Třiačtyřicetiletý inženýr Arne Larsson ležel v kritickém stavu v nemocnici ve Stockholmu. Po otravě ústřicemi na služebním pobytu na stavbě Asuánské přehrady v Egyptě dostal prudkou virózu, která mu poškodila srdce. Už půl roku se jeho stav neustále horšil. Srdce mělo bít okolo sedmdesáti úderů za minutu, ale zvládalo pouhých dvacet až třicet. Pacient trpěl Stokes-Adamsovým syndromem – často upadal do bezvědomí, protože mozek dostával málo krve.
Sestry a lékaři ho museli budit úderem do hrudi, v posledních deseti dnech až třicetkrát za den. Bylo to nebezpečné, mohli mu ublížit – ale jiný způsob probuzení neexistoval. Také to mohl být úplný konec. Ani kardiologové na špičkové klinice Karolinska v Solně na severu Stockholmu neznali účinný způsob léčby těchto obtíží.
Nemocný potřeboval kardiostimulátor, který by trvale řídil jeho srdeční tep. Takový přístroj na klinice měli, ale byl velký jako noční stolek a k pacientům ho připojovali jenom v kritických okamžicích. Nemohli ho mít trvale.
Srdce je úžasný motor – bije stotisíckrát denně. To je obrovský výkon. Není divu, že postavení jeho skříňového popoháněče považovali odborníci za zázrak. Pro pacienta, který leží v posteli, stačí konstantní rychlost okolo sedmdesát tepů za minutu.
Zmenšit ho do velikosti puku, který by do člověka všili, by bylo fantazií. Navíc by měl mít možnost počet tepů zvyšovat a snižovat podle stupně námahy. O to by byl přístroj složitější.
Přesto o něm šéf výzkumu elektronické firmy Elema-Sconander (dnes Siemens-Elema) dr. Rune Elmqvist uvažoval. Už delší dobu experimentoval se stimulováním srdce elektrickými impulzy na pokusných zvířatech. Do přístrojů, které k tomu sestrojoval, dával miniaturní elektronické prvky hned, jak se objevovaly na trhu.
„Často se říká, že můj otec sestrojil první kardiostimulátor na kuchyňském stole, ale to není pravda,“ vzpomínal jeho syn Hakan Elmqvist, profesor lékařské techniky na Institutu Karolinska, největší švédské lékařské univerzitě, v časopisu Circulation. „Je však pravdou, že první kardiostimulátory montoval do kulatých krabiček od krému na boty značka Kiwi.“
Samozřejmě tyto schránky musel Elmqvist důkladně očistit a vysterilizovat. Do nich umístil dva křemíkové tranzistory, efektivnější než staré germaniové, dvě kadmiové baterie a oscilátor, který dodával srdci elektrické impulzy o frekvenci 72 za minutu. „Na vlastní srdeční akci nemocného však nebyl schopen reagovat,“ upozornil Martin Riedel v Dějinách kardiologie. Přesto to byl pokrok.
Přístroj o velikosti hokejového puku – přesněji o průměru 55 milimetrů a výšce 16 milimetrů – zalil Elmqvist do epoxidové pryskyřice, jejíž výborné vynikající vlastnosti se projevily u podmořských kabelů. Před implantací do pacientovy hrudi ho chtěl ještě vyzkoušet na pokusných zvířatech. Navíc si nebyl jistý jeho spolehlivostí.
Když se o experimentování dověděla paní Else-Marie Larssonová, snažila se ho uprosit: „Udělejte jeden přístroj pro mého manžela.“ Elmqvist se dlouho rozmýšlel. Bylo to riziko – pacient mohl během zákroku zemřít. Nakonec se s kardiochirurgy domluvil. Zkusí to. Lékaři odhadovali, že pacient má před sebou několik týdnů života. Kdyby mu nový aparát přidal další měsíce, považovali by to za vítězství.
