Применение электрических концепций к работе кардиостимулятора

Цели
После завершению лекции Вы сможете :
Определить высокий импеданс
Определить низкий импеданс
Определить порог захвата
Определить какое значение чувствительности делает устройство более (или менее) восприимчивым к сигналам пациента

Электрические аспекты работы ЭКС
Кардиостимулятор имплантируется для:
Обеспечения сердечного ритма в соответствии с метаболическим потребностями организма
Для стимуляции сердца устройство должно произвести захват миокарда
Для стимуляции сердца устройство должно знать когда необходимо посылать импульс, т.е. оно должно обладать способностью воспринимать внутрисердечную электрическую активность
Для работы кардиостимулятора требуется неповрежденная электрическая цепь

Закон Ома
Роль для пациентов с кардиостимуляторами
При высоком импедансе снижается потребление энергии батареи
Это может увеличить срок службы батареи кардиостимулятора
Почему?
R = V/I. Если “R” увеличивается и “V” остается неизмененным, то “I” должно снижаться
Низкое сопротивление увеличивает расход батареи
Это может снизить срок службы батареи кардиостимулятора
Почему?
R = V/I. Если “R” уменьшается и “V” остается тем же, то “I” должно увеличиваться

Роль электродов в захвате миокарда
Что на ваш взгляд произойдет в случае частичного перелома электрода?
Импеданс (или сопротивление) будут возрастать
Ток будет снижен и энергия батареи будет экономиться
- однако -
Можете ли вы дать гарантию того, что через поврежденный электрод пропускается достаточно тока (I), когда кардиостимулятор посылает импульс к миокарду для инициации сокращения?

Высокий импеданс
Перелом проводника электрода
Перелом проводника может привести к повышению импеданса
Ток от батареи может быть слишком низким для эффективной работы устройства
Значения импеданса могут превышать 3,000 Ω
Другая причина высокого импеданса - электрод не достаточно хорошо закреплен в кардиостимуляторе

Значение импеданса электрода изменяется в результате :
Перелома проводника
Разрыва изоляции
В большинстве случаев нормальные значения импеданса находятся в пределах от 300 до 1,000 Ω
Некоторые электроды изначально имеют высокий импеданс. Эти электроды обычно имеют импеданс более 1,000 Ом

Состояния низкого импеданса
Нарушение изоляции приводит к воздействию на проводник электрода:
Жидкостей организма, которые имеют низкое сопротивление, или
Другого проводника электрода (при биполярном электроде)
Нарушение изоляции проводника приводит к следующему:
Снижается импеданс
Утечка тока через разрыв изоляции в ткань, или другой электрод
Возможность потери захвата
Ускорение разряда батареи
Ток пойдет по пути НАИМЕНЬШЕГО сопротивления

Порог захвата
Минимальный электрический импульс, необходимый для постоянного захвата миокарда вне рефрактерного периода сердца

Влияние строения электрода на захват миокарда
Вживление электрода
После имплантации вокруг электрода образуется фиброзная “капсула”
Может наблюдаться постепенное увеличение порога захвата
Обычно не влияет на импеданс

Стероид-элюирующие электроды
Стероид-элюирующие электроды снижают воспалительный процесс
Сопровождается лишь незначительным пиковым повышением порога или его отсутствием
Электроды поддерживают низкий порог захвата у длительно имплантированных электродов

Эффекты стероидов на пороги стимуляции
Ссылки: Pacing Reference Guide, Bakken Education Center, 1995, UC199601047aEN. Cardiac Pacing, 2nd Edition, Edited by Kenneth A. Ellenbogen. 1996.

