Эйнтховен, Виллем

Виллем Эйнтховен (нидерл. Willem Einthoven; 21 мая 1860, Семаранг — 28 сентября 1927, Лейден) — нидерландский физиолог, основоположник электрокардиографии, сконструировал в 1903 году прибор для регистрации электрической активности сердца, впервые в 1906 году использовал электрокардиографию в диагностических целях, получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1924 году.

Становление как учёного[1]

Виллем Эйнтховен родился 21 мая 1860 года в Семаранге в семье военного врача Якоба Эйнтховена, потомка испанских евреев, переселившихся в Голландию во времена инквизиции в XV веке,[2] и его второй жены Луизы де Фогель, дочери местного финансового управляющего. Фамилия «Эйнтховен» произошла от двоюродного деда Якоба — согласно кодексу Наполеона все граждане Франции и её провинций, которой тогда являлась Голландия, были обязаны обзавестись фамилиями, и Израиль Давид, двоюродный дед Якоба, взял искажённую фамилию по месту жительства городу Эйндховену. Виллем был старшим из трёх сыновей и третьим ребёнком в семье. В 1866 году Якоб Эйнтховен умер от инсульта, оставив на руках Луизы шестеро детей. Спустя четыре года семья переехала в Утрехт. Там Виллем окончил среднюю школу (нидерл. Hogere burgerschool) и 16 октября 1878 года поступил на медицинское отделение в Университет Утрехта,[3] заключив армейский контракт для оплаты учёбы, поскольку семья испытывала финансовые затруднения.[4]

Обучение[5]

Виллем намеревался пойти по стопам отца, однако его исключительные способности начали развиваться в совершенно другом направлении. После прохождения практики в качестве помощника офтальмолога в известной в Голландии глазной больнице «Gasthuis voor Ooglijders» (дословно — нидерл. госпиталь для страдающих от глазных болезней) и получения степени бакалавра он провёл два исследования, вызвавшие впоследствии широкий интерес. Первое называлось «Quelques remarques sur le mécanisme de l’articulation du coude» (фр. Некоторые замечания о механизме локтевого сустава).[6] Дело в том, что Эйнтховен был поклонником физического воспитания. В студенческие годы он был отличным спортсменом и не раз убеждал своих друзей «не дать погибнуть телу». Он был избран президентом союза гимнастов и фехтовальщиков и позже стал одним из основателей Утрехтского студенческого гребного клуба. Во время занятия гимнастикой он сломал запястье и для того, чтобы восстановить работоспособность руки, занялся гребным спортом, отчасти ради соперничества со своим братом за первое место в соревновании по гребле среди голландских студентов.[1] В то же время, будучи вынужденно ограниченным в движении, он заинтересовался пронацией и супинацией руки и работой плечевого и локтевого суставов.

Основное здание Лейденского университета

Позднее Эйнтховен под руководством офтальмологов Франса Дондерса и Херманна Снеллена[4] провёл второе исследование «Stereoscopie door kleurverschil» (нидерл. Стереоскопия посредством дифференцировки цветов, 1885), которое было опубликовано в качестве его докторской диссертации. В том же году Эйнтховен получил степень доктора медицины и философии.[7] Согласно условиям армейского контракта он был обязан пройти службу в медицинском корпусе. Однако в том же году умер профессор физиологии в Лейдене Адриан Хейнсиус, и с решительной поддержкой Ф. Дондеса Виллем был назначен преемником Хейнсиуса, что освободило его от воинской повинности.[4][8] Таким образом Эйнтховен в январе 1886 года в возрасте 25 лет вошёл в должность профессора Лейденского университета, оставаясь в этой должности всю жизнь. Первым его серьёзным исследованием, проведённым в Лейдене, было «Über die Wirkung der Bronchialmuskeln nach einer neuen Methode untersucht, und über Asthma nervosum» (нем. О работе бронхиальной мускулатуры, изученной новым методом, и о нервной астме, 1892).[9] В книге В. Нагеля «Справочник по физиологии человека» (нем. Handbuch der Physiologie des Menschen) оно охарактеризовано как «большая работа».[10]

В то же время Эйнтховен возобновил исследования в оптике. Среди его работ на эту тему можно выделить «Eine einfache physiologische Erklärung für verschiedene geometrisch-optische Täuschungen» (нем. Простое физиологическое объяснение различных геометрическо-оптических иллюзий, 1898),[11] «Die Accomodation des menschlichen Auges» (нем. Аккомодация человеческого глаза, 1902),[12] «The form and magnitude of the electric response of the eye to stimulation by light at various intensities» (англ. Вид и величина электрического отклика глаза на световое возбуждение различной интенсивности, 1908).[13]

