最新自动心脏起搏器功能进展及原理

最新自动心脏起搏器功能进展及原理 2003年第15卷第2期7 最新自动心脏起搏器功能进展及原理 辛学刚聂邦畿 摘要介绍了自动夺获,自动传感灵敏度控制,频率应答等起搏器自动功能的最新进展,并对这些 功能的算法原理,优缺点,发展前景等逐一进行了介绍.可帮助生物医学工程人员了解心脏起搏器最新功 能的算法原理,也可使临床医务工作者对心脏起搏器最新功能有—个更深入的认识,并在临床实践中更好 地运用这些功能. 关键词起搏器;人工;算法 自1958年第一例埋藏式心脏起搏器问世以 来,心脏起搏器的发展非常迅速.从60年代初 的wI模式开始,先后经历了VVT,DVI,VAT, DDD等模式.80年代后,随着具有生理I生起搏 功能的DDD模式的临床应用,心脏起搏器的自 动控制功能也得到了很大的发展.目前,在心 脏起搏器中应用的自动控制功能主要有自动夺 获功能,自动灵敏度控制功能,频率应答自调 节功能,窦性心率和AV传导优先等.主要介 绍自动夺获功能,自动灵敏度控制功能,频率 应答自动调节功能的算法原理和各自的优缺 点. 一 ,自动夺获功能使永久型起搏器具有自 动输出调节功能的概念早在70年代初就被提了 出来uJ,然而直到1993年才有Pacesetter公司的 自动夺获算法得以在临床上广泛应用【3】,究其原 因主要是因为要想在一个起搏激励脉冲后可靠 地检测到夺获非常困难.在阴极起搏刺激过程 中,负电极被正离子包围着,使负离子遭到排斥, 电极,组织接面的这种极化就是Helmholtz电容, 该电容与刺激持续时间和幅度,电极的半径, 面积等八.何形状和结构有关.刺激结束后,在电 极组织接触面引起的极化电压(以下简称伪迹电 压)按指数规律放电,并重叠加到局部肌去极 引起的电压上,要想排除该伪迹的影响而准确检 测心肌去极电压非常困难. Pacese~er公司的最新自动夺获算法的原理 作者单位:@510089中山大学中山医学院生物医学工程 教研室 ?510315第一军医大学分校 是:用低极化电极单极起搏,用双电极检测引 发的伪迹电压,使伪迹电压最小化.单极起搏 刺激15ms后检测线路打开一个47.5ms的检测 窗以检测局部刺激响应.如果检测窗没有检测 到响应信号,控制线路就在第一个刺激后 62.5ms发出一个后备脉冲,但不对后备脉冲刺 激进行夺获算法.如果检测窗检测到响应信号, 则启动夺获算法以每一次起搏为基础进行运 算,这样能使起搏操作以最小高于阈值0.125V 连续进行J.Med~onic公司的最新夺获算法也 是通过检测引发的心室去极响应进行的,但与 Pacesetter公司的极小化伪迹的做法不同. Med~onic公司的夺获算法是通过识别起搏刺激 后电极残留电压的符号变化和回转率的幅度变 化来计算心室去极响应的.这种变化是由于心 室去极响应的影响而使实际的放电波形与单纯 指数波形不同造成的.该算法另一个特点是不 以每搏为基础,而是在可编程的15分钟到42 天的范围内确定起搏阈值. 自动夺获算法在心脏起搏器中的应用为病 人带来了很大的好处,因为起搏阈值不是一个 静态值,随着病人日常活动的改变它的变化很 大[4】.最新自动夺获算法能对阈值进行实时响 应,很大程度上提高了病人的安全性.而且起 搏操作始终维持在阈值稍高水平,对节省电池 能量,延长电池寿命,降低整个装置的尺寸很 有意义.据报道L5J,容量6ml,重量13g的小型 起搏器寿命已经可以达到8.35-20.48年,而同样 大小的起搏器,应用自动夺获算法是应用2.5V 固定输出方法的寿命的两倍.当然,现在的自 动夺获算法也有许多不足,在临床上仍可见丢 现代医学仪器与应用 失夺获和产生多余的后备脉冲的现象.同时利 用高阻抗的类固醇类洗脱电极可能降低起搏阈 值,因而电极的漏电流也在一定程度上消耗了 起搏器的能量. 二,自动传感灵敏度控制功能随着病人的 体位改变,呼吸动作,身体运动等,病人的房室 心电幅度变化是很大的,这就要求检测灵敏度也 跟着变化.具文献报导,植人手术后,心电的幅 度最多降低67%,即使在运动时也降低36%. 传统的基于单P波幅度检测对于固定的心房电 极和单路DDD电极可靠率仅分别为72%和 43%】.现在起搏器中应用的自动传感灵敏度控 制算法是根据每搏心电幅度对灵敏度进行调整 的.Guidant公司最新采用的算法是以程控灵敏 度为内边界,以内边界的两倍值为外边界,内外 边界的倍数保持不变.当心电幅度超过外边界 时,计数器加2;当心电幅度在内外边界之问, 则计数器减1;当计数器到j~+128或一127时, 分别将灵敏度减少或增加一个档次J.Medtronic 公司的最新算法采用了三个级别的检测值:心电 的最低值(当前灵敏度值),低边界幅值,高边 界幅值.低边界幅值和高边界幅值分别为当前灵 敏度值的4倍和5.6倍.它把每一次心电活动分 别按照高于高边界,在低边界和高边界之间,在 低边界和最低值之间分为高,中,低三档,并分 别对计数器进行+1,不变,一1操作,当计数器 到达一17或+36时,就对灵敏度重新进行设置【J…. 自动传感灵敏度控制算法是自动模式转换 控制的核心,在VDD起搏或心房心率失常检测 中,该算法能克服固定增益算法的缺点【l”. 