POLITECHNIKA SLASKA

W GLIWICACH

____________________________________________

WYDZIAL AUTOMATYKI ELEKTRONIKI I INFORMATYKI

INSTYTUT ELEKTRONIKI

ZAKLAD ELEKTRONIKI BIOMEDYCZNEJ

LABORATORIUM

ELEKTRONIKI BIOMEDYCZNEJ

Temat: Kardiostymulatory.

Opracowal: Arkadiusz Gertych

Gliwice 2003

Laboratorium Elektroniki Biomedycznej – Kardiostymulatory.

2

Laboratorium Elektroniki Biomedycznej – Kardiostymulatory.

1. CEL CWICZENIA

Celem cwiczenia jest poznanie zasady dzialania, parametrów oraz sposobów zasilania stymulatorów implantowanych o rytmie sztywnym i synchronizowanych.

2. PODSTAWY FIZJOLOGICZNE

Uklad bodzcotwórczy i miesniówka serca naleza do tkanek pobudliwych posiadajacych w spoczynku ujemna polaryzacje wnetrza komórki wzgledem srodowiska pozakomórkowego, wynikajaca z róznic stezen jonów K+, Na+, Cl- równa ok. 50-90 mV.

Blona komórkowa w spoczynku nie przepuszcza do wnetrza komórki jonów Na+.

W komórce bodzcotwórczej w wyniku spontanicznego zmalenia potencjalu spoczynkowego ponizej 50 mV wystepuje tzw. aktywacja sodowa, tzn. szybki wzrost przepuszczalnosci blony dla jonów Na+, wtedy w czasie paru ms. potencjal wnetrza komórki osiaga +25 mV. Powoduje to zmiane róznicy potencjalów o ok. 100 mV. Jest to tzw. potencjal czynnosciowy. W nastepujacym potem okresie ok. 0,30 s nastepuja zjawiska repolaryzacji (powrót jonów K+ i Na+ na zewnatrz komórki) dazac do osiagniecia stanu pierwotnego (rys.1).

W komórce miesniowej serca po zakonczeniu repolaryzacji polaryzacja powstaje stale az do momentu pojawienia sie bodzca z zewnatrz. Szybkosc depolaryzacji spoczynkowej najwieksza jest w komórkach wezla zatokowego (ok. 70

imp/min), który to osrodek jest w normalnych warunkach nadrzedny i generujacy rytm serca. Rytm ten podlega wplywom innych osrodków ukladu nerwowego tak, ze jest dostosowywany do aktualnych potrzeb organizmu.

Pobudzenie z wezla zatokowego przechodzi przez miesien z przedsionków do wezla przedsionkowo-komorowego (wezla A-V). Z wezla A-V potencjal czynnosciowy przenoszony jest przez pien a nastepnie przez prawa i lewa odnoge peczka Paladino-Hisa, do wlókien Purkinjego wnikajacych do wnetrza miesnia komór.

Szybkosc przewodzenia zalezna od grubosci w górnej czesci wezla A-V maleje, co umozliwia pobudzenie miesnia komór z opóznieniem w stosunku do przedsionków w okresie rozkurczu komór. Wezel A-V moze tez oprócz przewodzenia pelnic role zastepczego osrodka bodzcotwórczego, jednak o znacznie wolniejszym rytmie.

W odnogach peczka Paladino-Hisa i wlókien Purkinjego znajduje sie zmniejszajaca ilosc (ku dolowi) komórek bodzcotwórczych, których rytm wlasny jest bardzo wolny.

Dla wywolania biologicznego potencjalu czynnosciowego rozszerzajacego sie poza sasiedztwo elektrody pobudzajacej decydujaca jest ilosc energii przypadajacej na obszar stymulowany. Próg pobudliwosci okresla minimalna ilosc energii niezbedna do wywolania pobudzenia w zaleznosci od czasu trwania i ksztaltu bodzca. Wartosc ta osiaga minimum dla czasów trwania bodzca 1-5 ms.

Efekt dzialania bodzców anodowych i katodowych jest rózny i zalezy od stanu komórki w momencie przylozenia bodzca. W okresie depolaryzacji i repolaryzacji poczatkowej komórka jest niewrazliwa na jakiekolwiek bodzce zewnetrzne. Jest to tzw.

okres refrakcji bezwzglednej. W dalszej fazie repolaryzacji bodzce anodowe w zaleznosci od ich wielkosci moga czasowo zaklócic repolaryzacje, przyspieszyc ja a nawet wywolac powstanie nowego potencjalu czynnosciowego. Bodzce katodowe do poczatku fa zy szybkiej repolaryzacji nie wywoluja pobudzenia. Potem do pobudzenia dochodzi przy coraz to mniejszej energii bodzców. Poza koncem repolaryzacji wystepuje faza podwyzszonej pobudliwosci, w której próg pobudliwosci jest nizszy niz w fazie spoczynkowej.

3

Laboratorium Elektroniki Biomedycznej – Kardiostymulatory.

Przy koncu szybkiej repolaryzacji istnieje okres nadwrazliwosci. Odpowiada on wstepujacej czesci zalamka T elektrokardiogramu (rysunek 3).

