生理性起搏研究进展论文

心脏起搏器(cardiac pacemaker)是一种植入于体内的电子治疗仪器，通过脉冲发生器发放由电池提供能量的电脉冲，通过导线电极的传导，刺激电极所接触的心肌，使心脏激动和收缩，从而达到治疗由于某些心律失常所致的心脏功能障碍的目的。1958年第一台心脏起搏器植入人体以来，起搏器制造技术和工艺快速发展，功能日趋完善。在应用起搏器成功地治疗缓慢性心律失常、挽救了成千上万患者生命的同时，起搏器也开始应用到快速性心律失常及非心电性疾病，如预防阵发性房性快速心律失常、颈动脉窦晕厥、双室同步治疗药物难治性充血性心力衰竭等。简介编辑本段心脏的电信号使它跳动。当运行时，心脏跳动加速；当睡眠时，心脏跳动减慢。如果心电系统异常，心脏跳得很慢，甚至可能完全停止。人工心脏起膊器发出有规律的电脉冲，能使心脏保持跳动。最初，人工心脏起搏器的电池部分装在身体的外部，导线从体外通过静脉到达心脏。它们只能在医院内短期使用。后来，鲁内·埃尔姆奎斯特在1958年制作了一个放在体内起搏器，锌一汞电波埋在皮下。1960年，瑞典医生奥克·森宁为一位病人植入了这种起搏器。电池一直使用了2---3年才更换。在20世纪80年代，起搏器上增加了微处理器。只有在感觉需要起搏器时，病人才启动它。今天的起搏器就更复杂了，起搏器可根据血液的湿度来调节心跳。1988年，一位病人安装了一个核动力起搏器。这个起搏器使用了微量的钚，它可以持续应用20年。发展史编辑本段1、人类第一台起搏器美国纽约贝斯-大卫医院胸科医生Hyman，在穿刺心脏给药过程中屡次发现，当针尖刺激右心房时可使心房肌除极而收缩，经过多年的探索和研究，Hyman 在1932年设计制作了一台由发条驱动的电脉冲发生器，该装置净重达公斤，脉冲频率可调节为30、60、120次/分，Hyman将之称为人工心脏起搏器“artificial ;cardiac pacemaker”，这一术语一直沿用至今。这台发条式脉冲发生器成为人类第一台人工心脏起搏器。实验中，他用针穿刺兔的右心室对心室进行电刺激，使已停搏15分钟的心脏复跳，恢复正常的心脏跳动。不久，Hyman应用一根双极穿刺针，穿过肋间插到心脏进行起搏，为1例心脏停搏的病人应用了这一技术。人们也将这台发条驱动的脉冲发生器称为“Hymanator”。Hymanator原保存在德国Siemens公司，可惜在第二次世界大战中被战火毁灭，只留下一张照片。但是，Hyman的这一创举足以证明，对心脏一些部位进行电刺激可使心肌有效地除极，并扩展到整个心脏，从此奠定了心脏起搏理论与实践基础。第二次世界大战后，心脏起搏技术的临床价值逐渐显示出来，1951年，加拿大医生 Callaghan用心导管成功地进行了体外右心房起搏，1952年，他又用胸壁电极板进行了经胸壁心脏起搏。成功地救治了一名心脏骤停的病人。几百年、几代人的努力终于使人工心脏起搏技术逐渐形成并最后确立。2、人工心脏起搏的雏形在前人研究的基础上，1952年1月，美国哈佛大学医学院Paul M. Zoll医生首次在人体胸壁的表面施行脉宽 2ms，强度为75~150V的电脉冲刺激心脏，成功地为1例心脏停搏患者进行心脏复苏，挽救了这位濒死病人的生命。由于电极缝在胸壁，使电刺激起搏心脏的同时也刺激胸部肌肉，引起局部肌肉的抽动和疼痛，但这一创举立即受到医学界和工程技术界人士的广泛重视，迎来了心脏病学的又一个变革时期，临时性心脏起搏器术逐渐被医学界广泛接受，成为一种常规的缓慢性心律失常的治疗方法。Paul M. Zoll被尊称为“心脏起搏之父”。Zoll的这一创举是其多年潜心研究的硕果。最初他在犬体上进行实验，将刺激电极缝置在胸壁和食管，细心观察刺激电极能否起到起搏心脏的作用。此后，Zoll研究成功一种标准类型的起搏器，他用一根长线状电极放置在犬的食管内，另一根缝置在犬的心包上，实验结果表明，电的脉冲刺激能引起心室有效的收缩，可使已经停跳的心脏复跳，并维持有效的血液循环。接着他又着手改进心外起搏技术和仪器，力求起搏仪器操作简单，功能完善，便于临床使用和推广。Zoll的研究中发现，当电流达50~200MA（或30~50W）时，心脏才对刺激起反应，当刺激电极的负极与心肌紧密贴近时，有效起搏心脏所需的能量相对较低。