History and perspectives of the defibrillation

Abstract

History of the discovery of fibrillation and defibrillation, stages of the development of the concept of defibrillation are described in the article. The differences in mechanisms of different types of defibrillation are given here. The modern state of defibrillation and future trends are discussed in our article.

Full Text

Введение

Электрическая дефибрилляция миокарда на сегодняшний день является неотъемлемой частью современной кардиологии и реаниматологии. Внезапная сердечная смерть, вызванная фибрилляцией желудочков, – одна из ведущих причин смертности в мире. История открытия дефибрилляции и разработки аппаратов для ее проведения намного длиннее, чем может показаться на первый взгляд. Человека всегда интересовала возможность воскрешения мертвых, дефибрилляция частично способна дать эту возможность. Процесс становления дефибрилляции отражает историю медицины в целом, он полон как мистических методов возвращения к жизни, трудно понятных механизмов, случайных открытий, так и международной политики и взаимодействия с другими науками. В нашей статье мы хотим провести краткий экскурс в историю данной тематики и показать, какие перспективы ждут дефибрилляцию в будущем.

Открытие механизмов фибрилляции

История появления концепции дефибрилляции неразрывно связана с открытием электрофизиологических механизмов работы сердца и первых опытов с электричеством.

В 1745 г. голландский физик Питер ван Мушенбрук (рис. 1) создал первый в истории конденсатор, присоединив проводник от электростатического генератора, работавшего благодаря натиранию шара серы руками или тканью, к гвоздю, опущенному в банку с водой. Конденсатор получил название «лейденовская банка» от города Лейден, где работал Мушенбрук [1].

Рис. 1. Питер ван Мушенбрук, его электростатический генератор и «лейденовская банка».

Fig. 1. Peter van Muschenbrook, his electrostatic generator and "Leiden Bank".

Хотя заряда «банки» хватало всего на миллисекунды, она привлекла большое внимание физиков, в частности Бенджамина Франклина, который пытался описать механизм работы изобретения [2]. Первый примитивный конденсатор сыграл важную роль в развитии науки о дефибрилляции в будущем.

Одним из первых, кто пытался изучить влияние электричества на живой организм, был Джованни Бьянки. В 1755 г. он обнаружил, что собаки после удара электрическим током падают без сознания, у них останавливается дыхание, а несколько позже оживают вновь [3].

Другим экспериментатором был датский ветеринар П. Абдлиггард, который в 1755 г. опубликовал работу, описывающую убийство цыплят ударом электрического тока в голову и их последующее оживление ударом тока в грудную клетку [4].

Первый документированный случай «дефибрилляции» и оживления человека с помощью электрического тока произошел в Лондоне в 1774 г. Трехлетняя София Гринхил, выпавшая из окна и считавшаяся мертвой, была оживлена лондонским аптекарем Сквайерсом разрядом тока, после чего девочка начала дышать, через 10 мин ее стошнило, несколько дней она находилась в ступорозном состоянии, далее у нее не сохранилось каких-либо симптомов [5].

В первой половине XIX в. появилось множество работ, касающихся анатомии и электрофизиологии сердца. В 1842 г. при изучении коронарного кровотока английский ученый Эричсен описал фибрилляцию желудочков [6]. Карл Людвиг и его ученик Моритц Хофф впервые смогли индуцировать фибрилляцию путем непосредственной стимуляции сердец собак электрическими импульсами [7, 8].

Британский физиолог Джон Макуильям описал фибрилляцию желудочков как «хаос среди волокон сердца, превращающий орган в “беспомощный колчан” и лишающий тело кислорода» [9].

