der var placeret inde i legetøjshjertet. Kateteret indeholder elektriske sensorer, der måler ændringer i diameteren af forskellige sektioner af hjertet for at beregne det samlede volumen. De flow-, tryk- og volumen-sensorer, der blev brugt i legetøjshjerterne, er de samme, som vi bruger i vores laboratorium og på hospitalet.
Som forventet fungerede legetøjshjerterne ikke så godt som et rigtigt hjerte. Figur 2 viser nogle fotos fra vores eksperimenter. Figur 3 viser dataene fra vores eksperimenter sammenlignet med et rigtigt, sundt hjerte.
Vi målte vægten af hvert legetøjshjerte. Et af legetøjerne, Beating, vejede 262 g. Det er lidt lettere end et menneskehjerte, der vejer omkring 300 g – omtrent det samme som to appelsiner. Vi målte hvert legetøjs hjertefrekvens. Et menneskeligt hjerte slår 60-100 gange i minuttet. To af legetøjshjerterne, Beating og Frankenstein, slog hver 96 gange i minuttet, hvilket er ligesom et menneskeligt hjerte. Legetøjshjertet Claw slog meget hurtigt – 192 gange i minuttet! Dette er meget hurtigere end et menneskeligt hjerte og mere lig et kanin- eller kyllingehjerte. De tre andre legetøjshjerter slog slet ikke.
Vi brugte flow-, tryk- og volumenfølere til at finde ud af, hvor godt hvert legetøjshjerte pumpede vand. Et sundt menneskehjerte pumper normalt 70 ml blod ved hvert hjerteslag. Det legetøjshjerte, der fungerede bedst (Beating), pumpede kun 16 ml vand ved hvert slag (figur 2C), hvilket svarer mere til et lille hundehjerte. Claw var endnu værre – det pumpede kun 1,3 ml vand ved hvert slag (figur 2B). Light Up, Gummy og Cute kunne slet ikke pumpe, og Cute lækkede overalt under vores eksperiment (figur 2F).
Vi bad tre hjertekirurger om nøje at evaluere og bedømme hvert legetøjshjerte ud fra, hvor realistiske hjerterne var, og hvilke egenskaber de kunne lide. Hjertekirurgerne kunne ikke lide Claws zombiehånd – den var for skræmmende. De syntes, at Beating havde en underlig struktur (der manglede mange vigtige blodkar) og ikke var særlig realistisk. De syntes, at Frankenstein var for stor. De syntes, at lyset inde i Light Up ville være meget nyttigt om natten. Gummy var meget klæbrig og blød og blev kåret til det mest realistiske og deres foretrukne legetøjshjert . Alle tre hjertekirurger syntes, at Cute var – du gættede det – meget sødt!
Vi lærte, at de legetøjshjerter, vi valgte, ikke var særlig realistiske og slet ikke pumpede særlig godt. De fungerede bestemt ikke så godt som et rigtigt hjerte! At udføre eksperimenter som dette er en god påmindelse om, at hjertet er meget vigtigt, og at vi skal holde det så sundt som muligt. Alt i alt var dette et rigtig sjovt eksperiment at udføre, og det gav os mulighed for at bruge vores viden til at udføre seriøs videnskab om et meget fjollet emne!
Ventil: En del af hjertet, der sikrer, at blodet kun cirkulerer i én retning, når hjertet slår. Det menneskelige hjerte har fire hjerteventiler.
Arterie: En type blodkar, der transporterer iltet blod fra hjertet til resten af kroppen.
Vene: En type blodkar, der transporterer iltfattigt blod fra resten af kroppen tilbage til hjertet.
Hjertesvigt: En sygdom, hvor hjertet bliver svagt og ikke kan pumpe nok blod til resten af kroppen.
Hjertetransplantation: En operation, hvor lægerne fjerner en persons syge hjerte og erstatter det med et sundt donorhjerte.
Mekanisk blodpumpe: En lille maskine, der implanteres i kroppen (enten i brystet eller i et stort blodkar) for at hjælpe med at pumpe blod, når hjertet er sygt og svagt.
Hjertekirurg: En type læge, der er uddannet til at udføre operationer på hjertet.
Kredsløbssystem: Netværket af blodkar og hjertet, der hjælper med at cirkulere blodet gennem kroppen.