Przylozenie bodzca w tym czasie moze wywolac nieskoordynowane pobudzenie i w efekcie doprowadzic do migotania komór.

Zaburzenia pobudliwosci moga wynikac z nieprawidlowego wytwarzania bodzców przez wezel zatokowy lub z nadmiernie czestego generowania bodzców (nadpobudliwosci) przez wezel A-V i wlókna Purkinjego. Nadpobudliwosc moze byc spowodowana m.in. przez:

- przyspieszenie spontanicznej repolaryzacji,

- obnizenie potencjalu progowego,

- spadku potencjalu spoczynkowego.

Zaburzenia przewodzenia polegaja na uszkodzeniu dróg przewodzenia bodzców w sercu. Nazywane sa blokami przewodzenia. Przyczyny powstania bloków w sercu moga byc rózne. W zaleznosci od miejsca powstania mozna wyróznic:

- blok zatokowo—przedsionkowy,

- uszkodzenie wezla A-V,

- uszkodzenie pnia lub odnóg peczka Hisa,

- uszkodzenie wlókien Purkinjego.

W przypadku bloku przedsionkowego czynnosci bodzcotwórcze podejmuje wezel A-V.

W przypadku bloku przedsionkowo-komorowego czynnosci bodzcotwórcze komórek w peczku Hisa sa na ogól niewystarczajace. Najgrozniejszy jest przypadek bloku peczka Hisa, gdyz rytm wlasny komórek bodzcotwórczych we wlóknach Purkinjego jest bardzo wolny. Blok przedsionkowo-komorowy charakteryzuje sie wolna akcja serca (20 min) i rozsynchronizowaniem czynnosci komór i serca. W przypadku bloku i niepodjecia akcji przez inne osrodki zastepcze w sercu mozna dojsc do niedokrwienia mózgu (utrata przytomnosci, drgawki) a nawet do smierci. Zespól utraty przytomnosci nosi nazwe MAS (Morganiego-Adamsa-Stokisa).

3. WSKAZNIA DO STYMULACJI SERCA I JEJ RODZAJE

Glównym wskazaniem do stymulacji jest zbyt wolna czestosc skurczów serca, lub zatrzymanie akcji serca (zespól MAS). Dotyczy to zarówno zaburzen przewodzenia jak i wytwarzania bodzców. Zaburzenia te moga byc nagle i przemijajace lub stale i utrwalane.

Stymulacja przedsionków stosowana jest zwykle przy próbach czynnosciowych ukladu krazenia.

Synchronizacja pracy przedsionków i komór polega na sterowaniu rytmem komór przez zachowany rytm przedsionkowy (stosowana w urzadzeniach implantowanych). W przypadku bloku przemijajacego stosowanie stymulacji o rytmie sztywnym moze prowadzic do interferencji, dlatego tez wskazane jest wtedy stosowanie stymulatorów synchronizowanych rytmem komór lub "on demand".

Stosuje sie równiez stymulacje parami impulsów lub stymulacje sprzezona.

Istota tej stymulacji jest, by drugi impuls przypadal w szczytowej fazie zalamka T.

Drugi impuls nie powoduje juz skurczu, ale moze wygasic nadpobudliwe zaburzenie rytmu. Ten rodzaj stymulacji zazwyczaj obniza czestosc akcji serca oraz zwieksza sile skurczu serca.

4

Laboratorium Elektroniki Biomedycznej – Kardiostymulatory.

Doprowadzenie sygnalu stymulujacego do serca zalezy od stymulacji, w której podjeto akcje. I tak w przypadku naglego zatrzymania krazenia mozna stosowac stymulacje przez klatke piersiowa. Wymagane napiecie jest bardzo duze ok. 100-200 V.

Stymulacja taka jest bardzo bolesna i malo skuteczna.

Jesli stymulacja ma byc prowadzona przez dluzszy czas stosujemy elektrody endokawitarne (wewnatrz sercowe), wprowadzone przez zyle szyjna lub podobojczykowa do przedsionka a nastepnie przez zastawke trójdzielna do prawej komory.

W niektórych przypadkach stosujemy stymulacje nasierdziowa (elektroda naszyta z zewnatrz na serce) lub sródmiesniowa (elektroda wprowadzona da miesnia sercowego).

Sygnaly sterujace moga byc doprowadzane ta sama elektroda lub tez przez inna dodatkowa elektrode wprowadzona np. do przedsionka.

4. STYMULATORY IMPLANTOWANE

Wskazania do implantacji stymulatorów nie sa ustalone jednoznacznie we wszystkich osrodkach zajmujacych sie elektroterapia serca.

Stosuje sie je w przypadkach stymulacji dlugotrwalej.

Stymulator implantowany stanowi samodzielne niewielkie urzadzenie zawierajace zródla zasilania, obwód elektroniczny o róznym stopniu skomplikowania i róznych funkcjach. Calosc zalana jest zazwyczaj zywica epoksydowa, moze byc umieszczona w obudowie z blachy stalowej, tytanowej lub tworzywa silikonowego.

