植入式心律转复除颤器的技术原理

3．4　植入式心律转复除颤器的技术原理

3．4．1　植入式心律转复除颤器的作用

近十年来，世界范围内的心源性猝死不断发生，这些医院外心脏停搏者多数是由室颤引起的，大部分患者（大于80%）先出现室速，持续恶化发生室颤，由于室颤自行转复极其困难，因此从室颤发生至得到除颤治疗的时间决定了患者的生存。一般来说，医院外心脏停搏的总死亡率很高（高于75%），主要由于患者不能得到及时有效的除颤治疗。而植入式心律转复除颤器（ICD）可以在心律失常发生10～20秒内释放电击除颤，在这段时间除颤成功率几乎100%，ICD可以对自发性室颤作出有效反应，感知危及生命的恶性室性心律失常，并进行有效治疗，防止心源性猝死的发生。目前，ICD技术发展非常迅速，具有诊断和多种治疗功能的新一代ICD已开始在临床应用，其临床适应征也不断放宽。

从1972年Medrad公司生产出第一台ICD之后，ICD治疗技术日新月异，除颤部位由最初的单腔逐渐发展到双腔、三腔等多部位。多年的临床实践表明，ICD比抗心律失常药物治疗能更有效地减少心脏室性猝死，因此其已被广泛接受作为治疗致命性室性心律失常的首选方法。ICD已成为临床上治疗持续性或致命性室性心律失常的重要医学电子仪器。

3．4．2　ICD的结构和功能

1．ICD的结构功能概述

ICD系统主要包括两个基本部分：脉冲发生器和识别心律失常、释放电能的电极导线系统。脉冲发生器由两个锂－银、钒五氧化物电池提供能源，电池外壳是由钛金属制成，连接头由环氧化物制成。连接头有3～4个电极插孔，可以与除颤以及感知电极连接。不同ICD生产厂家ICD设计有所不同，目前脉冲发生器的重量在70～130g不等，体积在30～100ml左右。

一般来讲，ICD系统均采用心内膜或心外膜电极来感知心律失常，新一代的ICD系统大多采用心内膜电极，不仅用这些电极感知心律失常，而且用它进行抗心动过速起搏以及VVI或DDD起搏治疗，这类电极还可以释放能量进行除颤。心内膜电极集感知、起搏和除颤于一身，最远端为一对起搏和感知电极，其后为心内膜弹簧除颤电极，电极固定方式有主动和被动固定两种。选择何种类型的电极须根据植入手术时除颤阈值测定结果来定。

目前绝大多数ICD系统采用心率作为心律失常的感知参数，当心率超过ICD预先设定的心律失常心率标准时，心律失常被感知，并触发ICD系统充电，继而通过除颤电极释放电能进行除颤，如果第一次电击不成功，则ICD系统重新工作，释放新一次的电击进行除颤，一般可连续释放3～6次电击，直至除颤成功。最新一代的ICD系统除了转复/除颤功能外，还具有抗心动过速起搏治疗以及抗心动过缓起搏治疗，这些系统可以对一种或多种心律失常以不同的反应。例如，对于持续性室速，ICD系统识别后首先进行抗心动过速起搏治疗以终止心动过速，若无效或心动过速恶化，则进行低能量的心律转复电击治疗，若仍无效则进行较高能量的除颤治疗，除颤治疗后，如果心率慢，还可进行心室起搏治疗。所有这些治疗方式可以通过体外程控加以选择以及设定参数。除颤能量大小可以通过体外程控设定，对于室颤，通常除颤能量为15～30J。

2．ICD的基本结构

ICD通常由除颤高能脉冲发生器和室颤自动检测识别电路两大部分组成（如图3．19所示），其中CPU控制板是整机的控制中心。安装ICD时，可以埋植于腹部（需开胸），也可以进行皮下安装，并最终实现经静脉安置。

图3．19中，室颤自动检测识别电路负责检出心电图中的室颤异常，并将异常信息通知CPU。除颤控制单元主要控制除颤高能脉冲发生器，并通过I/O及A/D、D/A卡与CPU通信。除颤高能脉冲发生器通过高频逆变将直流电压转换为直流高压对高压电容器快速充电。除颤执行单元通过LCR放电电路，可瞬间释放高压电容器上的电能，最终实现除颤电击。硬保护电路不受CPU控制，可监控高压电容器上的高压值和高压充电回路的电流值等重要电路参数，一旦异常则执行硬保护动作，并通知CPU。反馈、保护电路可将电路的动态信息反馈至CPU，由CPU实施对应的控制动作或软件保护，以保证系统安全。

