28
Электричество
600 вольт: электрический угорь из Амстердамского зоопарка
Хирурги работают с электричеством каждый день. В зависимости от напряжения, линии и частоты, ток может быть безопасным, бесполезным, излишним, опасным или смертельным. 1 марта 2013 года в Амстердаме была проведена особая операция, в которой опасность электричества сыграла важную роль. Правда, оперирующий не был хирургом, а операционная находилась не в больнице. Процедура состоялась в Амстердамском зоопарке Natura Artis Magistra при содействии Марно Волтерса. Он ветеринар и на тот момент уже оперировал представителей многих видов животных.
Хирурги ограничиваются оперированием млекопитающих, точнее говоря, особого вида приматов, но большинство техник операций, ориентированных на Homo sapiens, можно применить и к другим животным. Таким образом, развитие хирургии способствует и дальнейшему развитию ветеринарии. Стерилизация и кастрация – это совершенно обычные ветеринарные операции. Однако ветеринары выполняют кесарево сечение у собак, операции на желудке у коров и подтяжку живота у вьетнамских вислобрюхих свиней; они лечат грыжу брюшной стенки у лошадей и зубы бегемотов и восстанавливают сломанные кости гепардов.
Есть хирурги, которые проводят операции на мышах в научных целях, например, на их желудке или кишечнике. Но насколько захватывающе было бы прооперировать пищевод фламинго или сонную артерию жирафа. Не менее интересно было бы прооперировать легкое черепахи, почти двухметровую слепую кишку коалы или щитовидную железу тигра, при условии, что все это возможно. Или как насчет операции на открытом сердце кита, которое настолько велико, что на нем можно стоять, или ринопластики для слона?
Правда, все эти вмешательства в организм животных были бы настолько же необычны, насколько и опасны для жизни. Волтерс предпринял операцию на Electrophorus electricus, электрическом угре. Животное прекрасно чувствовало себя в аквариуме в зоопарке много лет, и вдруг в его животе развилась опухоль. Электрические угри – рыбы, в длину достигающие около полутора метров, которые могут производить электрические удары. Они даже опаснее, чем розетка под водой.
То, что животное может генерировать электричество, вполне нормально. Каждая клетка в теле постоянно создает разность потенциалов между внутренней и внешней оболочкой. Электрические напряжения, которые производятся в нашем теле, не слишком мощные, но достаточно высокие, чтобы их можно было измерить: в мозге, например, с помощью ЭЭГ (электроэнцефалографии) или в сердце с ЭКГ (электрокардиографии). Нервные клетки используют электрическое напряжение для передачи сигналов. Наш мозг – огромный центр управления, который потребляет электричество. Чтобы генерировать и сохранять электрический ток, требуется много энергии. Одна пятая общего количества потребляемого нами кислорода требуется для энергопитания мозга.
Органы, с помощью которых угорь производит электрический ток, довольно необычные, поскольку отдельные части тела вырабатывают электричество не каждая для себя и отдельно друг от друга, а связанно и в последовательном и параллельном соединении. Таким образом, в сумме создаются очень высокие напряжения. Но и электрическому угрю требуется много кислорода для генерирования тока, гораздо больше, чем рыба может получить из воды через жабры. Поэтому он должен регулярно подниматься на поверхность, чтобы глотнуть воздуха.
Три органа электрического угря генерируют ток. Все они находятся в хвостовой части, которая занимает почти всю длину рыбы. Орган Сакса испускает слабые импульсы тока, которые электрический угорь использует как своего рода радар для сканирования окружающей территории и выслеживания добычи (глаза у него очень маленькие). Орган Хантера может выпустить электрический заряд, чтобы парализовать добычу. И есть еще главный орган, он работает в случае опасности, – за три тысячные доли секунды он может произвести электрический удар в 600 вольт, этого достаточно, чтобы мгновенно отключить любое животное поблизости, даже человека.