Ovšem manželé Larssonovi museli písemně stvrdit, že veškeré nebezpečí berou na sebe. Nemocnice se rozhodla pro začátek zákrok utajit – kdyby se nepovedl, mohli by jí politici a novináři spílat, že nezodpovědně experimentuje s lidskými životy.
Ve středu 8. října 1958 v podvečer nechal primář Ăke Senning přivézt Larssona na sál. Za asistence uruguayského kolegy Orestese Fiandra mu rozřízl hruď jako při běžné operaci srdce a v břiše usadil kardiostimulátor, jehož dvě elektrody všil do pacientova srdce.
Musel však vyvést dráty od baterie z těla ven. Zdroj totiž vydržel jenom dvacet minut. Neustále ho ze zásuvky dobíjeli. Existovalo i další omezení. Frekvence 72 tepů za minutu se nedala měnit. Pacient tedy nemohl reagovat na zátěž. Ovšem kardiostimulátor fungoval. Občasné bezvědomí už Larssona nestravovalo. Vyhráli jsme! „Šlo o první zcela implantovaný elektrický přístroj v dějinách lékařství,“ upozornil Riedel.
Rune Elmqvist v roce 1930 (před sebou nemá kardiostimulátor, ale galvanometr).
Byl to předčasný jásot. Po osmi hodinách kardiostimulátor selhal. Senning musel přístroj vyměnit za druhý, který měl prozíravý Elmqvist připravený. Vydržel šest týdnů. Potom dostal pacient další.
Mnozí lékaři byli skeptičtí: to není přístroj pro běžného člověka. Nemohl by se pohybovat, pracovat, nosit věci. Ani Senning příliš nevěřil, že otevřeli cestu kupředu. Přiznal to na zasedání americké Asociace pro hrudní chirurgii v dubnu 1959.
Jeho první pacient však tuto skepsi nepotvrzoval. S dalším přístrojem žil tři roky. Potom mu implantovali kardiostimulátor dokonalejší. Zpravidla vždy po jednom či dvou letech dostával nový typ. Celkem jich vystřídal pětadvacet. Naštěstí už nemuseli rozřezávat hrudník. Aparatury přišívali těsně pod kůži pod klíční kostí a elektrody vedli k srdci cévami. Implantace probíhala při místním umrtvení a kardiologovi netrvala déle než půl hodiny.
Inženýr Larssen mohl dál vykonávat své povolání. Jako elektrotechnik létal po světě a kontroloval elektrická zařízení lodí. Zemřel v prosinci 2001 na rakovinu kůže ve věku šestaosmdesáti let.
Průkopníci elektrického oživování
Rune Elmqvist se narodil 1. prosince 1909 v jihošvédském Lundu. Medicínskými přístroji se zabýval už během studia. V roce 1931, ještě jako vysokoškolák, postavil lepší a levnější tiskárnu EKG. Na lékaře ho promovali v roce 1939, ale toto povolání nikdy nevykonával. Zajímal ho vývoj zdravotnických přístrojů, a proto vystudoval inženýrství. Nastoupil k elektronické firmě Elema-Schonander ve Stockholmu, v roce 1940 ho jmenovali šéfem výzkumu.
Svou pozornost soustředil na aparatury pro podporu srdeční činnosti. Kardiochirurgové stále častěji operovali pacienty s těžkými chorobami srdce. Po otevření hrudníku je museli odpojit od krevního oběhu. Jakmile dokončili zákrok a zapojili krevní oběh, mělo srdce opět naskočit a začít pumpovat krev. To se často nepovedlo, protože se koordinace jednotlivých svalových vláken vytratila – každé vlákno se smršťovalo a uvolňovalo nezávisle na ostatních, takže srdce jako celek nebylo schopno pracovat. Vznikla srdeční fibrilace.
