In dit artikel gaat we terug kijken in de geschiedenis van de pacemaker. En die geschiedenis gaat enorm ver terug! We gaan kijken hoe de kennis rondom de pacemaker in de loop der jaren verbeterd is en hoe daarmee uiteraard ook de devices verbeterd zijn. Veel leesplezier!
We gaan ver terug in de geschiedenis voor het begin van de artikel: naar het jaar 1600, naar een moment dat kan worden aangemerkt als de bakermat van de pacemaker, ver voordat daadwerkelijk tot een device zou gaan komen.
Pre-pacemaker tijdperk
In het jaar 1600 wist William Harvey een duif tot leven te wekken met een simpele tik van zijn vinger. Een soort precordiale slag voor duiven, dus. In 1628 beschreef Harvey de circulatie. Vervolgens verschenen in 1640 de eerste publicaties waarin gespeculeerd werd over de bio-elektrische natuur van het cardiovasculair systeem.
In 1774 werd voor het eerst door gerefereerd naar de externe stimulatie van het hart met externe elektriciteit in het Register of the Royal Human Society of London. Mr. Squires apotheker die een 3 jaar jong meisje heeft gereanimeerd met elektrische stroom op diverse plekken van het lichaam (Critical Care and Resuscitation Volume 8 Number 2 juni 2006).
Nickolev Abildgaard, een Deense arts, experimenteerde rond dezelfde periode met externe elektriciteit op een lichaam door elektroden op een vogel te plaatsen en elektriciteit af te geven. Toen de elektroden op het hoofd werden geplaatst viel de vogel dood neer en pogingen de elektroden te verplaatsen leverden geen effect op, tot de elektroden op de thorax van de vogel werden geplaatst en de vogel weer tot leven werd gewekt. Het apparaat dat Abildgaard gebruikt zie je hieronder op de afbeelding (links).
Het volgende belangrijke punt uit de jaren 1700 is een beschrijving van Luigi Galvani, die we al vaker hebben benoemd in onze artikelen, welke in 1791 beschreef dat elektriciteit gebruikt kon worden om spieren te laten bewegen.
De jaren 1800
We gaan naar het jaar 1800, waarin de Italiaanse arts Alessandro Volta de eerste batterij ontwikkelde voor laag voltage hoge stroom stimulatie, de ‘Voltaic Pile’. Hij gaf ook zijn naam aan het huidige Volt de eenheid van elektrische kracht. In 1804 beschreef Aldini de verlichting van cardiale syncope met ‘galvanic enery’ door middel van dier en kadaver studies. Duchenne de Boulogne wist in 1872 een verdronken kind te reanimeren door een elektrode op het been te bevestigen en met een andere elektrode op de borst te tikken.
In 1882 kwam er een gouden kans voor de wetenschap, toen zich een vrouw meldde in de kliniek van Hugo Von Ziemssen. Er was een tumor verwijderd op haar borst, samen met een stuk thoraxwand. Haar hart was hierdoor zichtbaar door een dun laagje huid. Von Ziemssen wist haar hart te stimuleren met elektriciteit, waarbij je op de afbeelding hieronder kan zien wat er gebeurde. Met de kennis van nu zien we dan Von Ziemssen veel ventriculaire onrust wist op te wekken, niet bepaald gunstig voor de patiënt!
Eind jaren 1800 kwam de Engelse arts John Mac William met een publicatie waarbij hij alle reeds verschenen data mooi wist samen te vatten, waarmee hij de basis legde van het hedendaagse pacen. In 1889 kwam de publicatie ‘Electrical Stimulation of the Heart in Man‘ waarin hij de toepassing van elektriciteit beschreef om het ritme van het hart te beïnvloeden. Het duurde echter nog een poos voor deze theorie echt werd toegepast in de praktijk.
Begin jaren 1900: de eerste pacemakers
Rond de jaren 1930 waren er twee pioniers bezig met het fabriceren van de eerste externe pacemakers: Mark Lidwell uit Australië en Albert Hyman uit Amerika. Los van elkaar werkten ze tegelijkertijd aan hetzelfde onderwerp: de externe pacemaker.
