211service.com
Wynalazca w sercu
Zainspirowany lekcjami, których nauczył się na MIT, Ronald Berger ’81 próbuje udoskonalić bezbolesną metodę zapobiegania zatrzymaniu akcji serca. 21 lutego 2012 r.
W Bostońskim Muzeum Nauki publiczność gromadzi się wokół generatora Van de Graaffa, aby obserwować, jak dwa miliony woltów trzaskają między dwoma metalowymi kulami, podczas gdy operator, który stoi w pobliżu w prostej klatce, pozostaje nienaruszony. Ten pokaz piorunów pokazuje klatkę Faradaya, obudowę, która zapobiega przedostawaniu się i wydostawaniu ładunków elektrycznych. W 1999 roku, kiedy Ronald Berger ‘81, SM ‘83, PhD ‘87, zabrał swoje dzieci na spektakl do Bostonu, nie było to tylko dla zabawy. Był w trakcie spisku, aby umieścić klatkę Faradaya wokół ludzkiego serca.
Jeśli Berger zdoła sprawić, że to zadziała, jego urządzenie poprawi warunki dla pacjentów z problemami z sercem. Nagłe zatrzymanie akcji serca, główna przyczyna śmierci, wynika z ciężkiej arytmii zwanej migotaniem komór. W takiej sytuacji jedynym sposobem przywrócenia normalnego rytmu jest użycie defibrylatora, który dostarcza uderzające w klatkę piersiową setki lub tysiące woltów. Od ponad trzech dekad pacjenci zagrożeni zawałem serca mogą instalować wewnętrzny defibrylator serca (ICD) pod skórą, aby wykryć nieregularne bicie serca. Przewód, który przechodzi z ICD do serca przez żyłę, dostarcza wstrząsy w razie potrzeby. Jednak wstrząsy są bolesne, a pacjenci często żyją w strachu przed nimi lub z ich powodu rezygnują z leczenia. To ważny problem, mówi Berger. Byłem bardzo zainteresowany tym, aby defibrylacja była bezbolesna. A odpowiedzią może być rodzaj klatki Faradaya.
Berger, który jest współdyrektorem elektrofizjologii serca w Johns Hopkins, zdobył trzy stopnie MIT w dziedzinie elektrotechniki i informatyki, a następnie ukończył studia doktoranckie w wydziale nauk o zdrowiu i technologii Harvard-MIT w 1987 roku. inżynier i lekarz. Mówiąc dokładniej, jest elektrofizjologiem serca — takim, który rozumie, że faktycznie możemy oszukać Matkę Naturę i przerwać propagację impulsu [elektrycznego] w sercach, jak to ujął. Berger spędza 75 procent swojego czasu na nauczaniu Johna Hopkinsa, służąc jako administrator i wykonując procedury mające na celu wyciszenie dysfunkcji elektrycznej serca lub arytmii. Przez resztę czasu zajmuje się badaniami i wynalazkami.
Berger zawsze wymyślał. W swojej pracy licencjackiej na MIT zaprojektował nowy sposób sterowania i odchylania wiązek laserowych przez kryształy. Wynik, jak wspomina jego promotor, profesor EECS kardynał Warde, był jedną z najlepszych prac licencjackich, jakie kiedykolwiek wykonano w moim laboratorium. Wkrótce po tym, jak Berger poznał swojego najlepszego przyjaciela, Josepha Smitha, SM '82, PhD '85, w laboratorium inżyniera biomedycznego MIT Richarda Cohena w 1980 roku, zamienili czarno-biały podręczny telewizor w urządzenie do EKG zdolne do odczytywania serca. aktywność elektryczna na powierzchni ciała. Dzisiaj Berger uzyskał 25 patentów na metody i sprzęt kardiologiczny.
Piętnaście lat temu Berger zafiksował się na bólu, jaki wyładowania ICD powodowały u jego pacjentów. Wiedział, że ból nie pochodzi z serca. Sam narząd ma tak małą zdolność odczuwania bólu, że pacjenci mogą pozostać przytomni, gdy kardiolodzy wykonują ablację, wypalając chronicznie uszkodzoną tkankę serca za pomocą przewodu, który został wciągnięty w naczynie krwionośne. Berger doszedł więc do wniosku, że impulsy elektryczne z ICD muszą wyciekać, gdy nerwy i mięśnie ściany klatki piersiowej się aktywują.
Coś kliknęło. Pomyślałem sobie, czy nie byłoby fajnie, gdyby istniał sposób na ograniczenie aktywności elektrycznej do serca? mówi Berger. Wtedy przypomniała mu się lekcja o klatce Faradaya z 8.022, Elektryczność i magnetyzm, zajęcia, które odbył z profesorem Claude Canizares w 1977 roku. Berger zastanawiał się, czy byłoby możliwe schowanie serca w klatce Faradaya, aby pomieścić wstrząs, który zatrzymał arytmię.
Jednym z problemów jest jednak to, że klatka Faradaya wokół serca nie ograniczałaby elektryczności do serca; zablokuje również dostęp do prądu z innego źródła. Oznaczało to, że pacjenci nie byliby w stanie uzyskać nagłej defibrylacji zewnętrznej, gdyby ich niewydolność serca była na tyle ekstremalna, że wymagała większego wstrząsu. Aby sobie z tym poradzić, Berger zaczął myśleć o konfiguracji paneli metalowych, które nie byłyby całkowicie przylegające. Będą tylko na tyle blisko, by działać jak klatka Faradaya, gdy przepłynie przez nie prąd. Wspomina, że pewien pracownik naukowy wspomniał o tym swojej żonie, która zaproponowała przyszycie metalowej siatki do nylonowej pończochy. Wyprodukowała nawet prototyp. To była klatka Faradaya, a dokładniej skarpetka Faradaya.