Шитье
Швы делаются при помощи специального инструмента, в котором крепко зажата хирургическая игла. Этот инструмент называется иглодержатель, его оперирующий (правша) держит в правой руке большим и безымянным пальцами. В левой руке хирурга находится пинцет, с помощью которого он приподнимает ткани и перехватывает иглу. Хирургические иглы имеют изогнутую форму, чтобы свести к минимуму вмешательство в ткани при зашивании. Это одноразовые иглы, в которые уже вставлена нить. Игла и нить вместе упаковываются и стерилизуются дважды. Можно вскрыть внешнюю упаковку, не нарушив целостность внутренней. В стерильных перчатках оперирующий хирург или врач-ассистент могут затем касаться внутренней упаковки, не дотрагиваясь при этом до внешней. Таким образом, при передаче инструмента не передаются бактерии. Есть острые иглы, тупые иглы, режущие иглы, большие и маленькие иглы. Нити бывают растворяющиеся и не растворяющиеся, есть нити, которые состоят из одного волокна, и сплетенные нити. Все эти комбинации различных игл и нитей упаковываются по отдельности. Толщина нити указывается в цифрах. Нить толщиной 1 уже толстая, 2 еще толще, но существуют даже нити с толщиной 5. 0 немного тоньше, но большинство нитей еще более тонкие. Они обозначаются рядом нулей. Два нуля (00) тоньше, чем 0. Нить, толщина которой обозначается тремя нулями (000), обычно используется для кожного шва. Кровеносные сосуды необходимо сшивать при помощи нитей толщиной шесть нулей, а в микрохирургии применяются нити с толщиной в двенадцать нулей. Они тоньше, чем волос.
В течение нескольких недель у электрического угря из Амстердамского зоопарка наблюдался распухший живот, из-за которого его голова даже поднималась вверх. Обычно живот электрического угря маленький, между головой и огромным хвостом он практически незаметен. Сначала все думали, что его перекормили или у него запор, однако проблема не исчезла, когда его стали кормить меньше и давали слабительное средство. Поскольку антибиотики тоже не помогли, вероятность инфекции была исключена. Многое указывало на рак. Страдания животного вскоре усилились, это было очевидно, и ветеринары наконец решили провести обследование, чтобы выяснить, можно ли ему помочь. Это означало, что электрическую рыбу нужно было вытащить из ее бассейна, чтобы сделать рентгеновский снимок и биопсию. Другими словами, посредством небольшого хирургического вмешательства они хотели отрезать кусочек опухоли в его животе и исследовать его под микроскопом. Естественно, животное будет воспринимать это как угрозу и выпустит против сотрудников зоопарка все свои 600 вольт. Электрического угря это сильно истощило бы и к тому же стоило ему дополнительного кислорода. В общем, это было рискованное мероприятие не только для людей, но и для самого животного. Операцию нужно было подготовить очень хорошо.
Это была не первая операция электрического угря. Поэтому сотрудники зоопарка связались с ветеринарами в Чикаго, которые провели такую операцию в 2010 году. Подготовительные работы были завершены и обобщены в своего рода сценарий. Важно знать, что электрический угорь производит ток только тогда, когда сам захочет, то есть он никогда не делает это бессознательно. Электрический разряд невозможен, если животное спит, и здесь есть два преимущества. Если ввести рыбу в наркоз, операцию можно выполнять без риска получить удар током. Кроме того, измерить глубину сна можно, поместив вольтметр в воду. Чем ниже напряжение, тем лучше эффект от наркоза.
Операция прошла в галерее за аквариумом большого зала. Все были в специальных изоляционных защитных перчатках, а два работника зоопарка, которые ловили и поднимали животное, даже надевали резиновые костюмы для дайвинга. Сначала электрического угря при помощи рыболовной сети поместили в заполненный водой пластиковый контейнер, в котором бурлил дополнительно проведенный воздух. Измеряя электрические удары с помощью простого вольтметра, в воду добавили препарат тримекаин. В течение часа интенсивность импульсов тока постепенно снизилась, и рыба двигалась все меньше и меньше.
Затем спящее животное вынули из воды и поместили на желобообразный операционный стол, который сотрудники смастерили из куска ПВХ-водостока. Вольтметр больше не показывал импульсы тока. Рот рыбы промывали с помощью трубки, в которую подавалась вода с растворенным в ней обезболивающим. Теперь размер опухоли был хорошо виден. В распухшем животе животного чувствовались твердые узлы. Был сделан рентгеновский снимок. И затем Волтерс, руками в резиновых перчатках, сделал небольшой разрез кожи над опухолью. У электрического угря, как и у обычного, нет чешуи, что немаловажно. Волтерс вырезал небольшой кусочек опухолевой ткани и зашил рану растворимыми нитями. В случае с рыбами важно использовать нить, которая не растворяется слишком быстро. Раны у теплокровных животных заживают примерно за две недели. Однако у холоднокровных животных, таких как рыбы, обмен веществ гораздо медленнее, так что шов должен оставаться на месте в течение шести-восьми недель, пока рана не заживет как следует.