Czasem stymulatorem jest odbiornik indukcyjny pobierajacy energia z nadajnika umieszczonego przy skórze pacjenta. Stosowany on jest glównie tam gdzie male wymiary nie pozwalaja na zastosowanie "normalnego" stymulatora np. u dzieci.

Schemat takiego stymulatora przedstawia rysunek 4. Czesc implantowana zawiera tylko diode D3 i odbiorczy obwód rezonansowy L3C7. Symbolami X1 i X2 sa oznaczone przewody przeprowadzone bezposrednio do serca pacjenta. Pozostaly uklad stanowi czesc przyrzadu znajdujaca sie na zewnatrz pacjenta.

Generator czestosci rytmu zbudowany jest jako generator samodlawny (tranzystor T1).

Steruje on klucz (T2) wlaczajacy i wylaczajacy generator wielkiej czestotliwosci (T4

i T5). Antena L2C6 jest przymocowana do ciala pacjenta nad miejscem wszczepienia cewki L3 ukladu odbiorczego.

Potencjometr R2 sluzy do regulacji czestosci impulsów stymulujacych, a potencjometr R7 - do regulacji ich amplitudy. Uklad pracuje na czestotliwosci okolo 2 MHz.

4.1. Stymulatory implantowane o rytmie sztywnym

Jest to najprostszy i raczej nie stosowany juz typ stymulatora implantowanego.

Uklad jego zawiera tylko dwie zasadnicze czesci, mianowicie blok generatora czestosci rytmu i blok wyjsciowy. Generator pracuje najczesciej z czestoscia 70 impulsów na minute i nie ma zadnej mozliwosci zmiany tej ustalonej czestosci pracy.

Istnieja jednak stymulatory o podwyzszonej czestosci rytmu, np. 95 imp/min, które sa stosowane, gdy pacjentami sa dzieci lub osoby bardzo aktywne.

Oprócz tego istnieja modele, które zapewniaja mozliwosc skokowej zmiany czestosci z 70 na 95 imp/min za posrednictwem wbudowanego w stymulator przelacznika uruchamianego magnesem z zewnatrz ciala pacjenta. Schemat takiego stymulatora, przedstawiony na rysunku 5, zawiera generator czestosci rytmu zbudowany jako generator samodlawny (tranzystor T1).

5

Laboratorium Elektroniki Biomedycznej – Kardiostymulatory.

Czestosc rytmu regulowana jest za pomoca oporu R2. Tranzystor T2, dzieki wlaczaniu w szereg z pacjentem oporu R5 duzego w porównaniu z opornoscia pacjenta, stanowi pradowy stopien wyjsciowy. Blokade zasilania (C2-C5) i sprzezenie z pacjentem zrealizowano dla zwiekszenia niezawodnosci pracy, przez zwielokrotnione uklady kondensatorów elektrolitycznych. Nawet w wypadku uszkodzenia jednego z kondensatorów nie zagraza pacjentowi przeplyw pradu stalego lub przerwanie obwodu stymulacji.

Rysunek 6 przedstawia schemat stymulatora, odznaczajacego sie wyjatkowa prostota ukladu elektronicznego. W ukladzie tym miedzy tranzystorami jest sprzezenie bezposrednie, a jedyny kondensator znajduje sie w galezi sprzezenia z pacjentem. Oba tranzystory pracuja jak podwójny klucz, zamykajacy sie jedynie na krótki czas trwania impulsu stymulujacego. Kondensator jest wtedy ladowany (pradem stymulujacym) w obwodzie: serca pacjenta, klucz tranzystorowy i opór R3. W okresie zatkania obu tranzystorów kondensator rozladowuje sie powoli przez pacjenta i duzy opór R1.

4.2. Stymulatory sterowane rytmem komór

W okresach, gdy wlasna czynnosc serca pacjenta zanika, generator wytwarza impulsy z czestotliwoscia okolo 55 imp/min i pacjent jest stymulowany tak jak ze stymulatora o stalym rytmie. Natomiast w okresach, gdy serce pacjenta podejmuje wlasny rytm, wzmocniony sygnal elektryczny zespolu komorowego synchronizuje (przyspiesza) generator tak, ze wytworzony impuls stymulujacy jest "wstrzeliwany"

w zespól QRS.

Schemat blokowy stymulatora sterowanego rytmem komór przedstawia rysunek 7. Uklad zawiera wzmacniacz sygnalu elektrycznego serca, uklad refrakcji, dyskryminator, synchronizowany generator czestosci rytmu i uklad wyjsciowy. Sygnal sterujacy z serca jest odbierany przez te sama elektrode, na która podawany jest wyjsciowy impuls stymulujacy. Wzmacniacz sygnalu elektrycznego serca ma czulosc ok. ±1 mV (niezaleznie od polaryzacji sygnalu wejsciowego) i oprócz wzmocnienia zespolu QRS ma za zadanie stlumienie zalamków P i T elektrokardiogramu.

