Föreläsning om

nils holmström föreläsning2006.doc
Föreläsning om
1.Pacemakerelektroder
2.Sensorer
Nils Holmström, Tekn. Dr.
St. Jude Medical AB
Järfälla, 2006-02-17
1
nils holmström föreläsning2006.doc
1.
Pacemakerelektroder
Figure 1. Hjärtats hålrum och retledningssystem
1.1. Indikationer för pacemakerterapi
Patient med för låg hjärtfrekvens (bradykardi) kan behandlas framgångsrikt med
pacemaker. Rytmstörningen beror vanligen på en defekt i retledningssystemet, dvs
konduktiviteten är nedsatt eller blockerad (block). Idag kan även patienter med för
hög hjärtfrekvens behandlas med en rad olika stimuleringsterapier (t.ex. atriellt
flimmer) men i värsta fall måste en implantabel defibrillator användas.
Vissa former av hjärtsvikt kan behandlas med pacemaker. Exempelvis har patienter
med skänkelblock nytta av elektroder både i vänster- och högerkammar för
resynkronisering av hjärtarbetet.
1.1.1. Nomenklatur
1. S-A Block
2. A-V Block
1
2
3. HIS Block
3
5
4
4. Höger skänkelblock
5. Vänster skänkelblock
A-V Block I: Fördröjd överledningstid
A-V Block II: Intermittent överledning
A-V Block III: Ingen överledning
2
nils holmström föreläsning2006.doc
1.1.2. Endast en elektrod i ventrikeln (VVI m.fl.)
Klarar följande paceindikationer men har fysiologiska begränsningar.
• Förmaksfladder/flimmer och AV-block
• Förmaksparalys
1.1.3. Endast en elektrod i atriet (AAI m.fl.)
Är tillämplig om det finns överledning från atrium till ventriklarna.
• Sinusarrest
• S-A-block
• Sinusbradykardi
1.1.4. En elektrod i atriet och en i ventrikeln (DDD m.fl.)
Syftet med tvåkammarpacing är att efterlikna den naturliga signalspridningen
inklusive fördröjningen mellan förmak och höger kammare.
• Samma som för AAI i kombination med AV-block II och III
• AV-block med normal sinusfunktion
1.1.5. Elektrod i coronarven.
Patienter med grenblock (BBB) får med tiden ofta hjärtsvikt. Detta syndrom kan
lindras genom att implantera en biventrikulär pacemaker som stimulerar även den
vänstra kammaren genom en elektrod i en koronarven.
LV lead
Hjärtats ventrikulära venträd.
•
•
•
•
1.2. Elektrodimplantation
Vena Subclavia (vanligast idag)
Vena Jugularis interna / externa / Si. / Dx.
Vena Cephalica
Epikardiell elektrod implanteras vanligen vid thoracotomi (öppen thorax).
3
nils holmström föreläsning2006.doc
• Elektrodkabel för implantabel defibrillator implanteras transvenöst med
högspänningselektroderna i vena cava och höger kammare. Kapseln brukar
användas som tredje elektrod (”hot can”).
1.3.
Beskrivning av elektroden (pacemaker lead)
1.3.1. Funktion:
• Överför elektrisk energi från pacemakern till myokardiet, stimulation.
• Överför intrakardiella EKG-signaler från myokardiet till pacemakern, detektion.
• Härbärgerar ibland även intravaskulära sensorer.
1.3.2. Beståndsdelar:
•
•
•
•
Anslutning
Elektrodkabel
Stimulationselektrod(er)
Styrtråd för implantation (temporär)
1.3.3. Fästanordningar
Epikardiellt (utanpå hjärtat) sys eller skruvas elektroden på hjärtat.
Endokardiellt (inuti hjärtat):
•
Aktiv fixering (skruv) är valigast idag. Används både i höger förmak och höger
kammare.
•
•
Passiv fixering (”tines”, ”fins” etc.)
Förböjd passiv elektrod för fixering i förmaksörat.
1.3.4. Uni- och bipolära system
I unipolära system används pacemakerkapseln som motelektrod både vid stimulering
och sensing. Denna typ av elektrod har:
• Bättre hållfasthet än bipolära p.g.a. enklare mekanisk uppbyggnad
• Mindre diameter
• Mer flexibel
4
nils holmström föreläsning2006.doc
• Enkel anslutning
Den bipolära elektroden har två koaxiella spiralledare och den cylindriska
motelektroden 1-2 centimeter proximalt från spetsen.
