Omylem použil špatnou součástku a vynalezl moderní kardiostimulátor

Když přestane srdce bít, je konec, věděli už ve starověku. K léčbě poruch srdečního rytmu majících charakter bradykardií (srdeční akce je příliš pomalá) se používá přístroj, jehož známost je dnes všeobecná – kardiostimulátor (anglicky pacemaker). V takovýchto případech totiž dochází k nedokonalému čerpání krve vzhledem k potřebám organismu se všemi jeho důsledky. Kardiostimulátor umožňuje prodloužit život až o desítky let. Jaká je jeho historie?

Léčili elektřinou i před objevem elektřiny. Používali „elektrické“ ryby

První zmínky o pokusech s lidským zdravím a elektrickým proudem známe již ze starého Řecka. Údajně zde využívali k léčení některých chorob pozoruhodných schopností několika druhů ryb, které dokáží vyvinout elektrický výboj. Například električtí úhoři mohou generovat elektrické napětí úctyhodných 600 V a vybíjecí proud až v síle jednoho ampéru.

Mezi vědci se již více než dvě stě let těší velké oblibě zejména sladkovodní jihoamerický paúhoř elektrický (Electrophorus electricus). Ten má podél páteře tisíce destiček zvaných elektroplaxy, které jsou seřazeny jako monočlánky v baterii. Podobným orgánem se pyšní také električtí sumci a rejnoci.

Již římský lékař Scribonius Largus ve svých Compositiones Mediacae předepisoval pacientům sáhnout si do akvária a sevřít elektrickou rybu. Prý to opravdu fungovalo. Známý americký přírodovědec, konstruktér prvního bleskosvodu a politik Benjamin Franklin (1706–1790) se snažil uzdravit ochrnuté svaly zaváděním statické elektřiny z několika sériově zapojených tzv. leidenských lahví. Nemocný sval sice sebou škubnul, ale k uzdravení nedošlo. Podobné pokusy prováděl i dánský fyzik Nickolev Abildgaard.

Moderní kardiostimulátory: princip pohybů žabích svalů

Již krátce po objevu elektřiny ve druhé polovině 18. století byly ojediněle prováděny okázalé elektrošoky ke znovuoživení, které však neměly žádný zřetelný účinek. Vycházely z notoricky známého pokusu italského přírodovědce a lékaře Luigiho Galvaniho (1737–1798), který v roce 1780 objevil při svých anatomických pokusech „živočišnou elektřinu“. Preparovaná žabí stehýnka, která ležela na stole, bez jakéhokoliv spojení s třecí elektrikou sebou trhala, když se jejich nervů dotýkal hrotem kovového preparačního nože. Svoje poznatky po jedenácti letech obsáhlých výzkumů zveřejnil v roce 1791 ve čtyřdílném svazku De viribus electricitatis in motu musculari commentarius (Traktát o elektrických silách při pohybu svalů).

• 
• 
• 

Dalších 14 fotografií

Později Galvaniho přímé elektrické dráždění srdce demonstrovali jiní badatelé na lidských mrtvolách (zčásti na popravených gilotinou). Stah srdečních síní a komor po elektrickém podráždění byl v průběhu těchto spektakulárních pokusů jednoznačně prokázán.

Méně známým průkopníkem v oblasti použití elektřiny v medicíně je osvícenský učenec evropského formátu, český lékař a přírodovědec Jan Křtitel Antonín Boháč (1724–1768). Mimo jiné se při svých zoologických experimentech zabýval také elektrizováním živočichů.

Zjednodušeně bychom mohli říci, že na principu Galvaniho pohybů žabích svalů jsou založeny i moderní kardiostimulátory: elektrický impuls přiměje sval, aby se stáhl. Než však kardiostimulátor mohl začít reálně pomáhat nemocným, musela ujít věda ještě dlouhou a složitou cestu, ale dosažené výsledky nakonec překonaly všechna očekávání.

Elektrická stimulace srdce

Ve druhé polovině 19. století došlo k rozvoji elektroterapie, a především srdeční simulace. V roce 1855 francouzský lékař Guillaume Benjamin Armand Duchenne z Boulogne zveřejňuje svůj spis O místním elektrizování a jeho použití v patologii a léčbě, a stává se tak zakladatelem moderní elektroterapie. Mimo jiné v něm prokázal, že lze na určité místo nad drážděným orgánem koncentrovat indukovaný elektrický proud, když se použije vlhkých vodivých elektrod, které se přiloží na kůži. Vyhledal také místa, z nichž se mohly vyvolávat zvláště silné svalové kontrakce. Uvádí, že „elektrickou rukou“ stimuloval srdeční krajinu jednadvacetileté pacientky, která trpěla tachyarytmií po záškrtu. Dociloval tímto způsobem dočasného zpomalení srdeční akce a pravidelného tepu.

