Föreläsning om implantabla sensorer

Föreläsning om implantabla sensorer Implantat och biomaterial 2003 Nils Holmström, Tekn. Dr. Forskning, St. Jude Medical AB

Koncernen Huvudkontor: St. Paul, Minnesota, USA Anställda: 5600 Tillverkning: 15 orter i världen Verksamhet: 80 länder över hela världen Försäljning: 120 länder Börsnoterat: New York Stock Exchange Omsättning: 14 miljarder SEK (2001) Vinst: 2,8 miljarder SEK (20%) (2001) Forskning&Utveckling: 1,6 miljarder SEK (12%) (2001)

Marknadsposition St. Jude Medical har det bredaste produktsortimentet för behandling av hjärtrytmstörningar, såsom kärltillslutande detaljer, diagnostiska/terapeutiska hjärt-katetrar, pacemakers och defibrillatorer. Vi är världsledande inom hjärtklaff-området och har en stor tillväxtpotential inom området för bypasskirurgi.

St. Jude Medical tillhandahåller följande tjänster Klinisk forskning på sjukhus Utbildning och träning för läkare Supporttjänster från implantation till patientuppföljning Patientutbildning

Historik SJM grundades i St. Paul, MN, USA 1976 (lyckosamma mekaniska hjärtklaffar => $$$) Har förvärvat Siemens Pacesetter 1994 Daig 1996 Biocor 1996 Ventritex 1996 Telectronics 1996 Angio-Seal 1999 Vascular Science 1999.

SIZE OF CLINICAL OPPORTUNITIES IN TARGETED AREAS Current Worldwide Device Interventions 870,000 patients Valve Disease Potential Worldwide Device Interventions 1,350,000 patients 250,000 250,000 550,000 70,000 Bradycardia VT/VF AF Heart Failure 550,000 140,000 200,000 200,000

Affärsområden CARDIAC RHYTHM MANAGEMENT (CRM) Pacemakers Implanterbara defibrillatorer Elektroder, Programmers Elektrofysiologiska katetrar CARDIOLOGY & VASCULAR ACCESS (CVA) Katetrar och introducers Kärltillslutande detaljer CARDIAC SURGERY (CS) Hjärtklaffar - mekaniska och biologiska Anastomosteknologi

CARDIAC RHTHYM MANAGEMENT CARDIAC ARDIAC RHYTHM HYTHM MANAGEMENT Scout DDDR

CARDIOLOGY

HEART VALVE DISEASE MANAGEMENT HEART VALVE DISEASE CLINICALLY PROVEN, COMPETITIVE PRODUCTS

SJM AB, Järfälla Sverige Forskning Teknikutveckling Produktutveckling Produktionsteknik Tillverkning Marknadsföring Försäljning Support. www.sjm.se www.sjm.com

Pacemaker- och defibrilleringselektroder

Hjärtats anatomi

Retledningssystemet EKG

Olika typer av block 1 2 4 3 5 1. SA-block 2. AV-block 3. His-block 4. Höger gren- eller skänkelblock (RBBB) 5. Vänster gren- eller skänkelblock (LBBB) A-V Block I: Fördröjd överledningstid A-V Block II: Intermittent överledning A-V Block III: Ingen överledning

Enkelkammarpacemakern (VVI) AF 3 INDIKATIONER Förmaksfladder/ flimmer OCH AVblock Förmaksparalys SVAGHET Orsakar asynkroni (Höger kammare slår före vänster)

Tvåkammarpacemakern (DDD) 1 2 3 Klarar alla retledningsfel (utom grenblock): AAI, VVI, DDD... Finns även för undertryckning av intermittent förmaksflimmer s.k. AF suppression

Resynkronisering (3 elektroder) 4 5 INDIKATIONER Hjärtsvikt (CHF) som medierats av Vänster grenblock Höger grenblock

Resynkronisering (2 elektroder) AF INDIKATIONER Kronisk AF AV block (ev. abladerat) Hjärtsvikt (CHF)

