1.Pacemakerelektroder 2.Sensorer

Föreläsning om 1.Pacemakerelektroder 2.Sensorer Nils Holmström, Tekn. Dr. St. Jude Medical AB Järfälla, 2002-05-21 1

Innehållsförteckning 1. Pacemakerelektroder... 3 1.1. Indikationer för pacemakerterapi... 3 1.1.1. Nomenklatur... 3 1.1.2. Endast en elektrod i ventrikeln (VVI m.fl.)... 4 1.1.3. Endast en elektrod i atriet (AAI m.fl.)... 4 1.1.4. En elektrod i atriet och en i ventrikeln (DDD m.fl.)... 4 1.1.5. Elektrod i sinus coronaris... 4 1.2. Elektrodimplantation... 4 1.3. Beskrivning av elektroden (pacemaker lead)... 5 1.3.1. Funktion:... 5 1.3.2. Beståndsdelar:... 5 1.3.3. Egenskaper:... 5 1.3.4. Biokompatibla material för elektroder... 7 1.3.5. Stimulationselektroder... 7 1.3.6. Isolationsmaterial... 7 1.3.7. Andra detaljer... 7 1.4. Flexibel... 7 1.5. Mekanisk hållfasthet... 7 1.6. Låg stimulationströskel... 7 1.7. Goda detektionsegenskaper... 8 1.8. Fästanordningar... 5 1.9. Uni- och bipolära system... 5 1.10. Elektrisk modell för stimelektrod... 9 2. Sensorer för "Rate Adaptive" pacing... 11 2.1. Fysiologisk respons vid arbete... 11 2.2. Rörelsegivare... 11 2.2.1. Piezogivare... 11 2.2.2. Accelerometer... 11 2.2.3. Spetsaccelerometer... 11 2.2.4. Magnetisk kula... 12 2.3. AC-Impedansmätning... 12 2.3.1. Minutvolym (andning)... 12 2.3.2. Hjärtparametrar... 12 2.4. Q-T intervall... 12 2.5. Central venös blodtemperatur... 13 2.6. Venös syrekoncentration... 13 2.6.1. Central venös syremättnad... 13 2.6.2. Centralt venöst syrgastryck... 13 3. Referenser:... 15 2

1. Pacemakerelektroder Figure 1. Hjärtats hålrum och retledningssystem 1.1. Indikationer för pacemakerterapi Patient med för låg hjärtfrekvens (bradykardi) kan behandlas framgångsrikt med pacemaker. Rytmstörningen beror vanligen på en defekt i retledningssystemet, dvs konduktiviteten är nedsatt eller blockerad (block). Idag kan även patienter med för hög hjärtfrekvens behandlas med en rad olika stimuleringsterapier (t.ex. atriellt flimmer) men i värsta fall måste en implantabel defibrillator användas. Vissa former av hjärtsvikt kan behandlas med pacemaker. Exempelvis har patienter med skänkelblock nytta av elektroder både i vänster - och högerkammar för resynkronisering av hjärtarbetet. 1.1.1. Nomenklatur 1. S-A Block 1 2 3 4 5 2. A-V Block 3. HIS Block 4. Höger skänkelblock 5. Vänster skänkelblock A-V Block I: Fördröjd överledningstid A-V Block II: Intermittent överledning 3

A-V Block III: Ingen överledning 1.1.2. Endast en elektrod i ventrikeln (VVI m.fl.) Klarar följande paceindikationer men har fysiologiska begränsningar. Förmaksfladder/flimmer och AV-block Förmaksparalys 1.1.3. Endast en elektrod i atriet (AAI m.fl.) Är tillämplig om det finns överledning från atrium till ventriklarna. Sinusarrest S-A-block Sinusbradykardi 1.1.4. En elektrod i atriet och en i ventrikeln (DDD m.fl.) Syftet med tvåkammarpacing är att efterlikna den naturlig a signalspridningen inklusive fördröjningen mellan förmak och höger kammare. Samma som för AAI i kombination med AV-block II och III AV-block med normal sinusfunktion 1.1.5. Elektrod i sinus coronaris. Patienter med grenblock (BBB) får med tiden ofta hjärtsvikt. Detta syndrom kan lindras genom att implantera en biventrikulär pacemaker som stimulerar även den vänstra kammaren genom en elektrod i en koronarven. LV lead Hjärtats ventrikulära venträd. 1.2. Elektrodimplantation Vena Jugularis interna / externa / Si. / Dx. Vena Subclavia 4

Vena Cephalica Epikardiell elektrod implanteras vanligen vid thoracotomi (öppen thorax). Elektrodkabel för implantabel defibrillator implanteras transvenöst med högspänningselektroderna i vena cava och höger kammare. Kapseln brukar användas som tredje elektrod ( hot can ). 1.3. Beskrivning av elektroden (pacemaker lead) 1.3.1. Funktion: Överför elektrisk energi från pacemakern till myokardiet, stimulation. Överför intrakardiella EKG-signaler från myokardiet till pacemakern, detektion. Härbärgerar ev. intravaskulära sensorer. 1.3.2. Beståndsdelar: Anslutning Elektrodkabel Stimulationselektrod(er) Styrtråd för implantation (temporär) 1.3.3. Fästanordningar Epikardiellt (utanpå hjärtat) sys eller skruvas elektroden på hjärtat. Endokardiellt (inuti hjärtat): Passiv fixering (tines, fins etc.) Aktiv fixering (skruv) Förböjd passiv elektrod för fixering i förmaksörat. 1.3.4. Uni- och bipolära system I unipolära system används pacemakerkapseln som motelektrod både vid stimulering och sensing. Denna typ av elektrod har: Bättre hållfasthet än bipolära p.g.a. enklare mekanisk uppbyggnad 5

Mindre diameter Mer flexibel Enkel anslutning Den bipolära elektroden har två koaxiella spiralledare och den cylindriska motelektroden 1-2 centimeter proximalt från spetsen. Mindre störningskänslig detektion, speciellt bra i atriet. Liten risk för stimulering av musculus pektoralis eller frenikusnerven. 1.3.5. Defibrilleringselektrod Anslutningar VC Elektrod RV Elektrod Pace-elektroder (Bipolär) Ring Tip 1.4. Egenskaper Biokompatibel Flexibel Hållbar Låg stimulationströskel Goda detektionsegenskaper Steroid eluting (utsöndrar ämne som minskar fibrös tillväxt) 6

1.4.1. Biokompatibla material för elektroder 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. 1.4.2. Stimulationselektroder Porös titannitrid på titan eller platina Porös platina (Platinum Black) Iridiumoxid Aktiverat poröst kol Platina-Iridium Elgiloy (legering av kobolt, krom, nickel, järn, molybden, mangan mm.) Sputtrat kol Silikongummi Polyuretan Epoxi 1.4.3. Isolationsmaterial 1.4.4. Andra detaljer MP35 spiral (kobolt, krom och nickel) Silverkärna i spiral Rostfritt stål (stödrör etc.) Titan 1.4.5. Flexibel Implanteras intrakardiellt via starkt böjda vener. Får ej utgöra mekanisk belastning mot endokardiet. Överflödig kabel lindas i pacefickan. 1.4.6. Mekanisk hållfasthet Livsuppehållande funktion, får ej haverera! 70 hjärtslag/min ger 368 miljoner böjningar / 10 år Korrosiv miljö 1.5. Låg stimulationströskel För att minska strömförbrukningen i stim vill man ha en låg och stabil stimulationströskel, dvs. den minsta spänning (eller pulsbredd) som krävs för precis trigga igång en hjärtkontraktion. Stimulationströskel som funktion av pulsbredd kallas Strength duration kurva. I ekvation (I) visas ett exempel på hur strömförbrukningen för en bestämd pulskonfigurering kan beräknas i ett pacemakerslutsteg. V stim t p i stim t CV p stim RC = 1 e (I) T 7

C = utgångskapacitans, V stim = utspänning, T = basintervall, t p = pulsbredd, R = elektrodresistans. W puls V stim i stim Strength Duration kurva Stimulationströskel vs pulsbredd i stim W puls V stim 0.5 Pulsbredd t p Det har visat sig att pulsens energiminimum ligger vid ca. 0.3 ms pulsbredd medan strömförbrukningen är minst vid minsta möjliga multipel av batterispänningen (2.8 V, 5.6 V etc. ). Direkt efter elektrodimplantationen är tröskeln lägst (ca. 0.4 V vid 0.5 ms) varefter den stiger till ett maximum efter 1-2 veckor beroende på den inflammatoriska reaktionen som den främmande kroppen orsakar. Efter någon månad har tröskeln gått ner igen och stabiliserats. (V) 2 Stimulationströskel vid 0.5 ms pulsbredd 1 0 Veckor 1 2 3 4 5 Sedan något år tillbaka finns en pacemaker som automatiskt letar efter denna tröskel och lägger sig strax ovanför denna (Autocapture). På så sätt behöver inte läkaren programmera någon säkerhetsmarginal i amplitud och strömförbrukningen blir avsevärt lägre. 1.6. Goda detektionsegenskaper Mellan stimpulserna avlyssnar pacemakern hjärtaktiviteten via elektroden. Slår hjärtat själv, skall avfyrande av stimpuls inhiberas. Efter en stimpuls kan man avlyssna om denna tog (capture) eller om amplituden var för liten. Amplituden på hjärtsignalerna är ca. 0.5-3 mv i atriet och 3-15 mv i ventrikeln. Eftersom signalerna är små är det viktigt med god störundertryckning. 8

Cellpotential -90 mv 0 10 mv IEGM Yt-EKG 1.7. Elektrisk modell för stimelektrod Mellan stimulationspulserna uppladdas C1 till önskad amplitud samtidigt som hjältats elektriska signaler (QRS, ER) avlyssnas av detektorn (Det). Under stimpuls urladdas C1 via C2 och RL genom kroppen. Kapsel R F C DL u2 U + C1 R + Det u + R T QRS, ER Stim C2 R L R F C DL Elektrod U = Stimulationsspänning C1 = Reservoarkondensator ( 10 µf) C2 = Kopplingskondensator (AC-kopplat) ( 10 µf) C DL = Dubbelskiktskapacitans R F = Faraday resistans R L = Ledarresistans (5-50 ohm) R T = Vävnad och elektrolyt resistans (300-800 ohm) (R T = K/r) R = Pysmotstånd (ca 100 kohm) u1 Vid stimpuls uppladdas kopplingskondensatorn och dubbelskiktskapacitanserna vid kapsel och stimulationselektrod. Den sammanlagda slutspänningen brukar kallas polarisation. För att kunna detektera evoked respons (ER) nära efter en stimpuls vill man minimera polarisationen (för autocapture). 9

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

2. Sensorer för "Rate Adaptive" pacing Patienter med patologiskt nedsatt ventrikelfrekvens kan inte upprätthålla tillräckligt blodtryck och blodgenomströmning i blodomloppet. Genom att stimulera hjärtat med en pacemaker kan man höja frekvensen till en nivå som förbättrar livskvaliteten avsevärt. Emellertid vill man kunna variera stimulationsfrekvensen med belastningen i likhet med kroppens eget reglersystem. För detta behövs sensorer som avspeglar det metaboliska behovet av cardiac output (CO). 2.1. Fysiologisk respons vid arbete 1. Ökad arterio-venös syrgasdifferens. Mätparametrar: po 2 eller SaO 2 (saturation) 2. Anaerobisk metabolism kan inträffa 3. Venöst ph minskar 4. Vänster och höger centralt blodtryck ökar 5. Myokardiets kontraktilitet ökar 6. Slagvolymen ökar 7. Blodtemperaturen ökar 8. Pre-ejection intervall förändras (tiden mellan stimpuls och kontraktion) 9. Elektrofysiologiska förändringar i hjärtmuskeln (EKG-morfologi) 2.2. Rörelsegivare En rörelsegivare i kapseln åters peglar inte alltid det metaboliska behovet av frekvensökning, men är idag den vanligast förekommande sensortypen för pacemaker. Eftersom sensorn inte mäter belastning utan stötvågor mm. erhålls felaktigt en högre frekvens då man går nedför trappor än uppför. Även vid cykling och simning kan frekvensen korrelera dåligt med belastningen, men i stort sett fungerar rörelsesensorer bra. 2.2.1. Piezogivare Den första aktivitetssensorn kom 1985 och limmades på insidan av pacemakerns titankapsel. När patienten rörde på sig tryckte vävnaden mot kapseln så att plåten böjde sig en smula och piezokristallen genererade en elektrisk signal. Med lämplig filtrering och signalbehandling kunde piezosignalerna användas till att beräkna vilken frekvensökning patienten var i behov av. En nackdel med sensorn är att den reagerar på tryck, t.ex. då man ligger på mage och sover. 2.2.2. Accelerometer Det finns idag små accelerometrar som är lämpliga som rörelsesensor. Eftersom sensorn monteras direkt på kretskortet inuti pacekapseln blir den trycko känslig. Det intressanta frekvensområdet för att detektera gång ligger i området 0.5-5 Hz medan själva accelerometern ofta kan uppfatta flera khz. Högfrekventa signaler filtreras bort. Man kan räkna antalet toppar eller integrera signalen för att få mått et för belastningen. 2.2.3. Spetsaccelerometer Ett italienskt företag har nyligen lanserat en pacemakerelektrod med inbyggd accelerometer i spetsen. Den anbringas med aktiv fixering till myokardiet där hjärtväggens rörelser 11

