دستگاه ضربان‌ساز قلب

اختراع دستگاه ضربان‌ساز قلب

US 3057356
ویلسون گریتبچ

یکی از مهم‌ترین اجزای بدن که حتی یک اختلال چند ثانیه‌ای در عملکرد آن می‌تواند مرگ فرد را رقم بزند، قلب است. شاید عجیب باشد، اما قلب انسان به‌واسطه ۲/۵ میلیارد تپشی که انجام می‌دهد، ۱/۵ میلیون بشکه خون را به تمامی اعضای بدن به‌جز قرنیه چشم، پمپاژ می‌کند. با این حال، ممکن است که این عضو پرتلاش و حیاتی، بنا به دلایل مختلف، از انجام وظیفه خود ناتوان بماند. در گذشته، این اختلالات عملکردی به قیمت مرگ بیمار تمام می‌شد، چرا که علم پزشکی قادر به رفع اختلال و یا احیاناً کمک به تپش مجدد و بی‌نقص قلب نبود. این در حالی است که با پیشرفت‌های صورت گرفته و عرضه آخرین نوآوری‌ها و ابداعات پزشکی، حتی توقف ماهیچه‌های قلب هم قابل‌درمان خواهد بود.

در بسیاری از روش‌های درمانی فعلی، به‌ویژه در جراحی‌های دشوار و پیچیده پیوند عضو، نیاز است که فعالیت قلب برای مدت‌زمان مشخصی متوقف شود. بدیهی است که در این بازه، دستگاهی به‌طور موقت، وظیفه خون‌رسانی قلب را انجام می‌دهد. حتی می‌توان پا را فراتر گذاشت؛ امروزه، تعداد بیمارانی که نیاز به پیوند قلب دارند، بسیار بیشتر از موارد پیوند در دسترس است و از همین رو، محققین و پزشکان، همواره تلاش داشته‌اند تا وسیله‌ای با عملکرد مشابه قلب تولید کنند. قلب مصنوعی، همان اختراع بزرگی است که هم به شکل موقت (عمل پیوند قلب) و هم به شکل دائم (در دسترس نبودن قلب پیوندی)، جایگزین این اندام مهم و استراتژیک می‌شود.

شاید قلب مصنوعی را بتوان یک اختراع پیشرفته پزشکی به حساب آورد، اما در کنار آن، اختراع دیگری که با معرفی و تجاری‌سازی، جان میلیون‌ها نفر را در سرتاسر جهان نجات داده است، پیس‌میکر (Pacemaker) یا ضربان‌ساز می‌باشد. این دستگاه کوچک و به ظاهر ساده که در بدن بیمار کاشته شده و به ریتم نامنظم قلب کمک می‌کند، یکی از ده دستاورد مهم و کلیدی مهندسی در جهان به شمار می‌رود.

ضربان‌ساز، توسط یک مهندس آمریکایی و در یک اتفاق کاملاً تصادفی اختراع شد. ویلسون گریتبچ (Wilson Greatbatch)، در تلاش برای ساخت یک دستگاه ثبت ضربان قلب بود، اما به دلیل استفاده از یک مقاومت نامناسب در مدار الکتریکی دستگاه خود، پالس‌هایی دقیقاً منطبق بر ضربان قلب ایجاد کرد. این اشتباه ناخواسته، آغازی برای اختراع یکی از مهم‌ترین دستگاه‌های پزشکی یک قرن اخیر و شاید طول تاریخ گردید.

گریتبچ، در سال ۱۹۱۹ میلادی و از پدر و مادری انگلیسی در آمریکا متولد شد. وی پس از جنگ جهانی دوم، به نیروی دریایی آمریکا پیوست و در بخش رادیو هوانوردی به کار مشغول شد. علاقه شدید به مهندسی برق، موجب شد تا تحصیلاتش را در دانشگاه کورنل (Cornell University) به پایان رساند. در سال ۱۹۵۲ و در حالی که دو سال از فارغ‌التحصیلی وی گذشته بود، تدریس در دانشگاه بوفالو (University of Buffalo) را آغاز کرد. گریتبچ به اختراع و نوآوری به شدت علاقه‌مند بود و به لطف ذهن خلاق و کنجکاوش، به حوزه‌های مختلفی از جمله پزشکی ورود می‌کرد. به عبارت بهتر، وی مخترعی بود که می‌خواست از علم و مهارتش در مهندسی برق، برای رفع مشکلات حوزه‌های به ظاهر نامرتبط استفاده کند. به نظر می‌رسد که این رویکرد کاملاً موفقیت‌آمیز بوده است!

ویلسون گریتبچ، در سال ۱۹۵۶ میلادی، در حال ساخت ابزاری جدید برای نظارت بر صدای قلب و ثبت ضربان آن بود. وی به شکلی تصادفی، ترانزیستوری با قدرتی ۱۰۰ برابر بیشتر از آنچه معمولاً برای این کار استفاده می‌کرد را بکار گرفت. نتیجه بسیار جالب بود: مجموعه‌ای از پالس‌های الکتریکی شبیه به پالس‌های قلب انسان، با همان ریتم و فرکانس!

پیش از این اتفاق هم، گریتبچ به این ایده که می‌توان از برانگیختگی الکتریکی برای گردش مجدد خون در شرایط از کارافتادگی یا اختلال عملکرد قلب استفاده نمود، فکر کرده بود. آزمایش جدید و مشاهده پالس‌های مشابه با ریتم قلب، موجب شد تا وی ایده ساخت ضربان‌ساز قلب را جدی‌تر گرفته و تمامی تحقیقاتش را معطوف به آن کند. گریتبچ، بالغ بر دو سال بر روی تکمیل این ایده و ساخت دستگاه مدنظرش کار کرد و در نهایت، در هفتم می ۱۹۵۸ میلادی، دستگاه پیس‌میکر ابداعی وی، در بدن یک سگ قرار گرفت.

