Краткая история создания кардиографа
Когда речь идет о кардиостимуляторах, сейчас, как и два с половиной века назад, в первую очередь подразумевают электрокардиостимуляторы, хотя это понятие всегда было гораздо шире. Удар кулаком в грудь тоже мог стать стимулятором сердцебиения, и стал научно обоснованным методом кардиостимуляции во второй половине XIX века под названием непрямого массажа сердца. У нас в стране он впервые начал применяться в Императорской военно-медицинской академии в Санкт-Петербурге благодаря военврачу Сергею Владимировичу Герцогу, который с успехом им пользовался для «оживления при обмираниях во время общего наркоза».
Народные сердечные лекарства, которые были известны, вероятно, еще в доисторические времена, в поле зрения ученых медиков попали в середине XVIII века. В первую очередь это был дигиталис (наперстянка), а также олеандр, горицвет, ландыш, морской лук и еще с десяток природных кардиостимуляторов из старинных травников. В эпоху Великих географических открытий к ним добавились кора хинного дерева и еще ряд «заморских» стимуляторов сердечного ритма, включая такую экзотику, как, например, строфант. Его соком местные племена в экваториальной Африке смазывали острия своих стрел и копий, а те вызывали фибрилляцию (трепетание) желудочков сердца и его быструю остановку у врага. Сейчас гликозиды этих растений, а также еще несколько десятков природных растительных активаторов и блокаторов натрий-калий- и кальциевых каналов изучены вдоль и поперек, синтез их действующих начал поставлен на поток. Несколько сотен препаратов на их основе разложены врачами по диагностическим полочкам и прописываются миллионам больным с сердечной аритмией.
Помимо механической и химической был в истории медицины еще один способ кардиостимуляции, реологический или гидродинамический, как назвали бы его физики, когда остановившееся сердце вновь начинало биться в ответ на приток крови к нему «не с той стороны» — навстречу ее естественному движению в кровообращении. Донорскую кровь вливали под давлением в артерию, а не в вену, как полагается. Она захлопывала аортальные клапаны, в полость сердца попасть не могла, а шла прямо в коронарные артерии, опоясывающие сердце и питающие только мышцу сердца, и сердце оживало. В этот момент пациенту опять вливали донорскую кровь, но уже через вену.
Таким был метод реанимации тяжело раненых в терминальных состояниях, который разработал и применил доктор Владимир Александрович Неговский в годы Великой Отечественной войны. По статистике его фронтовых бригад реанимации, выжило 46,5% из почти двух тысяч пациентов, находившихся в терминальной стадии, и 18,1% из уже умерших (побывавших в состоянии клинической смерти). При этом полезно не забывать, что это были не пациенты с сердечно-сосудистыми проблемами, а тяжело, практически смертельно контуженные и раненые пулями и осколками люди, в состоянии болевого шока. На самом деле их было больше, чем по статистике Неговского. Его «кардиостимулятор» был настолько прост, что его легко мог смастерить старшина хозвзвода подвижного полевого госпиталя, нужны были только две банки с герметичными пробками, резиновые трубки с грушей и старая автомобильная камера. А военврачи, применявшие метод Неговского с весны 1944 года в десятках ППГ на всех восьми фронтах, отчетов ему не присылали и диссертаций потом, уже после войны, не писали.
После завершения конфликта в Институте реаниматологии АМН СССР, где Неговский был директором, заведующий лабораторией экспериментальной физиологии Наум Лазаревич Гурвич создал электрический импульсный дефибриллятор ИД-1-ВЭИ («Импульсный дефибриллятор-1, Всесоюзный электротехнический институт»), который в 1952 году поступил в больницы и на станции скорой помощи нашей страны, то есть на десять лет раньше, чем серийные дефибрилляторы Лауна поступили в первичное звено американского здравоохранения.