(kontraktiliteten) kan uppmätas. Parametern är intressant för övervakning av hjärtats tillstånd, t.ex. så kan ischemi upptäckas vid för högt driven stimulationsfrekvens. 2 mm 2.2.4. Magnetisk kula 1.5 mm En tredimensionell rörelsegivare erhålls då man placerar en magnetisk kula inuti en spole. Kulans rörelser inducerar elektriska strömmar i spolen vilka blir beroende av belastningen. För att minska känsligheten för externa magnetfält är kulan quadropolisk. 3 mm 2.3. AC-Impedansmätning Elektrodsystemets impedans är relativt konstant, men man kan ändå detektera små överlagrade variationer som beror på hjärtats blodfyllnad och konduktivitetsförändringar i thorax p.g.a. andningen. Genom avancerad signalbehandling kan ett flertal parametrar erhållas utan någon extra sensor. Impedansmätnin g kan t.ex. gå till så att man tillför en 4 khz strömsignal på stimelektroden och registrerar den uppkomna spänningen. Man kan mäta impedans uni- och bipolärt både kontinuerligt och pulsat. 2.3.1. Minutvolym (andning) Vid ökat arbete kräver metabolismen en förhöjd lungventilation. Om man kan mäta minutvolymen luft som passerar lungorna indirekt via impedansen över thorax är denna parameter en god indikator på arbete. 2.3.2. Hjärtparametrar Hjärtats slagvolym påverkas av belastningen. Kontraktionstiden blir kortare samtid igt som slagvolymen blir större. AC-impedans variationerna beror mest av förändringar närmast elektrodspetsen vilken ligger i hjärtat. Följande fysiologiska parametrar sägs gå att utläsa ur AC-impedans variationerna. Pre-ejection intervall Relativ slagvolym Kontraktilitet 2.4. Q-T intervall Tiden mellan QRS och T-våg blir kortare under belastning. Denna parameter är enkel att mäta elektriskt och används av flera tillverkare, men duger inte ensam som underlag för frekvensbestämning. 12

