8. Основные сведения о электрической кардиостимуляции

Последствия нарушений генерации и проведения возбуждения в сердце можно устранить путем приложения замещающих электрических импульсов стимуляции. Нарушения ритма могут быть преходящими или постоянными. Если исключить временные нарушения ритма, которые можно устранить временной электрокардиостимуляцией при помощи внешнего устройства, то с технической точки зрения наиболее сложную проблему представляют собой преходящие нарушения, так как стимулятор должен оказывать эффективное действие при нарушениях ритма, однако ни в коем случае не должен мешать нормаль­ной сердечной активности. Если в сердце введен электрод, подсоединенный к генератору стимулирующих импульсов, то электрический ток, образуемый потоком электронов в металлическом проводнике, на границе между электродом и тканью переходит в ионный ток внутри электролита в тканях. Ток имеет наибольшую плотность на границе раздела электрод - ткань и быстро убывает по мере удаления oт электрода. Это означает, что в ближайшей окрестности электрода раздражение клеток осуществляется импульсами.

Для стимуляции сердца обычно применяют прямоугольные импульсы, причем активный электрод является катодом. При катодной стимуляции (стимуляции отрицательными импульсами ) пороги возбуждения обычно бывают ниже, чем при анодной. Подобно тому, как определяют порог возбуждения по току, можно определить порог возбуждения и по напряжению.

Возбудимость сердца можно описать при помощи параметров электрических импульсов, которые способны вызвать эффективное возбуждение, т. е. деполяризацию и механическое сокращение. Обычно используют кривую Гоорвега-Вейса (называемую также кривой сила – длительность, которая показана на рис. 3.25). Она выражает зависимость между диастолической пороговой амплитудой импульса стимулирующего тока и длительностью импульса стимуляции.

Рисунок 3.25 – Кривая Гоорвега –Вейса

Кривая Гоорвега-Вейса близка по форме к равносторонней гиперболе, сдвинутой в направлении оси у на постоянное значение, которое выражает порог возбуждения для импульса стимуляции с бесконечно большой длительностью и называется реобазой. При уменьшении длительности импульса порог возбуждения возрастает. Длительность импульса стимуляции, при которой порог возбуждения ровно вдвое больше реобазы, называется хронаксией. Реобаза и хронаксия определяют кривую Гоорвега-Вейса для заданной формы стимулирующего импульса, заданного расположения электродов, направления тока и, конечно, заданного положения стимулирующего импульса по времени в диастолической фазе сердечного цикла.

Для постоянной электрокардиостимуляции используются исключительно прямые методы, в которых по крайней мере один из электродов находится в непосредственном контакте с сердцем. Применявшиеся первоначально методы с фиксацией электродов на эпикарде или путем частичного погружения их в миокард требовали вскрытия грудной клетки

Асинхронный ЭКС

Такой ЭКС является автономным генератором стимулирующих импульсов. Каждый импульс вызывает деполяризацию мышечных волокон желудочков и их сокращение. Возбуждение предсердий и желудочков происходит асинхронно. При восстановлении предсердно-желудочкового проведения или появлении эктопической активности возникает электрическая парасистолия, т. е. параллельная генерация собственного возбуждения и импульсов стимуляции. Взаимодействие импульсов ЭКС с импульсами спонтанной активности сердца может в принципе вызвать последовательности экстрасистол, желудочковую тахикардию и даже фибрилляцию желудочков. Если импульс стимуляции оказывается в уязвимой фазе спонтанного цикла, то решающее значение имеет отношение амплитуды стимулирующего импульса к текущему значению порога возбуждения. Однако практический опыт показывает, что этот риск остается лишь теоретическим, и такие осложнения пациентам не угрожают. Интерференция ритмов может быть опасной только в тех случаях, когда значительно снижен фибрилляционный порог, например при инфаркте миокарда, вследствие нарушения баланса электролитов или лекарственной интоксикации.

Создание эффективных стимуляционных электродов с малой площадью поверхности позволило снизить энергию выходных импульсов ЭКС. Кроме того, благодаря более точному знанию динамики порог- возбуждения удается снижать отношение стимул - порог. Оба эти фактора способствуют уменьшению риска осложнений, обусловленных интерференцией ритмов.

Число применяемых в клинике асинхронных ЭКС по отношению к числу управляемых непрерывно уменьшается по мере снижения потребления энергии управляющей частью и. повышения надежности управляемых ЭКС. Тем не менее, благодаря простоте, высокой надежности, более низким требованиям к потребляемой энергии (которые соответствуют наибольшей длительности функционирования) и более низкой стоимости асинхронных ЭКС имеются определенные основания для применения таких приборов у пациентов со стабилизированными полными атриовентрнкулярными блокадами.

