По статистике, в мире ежегодно устанавливается более 1 млн «электрических моторчиков» — кардиостимуляторов. Они обеспечивают нормальную частоту сердечных сокращений и реально спасают жизни на протяжении последних 67 лет.
Первым человеком, которому в 1958 году успешно имплантировали кардиостимулятор, стал швед Эрне Ларсон. Примечательно, что он прожил очень долгую жизнь — умер в 86 лет, на 4 года пережив изобретателя устройства, спасшего ему жизнь. А еще всего этого не случилось бы без одной любящей и отчаявшейся женщины…
В статье вспоминаем трогательную историю, полную отчаяния и надежды, и отдаем дань уважения работе замечательного, хотя и незаслуженно забытого инженера — Руне Эльмквиста.
Начало пути: изобретение мингографа
Герой нашей статьи родился в городе Лунде на юге Швеции 1 декабря 1906 года. И в отличие от других детей, которые мечтали быть то пожарными, то полицейскими, то космонавтами (ничего удивительного — вспомните себя в 7-8 лет), Руне Эльмквист точно знал — он будет спасать жизни.
Что лучше соответствует этому призванию, чем профессия врача? Сказано — сделано, и после окончания школы Руне начинает обучение в медицинском университете родного города. Вот только он быстро понял, что одна только врачебная практика — не его путь.
В 1927 году он, еще будучи студентом, создает электронный потенциометр для измерения pH, а в 1931 году — трехканальный портативный электрокардиограф. Этим он привлекает внимание ведущих компаний по производству медицинского оборудования, которые начинают активно зазывать юного изобретателя к себе.
В 1939 году он получает степень доктора медицины, а в 1940 году сразу занимает должность руководителя отдела разработок в компании Elema-Schönander (впоследствии ставшей Siemens-Elema). Как вы догадываетесь, врачом Руне Эльмквист не проработал ни одного дня.
В 1948 году он создает уникальное для своего времени устройство — мингограф. По сути, первый струйный принтер в истории.
Дело в том, что существующие тогда кардиографы представляли собой либо:
классические осциллографы, в которых сердечные сокращения отображались на экране при помощи луча. Вот только фиксировать графики на протяжении долгого времени (скажем, на фотобумагу) было затруднительно — в некоторых случаях врачи просто не могли поставить диагноз;
механические регистраторы, в которых график рисовался на бумаге иглой с чернилами. Ключевой недостаток такого подхода — из-за трения невозможно было зафиксировать частоту сигнала свыше 100 Гц. Это также затрудняло выявление проблем.
Идея Эльмквиста была до гениального простой — совместить оба подхода в одном устройстве. Вместо подвижной иглы он использовал стеклянную трубку с чернилами, которые распылялись через сопло диаметром всего 0,01 мм при помощи небольшого насоса.
К трубке крепился постоянный магнит в форме подковы. Электрический сигнал, пропорциональный сердечному сокращению, проходил по проводнику между полюсами магнита и изменял направление сопла, наносящего чернила на движущуюся с постоянной скоростью бумагу.
Мингограф не имел проблем с регистрацией высокочастотных сигналов, в отличие от традиционных кардиографов того времени. Аппарат поддерживал три скорости подачи бумаги: 10, 25 или 50 мм/сек. Можно было легко подстроиться под наблюдаемые сердечные сокращения в реальном времени. Еще у аппарата был аналоговый входной разъем — к нему можно было подключать и другие измерительные устройства.
Хотя первоначально мингографы использовались только для регистрации сердечных сокращений, позже их применяли для снятия электроэнцефалограмм мозга, регистрации звука (например, он был популярен у орнитологов для записи пения птиц) и даже в качестве полиграфа.
Конечно, конструктивно мингограф был намного проще более поздних CIJ струйных принтеров, появившихся в 70-80-е годы: никаких плат управления, пьезоэлементов, электростатического заряда капель и прочего.
Но тем не менее предложенное Эльмквистом устройство полностью закрывало конкретные проблемы, с которыми врачи сталкивались в 40-50-х годах при использовании ранних кардиографов. Продемонстрированный им на Международном конгрессе кардиологов в Париже мингограф произвел настоящий фурор.
