Электрокардиостимуляторов

 

Электрокардиостимуляторы (ЭКС) в широкой клинической практике стали применяться лишь с 1958 г. Такие биотехнические системы медицинской техники (БТС-МТ) относятся к системам с энергетическим управлением. Приведем краткий исторический обзор применения ЭКС. Большинство ЭКС предназначено для лечения блокады сердца (блокады атриовентрикулярного узла) - такого патологического состояния, когда желудочки электрически не связаны с предсердиями и сокращаются с меньшей частотой. Для лечения указанных нарушений работы сердца сначала были созданы ЭКС с фиксированной частотой стимуляции f_СТ = const. Первоначально электроды прикладывали снаружи к стенке грудной клетки, а частоту сокращения желудочков увеличивали воздействием импульсов напряжения относительно большой амплитуды (100 – 150 В). Естественно, что эти электрические разряды вызывают сильное болевое ощущение, поэтому пациенты, находящиеся в сознании, не могут длительно переносить такую внешнюю стимуляцию. В настоящее время этот метод используется в случае экстренной помощи при остановки сердца.

Затем стали применять ЭКС, у которых электроды пришивались к поверхности желудочков (к эпикарду) при хирургическом вскрытии грудной клетки, (торакотомии). В этом случае соединительные провода от электродов проходят сквозь кожу и подключаются к ЭКС, который носится как ранец на теле пациента. Обычно, он прикрепляется ремнем на поясе или на руке выше локтя. Достоинство, этой методики - простота замены источника питания — не окупается, так как возможность занесения инфекции в месте ввода, проводов и легкость случайного их обрыва - являются, крупными недостатками такой конструкции аппарата.

Позже был разработан ЭКС, который вместе с электродами полностью вживлялся в тело. Этот ЭКС имеет аккумулятор и виток связи. Периодически с помощью внешнего зарядного устройства (специального передатчика) производится подзарядка аккумулятора. Такая система свободна от недостатков предыдущей, однако ее отрицательное свойство выражается в том, что нужна довольно, частая периодическая подзарядка, а зарядный передатчик - весьма дорогое устройство.

Для прикрепления электродов к эпикарду требуется серьезная хирургическая операция, выполняемая под общим наркозом. В ряде случаев такая операция опасна для пожилых людей, а именно у них чаще всего возникает блокада сердца. Поэтому был разработан метод эндокардиальной стимуляции, состоящий в том, что специальный электрод вводят непосредственно в сердце (в правый желудочек - в область эндокарда) через яремную вену и соединяют со стерилизованным проводником специальной конструкции. Коробочка электрокардиостимулятора вживляется под кожу в процессе операции под местным обезболиванием. Процедура введения электрода через вену происходит без применения наркоза. Эта методика позволяет избежать риска серьезной операции на грудной клетке; в настоящее время она применяется во многих клиниках для длительно вживляемых имплантируемых стимуляторов.

Под ЭКС понимают – аппарат для электрической стимуляции сердца. Имплантируемый ЭКС – аппарат, предназначенный для введения в тело человека с помощью хирургического вмешательства, которое остается в организме человека на долгие годы. ЭКС является активным устройством, работа которого обеспечивается автономным источником питания. При длительном использовании ЭКС требуется неоднократное применение внешнего контрольно-программирующего устройства для выбора рабочей программы и последующей корректировки параметров ЭКС.[6]

ЭКС содержит заключенные в корпус электронный блок и источник питания, обеспечивающие формирование стимулирующих импульсов в течение всего срока использования [6]. Если речь идет об однокамерной стимуляции, то электрод, как правило, устанавливается в правом желудочке, в этом случае электрические импульсы от генератора запускают ритмичное сокращение желудочков. Двухкамерные системы ЭКС нуждаются в двух электродах, один из которых укрепляется в правом предсердии, поэтому предсердие и желудочек могут стимулироваться последовательно [2].

Различные медицинские показания и соответствующие технические решения, требуют разработки различных типов ЭКС в зависимости от их функциональных взаимоотношений с собственной электрической деятельностью сердца.

Под имплантируемыми ЭКС понимаются полностью вживляемые в организм системы «Симулятор – электроды».

Все имплантируемые ЭКС в соответствии с принципом функционирования делятся на два класса – биоуправляемые и не биоуправляемые (рис.6).

Не биоуправляемые ЭКС характеризуются асинхронным режимом работы при котором частота генерируемых стимулирующих импульсов, не зависит от электрической активности сердца [6].

