Электрохимическая техника

Электрохимическая техника (ЭХТ) в медицине — одно из наиболее продуктивных направлений на стыке физики, химии и клинической практики. Под этим широким понятием объединяются столь разные изделия, как электрохирургический скальпель и аппарат искусственной почки, кардиостимулятор и установка для синтеза антисептических растворов.

Рождение электромедицины

История электрохимической техники в медицине началась задолго до появления самого термина «электрохимия». В 1780 году болонский физиолог Луиджи Гальвани обнаружил, что препарированная лягушачья лапка сокращается при контакте с двумя разнородными металлами. Это наблюдение, опубликованное в 1791 году в трактате De viribus electricitatis in motu musculari, заложило основы понимания биоэлектрических явлений и имело прямые медицинские следствия — в начале XIX века делались попытки «гальванического» оживления утопленников и повешенных.

Коллега и оппонент Гальвани — Алессандро Вольта — в 1799 году создал «вольтов столб», первый химический источник постоянного тока. Это изобретение сделало возможным контролируемый электрохимический эксперимент и дало медицине первый инструмент для дозированного воздействия электрическим током на ткани.

Фундамент теоретической электрохимии заложил Майкл Фарадей, открывший в 1833–1834 годах законы электролиза и введший само понятие электролиза как разложения вещества под действием электрического тока. Его законы установили строгую количественную связь между переносом заряда и химическими превращениями на электродах — основу для будущей электрохимической медицинской техники, от гальванокаутеризации до аппаратов синтеза антисептических растворов.

В России вклад в раннюю электрохимию внёс в 1807 году академик Ф.Ф. Рейсс, открывший явления электроосмоса и электрофореза, а в 1887 году профессор А.П. Соколов применил переменный ток для измерения ёмкости электрода — работа, опередившая своё время.

Ф.Ф. Рейс

А.П. Соколов

Электрохирургия: от каления железа до первых аппаратов

В 1840-х годах появились первые попытки применить гальванический ток непосредственно в хирургии. В 1847 году Hoppe описал воздействие на биологические ткани нагреванием металла постоянным током. В 1875 году Боттини разработал технику гальванокаутеризации — нагревающего устройства постоянного тока для простатэктомии. Этот метод обеспечивал хороший гемостаз, но страдал от неравномерности воздействия и быстрого охлаждения рабочего элемента.

Принципиальный сдвиг произошёл в конце XIX века — после открытия токов высокой частоты

1889 год

Генри Томпсон сконструировал первый высокочастотный генератор и публично продемонстрировал нагрев тканей

1890 год

Французский физик Жак д'Арсонваль установил, что с ростом частоты нейромышечные реакции ослабевают и полностью исчезают при частоте 20 кГц и выше

1891 год

Инженер Никола Тесла опубликовал наблюдения за тепловым эффектом высокочастотного тока в теле человека, подтвердив безопасность таких токов при высоком напряжении

1892 год

д'Арсонваль на конференции Общества физиков Парижа сообщил, что высокочастотные токи, пропускаемые через тело, вызывают образование тепла без раздражающего действия — и предложил использовать это явление терапевтически

1907 год

Немецкий врач Нагельшмидт назвал метод глубокого прогрева тканей диатермией и обнародовал возможности её хирургического применения

В России пионером клинического применения высокочастотных токов стал В.Н. Шамов, который в 1910–1911 годах применял в клинике Военно-медицинской академии высокочастотный ток для лечения злокачественных опухолей; его докторская диссертация 1911 года содержала отдельную главу об электрохирургической диатермии. В марте 1911 года Р.Г. Лурье выступила с первым российским докладом об электрокоагуляции на III съезде акушеров и гинекологов.

В 1926 году американский электрофизик Уильям Боуви совместно с нейрохирургом Харви Кушингом разработали и запустили в серийное производство первый специализированный электрохирургический аппарат. Генератор на основе искровых разрядников обеспечивал как быстрое рассечение тканей, так и надёжную коагуляцию. Кушинг в 1926–1928 годах применил прибор Bovie для удаления опухолей головного мозга с разветвлённой сосудистой сетью, которые прежде были практически неоперабельны, и описал первые осложнения при использовании ЭХВЧ. В 1928 году вышла его монография «Электрохирургия как вспомогательный метод удаления внутричерепных опухолей».

Страница из руководства к «Improved Davis-Bovie Electro-Surgical Unit»

Источник: Музей электротерапии

1930-е годы считаются расцветом электрохирургии: ЭХВЧ-методики активно применялись в онкологии, гинекологии, урологии, лёгочной и гнойной хирургии. В 1980-е годы открытие принципа аргоноплазменной коагуляции позволило остановку обширных кровотечений без контакта электрода с тканью.

Гемодиализ: химия на службе почки

Идея очистки крови методом диализа через полупроницаемую мембрану принадлежит немецкому врачу Георгу Хаасу, проведшему первый гемодиализ в октябре 1924 года; в качестве антикоагулянта он использовал гирудин (вещество из слюны пиявки), а с 1927 года — гепарин. Однако эра клинического гемодиализа как жизнеспасающей процедуры открылась лишь 11 сентября 1945 года, когда голландский врач Виллем Кольф сообщил об эффективном выведении пациентки из уремической комы при помощи разработанного им аппарата «искусственная почка». Конструкция Кольфа включала целлофановую трубку, намотанную на барабан в ванне с диализным раствором, — простое, но революционное электромеханическое изделие.

