1、人工心脏起搏器的基本概念阜外心血管病医院华 伟,心脏起搏的历史,1804 年Aldini (Italy) 电刺激死者停跳的心脏，引起跳动；1929 年Conld 电脉冲刺激心脏，可 使心脏随频率跳动；1932 年Hyman / Hyman Machine Artificial pacemaker, 7.2 Kg由于一次大战，未用于临床1950 年Zoll 将经胸壁起搏应用于临床,体外试验及应用阶段,Hyman Machine,永久植入型起搏试验及应用阶段1958 年全球第一例永久植入型心脏起搏器手术,心脏起搏的历史,1967 年 VVI/VVT按需型起搏器问世1972 年 VDD1977 年
2、DDD 标志着进入生理性起搏时代1980 年 第一台植入型心脏复律除颤器1982年 频率适应性技术应用于临床1997年 自动化技术应用于临床1998年 三腔技术应用于临床(CRT)2003年 起搏器全数字化技术开发成功,第一台植入人体的起搏器,1958年，瑞典，卡罗林卡医院，胸外科,第一位设计起搏器 的工程师,Rune Elmqvist(1906-1996),第一位做起搏器植入的医生,Ake Senning(1915-2000),第一位植入起搏器的患者,Arne Larsson(1915-2001),1958年10月8日，IIIAVB karolinska Stockholm，Sweden，V
3、OO1974年1月22日 VVI1989年1月20日 VVIR1996年11月7日 最后一个VVIR总计更换20台起搏器2001年12月28日 卒于与起搏器无关的恶性肿瘤,值得信赖的心脏起搏技术,1986年 Monaco Cardiostim 会议上三人共同受奖,值得我们尊敬和缅怀的先驱,第一节 起搏系统的组成与功能,正常的心脏传导系统,房室结传导冲动使心室收缩,窦房结发放脉冲使心房收缩;,窦房结不产生冲动窦房结产生间歇的，不规则的冲动窦房结频率适应失调房室传导阻滞.,异常心脏传导组织可能出现,心动过缓治疗方法,药物治疗起搏器,不适于长期治疗,不适宜药物治疗,人工心脏起搏系统的组成,脉冲发生器
4、,电极导线,阳极,阴极,起搏器，电极导线与人体组织结合形成一个完整的回路,起搏系统,脉冲发生器 电极导线,组成：电池、电路、外壳、连接装置、传感器、 微处理器功能：产生并发放电刺激,电路,电池,1、脉冲发生器,混合电路板正反面观,锂碘电池,2、 电极导线,功能分类固定方式,电极,2.1起搏电极导线的功能,导线,心脏,起搏,起搏,感知,感知,起搏器,植入方式心内导线或经静脉导线 (transvenous leads)心肌导线/心外膜导线 (epicardial leads),2.2 导线的类型,2.3 导线固定方式,被动固定 passive fixation叉齿 (tines)卡在心脏的肌小梁间
5、（纤维网 trabeculae）,主动固定 active fixation螺旋（或螺丝钉 screw-in）延伸到心内膜组织,2.3导线固定方式,心肌导线和心外膜导线可直接固定于心脏固定装置包括：刺入心外膜方式 (“stab-in” or fish hook)拧入心肌方式 (screw-in)缝合方式 (sutured),3.起搏系统分类,传导路径：起搏心腔:,单极系统，双极系统,单腔系统，双腔系统,从顶端电极（阴极）流动刺激心脏通过体液和组织返回到脉冲发生器（阳极）,单极起搏系统Unipolar Lead System,阴极,阳极,-,+,单极起搏系统有一根只有一个电极的导线位于心脏内，在这
6、个系统中，脉冲：,阳极,通过导线末端的顶端电极流动刺激心脏返回导线顶端近侧的环形电极,双极起搏系统(bipolar system),阴极,有一根有两个电极的导线位于心脏内，在这个系统中，脉冲：,单极导线 unipolar lead,单极导线比双极导线的直径小 (measured in French)单极导线在心电图上的脉冲信号较大,不易发生过感知 可程控为单极 不易产生肌肉和神经刺激,双极导线 bipolar lead,单腔系统 Single Chamber,起搏导线植入心房或心室，根据需要起搏或感知的心腔而定植入一根导线单心腔的起搏和感知,识别起搏节律,AAI / 60,识别起搏节律,VVI