De pacemaker van Lidwell (1928) werkte op wisselstroom en met een naald in het ventrikel van de patiënt. Hij heeft op deze manier het leven gered van een baby die in cardiac arrest werd geboren. De baby overleefde en herstelde volledig
De pacemaker van Hyman (1932), door hem zelf ‘artificial pacemaker’ genoemd, was aangedreven door een ‘spring-wound’ met de hand aangezwengelde motor. Hyman liep echter tegen technische problemen aan en had daarnaast de markt niet mee: de medische wereld was nog niet klaar voor dit soort ‘gadgets’, zoals het werd gezien. Het werd zelfs gezien als tegenwerken van de natuur en het werk van de duivel! Hij stuitte op aanzienlijke tegenstand van onder andere de American Medical Association en niemand wilde het apparaat maken in de buurt waar hij woonde. Wel werd er een op batterijen aangedreven versie gemaakt door Siemens-Halske in Duitsland. The Hymanotor, zoals hij werd genoemd, werd getest maar ineffectief bevonden. Tijdens de tweede wereldoorlog probeerde Hyman de Amerikaanse marine te overtuigen om zijn apparaat te gebruiken voor de reanimatie van duikers. Echter dit was zonder succes.
Jaren 1950: Draagbare pacemakers
Begin jaren 1950 werden de eerste pacemakers op netstroom ontwikkeld, echter waren dit grote lompe dozen vol met vacuümslangen en die kon je natuurlijk niet implanteren. Ze werden dus rondgereden op wieltjes en naast de patiënt in de stroom geplugd. Het device dat in deze periode beschikbaar was, was een fysiologisch stimulator gemaakt door Grass Manufacturing CO voor klinische en fysiologische laboratorium doeleinden. De stimulatie frequentie, voltage output en puls duur kon worden aangepast. Op de afbeelding hieronder zie je hoe dit device er uit zag.
Het eerste apparaat dat daadwerkelijk was bedoeld voor pacing van een menselijk hart werd ontwikkeld door John Hopps, een elektrisch ingenieur uit Canada. Dit extern apparaat zat aan bipolair electrode die via veneuze toegang naar het atrium werden gebracht. Hierdoor was er geen oncomfortabel stimulatie van de borstspier meer nodig. (zie figuur 1) waardoor de patiënt immobiel werd. Leuk feitje is dat John Hopps zelf in 1984 en 1997 ook een pacemaker geïmplanteerd kreeg.
Zoll
Paul Zoll, een cardioloog uit Boston krijgt de credits voor het pionieren in het moderne tijdsperk van cardiale pacing. Hij ontwikkelde in 1951 een tafelmodel pacemaker. Deze werd succesvol toegepast in de behandeling van AV-blokken. De Electrodyne PM-65 pacemaker, zoals hij werd genoemd, gaf een electrocardiogram weer om het ritme te monitoren. De pulsgenerator was een aangepaste versie van de elektrische stimulator die gebruikt werd in laboratoriums. De Electrodyne PM-65 leverde ritmisch een elektrische impuls van 2ms en 50 tot 150 volt met wisselende puls amplitudes. Deze werden via een paar metalen elektroden van 3 cm2 die op de borst van de patiënt werden vast gemaakt direct boven het hart toegediend. De elektroden irriteerden de huid van de patiënt en de schokken werden als pijnlijk ervaren. De powereenheid van het apparaat was groot en zwaar en werd op een kar verplaatst. Hij kon maar zover als het snoer lang was.
In 1952 werden twee patiënten met ‘ventricular standstill’ met de pacemaker behandeld door Zoll, waarna hij in 1956 ook een patiënt met ventrikelfibrilleren succesvol werd behandeld. Kort daarna werd de eerste cardiale monitor voor klinisch gebruikt ontwikkeld.
De Gouden Jaren
Eind jaren 1950 tot begin jaren 1960 zijn erg belangrijke jaren in de ontwikkeling van de pacemaker. Er zijn drie belangrijke doorbraken beleefd in deze tijd: de eerste pacemaker met batterij (1957), de eerste implanteerbare pacemaker (1958) en de eerste succesvolle langdurige behandeling van een 3e graads AV-blok (1960).