Захват миокарда
Захват осуществляется в зависимости от :
Амплитуды — сила импульса, измеряемая в вольтах
Амплитуда импульса должна быть достаточно большой для вызова деполяризации (т.е. “захвата сердца”)
Амплитуда импульса должна быть достаточной для соответствующего предела безопасности стимуляции
Ширины импульса — длительность прохождения тока, измеряемая в миллисекундах
Ширина импульса должна быть достаточно длинной для распределения деполяризации в окружающие ткани

Сравнение
Амплитуда 5.0 V при различной ширине импульса

Кривая мощность-длительность
Кривая мощность-длительность отображает взаимодействие амплитуды и ширины импульса
Любая комбинация ширины импульса и напряжения, на кривой или над ней, приведет к захвату
Ширина импульса
Вольт
0.5
1.0
1.5
Захват
Отсутствие захвата
Реобаза
Хронаксия

Длительность
Ширина импульса (мс)
Клиническое использование кривой мощность-длительность
Путем точного определения порога захвата, мы может обеспечить необходимые пределы безопасности ввиду того, что :
Пороги могут отличаться при различной продолжительности (нахождения в теле) имплантации систем кардиостимуляции
Каждый день пороги незначительно изменяются
Пороги могут измениться вследствие метаболических состояний или при воздействии лекарственных препаратов
0.5
1.0
1.5
.50
1.0
1.5
2.0
.25
Пороги стимуляции (Вольт)

Программирование выходных сигналов
Главная цель: Обеспечение безопасности пациента и надлежащей работы устройства
Второстепенная цель: Увеличение срока службы батареи
Обычно амплитуда программируется на < 2.5 V, но всегда необходимо поддерживать соответствующие границы безопасности
Обычно значение выходного сигнала должно находиться в пределах 2.0 V при 0.4 мс
Амплитуда превышающая емкость батареи кардиостимулятора (обычно около 2.8 V), требует использования умножителя напряжения, что приводит к значительному сокращению срока службы батареи.

Чувствительность кардиостимулятора
Обозначает возможность кардиостимулятора “видеть” сигналы
Выражается в милливольтах (мВ)
Милливольты (мВ) относятся к размеру сигнала, который может “видеть” кардиостимулятор

Чувствительность
Значение, программируемое в ЭКС
Время
5.0 мВ
2.5 мВ
1.25 мВ

При данном значении кардиостимулятор не увидит сигнал 3.0 мВ
Чувствительность
Значение, программируемое в ИГИ

Чувствительность
Значение, программируемое в ИГИ
При данном значении кардиостимулятор может видеть сигналы как 3.0 мВ, так и 1.30 мВ. Является ли “хорошая чувствительность” предпочтительной, ввиду того что кардиостимулятор видит слабые сигналы?

Усилители/фильтры чувствительности
Точная чувствительность требует фильтрации посторонних сигналов
Так как все, что воспринимает кардиостимулятор по определению является волной P или R
Усилители чувствительности используют фильтры, которые позволяют правильно воспринимать P и R волны, и отклонять лишние сигналы
Наиболее частыми нежелательными сигналами являются :
Волны T (которые кардиостимулятор определяет как волны R)
Дальние события (R волны воспринимаются предсердным каналом, которые распознаются кардиостимулятором как P волны)
Миопотенциалы скелетных мышц (например, от грудной мышцы, которые кардиостимулятор может принять за P- или R волны)
Сигналы от кардиостимулятора (например, желудочковые зубцы стимуляции перекрестным образом воспринимаются предсердным каналом)

Точность при восприятии сигналов
На точность влияет:
Целостность цепи (электрода) кардиостимулятора
Нарушение изоляции
Перелом проводника
Характеристики электрода
Размещение электрода в сердце
Усилители чувствительности кардиостимулятора
Полярность электрода (униполярный и биполярный)
Электрофизиологические свойства миокарда
ЭМП – электромагнитные помехи

Целостность спирального проводника электрода
Влияние на чувствительность
Недостаточная чувствительность отмечается тогда, когда сигнал сердца не может попасть в кардиостимулятор
Собственные сигналы сердца не могут пройти через перелом провода
Избыточная чувствительность отмечается тогда, когда разъединенные концы провода периодически соприкасаются
Создаются сигналы, воспринимаемые кардиостимулятором как P или R волны