Nicméně fibrilující srdce nebylo mrtvé, jenom mrtvolně odpočívalo. A jak ho přimět k životu? Vstříkli na něj roztok chloridu draselného, po němž znehybnělo, ale chirurg ho jemně masíroval, dokud se nerozběhlo. Pokud nenaskočilo do pěti minut, nemělo smysl se o to dál pokoušet – nastaly nevratné změny v mozku. Nastartovat opět srdce tímto způsobem se však dařilo jen v asi desetině případů.
Lékaři si připomínali pokusy Itala Luigi Galvaniho z konce 18. století, který zjistil, že mrtvé žáby reagují na elektrický proud. Možná by i v tomto případě pomohly elektrické podněty.
Už koncem 19. století lékaři zjistili, že fibrilaci, což je nejčastější arytmie, zastaví silnější stejnosměrný elektrický výboj a vyvolá normální rytmus. Neměli však techniku, která by jim tuto defibrilaci umožnila využívat při léčbě pacientů. Až v roce 1947 to vyzkoušel třiapadesátiletý kardiochirurg Claud S. Beck při operaci čtrnáctiletého chlapce v nemocnici Johnse Hopkinse v Baltimoru. Defibrilátor zkonstruoval spolu se svým přítelem Johnem Randem. A to byl průlom – tyto aparatury začali stavět i dalších odborníci a defibrilace začala pomáhat mnoha pacientům přežít zástavu srdce.
Chci to menší
Elmqvist zkonstruoval defibrilátor za asistence primáře oddělení experimentální chirurgie Senninga. Přístroj se osvědčil. Stockholmská nemocnice se tak zařadila do první ligy zdravotnických zařízení na světě.
Nicméně vynálezce nebyl spokojen. Přemýšlel o sestrojení aparatury k trvalé podpoře srdeční činnosti, kterou by pacientovi implantovali do těla. I tady existovaly určité vzory, o které se mohl opřít.
První umělý kardiostimulátor postavil australský fyzik Edgar Booth pro anesteziologa Marka C. Lidwella v ženské nemocnici v Sydney v roce 1926. Jeho pomocí přivedl lékař k životu právě narozené dítě. Přístroj si však nenechal patentovat a po mnoho let o něm mlčel, protože se obával protestů ortodoxních duchovních. Kolegy o tom informoval na kongresu až po třech letech.
Článek z časopisu Popular Science z října 1933 popisující práci Alberta Hymana
V roce 1931 ho následoval Albert Hyman v New Yorku – za pomoci svého bratra Charlese vytvořili elektromechanické zařízení „k resuscitaci zastaveného srdce“, které nazval „umělý kardiostimulátor“. „Šlo o těžký a velký přístroj, z něho dodávalo dynamo, ručně poháněné rumpálem, stejnosměrný proud,“ napsal Riedel. „Impulzy byly tvořeny mechanickým diskovým přerušovačem proudu, poháněným pružinou. Srdeční stimulace bylo dosaženo bipolární jehlovou elektrodou vpíchnutou přes hrudní stěnu do oblasti pravé síně.“ Na přelomu února a března 1932 ho zkoušeli na pokusných zvířatech – ze 43 případů měli úspěch u 14.
V angličtině se pro tento přístroj vžilo označení „pacemaker“. Vyšli ze slova „pace“, které znamená krok. Takže to byl „krokovač“. U nás se pro kardiostimulátor ujal lidový termín „budík“ – budí tep.
V roce 1933 dokončili Hymanové třetí model Hymanotor, který byl technicky velmi vyspělý. Testovali ho i nadále na zvířatech a v jednom případě se osvědčil i u pacienta. Jejich úsilí však označili někteří náboženští fanatici za „rouhání bohu“, proto v něm nepokračovali. Vynálezu se ujala německá firma Siemens, která sestrojila další prototyp, ale práce přerušila válka.
