В это время учёными и их командами, работающими в различных уголках света, делается несколько важных открытий в области кардиостимуляции. Это время является «золотым» для кардиостимуляции.
Три краеугольных открытия будут описаны в деталях: первый портативный кардиостимулятор (1957 год), первый полностью имплантируемый кардиостимулятор (1958 год) и первая долгосрочная коррекция блокады сердца с помощью имплантированного кардиостимулятора (1960 год). Эти события имели большое значение и открывали дорогу в будущее аритмологии.
Слайд 11
1957 год. Первый портативный кардиостимулятор
Earl E. Bakken, инженер-электрик, основатель Medtronic Inc. создал первый портативный кардиостимулятор. Инженер Эрл Баккен и его сводный брат Палер Хёмендзли в гараже на северо-востоке Миннеаполиса 29 апреля 1949 года основали компанию Medtronic. Компания вела шаткое существование как служба по ремонту электрооборудования больниц и регионарный дистрибьютор других производителей медицинского оборудования. Позже они будут делать новое оборудование из стандартных инструментов для лабораторных и клинических исследований, посещать оперблоки в больницах, настраивая технику, объясняя персоналу, как пользоваться приборами, и выполняя ремонт, когда это необходимо. В это же время они налаживали рабочие отношения с врачами и другим персоналом больниц.
Баккен вспоминал: «Мы никогда не зарабатывали серьёзных денег в те времена, иногда даже возмещали стоимость прототипа… мы теряли деньги на всём, что мы делали!». Однако они работали в нужное время в нужном месте!
Слайд 12
Хирург Уолтон Лиллехай был ведущим кардиохирургом Университета Миннесоты в городе Миннеаполис и к середине 50-х годов уже имел международную славу. К 1957 году он уже выполнил более 300 операций на открытом сердце. Быстро развивающаяся область хирургии на открытом сердце должна была стать главной движущей силой развития кардиостимуляции.
Несмотря на успешную коррекцию врождённых пороков сердца, у каждого десятого пациента наблюдался п/о полная блокада сердца вследствие повреждения проводящей системы. Лекарственные средства помогали лишь на короткий срок и не могли стать профилактикой рецидива блокады. Было найдено другое решение!
Предположили, что временная стимуляция с помощью пейсмейкера до «выздоровления» проводящей системы поможет снизить летальность. Технология, созданная Цолем, не подходила, так как стимулы с высокой амплитудой, которые подходили для трансторакальной стимуляции, могли быть очень травматичными для детей.
Физиолог Джон Джонсон предложил использовать стимулятор Грасса, который использовали в лабораториях для активации сердец. После нескольких экспериментов Винсент Готт и Вильям Вейриш пришли к выводу, что у животных с хирургически созданной блокадой ритм сердца может быть восстановлен с помощью электрода, помещённого в стенку правого желудочка и подключённого к наружному стимулятору. Низковольтажные импульсы с нужной частотой легко стимулировали сердца животных.
Лиллехай и его коллеги создали миокардиальный электрод, один конец которого имплантировался непосредственно в миокард, а другой выводился наружу через разрез и подсоединялся к стимулятору. Индифферентный электрод помещался под кожу для замыкания контура. Эффективная стимуляция требовала 1,5 Вольт, так как был прямой контакт с миокардом. Отторжения или повреждения работающего сердца не отмечалось, электрод легко удалялся после восстановления собственной проводящей системы пациента.
Первый миокардиальный электрод был имплантирован 30 января 1957 трёхлетней девочке, у которой блокада сердца развилась после коррекции тетрады Фалло. Стимуляция была успешна, и вскоре у девочки восстановился собственный синусовый ритм. Миокардиальные электроды начали имплантировать в плановом порядке для немедленного использования, если это станет необходимо. Была разработана техника имплантации электрода через полую иглу для неоперированных пациентов с приступами МЭС.
Вскоре появились другие проблемы: стимулятор был громоздким, имел ограниченную портативность и внушал ужас маленьким пациентам. Более того, система зависела от внешнего источника энергии и длины шнура подключающего устройство к розетке. При отключении электричества стимулятор сразу отключался.