Díky jiné pacientce, která po operaci hrudníku měla srdce uložené pouze pod vrstvou kůže, mohl německý elektroterapeut Hugo von Ziemssen v roce 1882 poprvé demonstrovat na žijícím člověku, že elektrické impulsy řídí akci srdečních komor.

V roce 1889 navrhl skotský fyziolog J. A. William v časopise British Medical Journal zařízení, které by vysíláním elektrických impulsů do nečinného srdce mohlo obnovit jeho aktivitu. Uvažoval tehdy o frekvenci 60 až 70 elektrických impulsů za minutu: „Abychom mohli sval dostatečně excitovat, je asi nejlepší posílat v pravidelných intervalech elektrické šoky do celého srdečního svalu. Elektrody by měly být zakončeny plochou s větším kontaktem, šok by měl být silný.“

První přenosné kardiostimulátory: oživení novorozence

První funkční přenosný, leč zásuvkový kardiostimulátor se povedl zkonstruovat australskému doktorovi Marku Lidwillovi z nemocnice prince Alfréda v Sydney v roce 1928. Jednu elektrodu přikládal na pokožku pacienta, zvlhčenou vodivým solným roztokem, druhou aplikoval v podobě jehly do srdeční komory. Vysíláním elektrických impulsů o napětí až 120 V a frekvenci 80 až 120 Hz se mu údajně podařilo po deseti minutách elektrické stimulace vyvolat samostatnou a trvalou srdeční činnost u mrtvého novorozence.

Nezávisle na Lidwillovi pracoval na podobném elektromagnetickém přístroji s pružinovým ručním pohonem také newyorský kardiolog Albert Hyman. Svůj přístroj s kardiostimulačním efektem a ručním pohonem nazval „artificial pacemaker“, tedy termínem, který se v angličtině dodnes používá pro kardiostimulátor. Až do konce druhé světové války v roce 1945 nastala ve výzkumu kardiostimulace „zástava“, nejspíše proto, že v této době měla medicína jiné starosti.

Pacienti připojení do zásuvky

K dalšímu rozvoji kardiostimulátorů, které jsou již blízké těm současným, došlo až v padesátých letech minulého století. V roce 1950 byl navržen a zkonstruován kanadským elektroinženýrem Johnem Alexandrem „Jack“ Hoppsem funkční externí kardiostimulátor. Tento ještě elektronkový přístroj značných rozměrů (k časování impulsů používal technologii vakuových trubic) používal k dočasné stimulaci srdce (například během chirurgického výkonu) kardiochirurg Willfres Gordon Bigelow z Bantingova ústavu torontské univerzity (Banting Institute, University of Toronto). Jeho aplikace byla pro pacienta nepříjemná a bolestivá, navíc byl přístroj připojen přímo do elektrické rozvodné sítě, a hrozilo tak nebezpečí úrazu elektrickým proudem.

V následujících letech proběhly experimenty s přenosnými, ale stále příliš velkými zařízeními, která využívala energii z nabíjecích baterií. Tak jako v řadě jiných oborů vedl k dalšímu prudkému rozvoji kardiostimulátorů vynález polovodičových germaniových a křemíkových tranzistorů (1947) a jejich komerční dostupnost v polovině padesátých let minulého století.

Tehdy se problematice selhání srdce začalo zabývat nezávisle na sobě několik vědeckých týmů. V Minnesotě vyvinul v roce 1957 chirurg Walton Lillehei metodu pro stabilizaci pacientů po otevřené operaci srdce. Nechal jejich srdce napojit na dráty elektrického generátoru o velikosti malé skřínky. Výpadek proudu po operaci měl ale za následek smrt pacienta, a tak požádal inženýra a podnikatele Earla Bakkena, aby vyvinul nějaké přenosné zařízení. Nadaný technik zmenšil obvod elektronického přístroje tak, aby jej pacienti mohli „nosit“. Na plastové krabičce si mohli regulovat frekvenci a intenzitu elektrických impulzů vedených skrze voperované elektrody do myokardu. Předaný prototyp Lillehei ihned vyzkoušel na psu, avšak již druhý den jej použil u svých pacientů po operaci. Na Bakkenovi určité obavy prý řekl, že „již nechce ztratit ani jednoho pacienta kvůli tomu, že nevyužívá nejmodernější techniku“.

První implantace kardiostimulátoru: nikdy nevyzkoušený na člověku

První klinická implantace kardiostimulátoru proběhla na špičkové lékařské univerzitě Institut Karolinska ve švédském městě Solna na severním okraji Stockholmu. Byl navržen šéfem výzkumu elektronické firmy Elema-Sconander (dnes Siemens-Elema) dr. Runem Elmqvistem, který při svých pokusech na zvířatech se stimulováním srdce již využíval tehdy nejnovější miniaturní elektronické prvky. Do vysterilizované kulaté krabičky od krému na boty (o průměru 55 mm a výšce 16 mm) „napasoval“ dva křemíkové tranzistory, dvě kadmiové baterie a oscilátor, který dodával srdci elektrické impulsy o frekvenci 72 za minutu. Chirurgický zákrok provedl primář oddělení experimentální chirurgie profesor Ake Senning, na kterého se obrátila Else Marie Larssonová s prosbou, aby udělal něco pro záchranu života jejího manžela, který trpěl opakovanými infarkty.

