Srdce poháněné plutoniem

Když srdce nepracuje jak má, často se musí „přeprogramovat“ vnějšími elektrickými impulzy – kardiostimulátorem. K jeho pohonu lze použít nejen konvenční baterie, ale i zdroje na bázi radioizotopové přeměny. Ačkoli v dobách jaderné euforie nebyl jaderný kardiostimulátor nikterak výjimečný, dnes na něj hledíme s odstupem a zaujetím.

Historie

Poruchy srdečního rytmu dokáží pacientovi v lepším případě „pouze“ znepříjemnit život. V horším případě mohou být jeho životu osudnými. O externím zdroji impulzů, jež by dokázal spolehlivě řídit srdeční sval, se začalo uvažovat již od 30. let minulého století. Takovým zařízením byl kardiostimulátor, který dokáže pomocí elektrod iniciovat elektrickými impulzy srdeční smršťování. Využívá se především u pacientů se srdeční poruchou v případech, kdy srdce bije pomaleji než by mělo (bradykardie). První implantovaný kardiostimulátor roku 1958 fungoval pouze několik málo hodin. Z důvodu nedokonalých elektrických zdrojů dostupných v dané době byl velký problém s životností kardiostimulátorů i v následujících letech. První funkční modely z roku 1967 obsahovaly šest zinko rtuťových baterií uzavřených v plastovém obalu o hmotnosti asi 200 g. Jejich spolehlivá životnost byla v řádu měsíců. Pacient, který prodělal vůbec první implantaci „konvenčního“ kardiostimulátoru, podstoupil za celý svůj život implantaci celkem 26 „konvenčních“ kardiostimulátorů. Převrat v oblasti spolehlivých a dlouhodobých zdrojů přišel na počátku 70. let s ovládnutím radioizotopové přeměny v miniaturním měřítku. Kardiostimulátory s radioizotopovým zdrojem mohly fungovat delší dobu, byly menší a spolehlivější.

Užitečná radioaktivita

Radioaktivita, je přirozená přeměna (rozpad) radioizotopů. Doprovází ji ionizující záření, které je pokládáno lidskému organismu obecně škodlivé. Jeho škodlivost však závisí na intenzitě a druhu. Jelikož je izotop ²³⁸Pu na první pohled čistým alfa zářičem, mělo by být poměrně jednoduché ho odstínit. Problém nastává s gama zářením, které se u tohoto izotopu vyskytuje ve zlomkové intenzitě. Další problém je jak bezpečně mechanicky odizolovat velice jedovaté plutonium od lidských buněk. Už 1 μg tohoto izotopu v těle má fatální následky na zdraví. Jak je tedy možné, že kardiostimulátory byly implantovány? Byly bezpečné? Jaké to bylo žít s plutoniem u srdce?

Plutoniový kardiostimulátor vyvolal mnoho otázek a některé stále vyvolává (obr. 1).

Radioizotopové zdroje jsou nekonvenčními jadernými zdroji využívanými převážně ve vesmírných aplikacích k napájení družic ve specifických podmínkách tam, kde není možné využít solární panely. Kromě vesmírných aplikací se radioizotopové zdroje uplatnily v bezobslužných meteorologických stanicích Arktidy, bezúdržbových světelných majácích… a také právě v jaderných kardiostimulátorech.

Nejvhodnějším izotopem pro radioizotopovou přeměnu v kardiostimulátoru je ²³⁸Pu, který se s poločasem přeměny 87,7±0,3 let přemění na ²³⁴U a alfa částici. Právě alfa částice (jádra helia) jsou majoritním nosičem uvolněné energie, která je následně předána ve formě tepelné energie cílovému objektu. Tímto objektem je ve většině případů termoelektrický článek (obr. 2).

Samotný princip činnosti kardiostimulátoru vychází z konverze získané tepelné energie na energii elektrickou, která generuje potřebné elektrické impulzy. Kromě jiného zdroje energie se radioizotopový kardiostimulátor od běžného lišil v tom, že obsahoval DC/DC konvertor, který zajišťoval dostatečné výstupní napětí.

První pokusy

Doba lidského testování laboratorně ozkoušených kardiostimulátorů proběhla v letech 1969-1973. V té době bylo vyrobeno asi 650 kardiostimulátorů, z nichž 260 bylo implantováno dobrovolníkům na různých kontinentech (obr. 3).