7、 / 60,心房和心室都植入导线,双腔系统有两根导线：,识别起搏节律,DDD / 60 / 120,识别起搏节律,DDD / 60 / 120,识别起搏节律,DDD / 60 / 120,识别起搏节律,DDD / 60 / 120,刺激心脏使它除极(depolarize)感知心脏自身活动 (intrinsic activities)对增加的新陈代谢需求作出反应，提供频率适应性起搏(rate responsive)提供由起搏器存储起来的诊断信息（Diagnostic）,绝大多数起搏器具有四个功能：,第二节 电学概念,电压 (voltage - V)电流 (current - I)阻抗 (resi
8、stance - R),每种电路都具有下列特征：,V,R,I,e-,欧姆定律 (Ohms Law),I 和R 成反比例- 如果V不变，R 增大，电 流减少。- 如果V不变，想电流增加，R要减少，。,是起搏的基本原理，它描述了电压、电流和电阻三者之间的关系,x,第三节 刺激 Stimulation,刺激过程,2 相,1 相,3 相,4 相,跨膜电位（毫伏）,0 相,阈值,刺激阈值 (stimulation threshold),心脏不应期(refractory period)之外连续夺获 (captured)心脏所需的最小的能量,VVI / 60,夺获,无夺获,脉冲:振幅 Amplitude 脉
9、宽 Pulse Width,两个用来保证夺获的设置：,1 振幅(Amplitude)- 是由起搏器发送到心脏的电压总量,振幅反映脉冲的强度或高度 ：脉冲的振幅必须足够大使心肌除极（即：夺获心脏）脉冲的振幅必须足够大以提供适当的起搏安全范围,2 脉宽 (pulse width) -是起搏脉冲的时间（持续时间）,脉宽以毫秒 (ms) 为单位脉宽必须足够长使除极扩步到周围的组织,5 V,0.5 ms,0.25 ms,1.0 ms,3 强度 - 时间曲线图 (strength duration curve),强度 - 时间曲线图画出了振幅和脉宽的关系曲线或曲线以上的值将导致夺获,时间脉宽 (ms),刺
10、激电压（伏）,0.5,1.0,1.5,夺获,基强度,时值,强度 - 时间曲线图的临床用途,程控必须留出适当的安全范围起搏系统有急性期和慢性期阈值的每日波动,夺获,0.5,1.0,1.5,时间脉宽 (ms),.50,1.0,1.5,2.0,.25,刺激阈值（伏）,电压：2：1,脉宽：3：1,为什么程控时选择 固定脉宽，改变电压值？- 为什么MDT设置脉宽出厂值为0.4ms？,强度 - 时间曲线图的完整理解,病人安全是首要的，第二个重要目标是延长电池的寿命,延长电池使用寿命的最佳方法是在保证适当安全范围的同时降低电压振幅值比起搏器电池的容量大时需要一个电压增倍器，从而缩短了电池的使用寿命,导线阻抗
11、 (lead resistance)振幅和脉宽设置 (amplitude and pulse width)起搏事件与自身事件的百分比 (pacing and intrinsic events ratio)频率适应模式设为 ON (shorten life),影响电池使用寿命的因素包括：,电极设计也可能影响刺激阈值,导线成熟过程,导线成熟过程,在导线植入后，电极的周围形成纤维“包裹”,激素缓释电极,激素缓释(steroid eluting) 电极减轻了炎症反应，急性期阈值不升高，慢性期阈值较低,多孔，镀铂的顶端用于类固醇淘析,含类固醇的硅树脂橡胶插头,叉齿用于固定,导线成熟过程,类固醇对刺激阈值