31 октября 1957 года отключение электричества в районе в течение трёх часов привела к трагической смерти ребенка. В больнице резервный генератор был установлен только в оперблоке, но не в палатах. Врачам ещё раз напомнили об ограничениях существующей технологии.
На следующий день Лиллехай попросил Баккена посмотреть, может ли Medtronic сделать что-нибудь лучше: надо было увеличить мобильность пациентов и устранить необходимость в «розетке с электричеством». Когда Бакен принял предложение Лиллехая, оно было для него очередным специальным заказом над очередной частью оборудования. Но это было не так!
Первоначальные попытки по созданию более надёжного и портативного кардиостимулятора привели к добавлению автомобильной батареи с устройством, которое конвертировало 6 вольт постоянного тока в 115 вольт переменного и затем питало традиционный в то время кардиостимулятор на его подставке с колёсиками.
Вскоре эти планы оставили, так как они были очень неэффективны. Постоянного тока в 10 вольт было достаточно для стимуляции сердца, кроме того, стали широко доступны транзисторы.
Баккен нашёл апрельский выпуск «Popular Electronics» 1956 года, в котором, как он помнил, видел контур для электронного метронома с транзистором. Контур передавал щелчки через динамик: частоту щелчков можно было настроить на ритм музыки. Он просто модифицировал двухтранзисторный контур и поместил его без динамика в четырёхдюймовю квадратную алюминивую коробку толщиной 1,5 дюйма с выключателем снаружи. Питание контура осуществлялось за счёт миниатюрной ртутной батареи с напряжением 9,4 В, которая также была помещена в коробку. Имелись кнопки включения-выключения и переключатели для частоты стимуляции и амплитуды стимула.
Баккен вспоминал: «Без каких-либо грандиозных ожиданий от этого устройства, я был умеренно оптимистичен в отношении того, что оно могло в итоге значить для пациентов Лиллехая. Я повез устройство в университетскую лабораторию, где его можно было опробовать на собаке. Конечно, оно работало. На следующий день я вернулся в больницу, чтобы работать над другим проектом, и когда я случайно проходил мимо палаты с выздоравливающими, то заметил одну из пациентов Лиллехая. Маленькая девочка носила прототип, который я только вчера привез в университет! Я был ошеломлен. Я быстро спустился к Лиллехаю и спросил его, что происходит. Он со своим типичным спокойствием, без суеты, объяснил мне, что ему рассказали про успешную проверку кардиостимулятора в лаборатории и он не хотел терять ни минуты. Он сказал, что он ни за что не позволил бы умереть ребёнку из-за того, что не использовал лучшую технологию, которая у него была».
Уже через 4 недели экспериментов и работы первый транзисторный кардиостимулятор на батарейке был в клиническом использовании! Это невероятно быстро, учитывая обычный тяжёлый путь от момента создания любого другого медицинского устройства до внедрения его в клиническую практику.
Слайд 13
Первые 10 выпущенных единиц кардиостимуляторов были доработанными версиями оригинального прототипа и стали применяться в клинике вскоре после испытаний в университете. Переключатели были сделаны так, чтобы дети не могли изменить работу стимулятора, а также был добавлен маленький неоновый огонёк, моргающий красным светом с каждым стимулом. Добавили две металлические ручки, которые расположили таким образом, чтобы можно было крепить стимулятор на теле. Стимулятор стал в прямом смысле портативным (переносным). Этот стимулятор стал известен как 5800 (так как был сделан в 1958 году). Инструкция к прибору гласила: «Такой маленький и лёгкий, что его можно прикрепить к пациенту и переносить на теле, кардиостимулятор Медтроник заставляет работать желудочки сердца в случае атрио-вентрикулярной диссоциации, которая возникает вследствие коррекции септальных дефектов или спонтанно как, например, в случае приступов МЭС. В стимуляторе или один электрод крепится к миокарду для временной стимуляции или два электрода – для продолжительной стимуляции. Созданный с воображением и оригинальностью, контур с транзистором полностью устраняет риск и неудобства, связанные с аппаратами, которые питаются от розетки. Собственный источник энергии будет питать стимулятор около 1 000 часов».