Uklad refrakcji jest niezbedny dla zapobiezenia zwrotnemu wysterowaniu ukladu przez impuls stymulujacy, który pojawia sie takze na wejsciu wzmacniacza. Uklad refrakcji, w momentach, gdy dyskryminator wysteruje synchronizowany generator czestosci rytmu, blokuje przez ok. 250-300 ms. tor przewodzenia sygnalu. Poniewaz tor przewodzenia sygnalu nie wprowadza praktycznie opóznienia, stymulator w momencie pojawienia sie zespolu QRS, wstrzeliwuje swój impuls stymulujacy w ten zespól.

4.3. Stymulator sterowany rytmem przedsionków

Stymulator tego typu dziala zasadniczo podobnie do poprzedniego, sterowanego rytmem komór z tym, ze zamiast zespolem QRS jest on sterowany zalamkiem P

elektrokardiogramu odbieranym z przedsionka serca. W zwiazku z tym ma dodatkowy uklad opózniajacy, który powoduje opóznienie stymulowania komór (ok. 100 ms.) do momentu, w którym pojawilby sie zespól QRS przy prawidlowej pracy serca.

Schemat blokowy ukladu przedstawia rysunek 8. Wzmacniacz sygnalu elektrycznego serca, o czulosci ±1 mV, jest w tym przypadku sterowany z dodatkowej elektrody wprowadzonej do przedsionka serca. Miedzy dyskryminatorem a generatorem znajduje sie wspomniany uklad opózniajacy. Pozostale bloki sa analogiczne jak w stymulatorze sterowanym rytmem komór.

6

Laboratorium Elektroniki Biomedycznej – Kardiostymulatory.

Rysunek 9 przedstawia schemat stymulatora sterowanego rytmem przedsionków. Niesymetryczny dwustopniowy wzmacniacz sygnalu elektrycznego przedsionka serca (T1, T2), o oporze wejsciowym 10 kΩ i pasmie przenoszenia 10-250 Hz, ma wzmocnienie 300 V/V. Steruje on uniwibrator (T3, T4), który zapewnia odpowiednie opóznienie impulsu stymulujacego w stosunku do sterujacego wzmacniacz zalamka P elektrokardiogramu. Uniwibrator moze byc sterowany zarówno impulsami o polaryzacji dodatniej jak i ujemnej. Synchronizowany sygnalem z ukladu opózniajacego, multiwibratorowy generator (T5, T6) podstawowego rytmu stymulacji (60 imp/min) zawiera uklad refrakcji (T7). Uklad formujacy (uniwibrator T8, T9) czas trwania impulsu stymulujacego steruje wzmacniacz mocy (T10), stymulujacy komore serca. Maksymalna czestosc pracy stymulatora wynosi 125 imp/min.

Pod koniec pracy ogniw zasilajacych, gdy napiecie ulega zmniejszeniu, uklad przestaje byc sterowany sygnalem serca i pracuje jako stymulator sztywny.

4.4. Stymulator blokowany rytmem komór - "on demand" - (na zadanie) Stymulator tego rodzaju jest urzadzeniem najbardziej podobnym w dzialaniu do awaryjnie zastepczego pomocnika serca. Jego schemat blokowy jest praktycznie identyczny ze schematem stymulatora sterowanego komora, pokazywanym na ryunku.7

z tym, ze generator czestosci rytmu nie jest synchronizowany, lecz blokowany zespolami QRS. Dzieki temu dopóki istnieja naturalne zespoly komorowe stymulator nie pracuje, tzn. nie wytwarza w ogóle impulsów stymulujacych. Dopiero w przypadku, gdy po kolejnym zespole ORS w czasie ok. 1,1 s nie pojawia sie nastepny zespól QRS, generator wytwarza swój impuls stymulujacy. Nastepnie znowu czeka przez 1,1 s na ewentualne pojawienie sie naturalnego zespolu QRS, a w razie jego braku ponownie stymuluje itd. W ten sposób nawet w razie wystapienia calkowitego bloku czynnosc serca nie spada ponizej 55 imp/min.

Pod wzgledem efektu fizjologicznego dzialanie stymulatora "na zadanie" jest takie samo, jak stymulatora sterowanego rytmem komór. Cechuje go jednak mniejszy pobór mocy ze zródel zasilajacych, poniewaz energia jest dostarczana do serca tylko w momentach, gdy stymulator wysyla impulsy pobudzajace serce.

Schemat stymulatora "on demand" przedstawia rysunek 10. Stymulator ten zasilany jest z ogniwa atomowego wykorzystujacego energie rozpadu plutonu 238. Wydzielajaca sie energia cieplna zamieniana jest w stosie na niskie napiecie stosu termoelektrycznego, stymulator zasilany jest poprzez przetwornice zbudowana na tranzystorze T10.

Generator zbudowany jest na tranzystorach T4, T6, T7, T8. Okres pomiedzy impulsami wyznacza RT i CT. CT laduje sie przez RT dopóki napiecie na bazie T8 nie osiagnie wartosci U8 równej Uodn. Wtedy tranzystor T8 zostaje wysterowany powodujac rozladowanie CT przez T4. Stala czasowa = CPSP wyznacza czas trwania impulsu.

