Pacemakerteknik - ett kortfattat kompendium

Transkript

1 Pacemakerteknik - ett kortfattat kompendium Håkan Elmqvist Maj 2002 Detta är ett mycket kortfattat föreläsningskompendium avseende hjärtats elektrofysiologi och pacemekerteknik. 1.1 Hjärtats basala elektrofysiologi Anatomi Figur 1 Hjärtats anatomi 1

2 Elektrofysiologi Kardiologisk elektrofysiologi är läran om hjärtats elektriska aktivitet och dess koppling till hjärtats mekanik. Figur 2 Figur 3 Intracellulär potentialmätning I vila är muskelcellen polariserad cellens innanmäte har en potential om mv relativt den extracellulära omgivningen. 2

3 Figur 4 Jonpumpar och diffusion av joner uppräthåller potentialskillnaden. Figur 5 Na+ ock K+ pumparna utgöres av proteiner i cellväggen. Energin för pumparbetet tas från ATP. 3

4 Figur 6 Jonkanaler med grindar. Kanalerna är selektiva för olika slags joner. Då grindarna öppnas strömmar joner genom kanalerna och koncentrationsskillnaderna utjämnas. Cellen blir depolariserad, spänningsskillnaden över membranet försvinner.. Figur 7 Jon koncentrationer i polariserad hjärtmuskelcell (myocyt). 4

5 Figur 8 En aktionspotential uppstår då Na + -kanalerna öppnas genom att membranspänningen höjs över ca -20 mv. Cellen depolariseras. Inflödet av kalcium gör att muskeln kontraherar. g anger konduktiviteten för respektive jonslag. Figur 9 Automaticitet. Pga läckage av K + -joner stiger potentialen till tröskelvärdet och en aktionspotential utlöses rytmiskt. 5

6 Figur 10 Spridning av aktionspotential genom elektrisk överledning från cell till cell. Figur 11 Uppkomst av extracellulära strömmar (jfr EKG). 6

7 Figur 12 Pacemakerceller med olika rytmicitet. Den snabbaste "vinner och bestämmer frekvensen. Det är framförallt sinus och AV-knutorna som innehåller pacemakerceller Retledningssystemet Figur 13 Hjärtats retledningssystem. 7

8 Figur 14 Impulserna uppstår i sinusknutan som har den snabbaste automaticiteten, fördröjs ca 100 ms i AV-knutan och sprids sedan snabbt över kammaren via purkinjefibrerna. Tack vare den snabba spridningen kontraherar hela kammaren i stort sett samtidigt. Figur 15 8

9 Yttre retning eller stimulation En aktionspotential kan också uppstå genom att jonkanalerna öppnas pga en mekanisk retning ex. vis. ett hårt slag över bröstet eller genom en elektrisk ström. Appliceras en elektrisk impuls med en elektrod kan en retningskurva som visar stimulationströskeln erhållas. Tröskelvärdet är den minsta amplitud vid en given impulstid som åstadkommer en aktionspotential. Tröskeln anges i V eller ma vid en viss pulstid. Typiska värden är ca 1 V vid 0,5 ms. Stimulationströskeln V0. 1V Reobas, tröskel vid "oändligt" lång stimulationspuls T ms Kronaxi (Tröskeln=2*reobasen) Vtres( t ) V0. 1 T0 t Strength duration curve 4 Treshold voltage, V Pulse duration, ms Figur 16 Retningskurva 9

10 1.2 Arrytmier Bradykardi Hjärtat går för sakta. Ibland livshotande. Pacemaker. Takykardi Hjärtat slår för fort. Kan man ofta lära sig leva med, men takykardi kan ofta övergå i flimmer. Medicinering, kirurgi, takykardipacemaker, implantabel defibrillator. Flimmer Kammaren helt disorganiserad. Måste defibrilleras med defibrillator inom 30 sekunder Bradykardier Bradykardier uppstår pga störningar i hjärtats retledningssystem. Figur 17 SA-block och AV-block leder till bradykardier, ibland livshotande. Adams-Stokes syndrom innebär att patienten svimmar pga AV-block. Grenblock leder till en långsam spridning av depolarisationen över kammaren vilket ger nedsatt verkningsgrad. 10

11 En annan vanlig arrytmi är sk sjuk sinusknuta (sick sinus syndrome) där sinusknutan går med ojämn takt. Chaga s sjukdom är en i Sydamerika vanlig parasit som ger sig på retledningsystemet och orsakar AV-block. Olika läkemedel ex vis digitalis kan leda till bradykardier. Bradykardier behandlas i allmänhet med pacemaker Takykardier Takykardier uppstår oftast genom att en depolarisations våg går runt i en slinga. Slingan går runt ett hinder, som antingen kan vara fast eller skapat av elektriskt refraktär vävnad. Detta kallas reentry-takykardi. Figur 18 Exempel på reentry ges av extra ledningsbanor mellan förmak och kammare. Figur 19 11

12 Figur 20 Olika typer av foci med uppsnabbad pacemakeraktivitet förekommer även. Takykardier behandlas i allmänhet med droger men behandling med takykardipacemaker och implantabel defibrillator är också vanlig. 12

13 1.3 Olika pacemakertyper Pacemakern stimulerar hjärtat med en elektrod. Elektroder kan implanteras såväl i kammaren som i förmaken. Elektroden kan också användas för att känna av hjärtats egen aktivitet. Exempelvis så känner den förmakssynkrona VAT-pacemakern av P-vågor i förmaket och stimulerar efter en fördröjning kammaren. På så sätt uppehålls synkronism mellan kammare och förmak även om ett AV-block föreligger. 13