Autor: on Wikipedia.org / Professor Marko Turina, University Hospital, Zurich, podle licence: CC BY-SA 3.0

Tým ze Stockholmské nemocnice: Senning, Elmqvist a Crafoord

Potíže se srdcem začaly tohoto třiačtyřicetiletého elektroinženýra pronásledovat po otravě ústřicí v roce 1955, kdy pracoval na Asuánské přehradě v Egyptě. Již půl roku se jeho stav zhoršoval. Srdce zvládalo bít místo asi 70 úderů za minutu jen pouhých 20–30. Často upadal do bezvědomí, sestry a lékaři jej museli v posledních deseti dnech budit až třicetkrát za den silným úderem do hrudi. Nezbývalo mu mnoho času, snad několik málo týdnů života. Zkušený lékař i vynálezce nevyzkoušeného přístroje váhali – šli do velkého profesního rizika. Aby neupoutal příliš pozornosti, implantoval Arnemu Larssonovi Elmqistovo na člověku zcela neověřené zařízení v noci 8. října 1958. Operaci přihlíželo jen několik málo lidí. Elektrody byly zavedeny do srdečního svalu po chirurgickém otevření hrudní dutiny. Zařízení však selhalo po osmi hodinách, následně další implantovaný kardiostimulátor vydržel šest týdnů.

Během svého života Larsson nakonec vystřídal 26 různých druhů kardiostimulátorů – od prvního přístroje o průměru hokejového puku vážícího přes dva kilogramy až po moderní miniaturizovaný aparát měřící pár centimetrů a vážící pouhých pár desítek gramů. Zemřel v roce 2001 ve věku 86 let z důvodů, které s jeho srdeční chorobou neměly vůbec nic společného. Přežil tak jak vynálezce prvního aplikovatelného přístroje, tak i lékaře, který zákrok provedl.

Objev zcela náhodný

Podobně jako rentgenové záření, mikrovlnná trouba, neprůstřelný kevlar či penicilin, také další implantovatelný kardiostimulátor vděčí za svůj objev náhodě. Wilson Greatbatch, absolvent Cornellovy univerzity ve státě New York, kde studoval po skončení služby u letectva Spojených států za druhé světové války, pracoval od roku 1951 v centru pro studium chování zvířat na Fakultě psychologie své alma mater. Sestavoval a udržoval přístroje, které monitorovaly fyziologické procesy jako například mozkové vlny, krevní tlak, srdeční tep apod.

Autor: Archív autora

Wilson Greatbatch – americký vynálezce proslul především objevem moderního kardiostimulátoru

Nějaký čas chodil na oběd s chirurgy, kteří se neustále, pro něho nudně, bavili o srdeční blokádě, úmrtích pacientů po jinak úspěšných operacích srdce a podobných problémech tehdejší kardiologie. Greatbatch si uvědomil, že tento problém vlastně dobře zná. Byla to obdoba poruchy v rádiové komunikaci. Signál byl odeslán, ale nikdo ho nepřijímal. Takové problémy již dříve řešil a věděl, že by mohl vyřešit i tento, kdyby k tomu měl vhodné nástroje. Bohužel je tehdy neměl, a tak toto téma opustil.

Roku 1958 přivedla nadaného inženýra nová práce do Buffala. Na zdejší univerzitě vyučoval elektroinženýrství a pracoval pro výzkumný institut chronických onemocnění. V dubnu tohoto roku sestavoval obvod oscilátoru pro měření vyšších tepových frekvencí s nově dostupným křemíkovým tranzistorem. Omylem ale použil špatnou součástku. Natáhl se do krabice pro rezistor s odporem 10 000 ohmů, označeným hnědým, černým a oranžovým proužkem. Místo toho sáhl po rezistoru označeném hnědým, černým a zeleným proužkem o odporu 1 000 000 ohmů. Dokončil obvod a otestoval ho. Něco ale nesedělo. Musel někde udělat chybu. Místo, aby obvod vydával jeden nepřetržitý tón, vydával krátký pronikavý zvuk o délce 1,8 milisekund, který byl v pravidelném sledu následován sekundovou pauzou. „Nevěřícně jsem na to zíral,“ vzpomínal později Greatbatch.

