Veddesta forskning Andreas

Transkript

1 Veddesta forskning Andreas - Civ.ing. - Elektronik Michael - MD - Medicinsk expert Implantat och biomaterial Stefan - Civ.ing. - Elektronik Sven-Erik - Civ.ing. - Elektronik Anders - Civ.ing. - Tekn. Fysik Presentation av forskningsavdelningen Pacemakerelektroder Sensorer för implantat Malin - Civ.ing. - Elektronik - Gruppchef Karin - Civ.ing. - Mekanik - Forsk.chef Nils - Tekn.Dr. - Med. tekn. Kjell - Civ.ing. - Elektronik Torsdagen den 21:a februari, 2008 kl Nils Holmström Forskning, St. Jude Medical AB Tomas - Tekn. Lic. - Tekn. Fysik - Gruppschef Karin - Tekn.Lic. - Elektronik Hollywood Produkt utveckling Ett forskningsprojekt Forskning Teknologi Utveckling Produkt Utveckling Tillverkning Marknadsföring Försäljning Idé/behov (Ny Funktion / Ny terapi / Ny Detalj) Litteraturstudie / Studera gamla mätdata Förstudie (på lab-bänk eller prekliniska försök) Plan/protokoll, utrustning/prototyp, utföra försök, analys, rapport Klinisk Studie (human) Plan/protokoll, utrustning/prototyp, ansökan, försök, analys, rapport, vetenskaplig artikel Samarbetspartners Sekretessavtal/Samarbetsavtal, Anslag, Följa upp, Patent Söka patent Uppfinningsanmälan/Patentansökan, Brainstorming, Patenthinder Slutlig design, Implementerbarhet, Riskanalys Överlämning (Specifikation, White paper ) Retledningssystemet EKG Nuvarande uppgifter för forskningsgruppen i Sverige: Utvecklar nya sensorer, terapier och diagnostik för implanterbara pacemakers, defibrillatorer och monitorer. - Datainsamling - Signalbehandling - Konceptverifiering - Algoritmutveckling 1

2 Olika typer av block 1. SA-block 2. AV-block 3. His-block 4. Höger gren- eller skänkelblock (RBBB) AF 2 5. Vänster gren- eller skänkelblock (LBBB) Enkelkammarpacemakern (VVI) INDIKATIONER Förmaksfladder/ flimmer Förmaksparalys 4 5 A-V Block I: Fördröjd överledningstid A-V Block II: Intermittent överledning A-V Block III: Ingen överledning Tvåkammarpacemakern (DDD) Resynkronisering (3 elektroder) Klarar alla retledningsfel utom grenblock 4 5 INDIKATIONER Hjärtsvikt (CHF) Vänster grenblock (5) Höger grenblock (4) Defibrilleringselektroder (mot arrytmier) ICD Pacemaker- och defibrilleringselektroder! Levererar elektrisk chock vid flimmer eller tackykardi Aktiv kapsel Ingår även tvåkammarpacing 2

3 Pacemakerelektroden Implantation av elektroder Överför elektrisk energi från pulsgeneratorn till myokardiet, stimulation, impedansmätning. Överför intrakardiella EKG-signaler från myokardiet till pulsgeneratorn; IEGM, detektion. Kan innehålla intravaskulära sensorer. V. jugularis externa V. jugularis interna V. Subclavia V. Cephalica Elektrodkabelns beståndsdelar Elektrodens komponenter Anslutning (IS1- standard) Seal Connector boot Connector ring Proximal Coupling Suture Sleeve Ring Electrode Header Sleeve Header Helix Elektrodkabel Connector pin Steroid Plug Stimulationselektroder Styrtråd för implantation (temporär) Sleeve Spacer Label Outer Tubing Outer Coil Inner Tubing Inner Coil Header Coupling Spring Stopper Shaft Elektrodfixering Polaritet Aktiv elektrod Passiv elektrod Fins Unipolär (K) S-form - Retraherbar (bild) -Fast skruv Tines Bipolär (T) 3