14 1.4 Pacemakertypologi En pacemakers typ anges med en treställig bokstavskod enligt: Stimulerad kammare (A, V, D) Avkänd kammare (A, V, D) Funktion (O=ingen, T=triggad, I=inhiberad) Exempel: VOO Stimulerar kammaren, går hela tiden med fast frekvens VVI Stimulerar kammaren, inhiberas av spontanslag DDD Stimulerar både kammare och förmak, triggas och synkroniseras av förmaksaktivitet, inhiberas av spontanslag i kammaren Vidare finns det frekvensanpassad (rate responsive) pacemaker som mha en inbyggd sensor försöker anpassa frekvensen till patientens behov. Anges ofta med en fjärde bokstav R. Ex. VVIR. 1.5 Pacemakerns funktion Figur 21 VVI pacemakerns princip 14

15 Figur 22 DDD pacemakerns princip 1.6 Pacemaker EKG Figur 23 EKG med VVI-pacemaker 15

16 Figur 24 DDD pacemaker som omprogrameras till VVI Figur 25 Behandling med VVI och DDD pacemaker. Aortatrycket avbildas med rött. Som synes interfererar vid VVI förmaksfrekvensen med kammarfrekvensen vilket leder till kraftiga variationer i aortatrycket. Dessa känns som kraftiga bultningar eller palpitationer, pacemakersyndromet. Ett bättre behandlingsalternativ är då en förmakssynkron pacemaker (VAT, DDD) som under gynnsamma betingelser utgör en nästan idealisk protes för AVkutan. Denna är dock inte alltid lämplig vid förmaksarrytmier eller då patienten endast har temporära ledningshinder. 16

17 1.7 Pacemakerimplantation. Pacemakern implanteras oftast vid höger nyckelben. Elektroden/-erna skjuts in i hjärtat via en ven under fluoroskopi. Operationen tar normalt ca 20 minuter och utföres i lokalbedövning. Patienten får mestadels gå hem samma dag. Figur 26 Figur 27 17

18 1.8 Pacemakerindikationer AV-block Sjuk sinusknuta Förmaksflimmer Ventrikulära takykardier/flimmer VVI, VAT, DDD VVI, DDD VVI Implanterbar defibrillator 1.9 Vanliga problem vid pacemakerbehandling Figur 28 VVI pacemaker utsatt för muskelstörningar Figur 29 Exit block Figur 30 Pacemakerinducerad takykardi. Då en DDD pacemaker introducerar en extra ledningsbana kan den ge upphov till reentrytakykardier. Extra logik i pacemakern skall skydda mot detta. 18

19 1.10 Pacemakerteknik Den första pacemakern hade bara två transistorer. Som all annan teknik har pacemakertekniken tagit till sig den moderna elektroniken: Figur 31 En modern pacemaker Väger g Går 5-10 år Har litium jod batteri Är hermetiskt kapslad i titan Är programerbar Har telemetri Har en eller flera sensorer Innehåller ca transistorfunktioner Figur 32 Modern pacemaker Pacesetter Microny

20 Elektronik Elektronikens uppgifter är att: Avge stimulationspulser Känna spontan hjärtaktivitet Mäta kvaravarande batterikapacitet Skydda systemet mot störningar Programmering Telemetri Samla in diagnostik och driftsstatistik Felövervakning Elektroniken byggs i lågvolt CMOS-teknik med 0,25 mm linjebredd (1999). Miniatyrisering, strömförbrukning och tillförlitlighet är viktiga aspekter. Ofta används ett enda chip, ASIC, med ca transistorer för både analoga och digitala funktioner. Logikfuntionerna löses ibland med en inbäddad mikroprocessor. En del företag delar upp funktionaliteten 2 chip med ett för de analoga funktionerna. Ett problem i de här sammanhangen är de relativt låga volymerna. En konstruktion kanske inte görs i fler än exemplar. Logiken klockas från en kristalloscillator med vanligtvis 32 khz. Vid konstruktionen är det viktigt att hålle nere antalet diskreta komponenter. Därför görs ofta de analoga funktionerna i sk switched capacitor teknik vars förstärkar- och filteregenskaper bestäms av klockfrekvens och kvoter mellan kondensatorer. Chipparna monteras tillsammans med de diskreta komponenterna, framförallt tantalkondensatorer och kristall, på ett hybridsubstrat, se bilden. Det hela fästs med en plastram i den hermetiska kapseln. Innan kapseln förseglas med lasersvetsning måste all fukt drivas ut ur plastkomponenterna med urbakning vid förhöjd temperatur. Sensor Kristall Kondensator Spole för telemetri Genomföring Batteri Figur 33 Pacemaker elektronik. Chipparna sitter på baksidan av substratet. 20

21 Figur 34 Figur 35 21

22 Figur 36 Födeschema för DDD pacemaker. Figur 37 Enkelt utgångssteg. Elektroden skyddas mot korrosion genom att den hålls galvaniskt isolerad med en kondensator. Pulstiden är typiskt 0,3 ms (se retningskurvan). Spänningen 1-5 volt. 22

23 1.11 Historik Figur 38 Luigi Galvani ( ) gjorde försök med elektrofysiologi på grodlår. 23

24 Figur 39 Zoll's pacemaker från 1958 Figur 40 Elmqvists pacemaker från 1958 Figur 41 24

25 Figur 42 25

26 1.12 Marknad Figur 43 Figur 44 26

27 27