Такой стимулятор был переносным.
Историки считают стимулятор Бакена первым успешным применением транзисторной технологии в медицинских устройствах, что дало старт новой эре «медицинской электроники». До 1957 года в истории медицины ещё не было какого-либо частично или полностью имплантируемого электрического устройства. Стало очевидно, что для долгосрочной стимуляции сердца должен быть создан полностью имплантируемый аппарат, так как часто имело место восходящее инфицирование через электроды.
Лиллехай вспоминал: «Вопрос длительности стимуляции был обусловлен материалом электродов, дизайном и техникой имплантации… Возможность инфекции по электроду существует, но… может быть минимизирована путём создания туннеля для электрода до того, как он выйдет на поверхность кожных покровов. У большинства пациентов с блокадой после операции синусовый ритм восстанавливался через несколько недель, но один пациент жил с устройством в течение 15 месяцев».
Слайд 14
Первое сообщение «тразисторный ЭКС для терапии полной АВ диссоциации
Рецидив блокады у пациентов, которые поправились после их постоперационной блокады, привёл к нескольким смертям. Было очевидно, что эти пациенты нуждались в пожизненной, а не временной стимуляции для того, чтобы жить. В месте имплантации электрода в миокард формировалась блокада выхода по мере формирования рубцовой ткани, что приводило к увеличению электрического сопротивления и требовало увеличения амплитуды стимула для поддержания функции стимулятора. При таких больших амплитудах стимулов происходило сокращение мышц грудной клетки. Необходимо было создать систему с более хорошими электродами!
Слайд 15
16 июля 1958 года была выполнена первая эндокардиальная кардиостимуляция. Пациенту с полной блокадой, которому планировалось выполнить резекцию толстой кишки по поводу злокачественного новообрзования. Через базилярную вену в правый желудочек под контролем флюороскопии был введён трансвенозный катетерный электрод Стимуляция продолжалась в течение 2 часов во время операции и закончилась замедлением стимуляции тогда, когда появился собственный ритм желудочков. Катетер удалили без осложнений, и у пациента развилась желудочковая брадикардия.
Слайд 16
А в это время в Швеции перенес миокардит достаточно молодой 43 летний инженер и яхтсмен которого звали Арне Янсон. Миокардит осложнился формированием полной АВ блокады. Пациент страдал от приступов МЭС, которые требовали проведения реанимационных мероприятий много раз в день. Его состояние рассматривалось как безнадежное. Имплантация стимулятора была мерой отчаяния. Риск этой совершенно неизвестной тогда терапии был огромным.
Слайд 17
Оке Сеннинг был кардиохирургом в отделении торакальной хирургии в каролинском госпитале Стокгольма. Он следил за работами Лиллехая по временной наружной кардиостимуляции.
Руне Элмквист окончил медицинский, но ушёл из медицины и стал инженером. Он разработал портативный аппарат ЭКГ в 1931 году, а затем широко используемый струйный регистратор Mingograf в 1948.
Эти два человека стали тесно сотрудничать в 1950 году и разработали фибрилляторы и дефибрилляторы для операций на открытом сердце. Они понимали, что главной проблемой наружных кардиостимуляторов было наличие сообщения электродов на сердце с самим стимулятором снаружи, поэтому стали разрабатывать полностью имплантируемый кардиостимулятор.
Жену мистера Ларссона звали Эльза Мария. Именно она попросила Сеннинга помочь её безнадежно больному мужу. Она прочитала сообщения в прессе об идущих экспериментах по электрической стимуляции сердца и нашла двух учёных для решения, которого ещё не существовало: имплантируемый кардиостимулятор.
Сеннинг вспоминал своё знакомство с этой леди: «Энергичная, красивая женщина вошла в мою лабораторию 6 октября 1958 года и сказала мне, что я должен имплантировать кардиостимулятор её мужу. Я сказал ей, что мы ещё не закончили наши эксперименты, и у нас нет стимулятора для имплантации человеку. Она требовательно воскликнула: «Так сделайте!» В тот день она несколько раз ездила от электронной лаборатории Элмквиста и обратно и наконец убедила нас».
