föreläsning2002.doc
Föreläsning om
1.Pacemakerelektroder
2.Sensorer
Nils Holmström, Tekn. Dr.
St. Jude Medical AB
Järfälla, 2002-05-21
1
föreläsning2002.doc
Innehållsförteckning
1.
Pacemakerelektroder ............................................................................................. 3
1.1. Indikationer för pacemakerterapi........................................................................ 3
1.1.1. Nomenklatur.............................................................................................. 3
1.1.2. Endast en elektrod i ventrikeln (VVI m.fl.) .................................................. 4
1.1.3. Endast en elektrod i atriet (AAI m.fl.) ......................................................... 4
1.1.4. En elektrod i atriet och en i ventrikeln (DDD m.fl.) ...................................... 4
1.1.5. Elektrod i sinus coronaris............................................................................ 4
1.2. Elektrodimplantation........................................................................................... 4
1.3. Beskrivning av elektroden (pacemaker lead)....................................................... 5
1.3.1. Funktion:.................................................................................................... 5
1.3.2. Beståndsdelar: ............................................................................................ 5
1.3.3. Egenskaper:............................................................................................... 5
1.3.4. Biokompatibla material för elektroder......................................................... 7
1.3.5. Stimulationselektroder................................................................................ 7
1.3.6. Isolationsmaterial........................................................................................ 7
1.3.7. Andra detaljer............................................................................................ 7
1.4. Flexibel.............................................................................................................. 7
1.5. Mekanisk hållfasthet............................................................................................ 7
1.6. Låg stimulationströskel........................................................................................ 7
1.7. Goda detektionsegenskaper ............................................................................... 8
1.8. Fästanordningar ................................................................................................. 5
1.9. Uni- och bipolära system.................................................................................... 5
1.10. Elektrisk modell för stimelektrod..................................................................... 9
2. Sensorer för "Rate Adaptive" pacing..................................................................... 11
2.1. Fysiologisk respons vid arbete.......................................................................... 11
2.2. Rörelsegivare................................................................................................... 11
2.2.1. Piezogivare .............................................................................................. 11
2.2.2. Accelerometer ......................................................................................... 11
2.2.3. Spetsaccelerometer.................................................................................. 11
2.2.4. Magnetisk kula......................................................................................... 12
2.3. AC-Impedansmätning ...................................................................................... 12
2.3.1. Minutvolym (andning)............................................................................... 12
2.3.2. Hjärtparametrar ....................................................................................... 12
2.4. Q-T intervall .................................................................................................... 12
2.5. Central venös blodtemperatur........................................................................... 13
2.6. Venös syrekoncentration.................................................................................. 13
2.6.1. Central venös syremättnad........................................................................ 13
2.6.2. Centralt venöst syrgastryck....................................................................... 13
3. Referenser:........................................................................................................... 15
2
föreläsning2002.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
3
föreläsning2002.doc
A-V Block III: Ingen överledning
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 naturlig a 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 sinus coronaris.
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 Jugularis interna / externa / Si. / Dx.
• Vena Subclavia
4
föreläsning2002.doc
• Vena Cephalica
• Epikardiell elektrod implanteras vanligen vid thoracotomi (öppen thorax).
• 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 ev. 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):
•
Passiv fixering (tines, fins etc.)
•
•
Aktiv fixering (skruv)
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
5
föreläsning2002.doc
• Mindre diameter
• Mer flexibel
• 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 musculus pektoralis eller frenikusnerven.
1.3.5. Defibrilleringselektrod
Anslutningar
VC Elektrod
RV Elektrod
Ring
Pace-elektroder (Bipolär)
Tip
•
•
•
•
•
•
1.4. Egenskaper
Biokompatibel
Flexibel
Hållbar
Låg stimulationströskel
Goda detektionsegenskaper
Steroid eluting (utsöndrar ämne som minskar fibrös tillväxt)
6
föreläsning2002.doc
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.
tp
Vstim
istim =
− tp
CVstim
1 − e RC
T
7
(I)
föreläsning2002.doc
C = utgångskapacitans, Vstim = utspänning, T = basintervall, t p = 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.
8
föreläsning2002.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).
9
föreläsning2002.doc
Elektrisk modell för elektrodsystemet
Resistans
och kapacitans
vid kapsel R’ F, C’ DL
U
Ledar resistans R L
Elektrolyt
resistans
RT
Resistans
och kapacitans
vid spets R F, 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
10
föreläsning2002.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 SaO 2 (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 åters peglar 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 trycko känslig. 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 mått et för belastningen.
2.2.3. Spetsaccelerometer
Ett italienskt företag har nyligen lanserat en pacemakerelektrod med inbyggd accelerometer i
spetsen. Den anbringas med aktiv fixering till myokardiet där hjärtväggens rörelser
11
föreläsning2002.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. Impedansmätnin g 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 samtid igt 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
2.4. 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.
12
föreläsning2002.doc
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 (SaO 2) 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 pO 2 variera från 40 till 14 mmHg. I motsats till
syremättnaden rådet ett linjärt samband mellan arbetsbelastning och pO 2. En elektrokemisk
mätmetod bygger på att reducera syrgasmolekyle rna vid en lämplig elektrodyta så att
elektriskt ledande joner uppstår. Under ca. -0.5 V rel. Ag/AgCl kan följande reaktion
inträffa
2 H2O + O2 + 4e- => 4 OH-
13
föreläsning2002.doc
i(t) [µA]
e(t) vs. RE [V]
För 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 syrgastryc ket. 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
-0.9
100
0
-100
-200
φ
-5
0
5
10
15
20
Time [ms]
25
30
35
-5
0
5
10
15
20
Time [ms]
25
30
35
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).
14
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)
föreläsning2002.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.
15