图3．19　植入式心脏除颤器硬件结构示意图

3．ICD的临床功能

（1）识别室速及室颤。目前已有多种判断指标被用来自动识别VT和VF，但以单纯的心率（Rate）作为判断心动过速的主要标准仍是在ICD中应用的最主要方法。预先在ICD中设置室速和室颤的识别频率，当心动过速频率超过室速识别频率（例如160bpm），则被判断为室速；当心动过速或室颤频率超过室颤的识别频率（例如220bpm），则判断为室颤而进行治疗。

除频率以外，可程控指标还有心律失常的突发性、稳定性和持续性。心律失常的突发性指标主要用于区分窦性心动过速和室性心动过速。因为大多数窦性心动过速都是逐渐开始的，而大多室速都是突然发作，借此而将两者区别开。心率稳定性指标用来排除心动过速中的房颤，因为房颤的心动周期一般不规则，即不稳定，而一般心动过速时则是稳定的，故而可以识别是心动过速还是房颤。心率的持续性指标主要是用于防止ICD对非持续性室速在已恢复窦性心律的情况下电击。

当然，单一的识别参数不可能正确地识别所有的心律失常，而根据患者的具体情况选定组合参数将会更切合实际。另外，应用双腔ICD的PR逻辑分析指标也可明显减少不适当的误判。

（2）心动过缓心脏起搏。部分植入ICD的患者在除颤后心跳缓慢，需要快速心脏起搏以尽快恢复正常血流动力学，也有一部分患者合并窦房结或房室传导功能障碍，同时需要心脏起搏治疗。目前的ICD均具有心动过缓心脏起搏功能，通过右心室的心内膜电极进行感知和起搏，起搏方式为VVI，起搏频率及电压等参数可以根据需要通过程控仪来调整。

（3）抗心动过速起搏（Antitachycardia Pacing，ATP）。ATP是一种程序期外刺激或以固定频率的短阵快速刺激（Burst）起搏心室以终止室速的方法。如同高能电击一样，ATP可有效地终止室速，而不引起患者疼痛，且电能消耗少，因而和高能电击相比，患者能更好地耐受ATP并相应延长起搏器的使用寿命，也能缩短高能电击充电所需时间。

（4）低能量复律。低能量复律的电击能量一般在5J以下，使用低能量复律的ICD可以代替抗心动过速起搏器，且能最大限度地减少高能量电击带来的不适，而同时又能克服抗心动过速起搏所具有的使VT加速的危险性。多数研究表明，虽然低能量复律和快速心室起搏一样能有效地终止室速，但如果与支持性抗心动过缓起搏和高能量除颤一起应用时，将会更加安全和实用。

（5）高能量除颤。目前，大多数除颤器的最大释放能量为30～34J。ICD在感知并确认发生室颤后，经过几秒钟的充电后便可释放高能量除颤脉冲，目前新一代ICD可连续释放1～6个高能量除颤脉冲。

（6）信息储存记忆。ICD还具有信息储存记忆功能，可将心律失常发作以及治疗过程的信息（包括数据以及心内ECG）储存起来，医生可根据临床需要，随时通过体外程控仪读取信息，判断ICD治疗效果，并及时调整诊断和治疗参数。以Medtronic 7227型ICD为例，它可将每次随访期间（如3个月）的所有快速室性心律失常发作的时间、次数以及治疗结果的信息储在ICD里，若发生除颤或抗心动过速起搏治疗，它可详细记录室速或室颤发生时间，发作时的心率，得到ATP或除颤治疗的情况，以及治疗前后的心内ECG。随着技术进步，ICD的信息储存容量不断增加，目前新一代的ICD可储存长达30min的心内ECG，为医生判断和分析ICD的工作情况提供有价值的信息。

3．4．3　ICD植入及其术中检测

由于工程技术的进步，ICD的体积已经明显减小，可以使用经静脉导线进行电击治疗，使ICD的安装技术大大简化，心内科医生可以像置入起搏器一样将ICD置于患者的胸部皮下或胸大肌下开展除颤治疗。1993年，美国FDA正式批准通过了第三代的非开胸ICD系统，使ICD的植入量进一步增长。自1994年以来，经静脉单极除颤系统开始在临床应用，进一步简化了手术过程，提高了除颤效果，推动了临床的广泛应用。

1．植入方案

目前，在临床中广泛应用的ICD系统植入方法多为非开胸植入方法，电极导线植入于患者胸前（如图3．20所示）。根据除颤电极的构成不同，大致可分为以下两类：

图3．20　经静脉植入ICD示意图

（1）以心内线圈电极为主的除颤系统。

虽然各厂家设计有所不同，但右心室的三极感知和除颤电极基本相同，经静脉植入后成为线圈除颤电极，此线圈电极需与另一除颤电极构成除颤电路。另一除颤电极的设计各厂家有所不同，例如CPI公司的Endotak系统在心室感知除颤电极的心房段加设另一线圈电极，构成除颤电路。