Wstrząs elektryczny: Prototypowa skarpeta kardiologiczna Ronalda Bergera jest wykonana z wielu elastycznych elektrod, które są połączone elektrycznie i działają jak klatka Faradaya. Klatka Faradaya zapobiega przedostawaniu się pola elektrycznego do otaczających tkanek, zmniejszając ból spowodowany wstrząsem wszczepionego defibrylatora.
W praktyce skarpetka pasowałaby do serca i służyła jako jedna elektroda w obwodzie dostarczania defibrylacji; gdy podłączony czujnik wykryje nieprawidłową aktywność serca, elektryczna cewka wszczepiona do serca wywoła wstrząs. W 2005 roku, kiedy Berger i jego zespół badawczy przetestowali prototyp na psach, urządzenie zresetowało bicie serca, zużywając mniej energii niż standardowy ICD. Co najważniejsze, mięśnie klatki piersiowej psów kurczyły się znacznie mniej, co oznacza, że mniej energii elektrycznej wyciekało i powodowało ból.
Koledzy Berger i Johns Hopkins udoskonalili projekt w zeszłym roku, wykorzystując modelowanie matematyczne, aby znaleźć optymalne odstępy między panelami. W najnowszej wersji panele łączą się elektrycznie w ciągłą tarczę i działają jak klatka Faradaya tylko w ciągu 10 milisekund tuż przed i w momencie dostarczenia wstrząsu.
Pomimo postępów niektórzy eksperci kardiologiczni kwestionują potencjał skarpety. Bioinżynier Igor Efimov z Washington University w St. Louis wskazuje, że zakrycie serca siatką wymagałoby poważnej operacji na otwartej klatce piersiowej. Kto zgodziłby się na tak dramatyczną operację z niejasnymi korzyściami klinicznymi? on mówi. Przewiduje również, że tkanka bliznowata pokryje druciane listwy urządzenia i uniemożliwi ich otwarcie. O ile nie nastąpi przełom w biomateriałach, nie sądzę, aby można było z niego korzystać – mówi. Berger zgadza się, że tkanka bliznowata może stanowić problem, ale ma nadzieję, że jego wynalazek może zadziałać. Zauważa, że prywatne firmy wymyśliły już skarpetki z elastycznej siateczki, aby zmniejszyć obciążenie mięśnia sercowego u pacjentów z niewydolnością serca. Berger sugeruje, że jego klatka Faradaya może być wbudowana w jedną z tych skarpet. Pacjenci z chorobami serca, którzy już potrzebują inwazyjnej operacji chirurgicznej w celu wszczepienia skarpety, mogą uzyskać rozwiązanie dwa do jednego.
Berger i jego przyjaciel Smith, który jest obecnie naczelnym lekarzem w West Wireless Health Institute, spędzili wiele nocy w Baltimore, dyskutując o skarpetce Faradaya i o tym, jak Berger może ją urzeczywistnić. To jedna z tych rzeczy, które pochodzą tylko od bystrzanego inżyniera, który jest w stanie zrozumieć problem z perspektywy fizyki, ale także zobaczyć zastosowania kliniczne, mówi Smith.
Te dwa uzupełniające się talenty zaczęły się łączyć niedługo po tym, jak Berger rozpoczął pracę w MIT w 1976 roku. Pewnego dnia wszedł do biura swojego doradcy, George'a W. Pratta i zauważył duży obraz przedstawiający konia. Był zaintrygowany, dopóki Pratt, entuzjasta wyścigów konnych, nie zaczął rysować kredą schematów elektrycznych oporników i kondensatorów do modelowania układu krwi koni; serce działało jak bateria, a naczynia krwionośne jak naładowany kondensator. Dla Bergera te lekcje nadal są objawieniem 35 lat później. Mówi: To niesamowita rzecz – zasady elektrotechniki leżą u podstaw tego, jak jeden rodzimy impuls w sercu przechodzi z jednej komórki do drugiej.
Dziś Berger próbuje usprawnić defibrylację w miejscu, w którym narodziła się technika. W 1933 roku nowojorska firma elektryczna sfinansowała wysiłki naukowców z Johns Hopkins, aby znaleźć rozwiązania dla częstych wypadków porażenia prądem w tamtych czasach; po zbadaniu, co się dzieje, gdy rytm serca jest nieprawidłowy, ci mężczyźni jako pierwsi sprawili, że serce psa przestało migotać. Lekarze Hopkinsa wszczepili pacjentowi pierwszy ICD w 1980 roku.
Ale chociaż technologia ma swoje korzenie w klinice Johns Hopkins, Berger mówi, że codziennie wraca myślami do MIT. Zawsze powtarzam, że wykonywanie ablacji bardzo przypomina mi mój kurs licencjacki 6.082, na którym przesuwaliśmy sondę z punktu do punktu w obwodzie, aby ją debugować, mówi. Myśli o tych projektach laboratoryjnych za każdym razem, gdy przesuwa końcówkę cewnika we właściwe miejsce w sercu pacjenta i obserwuje, jak arytmia znika, gdy wykonuje oparzenie.