Корейцы сделали «пластырь» с дефибриллятором и баллистокардиографом

Корейские инженеры разработали сенсор, совмещающий в себе датчики давления, электроды ЭКГ и дефибриллятора. В отличие от используемых в современной аритмологии устройств, электрод можно просто наклеить на поверхность сердца, как пластырь. Эксперименты с моделью сердца и in vivo на кролике показали, сенсор не отторгается, а его функции позволяют выявлять и лечить тахи- и брадиаритмии. Как показали авторы статьи, опубликованной в Science Advances, с помощью датчика можно не только оценить характер аритмии и частоту сокращений сердца, но и понять, как страдает кровообращение организма во время приступа.

Первый имплантируемый электрокардиостимулятор был создан в 1958 году, и за прошедшие годы эти устройства прошли путь до высокотехнологичных имплантируемых автономных аппаратов, почти нечувствительных к окружающим магнитным полям, способных подстраиваться под уровень физической активности своего хозяина, хранить данные об электрической активности сердца и передавать их медикам по Wi-Fi (осталось только научиться безопасно хранить эти данные).

Несмотря на огромный прогресс в области, определенные сложности остаются. Имплантируемые устройства, обеспечивающие кардиостимуляцию и контролирующие электрическую активность сердца (электрокардиостимуляторы, устройства сердечной ресинхронизирующей терапии, имплантируемые кардиовертеры-дефибрилляторы и, в последнее время, модуляторы сердечных сокращений) требуют подведения электродов внутрь полостей сердца, что чревато нежелательными последствиями. Во-первых, введение электродов в вену может осложняться кровотечением из подключичной вены во время операции или после нее. Во-вторых, электрод, годами находящийся в камерах сердца, является потенциальным очагом инфекций крови, популяционные исследования оценивают частоту этого серьезного осложнения более чем в полпроцента.

В последние годы компании, занимающиеся разработкой устройств, которые по мнению разработчиков должны минимизировать эти риски – например, предлагают кардиостимулятор без электродов, целиком находящийся в полости правого желудочка. Есть и варианты эпикардиальной стимуляции, когда электрод прикреплен снаружи. Такой метод может выступать альтернативой для пациентов с крайне высоким риском инфекционных осложнений или для детей, у которых сердце растет и эндокардиальный электрод будет постоянно смещаться. Но из-за сложностей обеспечения фиксации электрода и сложностей с координацией сокращения технология не получает широкого распространения.

Корейские инженеры и врачи под руководством Хван Чжэ-Чхоля (Hwang Jae Chul) предложили способ, продолжающий идею эпикардиальной электрокардистимуляции. Они создали многокомпонентный электрод суммарной толщиной чуть больше миллиметра, который прикрепляется прямо на наружную оболочку сердца, эпикард. В отличие от большинства прототипов, создаваемых в последнее время, датчик способен измерять растяжение и сокращение сердечной стенки, что роднит методику с развивавшейся в середине прошлого веса баллистокардиографией, которая перестала использоваться с появлением эхокардиографии.

Конструкция состоит из 11 слоев толщиной суммарно около миллиметра, функционально составляющих три части. Нижняя часть, контактирующая с сердцем, матрица из 100 транзисторов, где между электродами, находящимися в разных слоях сенсора, проложен перфорированный силиконовый слой. Сжатие этого слоя под действием сокращения сердца ведет к изменению электрического сопротивления воздуха в отверстиях, а обработка этого сигнала позволяет создать карту давления сердца на разные участки контакта с сенсором. Следующий слой датчика – золотые электроды для записи ЭКГ и стимулирующие платиновые электроды толщиной 60 нанометров. Наконец, снаружи сенсор был укрыт катехолальгинатным слоем, который становился клейким при контакте с мышцей в присутствии ионов кальция. При необходимости его можно было снять вместе с датчиком с поверхности сердца, не повредив нижележащую мышцу.

Эксперименты с прототипом показали, что он довольно точно измеряет деформации сердечной мышцы и позволяет определять изменение давления в пределах 200 килопаскаль (в последующем эксперименте с животным пиковые значения были в 2-2,5 раза ниже), а разрешающая способность сенсора позволяла ему работать при диапазонах давления, характерных для сердечно-ссудистой системы человека. За 5000 сжатий и растяжений (примерно 1,5 часа работы сердца человека в покое) и за два месяца нахождения в условиях температуры и pH, близким к человеческим, признаков деградации сенсора не было. Ответ на разную силу сокращения сердца зависит от толщины мышцы. Жесткая и неподатливая гипертрофированная стенка оказывала меньше давления на электрод при более высоком давлении в полости камеры, что позволило косвенно еще и оценить выраженность гипертрофии миокарда.

Получив подтверждение того, что электрод работает, систему имплантировали на сердце живого кролика (управление осуществлялось через компьютер, не через имплантируемое устройство). Как и ожидали автор методики, что матрица из ста транзисторов, охватывающая участок сердца животного 10×10 миллиметров, воспроизводит силу сокращения отдельных участков сердечной мышцы с разрешением в один миллиметр.  

Стимулирующий электрод работал и в ситуации медикаментозной брадикардии, и при проведении дефибрилляции. Электрическая активность сердца была видна на ЭКГ, зарегистрированной электродами датчика. В эксперименте со сверхчастой стимуляцией (до 580  в минуту) было показано, что амплитуда сокращений сердечной мышцы падает с ростом частоты стимуляции. Это происходит из-за того, что сердце при большой частоте сокращений не успевает наполниться кровью в диастолу, именно это и лежит в основе симптомов остановки сердца при таких тахикардиях. Чем более низкое давление стенки левого желудочка показывал датчик, тем ниже было кровенаполнение в подъязычной артерии животного.

Наблюдение за животным в течение 10 недель и последующее гистологическое исследование тканей не показало признаков иммунного ответа на имплантат или признаков его деградации. Правда, он оказался непроницаемым для ультразвука, и при УЗИ-исследовании сердца кролика часть органа, лежащая под датчиком, оказалась черным пятном.

Предложенная методика примечательна несколькими особенностями. Во-первых, сочетание механических и электрических характеристик активности сердца дает важную информацию о гемодинамической значимости аритмии. У разных пациентов некоторые виды аритмий могут вызывать разные последствия – от легкого головокружения до клинической смерти, и если аритмия возникает редко или в сне, то сама ее регистрация не всегда позволяет понять ее значимость. Кроме того, оценка силы сокращения отдельных участков миокарда при нагрузке может помочь в оценке ишемии сердечной мышцы, поскольку в условиях кислородного голодания сердце сокращается слабее.

Медицинские диагностические устройства не стоят на месте, и мы тщательно протоколируем их развитие. Из недавнего - портативный УЗИ-датчик и контактные линзы для лечения глаукомы. А если датчик должен крепиться к телу, то его расположение всегда можно поменять, налепив на одежду монорельс и задав новые координаты.

Сергей Задворьев