Первые опыты дефибрилляции

Большой вклад в изучение фибрилляции внесли Жан-Луи Прево (рис. 2) и его ассистент Фредерик Баттели. Решив повторить опыт Хоффа и Людвига, в 1899 г. они обнаружили, что под действием переменного электрического тока напряжением 110–220 В у экспериментальных животных развивается фибрилляция желудочков, которая может быть купирована путем удара переменным током значительно большего напряжения (2400–4800 В) длительностью около 1 с [10]. Восстановление синусового ритма отмечалось только при ударе током в первые 15 с от начала фибрилляции желудочков. Электроды накладывали не на грудную клетку, а в рот и прямую кишку животного. Несмотря на успехи в провоцировании фибрилляции, механизмы дефибрирующего эффекта оставались не ясны. Позднее Прево и Бателли пытались остановить фибрилляцию желудочков путем разряда конденсатора, однако трудности с этим методом (отсутствие конденсаторов большой емкости, необходимость установки одного электрода непосредственно на миокард) заставили вернутся к опытам с переменным током [11].

Рис. 2. Жан-Луи Прево. Из архива библиотеки г. Женевы.

Fig. 2. Jean-Louis Prevost. From the Geneva library archive.

Следующая волна интереса к возможности электрической дефибрилляции началась в 1920-е годы. Особых успехов в этой области достиг Университет Джона Хопкинса, где профессор инженерии Вильям Кувенховен (рис. 3) совместно с коллегами изучал процессы воздействия переменного тока на миокард.

Рис. 3. Вильям Кувенховен.

Fig 3. William Couwenhoven.

Исследователи заново открыли возможность дефибрилляции миокарда переменным током высокого напряжения, не зная об уже существующих публикациях Прево и Бателли. В отличие от своих предшественников ученые устанавливали электроды на грудную клетку подопытных животных и использовали ток меньшего напряжения – 275 В в течение 50–60 с [12, 13].

Ученые Феррис, Кинг, Спенс, Уильямс в 1936 г. изучали возможности дефибрилляции животных, соразмерных массе человека (овцы, свиньи, телята). Для успешной дефибрилляции требовался ток напряжением до 3000 В и продолжительностью около 60–100 мс [14]. Дефибрилляция была эффективной в 60% случаев, если ее применяли в первые 55 с от начала фибрилляции.

Важный шаг в истории развития дефибрилляции сделал американский ученый Карл Виггерс. В 1940 г. он опубликовал работу, в которой описывались механизмы индуцирования фибрилляции желудочков. По его теории, фибрилляция желудочков возникает, когда новое сокращение желудочков возникает до завершения предыдущего (зубец R накладывается на зубец Т). Период, когда прошлое сокращение еще не завершилось, а новое уже может начаться, Виггерс назвал «уязвимым» [15]. Также он поставил ряд экспериментов по прекращению фибрилляции желудочков на открытом сердце собак воздействием переменного тока. Однако ученый был скептически настроен по отношению к возможности использования дефибрилляции трансторакально. Он считал, что это потребовало бы использования тока слишком большого напряжения, потенциально могло вызвать ожоги у пациента и повредить центральной нервной системе [16].

Отечественная школа дефибрилляции

Пока на Западе пытались создать эффективный дефибриллятор, работающий на переменном токе, в СССР доктор Лина Соломоновна Штерн (рис. 4), бывшая студентка Прево и Баттели, руководитель Института физиологии, вместе с научным сотрудником Института Наумом Лазаревичем Гурвичем (рис. 5) изучали возможность дефибрилляции постоянным током от конденсатора через электроды, расположенные на грудной клетке [17].

Рис. 4. Лина Соломоновна Штерн.

Fig 4. Lina Solomonovna Stern.

Рис. 5. Наум Лазаревич Гурвич за проведением эксперимента.

Fig 5. Naum Lazarevich Gurvich conducts the experiment.

Сравнивая переменный и постоянный токи, Гурвич обнаружил, что последний более эффективен и менее травмоопасен при восстановлении синусового ритма. В опытах электроды накладывались на грудную клетку на линию, схожую с современной постановкой электродов. В первых экспериментах дефибрилляция осуществлялась непосредственным разрядом конденсатора через грудную клетку, но вскоре выяснилось, что при подключении к электронной цепи индуктора значительно снижается необходимое напряжение, что делает метод безопаснее [18]. Индуктор «сглаживал» начальное напряжение конденсатора, не давая высокому напряжению в начальный момент времени повредить ткани, а общая энергия разряда сохранялась путем удлинения его времени [19]. В 1945 г. были опубликованы результаты исследований на английском языке [20].

