Tạo nhịp tim

Ở chương 4 chúng ta đã mô tả cả về số chất lượng và định lượng hoạt động của màng tế bào dễ bị kich thích thông qua hệ thức Hodgkin-Huxly. Điều này đặt nền móng cho chương 21 nơi mà đáp ứng của tế bào thần kinh với kích thích điện được xem xét. Chương này quan quan tâm đến đáp ứng của cơ tim với đáp ứng điện. Nó dựa trên những nguyên tắc cơ bản giống nhau, nhưng xem xét ứng dụng riêng biệt của nó trong việc tạo và khử nhịp tim (Greatbatch and Seligman, 1988; Tacker, 1988; El-Sherif and Samet, 1991).

Có một số sự khác biệt đáng kể mà phân biệt được hoạt động của tim từ sự kích thích của dây thần kinh trong FES (chương 22), nó được liệt kê trong bảng 32.1. Trước tiên là về sự khác nhau của kích thước trong 2 trường hợp. Với sự kích thích của tế bào thần kinh thì vùng mục tiêu là sự sắp xếp của vài mm vuông, trong khi vùng mục tiêu trong tim là sự sắp xếp của vài cm vuông. Với FES nó là thường xuyên cần thiết để đạt tới một đáp ứng phân loại tốt, dẫn đến sự chọn lựa các sợi cơ có đương kính từ nhỏ đến lớn. FES do đó đối lập với kích thích điện của mô tim nơi mà một kích thích hoạt động hoặc là toàn bộ tim hoặc không gì cả như là hậu quả của cấu trúc hợp bào. Kích thước lớn của tim thường có nghĩa là mô dễ bị kích thích mà sự dễ bị kích thích phải được tránh có thể được loại trừ dựa trên sự phân chia không gian tốt. Trong quan điểm về hợp bào tim sự sắp xếp vật lý của các điện cực kích thích không có trong bất kì cách giới hận hoặc yêu cầu nào. Một thách thức lớn nhất trong FES là cách để chống lại mệt mỏi, may mắn thay, cơ tim không bao giờ mệt. Tuy nhiên, tất cả những ưu điểm trên không sai với cơ tim. Chúng ta đề cập đến việc chăm sóc phải được thực hiện rằng một kích thích máy tạo nhịp tim không được chuyển một cách vô tình trong khoảng dễ bị tổn thương, hoặc một chuỗi hậu quả nghiêm trọng có thể xảy ra. Điều nguy hiểm này không phát sinh trong cơ vân.

So sánh kích thích trong cơ tim và cơ vân

Cơ tim	Cơ vân
Phạm vi đích lớn	Phạm vi đích được giới hạn
Dễ tránh kích thích của dây thần kinh không mong muốn	Mô dễ bị kích thích để có thể tránh được gần với mô đích
Tất cả các tế bào là giống nhau về kích thước và khả năng dễ bị kích thích	Các sợi cơ có đường kính khác nhau, các vấn đề có liện quan đến lực cơ, trình tự có thể khác với bình thường
Không bao giờ mệt mỏi	Sự mỏi cơ phải được quan tâm
Xung T	Không có thớ

