KRYOTECHNIKA
KRYONIKA
KRYOBIOLOGIE
S těmito pojmy se občas setkáváme a musíme si bez nadsázky přiznat, že mnozí z nás neví, co vlastně znamenají. Vědní obor, který se tímto zabývá, se nazývá fyzika nízkých teplot.
Kryotechnikou, nebo též kryogenikou se rozumí pracovní obor, zabývající se vytvářením, nebo využíváním nízkých a velmi nízkých teplot. Výraz cryogen se objevil asi před 100 lety jako označení mrazicí směsi. Má již řadu let své dominantní místo nejen v základním fyzikálním výzkumu a v dalších vědních oborech, ale také v řadě praktických a průmyslových aplikacích. Nezastupitelnou úlohu pak má v medicíně.
Obor nízkých teplot začíná těsně pod bodem mrazu a končí v oblasti absolutní nuly, to je -273,15° C. Zde je nutno podotknout, proč se hovoří o absolutní nule. Při měření teploty v této oblasti se nepoužívá klasického vyjádření ve stupních Celsia, ale v Kelvinech. V těch se vyjadřuje bod absolutní nuly, kde -273,15° C má hodnotou 0 K. Bod mrazu pak 273,15 K a například bodu varu 100° C náleží 373,15 K. Proto se budeme v následujícím vyjadřovat v Kelvinech.
FYZIKA
V nízkoteplotních laboratořích je možné pomocí speciálních postupů teplotu uměle snižovat téměř až k absolutní nule. I když se o to vědecké týmy snažili, doposud se to nikomu ještě nepodařilo. Při této teplotě totiž dochází v jádru hmoty prakticky k úplnému zastavení pohybu molekul a atomů. S nízkými teplotami se můžeme setkat ve vesmíru. S nejjednodušším umělým zchlazováním se setkáváme prakticky každodenně. Používá se ho například u běžné lednice, kde se využívá výparného tepla kapalin. Tohoto principu se využívá nejen v laboratořích, ale i v ostatních nízkoteplotních aplikacích. Proto je nutné nejdříve určité plyny zkapalnit a pak je v tomto stavu používat pro daný účel. Pro dosažení velmi nízkých teplot se používá helia, jehož teplota v kapalném stavu je 4,2 K. Při experimentálním pokusu se již podařilo přiblížit k hodnotě absolutní nuly na rozdíl několika setin stupně. Vzhledem k tomu, že plynné helium a jeho zkapalnění je velmi drahé, tak se v praxi ponejvíce používá dusík (77 K). Ten také nahradil dříve často užívaný kysličník uhličitý (194,7 K). Všechny uváděné plyny rozumíme pochopitelně v zkapalněném stavu.
Při ochlazení kovových materiálů pod určitou hranici, dochází často k změně jejich fyzikálních vlastností. U některých kovů se to projeví snížením elektrického odporu, čehož se využívá například při chlazení Al a Cu vodičů. Určité čisté kovy, případně jejich slitiny se vyznačují tím, že u nich dochází k úplné ztrátě odporu. Tento jev se nazývá SUPRAVODIVOST. Přechodu do supravodivého stavu se doposud dosahovalo pouze při zchlazování pomocí kapalného helia. Vzhledem k náročnosti a ceně se tohoto způsobu používalo pouze ve specifických případech. Proto je po celém světě cílem bádání výzkumných týmů objevit takovou slitinu, u které by docházelo k supravodivému stavu, pokud možno při co nejvyšších teplotách. Zásadní zlom však nastal před několika lety, kdy se skupině vědců z Německa podařilo vyvinout prototyp vodiče, u kterého nastává tento stav již při 80 K. O mimořádnosti tohoto objevu svědčí také to, že jim byla udělena Nobelova cena za fyziku. V praxi to znamená, že v budoucnu bude možné vyrábět kabelové vedení, které by se chladilo pomocí cenově dostupného dusíku. Po takovém vedení bude možné přenášet velmi vysoké energetické výkony bez jakýchkoliv ztrát.
Další využití je v raketové a kosmické technice. Kapalný vodík a kyslík se používá jako palivo, kapalný dusík pro chlazení kabin při startu a návratu. Plynné helium s kyslíkem tvoří dýchací směs, kapalné helium zajišťuje provoz supravodivého gyroskopu a dalších přístrojů.
BIOLOGIE
Velký význam má v biologii, kde lze v kapalném dusíku dlouhodobě přechovávat např. bakteriální kmeny, červené krvinky, kostní dřeň, kůži, krev, rohovky a podobně, nebo při potřebě rychlého zmrazení potravin a při jejich převozu v mrazicích boxech.