После небольшого хирургического вмешательства угря для приведения «в сознание» поместили во вторую емкость со свежей водой. Вскоре он начал самостоятельно двигаться, и уже первые электрические удары, которые были измерены, имели высокое напряжение.
Тем не менее примерно через час после операции рыба, как казалось, почувствовала себя плохо. Электрические удары уже не были регулярными, она двигалась все меньше. Внезапно произошел сильный электрический разряд – и угорь перестал двигаться совсем. Животное было мертвым, словно остатки своей жизни оно вложило в этот последний удар. Были ли операция и наркоз слишком сильным стрессом для него, или электрического угря убила раковая опухоль?
Волтерс провел вскрытие. Опухоль была чрезвычайно большой, и она дала метастазы в печень и селезенку. Микроскопическое исследование показало, что это был метастазирующий рак поджелудочной железы. Это объясняет быстрый рост опухоли. Прогноз был плохим в любом случае. Вероятнее всего, смерть после наркоза спасла рыбу от продолжительных мучений.
Электричество, с которым должны были считаться Волтерс и его команда, являлось непредсказуемым, в некотором смысле у него была своя воля. Кроме того, все вокруг было влажным, и речь шла не об обычной операции. Хирурги, которые оперируют людей, должны осознавать опасность электричества, но, к счастью, сила тока в операционном зале контролируется и регулируется. Электричество при операции – вещь вездесущая. Аппарат искусственной вентиляции легких анестезиолога работает от электричества, приборы, которые измеряют частоту сердечных сокращений, содержание кислорода и кровяное давление, потребляют электричество, операционный стол изменяет положение при помощи электричества, операционные лампы, естественно, электрические, аппаратура для операций «через замочную скважину» требует электричества, мобильные устройства для рентгеноскопии тоже работают от электричества, в операционной находятся компьютеры, которые регистрируют и извлекают медицинские данные, а также видеоэкраны для просмотра процедур и рентгеновских снимков – все они потребляют электроэнергию. Кроме того, несколько хирургических методов требуют использования электричества, так что пациенты и оперирующие имеют с ним более тесный контакт, чем можно представить. В современной хирургии практически нет операций, которые проводились бы без электрокоагуляции. Для этой цели был разработан электрический нож, комбинация скальпеля и раскаленного железа. При его использовании пациент буквально оказывается под электрическим напряжением. И тем не менее этот метод безопасен.
В каменном веке хирурги пользовались камнями. Родоначальник многих народов Авраам совершал обрезание при помощи каменного ножа (глава 3). Скальпель греков делался из бронзы, римлян – из железа, а мы сегодня используем сталь. Благодаря новым технологиям за последние сто лет появились новые ножи. Например, так называемый пьезоэлектрический эффект (который известен благодаря гидроакустической системе обнаружения подводных лодок) применяется в операциях при помощи инструмента, который осуществляет режущую вибрацию для остановки кровотечения и разрезания. Вскоре после того, как радиоактивное излучение (ядерная энергия) стало технически управляемым, гамма-лучи использовались для разрезания с помощью так называемого гамма-ножа. Вскоре после разработки микроволновой техники (например, микроволновых печей) в хирургии стали применять и ее, то же самое относится и к лазерной технологии. Однако самым успешным инструментом оставался простой электрический нож, который появился в хирургии вскоре после того, как электричество повсеместно вошло в повседневность (электрическая лампочка).
Уже в 1875 году проводились эксперименты с нитями накаливания для прижигания кровотечений. Это называлось электрокаутеризацией, от латинского слова cauterium, что означает «раскаленное железо». Однако проволока становилась слишком горячей и сжигала окружающие ткани в большем объеме, чем предполагалось. Этот метод был медленным, ненадежным, и к тому же опасным.
