淺析植入式人工心臟起搏器的原理及其應(yīng)用

1. 引言

正常情況下，人體心臟右心房的竇房結(jié)能自動地、有節(jié)律地發(fā)出電脈沖，通過心肌神經(jīng)傳導(dǎo)系統(tǒng)向心臟各部位發(fā)出指令，使心肌收縮，心臟跳動，向全身泵送血液。若心肌神經(jīng)傳導(dǎo)系統(tǒng)發(fā)生障礙或者竇房結(jié)、房竇結(jié)不能有規(guī)律地發(fā)出電脈沖、下傳電脈沖，心臟就會出現(xiàn)心律失常，甚至停跳，危及患者生命。人工心臟起搏器可以對患病的心臟根據(jù)需要根據(jù)需要給予直接電刺激，人為地使心跳正常起來。人工心臟起搏器在形式上可分為體外臨時起搏型和植入式(或稱永久性或埋藏式)兩種，前者供急救性臨時起搏，后者供長期性起搏治療。本文主要討論的是植入式人工心臟起搏器，即一般意義上的心臟起搏器。

2.人工心臟起搏器的原理和構(gòu)造

人工心臟起搏器是一種很精巧的、可靠程度很高的電脈沖刺激器，是應(yīng)用一定型式的起搏脈沖發(fā)生器，與特制的導(dǎo)線(即：起搏導(dǎo)管電極)連接，和起搏電極發(fā)送電脈沖刺激心臟，使激動不能或傳導(dǎo)不好的心臟應(yīng)激而起搏的醫(yī)療電子儀器。

人工心臟起搏器主要由以下兩個部分組成：

(1)起搏導(dǎo)管電極：它一方面將起搏器的輸出信號引向心肌進行起搏，另一方面將感知到心臟自身搏動的信號(腔內(nèi)心電圖ICG)反饋給起搏器以控制起搏脈沖的發(fā)放。它是心內(nèi)膜電極，目前已由早期的單極發(fā)展到雙極，甚至多極。作為長期起搏的導(dǎo)管電極必須是用生物相容性好、韌性好、抗老化、耐腐蝕的材料制成。電極導(dǎo)線通常采用愛爾近合金(Elgiloy)或用鎳D鉻D鈷D鉬合金絲繞成螺旋管。導(dǎo)線的外層絕緣材料都選用高純硅橡膠或醫(yī)用聚氨酯[3]。電極頭的材料以表面活化各向同性低溫?zé)峤馓蓟蜚K為優(yōu)。

(2)起搏脈沖發(fā)生器：它由起搏電路、電池和金屬外殼組成。起搏器的能源需是體積小、容量大、緩慢釋放能量、密封性能好及性能可靠的電池，目前國內(nèi)外植入式起搏器普遍使用鋰D碘電池，使起搏器的連續(xù)使用壽命達到了10年以上。由于金屬鈦生物相容性好，毫無銹蝕，故目前起搏器外殼都采用鈦材料拉伸成型，體型各部以較大的圓弧連接，采用激光焊接進行封裝[1]。從20世紀80年代起起搏電路開始普遍采用集成電路來制造起搏器的主體電路;并將CMOS ASIC起搏芯片與電阻、電容、干簧管等電子元件一起安裝在陶瓷基片上構(gòu)成混合型(Hybrid)厚膜集成電路作為起搏電路的標(biāo)準部件[3]。

3.人工心臟起搏器的適應(yīng)癥

(1)高度或完全性房室傳導(dǎo)阻滯伴有阿-斯綜合征或暈厥發(fā)作者。無癥狀、心率50次/分或QRS寬大畸形且心室停搏>2秒為相對適應(yīng)癥。

(2)完全性或不完全性三束支和雙束支阻滯伴有間歇或陣發(fā)性完全性房室傳導(dǎo)阻滯，或心室率4O次/分者;雙束支阻滯伴有阿-斯綜合征或暈厥發(fā)作者;交替出現(xiàn)的完全性左右束支阻滯，希氏束圖證實H-V延長者。

(3)二度Ⅱ型房室傳導(dǎo)阻滯伴阿一斯綜合征或暈厥發(fā)作者。持續(xù)二度Ⅱ型房室傳導(dǎo)阻滯、心室率5O次/分而無癥狀為相對適應(yīng)癥。

(4)病態(tài)竇房結(jié)綜合征有如下表現(xiàn)者：嚴重竇性心動過緩，心室率45次/分，嚴重影響器官供血，出現(xiàn)心衰、心絞痛、頭暈、黑;心動過緩、竇性靜止或竇房阻滯，R-R間期>2秒伴有暈厥或阿-斯綜合征發(fā)作;心動過緩-心動過速綜合征伴有暈厥或阿-斯綜合征發(fā)作。

(5)用抗心動過速起搏器或自動復(fù)律除顫器、異位快速心律失常藥物治療無效者。

(6)反復(fù)發(fā)作的頸動脈竇性昏厥和心室停跳者。

4.人工心臟起搏器的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀

人工心臟起搏器在臨床上的廣泛應(yīng)用，使過去藥物治療無效的嚴重心律失常患者得到救治，大大降低了心血管疾病的死亡率，是近代生物醫(yī)學(xué)工程對人類的一項重大貢獻。

1932年美國的胸外科醫(yī)生Hyman發(fā)明了第一臺由發(fā)條驅(qū)動的電脈沖發(fā)生器，借助兩支導(dǎo)針穿刺心房可使停跳的心臟復(fù)跳，他命名為人工心臟起搏器(Artificial Pacemaker)，從而開創(chuàng)了用人工心臟起搏器治療心律失常的偉大時代。