Но тогда это было ожидаемо, вопрос стоял только в том, кто первым поставит на поток производство дефибрилляторов, вновь запускающих остановившееся сердце (а потом таких же приборов, но усовершенствованных, гасящих фибрилляцию на ее начальной стадии и тем самым не допускающих остановки сердца). А попутно шла работа над другой разновидностью электрокардиостимуляторов (ЭКС), которые по заданной программе задают ритм сердцебиения пациентам с больным сердцем и которые обычно имеют в виду сейчас, когда речь идет о кардиостимуляторах.
Но начиналось все с дефибриллятора. К середине XVIII века физики уже довольно хорошо освоились в новой для себя области электричества, которую Джозеф Пристли тогда назвал «младшей дочерью наук». Как писал английский Gentleman«s Magazine в 1845 году, электричеством заинтересовались «дамы и знатные люди, которые никогда не интересовались натурфилософией, кроме тех случаев, когда она творит чудеса… Принцы желали увидеть новый огонь, который не сошел с небес, а был добыт самим человеком».
Эта элита общества эпохи Просвещения, как назвали бы ее сейчас, могла ощутить воздействие электричества на своих телах, могла видеть, как у них встают дыбом волосы или как их руки притягивают маленькие кусочки бумаги. Разумеется, появились изобретатели, которые обеспечивали соответствующим реквизитом «научные вечера», на которых при свете электрических искр танцевали бумажные куклы и звенели металлические колокольчики. Один из них, профессор Лейпцигского университета Георг Бозе, стал настоящей знаменитостью в Старом и Новом Свете. У него было не меньше десятка усовершенствований электростатических машин, но апофеозом его инженерно-изобретательской мысли стал аттракцион «электрический поцелуй Венеры».
Дама вставала на изолированный стул, оператор заряжал ее тело с помощью электрической машины, и когда кто-то пытался ее поцеловать этому препятствовала сильная искра, приводя в восторг даму и остальную аудиторию. «Мог ли кто-нибудь поверить, что пальчик леди, ее нижняя юбка из китового уса могут испускать настоящие молнии, и что такие очаровательные губы могут поджечь дом?» — так описывал это достижение профессора Бозе один из современников.
Как писал четверть века спустя, в 1769 году, Бенджамин Франклин в своей монографии «Experiments and Observations on Electricity Made at Philadelphia in America»: «Для ряда изобретательных электриков, которые показывали это за деньги, это было источником их собственной еды, питья и одежды». Они, странствуя по столицам и провинции со своими электростатическими приборами и демонстрируя на площадях и в аристократических салонах эффекты «электрического огня» не могли обойти стороной его «целебную силу» и, конечно же, включали «медицинское электричество» в свой репертуар».
В профессиональных медицинских кругах на протяжении практически всего XVIII века шли дискуссии о пользе и вреде пропускания тока через больного, пока во второй половине 1780-х гг., как говорится, явочным порядком не была сделана первая в истории медицины успешная дефибрилляция сердца ударом тока. Этот случай вошел во все учебники медицины по кардиологии, упоминается практически во всех научных статьях, монографиях и диссертациях о кардиостимуляции и за почти два с половиной века оброс массой таких подробностей, которые, наверное, сильно удивили бы непосредственных участников этого события. Поэтому лучше обратится к его первоисточнику, тем более что он свободно доступен в интернете.
Это «Эссе Чарльза Кайта о воскрешении людей, которые, по-видимому, умерли» («Charles Kite’s essay on the recovery of the apparently dead»), за которое его доктор Кайт, член Лондонской корпорации хирургов в Лондоне и хирург городка Грейвсенда в графстве Кент, в 35 км от столицы выше по течению Темзы, получил медаль Королевского гуманного общества (было тогда такое общество спасения на водах, по сути Королевский ОСВОД). Речь в его «Эссе» идет в основном об утопленниках, но коротко упоминаются три случая использования электрошока для оживления людей.
Два из них касались утопленников, пробывших в воде несколько часов. Удары током вызвали у одного из них сокращения мышц конечностей, «как у живого», а у второго, по-видимому, замерзшего в холодной воде, даже «кровь брызнула фонтаном из яремной вены», в которой уже сделали надрез, пытаясь его оживить всеми возможными принятыми тогда способами вплоть до кровопускания, и «вытекла вся». Вернуть к жизни их не удалось А вот третий случай закончился настоящим оживлением.