Ở chương 7 chúng ta đã mô tả hệ thống dẫn tim thông thương. Máy tạo nhịp tim của cơ thể chúng ta nằm ở tâm nhĩ và có thể đáp ứng khởi tạo nhịp tim. Nhịp tim bắt đầu với hoạt động của mô tâm nhĩ trong vùng tạo nhịp tim (ví dụ nốt SA) được theo sau bởi sự lan tỏa từ tế bào đến tế bào của sự dễ bị kích thích trong suốt tâm nhĩ.Chỉ liên kết đơn giản của sự kết nối mô dễ bị kích thích từ tâm nhĩ đến tâm thất là hệ thống dẫn nhĩ thất. Chỉ liên kết đơn giản của mô dễ bị kích thích kết nối từ tâm nhĩ đến tâm thất là hệ thống dẫn AV. Sự truyền kích thích ở đây diễn ra với vận tốc chậm, nhưng tại điểm cuối của tâm thất bó His mang sự kích thích đến nhiều phía bên phải và trái tâm thất tại một vận tốc tương đối cao là 1-2 m/s. Sự truyền dẫn chậm trong lỗ nhĩ thất gây ra một thời gian trễ 0.1s giữa kích thích tâm nhĩ và tâm thất; thời gian này tạo điều kiện cho đổ đầy tâm thất từ khoảng thời gian tâm nhĩ co đến tâm thất co. (Nếu không có sự co của tâm nhĩ trước thì máu ra khỏi tim có thể giảm 15%). bệnh ảnh hường tới lỗ AV có thể gây ra trở ngại đối với độ dẫn AV. Điều này được mô tả bởi mức độ khác nhau của khối. Trong khối thứ nhất hiệu ứng là độ dẫn chậm, trong khối thứ hai có một nhịp được đập trước, nhưng trong khối thứ ba không có tín hiệu nào tới tâm thất cả. Điều kiện cuối cùng này được gọi là khối tâm hoàn toàn. Trong trường hợp này tâm thất hoàn toàn tách biệt với tâm nhĩ. Trong khi nhịp tim tâm nhĩ vẫn được xác định tại nút AV thì tâm thất được tạo nhịp bởi những vị trí tâm thất ngoài. Dưới điều kiện bình thường tâm thất được điều khiển bởi tâm nhĩ, máy tạo nhịp tâm thất ẩn phải có mọt tốc độ châm. Hậu quả là trong khối tâm hoàn toàn tâm thất đập tại tốc độ chậm hơn (nhịp tim chậm). Với điều kiện này có thể không yêu cầu sự can thiệp của y học, nhưng nếu nhịp tim quá chậm, điều kiện này được biết như là hội chứng Stokes-Adams, tình trạng trở nên đe dọa tới mạng sống. Việc tiên lượng trong trường hợp khối tâm hoàn toàn và triệu chứng Stokes-Adams chiếm 50% số người tử vong trong một năm. Trong trường hợp này, việc điều trị bằng máy tạo nhịp tim là không thể thiếu được.

Một điều kiện khác, được biết như là hội chứng xoang bệnh, cũng là một trong những bệnh được điều trị bằng máy tạo nhịp tim. Ở đây nhịp tim chậm tự nó dẫn đến từ tâm nhĩ là chậm một cách bình thường. Do đó mặc dù lỗ AV là bình thường thì tâm thất cũng được điều kiển ở tốc độ thấp.

Trong thế hệ máy tạo nhịp tim đầu tiên, điện cực được gắn trực tiếp vào tim và dây dẫn dẫn tới máy phát xung được đặt trong một túi ở ngực hoặc bụng. Nhưng để tránh những trấn thương của ngực điện cực được đặt tăng lên ở khoang tim thông qua đường tĩnh mạch trao đổi. ( Nhóm tĩnh mạch trao đổi trong khi rất phổ biến, là một thuật ngữ sai khi nó thực sự mắc điện cực thông qua một vein vào tâm nhĩ phải và/hoặc tâm thất phải). Ở hiện tại, khoảng 95% điện cực máy tạo nhịp tim là màng trong tim. Một vài vein đã từng được sử dụng, tiêu biểu, dưới xương đòn, đầu, ngoài cổ. Các điện cực được đặt bằng tay bởi một dây thông cứng điểm cuối xa ở dưới fluoroscopic visualization. Điện cực tâm nhĩ phải được móc vào phần phụ của tâm nhĩ phải, trong khi điện cực tâm thất phải được đặt ở vị trí đỉnh của tâm thất phải. Các đỉnh của điện cực được tạo ra với các nhánh đặt ở bờ tam thất phải và phần phụ của tâm nhĩ phải cho ổn định. (Ngoài ra, sau khi loại bỏ các dây thông, tâm nhĩ dẫn tới những đường cong có hình dạng J tạo them sự ổn định) Máy phát xung thường được đặt ở vị trí trước ngực.

Từ quan điểm về sinh lý điện, vị trí hoạt động của điện cực cơ tâm thất và màng cơ tim là không quan trọng. Từ vị trí tim bên phải sóng kích hoạt phải giống như ở khối nhánh bó trái và phản ánh độ dẫn cell-to-cell chủ yếu. Hệ quả huyết động học là đầu ra của tim thỏa mãn được đạt tới. Các thí nghiệm cho thấy rằng dòng kích thích ngưỡng không thay đổi nhiều, cho thấy một sự đồng cộ nhất định giữa nguồn dòng và sự khủ cực đạt được. Một thực tế có thể thiết lập một mô hình lý tưởng đơn giản dựa trên mô hình bidomain trong chương 9, và điều này được thực hiện ở phần sau.