Для биоуправляемых ЭКС характерны два режима работы: автоколебательный, стимулирующий работу желудочков (предсердий) сердца с установленной базовой частотой при отсутствии естественной электрической активности сердца, и запрещающий (ждущий), при котором блокируется формирование выходного стимулирующего импульса при восстановлении естественной электрической активности желудочков (предсердий) сердца [6].

Не биоуправляемые ЭКС имеют один автоколебательный асинхронный режим с постоянной частотой стимуляции f_ст= const. Структурная схема такого ЭКС не имеет обратной связи и не предусматривает возможность восстановления собственных сокращений сердца. При этом применяются два электрода:

 

Рис.6. Классификация ЭКС в соответствии с принципом функционирования

 

· активный, который прикрепляется к миокарду правого желудочка, либо вводится через вену в область правого желудочка.

· пассивный (индифферентный), которым является коробочка ЭКС, вживляемая под кожу и содержащая микросхемы и источник питания.

Недостатком этих ЭКС является то, что восстановленный естественный нормальный ритм сердца начинает конкурировать с ритмом, который навязывает ЭКС. В результате этого могут возникать нарушения работы сердца, опасные для жизни пациента (аритмия или фибрилляции желудочков).

Биоуправляемые ЭКС могут работать в двух режимах: один – автоколебательный с постоянной частотой стимуляции, а второй - либо ждущий (запрещающего типа), при котором отключается стимуляция в результате восстановления естественных сокращений сердца, - либо в синхронном режиме (синхронизирующего типа) с частотой самостоятельных сокращений сердца.

Сущность работы биоуправляемых ЭКС состоит в том, что при редкой частоте сокращения желудочков или при их полной остановке ЭКС работает в автоколебательном режиме с некоторой постоянной частотой f_ст= const. Таким образом, происходит принудительное навязывание сердцу ритма сокращения.

Однако, если желудочки начинают сокращаться самостоятельно после восстановления проводящих свойств сети Пуркине, ЭКС либо полностью прекращает стимуляцию и переходит в ждущий режим, либо начинает работать с частотой самостоятельных сокращений желудочков.

Структурная схема ЭКС «заперщающего типа» приведена на рис.7(а). Такие ЭКС управляются биопотенциалами желудочка от R-зубца и называются ЭКС желудочко-запрещающего типа.

Принцип действия данного ЭКС состоит в том, что сигнал, снимаемый с электрода (Э_Ж), контактирующего с желудочком (эндокардиальный или эпикардиальный электрод), - биопотенциал R-зубца усиливается усилителем (ПУ) и включает одновибратор (Ов). На его выходе вырабатываются импульсы, длительность, которых пропорциональна R-R интервалу ЭКГ.

 

Рис.7. Структурные схемы ЭКС желудочко-запрещающего (а) и предсердностно-синхронизируемого (б) типов

 

На выходе интегратора (И) получается напряжение, пропорциональное длительности R-R интервала. Оно поступает на схему переключения (СП), имеющую определенный порог срабатывания. В зависимости от длительности R-R интервала возможны два режима работы ЭКС – режим стимуляции или ждущий [2].

При редком сердечном ритме R-R интервал велик, напряжение на выходе интегратора велико, т. е. достаточно для «опрокидывания» схемы переключения. Импульсный генератор (ИГ) начинает работать в режиме стимуляции и через тот же электрод стимулирует сердце. Предварительной регулировкой частота стимуляции импульсного генератора устанавливается примерно на 30 % ниже нормальной частоты сокращений сердца. При восстановлении нормального сердечного ритма R-R интервал сокращается, напряжение с выхода интегратора неспособно опрокинуть схему переключения и импульсный генератор запирается. Возникает ждущий или «дежурный» режим.

Для биоуправляемых ЭКС синхронизированного типа также характерны 2 режима работы: автоколебательный и синхронизируемый. При синхронизируемом режиме — ЭКС, стимулирующий работу желудочков (предсердий) сердца потенциалами (R и P зубцов) формирует выходные стимулирующие импульсы синхронно с естественной электрической активностью желудочков (предсердий). При отсутствии естественной активности желудочков (предсердий) ЭКС работает на базовой частоте в автоколебательном режиме [6]. Структурная схема синхронного ЭКС предсердностно-синхронизируемого типа показана на рисунке 7б. Принцип действия данного ЭКС состоит в том, что сигнал, снимаемый с электрода на предсердии, после усиления в усилителе-ограничителе (УО), поступает на интегратор (И) и блок задержки (БЗ), а оттуда на два входа импульсного генератора (ИГ). В зависимости от ритма сокращения предсердий могут быть использованы два режима работы ЭКС - синхронный или автоколебательный. При высокой частоте сокращения предсердий напряжение на выходе интегратора достаточно велико и достигает порога управляемости импульсным генератором. Импульс с усилителя-ограничителя поступает на вход блока задержки, задерживается в нем примерно на длительность R-R или P-P интервала и запускает импульсный генератор. Выработанный импульс через электрод на желудочке (Эж) стимулирует последний. При понижении частоты сокращения предсердий сигнал на выходе интегратора слишком мал, т.е. недостаточен для управления импульсным генератором через усилитель-ограничитель. Сигнал по цепи задержки не может синхронизировать работу генератора, и он находится в автоколебательном режиме, стимулируя желудочек с постоянной частотой.