Запрещающий ЭКС

Этим прибором управляют комплекс QRS. Частота сокращений желудочков определяется интервалами между комплексами QRS. Если интервал RR превысит заданное значение (обозначенное символом Т на рис. 3.22), то ЭКС генерирует стимулирующий импульс. Если же раньше этого произойдет спонтанная деполяризация (вследствие проведенного или эктопического возбуждения), то прибор оказывается запертым и начинается следующий интервал ожидания с длительностью Т. Действие ЭКС можно уподобить «дежурной» функции атриовентрикулярного узла, обеспечивающего возбуждение. Прибор гарантирует, что частота возбуждения желудочков не может уменьшиться до уровня ниже заданного значения f= 1/T. Интервал от последнего спонтанного сокращения до ближайшего стимулирующего импульса не обязательно должен быть равен интервалу между последующими стимулирующими импульсами. Обычно используют положительный гистерезис, при котором интервал между спонтанным сокращением и импульсом стимуляции оказывается длиннее, чем интервал между двумя стимулированными сокращениями. Основанием для применения такой закономерности было стремление к тому, чтобы более эффективно использовалась спонтанная активность и при запаздывающем проведении возбуждения из предсердий. Если все же необходима стимуляция, то прибор начинает действовать с более высокой частотой, чтобы компенсировался утраченный вклад сокращения предсердий в насосную функцию сердца. Одной из причин введения частотного гистерезиса было также желание обойти патентное право. Однако теоретически возможная экономия энергии и улучшение гемодинамических характеристик оказались незначительными, и положительный гистерезис может даже способствовать поддержанию возникшей бигеминии.

1. 

2. Рисунок 3.26 - Принцип действия запрещающего ЭКС: 1 - деполяризация желудочков; 2 - стимулирующие импульсы: А - спонтанная деполяризация; Л - стимулированная; РП - рефрактерный период ЭКС

Главным преимуществом запрещающего ЭКС является устранение возможности интерференции ритмов. Другое его достоинство — снижение потребления тока от источника питания при спонтанных сокращениях сердца, когда прибор не генерирует стимулирующие импульсы. Для того чтобы прибор обнаруживал комплексы QRS внутрисердечных сигналов, он должен быть чувствительным к сигналам с амплитудой порядка нескольких милливольт. При такой чувствительности могут быть восприняты как комплекс QRS, так и нежелательные сигналы внешних и внутренних помех. Поэтому при конструировании прибора необходимо учитывать возможность появления сигналов помехи и принимать меры к тому, чтобы под влиянием ошибочного запирания не произошло нежелательного прекращения стимуляции.

Если спонтанная активность сердца имеет более высокую частоту, чем автономная частота прибора, то прибор остается запертым и не генерирует импульсы. Для того чтобы можно было контролировать частоту прибора в этом состоянии, в конструкции большинства R-запрещающих ЭКС предусматривают переключатель с магнитным управлением. При помощи внешнего магнита можно отключить цепи запирания, после чего запрещающий ЭКС продолжает работать как неуправляемый прибор с постоянной заданной частотой. Эта контрольная частота в некоторых приборах выше, чем автономная. Основанием для этого является, с одной стороны, стремление облегчить распознавание изменения режима работы прибора и, с другой, желание ограничить возможность интерференции временно неуправляемого прибора со спонтанным ритмом.

Р-синхронизированный ЭКС

Р-синхронизированный ЭКС заменяет собой проводниковую систему сердца. Он функционирует параллельно с поврежденной проводниковой системой. При помощи одного электрода, расположенного в области предсердий, отводятся потенциалы зубцов Р, которые представляют собой электрическое проявление сокращения предсердий (рис. 3.25). Эти потенциалы запускают с определенной задержкой генератор импульсов, который посредством другого электрода стимулирует желудочки. Синхронная работа предсердий и желудочков обеспечивает физиологическое управление частотой сердечных сокращений в соответствии с физической нагрузкой, и, кроме того, сохраняется гемодинамический вклад предсердных сокращений. Если частота возбуждения предсердий снижается и становится меньше определенного минимального значения, то ЭКС продолжает стимулировать желудочки асинхронными импульсами с этой минимальной частотой. В случае слишком высокой частоты возбуждения предсердий на работу прибора влияет его рефрактерный период и желудочки стимулируются с безопасной частотой, равной, например, половине частоты возбуждения предсердий, Р-синхронизированный ЭКС передает на желудочки возможные предсердные аритмии, причем это искусственное предсердно-желудочковое проведение нельзя устранить фармакологическими средствами. При современном уровне техники сложность схемы прибора и более высокое потребление энергии управляющей частью уже не являются слишком серьезными недостатками. Самое существенное препятствие к более широкому распространению ЭКС с предсердным управлением - это необходимость обеспечивать надежное отведение сигналов возбуждения предсердий. Вместо вскрытия грудной клетки, которое раньше было неизбежно при установке прибора, в настоящее время отводящие электроды вводят через средостение, применяют внутрисосудные электроды в форме буквы или фиксированные крючки. Однако ни один из этих способов не дает вполне надежных результатов. Хотя большинство врачей признают важность предсердие-го вклада в минутный объем сердца и преимущества предсердно-желудочковой синхронизации, тем не менее приборы с управлением от предсердий применяются лишь в исключительных случаях. Создание надежного предсердного электрода, который можно было бы легко вводить внутрисосудным путем, позволило бы использовать преимущества описанного ЭКС, основанного на физиологических принципах.