In 1957 ontwikkelde Earl Bakken uit Amerika de eerste draagbare pacemaker met batterij. Bakken was een ingenieur, TV-reparateur en was in 1949 de oprichter van Medtronic, een van de meest bekende fabrikanten van pacemakers. De chirurg die de pacemaker implanteerde was Walton Lillehei, op dat moment al een erg beroemde hartchirurg die op veel kinderen had geopereerd. Hij liep tegen het probleem aan dat ongeveer 1 op de 10 van zijn patiënten een AV-blok ontwikkelde na de operatie en allerlei medicatie, waaronder het op dat moment nieuw ontwikkelde Isoprenaline, hielp niet voldoende.
Met het eerdere werk van bijvoorbeeld Paul Zoll als basis werd door Lillehei en zijn team de eerste pacemakerdraad ontwikkeld. Dit was een meeraderige, gevlochten roestvrijstalen draad in een teflonhuls. Het ene uiteinde werd in het myocard gezet waarbij het andere uiteinde via een incisie naar buiten kwam om vervolgens op een stimulator te worden aangesloten. Vervolgens werd er een indifferente electrode geplaatst onder de huid om het circuit compleet te maken. Hiervoor was nog maar 1,5 volt nodig om het hart te stimuleren, in tegenstelling tot bijvoorbeeld de pacemaker van Zoll waarbij veel meer stroom nodig was.
De eerste implantatie
Op 30 januari 1957 implanteerde Lillehei de draad voor het eerst, in een 3-jarig meisje met een 3e graads AV-blok na reparatie van haar Tetralogie van Fallot. De pacing was effectief, het meisje kreeg sinusritme en kwam weer bij bewustzijn. Ze is volledig hersteld. Al snel werd er standaard tijdens operaties een draad geplaatst uit voorzorg. Ook werd er een techniek ontwikkeld met een holle naald voor niet chirurgische patiënten met Adams-Stokes aanvallen. Op 31 Oktober 1957 was er een stroomuitval waardoor een baby kwam te overlijden die extern werd gepaced via een externe pacemaker. Dit was het startpunt voor het ontwikkelen van een pacemaker op baterrijen.
Earl Bakken ontwikkelde een pacemaker op batterijen in 1958 en Bakken bracht de pacemaker naar het lab van de universiteit voor testen op een hond. De volgende dag zag hij in het ziekenhuis zijn pacemaker in gebruik bij een meisje dat patiënt was van Dr. Lillehei. Al snel volgden er meer en betere pacemakers: er brandde een lichtje bij iedere impuls van de pacemaker, er zat een beveiliging op de draaiknoppen zodat de kinderen er niet aan konden draaien en er werden handvaten bevestigd zodat hij beter draagbaar was.
In de periode daarna bleek dat er een meer permanente oplossing moesten komen voor totaal AV-blok. Dit omdat deze niet altijd herstelde door pacing. Tevens bleek dat de draad voor littekenweefsel zorgde op de plek waar hij in het myocard was bevestigd, waardoor de impedantie toenam en de pacemaker steeds hogere voltages nodig had. Ook kwamen infecties vaak voor.
Ondertussen werd er op 16 juli 1958 een transveneuze pacemakerdraad via de v. basilica ingebracht. Dit werd gedaan tijdens de operatie van een patiënt die een 3e graads AV-blok kreeg tijdens een darmoperatie. Na de operatie werd de stimulatie terug gedraaid tot er een idoventriculair ritme ontstond. De draad werd verwijderd zonder complicaties.
1958: De eerste implanteerbare pacemaker
Op 8 oktober 1958 werd in Zweden de eerste pacemaker geïmplanteerd. Chirurg Ake Senning en ingenieur Rune Elmqvist hadden het systeem ontworpen, waarna het werd geïmplanteerd bij de 43-jarige Arne Larsson. Deze eerste pacemaker werkte 8 uur waarna hij vervangen werd voor een nieuwe pacemaker. Deze pacemaker werd een week later vervangen omdat er een afname van pacemaker stimulatie werd gezien op het ECG. Uiteindelijk zou Arne Larsson op 86-jarige leeftijd overlijden, nadat hij in totaal maar liefst 26 (!) pacemakers had ontvangen in zijn leven. Deze eerste implanteerbare pacemakers werkten met een fixed rate van 70-80 slagen per minuut, een voltage van 2 Volt en een puls duur van 1,5ms. De batterij moest 1x per week 12 uur worden opgeladen. Dit werd gedaan door de huid van de patiënt.