起搏刺激的脉宽一般需要2~3ms，而且不易产生竞争性效应。他也注意到，心动过速或室颤引起心肌本身缺血和缺氧时，应用电脉冲刺激容易引起两种心律的竞争。1960年，Zoll、Chardack及Kantrowitz 等，分别通过开胸手术，植入心脏脉冲发生器及电极导线系统，使临时性起搏技术开始走向永久性。Zoll卓有成效的工作开创了心脏停搏的有效急救方法，开创了人工心脏起搏的新时代。除了在心脏起搏方面的杰出贡献外，Paul M. Zoll在心律转复术方面也有巨大的建树。1954年，Zoll和Kouwenhven研究体外电休克除颤技术成功。1955年他们用60Hz的交流电，放电时间150ms，首次经体外电除颤抢救成功1例室颤患者。Zoll的工作证明，电休克转复技术，可以终止临床各种类型的快速性心律失常。1952年的卓有成效的创举仍然存在着严重的方法学缺点。该技术中的两个电极均缝在胸壁，起搏心脏的同时也引起胸部肌肉的抽动，引起局部的疼痛、烧灼。这些缺点使这一技术仅适合急诊病人短时间应用。1954年，Rosenbanm和Hansen创用了心外膜电极起搏心脏的方法，他们应用一支套管针，将起搏电极放置在靠近心脏的心包膜，大大减少了起搏脉冲的电流密度，减少了起搏时的疼痛。1957年，Zoll，Allen等分别将起搏电极缝置在心脏外科手术中发生房室阻滞患者的心外膜，进行有效的心脏起搏治疗。这些方法的疗效肯定，但需要相当复杂的外科技术，使这一阶段的起搏器研究者多为外科医生，也使这一技术的使用受到较大的限制。这一时期，临时起搏器的研制也在迅速发展，50年代初期，直流电起搏技术刚刚起步，尽管疗效肯定无疑，但其体积巨大，因此便携式仅仅是一个名词而已，实际只是可以移动的起搏装置。但此后不久，世界上第一台真正便携式临时起搏器问世，该起搏器的能源为一般电池。应用这种小型临时起搏器，Minnesota大学的C Walton Lillehei医师成功救治了一位先心病手术中发生房室阻滞患儿的生命。3、临时心内膜起搏技术的发展开胸植入起搏电极技术创伤大，患者需承受较大的手术，有感染等系列合并症，使其只能在有限患者中实施。如果推广在临床上的应用，需寻求更简单的方法。早在1954年，Hopps应用绝缘导线经静脉送入动物心房进行起搏实验成功。这一实验说明，应用起搏电极导线能够通过刺激心内膜有效起搏心脏。1958年，当时仅仅是一名普通外科住院医师的Seymour Furman进行了大量的心脏心内膜起搏实验，证明心内膜起搏比心外膜起搏的阈值明显降低，并能克服胸壁刺激的缺点，并倡用心内膜电极。1959 年Furman S 和Schaldach设计制造出心脏内膜起搏电极导线，并经周围静脉将起搏电极导线插入到右心室刺激心内膜，起搏心脏。在这一年发表的文章中Furman S对这一手术操作技术作了详细的报道和系统的阐述。Furman S经心内膜起搏心脏的实践和理论很快被人们接受，而经周围静脉植入起搏电极导线的方法大大简化了心脏起搏器植入技术，从而使心脏起搏器的临床应用受到极大重视，得到广泛开展。这是现代起搏技术的肇始，Furman S 成为公认的现代起搏技术的奠基者之一。Furman S的创举与其后的Scherlag 提出和发明导管法记录希氏束电图有异曲同工之处。在Scherlag 之前，希氏束的解剖和电生理的功能已有广泛的研究，在动物体和开胸手术病人已成功记录到希氏束电图，但这些都没有成为方便的、常规的临床记录希氏束的方法。直到1969年Scherlag导管法描记希氏束电图的文章发表，才使这项检查技术成为临床普遍应用的重要的心脏电生理检查方法。至今，Furman S还健在，四十多年来，他为现代起搏技术的建立和发展做了大量的工作。1978年，Furman植入了世界首例 DDD起搏器，1979年，Furman与其同事共同创立了北美起搏和电生理学会（North American Society of Pacing and Electrophysiology，NASPE）。他撰写的《A Practice of Cardiac Pacing》一书先后发行三版，成为全世界心内科及起搏专业医生的最重要的参考书。