Электрокардиография

Зубцы стереотипной электрокардиограммы

В 1885-1889 годы Эйнтховен занимался исследованием физиологии дыхания, в частности изучением работы блуждающего нерва в механизме контроля дыхания.[4] В 1889 году Эйнтховен посетил первый международный конгресс по физиологии в Базеле.[14] Там он познакомился с техникой записи электрокардиограммы, продемонстрированной Огастесом Уоллером на примере своей собаки Джимми, которому в 1887 году впервые удалось записать кардиограмму человека на капиллярном электрометре.[15][16] В 1893 году на заседании Нидерландской медицинской ассоциации Эйнтховен предложил к использованию новый термин «электрокардиограмма». Позже, однако, он отказался от авторства в пользу Уоллера.[17] С 1890 по 1895 годы Эйнтховен занимался устройством капиллярного электрометра, улучшая его функциональность и увеличивая разрешение, применяя физико-математический подход. Ему удалось получить хорошие электрокардиографические изображения. Каждому циклу сердечного сокращения соответствовало пять зубцов, для которых Эйнтховен ввёл новую номенклатуру: P, Q, R, S, T и U, чтобы избежать разногласий с номенклатурой A, B, C и D, введённой им в предыдущих работах по исследованию электрометра, в которых он не записывал отрицательные зубцы.[18][19][20]

Струнный гальванометр Эйнтховена

Эйнтховену не удавалось усовершенствовать капиллярный электрометр настолько, чтобы он мог применяться в диагностических целях. Поэтому он начал работать с другим инструментом — струнным гальванометром. Эйнтховен не знал о том, что в 1897 году похожее устройство уже было сконструировано как средство связи французским инженером Клементом Адером. Однако аппарат Адера обладал чувствительностью, которой не было достаточно для использования применительно к электрокардиографии.[4] Тем не менее, в своей работе «Un nouveau galvanomètre» (фр. Новый гальванометр, 1901)[21] Эйнтховен упомянул аппарат Адера.

При разработке собственного струнного гальванометра Эйнтховен взял за основу конструкцию магнитоэлектрического гальванометра Депре-Д’Арсонваля. Он заменил подвижные части (катушку и зеркало) на тонкую посеребрённую кварцевую нить (струну). По нити пропускался электрический сигнал сердца, регистрируемый с поверхности кожи. Вследствие этого на нить в поле электромагнита действовала сила Ампера, прямо пропорциональная величине силы тока (), и нить отклонялась нормально к направлению линий магнитного поля.[22] Кварцевые нити изготовлялись следующим образом: на конце стрелы закреплялось кварцевое волокно таким образом, чтобы оно удерживало стрелу при натянутой тетиве лука; волокно нагревалось до той степени, когда оно не было способно сдерживать натяжение тетивы, и стрела выстреливала, вытягивая волокно в тонкую однородную нить диаметром 7μ. Далее нить требовалось покрыть слоем серебра, для этого Эйнтховен сконструировал специальную камеру, в которой она бомбардировалась беспримесным серебром. Одной из самых больших проблем было создание источника сильного и постоянного по значению магнитного поля. Эйнтховену удалось создать электромагнит, обеспечивавший поле в 22 000 Гс, однако он настолько разогревался в рабочем состоянии, что для него пришлось подвести систему водяного охлаждения. Другая проблема заключалась в создании системы записи и измерения отклонений нити. Посоветовавшись с Дондесом и Снелленом, Эйнтховен сконструировал систему линз, позволявшую фотографировать тень нити. В качестве источника света он использовал массивную дуговую лампу. Устройство фотографической камеры включало в себя фотографическую пластинку, которая во время снятия показаний двигалась с постоянной скоростью, регулируемой масляным поршнем. Пластинка передвигалась под линзой, на которой была нанесена шкала в вольтах. Временна я шкала наносилась на саму пластинку тенями от спиц вращающегося с постоянной угловой скоростью велосипедного колеса.[4]

Ранняя модель электрокардиографа

Благодаря использованию очень лёгкой и тонкой нити и возможности изменять её напряжение для регулирования чувствительности прибора струнный гальванометр позволил получить более точные выходные данные, чем капиллярный электрометр. Первую статью о записывании электрокардиограммы человека на струнном гальванометре Эйнтховен опубликовал в 1903 году.[23] Существует мнение, что Эйнтховену удалось достичь точности, превосходящей многие современные электрокардиографы.[2][24]