Но конечно, Эльмквист не собирался останавливаться на достигнутом.
Разработка имплантируемого кардиостимулятора
В середине 50-х Руне Эльмквист вместе с кардиохирургом Оке Сеннингом искал альтернативу внешним кардиостимуляторам. Дело в том, что существовавшие модели (например, Джона Хоппса и Пола Золла) были весьма громоздкими и неудобными — блок управления весил с десяток килограммов, что очень ограничивало жизнь пациента. Первые модели вообще работали от розетки и подвергали человека риску поражения током.
Не говоря о том, что приходилось таскать с собой еще и провода:
при чрескожной стимуляции (ЧЭС) электроды крепились прямо к коже: электрические импульсы доставляли дискомфорт и даже оставляли ожоги на коже;
при трансвенозной стимуляции (ТВС) электроды помещались через вену и доставляли импульсы прямо в сердце, но любое механическое воздействие на провод грозило серьезными проблемами.
Эльквист и Сеннинг понимали, что самой перспективной альтернативой был полностью имплантируемый кардиостимулятор. Но он должен был быть достаточно компактным и потреблять как можно меньше энергии (а соответственно, и нагреваться) — чтобы работать даже от крошечных аккумуляторов.
Для этого Руне обратился к кремниевым транзисторам — первые модели уже начали импортироваться в Швецию из США. Они были намного более эффективными, чем германиевые, и позволяли создать компактную и стабильную схему с малым энергопотреблением.
Схемотехника выдавала импульсы амплитудой 2 В и длительностью 1,5 мс, с частотой 70-80 Гц. Первый транзистор с обвязкой отвечал за генерацию импульсов, которые поступали на базу второго транзистора: электроды стимуляции подключались к его коллектору через RC-цепочку. Простая и элегантная схема.
В качестве питающего элемента Эльмквист выбрал два никель-кадмиевых аккумулятора, по 60 мА*ч каждый. Их работы в непрерывном режиме хватало примерно на неделю. После чего аккумуляторы нужно было заряжать в течение 12 часов. Но как этого добиться? Не выводить же разъем из грудной клетки?
Руне Эльмквист решил использовать индукционный способ беспроводной зарядки — как в современных смартфонах. В схему включалась рамочная антенна диаметром около 50 мм, подключенная к элементам питания через кремниевый диод. Для зарядки вторая антенна на 150 кГц, диаметром 25 см клеилась на живот и подключалась к внешнему генератору на вакуумных лампах, работающему от сети 220 В.
Весь блок помещался в цилиндрический корпус диаметром 55 мм и толщиной 16 мм из застывшей эпоксидной смолы Araldite: тесты Ciba-Geigy показали ее превосходную биосовместимость. Размеры полностью соответствовали банке крема для обуви Kiwi, которую Эльмквист использовал как форму для затвердевания.
Первые опыты на животных начались в первой половине 1958 года. Ожидалось, что они продлятся не менее двух лет, прежде чем можно будет говорить об испытаниях на людях.
Но когда о новом устройстве написал один из журналистов в газете, все пошло не по плану.
Отчаявшаяся женщина, опасная операция и спасенная жизнь
Сердечно-сосудистые заболевания многие годы остаются главной причиной смертности во всем мире. По оценкам ВОЗ, каждый год от них умирает 17,9 млн человек. В 50-х годах, когда не было нормальных инструментов и методов для диагностики и лечения, ситуация была еще хуже. Чаще всего, если выявляли серьезные проблемы с сердцем, врачи давали общие советы из серии «не перетруждайтесь» и просто наблюдали.
Ровно в такой ситуации оказался 43-летний мужчина по имени Арне Ларссон. После перенесенной вирусной инфекции в 1958 году он страдал от рубцевания сердечной ткани. Такая ткань не может сокращаться так же, как нормальная мышечная. Сердце Ларссона билось с частотой всего 28 ударов в минуту: он постоянно терял сознание, потому что притока крови к мозгу не хватало (синдром Адамса-Стокса).
Врачи только разводили руками и не знали, какой из подобных приступов станет последним. Но с таким положением дел никак не собиралась мириться жена Арне Ларссона — Эльза-Мари. И она с надеждой обратила внимание на газетную заметку об экспериментальном устройстве Эльмквиста.