Testy potvrdily smysluplnost celého projektu a měřením zpřesnily teoretické výpočty.

Bezpečnost

Proč si lidé dobrovolně nechali transplantovat silně toxický izotop ²³⁸Pu do svého těla? Odpověď je prostá – byla to v dané době jediná možnost, jak zajistit napájení dlouhodobě fungujících kardiostimulátorů. Jednalo se o prodloužení životnosti kardiostimulátorů na více než deset let ze dvou let, které s nižší spolehlivostí poskytovaly předchozí zdroje.

První kardiostimulátor na „radioizotopový pohon“ vyrobila v roce 1969 společností Arco. Poprvé byl v lékařské praxi použit 27. 4. 1970 v Paříži,. Bezpečnost při využívání jedovatého plutonia zajišťoval speciální systém obalů (kontejnerů). Z důvodu přísných požadavků na vlastnosti materiálů nebylo možné uzavřít peletku PuO₂ pouze do jednoho kovu. Dostatečnou bezpečnost i pro méně pravděpodobné události zajišťoval systém bariér. Konstrukce kardiostimulátoru dokázala odolat velkým nárazům (autonehoda, úmyslné poškození), požáru v případě nehody, ale i kremaci podle předpokládaných teplot.

Každý kardiostimulátor musel splňovat velmi náročná kritéria testů. Jedinou teoretickou možností úniku plutonia do atmosféry byl nepravděpodobný scénář kombinace několika událostí (pravděpodobností). Šlo například o pravděpodobnost, že by pacient zemřel do jednoho roku po transplantaci, pravděpodobnost zvolení kremace, pravděpodobnost, že by kardiostimulátor před kremací nebyl odstraněn a pravděpodobnost vyšší teploty než 1300°C, o které se uvažovalo. Podle výpočtů by se jednalo o jeden případ takovéto kombinace za 20 let z 10 000 pacientů potenciálně užívajících tento kardiostimulátor (obr. 4).

Konstrukce

Peletku tvořilo minimálně 150 mg PuO₂ ve tvaru disku, který byl obalen vnitřním kontejnerem. Jeho objem byl asi pětinásobným objemem peletky, která v něm byla uložena. Pod peletkou byl v kontejneru volný prostor určený ke shromažďování helia vzniklého při přeměně plutonia z α-částic. Tento kontejner byl z tantalu svařeného elektronovým paprskem. Druhý kryt byl z platino-iridia a byl svařen obloukem v heliové atmosféře. Tato slitina může být v kontaktu i s tekutým plutoniem a neoxiduje v soli ani v ohni. Vysoká hmotnostní čísla obou kovů zároveň zajišťují dostatečnou ochranu proti γ-paprskům (obr. 5).

Horní strana peletky byla připevněna na teplý konec termoelektrických článků s teplotou asi 100 °C. Jelikož vzhledem k podmínkám použití v lidském těle byla „nízká teplota“ 37 °C, bylo třeba obvykle 36 termoelektrických článků bismut-tellur. Tyto články se osvědčily ve vesmírných misích, které využívaly radionuklidové termogenerátory především v 60. letech. Termoelektrické články bismut-tellur mají dobrou účinnost i při nízkém rozdílu teplot. Studený konec byl tedy připevněn na vnější obal celého zdroje tvořený vrstvou titanu, jelikož titan je lehký kov vysoce odolný proti korozi organickými tekutinami. Zapouzdřená peletka byla od titanového obalu ještě izolovaná doplňkovou tepelnou izolací z mnoha vrstev kovové folie oddělené keramickými nátěry.

Tento druh konstrukce byl nejčastější, nikoli však jediný. Odlišnou technologii předávání energie z peletky do termoelektrického článku vyvinula firma Coratomic. Proti pohybu před zapouzdřením byla válcová peletka vyztužena do kulové skořepiny svařené ze dvou polokoulí. Tato koule byla následně vložena do dalšího svařeného skořepinového uspořádání z odlišné slitiny.

Firma ARCO Medical oproti tomu využívala termo-baterie z šesti uskupení článků, který každý obsahoval asi 80 párů měď-tophel termočlánků (tophel = 10 % chrom, 90 % nikl) izolovaných skleněnou páskou a dávajících napětí asi 1-2 V. Pro využití v kardiostimulátorech ovšem byly efektivnější termočlánky bismut-tellur.