Stopien wyjsciowy zbudowany na T9 pracuje jako klucz. Histereze, czyli róznice w czasie zadzialania, gdy stymulator jest i nie jest blokowany zalamkiem R zapewnia uklad zlozony z T5, RH, CH.

CH podczas trwania impulsu wyjsciowego jest przez T5 naladowywany do napiecia

+UZ, okres pomiedzy impulsami jest mniejszy, gdyz CT jest doladowywany z CH przez RH. Gdy CT zostanie rozladowany przez wystepujacy zalamek R i impuls wyjsciowy nie jest generowany czas ladowania CT do Uodn jest wiekszy. Tak wiec po samoistnie wystepujacym skurczu serca czas oczekiwania do wygenerowania impulsu jest wiekszy niz odstep miedzy generowanymi impulsami, gdy serca samo nie pracuje.

Na tranzystorach T1, T2, T3 zbudowany jest wzmacniacz zalamka R i uklad refrakcji.

7

Laboratorium Elektroniki Biomedycznej – Kardiostymulatory.

Po impulsie stymulatora T1 zostaje silnie przesterowany i powoduje naladowanie sie CR

do napiecia o ok. 600 mV wiekszego niz w statycznym punkcie pracy, blokujac na czas ok. 300 ms. (zalezny od stalej czasowej RR i CR) wzmacniacz. Uklad blokowania generatora sterowany jest przez uklad zlozony z CREV, R i diody D, który zapobiega zbyt czestemu wyzwoleniu tranzystora T4 , gdyz po kolejnym impulsie musi uplynac troche czasu (ok. 100 ms.) aby CREV mógl sie rozladowac.

4.5. Zródla zasilania stymulatorów implantowanych Podstawowym problemem w stymulatorach implantowanych (za wyjatkiem stymulatorów radiowych) jest trwalosc zródel zasilania. Z dostepnych obecnie ogniw w stymulatorach zastosowanie znalazly:

- ogniwa rteciowe (czas zycia 3-5 lat),

- ogniwa litowe (czas zycia 10 lat),

- ogniwa atomowe (czas zycia 10 lat),

- ogniwa biologiczne - w próbach,

- mechaniczne przetworniki energii - w próbach.

Poczatkowo stosowane glównie byly ogniwa rteciowe RMV-W (Wallory Bet.Comp.). Charakteryzuja sie one maksymalnym czasem pracy ok. 5 lat (praktycznie 3). Napiecie 1,35 V, pojemnosc 1000 mAh (w temp. 25°C). Po tym okresie stymulator musial byc wymieniony. Ogniwa atomowe o przewidzianym czasie pracy ponad 10 lat zostaly wprowadzone w latach siedemdziesiatych. Wykorzystuja one energie plutonu 238. Ogniwa atomowe ze wzgledu na cene i bezpieczenstwo nie uzyskaly duzej popularnosci.

Zródla litowe wprowadzone do zasilania stymulatorów po roku 1975 rozwiazaly wiele problemów, gdyz przewidywany czas ich pracy wynosi 8-12 lat. Charakteryzuja sie one duza pojemnoscia, niewielkimi gabarytami (niewielkim ciezarem) i znajduja najszersze zastosowanie.

Ogniwa biologiczne, znajdujace sie obecnie w stadium prób, wykorzystuja jako elektrolit plyny ustrojowe. Obecnie jeszcze nie stosowane (chociaz rokuja one duza nadzieje).

4.6. Kontrola stanu zuzycia zródel zasilania stymulatorów Uszkodzenie lub wyczerpanie sie stymulatora moze spowodowac powstanie duzego zagrozenia dla zycia chorego. Dlatego tez przeprowadza sie okresowe badania stanu stymulatora i na tej podstawie wnioskuje o stanie wyczerpania jego baterii.

Stosuje sie nastepujace metody:

- badania radiologiczne,

- badania czestosci impulsów,

- analiza parametrów impulsów odebranych z ciala pacjenta.

W ogniwach rteciowych wraz z zuzywaniem sie rosnie warstwa rteci wytracona koncentrycznie powodujac powstanie wyraznych zaciemnien na obrazie radiologicznym ogniwa (prostopadlym do osi ogniwa).

Konstrukcja wszystkich wspólczesnych stymulatorów jest taka, ze powoduje zmniejszenie czestosci impulsów wraz z wyczerpaniem sie baterii. Szczególowe dane firmowe podaja, przy jakiej dla danego typu stymulatora zmianie czestosci urzadzenie kwalifikuje sie do wymiany. Metoda ta szczególnie nadaje sie do celów samokontroli przez pacjentów.

8

Laboratorium Elektroniki Biomedycznej – Kardiostymulatory.

Typowy obraz impulsów odbieranych z ciala pacjenta przedstawia rysunek 11.

Wyróznia sie nastepujace parametry impulsów:

- okres powtarzania impulsów T

- szerokosc impulsów t

- amplituda czola impulsów A

- stala czasowa impulsów.

Pomiaru okresu dokonuje sie po przelaczeniu stymulatora na rytm sztywny.