Implantation av elektroder

Lämpliga vener V. jugularis externa V. jugularis interna V. Subclavia V. Cephalica

Friläggning av ven

Implantation i hjärtat (DDD)

Implantation via Sinus Coronaris Get the lead tip to the lateral free wall of the LV Ofta svårt att hitta CS os Svårt navigera I coronarventrädet

Vänsterkammar System Aescula Alliance Standard leads OTW leads

CapSure Epi Steroid-Eluting, Epicardial Pacing Lead The world's first and only steroid-eluting, epicardial pacing lead. The platinized porous electrode increases surface area for optimal epicardial sensing. The small size of the electrode makes it ideal for pediatric bradycardia patients. CapSure Epi Model Options Unipolar or bipolar Active atrial or ventricular fixation Silicone rubber insulation Open thorax implantation

Defibrillation System 4 electrode lead sensing RV stimulation LV Defibrillation Hot Can < ca. 600 V Transvenous implantation

Pacemakerelektroden Överför elektrisk energi från pulsgeneratorn till myokardiet, stimulation. Överför intrakardiella EKG-signaler från myokardiet till pulsgeneratorn, detektion. Härbärgerar ev. intravaskulära sensorer.

Beståndsdelar Anslutning Elektrodkabel Stimulationselektrod Styrtråd för implantation (temporär)

Elektrod-nomenklatur Steroid Passiv fixering Fins Tines Unipolär (K) Bipolär (T) Steroid eluting (utsöndrar ämne som minskar fibrös vävnad) Bipolär Unipolär

Skruv-in-elektroder Aktiv fixering Används mest i förmaket Retraherbar skruv (bilden) Fast skruv Bipolär (bilden)

Polaritet Bipolärt system Unipolärt system

Unipolär (K) Bipolär (T)

Fördelar: Unipolär elektrod Bättre hållfasthet än bipolära p.g.a. enklare mekanisk uppbyggnad Mindre diameter Mer flexibel Enkel anslutning

Fördelar: Bipolär elektrod Mindre störningskänslig detektion, speciellt bra i atriet Lägre farfield QRS sensing Liten risk för stimulering av m. pektoralis eller frenikusnerven Krävs för Autocapture (idag) Elektrisk Bio-Impedans sensor

Defibrilleringselektrod Anslutningar (olika för hög spänning (DS1) och lågspänning (IS1)) VC Elektrod RV Elektrod Pace-elektroder (Bipolär) Ring Tip

Photon DR Dual Chamber ICD

Egenskaper Biokompatibel Flexibel (Inget mekaniskt tryck) Hållbar (500 milj böjningar mm.) Tunn Låg stimulationströskel (~ 0.5-1 V @ 0.4 ms) Goda detektionsegenskaper

Konstruktion av kabeln MP35 tråd (med silverkärna) Bipolär Parallella kadeler

Krav på material 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.

Material för elektroder Porös titannitrid på titan eller platina Porös platina (Platinum Black) Iridiumoxid Aktiverat poröst kol - Nanoporöst kol Platina-Iridium Elgiloy (=legering av kobolt, krom, nickel, järn, molybden, mangan mm.) Rutheniumoxid (RuO 2 ) (ev. i framtiden) Poröst guld (ev. i framtiden)...

Elektrodmaterial Isolationsmaterial Silikongummi Polyuretan Epoxi Fast pass beläggning Andra detaljer MP35 spiral (kobolt, krom och nickel) Silverkärna i spiral Rostfritt stål (stödrör etc.) Titan

Strength Duration Curves i stim W puls V stim t p V stim CVstim istim 1 e T t = p RC 0.5 ms Pulsbredd t p

Tröskelutveckling över tid Tröskel (energi) Output Tröskel Implantation 2 veckor 3 månader Tid

Världens minsta... AUTOCAPTURE

Tröskelutveckling över tid Tröskel (energi) AUTOCAPTURE Output Tröskel Implantation 2 veckor 3 månader Tid

Elektriska signaler Yt-EKG Cellpotential IEGM LV-Stim

Fibrös vävnad Steroid gör att det kroniska avståndet mellan elektrod och retbar vävnad minskar => lägre tröskel!