这类系统在临床应用时，多数患者可得到满意的除颤效果，但仍有相当一部分患者不能得到满意的除颤阈值，而改用其他非开胸ICD系统或开胸植入ICD系统。

（2）单极除颤系统。

单极除颤系统是指除颤器外壳本身作为除颤的一个电极，与心内的线圈除颤电极构成除颤电路。由于除颤器外壳作为除颤的一个电极，除颤器必须埋藏在左胸前。ICD胸前植入可埋于肌肉下囊袋或皮下囊袋，视患者胸前皮下组织而定，若患者较瘦，皮下脂肪少，可将ICD埋于肌肉下，对于皮下脂肪较多的患者，可将ICD埋于皮下囊袋。该系统具有以下特点——手术操作进一步简化，只需经静脉植入一根三极的感知与除颤电极；除颤阈值低，由于除颤器外壳作为除颤电极，大大地增加了除颤电极的面积，从而进一步有效地降低了除颤阈值。

以往的ICD植入手术通常在手术室进行，由于非开胸除颤系统简化了手术过程，目前大多数在导管室进行，由心内科医生植入。

2．除颤阈值测试

准确地说，ICD的植入过程包括两部分：一是上面提到的导线和脉冲发生器的植入，二是植入术中的测试。一台成功的ICD植入不仅是一次成功的手术操作，还需要术中详细完善的测试以及根据测试结果选择的最合适的参数设置，主要包括以下几个方面的测试：

（1）如同常规起搏器一样，在导线就位后测定电极阻抗、感知阈值和起搏阈值。通常良好的起搏阈值可间接反映除颤阈值，而感知阈值需要判断是否有足够大的R波振幅，一般要求大于5～8mV，以保证在发生VT/VF时，QRS波能被完全感知，触发正确及时的复律除颤治疗。

（2）VT/VF的诱发、抗心动过速起搏的测试以及除颤阈值（Defibrillation Threshold Testing，DFT）的测定，这是ICD植入术区别于普通起搏器的关键技术。植入ICD的主要目的是当患者发生致命性心律失常时，ICD能够马上识别并及时终止心律失常。因此术中必须进行测试来判断所植入的ICD功能是否正常，并设置合适的参数来保证患者的生命安全。

除颤阈值指的是能将VT/VF转复为窦性心律的最小能量。当感知和除颤电极导线固定后（导线连接如图3．21）。电极与体外除颤测试系统连接进行DFT测定。首先需要诱发心室颤动，室颤的诱发方法有两种：一种方法为T波电击（T－shock），即在T波易损期上以低能量电击诱发VF，另一种方法为50Hz交流电刺激，两种方法均能非常有效地诱发出室颤。

图3．21　导线与除颤器的连接

虽然DFT的标准各个医学中心有所区别，但大多数医院采用连续两次20J或以下的能量进行有效除颤作为成功标准，即DFT等于或低于20J，才可考虑电极与脉冲发生器连接，并将脉冲发生器植入。目前ICD系统最大除颤能量在30～34J，DFT应低于最大的除颤能量10J以上（安全界限），以保证最大能量释放时高于95%的成功率。某些新的ICD系统最大释放能量可达35～40J，可以允许植入ICD时DFT为20～24J。完成阈值测定后，将脉冲发生器与电极连接，诱发室颤，检验整个ICD系统感知心律失常和除颤功能及效果。

综上所述，ICD的手术流程大体如下——制作囊袋、导线置入与测试、测定除颤阈值、植入脉冲发生器、设置与输入工作程序。与起搏器植入术的主要区别在于增加了除颤阈值的测定和工作程序设置。制作囊袋时要根据患者胖瘦程度和ICD体积大小而决定在皮下抑或胸大肌下，一般选择左胸，以便电击除颤/复律时，通过心脏的电流密度最大，降低除颤阈值。导线置入方法与起搏导线相同，略有区别的是需要让导线顶端尽量靠近心尖，这样导线的远端除颤电极在右心室内的部分较多，有利于增加电击时通过心脏的电流密度。ICD导线中包括起搏/感知和电击两个回路，因此，在植入脉冲发生器之前，除了测定起搏/感知参数外，还需测定电击阻抗（或称高压阻抗），以保证电击回路连接良好。为了避免漏诊室颤，要求R波振幅至少5mV。如果不能达到这一标准甚至更低，可以加用或改用螺旋导线。