Она буквально атаковала Эльмквиста и Сеннинга с просьбами установить экспериментальное устройство ее мужу. Поначалу они разумно отказывались: нужно было подобрать оптимальную силу тока на электродах, проверить работу в режиме заряда и много чего еще.
Но Эльза-Мари была слишком настойчива — счет жизни ее мужа шел на недели. Чего уж говорить о месяцах испытаний на животных? И все-таки Эльмквист и Сеннинг согласились на мольбы отчаявшейся женщины.
После многочисленных согласований и тестов, операцию назначили на 8 октября 1958 года в Каролинской университетской больнице. Ее провел лично Оке Сеннинг: установил кардиостимулятор размером с хоккейную шайбу на брюшную стенку и имплантировал два электрода в миокард. И несмотря на все риски, первый кардиостимулятор заработал: сердце Арне Ларссона послушно билось с частотой 72-74 удара в минуту.
Однако спустя несколько часов устройство стало отказывать. Причина была неясна, а времени не оставалось. На удачу, Эльмквист изготовил второй экземпляр — повторная операция также прошла успешно. И в этот раз стимулятор работал исправно и без сбоев.
Через пару недель Арне Ларссон был выписан из больницы, а первый в истории кардиостимулятор проработал еще шесть недель, прежде чем его заменили на новый. Счастью жены пациента, Эльзы-Мари, не было предела — ее муж мог теперь нормально жить, хоть и тратя по 12 часов раз в неделю на зарядку стимулятора.
Финал истории: наследие Руне Эльмквиста
На операции присутствовал молодой уругвайский хирург Орестес Фиандра. По возвращении домой, 2 февраля 1960 года он провел операцию 34-летнему пациенту с атриовентрикулярной блокадой: установил кардиостимулятор Эльмквиста, который проработал без замены еще 9,5 месяцев.
К слову, Эльмквист и Сеннинг принципиально не запатентовали свое изобретение. А сделал это в 1960 году американский изобретатель Уилсон Грейтбатч. В отличие от шведского устройства, он убрал возможность внешней зарядки кардиостимулятора, но добавил литий-йодный аккумулятор. Намного более совершенный, чем никель-кадмиевый, способный работать на новой схеме несколько лет. После чего весь кардиостимулятор планово менялся на новый.
Арне Ларссон прожил с момента операции еще 43 года. За это время он перенес 25 операций по замене кардиостимуляторов — и каждый раз ему ставили все более совершенные модели. Он скончался 28 декабря 2001 года в возрасте 86 лет. Но причиной смерти стала не сердечная недостаточность, а меланома, по словам его супруги Эльзы-Мари — женщины, которая своей настойчивостью подарила мужу столько лет жизни.
К слову, Арне Ларссон пережил Руне Эльквиста на 4 года — тот умер 15 декабря 1996 года, в возрасте 90 лет, и на год пережил Оке Сеннинга — скончался 21 июля 2000 года, в возрасте 85 лет.
Современные кардиостимуляторы имплантируются более 1 млн пациентов ежегодно, а объем рынка превышает 5,9 млрд долларов. И эти устройства уже мало напоминают по размеру хоккейную шайбу, отлитую из эпоксидной смолы в упаковке от обувного крема.
Срок их службы — 10-15 лет, они выполнены из титана, компактнее и легче (есть даже такие варианты), имеют встроенные датчики (например, увеличивают ЧСС во время физических нагрузок), встроенный дефибриллятор (для устройств ICD), удаленную передачу данных и много чего еще.
Но про современные кардиостимуляторы поговорим в другой раз. А пока хочется выразить восхищение всеми участниками этой истории:
Находчивым инженером, который придумал простую и надежную схему на базе двух кремниевых транзисторов и двух диодов, помещенную в компактный корпус.
Смелым хирургом, который решился на рискованную операцию, не имевшую аналогов в мировой практике.
Упорным пациентом, который продержался четыре десятилетия и пережил 25 операций по замене кардиостимуляторов.
И конечно, его супругой, которая не сдалась и добилась операции, подарившей мужчине долгую, и хочется верить, счастливую жизнь.
НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:
-15% на заказ любого VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS