Implantat och biomaterial Kjell - Elektronik Veddesta forskning Andreas - Elektronik - Projektledare Anders - Tekn. Fysik Karin - Tekn.lic. - Elektronik - Projektledare Michael - MD - Medicinsk expert Presentation av forskningsavdelningen Pacemakerelektroder Sensorer för implantat Karin - Mekanik - Forsk.chef Tom - Tekn. Dr. - Kemi - Gruppchef Sven-Erik - Elektronik Anna-Karin - Mekanik -Gruppchef Mika - Gymn.ing. - Tekniker Kenth, 1d/v - Tekn. expert Torsdagen den 15:e februari, 2007 kl. 11-13 Nils Holmström Forskning, St. Jude Medical AB Nils - Tekn.Dr. - Med. tekn. - Projektledare Malin - Elektronik - Projektledare Forskarens ansvar Product development Planera och genomföra Forskningsprojekt, inom Tachy, Brady, Förmaksflimmer, Hjärtsvikt och Nya indikationer Bidra till Marknadsföringen av SJM s Vetenskapliga Image, genom Publikationer och Presentationer Forskning Teknologi Utveckling Produkt Utveckling Tillverkning Marknadsföring Försäljning Bidra till SJMs patentportfölj genom att göra Uppfinningar och bistå vid Patentansökningar Ett forskningsprojekt Idé/behov (Ny Funktion / Ny terapi / Ny Detalj / Nytt Material ) Litteraturstudie Förstudie (på lab-bänk eller djurförsök) -Plan/protokoll, utrustning/prototyp, utför försök, analys, rapport Klinisk Studie (human) -Plan/protokoll, utrustning/prototyp, ansökan, försök, analys, rapport, vetenskaplig artikel Samarbetspartners - Sekretessavtal/Samarbetsavtal, Anslag, Följa upp, Patent Patent -Uppfinningsanmälan/Patentansökan, Brainstorming, Patenthinder Slut-design (algoritm/funktion/detalj/material), Implementerbarhet Överlämning (Specifikation, White paper ) Nuvarande uppgifter, forskninggruppen i Sverige: Utvecklar nya sensorer, terapier och diagnostik för implanterbara pacemakers, defibrillatorer och monitorer. - Signalbehandling - Konceptverifiering - Algoritmutveckling 1
Retledningssystemet Olika typer av block EKG 1 2 3 4 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 Förmaksparalys 1 Tvåkammarpacemakern (DDD) 2 3 Klarar alla retledningsfel utom grenblock Resynkronisering (3 elektroder) Defibrilleringselektroder (mot arrytmier) 4 5 INDIKATIONER Hjärtsvikt (CHF) Vänster grenblock (5) Höger grenblock (4)! Levererar elektrisk chock vid flimmer eller tackykardi Aktiv kapsel Ingår även tvåkammarpacing 2
Pacemakerelektroden Pacemaker- och defibrilleringselektroder Överför elektrisk energi från pulsgeneratorn till myokardiet, stimulation, impedansmätning. Överför intrakardiella EKG-signaler från myokardiet till pulsgeneratorn; IEGM, detektion. Kan härbärgera intravaskulära sensorer. Implantation av tvåkammarsystem i hjärtat Implantation av elektroder V. jugularis externa V. jugularis interna V. Subclavia V. Cephalica Beståndsdelar Elektrodens komponenter Anslutning (IS1-standard) Elektrodkabel Seal Connector boot Connector ring Proximal Coupling Suture Sleeve Ring Electrode Header Sleeve Header Helix Stimulationselektroder Connector pin Steroid Plug Styrtråd för implantation (temporär) Sleeve Spring Shaft Spacer Stopper Label Outer Tubing Outer Coil Inner Tubing Inner Coil Header Coupling 3
Elektrodfixering Aktiv Passiv Fins Unipolär (K) S-form - Retraherbar (bild) -Fast skruv Tines Bipolär (T) Polaritet Unipolär / Bipolär Bipolärt system Unipolärt system Unipolär elektrod Bättre hållfasthet p.g.a. enklare mekanisk uppbyggnad Mindre diameter Mer flexibel Enkel anslutning Bipolär elektrod Mindre störningskänslig detektion, speciellt bra i atriet Lägre farfield QRS sensing Liten risk för stimulering av pektoralismuskel eller frenikusnerv Elektrodens egenskaper Konstruktion av kabeln 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 (~ 0.5-1 V @ 0.4 ms) Goda detektionsegenskaper MP35 tråd (med silverkärna) Bipolär Parallella kadeler 4