• Mindre störningskänslig detektion, speciellt bra i atriet.
• Liten risk för stimulering av pektoralismuskeln eller frenikusnerven.
1.3.5. Defibrilleringselektrod
Anslutningar
VC Elektrod
RV Elektrod
Ring
Pace-elektroder (Bipolär)
Tip
Figure 2 Defibrilleringselektroden används både för defibrillering och för
pacing/sensing.
•
•
•
•
•
1.4. Elektrod egenskaper
Biokompatibel
Flexibel
Hållbar
Låg stimulationströskel
Goda detektionsegenskaper
5
nils holmström föreläsning2006.doc
• Steroid eluting (utsöndrar ämne som minskar fibrös tillväxt)
1.4.1. Biokompatibla material för elektroder
Minimera risk för intrakardiell fibrintillväxt, intravaskulära tromboser och embolier.
Immunologiska reaktioner (allergi) får ej förekomma.
Minimera tillväxt av fibrös vävnad mellan elektrod och retbar hjärtmuskel.
1.4.2. Stimulationselektroder
Porös titannitrid på titan eller platina
Porös platina (Platinum Black)
Iridiumoxid
Aktiverat poröst kol
Platina-Iridium
Elgiloy (legering av kobolt, krom, nickel, järn, molybden, mangan mm.)
Sputtrat kol
1.4.3. Isolationsmaterial
Silikongummi
Polyuretan
Epoxi
1.4.4. Andra detaljer
MP35 spiral (kobolt, krom och nickel)
Silverkärna i spiral
Rostfritt stål (stödrör etc.)
Titan
1.4.5. Flexibel
Implanteras intrakardiellt via starkt böjda vener.
Får ej utgöra mekanisk belastning mot endokardiet.
Överflödig kabel lindas i pacefickan.
1.4.6. Mekanisk hållfasthet
Livsuppehållande funktion, får ej haverera!
70 hjärtslag/min ger 368 miljoner böjningar / 10 år
Korrosiv miljö
1.5. Låg stimulationströskel
För att minska strömförbrukningen istim vill man ha en låg och stabil
stimulationströskel, dvs. den minsta spänning (eller pulsbredd) som krävs för precis
trigga igång en hjärtkontraktion. Stimulationströskel som funktion av pulsbredd kallas
“Strength duration kurva”. I ekvation (I) visas ett exempel på hur strömförbrukningen
för en bestämd pulskonfigurering kan beräknas i ett pacemakerslutsteg.
Vstim
tp
istim =
−tp
CVstim ⎛
⎞
⎜1 − e RC ⎟
⎠
T ⎝
6
(I)
nils holmström föreläsning2006.doc
C = utgångskapacitans, Vstim = utspänning, T = basintervall, tp = pulsbredd, R =
elektrodresistans.
Strength Duration kurva
Stimulationströskel vs pulsbredd
Wpuls
Vstim
istim
istim
Wpuls
Vstim
0.5
Pulsbredd tp
Det har visat sig att pulsens energiminimum ligger vid ca. 0.3 ms pulsbredd medan
strömförbrukningen är minst vid minsta möjliga multipel av batterispänningen
(2.8 V, 5.6 V etc. ).
Direkt efter elektrodimplantationen är tröskeln lägst (ca. 0.4 V vid 0.5 ms) varefter
den stiger till ett maximum efter 1 - 2 veckor beroende på den inflammatoriska
reaktionen som den främmande kroppen orsakar. Efter någon månad har tröskeln gått
ner igen och stabiliserats.
(V)
2
Stimulationströskel vid 0.5 ms
pulsbredd
1
0
1
2
3
4
Veckor
5
Sedan något år tillbaka finns en pacemaker som automatiskt letar efter denna tröskel
och lägger sig strax ovanför denna (Autocapture). På så sätt behöver inte läkaren
programmera någon säkerhetsmarginal i amplitud och strömförbrukningen blir
avsevärt lägre.