4 Unipolär elektrod Bättre hållfasthet p.g.a. enklare mekanisk uppbyggnad Mindre diameter Mer flexibel Enkel anslutning Bipolärt system Polaritet Bipolär elektrod Mindre störningskänslig detektion, speciellt bra i atriet Lägre farfield QRS sensing Liten risk för stimulering av pektoralismuskel eller frenikusnerv Unipolärt system Elektrodens egenskaper Biokompatibel / Biofunktionell Flexibel (Inget mekaniskt tryck, styv vass spets kan perforera hjärtmuskeln) Hållbar (500 milj böjningar mm.) Tunn Hal, dvs. lätt att föra in genom venen Låg stimulationströskel (~ ms) Goda detektionsegenskaper Skall synas på röntgen (genomlysning) Konstruktion av kabeln Elektrodmaterial MP35 tråd (med silverkärna) Bipolär Parallella kadeler Teknologiskifte från koaxiella spiraler till kabel Krav Låg risk för intrakardiell fibrintillväxt, intravaskulära tromboser och embolier. Immunologiska reaktioner (allergi) får ej förekomma. Minimera tillväxt av fibrös vävnad mellan elektrod och retbar hjärtmuskel. Vanliga Material Porös titannitrid på titan eller platina Porös platina (Platinum Black) Iridiumoxid Aktiverat poröst kol - Nanoporöst kol Platina-Iridium Isolationsmaterial Silikongummi (Si) Polyuretan (PU) Ny komposit av Si/PU, Optim Fast pass beläggning Elektrodmaterial Andra detaljer MP35 spiral (kobolt, krom och nickel) Silverkärna i spiral Rostfritt stål (stödrör etc.) Titan Steroid eluting tip (utsöndrar ämne som minskar fibrös vävnad) Fibrös vävnad Steroid gör att det kroniska avståndet mellan elektrod och retbar vävnad minskar => lägre stimulationströskel! 4

5 Thinner leads: Introducing Optim Optim, a Silicone polyurethane composite (SPC) which combines the advantages of silicone rubber and polyurethane LV elektrod 1158T Flexible and lubricious Abrasion resistant High tear and tensile strength Very low sensitivity to degradation 1058T 1056T 1156T Optim will enable development of Enhanced durability Thinner leads with uncompromised reliability More lubricious leads than Silicone More flexible leads than PU Optim PU Typical lead sections after 2 years in-vivo implant Unipolär Guidewire 1056K Attain OTW Model 4193 Implantation via Sinus Coronaris (CS) Ofta svårt att hitta CS mynning (kan ta 0-4 h) navigera i coronarventrädet och placera spetsen bra. undvika phrenicusstimulering. SJM QuickSite modell 1056T Bipolär Over-The-Wire (OTW) guidewire-placering eller styrtrådsplacering Polyuretanisolerad proximal sektion (78 cm). Silikonisolerad distal sektion (8 cm). Fast-Pass Coating = beläggning med mycket glatt yta Elektrodspets och ring av platina-iridium belagd med titannitrid (TiN). Hål genom elektrodens spetselektrod möjliggör användning av guidewire. Steroidavgivning. Passiv fixering - S-formad kurvatur + silikon Maximal utvändig diameter = 6,0 French (= 2mm) SJM Veddesta contributions to modern bradycardia leads Isoflex 1640: Passive fix, steroid elution plug Available in PU and Si Tendril 1788 and 1888: Thinnest active fixation lead with extendable helix ever (6 Fr) Available w Optim insulation J-shaped active fixation Locator Plus Optimized for select site lead placement OptiSense 1699, FSR lead Far field Signal Reduction Reduce oversensing/ams 5