[1] Monreal, G., Koenig, S. C., Huang, J., og Slaughter, M. S. 2024. Anatomisk og hæmodynamisk karakterisering af fuldstændigt kunstige hjerter. ASAIO J. 70:338–47. doi: 10.1097/MAT.0000000000002209
[2] Heidenreich, P. A., Bozkurt, B., Aguilar, D., Allen, L. A., Byun, J. J., Colvin, M. M., et al. 2022. AHA/ACC/HFSA-retningslinjer for behandling af hjertesvigt: en rapport fra American College of Cardiology/American Heart Association Joint Committee on Clinical Practice Guidelines. Circulation 145:e895–1032. doi: 10.1161/CIR.0000000000001063
[3] Jorde, U. P., Saeed, O., Koehl, D., Morris, A. A., Wood, K. L., Meyer, D. M., et al. 2024. The society of thoracic surgeons intermacs 2023 årsrapport: fokus på magnetisk svævende enheder. Ann. Thorac. Surg. 117:33–44. doi: 10.1016/j.athoracsur.2023.11.004
[4] Monreal, G., Koenig, S. C., Kelley, J. F., Illg, J. J., Tamez, D., Kelley, M. S., et al. 2024. Tidlig udvikling af CoRISMA Mechanical Circulatory Support (CMCS)-systemet til behandling af hjertesvigt. Cardiovasc. Eng. Technol. 15:667–78. doi: 10.1007/s13239-024-00743-0
[5] Monreal, G., Koenig, S. C., Slaughter, M. S., Morello, G. F., Prina, S. R., Tompkins, L. H., et al. 2022. Feasibility testing of the Inspired Therapeutics NeoMate mechanical circulatory support system for neonates and infants. PLoS ONE 17:e0266822. doi: 10.1371/journal.pone.0266822
Kan legetøjshjerter fungere lige så godt som et rigtigt hjerte? For at finde ud af det købte vi seks legetøjshjerter, lige fra et uhyggeligt Halloween-hjerte, der slog, til et farverigt plys-hjerte. Vores gæt var, at legetøjshjerter ikke ville fungere lige så godt som et rigtigt menneskehjerte! Vi testede legetøjet i vores laboratorium ved hjælp af nøjagtig de samme værktøjer og metoder, som vi bruger til at teste rigtige hjerter og mekaniske blodpumper. Vi kiggede på flow, tryk, volumen og hvor godt legetøjshjertet pumpede vand. Vi bad også tre hjertekirurger om at bedømme hvert legetøjshjerte ud fra, hvor virkelige de så ud, og hvilke egenskaber de kunne lide. Som forventet var legetøjshjerterne ikke realistiske og kunne ikke pumpe lige så godt som et rigtigt hjerte. Denne artikel kombinerer menneskers sundhed og ingeniørarbejde i et sjovt og fjollet videnskabeligt spørgsmål. Vi håber, at læserne vil finde den lærerig og underholdende!
…
Har du nogensinde undret dig over, hvordan forskere ved, hvad der sker inde i kroppen under en skade? Skader opstår, når et tryk eller træk (kraft) på kroppen bliver for stort, f.eks. ved et pludseligt stød. Men forskere kan ikke se disse kræfter, så vi bruger computermodeller til at løse dette mysterium. Vi indtaster oplysninger i computermodellerne, såsom personens størrelse, alder og aktivitet før skaden, samt detaljer om skaden. Hvis vi kan finde ud af, hvor stor en kraft der forårsagede skaden, kan det hjælpe ingeniører med at designe udstyr, der beskytter kroppen. Vi bruger forskellige typer computermodeller til at forstå forskellige skader. Stive kropsmodeller hjælper os med at studere hele kroppens bevægelser, såsom fald eller bilulykker. Muskuloskeletale modeller simulerer aktiviteter som at gå eller løfte. Finite-element-modeller ser på en enkelt kropsdel, såsom et knæledbånd i en glidende tackling. Vi har brug for at vide meget om, hvordan hver kropsdel opfører sig, og omdanne disse adfærdsmønstre til matematik, som computeren kan løse.
…
Elektrofysiologi er studiet af kroppens elektricitet. Det er også en måde, hvorpå forskere studerer hjerneceller, der kaldes neuroner. In vivo-elektrofysiologi er en teknik, der giver os mulighed for at studere, hvad der sker blandt grupper af neuroner i levende organismer. Den del af udtrykket, der hedder “in vivo”, betyder “i livet”. Måling af elektrisk aktivitet fra levende organismer kan afsløre realtidskommunikation mellem neuroner, hvilket hjælper os med at forstå, hvordan hjernen producerer adfærd. Når vi studerer hjernen og lærer mere om, hvordan den fungerer, kan vi få et bedre indblik i hjernesygdomme og hjerne-relaterede handicap – og forhåbentlig finde nye måder at behandle dem på.
…
Hvad er bevidsthed, og hvordan kan vi vide, hvem – eller hvad – der har det? Bevidsthed er evnen til at have oplevelser, såsom at se, føle, tænke eller vide, at man eksisterer. Forskere mener, at det afhænger af hjernen, men de forstår stadig ikke fuldt ud, hvordan det fungerer. Det er svært at studere bevidsthed på , fordi det er personligt og ikke kan måles direkte. Forskere bruger værktøjer som hjerneafbildning, virtual reality og computermodeller samt filosofi til at undersøge, hvornår og hvordan bevidsthed opstår hos mennesker og dyr – og om maskiner nogensinde også kan få det. At forstå bevidsthed kan hjælpe læger med at behandle hjerneskader og psykiske sygdomme, forbedre den måde, vi passer på dyr, og forberede os på fremtidige teknologier. Det rejser også store spørgsmål om retfærdighed, fri vilje og livets og sindets natur. Efterhånden som videnskaben kommer tættere på at løse dette mysterium, kan svarene ændre den måde, vi ser os selv og vores plads i verden på.
…