Dane firmowe podaja dopuszczalna zmiane T od czestosci poczatkowej, przy której stymulator nalezy wymienic. Pomiary A, t pozwalaja nie tylko na ocene stanu zuzycia ogniw stymulatora, ale i na wyciagniecie pewnych wniosków o ukladzie stymulator-elektroda-serce. Zasadniczo maja one znaczenie diagnostyczne dla jednego pacjenta i danego egzemplarza (typu) stymulatora. Pomiaru A dokonujemy zwykle w trzech odprowadzeniach.

Rysunek 1 –SCHEMAT

a) stezen jonów K+, Na+ i Cl- wewnatrz i na zewnatrz komórki dla krzywych potencjalu czynnosciowego; b) komórki wezla bodzcotwórczego; c) komórki miesnia komory serca;

0 – faza depolaryzacji; 1 – faza poczatkowej repolaryzacji, 2 – faza wstepnej repolaryzacji, 3 – faza szybkiej repolaryzacji, 4 – faza depolaryzacji spoczynkowej Rysunek 2

– Schemat ukladu

przewodzacego serca i kierunków

rozchodzenia sie pobudzenia.

1- wezel zatokowy,

2- wezel przedsionkowo-komorowy,

3- odnogi peczka Hisa.

9

Laboratorium Elektroniki Biomedycznej – Kardiostymulatory.

Rysunek 3 – Krzywa pobudliwosci

(ozn. EKSC.) w odniesieniu do

krzywej EKG.

P - okres refrakcji bezwzglednej

W - okres nadwrazliwosci

S – okres nadpobudliwosci

Rysunek 4 – Schemat ideowy stymulatora radiowego

Rysunek 5 – Stymulator o rytmie sztywnym

10

Laboratorium Elektroniki Biomedycznej – Kardiostymulatory.

Rysunek 6 – Stymulator o rytmie sztywnym

Rysunek 7 – Schemat blokowy stymulatora sterowanego rytmem komór Rysunek 8 – Schemat blokowy stymulatora sterowanego rytmem przedsionków 11

Laboratorium Elektroniki Biomedycznej – Kardiostymulatory.

Rysunek 9 – Stymulator sterowany rytmem przedsionków 12

Laboratorium Elektroniki Biomedycznej – Kardiostymulatory.

Rysunek 10 – Stymulator synchronizowany ‘on-demand’

a) schemat blokowy

b) schemat ideowy

c) schemat przetwornicy

13

Laboratorium Elektroniki Biomedycznej – Kardiostymulatory.

Rysunek 11 – Sygnal wyjsciowy stymulatora

Rysunek 12 – Model stopnia wyjsciowego stymulatorów

Rysunek 13 – Uklad polaczen do badan stymulatorów o rytmie sztywnym Rysunek 14 – Uklad polaczen do badan stymulatorów synchronizowanych 14

Laboratorium Elektroniki Biomedycznej – Kardiostymulatory.

IMPLANTOWANE STYMULATORY SERCA - program cwiczenia 1. Badanie stymulatorów o rytmie sztywnym

a/ stymulator EM 152 B/70

b/ stymulator dwubiegunowy

- uklad polaczen wg rysunku 13,

- zarejestrowac wplyw Robc na ksztalt impulsów wyjsciowych /zbadac wplyw Robc na T, t, τ, A/,

- zbadac zaleznosc czestosci i szerokosci impulsów od napiecia zasilania, narysowac charakterystyki, zaznaczyc nominalny punkt pracy /Uogn = 1.35 V, Robc = 500Ω/.

2. Badanie stymulatorów synchronizowanych i 'on demand'

a/ stymulator synchronizowany typu EM 153 B/70

b/ stymulator synchronizowany typu IRP 44

c/ stymulator synchronizowany typu LEM Cardioguard

d/ stymulator synchronizowany typu EM 158 C/70

- uklad polaczen wg rysunku 14,

- zarejestrowac wplyw Robc na ksztalt impulsów wyjsciowych /zbadac wplyw Robc na T, t, τ, A/ - generator impulsów synchronizujacych odlaczony,

- zbadac zaleznosc czestosci i szerokosci impulsów od napiecia zasilania, narysowac charakterystyki, zaznaczyc nominalny punkt pracy /Uogn = 1.35 V, Robc = 500Ω/

/generator- impulsów synchronizujacych odlaczony/,

- podlaczyc generator impulsów synchronizujacych, amplituda 5mV /za dzielnikiem 1:100/, zmieniajac czestosc impulsów doprowadzic do synchronicznej pracy, wykreslic zaleznosc czestosci stymulatora od czestosci impulsów synchronizujacych i na tej podstawie okreslic czas refrakcji stymulatora,

- okreslic czulosc wzmacniacza wejsciowego stymulatorów jako minimalna amplitude impulsów synchronizujacych, przy której nastepuje pewne dzialanie ukladów,

- zbadac wplyw dzialania przelacznika magnetycznego na prace stymulatora, okreslic odleglosc, dla której przelacznik dziala pewnie.