Elektrodmaterial Fibrös vävnad 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 Steroid eluting tip (utsöndrar ämne som minskar fibrös vävnad) Steroid gör att det kroniska avståndet mellan elektrod och retbar vävnad minskar => lägre tröskel! Elektrodmaterial LV elektrod Isolationsmaterial Silikongummi Polyuretan Ny komposit av Si/PUR Epoxi Fast pass beläggning Andra detaljer MP35 spiral (kobolt, krom och nickel) Silverkärna i spiral Rostfritt stål (stödrör etc.) Titan St. Jude Medical Unipolär Bipolär Attain OTW Model 4193 Guidewire SJM QuickSite modell 1056T Implantation via Sinus Coronaris (CS) 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) Ofta svårt att hitta CS mynning (kan ta 0-4 h) navigera i coronarventrädet och placera spetsen bra. undvika phrenicusstimulering. 5
Defibrillation System 4 electrode lead sensing RV stimulation LV Defibrillation Hot Can < ca. 600 V Transvenous implantation Defibrilleringselektrod Epikardiell pacemakerelektrod Anslutningar (olika för hög spänning (DS1) och lågspänning (IS1)) Pace-elektroder (Bipolär) VC Elektrod Ring Tip RV Elektrod 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 R T U Ledar resistans R L Resistans och kapacitans vid spets R F, C DL Elektrisk modell för elektrod Pacemaker elektronik U + C1 Stim R + C2 Det u R L R F R F Kapsel / Ring C DL + C DL R T Elektrod u2 QRS, ER u1 6
Technology Improvements... Framtiden Tunnare elektroder (4-5 F = 1.3-1.7 mm) Kortare tip-ring avstånd (undertrycker fjärrfält) Nya epicardiella elektrodsystem Sensorer och elektronik i elektroden Fyrpolig kontakt (IS4-standard) Nya isolationsmaterial Bättre implantationsverktyg Nya elektrodplaceringar ELECTROPHYSIOLOGY PRODUCTS Response / Supreme Fixed Curve Diagnostic Catheters Response CV Livewire TC Ablation Catheters Livewire Steerable Diagnostic Catheters Swartz Guiding Introducers Sensorer Utmaningar: Långtidsstabil > 10 år Relevant signal Biokompatibel Några sensorer som vi arbetat/arbetar med Områden som vi studerat med sensorerna IEGM (Intrakardiellt Elektrogram) Rörelsegivare Accelerometer Kroppsposition Blodtryck Hjärtljud Elektrisk bioimpedans AC (Z, dz) Komplex, R+i elektrodimpedans Syrgastryck (p v O 2 ) Syrgasmättnad (S v O 2 ) Puls-oximetri (PPG) Blodflöde Temperatur ph Frekvenskontroll Hemodynamisk optimering Arrytmidetektering och differentiering Detektion av svikt, samt svikt-utveckling Övervakning/larm Ischemi Avstötning Respiration Lung- och vävnadsödem Hjärtklaffar 7
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 Vänster och höger centralt blodtryck ökar Myokardiets kontraktilitet ökar Slagvolymen ökar Blodtemperaturen ökar Pre-ejection period förkortas (tiden från QRS till slutet av isovolumetrisk kontraktion) Rörelsegivare Piezokristall Skakningssensor Accelerometer Spetsaccelerometer Position (statisk) Aktivitetssensor (Historia) Piezoelektrisk kristall på insidan av pacemakerdosan Accelerometer Batteri Elektronik Piezokristall g Piezobalk Accelerometer för kretskortsmontage (kommersiellt tillgängliga) MICRONY SR+ 3-D Rörelsegivare Magnetisk kula i spole Sensor 8
Andra aktivitets-sensorer Vävnadsimpedans Centralt venöst syrgastryck, p v O 2 (kpa) Venös syrgasmättnad, S v O 2 (%) Q-T intervall Blodtryck, dp/dt, CVP CV Temperatur etc. Q T Z Med impedans kan man bl.a. mäta... Elektrisk bio-impedans (EBI) 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 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 i(t) I U i(t) Mätkropp ~1987 Respiratory Minute Volume (MV) Can I ˆ = 1mA 14 μs Î 50 ms i(t) Cardiac Contraction with Impedance Unipolar RV impedance: Pacemaker can to lead tip i(t) Respiratory component of Z Controls heart stim rate un zn = Iˆ z i (t) u 1 RR MV = RR TV TV t (seconds) Can With permission from Biotronik Ref: Osswald et.al, PACE 2000; 23:[Pt. I]:1502 1508 Tip 9
