Eine lange Entwicklung: vom Zitteraal über die Leidener Flasche zum Defibrillator

Die Erkenntnisse der Möglichkeit, Patienten mit elektrischen Impulsen zu behandeln, reichen weit zurück. Bereits im Jahr 40 nach Christus setzte der römische Medicus Scribonius Largus Zitteraale und Rochen ein, um deren Stromimpulse an Patienten anzuwenden. Über seine Herkunft und Hintergründe ist wenig bekannt. Wohl aber blieb ein bedeutendes Werk erhalten – seine sogenannte Rezeptsammlung, die Compositiones Medicae. Das Werk mit an die 300 Rezepten entstand zwischen 44 und 48 nach Christus, wobei davon verschiedene Abschriften enthalten sind, die schließlich publiziert wurden.

Scribonius Largus behandelte seinen Aufzeichnungen zufolge Kopfneuralgien und Gicht mit den elektrischen Impulsen, welche die Fische abgaben. Sie wurden dem Patienten dazu an verschiedenen Körperbereichen angelegt, beispielsweise unter den Füßen oder am Kopf. Modernen Erkenntnissen zufolge erreicht die Impulsübertragung bei Zitterrochen bis zu 200 Volt, der Zitteraal sogar rund 600 Volt. Das bewerkstelligen die Fische über tausende kleine Elektrozyten. Jede für sich gibt nur geringe Impulse ab, doch durch eine Art Vernetzung, ähnlich dem Einsetzen vieler Batterien zum Erreichen eines bestimmten elektrischen Energielevels, entstehen die hohen Spannungsabgaben.

Im darauffolgenden Jahrhundert erweiterten Arzte die Behandlungen des Scribonius Largus und setzten die sogenannten Elektrizitätsfische auch zur Schmerzbehandlung ein. Von da an entwickelten sich die Erkenntnisse der Behandlungsmöglichkeiten mit elektrischen Impulsen analog der Erforschung der Elektrizität kontinuierlich weiter. Inzwischen sind die erhaltenen Aufzeichnungen aus der Compositiones Medicae, mit Ergänzungen versehen, auch ins Deutsche übersetzt.

Leidener Flasche: Die Elektrizität erhält offiziell Einzug in die Medizin

Es mussten noch über tausend Jahre vergehen, bis die Elektrizität offiziell Einzug in die Medizin erhielt. Erst um 1650 wurde überhaupt der Begriff Elektrizität kreiert. Weitere hundert Jahre später entstand die Leidener Flasche, benannt nach dem Ort ihrer Entwicklung: Unabhängig voneinander entwickelten zwei Forscher in Leiden 1745 und 1746 eine Kondensationsflasche mit geladenen Metallteilchen. Sie stellten fest, dass auf diese Weise eine Impulsabgabe möglich war, indem die Metallteilchen ihre Spannung übertrugen.

Im Jahr 1774 gewann die Leidener Flasche schlagartig an Bedeutung: Alle Reanimationsversuche an einem Kind scheiterten. Erst die elektrischen Impulse, die durch die Leidener Flasche übertragen wurden, konnten das Herz wieder aktivieren. Daraufhin widmeten sich Forscher und Mediziner verstärkt der Entwicklung eines Gerätes zur Wiederbelebung durch Stromstöße. Das Ergebnis war 1788 der Ramsden-Generator, der als erster tatsächlicher Defibrillator in der Geschichte gilt.

Experminente mit Strom im 19. Jahrhundert

Experimentierfreudige Wissenschaftler testeten im 19. Jahrhundert umfassend die Wirkung von Strom auf das Herz. Überwiegend fanden Versuche an Hunden und Katzen statt, aber auch elektrische Impulsübertragungen auf Menschen wurden erforscht.