Elektrisk modell för elektrodsystemet Resistans och kapacitans vid kapsel R F, C DL U Ledar resistans R L Elektrolyt resistans R T Resistans och kapacitans vid spets R F, C DL

Elektrisk modell för elektrod 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

Stimulationspuls u U 0.5 ms 2.5 V ER 10 mv u1 U1 50 mv τ u2 U2 Polarisation = U1 + U2 1 mv τ

Technology Improvements...

"DOT Shot" Multiple Electrode Lead Tip 2.3 mm Diam. Surface Area: 7 x 0.3 mm 2

Far Field Noise reduction A signal to noise ratio improvement of at least 5,3 times 0.5 0 Bipolar Dot-signals; input signal and filtered signals 2 0-0.5 A2-A3-1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 0.5-2 A2-A4-4 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 Min input signal Affinity -0.5 0 0.2 0.4 0.6 0.8 2 0 Max input signal Affinity -1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.5 1 Unipolar signal 1 0 A2-1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 0.5 Dot-special 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8

Atrial signals, chronically implanted leads Dot 1 Dot 3 Dot 1 Dot 3 Sinus rhythm (P w a ve ) Atria l Fibrillation

ELECTROPHYSIOLOGY PRODUCTS Response / Supreme Fixed Curve Diagnostic Catheters Livewire TC Ablation Catheters Swartz Guiding Introducers Response CV Livewire Steerable Diagnostic Catheters

Sensorer

Fysiologisk respons vid arbete Ökad arterio-venös syrgasdifferens. Mätparametrar: pvo2 eller SVO2 (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 (EKGmorfologi)

Normal chronotropisk respons 150 Rate min -1 140 130 120 110 100 90 80 70 60 Time

Chronotropisk incompetens Rate min -1 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 Time

Chronotropisk incompetens Rate min -1 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 Time

Rörelsegivare Piezokristall Skakningssensor Accelerometer Spetsaccelerometer

Aktivitetssensor Piezoelektrisk kristall på insidan av pacemakerdosan Batteri Elektronik Piezokristall

Accelerometer F Piezobalk g Accelerometer för kretskortsmontage (kommersiellt tillgängliga)

MICRONY SR+ Sensor

3-D Rörelsegivare Magnetisk kula i spole

Mekanisk respons elektrod (prototyp) Piezo Spets accelerometer

Andra sensorer Centralt venöst po 2 (kpa) Venös syrgasmättnad (% SO 2 ) Q-T intervall Blodtryck, dp/dt, CVP CV Temperatur Impedans etc Q T

Elektrokemisk po 2 sensor

Gold Working Electrode Silicon rubber 7.5 mm 7.5 mm 2 R a 4 µm 1 mm

+ A Carbon anode 4e - C Protein layer H + + HCO 3 - H 2 O + CO 2 Na + Cl - 2H 2 O H 3 O + + OH - HbO 2 O 2 4OH - Reference Diffusion E Protein layer 4e - Gold cathode

Polar heart rate monitor

Comparative exercise test

Comparative exercise test Stim Rate [bpm] (A) 150 125 100 75 X X X X X X 50 X A B R=0.83 300 X X X 275 X X X 250 X 225 200 175 150 125 100 Heart Rate [bpm] (B) 0 5 10 15 20 25 Time 30[min] Comparison of heart rates for an AV-ablated, po 2 controlled dog (A) with a healthy dog (B) during equal, simultaneous exercise.

Tryck-sensor prototyp

Pressure sensor Impress compared to reference pressure sensor (Millar), RV Impress pressure sensor amplitude ~50 mmhg Millar pressure sensor amplitude ~125 mmhg

Intrakardiell trycksignal IEGM och högerkammartryck 5 VES 0 40 20 0 0 1 2 3 t

Impedans... Respiratorisk Minut Volym (MV) Mekanisk Evoked Respons Kontraktilitet Ejektionsfraktion Systolisk och diastolisk dysfunktion Regurgitation Resynkronisering etc.