Tato oblast použití se nazývá kryobiologie a zabývá se působením nízkých teplot na živou tkáň. Když v roce 1900 dokázal Carl van Linde zkapalňovat plyny, byla již otevřena cesta k prvním experimentům s přechováváním živých organismů.
Nejdříve se prováděly pokusy se zmrazováním semen rostlin. Když se zjistilo, že u některých nedochází k ztrátě klíčivosti a jsou schopny normálního růstu, přešlo se k živým organismům.
Od padesátých let je velmi rozšířený způsob použití při konzervaci spermií pro umělou inseminaci skotu. Lékařská věda se dále obohatila o další poznatek, že podchlazením lze za určitých podmínek prodloužit biologickou smrt z několika minut až na desetinásobek a tím navrátit podchlazeného člověka k životu, případně určitý tělní orgán zpět k jeho funkci. Dochází zde totiž ke zpomalení látkové výměny a snižuje se nárok na kyslík. Srdeční tep klesá na cyklus několika tepů za minutu. Toho se využívá u operace srdce a u dalších odborných zákroků. Klíčovým momentem tohoto poznání byl oblev amerických kryptologů tzv. hormonu Hibernace, který vyvolává snížení tělesné teploty a zpomaluje metabolismus. Při poklesu teploty pod 10° C se řada biochemických pochodů tak zpomalí, že daný organismus prakticky nežije. Veškeré poznání v této oblasti směřují k jedinému cíli: Uchovat živé buňky a tkáně v nepoškozeném stavu a po určité době je opět aktivovat.
MEDICÍNA
Vedle laseru, ultrazvuku a magnetoterapie zaujímá kryotechnika v medicíně velmi důležitou pozici. To se projevilo zejména v chirurgii. Byla vyvinuta řada operačních přístrojů, kryokauterů, které se používají při operačních zákrocích.
Nám nejznámnější a zřejmě nejstarší způsob tzv. kryodestrukce je vypalování bradavic, při kterém se používá kapalný dusík. Dalším krokem při využívání nízkých teplot je kryokauter, který umožňuje při kryozákroku nekrvavou a téměř bezbolestnou destrukcí tělních tkání jejich hlubokým zmrazením. Kryodestrukce je mnohem šetrnější, než klasický postup, protože při ní nedochází k okamžitému oddělení excidované tkáně. Následuje pozvolné odumírání zasažené oblasti, kdy tato tkáň je postupně nahrazována zdravou stejného druhu a tvaru.
Bylo již prokázáno, že v určitých případech se po kryozákroku také obnovuje přirozený imunitní systém a sníží se možnost dalšího rozšíření metastáz. Přínos kryochirurgie proti běžnému operačnímu zákroku je bezesporu v její nenásilné formě. Při této “šetrné metodě” dochází k minimální zátěží organismu, což se pozitivně projeví zejména u velmi starých a zesláblých pacientů, kde postačuje tzv. “lehká narkóza”.
Uplatnění kryochirurgie je zejména v gynekologii, urologii, též jako ambulantní prevence ženské rakoviny, při operacích tlustého střeva a konečníku, proktologii, onkologické chirurgii a podobně. Z našeho pohledu zaujímá velmi důležité místo v dermatologii, kde je tato metoda velmi účinná.
Dále je také jedna z možností vstoupit k postiženému místu otevřenou klasickou operací a provést kryozákrok nekrvavou cestou. Lze říci, že kryoterapie se rozšířila prakticky do všech oblastí léčby a často může být díky “lehké narkóze” jedinou použitelnou metodou zejména u starších a zesláblých pacientů. A jaký je výhled do budoucna a kam směřuje její vývoj?
Ten se technikým řešením zaměřuje na malignitu jater a v urologii na prostatu. Jako nová technika se nedávno objevila kryoinvazivní metoda. Jaký bude její přínos, však ukáže čas.
V současné době se velmi úspěšně používá v pneumologii při odstraňování zhoubných nádorů. Průkopníkem této metody byl prof. Sanderson z Mayo klinik v Arizoně (USA), který v roce 1979 provedl asi 20 operací. Posléze vznikla další špičková pracoviště ve Velké Británii a ve Francii. Doposud jediná operační metoda zhoubného nádoru ve vzduchové trubici byla s pomocí laseru. Když se laserový svazek nepodařilo přesně zaměřit, tak bylo velké nebezpečí propálení (perforace) stěny s dalším téměř nemožným pokračováním operace a s nedozírnými následky. Protože je tato stěna je složena z chrupavky a silné podchlazení ji nepoškodí, tak i tato metoda se ukázala jedině možnou.
HISTORIE
První pokusy s podchlazováním lidské tkáně jsou zaznamenány již v roce 1819. James Archibald Arnolt se zabýval účinky podchlazení tkáně a zjistil její analgetický a mrazící účinek. Zároveň zpozoroval zpomalený růst maligních nádorů. K těmto pokusům se tehdy zřejmě používal kysličník uhličitý, který byl ve formě suchého ledu. Další, který se tím zabýval v roce 1899, byl Dr. White, který prováděl pokusy s kožními nádory.
