L'histoire de la technologie implantable. Pacemaker

Depuis plus d'un demi-siècle, la littérature de science-fiction nous parle des gens du futur - les cyborg. Nous pouvons dire que l'avenir est déjà venu - en 2016, les cyborgs marchent parmi nous et vivent une vie mesurée. Ce sont des gens ordinaires, mais avec des stimulateurs cardiaques, des implants auditifs, des membres prothétiques et des biocapteurs. Aujourd'hui, nous allons parler de l'histoire des stimulateurs cardiaques, de l'appareil Lidville encombrant aux implants miniatures modernes.

L'invention du premier stimulateur cardiaque -

Mark Lidwill L'anesthésiste Mark Lidwill fut le premier à utiliser la méthode du stimulateur cardiaque. Lors d'une réunion du Congrès australo-asiatique en 1929 en Australie, il a décrit un appareil électrique qui anime un cœur humain. Cet appareil appliquait des décharges électriques de différentes puissances et fréquences; une électrode monopolaire a été insérée directement dans le cœur et une autre, indifférente, a été appliquée directement sur la peau après avoir mouillé dans une solution saline.

Le médecin a dit à toutes les personnes présentes qu'en utilisant un modèle plus primitif de cet équipement en 1925 et 1926, il a tenté de faire revivre des bébés mort-nés. L'un d'eux a vraiment pris vie et était en parfaite santé. Il a noté que cet enfant n'a pas répondu à d'autres traitements tels que les injections d'adrénaline qui étaient en usage à cette époque. Ensuite, Lidville a inséré l'aiguille d'électrode d'abord dans l'oreillette droite, puis, lorsque la stimulation auriculaire a échoué, dans le ventricule droit. Un stimulateur cardiaque de dix minutes a fait son effet, et lorsque Lidville a éteint le stimulateur cardiaque, le cœur a commencé à fonctionner.

Ce patient du Dr Lidville est considéré comme la première personne à avoir survécu à la stimulation, et l'appareil de Lidville est le premier stimulateur cardiaque artificiel. Selon le plan du médecin, l'appareil était destiné aux cas d'urgence lorsque le cœur du patient s'est arrêté sous anesthésie générale pendant la chirurgie.

Plus tard, le créateur du premier stimulateur cardiaque au monde a admis que l'appareil fonctionne avec un succès variable, mais une sur cinquante ou cent vies sauvées est un grand progrès lorsqu'il n'y a aucun espoir de sauver tout le monde. Cependant, le travail de Leadville est alors resté sans surveillance et n'a pas conduit à une percée en cardiologie.

Années 1930: stimulateur cardiaque artificiel Albert Hyman

Lors d'une thérapie intracardiaque pour arrêt cardiaque, Albert Hyman d'un hôpital de New York, Beth David a noté que le succès de cette procédure ne dépend pas du médicament utilisé, mais est causé par l'injection d'une aiguille dans le cœur. Il est arrivé à la conclusion que lorsque le cœur s'arrête, son équilibre électrodynamique peut être perturbé par une seule injection, ce qui peut entraîner un infarctus du myocarde. Quelques clichés pourraient améliorer les choses, mais c'est trop dangereux.
Étant donné que les stimuli mécaniques agissaient en modifiant le potentiel électrique, Hyman a eu l'idée de stimuler directement le myocarde par des impulsions électriques passant à travers les électrodes de l'aiguille, avec une stimulation répétée sans aucun risque. Puis Hyman a créé en 1932 un stimulateur cardiaque avec un design innovant pour l'époque. Il consistait en un générateur magnétoélectrique, nécessaire pour obtenir une électrode d'alimentation en courant continu. Deux grands aimants en forme de U ont fourni le flux magnétique nécessaire pour induire le courant dans le générateur. Un disque de hachage a été utilisé pour contrôler la durée de l'impulsion électrique fournie aux électrodes. Un tel appareil portable pesait 7,2 kilogrammes.

Des chercheurs modernes qui ont expérimenté avec le stimulateur cardiaque Hyman ont conclu qu'il était inefficace en raison de la faible tension de sortie des impulsions générées, et Hyman lui-même a reconnu les défauts de son stimulateur cardiaque.