• 1849 stellten Mediziner erstmals fest, dass die Übertragung elektrischer Impulse ein Vorhofflimmern am Herzen auslösen können. Diesem Phänomen wurde gezielter nachgegangen.
• Der Begriff Fibrillieren, der eigentlich das Zerfasern von Papierrohstoffen bezeichnet, wurde 1874 eingeführt und bedeutet in der Medizin etwa “regelloses Zucken” – analog zum Zucken des Körpers bei der Stromübertragung.
• Der Beweis, dass Strom das Herz von Tieren und Menschen zum Flimmern bringen, aber auch Herzflimmern durch Strom gestoppt werden kann, erfolgte im Jahr 1888 in einer Veröffentlichung von den beiden Professoren Frédéric Batelli und Jean-Louis Prevost: In den Jahren zuvor fanden Versuche an Hunden statt. Zunächst wurde durch elektrische Impulse ein Herzkammerflimmern erzeugt, um den Herzschlag anschließend mit einer weiteren Impulsübertragung von 4.800 Volt wieder zu normalisieren.
• 1899 wurden weitere Erkenntnisse offiziell, die den Beweis erbrachten, dass gezielte Stromübertragungen einen unregelmäßigen Herzschlag wieder in seinen eigentlichen Rhythmus bringen können.

Die ersten Defibrillatoren

Das eigentliche Problem der Forscher und Mediziner lag in der Energiegewinnung und Bereitstellung der erforderlichen Stromimpulse. Daran wurde bis um 1920 vorrangig gearbeitet. Als entsprechende Technologien fortschritten, folgten wiederum Experimente an Hunden und Katzen, die 1930 veröffentlicht wurden.

• Der Elektroingenieur und Forscher William B. Kouwenhoven tat sich zu diesem Zweck mit Medizinern der Johns Hopkins University zusammen und erbrachte den Nachweis der Möglichkeit, Kammerflimmern und Herz-Rhythmus-Störungen durch den Einsatz von Wechselstrom zu beenden.
• Der erste Einsatz dieser Technologie am Menschen erfolgte 1946 in Moskau.
• 1947 wurde eine entsprechende Maßnahme erstmals an der Case Western Reserve University als lebensrettende Maßnahme während einer Operation durchgeführt, als ein jugendlicher Patient aufgrund von Kammerflimmern zu versterben drohte – diesmal am offenen Brustkorb durch Stromschläge von 60 Hertz Wechselstrom direkt am Herzmuskel.
• Dies veranlasste Kouwenhoven 1950 schließlich zur konkreten Entwicklung eines Defibrillators für den medizinischen Einsatz, der bei Patienten am geschlossenen Brustkorb eingesetzt werden kann. Zu diesem Zweck wurden zahlreiche Experimente mit elektrischen Impulsen unterschiedlicher Art und verschiedenen Elektroden durchgeführt.
• 1954 wurde das entwickelte Gerät erfolgreich an einem Hund getestet.
• Seine Premiere am Menschen hatte dieser Defibrillator 1957, wiederum im Verlauf einer Operation.

Die Erfolge haben die Forschungen erneut vorangetrieben, so dass Kouwenhoven bereits ein Jahr später den Auftrag zur Entwicklung eines portablen Defibrillators erhielt. Das Ergebnis war ein tragbares Gerät von 90 Kilogramm Gewicht: der John Hopkins AC Defibrillator, benannt nach der John Hopkins University, an welcher der Defibrillator konstruiert wurde. Ursprünglich sollte er zu Schulungszwecken eingesetzt werden, um Ärzte und medizinisches Personal in der Anwendung auszubilden.

Geburtsstunde der HLW: Die Herzdruckmassage wird entdeckt

Schnell kam es jedoch zu Weiterentwicklungen, die 1960 erfolgreich an menschlichen Patienten eingesetzt wurden. Während diesbezüglicher Forschungen und Versuche stellten Wissenschaftler fest, dass alleine mit dem festen Aufdrücken der Elektroden auf den Brustkorb der arterielle Blutdruck anstieg. So wurde, ganz nebenbei, mit der Entwicklung von Defibrillatoren die Herzdruckmassage entdeckt. Damit war der Grundstein für die moderne Herz-Lungen-Wiederbelebung gelegt.