Rovněž někteří další lékaři v Kanadě a ve Spojených státech se pokoušeli využívat elektrického proudu k léčbě vybraných kardiaků. Avšak pro pacienta bylo připojení na přístroj dost bolestivé a nepříjemné. Objemný přístroj museli zapojit do zásuvky s elektrickým proudem, takže hrozilo nebezpečí úrazu. „Přes všechny tyto problémy se rychle rozpoznalo, že jde o metodu volby u nemocných s jinak téměř neléčitelnými Adamsovými-Stokesovými záchvaty, a podnítilo to intenzivní úsilí o zdokonalení této metody,“ napsal Riedel.
Dva roky pokusů na psech
Všechny tyto potíže Elmqvist znal a náboženských protestů se neobával. Do stavby miniaturního kardiostimulátoru, který by se dal implantovat pacientovi pod kůži, se mohl pustit i proto, že měl k dispozici nejmodernější techniku – malé tranzistory a baterie s dlouho životností.
Vynálezce si chtěl nechat kardiostimulátor patentovat. Když mu však oznámili, kolik to stojí, začal od toho ustupovat. Navíc pořád pochyboval: Uplatní se ten přístroj v praxi? Vždyť má tolik nedostatků!
Ano, měl pravdu. Byly velké a těžké, nepůsobily synchronně s činností srdce, což pacientům vadilo. „Spotřebovávaly velmi mnoho energie a baterie se vybíjely nejen stimulačními impulzy, ale i únikem elektřiny do okolí (stimulátor nemohl být hermeticky uzavřen, protože se ze zinko-rtuťových baterií uvolňoval vodík),“ shrnoval Riedel. „Netěsným obalem stimulátoru do něho prosakovala tělesná tekutina, která během jednoho až dvou let zničila elektroniku a vedla k náhlému výpadu jeho funkce.“
Nápad postavit kardiostimulátor pro pacienta dostali ve stejné době i dva Američané. Ve Veteránské nemocnici v Buffalu s nimi experimentovali primář chirurgie William Chardack a inženýr Wilson Greatbatch. Postupovali náramně opatrně. První přístroj implantovali Chardack a jeho kolega Andrew Gage pokusnému psu 7. května 1958. Další dva roky je stále zkoušeli na psech.
Teprve 6. června 1960 ho dali sedmasedmdesátiletému pacientovi, který byl na pokraji smrti. Následovalo šestnáct dalších implantací. Zklamaly pacienty i odborníky: deset se nepovedlo kvůli obtížím s přenosem signálů, u pěti předčasně selhaly baterie, u jedné se porouchala mikroelektronika a tři vyvolaly infekce. Greatbatch je dál zlepšoval. A o dva roky později zaznamenal průlom – dodal kardiologům aparaturu synchronní se srdcem.
I ostatní konstruktéři kardiostimulátory zdokonalovali. Zavírali je do hermetických kovových schránek, dnes potahují povrch titanem, osazovali je miniaturizovanou elektronikou s vyšší spolehlivostí a kvalitnějšími bateriemi.
Zlom přinesl v roce 1972 Greatbatch – začal do nich montovat lithiové baterie, které byly velmi stabilní a vydržely řadu let. Lithium-jodové baterie vyvinuli vědci z americké Ústřední zpravodajské služby CIA pro své potřeby, ale po čase je uvolnili pro běžný trh. „Napětí lithiového článku se snižovalo postupně a nikoli náhle jako u rtuťové baterie, takže lékař získal dostatek času k výměně kardiostimulátoru,“ pochvaloval si Riedel.
Wilson Greatbatch
V Československu postavil jeho prototyp inženýr Vladimír Bičík pro docenta Bohumila Pelešku, ředitele Výzkumného ústavu pro elektroniku a modelování v lékařství. První aparaturu implantovali českému pacientovi v březnu 1965.
Ocenění
V roce 1957 udělila stockholmská univerzita dr. Runemu Elmqvistovi čestný doktorát. O dvacet let později ho vyznamenala Zlatou medailí Švédská královská akademie technických věd. „Byl důmyslný inženýr,“ hodnotil ho dr. Rals Rydén z kliniky Karolinska.