Рисунок 3.28 – Принцип действия Р-синхронизированного ЭКС: 1 — деполяризация предсердий; 2 — деполяризация желудочков; 3 — стимулирующие импульсы

Бифокальный ЭКС (с предсердно-желудочковой последовательностью импульсов)

Прибор этого типа содержит два устройства типа -запрещающего ЭКС, управляемых импульсами электрической активности желудочков. Одно устройство стимулирует предсердия, другое - желудоч­ки. Интервал запирания предсердного устройства короче интервала запирания желудочкового на физиологическую атриовентрикулярную задержку. Если спонтанный интервал KR длиннее, чем каждый из ин­тервалов запирания, то сначала стимулируются предсердия, а по исте­чении определенного времени задержки - желудочки. Если спонтанный интервал RR имеет промежуточную длину между двумя интервалами запирания прибора, то стимулируются лишь предсердия. Если спонтанный интервал RR короче, чем интервал запирания предсердного устройства, то ни одно из устройств не вырабатывает стимулирующих импульсов. Если «атриовентрикулярный интервал» прибора больше, чем действительная задержка атриовентрикулярного проведения у па­циента, то не генерируется импульс стимуляции желудочков.

Выходные каскады ЭКС

Рисунок 3.29 – Выходной каскад на основе разряда емкости

Рисунок 3.30 – Выходной каскад на основе заряда емкости

Рисунок 3.31 – Эквивалентная схема нагрузки ЭКС (R = 600 Ом; С = 25 мкФ)

Схему можно модифицировать таким образом, чтобы в период генерации импульса конденсатор заряжался от источника, а в промежуточном интервале постепенно разряжался (рис. 3.30). При этом источник будет иметь импульсную нагрузку и будет сказываться слияние его внутреннего сопротивления, однако при повреждении выходного конденсатора (увеличении тока утечки) будет сохраняться функция стимуляции и возрастать лишь постоянная составляющая выходного сигнала.

Умножители напряжения ЭКС

В тех случаях, когда необходимо обеспечить более высокое выходное напряжение импульса, чем напряжение батареи, можно применить удвоитель напряжения. Примеры подходящих для этого схем показаны на рис. 3.32 и 3.33. В схеме на рис. 3.32 два одинаковых конденсатора С,1 и С2 заряжаются параллельно напряжением батареи в промежутках между импульсами. При отпирании обоих транзисто­ров конденсаторы соединяются в последовательную цепь. Схема удвоителя напряжения, изображенная на рис. 3.32, содержит лишь один конденсатор.

Рисунок 3.32 – Выходной каскад с удвоением напряжения с одним конденсатором

Рисунок 3.33 – Выходной каскад с удвоением напряжения с двумя конденсаторами

Генератор импульсов. Генератор импульсов должен вырабатывать импульсы с большой скважностью и низкой частотой повторения. Пример схемы генератора импульсов приведен на рис. 3.34.

Рисунок 3.34 – Схема генератора импульсов

Цепи запирания. Частота повторения генератора импульсов определяется продолжительностью периодов заряда или разряда конденсатора. Изменение напряжения на конденсаторе при заряде через резистор имеет экспо­ненциальный характер, а при заряде током постоянной величины — линейный. Один из возможных принципов запирания иллюстрируется на рис. 3.35.

Рисунок 3.35 – Иллюстрация принципа работы цепи запирания:1 — напряжение на конденсаторе; 2 — выходные импульсы; 3 — уровень срабаты­вания

Напряжение на конденсаторе возрастает, пока не достигнет уровня срабатывания, и цепь генерирует импульс. Однако при появлении каждого комплекса QRS напряжение на конденсаторе воз­вращается на исходный уровень, и начинается следующий интервал ожидания (запирания). Если на протяжении всего интервала ожида­ния не произойдет еще одно запирание, то в конце этого интервала генерируется импульс.

Пример возможной схемы реализации этого принципа приведен на рис. 3.36. Конденсатор С заряжается через резистор R2. При достижении определенного напряжения (задаваемого делителем R2, R3) генерируется импульс Если отопрется транзистор VT, то разряд конденсатора С происходит раньше, и снова начинается заряд, причем импульс не генерируется.

Рисунок 3.36 – Пример схемы генератора стимулирующих импульсов и цепи запирания; один конденсатор С определяет длительность импульса и частоту повторения

Имплантируемый асинхронный электрокардиостимулятор. Стимулятор предназначен для лечения стойкой атриовентрикулярной блокады сердца. Пригоден для работы как с эндокардиальными, так и с миокардиальными электродами. Основные технические данные: амплитуда прямоугольного импульса 4,5±0,5 В (при сопротивлении нагрузки 510 Ом); длительность импульса 1,2±0,2 мс при длительностях фронта не более 0,1 мс и среза - не более 0,2 мс; относительная неравномерность вершины импульса не более 40%; частота повторения импульсов 60-75 имп/мин; габаритные размеры стимулятора 50х51х21 мм; масса не более 155 г.