Французский физик Жак Арсен д’Арсонваль продолжал размышлять над этим вопросом. Он знал, что электроэнергия вырабатывает тепло, особенно в месте наибольшего сопротивления. Тело достаточно большое, чтобы проводить ток без высокого сопротивления, и электричество может беспрепятственно проходить через металлический нож. Поэтому наибольшее сопротивление возникает в точке, где соприкасаются тело и нож, точнее, на небольших участках кожи вокруг кончика электрического ножа, именно там, где при хирургическом вмешательстве требуется накал. Кроме того, оно присутствует только тогда, когда нож контактирует с тканью, не дольше.
Идея д’Арсонваля заключалась в том, чтобы свести к минимуму негативное воздействие электричества на тело, применяя для передачи энергии переменный ток вместо постоянного. Переменный ток – это тот, который поступает из розетки. Из-за его парализующего воздействия на нервы, сердце и мышцы он опасен для жизни. Однако француз обнаружил, что этот нежелательный эффект пропадает, когда частота переменного тока повышается до более чем 10 000 герц. Первые хирургические генераторы переменного тока использовались уже в конце XIX века.
Электрический нож присоединяется кабелем к электрогенерирующему устройству. Чтобы замкнуть электрическую цепь, устройство должно быть подведено к пациенту через второй кабель. Пациент, таким образом, становится частью схемы. В наше время этот второй кабель прикрепляется к пациенту с помощью токопроводящей пластины, которая приклеивается к бедру. Поэтому хирург никогда не начинает операцию, не спросив предварительно операционную бригаду, приклеена ли пластина.
Как, собственно, накал останавливает кровотечение? Белки в крови и тканях из-за высокой температуры переходят из жидкого состояния в твердое, так же как белок в яйце становится плотным, когда вы его варите. Это специфическое свойство белков называется коагуляцией. Поскольку изменение вызвано электричеством, оно называется электрокоагуляцией. По мере того как повышается температура и на очень маленькую область ткани оказывается еще большее тепловое воздействие, клетки тела начинают разрушаться еще до того, как у белка появляется шанс коагуляции, так как вода в клетках сразу испаряется. Эффект в этом случае не кровоостанавливающий, а режущий.
Американский инженер Уильям Бови разработал более детальный принцип электрокоагуляции в двадцатые годы. Он создал генератор, который позволил значительно лучше контролировать количество энергии в тканях. Для этого он использовал переменный ток с частотой 300 000 герц. Его аппарат мог передавать электричество импульсами. Это называется модулированным переменным током. Кроме того, аппарат регулировал напряжение. Более высокое напряжение компенсировалось уменьшением числа импульсов в секунду, так что общая энергия не возрастала слишком сильно. Таким образом, появилась возможность вариаций между прижигающим и режущим эффектом, притом что мощность подаваемой электроэнергии осталась в безопасных пределах. С тех пор этот функциональный механизм неизменно используется в хирургии, а во многих странах электрокоагулятор все еще называют по имени его изобретателя – «Бови».
Аппарат Бови был введен в хирургию 1 октября 1926 года Харви Кушингом в Бостоне, хирургом, специализирующимся на единственном органе в организме, в котором кровотечение нельзя просто прижать, зашить или перевязать: на мозге. Кушинг – пионер нейрохирургии.
Мозг очень хорошо снабжается небольшими кровеносными сосудами. Так же, как и опухоли в голове. Удаление опухолей головного мозга было делом кровавым, поэтому Кушинг придумал некоторые меры предосторожности. Он использовал маленькие серебряные клипсы, которые размещал на кровеносных сосудах, как скобки, чтобы остановить кровотечение, а затем оставлял их в ткани. Такие клипсы по-прежнему применяются сегодня при операциях на любых частях тела, только они больше не делаются из серебра. Удаление опухолей по частям Кушинг сделал своей привычкой. Если он был вынужден преждевременно прекратить операцию из-за чрезмерной кровопотери, он оперировал пациента снова через несколько дней или недель, чтобы удалить оставшееся, когда восстановится необходимое количество крови в организме. Это называлось английским термином Piecemeal-Methode, то есть «метод удаления по частям». При масштабном вмешательстве Кушинг приглашал добровольца в операционную на случай срочной необходимости переливания крови пациенту. В большинстве своем то были студенты-медики, которые таким образом получали возможность поприсутствовать на новаторской операции на мозге профессора Кушинга.