~1987 META - Respiratory Minute Volume (MV) Can I ˆ = 1mA Î 14 µs 50 ms i(t) i(t) u(t) Respiratory component of Z Controls heart stim rate z n = u Iˆ n z i (t) u 1 RR MV = RR TV TV u(t) t (seconds)

Inos 2+ CLS - Measures Cardiac Contraction with Impedance Unipolar RV impedance: Pacemaker can to lead tip Can With permission from Biotronik Ref: Osswald et.al, PACE 2000; 23:[Pt. I]:1502 1508 Tip

Inos 2+ CLS - Cardiac Contractility Relaxed + - RV Contractility Contracted The impedance of blood is lower than muscle High contractility High heart rate From: Osswald et.al, PACE 2000; 23:[Pt. I]:1502 1508

Mechanical Markers for CHF Low Max LV dp/dt dt Reduced contractility Increased filling time Low Left Ventricular Ejection Fraction (LVEF) Most important to monitor Left Ventricle C: Low Max dp/dt at heart failure From: Berne & Levy, Physiology III Ed. p. 405

Experimental Impedance Monitors EBI-Box (Tallinn Technical University) lock-in complex EBI analyzer 1-256 khz, quasi-sinus wave 10 and 100 µa Outputs real and imaginary component of Z-vector AC Impedance Monitor (St Jude Medical) 4 khz, square wave 1, 3, 10 µa Outputs AC-impedance

Some Pre-clinical Observations

Bipolar LV-Z (RV ring - LV ring) C4 Anesthetized mongrel dog, 38 kg EBI, 100 µa u(t) PVC

Quadropolar LV-Impedance C5 Anesthetized mongrel dog, 38 kg EBI, 100 µa u(t) PVC QRS

Impedans vid ett VES... IEGM och LV impedans (Real, 4 khz) 5 0 50 45 0 1 2 3 t

Pre-Clinical Observations LV-impedance vs. LV and RV-Stimulation Canine Study Oct 10 2000 LVZ 530 Z RV-Stim LV-Stim 150 AC-Impedance (ohm) 510 490 470 Stim LVP 100 50 Blood Pressure (mmhg) u 450 RVP 0 i 0.0 0.2 0.4 0.6 t (sec) RV-Stim LV-Stim RA RV LV RA RV LV

Summary - Animal study Quadropolar LV-Z reflected volume changes of left ventricle Bipolar LV-Z signal showed mostly near-electrode variations LV-Z showed high variations due to subject, electrode position and respiration LV-Z at one single low frequency is sufficient for hemodynamic measurements

Human Study with LV-Z (Ongoing) Karolinska Hospital Acute measurement at implantation of biventricular systems AC-impedance 4 khz, 10 µa

Purpose of Study Investigate if LVZ can be used to optimize AV and VV timing in CHF patients Investigate if LVZ can be used as a CHF surrogate

Study Information Study Size 10, CHF Patients NYHA class II-IV LBBB Wide QRS LVEF < 40 Not AT or AF Not AV or His Ablated

Case Study: Patient 1 75 year female NYHA class III Chronic AF His ablated Unipolar LV and RV leads Bipolar LV-impedance LV-Z RV Z LV

AF, nodal rhythm (~ 40 bpm) R R R R 0 ms R R R L Expected filling R L R L Bipolar LV-Z reflects impedance variations locally near the electrodes

LV stimulation 70 bpm 144ms Feels fine!