Trong phần 9.5 chúng tôi đã xem xét màng vận chuyển được tạo ra tiềm tang từ nguồn dòng điểm trong một bidomain đẳng hướng đồng nhất. Kết quả có thể được thây đổi dễ dàng để trường hợp hiện tại nơi mà điện cực có một bán kính xác định a. Bởi sự đối xứng hình cầu chỉ thay đổi trường r. Tại r = a ta có

Dòng từ điện cực chỉ vào không gian giữa. Thực tế, điều kiện biên trong không gian giữa là tổng số dòng đi vào không gian tại r = a là tổng dòng được cung cấp Ia. Nhìn vào biểu thức 23.1 và định nghĩa về Vm sau tại r = a ta có

Kết quả là điều kiện biên đã nêu ở trên bằng

ở đây = độ dẫn lưỡng vùng ở khoảng giữa, như được mô tả trong biểu thức 9.17

Ia = dòng được cung cấp, giả sử là cathode, vì thế mà có dấu -

Bây giờ đẳng thức 9.28 mô tả trạng thái của Vm trong cùng dưới điều kiện cố định ( Vm = KAe ^{− γ / λ} / r). Nếu nó được thế vào 23.3 và được tính cho hệ số Ka thì thu được

Thế ngược lại biểu thức 9.28 ta có

điện thế lớn nhất khi r = a, trong trường hợp này, biểu thức 23.5 sẽ rút gọn Vm_max

Một chú ý rằng từ đẳng thức 23.6 điện cực càng nhỏ thì điện thế dẫn càng lớn. Các điện cực lớn so với không gian cố định, điện áp được đưa vào thay đổi tỷ lệ nghịch với 4 lần bán kính điện cực; nhưng khi bán kính nhỏ hơn nhiều so với không gian cố định, điện thế chỉ thay như power của bán kính tỉ lệ nghịch. Với một đạo trình màng tim điện cực được bao quanh bởi mô tim ở một bên và máu ở một bên. Vì độ dẫn máu lớn hơn 3 lần so với mô tim, mô hình đẳng hướng vô cùng đơn giản của chúng ta dòng được vào nên có thể được giảm đi bởi một số nhân tố ngoài những gì nó có ở mô hình chuẩn được phát triển ở chương 9 và mở rộng ở trên. Chúng ta đã từng chọn nhân tố này khoảng 35%. Với một xung kích thích 1ms màng tế bào chuyển thành giá trị trạng thái bền vững giả (Cartee, 1991). Đăng thức 23.6 cho thấy điện thế được đưa vào trạng thái bền lớn nhất nếu cho a tương đương với bán kính của điện cực. Một điện cực dạng chuẩn có diện tích 8.8 mm2 (Breivik, Hoff, and Ohm, 1985). Nó được chuyển thành bán kính hình cầu cỡ 1.2 mm giống mô tả trong Miller et al. (1985). Chúng ta cũng chọn λ = 0.5 mm (Plonsey and Barr, 1982), và gán ( độ dẫn giữa như định nghĩa 9.17) có giá trị .002 S/cm. Suy ra

trong đó Ia là điện thế được cung cấp [mA]

Vm_max là điện thế màng tế bào [mV]