Работы Н.Л. Гурвича так и остались малоизвестными за пределами СССР. Наум Лазаревич выдвинул свою теорию механизма дефибрилляции: импульсная дефибрилляция является результатом возбуждающего действия электричества на сердечную мышцу, заставляя ее «перезагрузиться» и прервать механизм re-entry [16]. В то время западные ученые, используя для дефибрилляции переменный ток, считали, что фибрилляция прекращается из-за временного паралича сердечной мышцы, вызванного воздействием переменного тока.

В чем преимущество импульсной дефибрилляции? Основной недостаток дефибрилляции с переменным током – высокое напряжение (1000 В и более) и длительность импульса (до 1 с, в то время как при импульсной оптимальным считается 10 мс). Это оказывает повреждающее действие на миокард и проводящую систему сердца. Одиночный разряд при импульсной дефибрилляции лишен данных недостатков, что делает его намного безопаснее и эффективнее [19].

Первый серийный импульсный дефибриллятор конструкции Гурвича ИД-1-ВЭИ (импульсный дефибриллятор первый Всесоюзного электротехнического института) начал выпускаться в 1952 г. [21] (рис. 6). Поначалу дефибрилляторы использовали только на открытом сердце в кардиохирургии [22]. В СССР трансторакальную дефибрилляцию впервые применили в Институте хирургии им. А.В. Вишневского в 1959 г. [23].

Рис. 6. Первый серийный импульсный дефибриллятор СССР ИД-1-ВЭИ, 1952.

Fig 6. The first serial impulse defibrillator in the USSR «ID-1-VEI», 1952.

В 1958 г. американский сенатор, будущий вице-президент США Хьюберт Хамфри, при поездке в СССР посетил лабораторию Гурвича. Он был настолько поражен разработками ученого, что по приезде в США заявил: «Давайте соревноваться с СССР в исследованиях по обратимости смерти» [24].

Следующим этапом усовершенствования дефибрилляторов было применение двухфазных импульсов. В 1957 г. Н.Л. Гурвич публикует первые данные о применении двухфазных импульсов при дефибрилляции [11]. По данным Гурвича, если придать импульсу синусоидальную форму, то напряжение можно снизить еще вдвое без потери эффективности дефибрилляции, тем самым еще больше уменьшая повреждающее действие на миокард.

Огромный вклад в развитие отечественных дефибрилляторов внес Игорь Викторович Венин. Инженер по образованию, он являлся одним из ведущих специалистов в области медицинских дефибрилляторов. Под его руководством было создано несколько поколений дефибрилляторов. Новые модели становились меньше и удобнее в использовании, некоторые поставлялись сразу с ЭКГ-монитором [25, 26].

Первые биполярные дефибрилляторы появились в 1972 г. ДИ-3 (дефибриллятор импульсный-3), первый примененный в клинике, являлся совместной разработкой Гурвича и Венина. В основе его работы лежал квазисинусоидальный биполярный импульс (позже названный импульсом Гурвича–Венина) [27, 28].

Отечественные разработки в сфере дефибрилляции намного опережали западные. Первые статьи о преимуществе биполярных импульсов стали появляться лишь в 1980–1990-е годы [29], а в клиническую практику они вошли только с 1996 г. [30, 31].

Развитие дефибрилляции на Западе

Как уже было сказано, западные исследователи дефибрилляции выбрали другой путь – использование переменного тока. Основываясь на работах Вильяма Кувенховена, доктор Клод Бэк в 1947 г. успешно провел дефибрилляцию 14-летнему мальчику во время операции на открытом сердце. Он поставил 2 электрода непосредственно на сердце и сделал 4 удара током мощностью 110 В, после чего фибрилляция желудочков прекратилась [32]. Это дало толчок к началу использования дефибрилляторов с переменным током в клинической практике.