Erster koronarer Krankenwagen mit mobilen Defibrillator

Ein 90 Kilogramm schwerer Defibrillator konnte zwar irgendwie transportiert werden, dennoch blieb das Gewicht ein Problem, wenn es um den schnellen, lebensrettenden Einsatz ging. Ein mit 70 Kilogramm Gewicht etwas leichteres Gerät entstand 1965. Dieses Modell, von Frank Pantridge und John Geddes, einem Arzt und einem Kardiologen entwickelt, wurde stationär in Krankenhäusern eingesetzt und war fest mit dem Stromnetz verbunden. Eine Variante war der Batteriebetrieb mit Autobatterien. Auf Rollen diente dasselbe Gerät so der mobilen Nutzung – ebenfalls in Krankenhäusern. Außerdem wurde der Defibrillator in einem Krankenwagen integriert, wo er seine Energie ebenfalls über zwei Autobatterien bezog. Damit konnten theoretisch neben Krankenhäusern auch mobile Rettungskräfte mit einem wiederbelebenden Gerät ausgestattet werden. Dies setzte Pantrigde mit dem sogenannten koronaren Krankenwagen um, der als Prototyp verstanden werden kann.

Das war der Durchbruch für den Defibrillator, wie Sie ihn heute kennen: Die NASA beauftragte Pantridge mit der Entwicklung eines analogen kleineren, wesentlich leichteren Gerätes, was 1968 gelang: Dieser Defibrillator wog nur noch drei Kilogramm – eine Revolution für die Entwicklung effektiver Erste-Hilfe-Maßnahmen. Noch heute wird der inzwischen verstorbene Mediziner von Kollegen dafür geehrt.

Ausbau des Rettungswesens und Integration automatischer Technologien

Basierend auf den Erkenntnissen der 70er Jahre und dem ersten Leichtgewicht unter den mobilen Defibrillatoren war es nicht mehr weit bis zur Entwicklung von Defibrillatoren mit automatischer Technologie. Ein viel größeres Problem als Technik und Forschung war allerdings grundsätzlich die medizinische Hilfe in Notfällen: Die besten medizinischen Geräte können ihren Zweck nicht erfüllen, wenn keine entsprechend ausgestatteten Rettungskräfte zur Stelle sind.

Ein trauriger Todesfall treibt die Notfallhilfe voran

1969: Kurz vor seinem neunten Geburtstag wurde der junge Björn Steiger bei einem Verkehrsunfall schwer verletzt. Die informierten Rettungskräfte trafen erst eine Stunde nach dem Ereignis ein. Mit dem Krankenwagen sollte der Junge ins Krankenhaus verbracht werden und verstarb auf diesem Weg.

Längst waren Krankenwagen noch nicht standardmäßig mit medizinischen Gerätschaften und Ersthelfern ausgestattet. Ihr Zweck bestand hauptsächlich im Transport Verletzter oder schwer kranker Personen ins Krankenhaus. Den Eltern wurde schmerzlich bewusst, wie unausgereift das Rettungswesen war: Weder gab es zentrale Notrufnummern noch eine Koordinierung der Einsatzkräfte geschweige denn ausgebildete mobile Ersthelfer mit professioneller Ausstattung. Sie widmeten ihr künftiges Leben dessen Ausbau und die Björn Steiger Stiftung entstand.

Dem unermüdlichen Einsatz der Eltern des verstorbenen Jungen, die sich zur Erreichung ihrer Ziele teilweise hoch verschuldeten, sowie der Björn-Steiger-Stiftung sind zahlreiche Maßnahmen und Neuerungen zu verdanken, die heute selbstverständlich sind:

• Einführung der kostenlosen Notrufnummern 110 und 112
• rund um die Uhr besetzte Leitstellen zum Empfang von Notrufen und zur Koordination der Einsatzkräfte
• Einführungen eines Funksystems
• Aufstellung von öffentlichen Notruftelefonen
• modern ausgestattete Rettungswagen
• Notarzt mit 24-stündiger Bereitschaft
• Rettungshubschrauber
• Bereitstellung von Laien-Defibrillatoren

Engagement in Sachen plötzlicher Herztod

Auch im Bereich der Defibrillatoren und deren Einsatz zeigte die Stiftung großes Engagement, denn zunächst konnte sich die Frühdefibrillation in Deutschland außerhalb der Ärzteschaft nicht durchsetzen. 1977 erwarb die Stiftung einen im Vorjahr entwickelten AED. Es handelte sich um den ersten Defibrillator mit automatischer Technologie, der von Ersthelfern ohne medizinische Ausbildung bedient werden konnte. Der Defibrillator wurde dem Rettungsdienst Ludwigsburg übergeben – das Team bestand aus nichtärztlichen Einsatzkräften.