6 Defibrillation System Defibrilleringselektrod 4 electrode lead sensing RV stimulation LV Defibrillation Hot Can < ca. 700 V Transvenous implantation Anslutningar (olika för hög spänning (DS1) och lågspänning (IS1)) VC Elektrod RV Elektrod Pace-elektroder (Bipolär) Ring Tip Epikardiell pacemakerelektrod Pediatriska bradykardi patienter Open thorax implantation Unipolär och bipolär Förmak och kammare Silikongummi isolering Porös platina elektrod Aktiv fixering Steroid utsöndring Elektrisk modell för elektrodsystemet Resistans och kapacitans vid kapsel R F, C DL Elektrolyt resistans RT U Ledar resistans RL Resistans och kapacitans vid spets RF, CDL Elektrisk modell för elektrod Technology Improvements... Pacemaker elektronik R F Kapsel / Ring C DL u2 U + C1 R + Det u + R T QRS, ER Stim C2 R L R F C DL Elektrod u1 6

7 Framtiden Tunnare elektroder (4-5 F = mm) Nya epikardiella elektrodsystem Sensorer och elektronik i elektroden Många elektroder på samma kabel Nya material Bättre implantationsverktyg Nya elektrodplaceringar (t.ex. VF) Sensorer Utmaningar: Långtidsstabil > 10 år Relevant signal Biokompatibel IEGM (Intrakardiellt Elektrogram) Rörelsegivare Accelerometer Kroppsposition Blodtryck Hjärtljud Elektrisk bioimpedans AC (Z, dz) Komplex, R+i elektrodimpedans Några sensorer som SJM arbetat/arbetar med Syrgastryck (pvo2) Syrgasmättnad (SvO2 ) Puls-oximetri (PPG) Blodflöde Temperatur ph Områden som vi studerat med sensorerna Frekvenskontroll Hemodynamisk optimering Arrytmidetektering och differentiering Detektion av svikt, samt svikt-utveckling Övervakning/larm Ischemi Avstötning Respiration Lung- och vävnadsödem Hjärtklaffar Aktivitetssensorer: Fysiologisk respons vid arbete Ökad arterio-venös syrgasdifferens. Mätparametrar: p V O 2 eller S V O 2 (syrgasmättnad) Anaerobisk metabolism kan inträffa Venöst ph minskar Blodtrycket ökar Myokardiets kontraktilitet ökar Slagvolymen ökar Blodtemperaturen ökar Pre-ejection period förkortas (tiden från QRS till slutet av isovolumetrisk kontraktion) Piezokristall Skakningssensor Accelerometer Spetsaccelerometer Position (statisk) Rörelsegivare 7

8 Aktivitetssensor: Piezo (Historia) Aktivitetssensor: Accelerometer Piezoelektrisk kristall på insidan av pacemakerdosan Batteri Elektronik Piezobalk Piezokristall g Accelerometer för kretskortsmontage (kommersiellt tillgängliga) Aktivitetssensor: 3-D Rörelsegivare Sensor Magnetisk kula i spole Vävnadsimpedans Centralt venöst syrgastryck, pvo2 (kpa) Venös syrgasmättnad, SvO2 (%) Q-T intervall Blodtryck, dp/dt, LAP, CVP CV Temperatur etc. Andra aktivitetssensorer Microny SR+ Q T Med impedans kan man bl.a. mäta... Impedans Lunga Respiratorisk Minut Volym (MV) Lungödem Andning, sömnapné Hjärta Slagvolym (SV) Mekanisk Evoked Respons Kontraktilitet Pre-ejection Period (PEP) Ejektionstid (LVET) Ejektionsfraktion (LVEF) Systolisk och diastolisk dysfunktion Regurgitation (klaff-fel) Asynkronism (BBB) Blod Hematokrit etc. Övrigt Avstötning av transplantat Infektion Inflammation Cancer 8

9 Elektrisk bio-impedans (EBI) Respiratory Minute Volume (MV) Man applicerar ett tåg av strömpulser i(t) med amplituden I mellan två elektroder och mäter den uppkomna spänningen U för varje puls. Impedansen Z = U / I ~1987 i(t) Can un zn = Iˆ I ˆ =1mA 14 μs Î u 50 ms i(t) i(t) I U i(t) Mätkropp z i (t) 1 RR TV Respiratory component of Z Controls heart stim rate MV = RR TV t (seconds) Cardiac Contraction with Impedance Cardiac Contractility Unipolar RV impedance: Pacemaker can to lead tip Relaxed + - RV Contractility Can Ref: Osswald et.al, PACE 2000; 23:[Pt. I]: Tip Contracted Rate increase: High contractility High heart rate Tidig detektion av lungödem (MDT) Impedance measurement in SJM devices Mäter DC-impedansen över lungan i u Sampling frequency Hz ~ 0.5 ma, 19 μs Three filter-chains: Z0 static component Zr respiration component Zc cardiac component Impedance signal Z0 Zr Zc 9