目前， Furman S任美国纽约Yeshiva大学爱因斯坦医学院的心胸外科教授，医学教授，任美国著名的PACE （Pacing and Clinical Electrophysiology）杂志的主编。Seymour Furman是一位名副其实的起搏技术的巨匠。4、全埋藏式起搏器技术的发展经过数代科学家、医学家的不懈努力，确立了体外临时起搏技术及临床应用方法，但由于其携带不便和容易并发感染，促进了全埋藏式起搏器的研究。1958 年10月15日在瑞典的斯德哥尔摩的Karolinska医院植入了世界首例全埋藏式人工心脏起搏器。这一举世瞩目的手术是由该医院的胸外科医生 Ake Senning教授执刀，成为世界第一位全埋藏式人工心脏起搏器植入的手术者。植入的固定频率型起搏器是由Elema-Schonander，即现在 Pacesetter AB公司的Rune Elmqvist博士设计的，Elmqvist工程师成为世界第一例埋藏式心脏起搏器的设计者。这位著名的工程师现已谢世。Pacesetter AB公司建立了Rune Elmqvist纪念室以资怀念。植入的起搏器外型为圆形，能源是两节串联的镍-镉电池，该电池通过体外感应充电方式无创性充电，每周充电一次。植入的患者Arne Larsson为男性，40岁，患完全性房室阻滞多年，频发心脏停跳引起阿斯综合征，各种药物治疗均未奏效，病情逐渐加重。起搏器植入后心率明显增高，临床一般状况改善，此后又先后更换了25台起搏器，已经依赖心脏起搏器生活工作了42年，至今已逾82 岁高龄，身体仍然健康并漫游世界。Arne Larsson是世界上第一位接受全埋藏式心脏起搏器治疗的病人。1986年，全埋藏式起搏器首次手术后的28年，在Monaco举行的 “Cardiostim`86”起搏器学术研讨会上，大会主席团授予世界首例全埋藏式起搏器植入的 “三剑客”起搏器荣誉奖，表彰3人通力合作，开创了对人类健康与生命十分重要的医学治疗新技术。1960年William Chardack和Wilson Greatbatch在美国纽约为1例房室阻滞的患者植入了首例晶体管起搏器，起搏器能源为锌汞电池，标志着起搏器电池能源已由镍镉电池发展为锌汞电池，起搏器还应用了Hunter-Roth双极电极导线，这是起搏器史上又一个丰碑。Samuel Hunter 医生是对起搏技术做出突出贡献的另一位著名医师，他与电器工程师Norman Roth合作发明了双极电极导线，称为Hunter-Roth电极导线，这是起搏技术上的一个重大进展。刺激信号的振幅与两个电极间的距离呈正比关系，单极起搏的刺激信号大，其后还有较长的电位衰减指数曲线，两者貌似QRS波，容易发生误感知，这些问题给起搏技术造成较大的问题和困难。双极电极导线的问世解决了这些难题。1959年，Hunter应用心肌电极导线为病人植入了永久性心脏起搏器。5、现代起搏器技术的确立永久全埋藏式起搏器的植入标志着心脏起搏技术进入固率型时代。1964年 Castellanos、Lemberg和Berkovits等研究成功心室按需型起搏器，使起搏技术进入起搏器第二代：按需型心脏起搏。1963年 Nathan率先应用VAT心房同步起搏，1975年Cammilli提出感知呼吸的频率适应性起搏器，这是最早的频率适应性起搏器。1978年 Funke提出了DDT起搏器设计构想。同年，Furman植入世界首例DDD起搏器。这些使起搏技术进入了第三代即生理性起搏的时代。1995年，首例起搏阈值自动夺获型起搏器问世，这一技术开创了起搏器自动化的新时代。其特点为根据佩带者的实际情况制定其在体内工作的各种参数。至今，心脏起搏技术还在迅猛发展，每年都有很多新的功能、新的技术问世，使起搏器技术更加完善，使佩带者更大程度上受益。相关技术永久性人工心脏起搏器植入术心脏起搏器永久性心脏起搏器是治疗各种原因引起的不可逆的心脏起搏和传导功能障碍性疾病的主要方法。常用于“有症状的心动过缓”患者。所谓“有症状的心动过缓”是指心室率缓慢致脑供血不足，可产生头昏、眩晕、黑蒙及晕厥（短暂意识丧失）等；全身供血不足可产生疲乏、体力活动耐量降低、充血性心力衰竭等表现。