Внешний дефибриллятор: история, дизайн и производство

Внешние дефибрилляторы подают точно синхронизированный электрический разряд через грудную клетку для восстановления нормального сердечного ритма у пациентов с угрожающими для жизни аритмиями, такими как фибрилляция желудочков.

Основы

Комплект дефибриллятора обычно включает блок питания и управления, палковые электроды и аксессуары, собранные интегрированным производственным процессом. За десятилетия как внешние, так и имплантируемые модели значительно повысили выживаемость пациентов.

Человеческое сердце содержит четыре камеры, функционирующие как две синхронизированные насосы. Правый насос перемещает обедненную кислородом кровь в лёгкие, левый — распределяет накисленную кровь по телу. Каждый насос состоит из предсердия и желудочка; координированное сокращение и расслабление обеспечивают эффективное кровообращение.

Синоатриальный узел в правом предсердии инициирует спонтанные электрические импульсы через ионную диффузию. Импульсы распространяются к предсердиям, вызывая сокращение, затем продвигаются к желудочкам примерно через 150 мс, запуская желудочковое сокращение и последующее расслабление. Любое нарушение этой последовательности может привести к аритмиям, таким как фибрилляция желудочков.

Фибрилляция желудочков, часто спровоцированная закупоркой коронарных артерий, анестезиологическими реакциями или электрическим ударом, приводит к хаотичному, неэффективному сердцебиению. Дефибриллятор подаёт высокоэнергетический импульс — типично 3–9 мс — через грудь. Разряд сбрасывает желудочковый ритм, позволяя сердцу возобновить нормальную активность.

На практике внешний дефибриллятор применяется на месте ЧС или в больнице. Оператор включает блок, наносит проводящий гель на палковые электроды, выбирает уровень энергии, заряжает прибор, накладывает палки на обнажённую грудь с давлением ~11 кг. Одновременное нажатие кнопок заряда и разряда подаёт удар, после чего пациента мониторят и при необходимости повторяют.

История

Идея, что электрический заряд может перезапустить сбившийся ритм сердца, датируется 1888 г., когда Мак-Вильям предположил, что фибрилляция желудочков может лежать в основе внезапной смерти. В 1899 г. Превост и Бателли продемонстрировали, что высокие напряжения могут прекратить фибрилляцию у животных.

В 1920–30-х исследования — часто финансируемые энергокомпаниями — изучали электрический шок как лечение гибели линейных рабочих. Хукер, Уильям Б. Коувенховен, Ортелло Лэнгворти опубликовали ранние эксперименты в 1933 г., показавшие, что внутренне приложенный переменный ток может обратить фибрилляцию желудочков у собак.

В 1947 г. д-р Клод Бек выполнил первую успешную человеческую дефибрилляцию во время операции, приложив 60 Гц переменный ток для стабилизации сердца пациента. Следующее десятилетие принесло прорывы: 1954 г. Коувенховен и Уильям Милнор достигли закрытогрудной дефибрилляции у собак, 1956 г. Пол Золл — первую успешную внешнюю дефибрилляцию человека.

Уильям Б. Коувенховен (1886–1975) — ключевая фигура. Электроинженер по обучению, изобрёл три дефибриллятора — открытую грудь, Hopkins AC, переносной для минной безопасности — и пионерил методы КЛР. Инновации принесли множество наград, включая золотую медаль Людвига Хектоена АМА (1961, 1972), медаль Эдисона IEEE (1962), почетную докторскую МД Джонса Хопкинса (1969), премию Ласкера по клиническим исследованиям (1973).

1960-е принесли постояннодочные дефибрилляторы, с меньшими побочными эффектами, чем переменнодочные. 1967 г. Пантридж и Гэддес продемонстрировали спасательный потенциал мобильных батарейных DC-дефибрилляторов. Д-р Майкл Мировски ввёл первый имплантируемый дефибриллятор в конце 1960-х, 1970-е — автоматизированное обнаружение фибрилляции в внутренних и внешних моделях.

Сегодня дефибрилляция — краеугольный камень неотложной помощи. Американская кардиологическая ассоциация определяет её как базовый навык поддержки жизни для парамедиков и спасателей.

Сырьё

Все компоненты дефибриллятора должны быть биосовместимы, фармакологически инертны, стерилизуемы, долговечны в разных условиях. Корпус блока управления — высококлассный полистирол или лёгкий металлический сплав. Электроды из титана и силиконового каучука, микроэлектроника — модифицированные кремниевые полупроводники. Химия батарей: свинцово-кислотная, никель-кадмиевая, цинковая, литий, диоксид серы, диоксид марганца.

Дизайн

Ядерная архитектура внешнего дефибриллятора — блок управления, источник питания, электроды, кабели, разъёмы. Обзор фокусируется на переносимых блоках для клинических и полевых условий.

Управление

Блок управления содержит цепи высоковольтной генерации и банк конденсаторов, способный накапливать до 7 кВ, выдавая 30–400 Дж. Ключевые контролы: питание, выбор энергии, заряд, разряд. Некоторые модели имеют выделенные контролы для внутренних палок или одноразовых электродов.