Die Behörden verhinderten allerdings den Einsatz dieses Defibrillators, da sie der Ansicht waren, eine Frühdefibrillation zur Lebensrettung dürfe nur von Ärzten durchgeführt werden. Dennoch wurden die automatischen Defibrillatoren weiterentwickelt, bis zuguterletzt 2001 die Bundesärztekammer ausdrücklich den Einsatz von AEDs auch durch Laien empfahl. Das betraf die öffentliche Bereitstellung und Anwendung im Notfall, aber auch die Anschaffung in Unternehmen und in Privathaushalten.

Inzwischen gibt es AED-Geräte mit voll und halb automatischer Technologie für viele Einsatzbereiche. Wir haben hochwertige Defibrillatoren für Sie unter die Lupe genommen und stellen diese ausführlich mit Hintergrundinformationen vor.

Vom AED-Gerät zum implantierbaren Defibrillator

Ein polnischer Wissenschaftler entwickelte bereits 1969, als die automatische Technologie für mobile Defibrillatoren quasi noch in den Kinderschuhen steckte, einen implantierbaren Prototyp, den er erfolgreich an einem Hund testete. Die technischen Möglichkeiten waren jedoch noch nicht weit genug fortgeschritten, um Einzug in die Medizin zu erhalten.

• Die Implantation eines weiterentwickelten Gerätes bei einem Menschen erfolgte erst 1980 in den USA und 1982 erstmals in Europa, allerdings in den Bauchraum.
• Ausgereift war die Technologie schließlich 1991 so weit, dass eine Implantation im Brustbereich möglich war.
• 1993 gab es das erste Gerät mit einer Elektrode, die durch eine Vene direkt ins Herz führte.
• Die Madit-Studie bestätigt 1996, dass ein mit Elektroden ausgestatteter ICD lebensbedrohliches Kammerflimmern bei Patienten mit koronarer Herzerkrankung in über 50 Prozent der Fälle reduzieren kann. Als Vergleichsbasis diente die medikamentöse Therapie.
• Einsatzfähige implantierbare Defibrillatoren mit zwei Elektroden gab es ab 1997.
• Die Kombination eines ICD mit der Funktion eines Herzschrittmachers gelang 1999.
• Eine Fortsetzung der Madit-Studie widmete sich den Überlebenschancen von Patienten nach einem Herzinfarkt. Das 2002 veröffentlichte Ergebnis gab bekannt, dass sich diese mit einem implantierten Defibrillator um 31 Prozent steigern ließe.

Zeitgleich schritt die AED-Technologie für den mobilen Einsatz und die Bedienung durch Laien voran. Erste Geräte, die automatisch ein vorliegendes Herzkammerflimmern erkannten, gab es 1980 und etwa zwei Jahre danach waren die ersten externen Defibrillatoren mit Speicherfunktion erhältlich. Die Technologie wird noch immer verfeinert. So arbeiten Experten zum Beispiel daran, AEDs mit langlebigen wiederaufladbaren Batterien auszustatten.

Im Bereich der implantierbaren Defibrillatoren wird ebenfalls weiterhin geforscht und entwickelt. Hier liegt ein Schwerpunkt auf der subkutanen Implantation, die erstmals 2010 an der Universitätsklinik in Münster durchgeführt wurde. Der subkutan implantierbare Defibrillator, kurz S-ICD, wird unter der Haut eingesetzt und auch die Elektroden führen ins Hautgewebe nahe des Herzens, statt direkt in dessen Kammern. Der Vorteil dieser Geräte und Methode liegt einerseits in der einfacheren Implantation, andererseits in einem verminderten Risiko von Verletzungen während des Einsetzens sowie besseren Behandlungsmöglichkeiten im Falle einer folgenden Infektion.

Die Möglichkeiten, Herz-Rhythmus-Störungen wirksam vorzubeugen oder sie erfolgreich zu behandeln, sind äußerst begrenzt. Damit bleibt der plötzliche Herztod das Todesrisiko Nummer eins in Deutschland und anderen Industrieländern. Daher ist davon auszugehen, dass auch in Zukunft verstärkt in lebensrettende Maßnahmen wie Defibrillatoren investiert wird.