Nếu Ia = 0.44 ma, thì Vm_max = 15.0 mV, đó không phải là điện áp ngưỡng không hợp lý, xem xét nhiều xấp xỉ trong mô hình đơn giản, đồng nhất và đẳng hướng này. Kết quả là trong khoảng phép đo thông dụng (Breivik, Hoff, and Ohm, 1985) và ngưỡng dong thực nghiệm giá trị 0.05 mA / mm² (Tarjan, 1911). Dựa trên công thức 23.6 cách sử dụng điên cực cỡ nhỏ sẽ giảm dòng yêu cầu cho điện thế màng vận chuyển ngưỡng được đưa tới, như đã chú ý ở trên. Có một giới hạn về tổng số kích thước điện cực có thể được giảm. Lý do là phải chạm tới dòng ngưỡng được yêu cầu cới điện thế pin cố định, và nó giới hạn trở kháng dòng lớn nhất có thể cho phép. Tuy nhiên, điều cuối cùng ở đây là trở kháng điện cực mô tăng tỉ lệ nghịch so với bán kính điện cực. Trong một thiết kế thực hành cũng nên bao gồm cả hiệu ứng có thể của sự phát triển của mô sơ xung quanh điện cực vì điều này sẽ làm tăng kích thước hiệu quả của bán kính a trong biểu thức 23.6. Chúng ta chú ý rằng trong biểu thức 23.6, Vm là dương ( sự khử cực) cho một điện cực cathod giả định ( đơn cực). Khi điện cực là đơn cực, điện cực chuẩn luôn được chọn giống trương hợp của khối phát xung. Ưu điểm chính của hệ thống đơn cực là chỉ một dây điện cực đơn ( mỗi phòng) phải được cấy ghép. Đối với đạo trình màng tim này kích thước nhỏ hơn so với một sóng điện tâm lưỡng cực được mong muốn một cách rõ ràng. Hơn nữa nó cũng thể hiện một vị trí dây nhỏ hơn trong van ba lá, thông qua đó các điện cực ống thông phải chạy. Một trong số các nhược điểm là sự hiện diện của dòng kích thích trong suốt một phần lớn ngực; vì thế vị trí cơ vân trong vùng này có thể bị kích thích, làm tăng nhiễu giật cơ. Cả cơ hoành và thần kinh cơ hoành cũng đã từng được biết đến hiệu ứng này. Điện cực lưỡng cực có một trường điện mà thay đổi theo 1 / r³ đúng hơn là 1 / r² và do đó ít có khả năng các mô dễ bị kích thích từ xa từ các phía mà điện cực được đặt. Hơn nữa, khi các điện cực này đựợc sử dụng trong chế độ cảm nhận, hình dạng lưỡng cực ít nhạy hơn với nhiễu từ tns hiệu ở khoảng cách xa. Nhiễu điện từ như vậy có thể bị nhâm lẫn với tín hiệu tim và suy luận không chính xác nhiễu được vẽ bởi máy tạo nhịp tim đa khả năng lập trình. Với công nghệ hiện tại việc sử lý một dây đôi so với dây đơn mỗi buồng không còn quá lớn. Với nhiều lý do lịch sử hệ thống đơn được thiên về ở Mỹ, trong khi ở châu Âu là hệ thống lưỡng cực.

Tại thời điểm của sự phát triển của máy phát tín hiệu tim đầu tiên pin với tuổi thọ dài nhất là pin thủy ngân kẽm. Điều này được thông qua để máy tạo nhịp tim sử dụng, nhưng cho đến những năm 70, cái tốt nhất đạt được, trung bình, có tuổi thọ 2 năm. Vấn đề thứ hai với pin thủy ngân kẽm là sự giải phóng của khí hydro tại áp suất cao (300 psi). Một hậu quả là không thể tạo ra một cửa van kín cho pin. Vì thế trong năm 1970 bước hạn chế của tuổi thọ máy tạo nhịp tim là nguồn năng lượng này.

Phạm vi rất rộng của nguồn năng lượng cho máy tạo nhịp tim đã từng được đề cập và được nghiên cứu. Nó bao gồm kế hoạch mà tận dụng hóa học và năng lượng của cơ thể. Ví dụ, năng lượng từ nhịp tim đập tự nó tạo ra được nghiên cứu. Nhiều dạng tế bào năng lượng được quan tâm. Không có được thực tế sử dụng trên lâm sàng. Hơn nữa, hệ thống có thể được sạc lại sử dụng nguồn năng lượng bên ngoài cùng với mô cơ thể đã từng được thử, nhưng rất ít được sử dụng trong thực tế.