Decennia van ontwikkeling
In de jaren daarna werden er veel ontwikkelingen gedaan op het gebied van nieuwe devices en leads zoals de Hunter-Roth elektrode in 1959 en Elema-Ericsson lead in 1959. Ook werd er veel onderzoek gedaan naar de beste manier om pacemakers te implanteren (Parsonnet et al en Ekstrom et al, 1962).
In de jaren 1970 werden er ook veel ontwikkelingen gedaan op het gebied van device en leads. Er werden met name andere materialen gebruikt en de levensduur van de pacemaker verbeterde aanzienlijk. Ook werd de techniek slimmer omdat het inmiddels niet alleen mogelijk was om fixed rate te pacen, maar ook demand pacing werd mogelijk. Ook werd het mogelijk om de pacemaker te programmeren zonder hem echt uit de patiënt te moeten halen; dit kon nu via de huid. Richting het einde van de jaren 1970 werden de tweekamer devices ontwikkeld, waardoor sensen en pacen in zowel de atria als ventrikels mogelijk was.
Begin jaren 1980 werden er pacemakers ontwikkeld waarvan de leads lokaal steroïden afgaven om ontsteking te voorkomen en ook de veiligheid en levensduur van de pacemaker werd verder verbeterd. In het midden van de jaren 1980 werden ook de rate-responsive pacemakers ontwikkeld: het apparaat kon zich nu aanpassen aan de behoefte van de patiënt. In de jaren 1990 zetten de ontwikkelingen zich voort en in de jaren 2000 werden de biventriculaire pacemakers geïntroduceerd. Ook werd het mogelijk om de pacemaker data te laten verzenden naar de computer om beter te kunnen bijsturen.
Recente ontwikkelingen
De basis die in het vorige decennium is gelegd, is nog steeds van toepassing op de huidige pacemakers. Natuurlijk wordt er wel volop onderzoek gedaan en blijft men de pacemakers ontwikkelen om het geheel efficiënter en veiliger te maken, maar natuurlijk ook comfortabeler voor de patiënt.
Er zijn bijvoorbeeld pacemakers zonder leads met als voordeel dat het makkelijk te implanteren is en er geen noodzaak is voor een wat meer ingewikkelde plaatsing van leads, echter is het device wanneer nodig weer lastiger te verwijderen uit de patiënt. Ook is het risico op infectie en trombusvorming bij deze pacemakers simpelweg nog niet goed genoeg onderzocht. Je ziet ze dus ook nog vrijwel niet in de dagelijkse praktijk.
Ook de locatie van waar de impuls wordt toegediend is onderhevig aan verandering en ontwikkeling. Zo is het veel minder efficiënt om ergens in het myocard van het ventrikel te pacen dan wanneer de impuls de normale route van het geleidingssysteem kan volgen. Dat maakt het aantrekkelijk om te proberen juist in dat normale systeem te pacen. Zo zijn er pacemakers die in de Bundel van His of bundeltak kunnen pacen.
Een ontwikkeling die al meer ‘staat’ in de dagelijkse praktijk is resynchronisatie therapie. Middels deze vorm van pacing kan er synchronisatie worden bereikt tussen de contractie van rechter en linker ventrikel of bepaalde delen van het linker ventrikel, waardoor de output efficiënter wordt. Deze vorm van pacing wordt al iets langer en vaker toegepast in de praktijk en heeft zijn nut al wat meer bewezen.
Afsluiting
Bedankt voor het lezen van dit artikel. Vergeet je niet te abonneren op ons YouTube-kanaal. Ook zijn we te volgen op LinkedIn en Instagram! Verspreid het kanaal ook vooral onder je collega’s en andere geïnteresseerden, dat wordt enorm gewaardeerd!