Výhody jaderných kardiostimulátorů oproti konvenčním

Životnost nekonvenční jednotky byla při vysoké provozní spolehlivosti deset let i více. Životnost ale nelze předem určit zcela přesně, protože záleží na zdravotním stavu pacienta. Čím vícekrát musel kardiostimulátor vydat potřebný elektrický impulz pro smrštění srdce, tím dříve musel být vyměněn. Některé jednotky byly vyměněny asi po deseti letech, některé pracovaly i více než třicet let. Chirurg Victor Parsonnet z nemocnice Newark BethIsrael Medical Center, který v roce 1973 implantoval radioizotopový kardiostimulátor tehdy dvacetileté ženě, tvrdil v roce 2007, že kardiostimulátor stále běží a funguje bez větších problému. Jednalo se o přístroj NUMEC NU-5, který za dobu 34 let prošel pouze výměnou konektorů. Podle slov dr. Parsonneta kardiostimulátor ušetřil za dobu provozu asi 30 000 amerických dolarů. Životnost také samozřejmě závisela na počátečním množství paliva, resp. počátečním výkonu. Pokles výstupního napětí byl za deset let podle pesimistických výpočtů necelých 20 %. Na poklesu se podílí pokles tepelného výkonu peletky asi 4 % a zbytek zabírá degradace termoelektrických článků. Minimální počáteční výkon byl asi 250 μW, což v porovnání s minimální energií potřebnou k zachování spolehlivé funkčnosti 160 μW nabízí dvacet let používání. Pro případ závažnější srdeční nemoci, kdy kardiostimulátor musí vydávat více než jeden elektrický impulz za minutu, se životnost za deset let zkracovala se snižováním výkonu až o 25 %.

Kardiostimulátory vyrábělo několik firem. Jediné společné vlastnosti kardiostimulátorů byly přibližně stejná velikost, asi 6,35 cm (2,5“), a především splnění dvou testů odolnosti.

Testy odolnosti

Každý kardiostimulátor musel splnit dva testy, 49CFR 173.469 a AEC Interim Guidance, z nichž druhý byl obecně považován za přísnější (tab. 1).

Údaje o počtu implantovaných kardiostimulátorů se různí. Do roku 1979 bylo podle implantováno necelých 3000 kardiostimulátorů. Jiné zdroje uvádějí celkový počet 1600, resp. 3 000 až 4 000 ks,. V roce 2003 bylo v USA 50 až 100 lidí stále žijících s tímto kardiostimulátorem.

V případě smrti pacienta, který simulátor využíval, by přístroj měla převzít laboratoř v Los Alamos k přepracování plutonia a zajištění bezpečného zacházení s radioaktivním materiálem. Poměrně zajímavým faktem je skutečnost, že ke konci projektu nebyla vedena přesná evidence osob, které prodělaly implantaci těchto zařízení. Zprvu byly pro použití těchto kardiostimulátorů vymezeny příliš striktní podmínky a nemocnice proto odmítaly je implantovat. Od poloviny 70. let se povinnosti pro implantující nemocnice uvolnily, takže konečná databáze osob využívajících radioizotopový kardiostimulátor byla a stále je neúplná. Z toho důvodu se Los Alamos National Laboratory na svých webových stránkách dožaduje vrácení jaderného kardiostimulátoru v případě nálezu. Před implantací musel pacient podepsat dohodu o vyjmutí kardiostimulátoru z těla po úmrtí. Větší předpokládané rozšíření radioizotopových kardiostimulátorů zastavil příchod lithiových baterií. Hlavními důvody byla srovnatelná spolehlivost, nepatrně nižší životnost, nižší cena a hlavně lepší veřejné mínění po havárii v jaderné elektrárně Three Mile Island v roce 1979.

Ohrožení pacienta zářením

Zdroje kardiostimulátorů s „radioizotopovým pohonem“ vykazovaly aktivitu 7,4 až 29,6∙10¹⁰ Bq (2 až 8 Ci), což odpovídalo asi 0,2 až 0,42 g ²³⁸Pu (závisle na čistotě). Dávkový ekvivalent byl závislý nikoli pouze na aktivitě, ale především na konstrukci, která se u jednotlivých firem částečně lišila. Pro nejčastěji užívané kardiostimulátory se počítalo s ekvivalentní dávkou asi 1 mSv za rok, v místě kontaktu asi s dávkou 100 μSv/h, způsobenou především gama zářením a částečně neutrony. Neutrony vznikaly zčásti spontánním štěpením některých izotopů využitých v palivu a α,n přeměnami (např. u izotopů ¹⁷O a ¹⁸O, které však byly minimalizovány obohacením ¹⁶O). Pronikavé gama záření je u ²³⁸Pu zastoupeno především linkou (intenzitou) 43,5 keV (0,04 %); 99,9 keV (0,007 %) a 152,7 keV (0,0009 %).