起搏器真正用于臨床是在1952年。美國醫(yī)生Zoll用體外起搏器，經(jīng)過胸腔刺激心臟進行人工起搏，搶救了兩名瀕臨死亡的心臟傳導(dǎo)阻滯病人，從而推動了起搏器在臨床的應(yīng)用和發(fā)展。1958年瑞典Elmgrist，1960年美國Greatbatch分別發(fā)明和臨床應(yīng)用了植入式心臟起搏器。從此起搏器進入了植入式人工心臟起搏器的時代，朝著長壽命、高可靠性、輕量化、小型化和功能完善的方向發(fā)展。

早期的起搏器是固有頻率型(或非同步型)，只能搶救和治療永久性房室傳導(dǎo)阻滯、病態(tài)竇房結(jié)綜合征等病癥，對間歇性心動過緩不適用，不能與患者自身心律同步，會發(fā)生競爭心律而導(dǎo)致更嚴重的心律失常。為此，20世紀60年代中期先后出現(xiàn)了同步型起搏器，其中房同步觸發(fā)型(VAT型)起搏器是專門用于房室傳導(dǎo)阻滯，而心室按需型(VVI)是目前國內(nèi)外最常用的心臟起搏器。為了使心臟起搏器與心臟自身的起搏功能相接近[1][3]，70年代又相繼出現(xiàn)了更符合房室順序起搏的雙腔起搏器(DVI)，和能治療各種心動過緩的全能型起搏器(DDD)。至此，起搏器的基本治療功能已開發(fā)完全。

到了20世紀80年代，起搏器除了輕量化、小型化的改進外，還出現(xiàn)了程控和遙測的功能，利用體外程控器(Programmer)可對植入體內(nèi)的起搏器進行起搏模式、頻率、幅度、脈寬、感知靈敏度、不應(yīng)期、ADV延遲等參數(shù)的程控調(diào)節(jié);還可對起搏器的工作狀態(tài)進行監(jiān)測，將工作參數(shù)、電池消耗、心肌阻抗、病人資料乃至心腔內(nèi)心電圖，由起搏器發(fā)送至體外程控器中的遙測接收器進行顯示[3]。90年代，起搏器又在抗心動過速和發(fā)展更適應(yīng)人體活動生理變化方面取得了進展，出現(xiàn)了抗心動過速起搏和頻率自適應(yīng)起搏器(DDDR)，使人工心臟起搏器成為對付致命性心律失常的有效武器。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，目前已出現(xiàn)了性能更高的雙心室/雙心房同步三腔起搏器，以及具有除顫功能的起搏器。

5.人工心臟起搏器標(biāo)識碼

北美起搏和電生理學(xué)會(NASPE)與英國起搏和電生理組織(BPEG)以表1為識別編碼。

一般情況下使用前三個識別碼識別起搏器的起搏腔、感知腔和對感知(P或R波，或兩者)的響應(yīng)模式。供選擇的第四個位置代表兩種不同功能之一：程控能力或頻率自適應(yīng)起搏。P代表一或兩種簡單的程控功能;M代表多種功能程控，它包括模式、不應(yīng)期、感知靈敏度和脈寬。C表明信息傳遞或通過一個或多個生理學(xué)變量的測量進行自適應(yīng)起搏頻率控制。第五位表示特殊的抗快速性心律失常特點：P代表抗快速性心律失常起搏，S表示心律復(fù)轉(zhuǎn)或除顫電休克，D表示雙重功能(起搏和休克)。在所有位置里，O指明類屬或功能都沒有提供。

表1：NASPE/ BPEG(NBG)起搏器標(biāo)識碼[2]

6.人工心臟起搏器的未來展望

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，植入式心臟起搏器已不僅應(yīng)用于治療心臟傳導(dǎo)阻滯、慢D快綜合征等嚴重心律失常，同時還顯示了它的許多新的治療作用。這些新的適應(yīng)癥包括：直立性低血壓、惡性神經(jīng)心源性暈厥(迷走神經(jīng)性)、先天性QDT間期延長綜合征和單純性PR間期延長。它們將是起搏器未來的應(yīng)用方向之一。

而以低功耗的微處理芯片為核心部件的起搏電路，將使起搏電路的性能由軟件來修改，將改變目前采用全定制(ASIC)設(shè)計，每次改進都花費很多人力物力和時間的狀況，將大大減少新型起搏電路的開發(fā)周期和成本。

隨著計算機技術(shù)、遙測技術(shù)等新技術(shù)的發(fā)展，將來可能出現(xiàn)完全自動化的起搏器。這種自動化的脈沖發(fā)生器能夠根據(jù)患者電生理學(xué)的基本情況自動適應(yīng)，借助于時間周期的分析、傳感器的輸入和自動解釋所存儲的資料以確定最適宜的起搏方式。起搏器能夠自動地測定心房、心室的起搏和感知閾值，并根據(jù)傳感器資料自動地程控基礎(chǔ)頻率[4]。

【參考文獻】

[1] 劉國亮，顧九皋. 實用人工心臟起搏技術(shù)學(xué). 南京出版社. 1991.5

[2] 黃體鋼等. 實用心臟起搏術(shù). 天津科學(xué)技術(shù)出版社. 1993.12

[3] 方祖祥. 心臟起搏器的技術(shù)進展. 世界醫(yī)療器械. 1998.4

[4] 郭繼鴻，張海澄. 心臟起搏器的最新進展. 北京醫(yī)科大學(xué)出版社. 2000.9