1.6. Goda detektionsegenskaper
Mellan stimpulserna “avlyssnar” pacemakern hjärtaktiviteten via elektroden. Slår
hjärtat själv, skall avfyrande av stimpuls inhiberas. Efter en stimpuls kan man
avlyssna om denna tog (capture) eller om amplituden var för liten. Amplituden på
hjärtsignalerna är ca. 0.5 - 3 mV i atriet och 3 - 15 mV i ventrikeln. Eftersom
signalerna är små är det viktigt med god störundertryckning.
7
nils holmström föreläsning2006.doc
Cellpotential
Yt-EKG
IEGM
10 mV
0
-90 mV
1.7. Elektrisk modell för stimelektrod
Mellan stimulationspulserna uppladdas C1 till önskad amplitud samtidigt som hjältats
elektriska signaler (QRS, ER) avlyssnas av detektorn (Det). Under stimpuls urladdas
C1 via C2 och RL genom kroppen.
Kapsel
u2
R’F C’DL
U + C1
Stim
R
−
+
Det
RT
u
C2
+
RF
RL
QRS, ER
CDL
u1
Elektrod
U = Stimulationsspänning
C1 = Reservoarkondensator (≈10 μF)
C2 = Kopplingskondensator (AC-kopplat) (≈10 μF)
CDL = Dubbelskiktskapacitans
RF = Faraday resistans
RL = Ledarresistans (5 - 50 ohm)
RT = Vävnad och elektrolyt resistans (300 - 800 ohm) (RT = K/r)
R = Pysmotstånd (ca 100 kohm)
Vid stimpuls uppladdas kopplingskondensatorn och dubbelskiktskapacitanserna vid
kapsel och stimulationselektrod. Den sammanlagda slutspänningen brukar kallas
polarisation. För att kunna detektera “evoked respons” (ER) nära efter en stimpuls vill
man minimera polarisationen (för autocapture).
8
nils holmström föreläsning2006.doc
Elektrisk modell för elektrodsystemet
Resistans
och kapacitans
vid kapsel R’F, C’DL
U
Ledar resistans RL
Elektrolyt
resistans
RT
Resistans
och kapacitans
vid spets RF, CDL
u
ER
0.5 ms
U
2.5 V
u1
10 mV
τ
U1
50 mV
Polarisation = U1 + U2
u2
τ’
U2
1 mV
9
nils holmström föreläsning2006.doc
2.
Sensorer för "Rate Adaptive" pacing
Patienter med patologiskt nedsatt ventrikelfrekvens kan inte upprätthålla tillräckligt
blodtryck och blodgenomströmning i blodomloppet. Genom att stimulera hjärtat med
en pacemaker kan man höja frekvensen till en nivå som förbättrar livskvaliteten
avsevärt. Emellertid vill man kunna variera stimulationsfrekvensen med belastningen
i likhet med kroppens eget reglersystem. För detta behövs sensorer som avspeglar det
metaboliska behovet av cardiac output (CO).
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
2.1. Fysiologisk respons vid arbete
Ökad arterio-venös syrgasdifferens. Mätparametrar: pO2 eller SaO2 (saturation)
Anaerobisk metabolism kan inträffa
Venöst pH minskar
Vänster och höger centralt blodtryck ökar
Myokardiets kontraktilitet ökar
Slagvolymen ökar
Blodtemperaturen ökar
Pre-ejection intervall förändras (tiden mellan stimpuls och kontraktion)
Elektrofysiologiska förändringar i hjärtmuskeln (EKG-morfologi)
2.2. Rörelsegivare
En rörelsegivare i kapseln återspeglar inte alltid det metaboliska behovet av
frekvensökning, men är idag den vanligast förekommande sensortypen för pacemaker.
Eftersom sensorn inte mäter belastning utan stötvågor mm. erhålls felaktigt en högre
frekvens då man går nedför trappor än uppför. Även vid cykling och simning kan
frekvensen korrelera dåligt med belastningen, men i stort sett fungerar rörelsesensorer
bra.
2.2.1. Piezogivare
Den första aktivitetssensorn kom 1985 och limmades på insidan av pacemakerns
titankapsel. När patienten rörde på sig tryckte vävnaden mot kapseln så att plåten
böjde sig en smula och piezokristallen genererade en elektrisk signal. Med lämplig
filtrering och signalbehandling kunde piezosignalerna användas till att beräkna vilken
frekvensökning patienten var i behov av. En nackdel med sensorn är att den reagerar
på tryck, t.ex. då man ligger på mage och sover.