Một bước đột phá lớn là sự giới thiệu của pin lithium, loại pin ngày nay được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống máy tạo nhịp tim mới. Phản ứng của Li và Iốt

Vì không có khí gi được tạo ra, pin lithium có thể được hàn kín. Hơn nữa những vấn đề về sự phân chia trong pin thủy ngân kẽm không thấy trong pin lithium nữa, sau đó, các phân tách tự xảy ra và tự phục hổi. Pin lithium cũng có một đặc trưng phân rã end-of-life chắc chắn mà nó yếu một cách chậm đủ để sự dò ra nó trong kiểm tra bình thường và thống kê của sự thay thế kịp thời. ngoài các tính năng hấp dẫn, xấp xỉ 50% tuổi thọ của pin lithium-iốt là 12 năm (Bernstein, 1991).

Hệ thống máy tạo nhịp tim bao gồm một hộp được đóng gói máy phát xung và yếu tố cảm ứng xung cùng với mạch logic phù hợp và pin, gói này được kết nối bởi đạo trình các điện cực. Đạo trình đưa tín hiệu tim từ tim đến điện cực và kích thích dong tim. Trong chức năng đơn giản, bộ phận cuối cùng được thể hiện việc thách thức các vấn đề kĩ thuật.

Đạo trình được cách ly dây mà phải mang dòng cới điện trở thấp và có khả năng hoạt động chính xác trong nhiều năm mặc dù bị uốn lại nhiều lần. Việc sử dụng kim loại khó uốn được reguired. Dây dẫn đầu tiên được xoắn hoặc bện lại và được đặt vào biên của ống thông nước tiểu. Bây giờ, ở Mỹ cuộn dây được cuộn xoắn ốc được ưu tiên sử dụng, nó được đặt và vị trí bởi que thăm. Hình dạng này chuyển sự chuyển động những dáng người khác nhau và tim về dạng xoắn, kim loại có thể được dùng dễ dàng. Cuộn dây có thể được làm bằng thép không gỉ, Eigiloy, hoặc MP35N, tất cả chúng được nấu thành hợp kim với độ bền tuyệt vời. Vật liệu cách ly được chứng minh tốt nhất là cao su silicon và polyurethane.

Điện cực chính nó cũng thường là hợp kim. Sự chế tạo bề mặt là quan trọng vì vết gãy rất nhỏ có thể trở thành một vị trí dò dòng và ăn mòn. Một dãy điện dung luôn được sử dụng để loại bỏ bất kỳ dòng DC tràn nào và đạt được điều kiện hai pha cân bằng được thảo luận trong chương 21. Việc sử dụng điện cực có nhiều lỗ hổng cũng đã từng được đề cập để nâng cao sự phát triển của các mô và sự ổn định hóa các điện cực. Điện cực màng tim thường trở thành túi collagen. Sử dụng biểu thức 23.6 chúng ta có thể xem xét sự tăng bán kính điện cực hiệu dụng, từ đó sự giảm điện áp kích thích, cho một nguồn dòng được đưa đến. Độ dày màng điển hình khoảng 0,6 mm (Miller et al., 1985) tăng từ 1.2 đến 1.8 mm trong ví dụ minh họa dẫn đến biểu thức 23.7. kết quả là một sự thay đổi hệ số trong 23.7:

(23.9)

Điều này chung qui là sự giảm độ kích thích 2.0. Thực tế trong nghiên cứu thực nghiệm , thấy một điều rằng ngưỡng bắt đầu tại thời điểm vị trí của nhịp dẫn tâm thất tăng bởi nhân tố 2-4 trong giai đoạn sau (Miller et al , 1985)

Một vài thí nghiệm với sự kích thích của cơ tim đã từng được công bố (Bourland et al., 1990; Irwin et al., 1970; Mouchawar et al., 1992).

Trong những thí nghiệm này, Mouchawar et al. (1992) đã sử dụng hai cuộn dây kích thích đồng diện đặt gần tim của một con chó bị gây mê. Cuộn dây có bán kính ngoài 8.5 cm, bề dầy 1.25 cm, và bao gồm 30 vòng. Khoảng cách từ cuộn dây đến tâm nhĩ trong ngực khoảng 2 đến 3.5 cm. Sự kích thích từ tạo ra một nhịp lệch trong những con chó bị gây mê với một khoảng năng lượng xấp xỉ 12kJ. Nó cao hơn nhiều so với năng lượng cần để kích thích từ tính hệ thống thần kinh ngoại vi của con người yêu cầu 400J.