Die Geschichte der implantierbaren Technologie. Schrittmacher

Seit mehr als einem halben Jahrhundert erzählt uns die Science-Fiction-Literatur von den Menschen der Zukunft - den Cyborg-Menschen. Wir können sagen, dass die Zukunft bereits gekommen ist - 2016 gehen Cyborgs unter uns und führen ein gemessenes Leben. Sie sind normale Menschen, aber mit Herzschrittmachern, Hörimplantaten, Prothesen und Biosensoren. Heute werden wir über die Geschichte der Herzschrittmacher sprechen, vom sperrigen Lidville-Apparat bis zu modernen Miniaturimplantaten.

Die Erfindung des ersten Schrittmachers -

Mark Lidwill. Der Anästhesist Mark Lidwill war der erste, der die Schrittmachermethode verwendete. Bei einem Treffen des australisch-asiatischen Kongresses 1929 in Australien beschrieb er einen elektrischen Apparat, der ein menschliches Herz antreibt. Dieses Gerät legte elektrische Entladungen verschiedener Leistung und Frequenz an; Eine monopolare Elektrode wurde direkt in das Herz eingeführt, und eine andere, gleichgültige, wurde nach dem Benetzen in Salzlösung direkt auf die Haut aufgebracht.

Der Arzt sagte allen Anwesenden, dass er 1925 und 1926 mit einem primitiveren Modell dieser Ausrüstung versuchte, totgeborene Babys wiederzubeleben. Einer von ihnen wurde wirklich lebendig und war vollkommen gesund. Er bemerkte, dass dieses Kind nicht auf andere Behandlungen wie Adrenalin-Injektionen ansprach, die zu dieser Zeit verwendet wurden. Dann führte Lidville die Elektrodennadel zuerst in das rechte Atrium und dann, wenn die atriale Stimulation fehlschlug, in den rechten Ventrikel ein. Ein zehnminütiger Schrittmacher hatte seine Wirkung, und als Lidville den Schrittmacher ausschaltete, begann das Herz zu arbeiten.

Dieser Patient von Dr. Lidville gilt als die erste Person, die die Stimulation erfolgreich überlebt hat, und der Lidville-Apparat ist der erste künstliche Schrittmacher. Nach dem Plan des Arztes war das Gerät für Notfälle vorgesehen, bei denen das Herz des Patienten während der Operation unter Vollnarkose stehen blieb.

Später gab der Schöpfer des weltweit ersten Schrittmachers zu, dass das Gerät mit unterschiedlichem Erfolg funktioniert, aber eines von fünfzig oder einhundert geretteten Leben ist ein großer Fortschritt, wenn es keine Hoffnung gibt, alle zu retten. Leadvilles Arbeit blieb dann jedoch unbeaufsichtigt und führte nicht zu einem Durchbruch in der Kardiologie.

1930er Jahre: Albert Hyman Künstlicher Schrittmacher

Während der intrakardialen Therapie bei Herzstillstand stellte Albert Hyman von einem New Yorker Krankenhaus, Beth David, fest, dass der Erfolg dieses Verfahrens nicht von den verwendeten Medikamenten abhängt, sondern durch die Injektion einer Nadel in das Herz verursacht wird. Er kam zu dem Schluss, dass wenn das Herz stoppt, sein elektrodynamisches Gleichgewicht durch eine einzige Injektion gestört werden kann, was zu einem Myokardinfarkt führen kann. Ein paar Schüsse könnten die Dinge verbessern, aber es ist zu gefährlich.
Da mechanische Reize durch Änderung des elektrischen Potentials wirkten, kam Hyman auf die Idee, das Myokard durch elektrische Impulse, die durch die Nadelelektroden laufen, direkt zu stimulieren, wobei die Stimulation ohne Risiko wiederholt wurde. Dann schuf Hyman 1932 einen Herzschrittmacher mit einem für diese Zeit innovativen Design. Es bestand aus einem magnetoelektrischen Generator, der erforderlich war, um eine Gleichstromversorgungselektrode zu erhalten. Zwei große U-förmige Magnete lieferten den notwendigen Magnetfluss, um Strom im Generator zu induzieren. Eine Schneidscheibe wurde verwendet, um die Dauer des den Elektroden zugeführten elektrischen Impulses zu steuern. Ein solches tragbares Gerät wog 7,2 Kilogramm.

Moderne Forscher, die mit dem Hyman-Schrittmacher experimentierten, kamen zu dem Schluss, dass er aufgrund der niedrigen Ausgangsspannung der erzeugten Impulse unwirksam war, und Hyman selbst erkannte die Mängel seines Schrittmachers.