3. Przyjmujac schemat zastepczy stymulatora jak na rys. 12 obliczyc :

- teoretyczny przebieg napiecia na Robc

- teoretyczny przebieg pradu plynacego przez Robc

- sredni prad pobierany ze zródla zasilania

- energie wydzielana w Robc

15

Laboratorium Elektroniki Biomedycznej – Kardiostymulatory.

Opis ukladów uzytych w cwiczeniu

a/ stymulator EM 152 B/70 - rys. 15a

Dane techniczne

czestosc

68 - 72 imp/min

amplituda

6.5 V

t

1.6 - 2.0 ms

ilosc bat

5

b/ stymulator dwubiegunowy - rys. 15b

Dane techniczne

czestosc

68 - 72 imp/min

amplituda

6.5 V

t

1.6 - 2.0 ms

ilosc bat

5

c/ stymulator EM 153 B/70 - rys. 15c

Dane techniczne

czestosc wlasna 68 - 72 imp/min

maksymalna czestosc synchroniczna ok. 120 /150/ imp/min A

5V

t

1.6 – 2.0 ms

minimalna czulosc wzmacniacza 3 mV

ilosc bat

4

d/ stymulator IRP 44 - rys. 15d

Dane techniczne

Czestosc

70 imp/min

Amplituda

5 V

T

l.8 ms

e/ stymulator LEM Cardioguard — rys. 15e

Dane techniczne

Czestosc

68 - 72 imp/min

Amplituda

6.5 - 6.9 V

T

1.0 - 1.2 ms

ilosc bat

6

f/ stymulator EM 158 B/70 - rys. 15-F

Dane techniczne

Czestosc

68 - 72 imp/min

Amplituda

6.5 V

T

0.8 - 1.1 ms.

czestosc wylaczajaca 250 imp/min

ilosc bat

5

16

Laboratorium Elektroniki Biomedycznej – Kardiostymulatory.

Klasyfikacja stymulatorów implantowanych.

W ciagu ostatnich kilku lat róznorodnosc typów stymulatorów i ich zróznicowanie w zaleznosci od zastosowan znacznie wzrosly. Klasyfikacja ISO, poczatkowo trzyliterowa, rozrosla sie do uzywanej obecnie piecioliterowej, a i ta ostatnio przestaje wystarczac; nie przewiduje np. stymulatorów zmieniajacych czestosc rytmu proporcjonalnie do wysilku, na podstawie pomiaru róznych wielkosci fizycznych, nie tylko EKG.

Klasyfikacja stymulatorów wyglada nastepujaco:

1. Litera pierwsza oznacza stymulowana czesc serca; A - przedsionek /atrium/, V - komora /ventricle/, D - przedsionek i komora /dual/. W tej pozycji kodu nie moze znajdowac sie O, /O w tym wypadku oznaczaloby brak mozliwosci stymulacji serca - oznaczane urzadzenie nie jest stymulatorem/.

2. Litera druga oznacza czesc serca, która steruje praca stymulatora. Moze to byc A, V, D a takze O dla stymulatora o stalym rytmie.

W dwu pierwszych pozycjach kodu moze wystapic równiez litera S /single/

/zamiast A lub V/, oznaczajaca, ze stymulator ten moze byc uzyty do stymulacji przedsionków lub komór /dopasowany do warunków pracy przez zaprogramowanie/. Litera S zamienia sie wówczas na A lub V po polaczeniu stymulatora w czasie implantacji z odpowiednio usytuowana elektroda.

3. Litera trzecia oznacza sposób sterowania:

I - inhibited - blokowany odebranym z elektrody zalamkiem P lub R.

T - triggered - wyzwalany odebranym sygnalem.

W trzeciej pozycji kodu moze równiez znalezc sie O - dla aparatów o rytmie stalym. Rodzaj pracy typu AOO lub VOO mozna zaprogramowac czasowo w wielu stymulatorach, a wystepuje on w kazdym w chwili przylozenia nad stymulatorem magnesu 'testowego', w czasie kontroli parametrów impulsów stymulatora i jego skutecznosci /niezbedne, jesli podczas kontroli pacjent ma rytm wlasny szybszy od czestosci podstawowej stymulatora i aparat jest blokowany/.

Litera D w trzeciej pozycji ma inne znaczenie niz w poprzednich. Oznacza zastosowanie obu rodzajów reakcji na przyjety sygnal /I lub T/.

4. Litera czwarta, oznaczajaca sposób programowania stymulatora, jest poczatkiem rozbudowy kodu trójliterowego. Programowanie, tj. ustawianie nowych wartosci parametrów technicznych stymulatora po wszczepieniu, za pomoca zewnetrznego programatora, jest w ciagu ostatnich lat coraz bardziej rozbudowane, aby moc 'dopasowac' stymulator do aktualnych potrzeb pacjenta. Programowanie najprostsze, tj. czestosci podstawowej rytmu stymulatora i energii impulsu /dopasowanie do progu pobudliwosci serce -

elektroda/ jest oznaczone w tej pozycji litera P.