Особую операцию, где он впервые использовал электрокоагуляцию, Кушинг описал в медицинском издании, чтобы подчеркнуть значимость новой кровоостанавливающей техники. Он определенно не был первым, кто применил эту технику, многие хирурги прежде уже работали с ней, но Кушинг настолько успешно применил коагуляцию в нейрохирургии и он сам был настолько известен среди хирургов, что публикация его удивительных результатов, полученных в этой операции, в 1926 году возымела решающее значение.
Однако прежде всего Кушингу нужно было решить одну большую проблему. Хотя в городе Бостон уже применялся переменный ток для освещения домов и улиц, больница Бригхэм, в которой работал Кушинг, все еще использовала силу постоянного тока. Поэтому, специально для этой операции, кабель нужно было протянуть в операционную с улицы.
В тот день Кушинг использовал электрохирургический генератор Уильяма Бови на шестидесятипятилетнем мужчине со злокачественной опухолью на черепе, «экстракраниальной саркомой». За три дня до этого ему пришлось прервать операцию из-за слишком большой потери крови. Кушинг не старался понять физические основы коагулятора. Необязательно знать, как работает двигатель, чтобы управлять автомобилем, сказал он тогда. Поэтому он попросил Бови присутствовать в операционной во время процедуры. В то время как Кушинг пытался остановить кровь, Бови мог повернуть переключатели, чтобы дать ему какое-то количество вольт импульсами. Кушинг открыл хирургическую рану и снова начал удалять опухоль по частям, на этот раз не ножом и ножницами, а с помощью электрокоагулятора. Дым от обгоревшей опухоли вонял настолько омерзительно, что зрителям в операционной стало плохо. Студент-медик, который был готов при необходимости пожертвовать кровь, упал сначала в обморок, а потом со стула, но тем не менее Кушинг сразу же понял: результат на удивление хорош.
У другой пациентки с подобной опухолью, двенадцатилетней девочки, опухоль получилось полностью удалить за одну операцию благодаря «Бови». Оба пациента восстановились, осложнений не возникло, поэтому Кушинг продолжал использовать аппарат. Теперь он мог оперировать пациентов, для которых ранее вмешательство считалось невозможным. Своим коллегам Кушинг писал: «Мне удается делать в голове такое, что я всегда считал невозможным». Хирурги разных областей по всему миру стали следовать его примеру.
Поначалу время от времени еще возникали проблемы. На одной операции на черепе из открытой лобной пазухи вышло голубое остроконечное пламя, потому что горючий эфир, который пациент вдохнул для наркоза, попал в оперируемую область. Его зажгла искра от электрокоагуляции. С тех пор Кушинг стал обеспечивать пациентам анестезию не через дыхательные пути, а через прямую кишку. В другой раз сам Кушинг получил удар током, когда случайно коснулся рукой металлического ретрактора. Затем он долгое время использовал инструменты, сделанные из дерева, и проводил операции на деревянном столе, пока Бови не нашел лучшее решение, изменив настройки прибора.
Сегодня предпринимаются многочисленные меры для защиты пациента и оперирующего от тока. Хирургическая бригада носит хирургические перчатки из резины. Пациент, операционный стол и все электроприборы заземлены. Вся операционная комната представляет собой так называемую клетку Фарадея. Это означает, что в стены и в двери встроена сеть из медных проводов, чтобы ток снаружи – например, в случае удара молнии или перегрузки электросети – не смог проникнуть в операционную зону. Кроме того, современный операционный комплекс полностью «гальванически» защищен от внешнего мира. То есть ни один токопроводящий кабель не должен располагаться в непосредственной близости. Все электрические цепи управляются через трансформаторы, передача данных по локальной компьютерной сети осуществляется через оптоволоконные соединения.
Электрокоагуляционное устройство Бови спустя почти сто лет практически не изменилось. Оно только было усовершенствовано и стало более безопасным, ведь современные условия работы должны соответствовать гораздо более строгим требованиям, чем во времена Кушинга. И, хотя вся концепция электрокоагуляции считается сегодня достаточно безопасной, напряжение, передаваемое устройством пациенту, по-прежнему не сильно отличается от напряжения электрического угря: несколько сотен вольт.