«Примерно в то же время (в 1785 году — Ред.) трехлетняя девочка выпала из окна лестничной площадки на камни мостовой. Ее подняли наверх, по всей видимости, мертвой. Послали за аптекарем, который заявил, что для ребенка уже ничего нельзя сделать. Мистер Сквайрс, живущий напротив того места, где произошел несчастный случай, посчитав случай безнадежным, с согласия родителей очень гуманно испробовал действие электричества. Прошло по меньшей мере двадцать минут, прежде чем он смог применить электрошок, который он наносил на различные части тела, без какого-либо видимого успеха; но, наконец, после нескольких разрядов в грудную клетку он почувствовал слабую пульсацию: вскоре после этого ребенок начал вздыхать и дышать, хотя и с большим трудом. Примерно через десять минут его вырвало. В течение нескольких дней у ребенка сохранялось своего рода оцепенение, но примерно через неделю к нему вернулось прекрасное самочувствие и бодрость духа», — вот и все, что написал доктор Кайт в своем «Эссе».
С точки зрения современной медицины и не только медицины здесь есть вопросы. Клиническая смерть (остановка сердца) дольше 4–5 минут (в особых случаях дольше 10 минут — при сильном охлаждении организма и утоплении, кстати) вызывает необратимые изменения в головном мозге человека. Тут же было 20 минут, после которых о «прекрасном самочувствии и бодрости духа» у ребенка не могло быть и речи. Вполне возможно, что аптекарь не прощупал пульс, и сердце у девочки хоть и слабо, но билось. Гадать тут бесполезно, это относится к случаям, которые в медицине называют «казусами».
Также интересно, кем был мистер Сквайрс. Доктор Кайт не называет его ни медиком, ни натурфилософом (физиком) хотя всех без исключения своих коллег по медицинскому цеху и науке в целом он в своем «Эссе» не ленится титуловать, а Сквайрс для него просто «мистер». И откуда у мистера Сквайрса дома оказались лейденские банки, которые он вполне профессионально применил в данном случае? Ведь Луиджи Гальвани еще не опубликовал свои работы о «животном магнетизме», и за рамками научного сообщества мало кто знал о «гальванизме», а до публичных демонстраций конвульсий трупов под действием электрических разрядов оставалось больше десяти лет. Объяснения всему этому тоже, наверное, очень простые, но о них мы можем только гадать.
Лишь в одном нет сомнений: 1785 год можно считать годом рождения первого работающего электрокардиостимулятора, каковой с инженерной точки зрения был конденсатором в виде лейденской банки. Да, он относился к категории внешних дефибрилляторов, то есть неинвазивных (не требующих вживления) временных кардиостимуляторов неизбирательного действия (вызвал полное сокращение миокарда), но он работал и работает до сих в более надежных современных инженерных решениях.
Конец XVIII и начало XIX веков прошли для электрофизиологии под знаком «животного электричества» Луиджи Гальвани, хотя один из самых успешных исследователей этого феномена Алессандро Вольта почти сразу экспериментально доказал, что причиной сокращений мышц лягушки в опытах Гальвани было не «животное электричество». Животные у Гальвани были вообще лишним звеном в электрической цепи. Если говорить современным химическим языком, ток возникал в результате окислительно-восстановительной реакции пары металлов или их окислов в электролите. А нервы в лапках лягушек Гальвани, по мнению Вольты, были лишь «чувствительными электрометрами». Как известно, побочным результатом неприятия Вольтой постулата «животного электричества» Гальвани стал первый источник постоянного тока «Вольтов столб».
Однако не прошло и века, как выяснилось, что если в данном конкретном случае Гальвани действительно ошибался с объяснением наблюдаемого им эффекта, то насчет «животного электричества» он был прав. Оно не было миражом, оно существует в самых разных организмах и в самых разных проявлениях. В частности, сердце человека — это с инженерной точки зрения ничто иное как электрогенератор с системой автоматических реле и с собственным управляющим этой системой кардиостимулятором. В таком режиме оно работает без устали по заданному ритму всю жизнь человека независимо от других его органов, и если его природный кардиостимулятор начинает барахлить, то частота и последовательность сокращений предсердий и желудочков сердца нарушается, и оно в конечно итоге останавливается.