Длительное время на Западе не удавалось применять импульсный ток трансторакально [33]. Первый, кто на Западе смог успешно его применить, был Бернард Лаун (рис. 7). В 1962 г. они совместно с инженером Барухом Берковицем создали импульсный кардиовертер-дефибриллятор (КД). В опытах со своим устройством им удалось восстановить синусовый ритм у всех 9 пациентов с первого раза и без каких-либо осложнений. Комментируя полученные результаты, ученые и не скрывали, что в основе их работы лежали исследования Гурвича [34].

Рис. 7. Бернард Лаун и его дефибриллятор.

Fig 7. Bernard Lown and his defibrillator.

 

Современный этап развития дефибрилляторов

Современные наружные дефибрилляторы с каждым годом совершенствуются и уже доступны для использования людьми немедицинской профессии. Такие устройства обладают способностью самостоятельно оценивать сердечный ритм, сопровождая голосовыми командами последовательность действий и меры предосторожности при их использовании. Это позволяет устанавливать дефибрилляторы в местах массовых скоплений людей, давая возможность оказать экстренную помощь до приезда медицинских работников.

Несмотря на большой спектр наружных дефибрилляторов, все еще продолжают появляться новые технологии. Так, например, недавно было опубликовано рандомизированное исследование эффективности автоматического наружного дефибриллятора, доставляемого к пострадавшему с помощью дрона [35]. Критерием оценки было время, за которое возможно использовать автоматический наружный дефибриллятор после обращения в службу спасения. Данная технология может ускорить оказание экстренной помощи пациенту с развившимся жизнеугрожающим нарушением ритма.

Еще одно эффективное изобретение – носимый КД, рекомендованный к использованию широкому кругу пациентов с риском развития внезапной сердечной смерти [36]. Он представляет из себя легкий жилет, который пациент может носить под одеждой, занимаясь своей повседневной деятельностью. Жилет непрерывно контролирует сердечный ритм пациента, и, если обнаруживается жизнеугрожающее нарушение, устройство производит разряд для восстановления нормального ритма сердца.

Особое внимание уделяется совершенствованию технологий имплантируемых КД (ИКД). ИКД играет одну из ведущих ролей в профилактике внезапной сердечной смерти. По данным Федеральной службы государственной статистики (Росстат) 2017 г., в России в 2016 г. от внезапной сердечной смерти умерли более 300 тыс. человек. Первый ИКД был успешно установлен пациенту в 1980 г. в Госпитале Джона Хопкинса кардиохирургом Леви Уаткинсоном. В настоящее время существует несколько разновидностей ИКД – одно-, двух- и трехкамерные. Все они улучшают прогноз пациентов и рекомендованы к использованию в качестве профилактики первичной и вторичной внезапной сердечной смерти в разных клинических ситуациях [37–40].

Одной из задач было создание «умного» устройства, чтобы дифференцировать различные типы нарушений сердечного ритма и соответствующим образом на них реагировать, что позволяет избежать ненужных разрядов. Современные технологии включают более длительный запас батареи ИКД, улучшенное программирование, позволяющее уменьшить вероятность ошибочных разрядов, в том числе внедрение устройств, содержащих четырехполярные проводники, и создание ИКД, совместимых с проведением магнитно-резонансной томографии.

Таким образом, появление различных видов дефибрилляторов позволяет бороться с большим спектром сердечно-сосудистых заболеваний, своевременно выявлять и устранять жизнеугрожающие нарушения ритма, значительно улучшая прогноз пациентов.

Заключение

История открытия дефибрилляции является отражением всей истории медицины, она включает в себя полумистические методы оживления человека, случайные открытия, сложности в понимании механизмов и, наконец, появление эффективных методов, которые ежедневно спасают тысячи жизней. Наука о дефибрилляции не стоит на месте, продолжается поступательное развитие в данной сфере. Самое главное, что сегодня врачи могут спасти человека от аритмии, которая еще 70–100 лет назад считалась смертельной и неизлечимой.

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Conflict of interests. The authors declare no conflict of interest.

Список сокращений

ИКД – имплантируемый кардиовертер-дефибриллятор

КД – кардиовертер-дефибриллятор