5. Litera piata kodu oznacza rodzaj funkcji antyarytmicznej stymulatora. Kazdy

'zwykly' stymulator w momencie przylozenia nad nim magnesu przechodzi na rytm staly, 'klócac sie' z rytmem spontanicznym serca. Gdy zastosujemy ten manewr w czasie czestoskurczu /tzw. metoda underdrive/, którys kolejny impuls stymulatora pozwoli na przerwanie czestoskurczu.

N - /normal/ - funkcja antyarytmiczna jest zalaczana swiadoma interwencja pacjenta.

B /burst - seria/ lub S /scanning/ - funkcja antyarytmiczna jest wlaczana automatycznie po skokowej zmianie czestosci serca.

17

Laboratorium Elektroniki Biomedycznej – Kardiostymulatory.

Postep techniczny w stymulatorach implantowanych /wszczepialny komputer/.

Rozbudowanie funkcji stymulatorów, wprowadzenie stymulatorów

'fizjologicznych' - przedsionkowo-komorowych, protezujacych zarówno rytm zatokowy, jak i przedsionkowo-komorowy, programowalnosc wszystkich funkcji, wprowadzenie stymulatorów antyarytmicznych, staly sie mozliwe dzieki rozwojowi mikroelektroniki, a ostatnio i mikroinformatyki. Rozpoznawanie czestoskurczu, reakcje na wzrost czestosci przedsionków itp. wymaga uzycia mikroprocesorów. Nastepnym elementem bylo wprowadzenie tzw. telemetrii dwustronnej, a wiec nie tylko przekazywanie informacji programowanych od operatora do wszczepionego aparatu, ale równiez informowanie operatora o aktualnych wartosciach zaprogramowanych parametrów trudnych do zmierzenia /np. wzmocnienie wzmacniacza wejsciowego/.

Stad juz tylko krok do informowania lekarza o wartosciach nieprogramowalnych, a wiec np. o stanie baterii, impedancji elektrod i o odbieranych z elektrody informacjach czynnosci serca - liczbie czestoskurczów, ich czasie trwania, sposobie przerwania.

Dochodzimy powoli do pojecia 'implantowany system Holtera', w którym liczba uzyskiwanych informacji zalezy tylko od pojemnosci pamieci zawartych w stymulatorze. Nowoczesny stymulator zawiera procesor, pamiec programu i danych, uklad we/wy, uklad telemetrii /dwukierunkowa lacznosc z operatorem/. Stymulator taki moze zapewnic równiez ciagla transmisje EKG wewnatrzsercowego z zaznaczeniem równoleglej czynnosci stymulatora.

W zakresie mechanicznych wlasnosci stymulatorów, pomimo wzrostu komplikacji elektroniki aparaty ulegaja ciaglemu zmniejszaniu /osiagaja obecnie mase 20g i grubosc 4mm/. Stosowane sa obudowy z tytanu, spawane laserem w atmosferze argonu. Bateria litowa zapewnia czas pracy rzedu 10 lat, a wiec dla ogromnej wiekszosci pacjentów /sredni wiek pacjenta w chwili pierwszej implantacji - 70 lat, sredni czas przezycia - 8 lat/ jeden stymulator wystarcza do konca zycia.

Implantowane defibrylatory i kardiowertery.

Energia dostarczana do kardiowersji przy zastosowaniu elektrod wewnatrzsercowych i nasierdziowych miesci sie w zakresie do 2Ws /J/, do defibrylacji migotania komór na ogól ponizej 20 Ws, zwlaszcza jesli zabieg jest przeprowadzony w pierwszej minucie.

Obecnie przewaza w zastosowaniach klinicznych /juz tysiace wszczepien/ defibrylator -

kardiowerter Mirowskiego, produkowany przez Cardiac Aids /CPI/. Jest to urzadzenie dosc ciezkie /200g/ i duze, wymagajace dwóch elektrod /wewnatrzsercowej i nasierdziowej/, umozliwiajace kardiowersje i defibrylacje czestoskurczu i migotania komór. Migotanie jest rozpoznawane na podstawie braku prazków w widmie gestosci mocy EKG, analizowanym przez urzadzenie na biezaco. Prowadzone sa prace, w tym doswiadczenia kliniczne, nad aparatami zawierajacymi równolegle stymulator i defibrylator.

18

Oznaczenia stymulatorów

X X X X X

A-przedsionek

A-przedsionek

I-blokowany zalamkiem P lub R

P-programowanie

N-swiadoma interwencja pacjenta

V-komora

V-komora

T-wyzwalany odebranym

B lub S- funkcja antyrytmiczna

D-Przedsionek+komora (dual) D-dual

sygnalem

jest wlaczana automatycznie po

O-stymulator o stalym rytmie O-rytm sztywny

Oznacza mozliwosc

skokowej zmianie czestosci serca

Zamiast A i V moze byc S

D-oznacza zastosowanie obu

programowania czestosci

rodzajów reakcji na przyjety

rytmu, energii imp.

Oznacza stymulowana

sygnal (I lub T)

Oznacza rodzaj funkcji

czesc serca

Oznacza czesc serca,

antyrytmicznej

która steruje praca

stymulatora

Oznacza sposób sterowania