2.2.2. Accelerometer
Det finns idag små accelerometrar som är lämpliga som rörelsesensor. Eftersom
sensorn monteras direkt på kretskortet inuti pacekapseln blir den tryckokänslig. Det
intressanta frekvensområdet för att detektera gång ligger i området 0.5 - 5 Hz medan
själva accelerometern ofta kan uppfatta flera kHz. Högfrekventa signaler filtreras
bort. Man kan räkna antalet toppar eller integrera signalen för att få måttet för
belastningen.
2.2.3. Spetsaccelerometer
Ett italienskt företag har lanserat en pacemakerelektrod med inbyggd accelerometer i
spetsen. Den anbringas med aktiv fixering till myokardiet där hjärtväggens rörelser
10
nils holmström föreläsning2006.doc
(kontraktiliteten) kan uppmätas. Parametern är intressant för övervakning av hjärtats
tillstånd, t.ex. så kan ischemi upptäckas vid för högt driven stimulationsfrekvens.
2.2.4. Magnetisk kula
1.5 mm
2 mm
En tredimensionell rörelsegivare erhålls
då man placerar en magnetisk kula inuti
en spole. Kulans rörelser inducerar
elektriska strömmar i spolen vilka blir
beroende av belastningen. För att minska
känsligheten för externa magnetfält är
kulan quadropolisk.
3 mm
2.3. AC-Impedansmätning
Elektrodsystemets impedans är relativt konstant, men man kan ändå detektera små
överlagrade variationer som beror på hjärtats blodfyllnad och
konduktivitetsförändringar i thorax p.g.a. andningen. Genom avancerad
signalbehandling kan ett flertal parametrar erhållas utan någon extra sensor.
Impedansmätning kan t.ex. gå till så att man tillför en 4 kHz strömsignal på
stimelektroden och registrerar den uppkomna spänningen. Man kan mäta impedans
uni- och bipolärt både kontinuerligt och pulsat.
2.3.1. Minutvolym (andning)
Vid ökat arbete kräver metabolismen en förhöjd lungventilation. Om man kan mäta
minutvolymen luft som passerar lungorna indirekt via impedansen över thorax är
denna parameter en god indikator på arbete.
2.3.2. Hjärtparametrar
Hjärtats slagvolym påverkas av belastningen. Kontraktionstiden blir kortare samtidigt
som slagvolymen blir större. AC-impedans variationerna beror mest av förändringar
närmast elektrodspetsen vilken ligger i hjärtat. Följande fysiologiska parametrar sägs
gå att utläsa ur AC-impedans variationerna.
• Pre-ejection intervall
• Relativ slagvolym
• Kontraktilitet
2.3.3. Lungödem
Vid akut hjärtsvikt kan blodtrycket i lungkretsloppet öka pga att vänster kammare inte
förmår pumpa blodet vidare. Vid detta tillstånd uppstår lungödem vilket är
livshotande även om läkarvård sätts in snabbt. Idag utvärderas en pacemaker som sägs
upptäcka små förändringar långt innan patienten känner några symptom. Impedansen
över thorax mäts regelbundet och vid en sänkning som beror på ökad vätska i
lungvävnaden larmar implantatet så att medicinering kan ske före akut hospitalisering
behöver tas till.
11
nils holmström föreläsning2006.doc
2.4. Q-T intervall
Tiden mellan QRS och T-våg blir kortare under belastning. Denna parameter är enkel
att mäta elektriskt och används av flera tillverkare, men duger inte ensam som
underlag för frekvensbestämning.
R
T
Q
S
Q-T intervall
2.5. Central venös blodtemperatur
Temperaturen i höger förmak avkänns med en termistor som indikator för arbete.
Metoden är långsam, okänslig vid lägre belastning och kräver en specialelektrod.
2.6. Venös syrekoncentration
Den största delen av blodets syre transporteras i bunden form (SaO2) av hemoglobinet
i de röda blodkropparna. Övrigt syre är löst i blodplasmat (syrgastryck pO2). Det
råder emellertid ett väl definierat samband mellan det bundna och det i lösta syret.