Хорошо сохранившийся экземпляр барабанной «почки» Кольфа

Источник: Академия достижений

В 1957 году в НИИ экспериментальной хирургической аппаратуры и инструментов МЗ СССР — прямом предшественнике ВНИИИМТ — коллективом в составе М.Г. Ананьева, Е.А. Вайнриба, Ю.М. Козлова и Е.Б. Горбовицкого был сконструирован первый отечественный аппарат «искусственная почка». Принципиальное технологическое преимущество машины состояло в минимизации объёма донорской крови, необходимого для заполнения экстракорпорального контура. Благодаря этому в 1962 году врачи В.А. Аграненко и В.В. Ворожищев впервые в мире выполнили гемодиализ без использования донорской крови. Это свело к минимуму угрозу посттрансфузионных осложнений и открыло путь к широкому внедрению гемодиализа в советском здравоохранении. В 1965 году аппарат был официально запатентован под наименованием «Аппарат для удаления из крови токсичных веществ и избытка воды».

Электрокардиостимуляция: ток, управляющий сердцем

Первое клиническое применение электрокардиостимулятора состоялось в 1952 году: бостонский кардиолог Пол Золл применил наружный стимулятор с электродами на поверхности грудной клетки для лечения пациента с полной поперечной блокадой сердца, подавая импульсы напряжением 100–150 В. Главным недостатком метода оставались болезненные тетанические сокращения грудных мышц. В 1956 году Золл применил трансторакальные электрические разряды для дефибрилляции желудочков и разработал первые клинические сердечные мониторы.

Технологическим прорывом стал 1957 год: хирург Уолтон Лиллехай применил первый транзисторный кардиостимулятор — компактный генератор импульсов, подключённый проводами непосредственно к миокарду; импульсы составляли 2 мс при напряжении 1,5–4,5 В вместо сотни вольт у Золла. 30 января 1957 года с его помощью был восстановлен ритм сердца ребёнка после операции на межжелудочковой перегородке. В 1958 году шведы Оке Сеннинг и Руне Элмквист имплантировали первый полностью встраиваемый кардиостимулятор.

Кардиостимулятор собранный инженером Эрлом Баккеном по заказу Лиллехая

Источник: национальный музей американской истории

Открытие явления электрохимической активации

Принципиально новое направление — электрохимическая активация (ЭХА) — зародилось не в медицинском, а в нефтегазовом институте. В 1972 году инженер Витольд Михайлович Бахир в Среднеазиатском НИИ природного газа (Ташкент) обнаружил, что анолит и католит, образующиеся в диафрагменном электрохимическом реакторе из слабоминерализованной воды, кардинально отличаются от растворов тех же реагентов, приготовленных обычными химическими методами, — по реакционной способности, окислительно-восстановительному потенциалу и биологической активности.

Витольд Михайлович Бахир

Источник: Институт Электрохимических Систем и Технологий Витольда Бахира

В 1973 году Бахир вместе с инженером Ю.Г. Задорожним провёл первые испытания электрохимического реактора на буровой в пустыне Кызыл-Кум. В 1974 году было получено первое авторское свидетельство, а в 1975 году Бахир ввёл термин «электрохимическая активация», обозначив им феномен релаксационных изменений физико-химических параметров разбавленных растворов после их унипо́лярной электрохимической обработки.

В 1981 году публикации в советских изданиях познакомили широкую аудиторию с образными обозначениями продуктов ЭХА: «живая вода» (католит) и «мёртвая вода» (анолит). В том же году появилось авторское свидетельство № 1121905 «Способ получения жидкости с биологически активными свойствами» с участием академика В.В. Вахидова и В.М. Бахира — первое изобретение, прямо направленное на медицинское применение ЭХА.

Развитие электрохимической техники

Борис Иванович Леонов — учёный, при котором электрохимическое направление приобрело стратегический характер. Под его руководством было разработано оборудование для стерилизации эндоскопов, обеззараживания ЛПУ (включая туберкулёзные диспансеры), очистки водозаборов питьевой воды, создан мобильный комплекс для получения питьевой воды в полевых условиях на основе электрохимической мембранной технологии.

В 1987 году В.М. Бахир начал работу во ВНИИИМТ по заданию МЗ СССР. В 1987–1997 годах авторским коллективом института было создано более 100 изобретений в области ЭХА.

1989 год стал ключевым: Бахир и Задорожний разработали проточные электрохимические модульные элементы ПЭМ-1 с керамической диафрагмой — миниатюрные реакторы, обеспечивавшие высокоэффективную ЭХА при минимальных энергозатратах, производительностью 100–250 л/ч. На их основе была создана первая установка СТЭЛ-МТ-1 (от «СТЕрильность и ЭЛектрохимия») — компактный аппарат для синтеза антимикробных, моющих и стерилизующих растворов непосредственно в лечебных учреждениях.

Электрохимический реактор из двух гидравлически параллельно соединенных элементов ПЭМ-1. Москва, ВНИИИМТ, 1989