Vroce 1907 dr. Whitehouse publikoval své výsledky léčby asi 15 karcinomů. Zde pro změnu užíval kapalný vzduch. Poslední z této skupiny experimentátorů byl v roce 1907 Julius Berg, který kysličníkem uhličitým (CO2) zmrazoval kožní nádory.
Po tomto období experimentů nastala delší přestávka a další pokračování bylo až v 60. letech, kdy zakladatelé moderní kryochirurgie Dr. Šalnikov a M. Cooper ji aplikovali na bázi kapalného dusíku. Pak nastal velký rozmach ve vývoji těchto přístrojů.
Zde je obzvlášť potěšitelné, že u nás již ve druhé polovině sedmdesátých let vzniklo ve Výzkumném ústavu silnoproudé elektrotechniky v Praze Běchovicích špičkové pracoviště, zabývající se základním a aplikovaným výzkumem v oblasti fyziky nízkých teplot. Proto se již v té době počala vytvářet pracovní skupina pod vedením Doc. Z. Málka, zabývající se vývojem kryokauteru.
Za krátkou dobu svého působení dokázala vyvinout nový typ tepelného výměníku, pomocí kterého se výrazně zvýšila rychlost zmrazování. Nový typ kryokauteru, který se následně dokončil, dosahoval na tehdejší dobu pozoruhodných výsledků. Již v té době se jednalo o takové zařízení světové úrovně, že v roce 1982 získalo ocenění na mezinárodním kryochirurgickém kongresu k Ženevě. O mimořádnosti tohoto přístroje svědčilo také to, že po jeho dovozu zpět do Československa s ním provedl náš přední neurochirurg prof. akademik Zdeněk Kunc jednu ze svých unikátních operací. O tento přístroj byl tehdy v zahraničí velký zájem a je smutné, že díky předchozímu systému, který u nás panoval, bylo nemožné s ním urychleně proniknout na západní trhy. Takže se tehdejší vývoz orientoval pouze na země východního bloku. V té době se řada našich klinik postupně tímto přístrojem vybavovala a ten se stal nepostradatelným pomocníkem našich operatérů. Lékaři získali spoustu neocenitelných zkušeností, se kterými potom mohli vystupovat nejen na domácích, ale i na zahraničních kongresech a sympozijích a své poznatky předávat dál. Následné období tento konstrukční tým přečkal s velkými obtížemi a až po roce 1989 byla založená nová firma SMT s.r.o. (speciální medicínská technika) a pokračovala dál ve vývoji této řady kryokauterů. Zde se již projevila možnost nákupu nejnovější současné elektroniky a při zachování a zdokonalení řadou patentů chráněné konstrukce, byl uveden na trh nový mikropočítačově řízený typ kryokauteru KCH5. Nezůstala pouze u tohoto přístroje, ale v zájmu uspokojení poptávky se zaměřili zejména na potřeby dermatologie.
S tím se prezentovali na IX. Světovém kryochirurgickém kongresu, který se konal v roce 1995 ve Francii za účasti předních odborníků z 20 zemí. Mezi tvrdou mezinárodní konkurenci naše firma obstála a je proto smutné, že to zůstalo stranou pozornosti sdělovacích prostředků. Její kryokauter KCH 5000 tzv. třetí generace, přizpůsobený světovému standartu a moderního desingu, tam dosáhl velkého mezinárodního ocenění a dokázal vzbudit neobyčejný zájem účastníků. Svědčí o tom též to, že velký zastánce kryochirurgie při plicních aplikacích a prezident kongresu prof. Jean Paul Homasson z pařížského Pneumologického centra ho zakoupil pro svojí kliniku. Ač sám, do té doby zastánce flexibilního kryokauteru na bázi kysličníku dusného, tak po zkušenostech s českým kryokauterem, se tento ve světě špičkový odborník přeorientoval na nový typ.
SOUČASNOST
Vývojem a výrobou kryokauterů se ve světě zabývá poměrně málo firem. Protože se většinou jedná o poměrně robusní a těžké nástroje, tak nebyly doposud mezi operatéry moc rozšířené. Proto by zde byla velká šance proniknout s našim lehkým a tím pádem vysoce mobilním přístrojem na zahraniční trh.
Toto byla jedna z mála ukázek schopnosti našich odborníků tvořit a dokázat uvést na trh přístroj takových parametrů, který nemá ve světě konkurenci.
Jiří Doležal, 21.4. 1999
autor byl v osmdesátých letech členem týmu, který se zabýval vývojem kryochirurgických zařízení