Après 1945: stimulateur cardiaque John Hopps

Plusieurs années après la Seconde Guerre mondiale, l'intérêt pour les stimulateurs cardiaques artificiels dans la pratique cardiaque a été relancé grâce aux efforts de Callaghan, Bigelow et Hopps de Toronto au Canada. Au cours de leurs études sur l' hypothermie générale , ils ont remarqué qu'avec l'hypothermie, la probabilité d'un arrêt cardiaque est élevée.

Le contrôle de la fréquence cardiaque est crucial pour la survie pendant une période de réchauffement lorsque le métabolisme dans les tissus du corps s'accélère, et pour cela, l'ingénieur John Hopps du Conseil national de recherches du Canada a créé un stimulateur cardiaque artificiel qui peut produire le bon rythme cardiaque à travers les électrodes après de thoracotomie . L'appareil a passé avec succès des tests sur quatre chiens souffrant d'un arrêt cardiaque dû à une hypothermie.

Après des tests réussis, Hopps s'est rendu compte qu'un tel stimulateur cardiaque peut être utilisé de manière tout aussi efficace pour contrôler le pouls à une température corporelle normale. L'appareil a réussi à contrôler la fréquence cardiaque chez les animaux à température normale, mais a échoué aux tests humains. Les patients ont soudainement empiré en raison d'une violation de l'impulsion électrique des oreillettes aux ventricules après l'infarctus du myocarde. Très probablement, la raison de l'échec réside dans le fait que le stimulateur cardiaque était à chambre unique: seuls les oreillettes ont été stimulées, pas les ventricules.

Stimulateur Zoll et première utilisation clinique

La première utilisation clinique d'un stimulateur cardiaque a eu lieu en 1952. Cela s'est produit lors de l'admission d'un homme de 75 ans, lors de son admission à l'hôpital Beth-Isreel. Après deux syncopes causées par une forte diminution du débit cardiaque et une ischémie cérébrale due à des arythmies cardiaques, il a souffert d'un bloc cardiaque pendant deux ans. À l'hôpital, son état s'est aggravé - il a continué à subir des crises d' asystolie ventriculaire , malgré 34 injections intracardiaques d'adrénaline pendant 4 heures.

Le Dr Paul M. Zoll, MD, a appliqué une stimulation électrique externe à son patient et a réussi à stimuler son cœur pendant les 25 minutes suivantes. Malheureusement, le patient a développé plusieurs injections intracardiaques.la tamponnade cardiaque et la réanimation n'ont pas aidé.

Par la suite, Zoll a pu établir avec succès la fréquence cardiaque d'un autre homme de 65 ans présentant des crises d'asystolie ventriculaire similaires grâce à une procédure de stimulation électrique externe de cinq jours. À la fin du cinquième jour de traitement, le patient a atteint un rythme idioventriculaire accéléré de 44 battements par minute, et il a été libéré.



Dans un article publié en 1952, Zoll a décrit la réanimation cardiaque à l'aide d'électrodes sur la poitrine nue avec des impulsions de 2 ms à une tension comprise entre 100 et 150 volts sur la poitrine jusqu'à 60 battements par minute. Cette description clinique initiale a déclenché une évaluation complète de la stimulation. Les médecins et le public ont reconnu que les maladies cardiaques peuvent être vaincues à l'aide du rythme. Le travail de Zoll a servi de base à de futures recherches et développements.

Milieu des années 1950: Méthode Lillehay

Au milieu des années 1950, lorsque les médecins ont commencé à pratiquer la chirurgie à cœur ouvert, le bloc cardiaque postopératoire était un problème particulièrement grave pour les chirurgiens cardiaques. La stimulation électrique externe ne peut pas être utilisée pour les patients atteints de cette maladie, car une stimulation continue au fil du temps est nécessaire. Le chirurgien cardiaque Clarence Walton Lillehei et ses collègues de la faculté de médecine de l'Université du Minnesota ont commencé à développer un système plus sophistiqué. Ils ont été assistés par des ingénieurs de Medtronic , qui est devenu plus tard l'une des sociétés les plus célèbres au monde dans le domaine de la création de technologies de stimulateur cardiaque.

En 1957, les chercheurs ont découvert qu'en combinant un générateur d'impulsions avec des fils d'électrode attachés directement au cœur du chien, la fréquence cardiaque pouvait être contrôlée. Lillechai et son équipe ont donc présenté le premier stimulateur cardiaque à transistors au monde.