Nach 1945: John Hopps Schrittmacher

Einige Jahre nach dem Zweiten Weltkrieg wurde das Interesse an künstlichen Herzschrittmachern in der Herzpraxis dank der Bemühungen von Callaghan, Bigelow und Hopps aus Toronto in Kanada wiederbelebt. Im Verlauf ihrer Studien zur allgemeinen Unterkühlung stellten sie fest, dass bei Unterkühlung die Wahrscheinlichkeit eines Herzstillstands hoch ist.

Die Herzfrequenzkontrolle ist entscheidend für das Überleben während einer Erwärmungsphase, in der sich der Stoffwechsel im Körpergewebe beschleunigt. Aus diesem Grund hat der Ingenieur John Hopps vom National Research Council of Canada einen künstlichen Schrittmacher entwickelt, der die richtigen Rhythmusimpulse über die Elektroden erzeugen kann von Thorakotomie . Das Gerät bestand erfolgreich Tests an vier Hunden, die aufgrund von Unterkühlung an einem Herzstillstand litten.

Nach erfolgreichen Tests erkannte Hopps, dass ein solcher Schrittmacher gleichermaßen effektiv zur Steuerung des Pulses bei normaler Körpertemperatur eingesetzt werden kann. Das Gerät kontrollierte erfolgreich die Herzfrequenz bei Tieren bei normaler Temperatur, schlug jedoch bei Tests am Menschen fehl. Die Patienten verschlechterten sich plötzlich aufgrund einer Verletzung des elektrischen Impulses von den Vorhöfen zu den Ventrikeln nach einem Myokardinfarkt. Der Grund für das Versagen liegt höchstwahrscheinlich in der Tatsache, dass der Herzschrittmacher einkammerig war: Nur die Vorhöfe wurden stimuliert, nicht die Ventrikel.

Zoll Schrittmacher und erste klinische Anwendung

Die erste klinische Anwendung eines Herzschrittmachers erfolgte 1952. Dies geschah während der Aufnahme eines 75-jährigen Mannes, als er in das Beth-Isreel-Krankenhaus eingeliefert wurde. Nach zwei Synkopen, die durch einen starken Rückgang des Herzzeitvolumens und eine zerebrale Ischämie aufgrund von Herzrhythmusstörungen verursacht wurden, litt er zwei Jahre lang an einer Herzblockade . Im Krankenhaus verschlechterte sich sein Zustand - trotz 34 intrakardialer Adrenalininjektionen über 4 Stunden trat bei ihm weiterhin eine ventrikuläre Asystolie auf .

Dr. Paul M. Zoll, MD, wandte bei seinem Patienten eine externe elektrische Stimulation an und stimulierte sein Herz für die nächsten 25 Minuten erfolgreich. Leider entwickelte der Patient mehrere intrakardiale Injektionen.Herztamponade und Wiederbelebung halfen nicht.

In der Folge konnte Zoll dank eines fünftägigen externen Elektrostimulationsverfahrens die Herzfrequenz eines weiteren 65-jährigen Mannes mit ähnlichen Anfällen von ventrikulärer Asystolie erfolgreich bestimmen. Am Ende des fünften Therapietages erreichte der Patient einen beschleunigten idioventrikulären Rhythmus von 44 Schlägen pro Minute und wurde entlassen.



In einem 1952 veröffentlichten Artikel beschrieb Zoll die Herzreanimation mit Elektroden an der nackten Brust mit Impulsen von 2 ms bei einer Spannung im Bereich von 100 bis 150 Volt an der Brust bis zu 60 Schlägen pro Minute. Diese erste klinische Beschreibung löste eine umfassende Bewertung der Stimulation aus. Ärzte und die Öffentlichkeit haben erkannt, dass Herzkrankheiten mit Hilfe der Stimulation besiegt werden können. Zolls Arbeit diente als Grundlage für zukünftige Forschung und Entwicklung.

Mitte der 1950er Jahre: Lillehay-Methode

Mitte der 1950er Jahre, als Ärzte erstmals mit Operationen am offenen Herzen begannen, war der postoperative Herzblock ein besonders ernstes Problem für Herzchirurgen. Bei Patienten mit dieser Krankheit konnte keine externe elektrische Stimulation verwendet werden, da eine kontinuierliche Stimulation über die Zeit erforderlich ist. Der Herzchirurg Clarence Walton Lillehei und Kollegen von der University of Minnesota School of Medicine begannen, ein ausgefeilteres System zu entwickeln. Sie wurden von Ingenieuren von Medtronic unterstützt , das später zu einem der bekanntesten Unternehmen der Welt auf dem Gebiet der Entwicklung von Schrittmachertechnologien wurde.