Электроды

Электроды передают удар сердцу. Варианты: ручные палки, внутренние палки, самоклеящиеся предгель-одноразовые электроды. Одноразовые подложки предпочтительны в ЧС за скорость и надёжность техники. Размер палок влияет на плотность тока: большие палки снижают сопротивление и улучшают доставку энергии. Взрослые палки 8–13 см; детские пропорционально меньше.

Кожа — плохой проводник, поэтому наносят проводящий гель — обычно ланолин, петролатом, хлориды — для моста электрод-кожа, улучшая передачу заряда и минимизируя риск ожогов.

Батарея

Дефибрилляторы используют разную химию батарей, особенно свинцово-кислотную, литий, никель-кадмиевую. Батареи обычно перезаряжаемые, хранят подключёнными к сети когда не в употреблении. Экстремальные температуры деградируют производительность, блоки держат в контролируемых условиях. Со временем износ требует замены из-за коррозивных и потенциально токсичных химий.

Автоматизированные внешние дефибрилляторы (AED)

С 1978 г. AED включают сенсоры, детектирующие фибрилляцию желудочков, и голосовые промпты для подачи разряда. Эти устройства драматически снизили потребность в обучении и спасли тысячи жизней по миру.

Производственный процесс

Дефибрилляторы — сложные электронные системы, собираемые из внешних компонентов. Процесс высоко интегрирован, включает несколько специализированных стадий.

Производство батарей

• Литиевые батареи для дефибрилляторов комбинируют литий с диоксидом серы в безкислородной среде. Литий формируют в твёрдый корпус, герметично закатывают, диоксид серы запечатывают внутри.
• Обычно четыре литийных элемента соединяют последовательно, каждый с 8-амперным предохранителем и вентилем для сброса давления.

Фабрикация корпуса

• Литьё под давлением создаёт внешний корпус и оболочки электродов. Пластиковые гранулы плавится, нагреваются гидравлически контролируемым винтом, впрыскиваются в двухалюминиевую форму. После охлаждения деталь извлекается на конвейер для инспекции.
• Изображение:

Сборка электроники

• Материнская плата интегрирует полупроводниковые кристаллы, резисторы, конденсаторы и др. компоненты. Гибридизацией печатная плата наполняется компьютерно-контролируемой головкой установки.
• Компоненты паяют, охлаждают, тестируют, затем монтируют в блок управления.

Сборка

• Электронные платы крепят к корпусу в чистых условиях. Винты и крепёж фиксируют платы; адаптеры электродов монтируют. Сборка герметизируется и передаётся на тестирование и упаковку.
• Изображение:

Фабрикация палковых электродов

• Металлическая пластина, обычно олово, получают непрерывной литьём и режут по размеру. Наносят хлорид олова для поверхностной отделки.
• Кабель вытягивают из нагретого металла для получения тонкого провода, затем свивают в жгут, изолируют и соединяют с пластиной.
• Наконец, пластину помещают во внешнюю оболочку, кабель проложивают через заднее отверстие, крепят адаптер для соединения с блоком управления.

Финальная сборка

• Все компоненты — блок управления, электроды, батарея, кабели, руководства — помещают в амортизирующий контейнер для отгрузки.
• Перед отгрузкой прибор проходит функциональное тестирование: заряд батареи, разряд, измерение выхода при варьирующих экологических условиях.

Контроль качества

Качество обеспечивают визуальными и электрическими инспекциями на каждом производственном этапе. Электроника собирается в чистых комнатах в безворсовой одежде для минимизации загрязнения. Батареи проходят строгие тесты производительности, безопасности, стабильности. После продажи регулярное ТО (каждые 3–6 мес.) включает циклы заряд-разряд для подтверждения надёжности.

Все производители должны регистрироваться в FDA и соблюдать GMP, включающие обширное документирование и инспекции объектов.

Будущее

Будущие дефибрилляторы нацелены на безопасность, эффективность, удобство. Инновации: Y-образные кабельные электроды для снижения риска удара оператора, продвинутые интегральные схемы для лёгкого дизайна, умные сенсоры с реальными данными пациента.

Технологии батарей тоже развиваются; исследователи Брукхейвенской национальной лаборатории запатентовали металлический сплав, способный значительно увеличить ёмкость никель-металл-гидридных батарей, обещая более долгую жизнь и удержание заряда.

Где узнать больше

Книги

Карр, Дж. Дж. Введение в биомедицинскую аппаратную технологию. 2-е изд. Prentice Hall Career and Technology, 1993.

Фокс, Стюарт. Человеческая физиология. W. C. B. Publishers, 1990.

Овер, Р. В. Д. Кардиальное стимулирование и электрофизиология: Мост к XXI веку. Kluwer Academic Publishers, 1994.

Периодика

Шекспир, К. Ф., А. Дж. Камин. «Электрофизиология, стимулирование, аритмия.» Clinical Cardiology 15 (1992): 601–606.

Прочее

Уортингтон, Джанет Фаррэр. «Инженер, который мог.» Hopkins Medical News. 18 марта 1998. 2 октября 2001. ссылка.

Перри Романовский