R T Q S Q-T intervall 2.5. Central venös blodtemperatur Temperaturen i höger förmak avkänns med en termistor som indikator för arbete. Metoden är långsam, okänslig vid lägre belastning och kräver en specialelektrod. 2.6. Venös syrekoncentration Den största delen av blodets syre transporteras i bunden form (SaO 2 ) av hemoglobinet i de röda blodkropparna. Övrigt syre är löst i blodplasmat (syrgastryck po 2 ). Det råder emellertid ett väl definierat samband mellan det bundna och det i lösta syret. Att enbart använda central venös syrekoncentration för kontroll av stimulationsfrekvensen kan vara vanskligt för patienter med koronarkärls förträngningar. Vid attacker av ischemi (Angina Pectoris) minskar cardiac output med ökande stimulationsfrekvens även vid mycket små frekvensökningar över bas frekvensen. Detta har som följd att syrgashalten sjunker då frekvensen dras upp och systemet kommer ur jämvikt (positiv återkoppling). Eftersom patienten inte kan häva förloppet genom vila är detta en allvarlig situation som bör förhindras. 2.6.1. Central venös syremättnad Att mäta syremättnad på optisk väg genom att utnyttja en varierande reflexionskonstant har prövats vid ett flertal tillfällen. Mätprincipen fungerar även om det ännu finns en rad praktiska problem att lösa. Två koncept har testats på människa. 1. Det första utnyttjar enbart en färg, rött synligt ljus, vilket har den största variationen i reflexionstal mellan hög och låg syremättnad. Vid låg syremättnad minskar reflexionen. 2. Det andra konceptet har förutom rött ljus även en infraröd (850 nm) lysdiod. Vid den våglängden (Isobestiska punkten) påverkas reflexionen inte alls av syremättnaden och svaret kan därför användas som oberoende referensvärde. Eftersom en mycket komplicerad specialelektrod med fönster och inbyggd elektronik krävs för de optiska syresensorerna har det inte gått att få upp tillförlitligheten till en acceptabel nivå. Dessutom kan det bli problem med vävnadsöverväxning, vilket kan göra sensorn blind. 2.6.2. Centralt venöst syrgastryck En annan metod att mäta kroppens syreförbrukning är att titta på det venösa syrgastrycket po 2. Mellan vila och hårt arbete kan po 2 variera från 40 till 14 mmhg. I motsats till syremättnaden rådet ett linjärt samband mellan arbetsbelastning och po 2. En elektrokemisk mätmetod bygger på att reducera syrgasmolekyle rna vid en lämplig elektrodyta så att elektriskt ledande joner uppstår. Under ca. -0.5 V rel. Ag/AgCl kan följande reaktion inträffa 2 H 2 O + O 2 + 4e- => 4 OH- 13

För att reaktionen skall kunna fortgå diffunderar syrgas mot elektrodytan. Diffusionshastigheten begränsar den elektriska strömmen genom elektroden. Den tekniska lösning som f.n. prövas pre-kliniskt genererar ett potentialsteg på -0.8 V under 10 ms synkront med stimulationspuls eller QRS. Den uppkomna strömmen (ipo 2 ) mäts som ett mått på syrgastryc ket. Med en ombyggd standardelektrod som har en cylindrisk guldelektrod i atriet kan det centrala syrgastrycket mätas. Referenselektrod och motelektrod sitter på pacemakerkapseln (se figur). e(t) vs. RE [V] -0.3-0.6-0.9 E o φ E o -5 0 5 10 15 20 25 30 35 Time [ms] i(t) [µa] 100 0-100 -200-5 0 5 10 15 20 25 30 35 Time [ms] Mätpuls och and uppkommen ström. Referens P66 Motelektrod Sensor Stim PO 2 styrd forskningspacemaker. Denna sensor är användbar både för att reglera hjärtfrekvensen och för att optimera hjärtats timing (frekvens,av tid och VV tid). 14

Stimulated Rate (A) 150 125 100 Comparison of Heart Rates for an AV-ablated, po2-controlled Dog (A) with a Healthy Dog (B) during equal exercise 75 50 A B 0 5 10 15 20 25 30 Mätresultat från försudie. 3. Referenser: R=0.83 Minutes 1. Bertil Jacobson: Medicin och teknik. Studentlitteratur 1995. Sid 220-227 2. Seymour Furman et.al. A Practice of Cardiac Pacing. Futura 1993. Chapter 1-2 3. Eckhard Alt et.al. Rate Adaptive Cardiac Pacing. Springer 1993. 4. Anders Lindgren et.al. Pacemakern och hjärtat. Siemens-Elema AB 1992. Bilder: Många bilder härrör från undervisningsmaterial gjort av Göran Mathson, St. Jude Medical AB, Järfälla. 300 250 200 150 100 Heart Rate (B) 15