10 Signal example Zc - Cardiac performance monitoring Cardiogenic impedance Zc = impedance variations generated by heart movements End systole, Z End diastole, Z blood blood Cardiac Zc.. Zc i(t) i(t) Komplex elektrisk bioimpedans (EBI) Mera formler EBI mäter impedansen med en tidsvariabel sinus-ström som skickas genom vävnaden. Biologisk vävnad: Z = R + 90 < ϕ < 0 < 0 j = reaktans ϕ = fasvinkel I = I0 sinωt ω = 2π f Mätkropp V Impedans: Z I V = V sin t 0 ( ω +ϕ) Resistans: Kapacitans: Induktans: Z = R j Z = ωc Z = jωl II III ωl 1/ωC Im I IV ϕ Z R Biologisk vävnad Re Bipolar LV-Z (RV ring - LV ring) Electrical Bioimpedance (EBI) Anesthetized subject, 38 kg PVC C4 Complex impedance Z=R+j Low frequency electrical current passes mostly around the cells (unbroken arrow) At high frequencies the membrane capacitance lets the current pass through the cells (dotted arrow) Simple tissue model: From: Grimnes, Martinsen: Bioimpedance & Bioelectricity Basics,

11 Complex EBI of the Heart s Myocardium Different tissue disorders have been discussed to be characterized with EBI Ischemia Cellular edema Myocardial fibrosis Infection Rejection of transplanted organs Bipolar screw-in leads in RV and LV apex Effect of anoxia (100% NO2 for 2 min) Transseptal Complex Impedance - Pre-clinical observations Z Ref: Ollmar. Making electronic biopsies Med. & Biol. Eng. Comput Vol 37, supp 2, p 116. Gersing et.al. Modelling based on tissue structure Innov. Tech. Biol. Med Vol 16, No. 6, p 671. Septum From: Alsér. Master Thesis, C7 Transseptal Impedance from Effect of 2 min Anoxia right to left ventricle Transseptal 4 khz Bipolar Impedance C7 C7 Effect of 2 min Anoxia Transseptal 256 khz Bipolar Impedance C7 ECG II by t (sec) ECG II by t (sec) Anoxia Anoxia Real Impedance (ohm) by t (sec) Canine 20 kg 4 khz excitation current, 10 μa sinus Real Impedance (ohm) by t (sec) The same canine but 256 khz excitation current Imaginary Impedance (ohm) by t (sec) Imaginary Impedance (ohm) by t (sec) t (sec) t (sec) Ischemic response: LV stim,, 200 bpm Electrodes in right ventricle Chronic (6 months) electrode EBI: 4 and 128 Hz, 100 μa Endocardial Complex Impedance - Pre-clinical observations i(t) Endocardium Effect of Ischemia on Tissue Impedance Quadropolar 4 khz, Sheep #6, Nov 26, 2001 Z(Re) (ohm) by t Z(Im) (ohm) by t IEGM-RV by t RV Pressure (mmhg) by t Ischemia t (sec) 11

12 42 Effect of Ischemia on Tissue Impedance Quadropolar 128 khz, Sheep #6, Nov 26, 2001 Z(Re) (ohm) by t Ischemia 0 Tissue Impedance Vectors Impedance at Ischemia Vector at Ischemia Quadropolar, 100uA, Sheep #6 Z(Re) (ohm) Z(Im) (ohm) by t -10 Phase angle 4 khz IEGM-RV by t RV Pressure (mmhg) by t Z(Im) (ohm) khz 2 Cardiac Cycles Normal Ischemic t (sec) Tryck-sensor-prototyper HK VK Blodtryck Intrapericardium HKspets Trycksensor Sensorns mångsidighet Fördelar Extremt enkel design Okänslig för överväxt Vad kan vi ha den till? Svikt-diagnostik Indiffring Timing-optimering Evokes response Undvika onödiga chocker Klaff-monitorering. 12