Впрочем, умничать задним числом последнее дело. Лучше попробовать на минуту представить себе, что чувствовали тогда не только ученые исследователи электричества, но и простой народ, и какие перспективы перед ними открывало «животное электричество». Мало того, что человек сам создал «небесный огонь» и научился им управлять, мог им даже вдохнуть жизнь в тело умершего. От святотатства такого масштаба дух захватывало.
Поцелуйчики электрической Венеры уже казались детской шалостью на фоне грандиозных представлений в анатомических театрах с корчащимися под током (из Вольтовых столбов, кстати) трупами, строящими гримасы, которые можно было принять за улыбку, высовывающими язык и подмигивающие глазом публике. Грудь их поднималась и опускалась, живот раздувался и опадал, словно он дышал. Говорят, что некоторые зрители (причем, почему-то исключительно мужчины) падали в обморок, а на одном из таких шоу в 1818 году ассистент главного анатома представления, уверовав, что труп ожил, схватил скальпель и перерезал ему горло, после чего оживший кадавр снова упал на анатомическом столе замертво. В основном такие представления проходили в Англии, где с 1752 по 1832 год закон запрещал хоронить тела казненных убийц, если они предварительно не были анатомированы.
В континентальной Европе масштабы подобных шоу, где гастролями с ними прославился племянник Гальвани Джованни Альдини, были скромнее. В основном опыты по гальванизации трупов носили здесь академический характер и проводились в тиши лабораторий. Самые заметные из них собрал в своей книге «Nouvelles expériences galvaniques, faites sur les organes musculaires de l’homme et des animaux à sang rouge» («Новые гальванические опыты на мышечных органах человека и животных с красной кровью») профессор парижской École de Médecine Пьер-Юбер Нистен. Он и сам изрядно поэкспериментировал на обезглавленных на гильотине «через 30–40 минут после казни» и пришел к выводу, что «сердце, несмотря на все утверждения, сделанные по сей день о его нечувствительности к гальванизму, из всех органов дольше всего сохраняет свою возбудимость под воздействием электричества и, следовательно, занимает первое место по продолжительности гальванической возбудимости, мои эксперименты доказывают это».
Время монструозных публичных «гальванизаций» трупов прошло, а интерес медиков и физиков к «животному электричеству» Гальвани не пропал. Напротив, они раз за разом повторяли опыты Гальвани, глядя на их результаты уже под другим углом зрения. С раздражителем мышц внешним источником тока все было предельно понятно. Они искали источник внутренний — то самое «животное электричество», о котором говорил Гальвани и которое из его опытов вычеркнул своими опытами Вольта. При этом особое внимание привлекало как раз сердце.
В отличие от других мышц, которые можно было напрягать и расслаблять по желанию, сердце работало само по себе, как часы, не требующие подзавода. Остановить его можно было только разрушив, но при этом его можно было остановить током и запустить током снова, если оно само останавливалось. Если биением сердца управляло «животное электричество», то его можно зарегистрировать и измерить, хотя бы тем же гальванометром. На эти эксперименты ушло больше ста лет, только в начале 1960-х годов сложилась полная картина природной электростимуляции сердца. А уточнение ее деталей идет до сих пор.
На сегодня она такова. Электрические импульсы с частотой от 60 до 100 в минуту в нормальных условиях генерируются в так называемом синусовом узле, небольшом участке сердечной ткани в правом предсердии, активируют сокращение предсердий, а затем проходят вниз по проводящим путям и заставляют сокращаться желудочки сердца и выталкивать кровь в сосуды. Генерация электричества в сердце идет на молекулярном уровне вследствие притока ионов натрия внутрь клетки и оттока ионов калия в обратном направлении во внеклеточную среду. Разность концентраций ионов внутри и снаружи вызывает образование на мембране клеток электрических потенциалов: положительного на наружной поверхности и отрицательного на внутренней поверхности. Величина разности потенциалов составляет трансмембранный потенциал покоя, имеющий отрицательную величину и равный –90 мВ.