Le 30 janvier 1957, Lillechai a utilisé cette technique pour restaurer le rythme cardiaque d'un enfant ayant un bloc cardiaque. Il a subi une intervention chirurgicale pour réparer un défaut septal ventriculaire. Le cœur a été activé à l'aide d'impulsions d'une durée de 2 ms à une tension de 1,5 à 4,5 volts, ce qui est beaucoup moins que dans les expériences décrites par Zol. De plus, la méthode était efficace et bien tolérée par les patients.

1958: Oke Senning et Rune Elmqvist - naissance de stimulateurs cardiaques implantables

La méthode du stimulateur cardiaque développée par Lillechai n'a pas pu être maintenue pendant longtemps en raison du risque d'infection, a provoqué une gêne lors du port d'un stimulateur cardiaque et est devenue inefficace après quelques mois. La seule façon de prévenir l'infection - d'enlever les fils du corps par des incisions cutanées - a été l'impulsion pour le développement de stimulateurs cardiaques implantables.

Les premières tentatives ont été faites par le chirurgien Oke Senning et l'ingénieur Rune Elmqvist au Carolina University Hospital en Suède. Le premier stimulateur cardiaque a été implanté le 8 octobre 1958 à Arne Larsson, 43 ans, avec un bloc cardiaque complet et le syndrome de Morgagni-Adams-Stokes. L'opération a réussi, mais trois heures après l'implantation, le stimulateur cardiaque s'est cassé. Un bloc similaire a été implanté le lendemain, mais cela n'a pas fonctionné. Enfin, il a été décidé d'abandonner la stimulation de ce patient jusqu'à ce que des analogues plus efficaces soient développés.

Heureusement, les attaques de Morgagni-Adams-Stokes ne dérangeaient plus le patient pendant les trois prochaines années jusqu'à ce qu'il reçoive un deuxième implant. Au final, il a subi 24 interventions chirurgicales et a vécu jusqu'en 2001, date à laquelle il est décédé à l'âge de 86 ans d'une tumeur maligne non apparentée.

Ces tentatives de création d'un stimulateur cardiaque implantable ont joué un rôle important dans la création d'appareils à l'échelle industrielle à un prix raisonnable. Le développement dans ce domaine a été bien financé. La première production de stimulateurs cardiaques a commencé en 1970.

1970: mise à niveau des stimulateurs cardiaques implantables



Au tout début des années 70, les fabricants envisageaient sérieusement d'utiliser l'énergie nucléaire pour alimenter les stimulateurs cardiaques. Les appareils utilisaient l'énergie de désintégration du plutonium-238, qui était convertie en énergie électrique. Malgré sa durée de vie vraiment longue de 10 à 20 ans et sa fiabilité à 99%, l'exposition aux rayonnements a bloqué tous les avantages. Les scientifiques n'ont pas recommandé l'utilisation de l'énergie nucléaire pour alimenter les stimulateurs cardiaques, et finalement ces appareils n'ont pas été largement reconnus.

Pendant la croissance explosive des innovations technologiques en 1973-1980, les stimulateurs cardiaques produits en 1970 sont rapidement devenus obsolètes. Les fabricants se sont concentrés sur l'amélioration de la source d'alimentation utilisée par les stimulateurs cardiaques. L'alimentation est importante car elle détermine la durabilité et la fiabilité en combinaison avec le type de batterie qui sera utilisé à l'avenir, le poids et le volume du stimulateur cardiaque. Après plusieurs expériences infructueuses avec des batteries au nickel-cadmium et au mercure-zinc, la batterie au lithium a été adoptée comme source d'énergie relativement durable.

En plus d'assurer la longue durée de vie du stimulateur cardiaque, les batteries lithium-ion ont permis de sceller les générateurs d'impulsions. Cette source d'alimentation s'est développée au cours des années suivantes comme batterie alternative préférée pour les stimulateurs cardiaques implantables.

