Создан беспроводной кардиостимулятор

Для людей с аритмией часто единственным спасением оказывается электрокардиостимулятор, или искусственный водитель ритма. Нарушения частоты сокращений и вообще любые аномалии в сердечном ритме серьёзно сказываются на состоянии всего организма и могут в особо тяжёлых случаях привести к смерти, так что, когда с помощью лекарств нормализовать сердечный ритм не удаётся, человеку ставят постоянный ритмоводитель. 

Это устройство представляет собой один или несколько электродов, соединённых с источником электрических импульсов. Электроды вводятся в сердце, источник импульсов вживляется под кожу. И работает вся эта конструкция до тех пор, пока у стимулятора не сядут батарейки. После этого придётся снова проделать небольшую операцию и поставить новые источники питания.

Со временем кардиостимуляторы становились всё меньше, а электроды с проводками стало возможным вводить в сердце с помощью катетера просто через вены. Но каким бы маленьким ни был стимулятор и какими бы тонкими ни были его провода, ему всё равно нужно менять батарейки, а это означает неизбежную операцию. Кроме того, проводки с электродами, тянущиеся к сердцу, могут изнашиваться, и время от времени их тоже нужно менять. И возникает очевидный вопрос: нельзя ли сконструировать беспроводной кардиостимулятор, да такой, чтобы источник импульсов можно было вообще поместить вне тела?

Над этой задачей задумались ещё в 60-е годы прошлого века, и, в общем, принципиальное решение пришло довольно быстро: кардиостимулятор можно организовать как трансформатор Тесла, у которого одна часть находится снаружи, а другая – в сердце. Электромагнитное поле наружной части устройства будет генерировать электрический ток в его внутренней, «сердечной» части, так что можно обойтись без проводов и вживления источника тока под кожу. Но воплотить эту идею на практике не удалось: чтобы передать электромагнитный сигнал сквозь ткани внутрь тела, наружная часть устройства должна была развивать мощность в 100 Ватт – с такой мощностью пациент просто бы сгорел. 

Очевидно, нужно было придумать передатчик, который был бы более безопасным и при этом мог бы передавать электромагнитные импульсы во внутреннюю часть стимулятора. Решить эту задачу удалось Аде Пун (Ada S. Y. Poon) и её коллегам из Стэнфордского университета.

 По словам исследователей, идея с трансформатором Тесла в принципе была не слишком удачной, так как электромагнитная энергия от его наружной части расходится в разные стороны, и, чтобы хоть что-то перепало внутренней части стимулятора, мощность устройства должна быть очень высокой. Вместо этого исследователи сконструировали передатчик, который фокусировал электромагнитное поле в нужном направлении, в сторону внутрисердечного имплантата. 

Передатчик этот выглядит как квадратная пластина со стороной около 6 см, в которой с частотой 1,6 гигагерц бегает переменный ток; траектория тока такова, что электромагнитная волна идёт прямо к внутрисердечному приёмнику. (Технология эта напоминает ту, что используется для передачи сигнала в мобильной связи.) Приёмник же и является собственно стимулятором, при этом по размеру он не больше рисового зерна. 

Стимулятор, питаемый снаружи электромагнитным полем, генерирует исправляющий импульс в сердце. Здесь опять же не нужно никаких проводов, а сам генератор поля можно просто держать на груди безо всяких операций. При этом он может быть во много раз слабее приспособления, основанного на трансформаторе Тесла. 

Новый стимулятор авторы работы проверили на моделях сердца и мозга и человека, а потом вживили обычному кролику. Ритмоводитель прекрасно контролировал частоту сокращений кроличьего сердца, при этом наружная его часть не перегревалась и кожу кролику не обжигала. Что же до клинического использования, то по примерным прикидкам такие кардиостимуляторы могут стать общедоступными где-то лет через 5-10.

В статье в Proceedings of the National Academy of Sciences исследователи говорят о том, что их технологию можно использовать не только для кардиостимуляторов, но и вообще для широкого спектра медицинских устройств, – например, для кохлеарных имплантатов, у которых наружный микрофон и преобразователь акустического сигнала соединены проводами с чипом в улитке уха.

Впрочем, как раз в случае кохлеарных имплантатов недавно появилась другая беспроводная технология: в феврале этого года исследователи из Массачусетского технологического института сообщили о создании устройства, которое обходится без внешнего микрофона и преобразователя, используя в качестве источника акустических сигналов слуховые косточки уха. Специальный микрочип считывает акустическую информацию со слуховых косточек и передаёт на электромагнитной волне в приёмник во внутреннем ухе. Конечно, чтобы генерировать электромагнитные волны, тут тоже должен быть источник питания, но, как уверяют авторы технологии, перезарядить такой имплантат можно беспроводным способом.

Что же до самих кардиостимуляторов, то тут есть некоторые альтернативные решения. Ранее в этом же году в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences  вышла статья исследователей из Иллинойсского университета в Урбане и Шампейне, в которой они описывали, как можно заставить кардиостимулятор работать от самого сердца – для получения энергии от сердечных сокращений авторы работы использовали пьезоэлектрический эффект. Это опять же позволяет избавиться от проводов и вообще от внешнего источника питания; в пользу этой работы говорит также то, что пьезоэлектрические имплантаты были успешно испытаны на крупных животных, таких, как коровы и свиньи. Теперь остаётся только выяснить, какая из предложенных технологий будет наиболее безопасной и предсказуемой.