12、的影响,脉宽 = 0.5 msec,0,3,6,第四节 感知 Sensing,感知 (sensing),感知是起搏器感知到心脏自身的除极活动起搏器通过测量阳极和阴极之间的心肌细胞的电位变化来感知心脏除极活动,心腔内电图(intracardiac electrogram)记录从心内膜里面获取的波形,当除极波直接从电极下通过时在心腔内电图上会发生本位曲折心腔内电图的两个特征是：信号振幅斜率 (Slew rate),起搏器必须能够感知心脏自身节律并对其作出反应,精确的感知能够使起搏器判断心脏自身是否搏动起搏器通常设置为只有在心脏不能产生自身搏动时才以起搏脉冲刺激,感知灵敏度,振幅 (mV),时间,5
13、.0,2.5,1.25,5 mV,2 mV,1mV,Amplitude (mV),Time,5.0,2.5,1.25,感知灵敏度过低，数值过高,5 mV,2 mV,1mV,Amplitude (mV),Time,5.0,2.5,1.25,感知灵敏度过高，数值过低,5 mV,2 mV,1mV,Amplitude (mV),Time,5.0,2.5,1.25,感知灵敏度正常，数值合适,可影响感知的因素有：,导线的极性（单极或双极）导线的完整性绝缘破裂金属丝断裂电磁干扰,单极感知,能产生大的电位差，因为： 阴极和阳极之间的距离比双极系统的大,_,双极感知,产生较小的电位差因为极间的距离短心脏以外的电
14、信号如肌电位被感知的可能性很小,金属丝断裂,绝缘破裂可引起感知不良或过感知,当内外导体连续接触时会发生感知不良自身搏动的信号在感知放大器处被减弱并且振幅不再符合设定的感知值当内外导体间歇接触时会发生过感知信号被误认为 P 波或 R 波,第六节 频率适应性起搏 Rate Responsive Pacing,频率自适应,频率适应性（也称频率调节 rate adaptive）起搏器当窦房结不能提供适当的频率时，给病人提供改变心率的能力。频率适应性起搏适用于：患变时性功能不良的病人（在活动时心率不能达到适当的水平或满足其他新陈代谢的要求）患慢性心房颤动并且心室率缓慢的病人,频率适应性起搏,心输出量 (
15、cardiac output CO) 由每搏输出量 (stroke volume SV) 和心率 (heart rate HR) 联合决定SV x HR = CO心输出量的变化取决于 HR 和 SV 对新陈代谢要求作出反应的能力,频率适应性起搏,心脏每搏输出量的储备可使心输出量增加达 50%心率储量能适应新陈代谢的要求将总的心输出量增加到三倍,频率适应性起搏,当氧合血液需求增加时，起搏器保证心率加快以提供更多的心输出量,调节心率以适应活动,正常心率,频率适应性起搏,固定频率起搏,每日活动,有许多频率适应传感器,市场上常见的单传感器有：体动传感器 (body motion)，检测身体活动并根据活
16、动的程度增加频率，如压电晶体，加速度计（accelerometer）分钟通气量传感器 (minute ventilation)，通过经胸阻抗读数测量呼吸频率和潮气量的变化QT间期传感器双传感器： 体动传感器与分钟通气量传感器,1958年第一台永久型起搏器置入人体1967 年VVI 按需型起搏器问世1972 年VDD1977 年DDD 标志着进入生理性起搏时代1978 年cmos 电路调整程控 1981 年 全球第一台采用Microprocessor 技术的起搏器 1982 年全球第一台频率应答起搏器 1997 年自动化技术应用于临床2003 年全球第一台全数字式起搏器2006 年 全自动化起搏器,心脏起搏不断进步,控制：磁铁-程控仪-电话-因特网起搏治疗领域大大扩展双心室起搏治疗心衰起搏预防治疗快速性心律失常ICD技术预防心脏性猝死防治室上速起搏其它部位治疗其它疾病帕金森、尿失禁、疼痛,起搏器向多方面发展,ICD- 除颤、心律转复,单线圈电极,双线圈电极,三腔起搏心脏再同步治疗心力衰竭,右房+双室 使双室电活动重新同步,谢谢!,