Att enbart använda central venös syrekoncentration för kontroll av
stimulationsfrekvensen kan vara vanskligt för patienter med koronarkärls
förträngningar. Vid attacker av ischemi (Angina Pectoris) minskar cardiac output med
ökande stimulationsfrekvens även vid mycket små frekvensökningar över bas
frekvensen. Detta har som följd att syrgashalten sjunker då frekvensen dras upp och
systemet kommer ur jämvikt (positiv återkoppling). Eftersom patienten inte kan häva
förloppet genom vila är detta en allvarlig situation som bör förhindras.
2.6.1. Central venös syremättnad
Att mäta syremättnad på optisk väg genom att utnyttja en varierande
reflexionskonstant har prövats vid ett flertal tillfällen. Mätprincipen fungerar även om
det ännu finns en rad praktiska problem att lösa. Två koncept har testats på människa.
1. Det första utnyttjar enbart en färg, rött synligt ljus, vilket har den största
variationen i reflexionstal mellan hög och låg syremättnad. Vid låg syremättnad
minskar reflexionen.
2. Det andra konceptet har förutom rött ljus även en infraröd (850 nm) lysdiod. Vid
den våglängden (Isobestiska punkten) påverkas reflexionen inte alls av
syremättnaden och svaret kan därför användas som oberoende referensvärde.
Eftersom en mycket komplicerad specialelektrod med fönster och inbyggd elektronik
krävs för de optiska syresensorerna har det inte gått att få upp tillförlitligheten till en
acceptabel nivå. Dessutom kan det bli problem med vävnadsöverväxning, vilket kan
göra sensorn blind.
2.6.2. Centralt venöst syrgastryck
En annan metod att mäta kroppens syreförbrukning är att titta på det venösa
syrgastrycket pO2. Mellan vila och hårt arbete kan pO2 variera från 40 till 14 mmHg. I
motsats till syremättnaden rådet ett linjärt samband mellan arbetsbelastning och pO2.
En elektrokemisk mätmetod bygger på att reducera syrgasmolekylerna vid en lämplig
12
nils holmström föreläsning2006.doc
i(t) [μA]
e(t) vs. RE [V]
elektrodyta så att elektriskt ledande joner uppstår. Under ca. -0.5 V rel. Ag/AgCl kan
följande reaktion inträffa
2 H2O + O2 + 4e- => 4 OHFör att reaktionen skall kunna fortgå diffunderar syrgas mot elektrodytan.
Diffusionshastigheten begränsar den elektriska strömmen genom elektroden.
Den tekniska lösning som f.n. prövas pre-kliniskt genererar ett potentialsteg på -0.8 V
under 10 ms synkront med stimulationspuls eller QRS. Den uppkomna strömmen
(ipO2) mäts som ett mått på syrgastrycket. Med en ombyggd standardelektrod som har
en cylindrisk guldelektrod i atriet kan det centrala syrgastrycket mätas.
Referenselektrod och motelektrod sitter på pacemakerkapseln (se figur).
Eo
Eo
-0.3
-0.6
φ
-0.9
-5
0
5
10
15
20
Time [ms]
25
30
35
-5
0
5
10
15
20
Time [ms]
25
30
35
100
0
-100
-200
Mätpuls och and uppkommen ström.
Referens
P66
Sensor
Motelektrod
Stim
PO2 styrd forskningspacemaker.
Denna sensor är användbar både för att reglera hjärtfrekvensen och för att optimera
hjärtats timing (frekvens ,AV tid och VV tid).
13
Comparison of Heart Rates for an AV-ablated, pO2-controlled
Dog (A) with a Healthy Dog (B) during equal exercise
300
150
A
125
250
200
100
B
75
150
R=0.83
100
50
0
5
10
15
20
25
Heart Rate (B)
Stimulated Rate (A)
nils holmström föreläsning2006.doc
30
Minutes
Mätresultat från försudie.
3.
Referenser:
1. Bertil Jacobson: Medicin och teknik. Studentlitteratur 1995.
Sid 220 - 227
2. Seymour Furman et.al. A Practice of Cardiac Pacing. Futura 1993.
Chapter 1 - 2
3. Eckhard Alt et.al. Rate Adaptive Cardiac Pacing. Springer 1993.
4. Anders Lindgren et.al. Pacemakern och hjärtat. Siemens-Elema AB 1992.
Bilder:
Många bilder härrör från undervisningsmaterial gjort av Göran Mathson, St. Jude
Medical AB, Järfälla.
14