最新自动心脏起搏器功能进展及原理.doc

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,表面积等八.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.Paceseer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.Medonic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.Medonic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.Reportofacontinuousthresholdtrackingsystem.CardiacPadng,1973,295-299.2LuderiB.Wehavecomealongway,itlldevicetherapy:historicalperspectivesonantiarrhythmicelec-trotherapy.JCardiovascElectrophysiol,2002,13(1Supp1):2-8.3ClarkeM,LiuB,SchuilerH,eta1.Automaticadjust-mentofpacemakerstimulationoutputcorrelated,jlritllcontinuouslymonitoredcapturethresholds:Amulti-centerstudy.Pace,1998,21:1567-1575.4DohrmannML,GoldschlagerN.Metobolicandphar-macologiceffectsonmyocardialstimulationthresholdinpatients,jlritllcardiacpacemakers.In:BaroldSS.ed.ModemCardiacPacing.Armonk(NewYork):FuturaPublishing,1985.161170.5BorianiG,FrabrettiL,Bi币M,eta1.ImprovementinVVI/VVIRgeneratorslongevityachiexrable,jlritllauto-capture.Europace,1997,75l-754.6FurmanS,HurzelerP,DeCapfioV.Theventficularendocardialelectrogramandpacemakersensing.JThoracCardiovascSurg,1977,93:258-266.7ShandlingAH,CasteilanerMJ,ThomasLA.Varia-tioninPwaveamplitudeimmediatelyafterpacemakerimplantation:probablemechanismandimplicationsforearlyprogramming.Pace,1989,12:1797-1805.8BouteW,AlbersBA,GieleV.AvoidingatrialundersensingbyassessmentofPwaveamplitudehistogramdata.Pace,1994,17:1878-1882.9NovakB,FeilmannP,MaertensS,eta1.Firstexpefi-ence,jlritllanautomaticsensingalgorithminsingle-leadVDDstimulation.Pace,l998.21:2232-2235.10BergM,FrohligG,SchwerdtH,eta1.Reliabilityofanautomaticsensingalgorithm.Pace,1992,15:1880-1885.11SergeSB,StephenG,JacquesC.FarfieldP-wavesensingbythefightventficularleadofconventionaldualchamberpacemakers.JIntervCardElectrophysiol,20o2,6(1):77-80.12CammiiliLAlcidiL,PapeschiG.Anewpacemakerautoregulatingtherateofpacinginrelationtometa-bolicneeds.In:WatanabeY,ed.ProceedingsoftheVthInternationalSymp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