心脏起搏电极的发展

起搏器脉冲发生器的研究近20年来有了长足发展。然而与起搏器相比，起搏电极的发展却未受到相应重视。虽然也有不少重要的发展包括电极头面积和极化作用的减少、主动的和被动的电极固定装置，以及传导和绝缘方面的改进等。但脉冲发生器等方面的纵深发展，意味着以往的起搏电极已不适合技术上的需要。特别是当应用双腔和应答性起搏系统后增加对能量的需求，起搏电极就显得更为重要。此外，临床医师们同样兴趣的是在较小体积电池的基础上制造出体积更小的脉冲发生器。解决这个问题的关键是发展低刺激阈的导管电极。20世纪80年代以来，先后发明及临床应用了以下数种起搏电极。多孔电极（CPI，Cordis等）；表面多孔多极（Telectronics等）；盘状电极（Telectronic）；镀铂微孔涂层电极－靶状电极（Metronic）；经激活的碳电极（Siemens－Elema）等。

一、电极头大小

20世纪60年代的静脉起搏导管电极头面积约为100mm2，如此大的面积接触心内膜，结果产生了低至约250Ω的阻抗。由于电流通过大的电极头消失了，故产生了高电压的起搏阈值。减少电极头面积可使局部电流密度增加，使起搏阈值减低，从而增长了电池寿命。

20世纪70年代中期，多数起搏电极表面积减至25～50mm2。不久，电极头面积进一步减少到8～12 mm2，使阻抗增至500～1　000Ω。当时，认为再进一步减少电极头面积是有害的。然而，1982年Mond提出了小至6mm2的电极也被证明能安全地胜任长期起搏和感知。当今，对于4mm2或更小面积的电极其阻抗将超过1　000Ω。很显然，当电压固定时，高阻抗将明显减少流向心脏的电流。心内信号的感知也将受过小电极影响，这是因为感知或信号阻抗是由导管电极组织接触面的阻抗组成的，过于小的电极产生高感知阻抗，使心内信号明显减弱。

二、极化效应与电极阻抗

1．概念　起搏导管系统由3个阻抗部分组成。第一部分是起搏导管，是纯阻抗，它包括连接器、导体和电极，这部分阻抗在10～150Ω；第二部分是组织阻抗，包括心肌组织、电极外纤维组织，对于单极导管则为阴极和阳极之间的组织。因人体组织重要组成是水和电解质，故该部分阻抗低；第三部分是非常重要的极化作用形成的阻抗。

极化是指电极组织界面对抗电流的带电粒子的极性排列形成的电容效应。这主要是脉冲发生器放电时的阻抗。在脉冲发生器前沿电容是零，放电期间阻抗逐渐上升，并在后沿达最大值。随后离子弥散，阻抗下降。这一电化学极化效应，随着电极面积的减少而增大。极化阻抗也与安置电极后的时间、电极材料、电流（随电流减少而增加）、脉宽（随脉宽增加而增加）、组织化学反应以及刺激极性有关。极化阻抗常常占系统阻抗的15%～55%，但对低电流小面积的电极则高达70%。

2．完全多孔电极　许多研究者试图设计低极化、低刺激阈电极，如用绝缘的硅胶或特氟隆包裹的电极，是几种不同电流密度电极的一个例子。其表面有多孔与心脏表面接触。使用前，将容器内灌入等渗盐水，使电极通过电解质与心脏接触。从电极上小孔测得的电流密度虽高，但并没有直接流向电极组织接触面，因而无极化发生。是否有可能使电极面积小而又低极化呢？答案必须从电极形状设计、材料选择上寻找。直到20世纪70年代末，大多数阴极是光滑的。在Amundson等的工作之后，清楚了孔心内膜电极因可增加电极接受电流密度，故为低极化电极。Amundson电极表面呈网眼状半球形，是由直径20μm的铂、镶合金金属丝排列而成，称为完全多孔电极。网眼孔径约150μm。多孔电极主要优点是使组织生长进入电极孔内，于是电极导管被动固定。该电极使由电极组织介面极化丧失的能量减少到14%，而类似的实心电极则为20%。

3．多孔表面电极　制作多孔有多种方法。1979年，MacGregor用防锈处理过的金属粉或微粒溶于实心电极基质中，结果形成内部相连的多孔表面，微粒的大小决定着电极表面的微孔大小。多孔表面电极刺激阈值下降30%，感知阻抗也呈有意义的降低。多孔电极在刺激阈值和感知方面均优于实心电极。