Целостность изоляции электрода
Влияние на чувствительность
Недостаточная чувствительность отмечается тогда, когда внутренняя и внешняя спирали проводников находятся в постоянном контакте
Сигналы собственной активности сердца снижены на усилителе и амплитуда не соответствует запрограммированному значению чувствительности
Избыточная чувствительность отмечается тогда, когда внутренняя и внешняя спирали проводников имеют прерывистый контакт
Сигналы неправильно распознаются как P или R волны

Монополярные кардиостимуляторы
Где проходит цепь чувствительности?
_
катод
анод
От кончика электрода к корпусу
устройства
Это обусловливает большую разницу потенциалов (сигнал), так как катод и анод находятся далеко друг от друга

Биполярный кардиостимулятор
Где проходит цепь чувствительности?
Анод и катод
От кончика электрода к кольцу на электроде
Это обычно обусловливает меньшую разницу потенциалов вследствие короткой дистанции
Восприятие электрических сигналов вне сердца (такие как миопотенциалы) менее вероятно

Сердечная проводимость и чувствительность устройства
К настоящему времени нам уже должна быть знакома ЭКГ и ее взаимодействие с сердечным проведением импульсов. Но, относится ли это к чувствительности кардиостимулятор а?

Векторы и градиенты
Восприятие
Волна деполяризации, вызываемая нормальным сокращением, создает градиент между катодом и анодом. Это изменение полярности создает сигнал.
После того как этот сигнал превышает запрограммированную чувствительность – он воспринимается устройством.

Изменение вектора
Восприятие
ПЖС, при нормальном проведении. Так как вектор в отношении электрода изменен, какой это может иметь эффект на чувствительность?
В данном случае, волна деполяризации попадает на анод и катод практически одновременно. Это создаст малый градиент и следовательно, слабый сигнал.

Подводя итоги
Надлежащее программирование выходного сигнала может увеличить срок службы устройства
Но, не ставьте под угрозу безопасность пациента!
Строение электрода может увеличить срок службы устройства
Элюирование стероидов
Может помочь сохранить низкий порог стимуляции у длительно имплантированных электродов путем снижения воспаления и фиброобразования
Электроды с высоким импедансом
Разработаны с высоким Ω, однако напряжение (V) и ток (I) также являются низкими, снижая разряд батареи
Контроль производства
Батареи, платы, конденсаторы и т.п. специально разрабатываются под определенные требования, что приводит к повышению их эффективности и снижению статической утечки тока.
Надежное строение электрода

Подводя итоги
Срок службы кардиостимулятора:
Функция запрограммированных параметров (частота, выходной сигнал, % времени стимуляции)
Функция полезной емкости батареи
Функция
Статической утечки тока
Эффективности электрической цепи
Импеданса выходного сигнала
Более низкая запрограммированная чувствительность делает устройство БОЛЕЕ чувствительным
Целостность электрода также влияет на чувствительность

Контроль знаний
Определить пороговую амплитуду
Порог захвата = наименьшее значение с постоянным захватом
Составляет 1.25 V
1.25 V
0.05 V
0.75 V
1.00 V

Контроль знаний
Какой из этих кардиостимуляторов является более чувствительным?
ИЛИ
Кардиостимулятор A способен “видеть” сигналы до 0.5 мВ. Следовательно, он более чувствительный.
Запрограммированная чувствительность 0.5 мВ
Запрограммированная чувствительность 2.5 мВ
Кардиости-мулятор B

Контроль знаний
Электрод кардиостимулятора должен изгибаться и перемещаться во время работы сердца. В среднем, сколько сокращений производит сердце за 1 год?
35 МИЛЛИОНОВ раз. Достаточно трудно разработать электрод, который является небольшим, надежным и работает на протяжении всей жизни.

Контроль знаний
Перелом электрода:
Высокий импеданс
Возможное отсутствие захвата миокарда
Заметили ли вы что-нибудь особенное на данной
рентгенограмме?