Bis 1957 fanden die Forscher heraus, dass durch die Kombination eines Impulsgenerators mit Elektrodendrähten, die direkt am Herzen des Hundes angebracht sind, die Herzfrequenz gesteuert werden kann. So stellten Lillechai und sein Team den weltweit ersten Transistorschrittmacher vor.

Am 30. Januar 1957 verwendete Lillechai diese Technik, um den Herzrhythmus eines Kindes mit einem Herzblock wiederherzustellen. Er wurde operiert, um einen ventrikulären Septumdefekt zu reparieren. Das Herz wurde mit Impulsen von 2 ms Dauer bei einer Spannung von 1,5 bis 4,5 Volt aktiviert, was viel weniger ist als in den von Zol beschriebenen Experimenten. Darüber hinaus war die Methode wirksam und wurde von den Patienten gut vertragen.

1958: Oke Senning und Rune Elmqvist - Geburt implantierbarer Herzschrittmacher

Die von Lillechai entwickelte Schrittmachermethode konnte aufgrund des Infektionsrisikos nicht lange aufrechterhalten werden, verursachte Unbehagen beim Tragen eines Schrittmachers und wurde nach einigen Monaten unwirksam. Die einzige Möglichkeit, eine Infektion zu verhindern - Drähte durch Hautschnitte aus dem Körper zu entfernen - war der Anstoß für die Entwicklung implantierbarer Herzschrittmacher.

Die ersten Versuche unternahmen der Chirurg Oke Senning und der Ingenieur Rune Elmqvist am Carolina University Hospital in Schweden. Der erste Schrittmacher wurde am 8. Oktober 1958 dem 43-jährigen Arne Larsson mit vollständigem Herzblock und Morgagni-Adams-Stokes-Syndrom implantiert. Die Operation war erfolgreich, aber drei Stunden nach der Implantation brach der Schrittmacher. Ein ähnlicher Block wurde am nächsten Tag implantiert, aber dies funktionierte nicht. Schließlich wurde beschlossen, die Stimulation für diesen Patienten aufzugeben, bis erfolgreichere Analoga entwickelt wurden.

Glücklicherweise störten Morgagni-Adams-Stokes-Anfälle den Patienten die nächsten drei Jahre nicht mehr, bis er ein zweites Implantat erhielt. Am Ende unterzog er sich 24 chirurgischen Eingriffen und lebte bis 2001, als er im Alter von 86 Jahren an einem nicht verwandten bösartigen Tumor starb.

Diese Versuche, einen implantierbaren Schrittmacher herzustellen, spielten eine bedeutende Rolle bei der Herstellung von Geräten im industriellen Maßstab zu einem vernünftigen Preis. Die Entwicklung in diesem Bereich wurde gut finanziert. Die erste Produktion von Herzschrittmachern begann 1970.

1970: ein Upgrade auf implantierbare Herzschrittmacher



Anfang der 70er Jahre dachten die Hersteller ernsthaft darüber nach, Kernenergie zur Stromversorgung von Herzschrittmachern einzusetzen. Die Geräte verwendeten die Zerfallsenergie von Plutonium-238, die in elektrische Energie umgewandelt wurde. Trotz seiner wirklich langen Lebensdauer von 10 bis 20 Jahren und einer Zuverlässigkeit von 99% blockierte die Strahlenexposition alle Vorteile. Wissenschaftler empfahlen die Verwendung von Kernenergie zur Stromversorgung von Herzschrittmachern nicht, und letztendlich fanden solche Geräte keine breite Anerkennung.

Während des explosiven Wachstums technologischer Innovationen in den Jahren 1973-1980 wurden Herzschrittmacher, die 1970 hergestellt wurden, schnell überholt. Die Hersteller haben sich auf die Verbesserung der Stromquelle für Herzschrittmacher konzentriert. Das Netzteil ist wichtig, da es die Haltbarkeit und Zuverlässigkeit in Kombination mit dem in Zukunft verwendeten Batterietyp, dem Gewicht und dem Volumen des Herzschrittmachers bestimmt. Nach mehreren erfolglosen Experimenten mit Nickel-Cadmium- und Quecksilber-Zink-Batterien wurde die Lithiumbatterie als relativ langlebige Energiequelle eingesetzt.

Lithium-Ionen-Batterien gewährleisten nicht nur die lange Lebensdauer des Herzschrittmachers, sondern ermöglichen auch das Abdichten von Impulsgeneratoren. Diese Stromquelle hat sich in den folgenden Jahren als bevorzugte alternative Batterie für implantierbare Herzschrittmacher entwickelt.