آزمایش‌ها نشان می‌داد که این دستگاه، ضربان قلب سگ را بدون هیچ مشکلی کنترل می‌کند. البته آزمایش دستگاه مذکور در بدن انسان‌ها، کمی دشوار بود، چرا که هرگونه اختلال عملکردی در دستگاه، به معنای مرگ بیمار محسوب می‌شد. از همین رو، آزمایش بر روی حیوانات باز هم ادامه یافت. دومین سگ، با استفاده از دستگاه کاشته شده در بدنش، ۱۰۴ روز کامل زندگی کرد و حالا دیگر، تیم تحقیق مطمئن بود که می‌توان از دستگاه ضربان‌ساز در بدن انسان هم استفاده نمود. پیشگام آزمایش انسانی دستگاه ضربان‌ساز قلب، یک مرد ۷۷ ساله بود که ۱۸ ماه، با استفاده از دستگاه تعبیه شده در بدنش زندگی کرد. جالب این‌که جوان دیگری که در حین کار با مشکل قلبی مواجه شده بود، بالغ بر ۳۰ سال با استفاده از اختراع گریتبچ زندگی کرد.

اختراع گریتبچ در سال ۱۹۵۸ را می‌توان یک نقطه عطف بزرگ در تاریخ پزشکی و به‌طور خاص، حوزه قلب و عروق دانست. تا پیش از آن، دستگاه‌های ریتم دهنده ضربان قلب، معمولاً بزرگ و حجیم بوده و به شکل خارجی (آویزان شدن به گردن بیمار)، تنها برای شوک دادن به وی مورد استفاده قرار می‌گرفت. این در حالی است که اختراع گریتبچ، به شدت کوچک شده و علاوه بر قرار گرفتن در بدن بیمار، نیاز به هیچ پریز و منبع تأمین انرژی نداشت، چرا که از باتری استفاده می‌کرد!

لازم به تأکید است که اولین نمونه شناخته شده دستگاه ضربان‌ساز قلب قابل کاشت (دارای فناوری باتری)، در سال ۱۹۵۸ میلادی و توسط رون المکوئیست (Rune Elmqvist) اختراع و در بدن بیماران بکار گرفته شد، اما نمونه تولید شده توسط گریتبچ که تقریباً هم‌زمان با این مخترع سوئدی و بدون اطلاع از نوآوری دیگری توسعه یافت، به دلیل استفاده از باتری‌های متفاوت و عملکرد بهتر، عنوان مخترع دستگاه ضربان‌ساز قلب را برایش به ارمغان آورد.

گفتنی است که ضربان‌سازهای اولیه، بدون نقص نبوده و با وجود رفع مشکل تأمین انرژی و اندازه آن‌ها، امکان نفوذ مایعات به درون مدارهای الکتریکی و از کار افتادن دستگاه وجود داشت. از آن مهم‌تر، باتری‌های مورد استفاده در دستگاه که از روی و جیوه بهره می‌بردند، محدودیت‌های زیادی داشت و عملاً بیماران مجبور بودند که هر دو سال یک‌بار، آن‌ها را تعویض کنند و به همین دلیل، جراحی‌های مداوم و سخت الزامی بود. سؤال جدید گریتبچ، چگونگی بهبود باتری و رفع این مشکل بود.

ایده خلاقانه گریتبچ برای تولید باتری‌های بادوام، نمونه‌های «Lithium-Iodine» بود که علاوه بر استحکام در برابر خوردگی، بیش از ۱۰ سال دوام را تضمین می‌کرد. گریتبچ اقدام به راه‌اندازی شرکتی به نام «Greatbatch Inc» نمود و به لطف نوآوری جدید خود که در سال ۱۹۷۰ میلادی توسعه یافت، بیش از ۹۰ درصد از بازار باتری‌های دستگاه‌های ضربان‌ساز جهان را در اختیار گرفت.

لازم به ذکر است که گریتبچ در طول عمر گران‌بها و ارزشمند خود، بیش از ۳۵۰ پتنت به ثبت رسانید. وی به محافظت از اختراعات و نوآوری‌هایش به شدت مقید بود و دستگاه ضربان‌ساز قلبش را نیز در ۲۲ جولای ۱۹۶۰  به ثبت رسانید. نتیجه این درخواست، گواهی ثبت اختراعی به شماره «US 3057356» بود که در اکتبر ۱۹۶۲ میلادی، از سوی دفتر ثبت اختراعات و علائم تجاری آمریکا به وی اعطا شد. جالب این‌که این دانشمند و مخترع بزرگ، در سال‌های پایانی عمرش، به دنبال یافتن راهی برای درمان بیماری ایدز و همچنین نوعی فرآیند جدید همجوشی هسته‌ای با استفاده از گاز هلیوم بود. وی پیش‌بینی کرده بود که سوخت‌های فسیلی تا سال ۲۰۵۰ میلادی به پایان می‌رسند و انسان باید در جستجوی منبعی پایدار برای تأمین انرژی خود باشد. پیشنهاد وی، استفاده از همجوشی هسته‌ای برای این کار بود. به پاس این تلاش‌های نوآورانه، نام ویلسون گریتبچ، در سال ۱۹۸۶ میلادی در تالار مشاهیر مخترعین ملی آمریکا درج گردید.