心脏起搏器的刺激电极

2．5　心脏起搏器的刺激电极

导线（又称为起搏导管）和电极是起搏系统中人体心脏与起搏器联系的重要环节：将起搏器发放的起搏脉冲传送到心肌上，同时又将心脏的R波或P波电信号传送给起搏器，在频率适应型起搏器中，还要通过电极测量反应植物神经活性的心阻抗变化等信号。

1．电极的类型

（1）按起搏导线上的电极端点数分类：

①单电极。起搏导线上仅有一个电极接触心脏。为了使此电极与心脏起搏器输出起搏脉冲有一个输送回路，因此还必须设置另一个电极，这个电极一般称为无关电极，可把这个无关电极安放在患者任何皮肤下部位。植入式起搏器的无关电极就是起搏器的金属外壳，如图2．29（a）。

图2．29　单电极与双电极的结构和电流路径

②双电极。起搏导线上带有两个电极，使用时这两个电极均接触心脏，均固定在心肌上，或负极与心内膜接触，而正极在心脏内，如图2．29（b）。

（2）按电极安置的部位不同分类：

①心内膜电极。一般把这种电极做成心导管形式，经体表周围静脉置入心腔内膜，与心内膜接触而刺激心肌，因此也称这种电极为心内膜导管电极，简称导管电极。安置时仅需切开周围静脉，不必开胸，手术损伤小。因此，在临床上这种电极用得最多，约占90%。但对静脉畸形和心腔过大的患者，宜采用下面介绍的心肌电极。

②心外膜电极。这种电极使用时需要手术开胸，缝扎于心外膜表面，接触心外膜而起搏。其缺点是与心外膜之间极易长出纤维组织，易在短期内导致起搏阈值增高，故目前多为心肌电极所代替。

③心肌电极。使用时手术开胸植入心肌内，使电极头刺入心壁心肌，这样可以减少起搏阈值增高的并发症。但因需开胸，手术较大，故除年轻患者（活动量大）或静脉畸形、心腔过大而心内膜电极不易固定者外，其他较少使用。

2．电极的材料和结构

电极和导线由于长年浸泡在人体血液、体液、组织液中，所以首先要求有很好的化学性能，包括无毒性、无排斥性、抗腐蚀性等，即生物相容性。其次，电极和导线与心腔和血管壁紧密接触，昼夜不停地随心脏一起跳动，如果心脏每分钟兴奋70次，那么一年之内心脏将收缩3680万次，除此之外，还受呼吸运动以及身体运动等，结果使导线产生非常复杂的运动，因此对导线又要求有很高的物理性能，既要有一定的强度，防止导线长期使用而折断，或绝缘破损。又要表面光洁柔软，防止导线外层弄伤心腔和血管壁。最重要的，电极和导线主要是传递电信号的，其电气特性关系到仪器性能，所以要求优良的电气特性，体现在内导体的低电阻，和外层良好的绝缘。

针对这些要求，现代导线的绝缘层用硅橡胶或聚氨酯包鞘，两者的生物相容性均较好，但前者较粗且脆弱，易在手术时损伤，后者较坚固且细，更适合应用双腔起搏时在同一静脉内插入两根导管电极，其缺点是易老化。导线导体主要用爱尔近合金（Elgiloy），这是由钴、铁、铬、钼、镍、锰组成的合金，或镍合金等优质材料，做成螺旋形导管，可插入指引钢丝作管芯，加强韧性和起导向作用，便于推送到所需的心脏部位，拔去指引钢丝，导管即可恢复柔顺性。电极头用爱尔近合金或铂铱合金等优质材料。为了使心内膜导管电极永久嵌顿附着在肌小梁内，不易脱落和移位，电极顶端的形状有勾头、盘状、柱状、环状、螺旋状、伞状等不同类型，图2．30所示为四种形状的电极头。图中（a）为被动固定凸缘状心内膜电极，（b）为被动固定翼状（锚型）心内膜电极，（c）为被动固定螺旋状心内膜电极，（d）为主动固定螺旋状心肌电极。

图2．30　电极头的各种形状实例

由于植入式起搏器的使用寿命已达8～10年，因此在更换起搏器时，一般都不希望同时更换导管电极，这就要求导线和电极的使用寿命更长，最好是2～3倍。

3．电极端头的表面处理

电极的电子学性能要求界面阻抗尽量小。电极端点表面与周围组织之间有一层电化学相变界面，即在界面的一边电流的载体是电子，而在另一边是正或负离子，其特点是所谓的赫姆霍兹双层结构。这种结构可以用一个等效电路来表示（见图2．31）。

图2．31　电极与心肌组织界面的简化等效电路

根据这个等效电路，电极端点表面与周围组织间界面阻抗

其中：R_F是组织内部离子反应电阻，R_L是导线电阻，C_H是赫姆霍兹电容，ε是水偶极子的介电系数，d是赫姆霍兹层厚度，A是电极表面积。由于R_F较大，且难以改变，因此R_L减小的余地有限。而流过电极的刺激电流和心电感知信号有一定频率，频谱在几kHz至几十kHz，即ω≠0，所以为了界面阻抗尽量小，只有使电容C_H尽量大。由于ε与d很难通过改变电极材料或结构来改变，因而只有通过增大电极表面积A。

图2．32　高倍放大镜下见到的多孔多层的电极端头表面

但是实验表明，如果加大电极尺寸使几何表面积增大，将使得心肌兴奋所需电量也增加，几乎与表面积的增加成正比。原因是电极尺寸增加使得受到电极刺激的区域也增加。电刺激需要的是极小部分心肌细胞受到一个超过阈值的电流，而不需要较多的心肌细胞接受同样强度的电刺激。减小电极的几何表面积，可减小刺激能量，延长起搏器的使用寿命。可见对电极的要求是：有效表面积大，而几何表面积小。

于是在电极几何尺寸受限制的前提下，有效表面积增加的方案是：利用现代真空涂复技术，如溅射或离子喷镀技术，将适当的材料如氮化钛（TiN）、氮化铱（IrN）等，在传统电极上形成一粗糙的多孔多层表面。实践表明这种多孔多层结构（见图2．32）使有效表面积比几何表面积增加了1000多倍。