Cardiac Contractility Tidig detektion av lungödem Relaxed + - RV Contractility Mäter DC impedansen över lungan Contracted Rate increase: High contractility High heart rate CASE i u Impedance measurement in our future devices Signal example i u Programmable pulse and sampling frequency (16,32,64 and 128 Hz). ~ 0.5 ma, 19 μs Three filter-chains: Z0 static component Zr respiration component Zc cardiac component Malin Öhlander Cardiac Z0 Impedance signal Zr Zc Zc - Cardiac performance monitoring Cardiogenic impedance Zc = impedance variations generated by heart movements Komplex elektrisk bioimpedans (EBI) EBI mäter impedansen med en tidsvariabel sinus-ström som skickas genom vävnaden. u i End systole, Z blood End diastole, Z blood I = I0 sinωt ω = 2π f Mätkropp V = V sin t 0 ( ω +ϕ) Zc Impedans: V Z I 10
Mera formler Bipolar LV-Z Z (RV ring - LV ring) C4 Biologisk vävnad: Z = R + 90 < ϕ < 0 < 0 j = reaktans ϕ = fasvinkel Anesthetized subject, 38 kg Im Resistans: Kapacitans: Induktans: Z = R j Z = ωc Z = jωl II III ωl 1/ωC I IV ϕ Z R Biologisk vävnad Re PVC Electrical Bioimpedance (EBI) Complex EBI of the Heart s Myocardium 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, 2000. 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. Transseptal Complex Impedance - Pre-clinical observations Bipolar screw-in leads in RV and LV apex Effect of anoxia (100% NO 2 for 2 min) Transseptal Impedance from right to left ventricle 2.0 0.5 440.0 410.0 Effect of 2 min Anoxia Transseptal 4 khz Bipolar Impedance C7 ECG II by t (sec) Real Impedance (ohm) by t (sec) Anoxia Canine 20 kg 4 khz excitation current, 10 μa sinus C7 Imaginary Impedance (ohm) by t (sec) Z -12.0 Septum -15.0 From: Alsér. Master Thesis, 2001. 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 t (sec) 11
2.0 0.5 356.0 348.0 Effect of 2 min Anoxia Transseptal 256 khz Bipolar Impedance C7 ECG II by t (sec) Real Impedance (ohm) by t (sec) The same canine but 256 khz excitation current Anoxia C7 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 Imaginary Impedance (ohm) by t (sec) -46.0-54.0 Endocardium 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 t (sec) Effect of Ischemia on Tissue Impedance Quadropolar 4 khz, Sheep #6, Nov 26, 2001 Effect of Ischemia on Tissue Impedance Quadropolar 128 khz, Sheep #6, Nov 26, 2001 100 Z(Re) (ohm) by t 42 Z(Re) (ohm) by t Ischemia 90-8 Z(Im) (ohm) by t Ischemia 36-60 Z(Im) (ohm) by t -9-65 IEGM-RV by t IEGM-RV by t 5 0 30 10 RV Pressure (mmhg) by t 7 1 20 5 RV Pressure (mmhg) by t 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 t (sec) 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 t (sec) Tissue Impedance Vectors at Ischemia Quadropolar, 100uA, Sheep #6 Impedance Vector at Ischemia Z(Re) (ohm) 0 20 40 60 80 100 0-10 -20 Phase angle 4 khz P Z(Im) (ohm) -30-40 -50 2 Cardiac Cycles -60 128 khz Normal Ischemic 12
Tryck-sensor-prototyper (SJM, MDT): Trycksensor HK VK Fördelar Extremt enkel design Okänslig för överväxt Indiffring Intrapericardium HKspets Sensorns mångsidighet Vad kan vi ha den till? Svikt-diagnostik Timing-optimering Evokes response Undvika onödiga chocker Klaff-monitorering. Implantable LAP sensor trans-septal approach Lead Sensor Module Distal Anchor O 2 Coil Antenna Proximal Anchor Measures LAP IEGM Core Temp Sensor Diaphragm 13
Elektrokemisk po 2 sensor/pacemaker Gold Working Electrode Silicon rubber 7.5 mm 2 R a 4 μm 1 mm + A Carbon anode 4e - C Protein layer Polar heart rate monitor H + + HCO 3- H 2 O+ CO 2 Na + Cl - HbO 2 O 2 2H 2 O H 3 O + + OH - 4OH - Reference Diffusion E Protein layer 4e - Gold cathode Comparative exercise test Comparative exercise test Stim Rate [bpm] (A) 150 125 100 75 50 A B R=0.83 0 5 10 15 20 25 Time 30[min] 300 275 250 225 200 175 150 125 100 Heart Rate [bpm] (B) Comparison of heart rates for an AV-ablated, po 2 controlled dog (A) with a healthy dog (B) during equal, simultaneous exercise. 14
Oxygen Saturation Measurement Arne Larsson - världens första pacemakerpatient SvO 2 700 nm LED SvO 2 805 nm LED SvO 2 670 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) 15