„Musím připustit, že první kardiostimulátor jsem považoval za technickou kuriozitu,“ přiznal se Elmqvist na mezinárodním kongresu ve Vídni v roce 1983. „Ovšem je fantastické vidět jejich ohromný vývoj.“
Dr. Senning ve Stockholmu nezůstal. Využil nabídky z Curychu a v roce 1961 přesídlil do tamní univerzitní nemocnice jako profesor. Stěhovala se celá rodina – žena, tři synové a dcera.
V roce 1969 provedl první transplantaci srdce ve Švýcarsku. Do penze odešel v sedmdesáti letech. Zemřel v Curychu po dlouhé nemoci 21. července 2000 ve věku čtyřiaosmdesáti let.
Rude Elmqvist odešel dřív – dva týdny po oslavě svých devadesátin 15. prosince 1996. Zůstala po něm manželka a dva synové.
Wilson Greatbatch se zařadil mezi největší americké vynálezce. Do 27. září 2011, kdy zemřel, získal přes 350 patentů na nejrůznější přístroje. Dožil se dvaadevadesáti let.
Podle Hakana Elmqvista jeho otec vynalezl několik pozoruhodných přístrojů, ale implatibilní kardiostimulátor považoval za své nejdůležitější dílo. „Myslím, že dnes má kardiostimulátor na pět milionů lidí a vznikl z toho velký průmysl,“ poznamenal syn v roce 2007 v časopisu Circulation.
„Smrt způsobená Stokes-Adamsovým syndromem prakticky vymizela a většina pacientů s kardiostimulátorem žije normální život. Před zavedením tohoto přístroje mělo naději na přežití jednoho roku pouze 50 procent pacientů.“ Ve Spojených státech implantují ročně lidem půl milionu kardiostimulátorů. V České republice ho má přes sto tisíc lidí.
Lékaři postupně rozšiřují paletu možností poruch srdečního rytmu, které mohou tyto přístroje tlumit a tím vracet lidi do normálního života.
V bezdrátovém spojení s lékařem
Dnešní kardiostimulátory synchronní se srdcem jsou ploché kulaté krabičky o průměru tří centimetrů a váze okolo 30 gramů. Jejich životnost záleží na kapacitě baterie – pět až šestadvacet let. Tyto přístroje jsou založeny na stejném technickém principu jako ten první. To nejlépe svědčí o genialitě jejich švédského vynálezce.
Ovšem nejmodernější typ už se této podobě vymyká. Má v sobě komunikační čip, který bezdrátově jednou denně přenáší údaje o činnosti do nemocnice, kde ordinuje lékař. Vypadá jako mikrotužková baterie a vpravuje se přímo do těla vpichem do cévy v tříslu, odkud putuje do hrotu pravé srdeční komory. Zákrok trvá čtvrt hodiny. „Tělem nejsou vedeny žádné dráty,“ vysvětlil profesor Petr Neužil, primář kardiologie nemocnice Na Homolce v Praze. „Tím klesá riziko infekce a mechanické poruchy elektrod. Pacient se může více hýbat, je to pohodlnější a kosmeticky příznivější.“
První bezdrátové kardiostimulátory, které vyvinula americká firma Nanostim, implantovali Na Homolce v zimě 2012–2013 šestnácti českým pacientům. Každý přístroj vydrží nejméně šest let a potom se vymění za nový.
Lékaři majitele kardiostimulátorů varují před jediným nebezpečím: nesmějí se dostat do kontaktu se silným elektrickým polem, musí se proto například vyhýbat detekčním rámům u vstupu do úřadů a na letištích. Pracovníkům ostrahy se vykazují mezinárodním průkazem. Ovšem to jsou drobnosti, s nimiž se dá žít.
Text je upravenou kapitolou z knihy Géniové XX. století.