13 Predicting and Preventing HF hospitalization: What should be monitored daily in ambulatory patients? Left Atrial Pressure (LAP) Blodtrycket i vänster förmak Predictive Value Symptoms Weight HR var Optivol BNP RA epad PAD LAP Least sensitive and specific Surrogates for LAP, intermediate sensitivity and specificity Gold Standard LAP reflects changes in fluid volume status Acute Decompensation and Hospitalization in HF 30 Hypervolemia Pulmonary congestion/edema Sustained elevations in LAP above mmhg 1, result in pulmonary venous congestion and pulmonary edema 20 LAP (mmhg) 10 0 Neurohormal activation Na + /fluid retention, vasoconstriction Euvolemia Hypovolemia Low cardiac output, renal dysfunction Diuretics: Na + /fluid depletion, Nitrates: vasodilatation >90% of HF hospitalizations present with pulmonary congestion 2. Control of LAP excursions should effectively prevent pulmonary congestion and hospitalization 1 Heart Failure Reviews 2004;9: Circulation Research 1959;11: HeartPOD (Physiologically Optimized Dosimeter) System Implant and Patient Advisory Module (PAM) Implantation guided by fluoroscopy Lead SAVACOR, INC Sensor Module Proximal RA Anchor Distal LA Anchor Sensor Diaphragm Inferior Approach PA catheter Implantable Communications Module Measures PAM Powers LAP implant Waveform by RF IEGM Atmospheric reference Core Temp Stores telemetry Alerts patient to monitor DynamicR instructs Meds, Activity, MD contact RA lead ICE HeartPOD RV ICD lead 13

14 LA-Crosse Transseptal Set Approaching the septum from a superior access Rotate Puncture-Screw to cross septum Guide Flexible Puncture-Screw Probing-Stylet Stabilizer-Sheath HeartPOD Implant from HOMEOSTASIS I Superior Approach Pig at 1 month ICM ICD Right Atrium 1 mm AS 50 um Sensor Module ISL ISL View from the LA after implantation Left Atrium Distal Anchor Elektrokemisk po 2 sensor/pacemaker Syrgas O2 14

15 Silicon rubber Gold Working Electrode 7.5 mm 2 R a 4 μm + A Carbon anode 4e - C Protein layer H + + HCO 3- H 2 O+ CO 2 Na + Cl - HbO 2 O 2 2H 2 O H 3 O + + OH - 4OH - 1 mm E Reference Diffusion Protein layer 4e - Gold cathode Polar heart rate monitor Comparative exercise test Comparative exercise test S v O 2 Sensors Stim Rate [bpm] (A) 150 A B R= Time 30[min] Heart Rate [bpm] (B) Single wavelength sensor developed by SJM in early 90 s N = 6 chronic dogs, with 2 lasting 4.5 and 5.5 years 3-wavelength sensor in development Better control for hematocrit levels Pacesetter Synchrony O 2 Circa 1994 Comparison of heart rates for an AV-ablated, po 2 controlled dog (A) with a healthy dog (B) during equal, simultaneous exercise. 15

16 S v O 2 sensor design Oxygen Saturation Measurement Measurement of oxyhemoglobin saturation in blood is based on hemoreflectance Oxygenated blood reflects light more than deoxygenated blood Calibration Photodiode Calibration Reflector SvO 2 Photodiode SvO nm LED SvO nm LED Photo transistor Hematocrit 805 nm LED SvO nm LED SvO nm LED SvO nm LED Oxygenated and reduced hemoglobin reflect light differently Measurement is influenced by: Blood flow, erythrocyte shape, hematocrit. Two or more wavelengths can be used to compensate for these effects. Hemoglobin and Oxyhemoglobin Absorption Spectra (from Bornzin, et. al. IEEE 1987) Mer info om oss Defibrillator räddar liv 16