Это самая общая картина. В проводящей системе сердца (ПСС) есть и другие узлы и проводящие волокна, и сбой в работе любого из них вызывает нарушение ритма сердечных сокращений в ту или иную сторону, вызывая брадикардию (чересчур редкий пульс) и тахикардию (более ста ударов в минуту) с соответствующими последствиями. В этих случаях как раз и был нужен искусственный, рукотворный кардиостимулятор.
Первыми измерили потенциалы действия сердечной мышцы профессора Вюрцбургского университета Альберт Кёлликер и Генрих Мюллер. Их доклад Über das elektromotorische Verhalten des Froschherzens («Об электродвижущих параметрах сердца лягушки) в 1856 году представил на обсуждение Берлинской академии наук ее член Эмиль Дюбуа-Реймон. Изобретенным им «санным аппаратом» (генератором индукционного тока) как раз пользовались в своих опытах Кёлликер и Мюллер.
«Открытие Дюбуа-Реймона позволило нам установить, что верхушка сердца ведет себя отрицательно, а поверхность, напротив, положительно, побудило нас более внимательно изучить электродвижущее поведение сердца лягушки», — сообщили Кёлликер и Мюллер прусским академикам. — Когда лягушачье сердце… продолжает пульсировать, можно наблюдать отрицательные колебания его электрического тока во время сокращения. А именно, стрелка множителя, отклоняемая током спокойного сердца в положительном квадранте, переходит в отрицательный квадрант с первой систолой… и также ясно показывает каждую систолу во время следующих колебаний, пока она не установится близко к нулю и с каждой диастолой немного смещается в положительный квадрант, а с каждой систолой — на небольшое смещение в отрицательный квадрант».
По своей сути это были первый электрокардиограф и первая электрокардиограмма. Так от эволюционного древа науки о «животном электричестве» отпочковался побег электрокардиографии и стал быстро расти. В 1887 году ЭКГ современного вида со знакомыми всем нам зубцами сокращения предсердий и желудочков записал в лондонской больнице доктор Огастес Уоллер с помощью кардиографа собственной конструкции на основе ртутного электрометра. И в своей статье «Демонстрация на человеке электродвижущих изменений, сопровождающих биение сердца», опубликованной в том же 1887 году в «The Journal of Physiology», он не забыл вспомнить кардиограф Кёлликера и Мюллера. В начале XX века появился кардиограф Виллема Эйнтховена, который использовался уже массово для диагностики сердечной недостаточности. В родной Голландии Эйнтховен получил патент на принцип его действия (а заодно британский, французский, а потом и американский патенты), а в 1924 году он получил Нобелевскую премию «за открытие механизма ЭКГ».
Кардиограф Эйнтховена
С этого времени начинается патентная история «животного электричества», точнее патентная история инструментов для его контроля и управления сердцем человека. Сначала это были единичные патенты, потом пошли десятками, а в послевоенное время сотнями. Сменилась парадигма здравоохранения. Остались в прошлом, по крайней мере в развитых странах, грандиозные эпидемии чумы, холеры, оспы, тифа, скарлатины, дифтерии, которые уносили в буквальном смысле миллионы жизней, и большая детская смертность. В послевоенное время на первое место в мире с большим отрывом от второй главной причины смертности (рака) вышла смертность от сердечно-сосудистых заболеваний. Разработка и производство кардиостимуляторов стало большим бизнесом, где свои законы, в том числе в отношении прав собственности на изобретения. Ну, и кроме этого, кардиологи теперь сами более отчетливо понимали и могли объяснить инженерам-электронщикам желательные технические характеристики и компоновку кардиостимулятора.
Бесплатный поиск, мониторинг и регистрация товарных знаков и других объектов интеллектуальной собственности.
Больше контента о сфере интеллектуальной собственности в нашем Telegram-канале