总之，极化效应对于电极组织介面上能量损失是非常重要的因素，所以当设计面积小、高阻抗、低刺激阈值的电极时，低极化、多孔表面是非常重要的。

4．电极形状　除了电极头表面积外，刺激电极的形状也是保证电极与组织或刺激的心内膜区良好接触的一个重要因素。1976年，Houghes的研究结果认为，最早出于面积和形状考虑而设计的球形电极有感知过度的缺点，其他在电极上附加框架或螺旋装置的设计多出于电极导管固定之考虑，而忽略了能量保存。随着翼状电极发展，电极的被动固定在设计上就不是主要问题。1989年，Midei证实翼状电极在6～8mm2可产生高密度电流，临床上应用效果良好。然而，对于电极大小和形状的设计受电生理和制造技术方面的制约，电极越小，设计特殊的可产生高密度电流的电极难度就愈大。对于过小的电极，其形状尽管复杂和特殊，但可能失去其应有功能。电极形状见图24－1。

5．电极材料　这对电极长期使用至关重要。电化学作用在很大程度上依赖于电极材料的选择。电极材料的选择要考虑三方面因素：即阻抗、电化学极化作用和电极材料的自蚀和退化。有些金属，如不锈钢或锌是不能应用的。因为金属的过度自蚀和金属离子在电极组织介面的释放可引起强烈的异物反应，会导致电极周围形成一层较厚的纤维被膜。而铂则相对稳定，不易产生反应，无论是电子的消耗或释放均很少。而且若在铂材料中加入10%的铱形成铂铱合金，不改变电机械功能，但却增加了强度。所以，铂和铂铱合金均被广泛用来制造电极。

由钴、铁、铬、钼、镍、锰组成的合金，也用来作电极材料。

碳被广泛用于制造低刺激阈、低极化电极的材料。其中透明碳是高温分解碳，它具有高纯化、高机械强度和高组织相容性的特性。

钛、氧和钛及钛合金也被用作电极材料，既可作阳极也可作阴极。钛最常用于作阳极材料。用90%钛＋6%铝和4%的钒合金制成的多孔阴极材料已经应用。

图24－1　电极形状

6．激素释放控制电极　在安装起搏器后，起搏电极和接触的心内膜之间由于炎症反应形成的纤维组织被膜，对电流通过有明显的障碍，并由此使电极刺激阈值升高。因此，人们研究使用糖皮质类固醇激素以降低刺激阈值。研究表明，地塞米松磷酸盐也有降低刺激阈值的作用，现已应用于临床。但还必须解决激素释放控制装置。这一系统务必能精确定量地释放激素至组织介面。目前有2种装置：一种是在电极头内装入微量渗透泵，使激素直接注入电极组织介面；另一种是将激素渗入多孔电极内的聚合基质中。当电极置入后，组织液经电极表面微孔进入基质中，溶解激素，然后释放到电极组织介面上，适用于儿童和以往阈值较高者。而且类固醇激素电极置入后有较好的R波检测，以及满意的长期感知功能。

随着科学技术的发展，近来电极设计方面发生了很大变化，设计更趋成熟，低刺激阈、低极化作用类固醇激素电极已成为高精度起搏系统的理想电极，它又称为药囊电极，由电极端发出“微量类固醇”药物，可使处于水肿状态的心肌阈值明显降低，并能够使起搏阈值长期保持在较低的水平，为延长起搏器寿命，减少急性期并发症开辟了新途径。

类固醇－洗提药囊电极（capsure steroid－eluting leads）在具有钛涂层的铂电极头内装有微小剂量（＜1mg）的类固醇药物，它能缓慢地“洗提”到心肌组织内，从而可抑制或减轻电极周围的炎症反应，降低阈值，节省电能。激光盘状电极吸收了非多孔盘状电极与激光多孔电极的优点，并改进了电极的几何形状，使之在心室壁定位更好。无论动物实验或者临床应用均显示盘状电极有较高的起搏阻抗，因而能量消耗可节省20%。心肌组织长入激光盘状电极微孔中，有助于电极在组织介面上定位；由于电极的附着物仅仅通过小孔与组织连接，故不影响电极撤出。