В 1906 году Эйнтховен опубликовал статью «Le télécardiogramme» (фр. Телекардиограмма),[25] в которой описал метод записи электрокардиограммы на расстоянии и впервые показал, что электрокардиограммы различных форм сердечных заболеваний имеют характерные различия. Он привёл примеры кардиограмм, снятых у пациентов с гипертрофией правого желудочка при митральной недостаточности, гипертрофией левого желудочка при аортальной недостаточности, гипертрофией левого ушка предсердия при митральном стенозе, ослабленной сердечной мышцей, с различными степенями блокады сердца при экстрасистоле.[22]

Вскоре после опубликования первой статьи о применении электрокардиографа Эйнтховена посетил инженер из Мюнхена Макс Эдельманн с предложением наладить производство электрокардиографов и выплачивать Эйнтховену отчисления примерно по 100 марок за каждый проданный аппарат. Первые электрокардиографы, произведённые Эдельманном, были фактически копиями образца, сконструированного Эйнтховеном. Однако изучив чертежи электрокардиографа Эйнтховена, Эдельманн понял, что его можно усовершенствовать. Он увеличил мощность и уменьшил размеры магнита, а также устранил необходимость его водяного охлаждения. В результате Эдельманн сконструировал аппарат, сильно отличающийся по параметрам и дизайну от первоисточника, к тому же он узнал об аппарате Адера и использовал это как довод к тому, чтобы больше не выплачивать дивиденды от продаж. Разочаровавшись, Эйнтховен принял решение в дальнейшем не сотрудничать с Эдельманном и обратился с предложением заключить соглашение о производстве к директору компании CSIC Хорэсу Дарвину.

Усовершенствованная модель, выпущенная CSIC

Представителю компании, посетившему лабораторию Эйнтховена, не приглянулись возможности аппарата в силу его громоздкости и требовательности к людским ресурсам: он занимал несколько столов, весил приблизительно 270 килограмм и требовал для полноценного обслуживания до пяти человек. Однако в своей статье «Weiteres über das Elektrokardiogramm» (нем. Дополнительно об электрокардиограмме, 1908)[26] Эйнтховен показал диагностическое значение электрокардиографии. Это послужило серьёзным аргументом, и в 1908 году CSIC начала работы по усовершенствованию аппарата; в том же году был произведён и продан британскому физиологу Э. А. Шеферу первый произведённый компанией электрокардиограф.[4][27]

К 1911 году была разработана «настольная модель» аппарата, владельцем одной из которых стал Томас Льюис. Используя свой аппарат, Льюис изучил и классифицировал различные типы аритмии, ввёл новые термины: пейсмейкер, экстрасистола, мерцательная аритмия и опубликовал несколько статей и книг об электрофизиологии сердца.[2] Устройство и управление аппаратом всё же оставалось затруднительным, о чём косвенно свидетельствует прилагавшаяся к нему десятистраничная инструкция.[28] в период с 1911 по 1914 годы было продано 35 электрокардиографов, десять из которых было отправлено в США.[27] После войны было налажено производство аппаратов, которые можно было бы подкатить непосредственно к больничной койке. К 1935 году удалось снизить вес аппарата до примерно 11 килограмм, что открыло широкие возможности к его использованию в медицинской практике.[2]

Треугольник Эйнтховена

Схематичное представление треугольника Эйнтховена

В 1913 году Виллем Эйнтховен в сотрудничестве с коллегами опубликовал статью,[29] в которой предложил к использованию три стандартных отведения: от левой руки к правой, от правой руки к ноге и от ноги к левой руке с разностями потенциалов: V1,V2 и V3 соответственно.[30] Такая комбинация отведений составляет электродинамически равносторонний треугольник с центром в источнике тока в сердце.[31] Эта работа положила начало векторкардиографии, получившей развитие в 1920-х годах ещё при жизни Эйнтховена.[1]

Закон Эйнтховена

Закон Эйтховена является следствием закона Кирхгофа[30] и утверждает, что разности потенциалов трёх стандартных отведений подчиняются соотношению V1 + V3 = V2.[32] Закон применяется, когда вследствие дефектов записи не удаётся идентифицировать зубцы P, Q, R, S, T и U для одного из отведений; в таких случаях можно вычислить значение разности потенциалов, при условии, если для других отведений получены нормальные данные.[33]

Признание

В 1924 году Эйнтховен был удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине с формулировкой «За открытие техники электрокардиограммы».[34] Исследования Виллема Эйнтховена порой причисляются к десяти величайшим открытиям в области кардиологии в двадцатом веке.