Pacemakerteknik - ett kompendium

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 VVI, VAT, DDD
Sjuk sinusknuta VVI, DDD
Förmaksflimmer 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

Figur 27 Modern pacemaker Pacesetter Microny 1999
1.1.3. Elektronik
Elektronikens uppgifter är att:
• 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

Batteri
Sensor
Genomföring
Kristall
Kondensator
Spole för telemetri
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