Věděl, jak objev využít. Nikdo ho ale nechtěl

Okamžitě si vzpomněl na diskuzi, kterou vedli chirurgové před sedmi lety. K srdeční blokádě dojde, když elektrický signál nedorazí k srdečním svalům, a tak vyvinul nový kompaktní tranzistorový obvod, který ten signál, na který srdce čeká, vyšle. Dlouho ale nemohl najít chirurga, který by jeho nápad ověřil. Teprve profesor William C. Chardack z buffalské Veterans Administration Hospital pochopil, jak důležitý vynález má před sebou.

Spolu s Greatbatchem provedli první úspěšný pokus – tiché psí srdce propojili dráty s miniaturním zařízením – a to potom začalo bít. Signály řídící srdeční tep nepřicházely nervovými cestami z mozku, ale přímo z elektronického stimulátoru. Chardack své pocity vyjádřil jedinou větou: „No to mě podrž!“ Greatbatch si do deníku poznamenal: „Pochybuji, že ještě někdy zažiji takovou euforii, jako tehdy, když přede mnou bilo srdce, napojené na pěticentimetrový strojek mé výroby.“

Během dalších dvou let svůj první kardiostimulátor zabalený do elektroizolační pásky a fungující nejdéle čtyři hodiny, začal vylepšovat a zdokonalovat. Další model byl zabudovaný do pevného epoxidového krytu a vydržel až čtyři měsíce. V průběhu dvou let se k oběma vědcům připojil ještě doktor Andrew Gage a po mnoha pokusech na zvířatech provedli v roce 1960 svůj první zákrok na lidském pacientovi s úplnou srdeční blokádou, který měl bez pomoci asi 50% šanci, že bude žít ještě jeden rok. První pacient zemřel po 18 měsících, druhý po 30 letech.

První implantovatelné kardiostimulátory byly nespolehlivé a měly krátkou životnost způsobenou napájecími zdroji. Z velké části se používaly rtuťové baterie. Na konci šedesátých let přišlo několik výrobců s kardiostimulátory napájenými radioizotopovými termoelektrickými generátory (využívajícími k získání tepelné energie rozpadu radioaktivních prvků, zejména izotopu plutonia-238 s dlouhým poločasem rozpadu). Tato technologie však byla v roce 1971 zastíněna vynálezem lithiové baterie nám již známým Wilsonem Greatbatchem. Dalším důvodem nespolehlivosti prvních kardiostimulátorů bylo srážení vodních par, prostupujících z tělesných tekutin obalem z epoxidové pryskyřice na elektrických obvodech zařízení. Tento problém byl vyřešen hermetickým uzavřením kardiostimulátoru do kovového obalu. Tak se staly lithiové baterie a obal z titanu běžným standardem.

Šedesátá léta přinesla další pokroky v konstrukci těchto přístrojů, jež postupně umožnily učinit z implantace kardiostimulátoru rutinní chirurgickou záležitost. Bakken, Elmqvist a Greatbatch zahájili éru prodlužování činnosti lidských orgánů elektronickými přístroji a vzbudili naděje, že moderní technologie budou moci člověku prodloužit život.

Stručná historie implantací kardiostimulátorů v ČR

V roce 1962 byl na studijní cestě v bývalém Sovětském svazu americký chirurg dr. Takaro, který spolupracoval s prof. Chardackem z Buffala. Podařilo se jej kontaktovat a přesvědčit k zastávce v Praze, kde implantoval první kardiostimulátor tvůrců Chardack-Greabatch. Při operaci asistoval přednosta kliniky prof. B. Špaček a dr. B. Peleška.

První československý kardiostimulátor vznikl ve Výzkumném ústavu pro elektroniku a modelování v lékařství v Praze-Krči. Pracoval s blokovacím oscilátorem, měl dva tranzistory a jedenáct pasivních součástek, napájený byl čtyřmi rtuťovými články. K jeho první implantaci u člověka došlo v březnu 1965 u pacienta s kompletní blokádou, ohroženého na životě. Tento přístroj pracoval dva roky a poté byl úspěšně vyměněn.

Celý další vývoj průmyslové výroby kardiostimulátorů byl po roce 1969 silně ovlivňován prostřednictvím vždy nejmoudřejších zásahů centrálních nadřízených orgánů v rezortu tehdejšího ministerstva elektrotechnického průmyslu. Se značným zpožděním za světem byla v sedmdesátých letech v Tesle Rožnov zavedena sériová výroba přijatelně tenkých kardiostimulátorů s jednoúčelovým integrovaným obvodem s asi dvaceti tranzistory, konečně s lithiovými napájecími zdroji a kovovým hermetickým titanovým pouzdrem.

Po roce 1989 se na našem trhu objevily zahraniční firmy, které konkurovaly tuzemské výrobě nejen lepší kvalitou, ale i cenou. Nerovný boj netrval dlouho a výroba kardiostimulátorů v České republice skončila. To jsme se však z historie dostali do současnosti.