RV stimulation 60 bpm V R V R 160 ms R L R L Chest pressure! Changed impedance morphology

Signal processing... Smoothed Instantaneous Frequency FINs Amplitude [BPM] 200 150 100 50 500 Bip RV-LV, No Stim, 30BPM Phase1.wdq 400 Intrinsic rate dz2 - Smoothed Instantaneous Bip RV-LV, Frequency LV Stim, FINs 70PPM Amplitude [BPM] 300 200 100 Phase7.wdq LV stim RV stim dz2 - Smoothed Instantaneous 500 Bip Frequency RV-LV, RV FINs Stim, 60PPM Amplitude [BPM] Phase10.wdq 400 300 200 100 0 dz2 - Smoothed Instantaneous Fr 0-100 0-100 -200 0 5 10 15-50 0 5 10 15 20 25 Time [s ] 30 Time [s ] 0 5 10 15 20 25 30 Time [s ]

Observations from Patient 1 Bipolar LV-Impedance: did not follow the blood filling of the ventricles! showed morphology change at unfavorable RV stimulation

Case Study: Patient 2 70 year male NYHA class III LBBB Dilated cardiomyopathy Quadropolar LV-Impedance LV-Z Can i u

Intrinsic rhythm (~ 60 bpm) P 250 ms 150 ms R R R L LV contraction LVZ

Observations Patient 2 Quadropolar LV-Impedance reflected the blood filling of the left ventricle

Electrical Bioimpedance 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 Ref: Ollmar. Making electronic biopsies Med. & Biol. Eng. Comput 1999. Vol 37, supp 2, p 116. Gersing et.al. Modelling based on tissue structure Innov. Tech. Biol. Med 1995. Vol 16, No. 6, p 671.

Electrical Bioimpedance (EBI) Complex impedance Z=R+jX 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, 2000.

Transseptal Complex Impedance - Pre-clinical observations Bipolar screw-in leads in RV and LV apex Effect of anoxia (100% NO 2 for 2 min) Z Septum From: Alsér. Master Thesis, 2001.

Transseptal Impedance from right to left ventricle 2.0 0.5 Effect of 2 min Anoxia Transseptal 4 khz Bipolar Impedance C7 ECG II by t (sec) Anoxia C7 u(t) 440.0 410.0-12.0 Real Impedance (ohm) by t (sec) Canine 20 kg 4 khz excitation current, 10 µa sinus Imaginary Impedance (ohm) by t (sec) -15.0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 t (sec)

Effect of 2 min Anoxia Transseptal 256 khz Bipolar Impedance C7 C7 ECG II by t (sec) 2.0 0.5 356.0 348.0-46.0 Real Impedance (ohm) by t (sec) The same canine but 256 khz excitation current Anoxia Imaginary Impedance (ohm) by t (sec) u(t) -54.0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 t (sec)

Endocardial Complex Impedance - Pre-clinical observations Ischemic response: LV stim,, 200 bpm Electrodes in right ventricle Chronic (6 months) electrode EBI: 4 and 128 Hz, 100 µa i(t) 1 2 4 3 u(t) Endocardium

Effect of Ischemia on Tissue Impedance Quadropolar 4 khz, Sheep #6, Nov 26, 2001 Z(Re) (ohm) by t 100 90-8 -9 5 0 30 10 Z(Im) (ohm) by t IEGM-RV by t RV Pressure (mmhg) by t Ischemia 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 t (sec)

Effect of Ischemia on Tissue Impedance Quadropolar 128 khz, Sheep #6, Nov 26, 2001 42 36-60 Z(Re) (ohm) by t Z(Im) (ohm) by t Ischemia -65 IEGM-RV by t 7 1 20 RV Pressure (mmhg) by t 5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 t (sec)

Impedance Vector at Ischemia 0 Tissue Impedance Vectors at Ischemia Quadropolar, 100uA, Sheep #6 Z(Re) (ohm) 0 20 40 60 80 100 Z(Im) (ohm) -10-20 -30-40 Phase angle 4 khz -50-60 128 khz 2 Cardiac Cycles Normal Ischemic

Summary - Multifrequency Complex Myocardial Impedance Clear change of morphology, phase and amplitude at stress (anoxia) and ischemia High variations between different subjects and electrode positions Further investigations required

CONCLUSION Electrical bioimpedance measured from pacemaker electrodes contains information about the contraction pattern of the heart This pattern can be used to diagnose heart failure, optimize therapy and give an early warning of serious events