三,频率应答自动控制功能病人在不同的 情况下,比如运动和休息时,其正常的生理性心 率变化很大,这就要求起搏器能模仿正常隋况下 的窦性心率,即具有频率应答功能.1976年 Cammilli等人首次成功植入通过检测运动时血 液中的pH值来调节心率变化的单腔起搏器u引. 1981年Richards和Norman描述了基于检测Q-T 间期的生理性心率调节起搏器【l引,同年Wirtzfeld 等人实现了通过检测静脉血氧饱和度实现自动 心率控制【l剞.随着传感技术的发展又出现了物理 体位检测【l,每分通气量检测,右室压检测以及 每搏输出量,射前问期,右室收缩性等有关心脏 收缩性的检测.近几年人们逐渐认识到只靠一两 种传感检测已经不能满足临床上的需要,于是多 传感结合技术和交叉检测技术迅速发展.一般来 讲,最新的实现频率应答自动控制功能的三要素 是:?具有能检测正常代谢的传感器(组);? 在脉冲发生器中运用合适的心率自动应答算法; ?由于对于不同的病人传感器检测到的生理参 数差别较大,需要临床医师输入相应的参数来对 算法进行调节u创.频率应答自动控制系统的实 现有闭环控制和开环控制两种方式.在一个全 闭环的控制系统中,传感器检测到的生理参数 传递给控制线路以改变心率,而心率的改变又 影响到生理参数,这样便形成一个负反馈.由 于全闭环系统需要众多的生理参数,而影响传 感参数的因素也非常多,因此且前在临床实践 中其实际效果还不令人满意.目前,临床上应 用的多是开环控制,开环控制需要临床医师将 检测到的参数与调整心率的关系输入控制线路, 进而改变病人心率.频率应答自动控制把理想的 心率直方图与通过传感器检测到的直方图进行 比较来进行心率自动调节.Pacesetter公司最新 采用自动斜率算法来实现频率应答自动控制,该 算法假设正常情况下心率超过保留心率23%的 机会不超过1%【l71,用心率下限和传感器检测到 的最高心率之间的差额作为保留心率,把心率活 动分成日常活动和大运动量活动两种情况【l引, 对每一个传感器单元参数进行调整,使99%的 传感器驱动的心率控制在保留心率的123%以 内.实践证明,一般情况下都需要进行多次调 整和迭代才能达到较理想的控制效果. 频率应答自动控制功能的实现,使病人的血 氧供应量能跟上血氧消耗量的变化,即病人的时 变响应能力大大地提高了,进而提高了病人的生 活质量,该功能现在已经成为自动起搏器中必不 可少的功能.多传感器系统已经可以实现,其控 制心率的效果远比单传感器系统好,但是频率应 答自动控制功能不同算法的安全性和有效性仍 需大量的临床实践来进一步研究和验证. 四,讨论自动控制起搏器除了以上提到 的几个主要功能外,还有自动模式转换,自动 诊断和治疗,双室起搏[19-211等功能,所有这些 自动功能无疑为病人和医师带来很大好处和方 便.微机化的自动辅助装置的出现可以向医 师提供更加精练可靠的数据,也使医师通过网 2003年第15卷第2期9 络对植人了自动起搏器的病人进行远程监控成 为可能.总的来讲,更高层次的自动控制是将 来起搏器的发展趋势. 参考文献 1PrestonTA,BowersDL.Reportofacontinuous thresholdtrackingsystem.CardiacPadng,1973,295- 299. 2Luderi~B.Wehavecomealongway,?itlldevice therapy:historicalperspectivesonantiarrhythmicelec- trotherapy.JCardiovascElectrophysiol,2002,13(1 Supp1):2-8. 3ClarkeM,LiuB,SchuilerH,eta1.Automaticadjust- mentofpacemakerstimulationoutputcorrelated,jlritll continuouslymonitoredcapturethresholds:Amulti- centerstudy.Pace,1998,21:1567-1575. 4DohrmannML,GoldschlagerN.Metobolicandphar- macologiceffectsonmyocardialstimulationthreshold inpatients,jlritllcardiacpacemakers.In:BaroldSS.ed. ModemCardiacPacing.Armonk(NewYork):Futura Publishing,1985.161~170. 5BorianiG,FrabrettiL,Bi币M,eta1.Improvementin VVI/VVIRgeneratorslongevityachiexrable,jlritllauto- capture.Europace,1997,75l-754. 6FurmanS,HurzelerP,DeCapfioV.Theventficular endocardialelectrogramandpacemakersensing.J ThoracCardiovascSurg,1977,93:258-266. 