Podle obdrželo celé pacientovo tělo dávku asi 2 mSv za rok a tělo pacientova partnera pak asi 75 μSv/rok. Pro posouzení hodnoty 1 mSv za rok je nutné ji porovnat s běžným ozářením vyvolaným tzv. přírodním pozadím. V České republice je dávkový příkon z přírodního pozadí v průměru asi 3,3 mSv za rok (SÚRO, 2011), na místech s velkým výskytem radonu až 10 mSv za rok. Kardiostimulátor s radioizotopovým pohonem tedy představoval jen nepatrně zvýšené ozáření pacienta srovnatelné s přírodním pozadím. V porovnání se získanými výhodami byl tento nárůst ozáření zanedbatelný.

S poděkováním Ing. Karlovi Katovskému, Ph.D., za odborné konzultace při zpracovávání problematiky.

Zdroje:

1. Kahn, R. A. Three-Years' Clinical Experience with Radioisotope Powered Cardiac Pacemakers. Biomedical Engineering. Září 1973, roč. 20, č. 5, s. 326-331,
   Dostupné z: http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=4120665&isnumber=4120661


2. Greatbatch, W. A Pu238O2 Nuclear Power Source for Implantable Cardiac Pacemakers. Biomedical Engineering. Září 1973, roč. 20, č. 5, s. 332-336,
   Dostupné z: http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=4120666&isnumber=4120661


3. Los Alamos National Laboratory Source Recovery Program, Plutonium Powered Pacemaker, 1974 [online],
   Dostupné z: http://www.orau.org/ptp/collection/miscellaneous/pacemaker.htm


4. Magjarević, R., Ferek-Petrić, B. Implantable Cardiac Pacemakers – 50 Years from the First Implantation. Zdrav Vestn. 19. 10. 2009 [online].
   Dostupné z: http://search.proquest.com/docview/1312326486?accountid=17115


5. Emery, G. Nuke pacemaker keeps ticking; plutonium-powered heart device still going strong after 34 years. Edmonton Journal. 21. 12. 2007 [online].
   Dostupné z: http://search.proquest.com/docview/253503088?accountid=17115


6. Press, A. PATIENT GETS A NUCLEAR PACEMAKER PLUTONIUM POWERS 1ST DUAL-CHAMBER DEVICE. Orlando Sentinel. 11. 11. 1988 [online].
   Dostupné z: http://search.proquest.com/docview/277357967?accountid=17115


7. Shoup, L. R. Nuclear-Powered Cardiac Pacemaker. 1975 [online]. USDOE.
   Dostupné z: http://www.osti.gov/scitech/servlets/purl/4126031


8. Datasheet Arco,
   Dostupné z: http://www.implantable-device.com/wp-content/uploads/2012/01/Arco_Nuclear_Datasheets.pdf?94fb22


9. Kirk, J. Machines in our hearts: cardiac pacemaker, the implantable defibrilátor, and American heath care. 1. vydání. Baltimore, Maryland: The Johns Hopkins University Press, 2001. ISBN 0-8018-6579-4


10. Prutchi, D. Nucreal Pacemakers. 2005 [online].
    Dostupné z: http://www.prutchi.com/pdf/implantable/nuclear_pacemakers.pdf


11. Tompkins, J. A. Engineering Evaluation of Nuclear Powered Pacemakers as Special Form Radioactive Material. Los Alamos National Laboratory, 2000 [online].
    Dostupné z: http://osrp.lanl.gov/Documents/LAURS_Documents%20Page/LAUR-01-6353.pdf

Weby:
Více o problematice vesmírných radioizotopových zdrojů:
http://vtm.e15.cz/jak-lze-ziskat-v-kosmu-energii-bez-slunce

Webové stránky Los Alamos National Laboratory: http://osrp.lanl.gov/pacemakers.shtml