Созданы ЭКС, которые способны стимулировать две камеры сердца, например левое предсердие и правый желудочек.

Совершенствование ЭКС идет по пути создания обратной связи по различным физиологическим показателям внутренней среды организма в результате чего меняется частота электростимуляции. Например, введение в схему ЭКС сейсмодатчиков или анализаторов уровня сахара в крови позволит менять частоту стимуляции в соответствии с состоянием пациента, учитывая другие заболевания, не связанные с нарушением работы сердца.

Рассмотрим работу современного мультипрограммируемого однокамерного ЭКС.

Однокамерные ЭКС используются главным образом при брадикардии. В зависимости от показаний их применяют для стимуляции предсердия или желудочка. Возможность мультипрограммирования обеспечивает адаптацию имплантируемого устройства к тому виду лечения, которое оптимально при данных показаниях. Это дает возможность после операционной неинвазивной настройки ЭКС, а кроме того снижает число разновидностей конструкций электродов, принося тем самым экономический выигрыш. Программируемость параметров электрокардиостимуляции не только повышает ее эффективность путем настройки соответствующего порога стимуляции, но и успешно экономит энергию источника питания, что продлевает срок службы ЭКС. Благодаря неинвазивной настройке чувствительности каналов детекции кардиосигналов и при возможности использования моно- и биполярной конфигурации электродов, обеспечивается защита от внешних и внутренних помех. Программирование частоты стимуляции и длительности рефрактерного периода необходимо для оптимизации этих важных кардиологических параметров ЭКС в соответствии с задачами лечения.

Центральным элементом мультипрограммируемого однокамерного стимулятора является блок управляющей логики. В нём заданы величины всех программируемых параметров. Он же устанавливает связь между электрическими потенциалами, поступающими по электроду от сердца, и запрограммированными параметрами. Схема на рис.8 дает общее представление о принципе работы стимулятора [12].

Электрический потенциал сердца через электрод поступает на входной усилитель, где в соответствии с чувствительностью происходит усиление принятого сигнала. Далее сигнал поступает на детектор шума, в котором происходит фильтрация посто-ронних шумов и помех, а затем подаётся на главный тактовый

генератор. Если при анализе принятых сигналов и запрограммированных параметров частота потенциалов сердца меньше на определённую величину, чем запрограммировано, главный тактовый генератор примет решение начать стимуляцию сердца. Главный тактовый генератор формирует стимулирующий импульс, требуемой частоты, который поступает на блок защиты от разгона, где происходит дополнительный контроль стимулирующих импульсов. Далее стимулирующие импульсы поступают на выходной усилитель, в котором усиливаются до необходимой амплитуды. С помощью главного тактового генератора проводят диагностический режим по измерению фактического порога стимуляции неинвазивным методом. Стабильность всех временных соотношений, необходимых для работы главного тактового генератора, обеспечивается кварцевым генератором, характеристики которого настолько стабильны, что практически не изменяются в течение всего срока службы стимулятора.

При возникновении необходимости изменить режимы работы ЭКС, производится программирование стимулятора. Изменение режимов работы ЭКС осуществляется посредством подачи управляемого воздействия через катушку индуктивности на приемное устройство. Далее происходит дешифровка команд в декодере. Поступившие команды изменяют параметры программного регистра. Программный регистр, в свою очередь, изменяет режимы работы главного тактового генератора. В том случае, если код настройки был передан без ошибки, вырабатывается сообщение о приёме кода, и только после этого происходит изменение программируемого параметра. Алгоритм оценки правильности приёма кода настолько совершенен, что стимулятор не способен изменить свои параметры самопроизвольно. Более того, он "предпочитает" не принять код вовсе, если есть какие-либо "сомнения", чем ошибиться.

Главный тактовый генератор с помощью индикатора емкости батареи оценивает ещё и степень разряда батареи и вырабатывает сообщение врачу о необходимости замены стимулятора.