Programmierbare und integrierte Schaltungen

Die ersten Versuche in Richtung Programmierbarkeit, dh Modifikationen des implantierten Stimulators, um nicht-invasiv zu arbeiten, wurden bereits 1931 unternommen. Die General Electric Company stellte einen Herzschrittmacher her, dessen Pulsfrequenz durch einen bistabilen Magnetschalter geändert wurde. Der Patient kann zwischen 70 Schlägen pro Minute in Ruhe oder 100 Schlägen pro Minute bei körperlicher Aktivität wählen und den Schalter mit einem externen Magneten wechseln. Danach wurden Versuche zur Programmierung eines Herzschrittmachers erst 1972 unternommen, als Medtronic ein programmierbares Gerät mit Zahnrädern einführte, die an kleinen Stabmagneten in einem implantierbaren Impulsgenerator angebracht waren.

1973 stellte das Unternehmen einen weiteren Schrittmacher vor, bei dem die Geschwindigkeit durch über den Programmierer übertragene Hochfrequenzsignale geändert werden kann. Bald darauf wurde die Programmierbarkeit zu einer integralen Eigenschaft implantierbarer Herzschrittmacher.

Darüber hinaus verbraucht die Hybridschaltung weniger Batteriestrom, da sie nur verwendet wird, wenn Aktionen wie das Öffnen oder Schließen des Schalters ausgeführt werden. Das Hybridschema ermöglichte es den Herstellern auch, ihre Generatoren zu reduzieren und die Zuverlässigkeit und Langlebigkeit von Herzschrittmachern sicherzustellen.

1980er Jahre: Zweikammer-Schrittmacher

Zu diesem Zeitpunkt vertrauten fast alle auf Herzschrittmacher für integrierte Hybridschaltungen und Lithiumbatterien, die den Herzschlag mindestens 8 Jahre lang zuverlässig steuern würden. Seit 1983 haben einige Schrittmacherhersteller in den USA begonnen, auf dem Gebiet der neuen Zweikammer-Schrittmachertechnologie zu konkurrieren. Im Gegensatz zu Einkammer-Herzschrittmachern stimulieren Zweikammer gleichzeitig zwei Zonen: Ventrikel und Vorhöfe.

Hersteller und Ärzte argumentierten, dass Zweikammer-Herzschrittmacher eine bessere Koordination zwischen atrialen und ventrikulären Kontraktionen und eine engere Emulation mit einem natürlichen Herzschlag ermöglichen und einen spürbaren physiologischen Effekt erzielen. Trotz aller Vorteile war es für Ärzte schwierig, neue Geräte zu finden und sich an neue Indikatoren zu gewöhnen: Herzfrequenz, Amplitude und Dauer. Zweikammer-Herzschrittmacher waren teurer als Einkammer-Herzschrittmacher, die 1989 noch 75% des US-amerikanischen Schrittmachermarktes besaßen.

1990er Jahre: Boom bei der Schrittmacherimplantation

Die genaue Anzahl der Schrittmacherimplantationsoperationen in diesem Jahrzehnt ist schwer zu benennen: Allein 1997 variiert der Bereich zwischen 192.000 und 317.000 Implantaten. Gewalttätiges Wachstum hat mehrere Gründe. Erstens stieg zwischen 1990 und 1999 die Zahl älterer Menschen mit einem hohen Risiko für Herzrhythmusstörungen. Zweitens lernten Kardiologen, die ersten Symptome von Bradykardie und EKG schnell und genau zu bestimmen und eine Operation rechtzeitig zu planen. Und schließlich hat eine neue invasive Methode zur Hochfrequenzkatheterablation die Anzahl der Implantate leicht erhöht. Während dieser Zeit sahen die Ärzte den Herzschrittmacher eindeutig als ein notwendiges Mittel zur Behandlung von Herzerkrankungen an.

Die Gegenwart

Heute ist ein Herzschrittmacher ein komplexes elektronisches Gerät, das aus drei Hauptkomponenten besteht: einer Titanhülle, einer elektronischen Schaltung und einer Lithium-Ionen-Batterie, die eine Lebensdauer von 5 bis 10 Jahren hat. Dank moderner Technologie können Sie Herzschrittmacher in der Größe einer Herrenuhr herstellen.
Die Implantation eines Herzschrittmachers erfolgt in mehreren Schritten. Zunächst macht der Herzchirurg einen Einschnitt und hebt eine der Venen oder Arterien hervor - meistens die laterale Vene des Arms oder der Arteria subclavia. Dann werden eine oder mehrere Elektroden durch die Vene in das Herz eingeführt und die korrekte Position der Elektroden wird unter Verwendung der externen Einheit des Hardware-Software-Komplexes überprüft. Schließlich wird das Gerät selbst in eine subkutane Tasche eingebaut, die mit den Elektroden verbunden ist, und dann wird der Einschnitt genäht.

Source: https://habr.com/ru/post/de400047/