Pacemakerteknik - ett kompendium Håkan Elmqvist April 2000 Detta är ett mycket kortfattat föreläsningskompendium avseende hjärtats elektrofysiologi och pacemekerteknik. 1.1 Hjärtats basala elektrofysiologi Figur 1 Hjärtats anatomi 1
Figur 2 Figur 3 Intracellulär potentialmätning I vila är muskelcellen polariserad cellens innanmäte har en potential om mv relativt den extracellulära omgivningen. 2
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
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
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
Figur 10 Spridning av aktionspotential genom elektrisk överledning från cell till cell. Figur 11 Uppkomst av extracellulära strömmar (jfr EKG). 6
Figur 12 Pacemakerceller med olika rytmicitet. Den snabbaste "vinner och bestämmer frekvensen. Det är framförallt sinus och AV-knutorna som innehåller pacemakerceller. Figur 13 Hjärtats retledningssystem. 7
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. 8
Figur 15 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. 9
1.1.1. Bradykardier Bradykardier uppstår pga störningar i hjärtats retledningssystem. Figur 16 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. 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. 1.1.2. 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. 10
Figur 17 Exempel på reentry ges av extra ledningsbanor mellan förmak och kammare. Figur 18 11
Figur 19 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
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. 1.4 Pacemakertypologi En pacemakers typ anges med en treställig bokstavskod enligt: Stimulerad kammare (A, V, D) 13
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 20 VVI pacemakerns princip 14
Figur 21 DDD pacemakerns princip 15
Figur 22 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 endat har temporära ledningshinder. 1.6 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. 16
Figur 23 Figur 24 17
1.7 Pacemakerindikationer AV-block Sjuk sinusknuta Förmaksflimmer VVI, VAT, DDD VVI, DDD VVI 1.8 Vanliga problem vid pacemakerbhandling Figur 25 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
1.9 Pacemakerteknik Den första pacemakern hade bara två transistorer. Som all annan teknik har pacemakertekniken tagit till sig den moderna elektroniken: Figur 26 En modern pacemaker Väger 15-30 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 200 000 transistorfunktioner 19
1.1.3. Elektronik Elektronikens uppgifter är att: Figur 27 Modern pacemaker Pacesetter Microny 1999 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 200 000 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 10 000 100 000 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. 20
Sensor Genomföring Kristall Kondensator Spole för telemetri Batteri Figur 28 Pacemaker elektronik. Chipparna sitter på baksidan av substratet. Figur 29 21
Figur 30 Figur 31 Födeschema för DDD pacemaker. 22
Figur 32 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. 1.10 Historik Galvani 1, Morgagni 2, Adams, Stokes 3 (AV-block), Purkinje(retledningssystemet ) 4, His (AVnoden), Einthoven (Ekg) 5 1 Luigi Galvani Physician, b. at Bologna, 9 September, 1737; d. there, 4 December, 1798. He is famous more especially on account of his experiments concerning "the electrical forces in muscular movements", leading up to his theory of animal electricity. This began with the accidental observation, in 1780, of the twitching of the legs of a dissected frog when the bared crural nerve was touched with the steel scalpel, while sparks were passing from an electric machine nearby. 2 Giovanni Batista Morgagni, Padua (1682-1771). He studied the pulse, and especially palpitation of the heart apart from organic cardiac affection, thus anticipating most of our modern teaching. 3 Adams, Robert b. c. 1791, Ireland d. Jan. 13, 1875, Dublin clinician noted for his contributions to the knowledge of heart disease and gout. In 1827 he described a condition characterized by a very slow pulse and by transient giddiness or convulsive seizures, now known as the Adams-Stokes disease or syndrome. Stokes, William b. Oct. 1, 1804, Dublin d. Jan. 10, 1878, Stokes also gave his name to a type of breathing characteristic of advanced myocardial degeneration, called Cheyne-Stokes respiration (Cheyne, a Scottish physician practicing in Dublin, had published observations on rhythmic respiration), and to a combination of slow pulse and cerebral attacks known as the Stokes-Adams syndrome (described earlier by Robert Adams, a regius professor of surgery at the University of Dublin). 4 Purkinje, Jan Evangelista (German), Czech Jan Evangelista Purkynë (b. Dec. 17, 1787, Libochovice, Bohemia [now in Czech Republic]--d. July 28, 1869, Prague), pioneer Czech experimental physiologist whose investigations in the fields of histology, embryology, and pharmacology helped create a modern understanding of the eye and vision, brain and heart function, mammalian reproduction, and the composition of cells. Considered the founder of laboratory training in connection with university teaching in Germany, Purkinje is best known for his discovery of large nerve cells with many branching extensions found in the cortex of the cerebellum of the brain (Purkinje cells; 1837) and of the fibrous tissue that conducts the pacemaker stimulus along the inside walls of the ventricles to all parts of the heart (Purkinje fibres; 1839). 23
Reentry takykardi 1.11 Pacemaker 1.1.4. Principiell uppbyggnad 1.1.5. Olika pacemakertyper 1.1.6. Tachykardipacemaker och implanterbar defibrillator 1.1.7. Pacemakerteknik Elektronik Digital Analog Oscillator Systemering Pacemakerpulsen, utgångssteg Strömkälla Kapsling Pacemakerelektroder Speciella problem för implanterbara defibrillatorer Olösta problem 1.1.8. Problem som kan uppstå vid pacemakerbehandling Störningar Exit block Muskelryckningar 1.1.9. Pacemakermarknaden Pacemakerns 5 Willem Einthoven was born on May 21, 1860, in Semarang on the island of Java, in the former Dutch East Indies (now Indonesia). He began the task of registering accurately the heart sounds, using a capillary electrometer. With this in view, he investigated the theoretical principles of this instrument, and devised methods of obtaining the necessary stability, and of correcting mathematically the errors in the photographically registered results due to the inertia of the instrument. Having found these methods he decided to carry out a thorough analysis of A. D. Waller's electrocardiogram - a study which has remained classic in its field To avoid complex mathematical corrections, he finally devised the string galvanometer. As a result of this, a galvanometer was produced which could be used in medical science as well as in technology; an instrument which was incomparable in its adaptability and speed of adjustment. The electrocardiogram itself he studied in all its aspects with numerous pupils and with visiting scientists. It was this last research which earned him the Nobel Prize in Physiology or Medicine for 1924. 24
25