传统的治疗方式为安装单腔、双腔起博器，也有采用安装双腔、三腔及植入式心脏自动除颤复律起搏器，为心动过缓、传导阻滞、心动过速及心力衰竭的患者解除疾苦，也为难治性心力衰竭和反复发作危及生命的室性心动过速、室颤患者提供了新的治疗途径。起搏原理编辑本段脉冲发生器定时发放一定频率的脉冲电流，通过导线和电极传输到电极所接触的心肌(心房或心室)，使局部心肌细胞受到外来电刺激而产生兴奋，并通过细胞间的缝隙连接或闰盘连接向周围心肌传导，导致整个心房或心室兴奋并进而产生收缩活动。需要强调的是，心肌必须具备有兴奋、传导和收缩功能，心脏起搏方能发挥其作用[2]。起搏系统的组成编辑本段心脏起搏器人工心脏起搏系统主要包括两部分：脉冲发生器和电极导线。常将脉冲发生器单独称为起搏器。起搏系统除了上述起搏功能外，尚具有将心脏自身心电活动回传至脉冲发生器的感知功能。起搏器主要由电源(亦即电池，现在主要使用锂-碘电池)和电子线路过程，能产生和输出电脉冲。电极导线是外有绝缘层包裹的导电金属线，其功能是将起搏器的电脉冲传递到心脏，并将心脏的腔内心电图传输到起搏器的感知线路。常用起搏模式编辑本段单腔起搏1、AAI模式 此模式的工作方式为心房起搏、心房感知，感知心房自身电活动后抑制起搏器脉冲的发放。在本模式下，心室信号不被感知。心脏起搏器2、VVI模式 此模式的工作方式为心室起搏、心室感知，感知心室自身电活动后抑制起搏器脉冲的发放，又称R波抑制型心室起搏或心室按需型起搏。在本模式下，心房信号不被感知。VVI仅当“需要”时才发出脉冲起搏心室，起搏产生的心律实际上是一种逸搏心律。3、其他单腔起搏模式(1) AOO、VOO模式：为非同步起搏模式，又称为固定频率起搏。心房、心室只有起搏而无感知功能。起搏器以固定频率(非同步)定期发放脉冲刺激心房(AOO)或心室(VOO)，脉冲的发放与自身心率快慢无关。(2) ATT、VTT模式：为心房、心室触发型起搏模式。心房、心室均具有起搏和感知功能，但感知自身房、室电活动后的反应方式为触发(T)心房、心室脉冲的发放(而非抑制)。弊端为耗电。也不作为单独的起搏器模式应用。双腔起搏1、DDD模式 又称房室全能型起搏，是具有房室双腔顺序起搏、心房心室双重感知、触发和抑制双重反应的生理性起搏模式。2、VDD模式 又称心房同步心室抑制型起搏器。心房、心室均具有感知功能，但只有心室具有起搏功能。在整个VDD起搏系统中，P波的正确感知是其正常工作的关键。3、DDI模式 心房、心室均具有感知和起搏功能，P波感知后抑制心房起搏(与DDD相似)，但不触发房室间期，即不出现心室跟踪。如患者有正常的房室传导，基本类似 AAI;如患者存在房室传导阻滞，则在心房起搏时可房室同步，而在心房感知时房室则不能同步。因此自身心房活动后的房室延迟时间长短不一。该起搏模式的特点为心房起搏时能房室同步，而心房感知时房室不能同步。它不作为一个单独的起搏模式而仅作为DDD(R)发生模式转换后的工作方式。自动化功能编辑本段起搏器的自动化功能起搏器植入后可自动定期记录、搜索患者心律和起搏器工作状态，然后将这些大数据综合、归纳、分析，做出判断后自动调整起搏参数以适应患者的需要，不再需要人为进行干预。当然，这些自动化功能也需要进行人工随访以确定其工作方式的正确性。目前常用起搏器的自动化功能包括：起搏模式自动转换、房室延迟自动调整、自动模式转换、抗起搏器介导性心动过速功能、感知灵敏度自动调节、起搏频率的自动调节、起搏输出电压自动调整等。频率适应性起搏心脏起搏器在极量或次极量运动时，心排血量的增加主要依靠心率的增加，尤其是老年人或心功能不全的患者(心脏收缩功能储备下降)。频率适应性起搏器可通过感知体动、血pH值判断机体对心排血量的需要而自动调节起搏频率，相应增减起搏频率，从而改善心脏变时功能不全患者的运动耐量。频率适应起搏适应证主要为心脏变时功能不全。一般认为，运动后自身心率不能增加，或者增加不明显，不能达到最大年龄预测心率(最大心率=220-年龄)的85%定义为变时功能不全(运动时最快心率<120bpm为轻度变时功能不全，<100bpm为重度变时功能不全)。窦房结变时功能不全和慢性心房颤动合并明显缓慢的心室率是频率适应性起搏的主要适应证。但心率加快后心悸等症状加重，或诱发心衰、心绞痛症状加重者，不宜应用频率自适应起搏器。