Circuits programmables et intégrés

Les premières tentatives dans le sens de la programmabilité, c'est-à-dire des modifications du stimulateur implanté pour fonctionner de manière non invasive, ont été faites en 1931. La General Electric Company a fabriqué un stimulateur cardiaque dont la fréquence du pouls a été modifiée par un interrupteur magnétique bistable. Le patient pouvait choisir entre 70 battements par minute au repos ou 100 battements par minute pendant l'activité physique, en changeant l'interrupteur avec un aimant externe. Après cela, aucune tentative de programmation d'un stimulateur cardiaque n'a été faite avant 1972, lorsque Medtronic a introduit un dispositif programmable avec des engrenages fixés à de petits aimants à barreaux à l'intérieur d'un générateur d'impulsions implantable.

En 1973, la société a introduit un autre stimulateur cardiaque, dont la vitesse peut être modifiée par des signaux radiofréquence transmis par le programmateur. Peu de temps après, la programmabilité est devenue une propriété intégrale des stimulateurs cardiaques implantables.

De plus, le circuit hybride utilise moins d'énergie de la batterie car il ne l'utilise que lors de l'exécution d'actions telles que l'ouverture ou la fermeture du commutateur. Le schéma hybride a également permis aux fabricants de réduire leurs générateurs et d'assurer la fiabilité et la longévité des stimulateurs cardiaques.

Années 80: stimulateurs cardiaques à double chambre

À cette époque, presque tout le monde comptait sur des stimulateurs cardiaques pour des circuits intégrés hybrides et des batteries au lithium qui contrôleraient de manière fiable le rythme cardiaque pendant au moins 8 ans. Depuis 1983, certains fabricants de stimulateurs cardiaques aux États-Unis ont commencé à concurrencer dans la nouvelle arène technologique des stimulateurs cardiaques à double chambre. Contrairement aux stimulateurs cardiaques à chambre unique, les deux chambres stimulent simultanément deux zones: les ventricules et les oreillettes.

Les fabricants et les médecins ont fait valoir que les stimulateurs cardiaques à double chambre offrent une meilleure coordination entre les contractions auriculaires et ventriculaires et une émulation plus étroite avec un rythme cardiaque naturel et donnent un effet physiologique notable. Malgré tous les avantages, il était difficile pour les médecins de trouver de nouveaux appareils et de s'habituer à de nouveaux indicateurs: fréquence cardiaque, amplitude et durée. Les stimulateurs cardiaques à deux chambres étaient plus chers que les stimulateurs cardiaques à chambre unique, qui en 1989 détenaient encore 75% du marché des stimulateurs cardiaques aux États-Unis.

Années 90: boom de l'implantation d'un stimulateur cardiaque

Le nombre exact d'opérations d'implantation d'un stimulateur cardiaque au cours de cette décennie est difficile à nommer: en 1997 seulement, la plage varie de 192 000 à 317 000 implants. La croissance violente est due à plusieurs raisons. Premièrement, entre 1990 et 1999, le nombre de personnes âgées présentant un risque élevé d'arythmies cardiaques a augmenté. Deuxièmement, les cardiologues ont appris à déterminer rapidement et avec précision les premiers symptômes de la bradycardie et de l'ECG et pouvaient planifier une opération à temps. Enfin, une nouvelle méthode invasive d'ablation par cathéter radiofréquence a légèrement augmenté le nombre d'implants. Au cours de cette période, les médecins ont clairement perçu le stimulateur cardiaque comme un appareil nécessaire pour le traitement des maladies cardiaques.

Présent

Aujourd'hui, un stimulateur cardiaque est un appareil électronique complexe qui se compose de trois composants principaux: une coque en titane, un circuit électronique et une batterie lithium-ion, qui durera de 5 à 10 ans. La technologie moderne vous permet de créer des stimulateurs cardiaques de la taille d'une montre pour homme.
L'implantation d'un stimulateur cardiaque se déroule en plusieurs étapes. Tout d'abord, le chirurgien cardiaque fait une incision et met en évidence l'une des veines ou des artères - le plus souvent, c'est la veine latérale du bras ou de l'artère sous-clavière. Ensuite, une ou plusieurs électrodes sont insérées à travers la veine dans le cœur et l'emplacement correct des électrodes est vérifié à l'aide de l'unité externe du complexe matériel-logiciel. Enfin, l'appareil lui-même est installé dans une poche sous-cutanée, connectée aux électrodes, puis l'incision est suturée.

Source: https://habr.com/ru/post/fr400047/