7ShandlingAH,CasteilanerMJ,ThomasLA.Varia- tioninPwaveamplitudeimmediatelyafterpacemaker implantation:probablemechanismandimplicationsfor earlyprogramming.Pace,1989,12:1797-1805. 8BouteW,AlbersBA,GieleV.Avoidingatrialunder sensingbyassessmentofPwaveamplitudehistogram data.Pace,1994,17:1878-1882. 9NovakB,FeilmannP,MaertensS,eta1.Firstexpefi- ence,jlritllanautomaticsensingalgorithminsingle-lead VDDstimulation.Pace,l998.21:2232-2235. 10BergM,FrohligG,SchwerdtH,eta1.Reliabilityofan automaticsensingalgorithm.Pace,1992,15:1880- 1885. 11SergeSB,StephenG,JacquesC.FarfieldP-wave sensingbythefightventficularleadofconventional dualchamberpacemakers.JIntervCardElectrophysiol, 20o2,6(1):77-80. 12CammiiliL’AlcidiL,PapeschiG.Anewpacemaker autoregulatingtherateofpacinginrelationtometa- bolicneeds.In:WatanabeY,ed.Proceedingsofthe VthInternationalSymposium,Tokoyo,1976.414-419. 13RickardsAF.NormanJ.RelationbetweenQinterval andheartrate:newdesignofphysiologicallyadaptive cardiacpacemaker.BrHeartJ,1981,45:56~61. 14WirtzfeldA,GoedelML,BockT,eta1.Centralve- nousoxygensaturationforthecontrolofautomatic rate-responsivepacing.PacingCHnElectrophysiol, 1982.5:829-835. 15LeungSKuCP,LamC,eta1.Doestheintracar- diacaccelerationsignalreflectthechangesinexercise workload?PacingClinElectrophysiol,1999,22: 876—876. 16LauCP.111erangeofsensorsandalgofitLnusedin rate-adaptivecardiacpacing.PadngClinElectro- physiol,1992,15:1177-12l1. 17kIuCP,AntoniouA,WardDE,eta1.Initialclinical experience,jlritllaminuteventilationsensingrate modulatedpacemaker:Improvementsinexerciseca- pacityandsymptomatology.PacingClinElecma- physiol,1988,1l:1815-1822. 18CarmoucheDG,BubienRS,KayGN.Theeffectof maximumheartonoxygenkinecficsandexerciseper- formanceatlowandhighworkloads.Pace,1998,21: 679. 19CeciliaL,ChristopherL’SteveR,eta1.Long-term benefitsofbiventficularpacingincongestiveheart failure:resultsfromtllemultisiteSTsimulationinca/’- diomyopathyOVlUSTXC)study.JAmCollCardiol, 20o2,4o(1):111-118. 20DarleneL,BarbaraL.Managementofheartfailure:use ofbiventficularpadng.JCardiovascNurs,2)02,l6(3): 7281. 21MaurizioL,MarcoP,FabrizioO,eta1.Patientselec- tionforbiventficularpacing.JCardiovascElectro- 67. physiol,2002,13(1,Supp1):63— 22HeinWJ.Futureofdevicetherapyforarrhythrnias.J CardiovascElet~aophysiol,2OO2,13(1,Supp1):122-124. (收稿日期:2002.12.19修回日期:2003-04-12)