Так Арне Ларссон стал первым человеком, которому был имплантирован кардиостимулятор. Его госпитализировали с полной блокадой сердца и частыми приступами МЭС в течение 6 месяцев. У него было 20–30 приступов в день, не смотря на применение максимальных доз препаратов и прогноз был удручающим.
Для избежания публичности имплантацию произвели вечером, когда операционные были пусты. Через левостороннюю торакотомию были имплантированы два электрода в миокард, а сам стимулятор был помещён в переднюю брюшную стенку. Первый стимулятор работал только несколько часов, но второй, имплантированный этому же пациенту, – намного дольше.
Сеннинг вспоминал: «8 октября 1958 года, вечером, когда в операционной не было лишних людей, я имплантировал первый стимулятор, но он работал только 8 часов. По-видимому, я повредил транзистор или соединение с электродом, и у меня не было другого, который находился в лаборатории. Я имплантировал другой следующим утром». Далее Сеннинг заключает: «В 50-х годах у нас не было каких-либо проблем с ответственностью. Пациент и родственники были счастливы, если пациент выживал».
Второй стимулятор функционировал хорошо в течение 1 недели до внезапного снижения амплитуды стимуляции, предположительно, вследствие поломки электрода, чем была вызвана дисфункция устройства.
Генератор импульсов делал их с амплитудой 2 Вольта. Частота импульсов была фиксированная и составляла 70–80 в минуту. Необходимая энергия была минимизирована, когда Элмквист раздобыл несколько первых силиконовых транзисторов, импортированных в Швецию. Они были более эффективны, чем старые. С их помощью Элмквист разработал стабильный и эффективный блокирующий осциллятор с небольшим потреблением энергии.
Всё устройство было полностью сделано вручную и состояло из никелево-кадмиевых батарей, электрического контура и разряжающей антенны. Это всё было инкапсулировано в специальную эпоксидную смолу, которая имела превосходную биосовместимость. Приблизительный диаметр и толщина составляли 55 мм и 16 мм соответственно,.
Первые устройства имели два электрода. Дистальный конец электрода пришивался к миокарду и служил для стимуляции сердца. Проксимальный конец крепко соединялся с контуром генератора импульса. По оценке, электрод должен был выдержать около 100 тысяч сгибов в день.
Руне Элмквист вскоре перестал создавать стимуляторы, но продолжил своё активное участие в этой области медицинских технологий. Он умер в 1997 году в возрасте 90 лет. Оке Сеннинг оставался очень активным в этой области кардиохирургии. Он умер в 2000 году в возрасте 84 лет.
Слайд 18
Арне Ларсон пережил и инженера, создавшего стимулятор, и хирурга, который спас его жизнь и даже собственную жену. За всё время в целом ему было имплантировано 5 систем электродов и 22 стимулятора 11 различных моделей кардиостимуляторов, он скончался 28 декабря 2001 года от злокачественного новообразования.
Тесное сотрудничество инженеров, врачей и пациентов стало фундаментальной движущей силой для роста такой значительной мировой индустрии. С 1960 года по всему миру было имплантировано более двух миллионов кардиостимуляторов!
Золл создал Electrodyne и продолжил совершенствовать кардиостимуляторы.
Earl Bakken (соучредитель компании Medtronic Inc.) начал выпускать кардиостимулятор Chardiack-Greatbatch.
Wilson Greatbatch через некоторое время совместно с Medtronic основал свою компанию (Wilson Greatbatch Ltd.) и убедил индустрию перейти с ртутных батарей на литиевые.
Компания Elema Schonander, в которой работал Rune Elmqvist, была преобразована в Siemens-Elema в 1974 году. Siemens позже поглотил Pacesetter Inc. в 1985 году и объединил их в Siemens-Pacesetter, которую в 1994 году поглотила St. Jude Medical.
4 апреля 1959 года Samuel Hunter (профессор хирургии) и Norman Roth (главный инженер в Medtronic) имплантировали биполярный электрод из нержавеющей стали для стимуляции пациента с блокадой сердца после ИМ. Электрод состоял из пары стальных проволок, покрытых силиконом.