Кардиостимулятор

<час />

Кардиостимулятор - это электронное биомедицинское устройство, которое может регулировать сердцебиение человека, когда его естественные регулирующие механизмы выходят из строя. Это небольшая коробка, имплантированная хирургическим путем в грудную полость, с электродами, которые находятся в непосредственном контакте с сердцем. Впервые разработанный в 1950-х годах, кардиостимулятор претерпел различные изменения в конструкции и с момента своего изобретения нашел новые применения. Сегодня кардиостимуляторы широко используются, ежегодно их имплантируют десяткам тысяч пациентов.

Фон

Сердце состоит из четырех камер, составляющих две помпы. Правый насос принимает кровь, возвращающуюся из тела, и перекачивает ее в легкие. Левый насос забирает кровь из легких и перекачивает ее к остальному телу. Каждый насос состоит из двух камер, предсердия и желудочка. Атриум собирает поступающую кровь. Когда он сокращается, он передает кровь в желудочек. Когда желудочек сокращается, кровь откачивается от сердца.

В нормальном функционирующем сердце насосное действие синхронизируется кардиостимулятором сердца или синоатриальным узлом, который расположен в правом предсердии. Это естественный кардиостимулятор, способный вырабатывать электрическую энергию. Электрический импульс создается за счет диффузии ионов кальция, натрия и калия через мембрану клеток в области водителя ритма. Импульс, создаваемый движением этих ионов, сначала передается предсердиям, заставляя их сокращаться и выталкивать кровь в желудочки. Примерно через 150 миллисекунд импульс перемещается к желудочкам, заставляя их сокращаться и откачивать кровь от сердца. Когда импульс уходит из каждой камеры сердца, эта часть расслабляется.

К сожалению, естественный кардиостимулятор может работать неправильно, что приводит к аномальному сердцебиению. Эти аритмии могут быть очень серьезными, приводя к потере сознания, сердечным приступам и даже смерти. Электронные кардиостимуляторы предназначены для того, чтобы дополнять естественный контроль сердца и регулировать биение сердца, когда оно выходит из строя. Он может это сделать, потому что он оснащен датчиками, которые постоянно контролируют сердце пациента, и батареей, которая посылает электричество, когда это необходимо, через подводящие провода к самому сердцу, чтобы стимулировать сердцебиение.

В дополнение к внешним блокам, искусственные кардиостимуляторы могут быть постоянно имплантированы в грудную клетку пациента. Для этого сначала проводят провод через вену в камеру сердца, где он закрепляется. Рентгеноскопическая визуализация помогает облегчить этот процесс. Затем сам кардиостимулятор помещается в карман, образованный хирургическим путем чуть выше верхнего квадранта брюшной полости. Затем провод отведений подключается к кардиостимулятору, и карман зашивается. Это значительное улучшение по сравнению с ранними методами, которые требовали вскрытия грудной клетки и присоединения электродов непосредственно к внешней поверхности сердца.

История

Идея использования электронного устройства для обеспечения последовательной регуляции биения сердца изначально не была очевидна для первых разработчиков кардиостимулятора. Первый кардиостимулятор, разработанный Полом Золлом в 1952 году, был портативной версией кардиореаниматора. У него было два провода, которые можно было прикрепить к ремню, который носил пациент. Он был включен в ближайшую розетку и вызвал поражение электрическим током, которое стимулировало сердце пациента, перенесшего приступ. Этой стимуляции обычно бывает достаточно, чтобы сердце вернулось к нормальной работе. Этот ранний кардиостимулятор, будучи умеренно эффективным, в основном использовался в экстренных ситуациях.

В течение 1957 и 1960 годов в оригинальное изобретение Цоля были внесены значительные улучшения. Пытаясь уменьшить количество напряжения, необходимое для перезапуска сердца, и увеличить продолжительность электронной стимуляции, К. Уолтон Лиллехей создал кардиостимулятор, провода которого были прикреплены непосредственно к внешней стенке сердца. Позже, в 1958 году, в качестве источника питания была добавлена ​​батарея, что сделало кардиостимулятор по-настоящему портативным, что позволило пациентам быть мобильными. Это также позволило пациентам использовать кардиостимулятор постоянно, а не только в экстренных случаях. Электрокардиостимулятор Лиллехея был внешним. Уильям Чардак и Уилсон Грейтбэтч изобрели первый имплантируемый кардиостимулятор. Он был имплантирован живому пациенту в 1960 году.

Современная техника введения кардиостимулятора в сердце пациента была разработана Сеймуром Фурманом. Вместо того, чтобы разрезать грудную полость, он использовал метод введения электродов в вену и продвижение их в желудочки. С проводами внутри сердца требовалось еще более низкое напряжение, чтобы регулировать сердцебиение. Это увеличивало время, в течение которого кардиостимулятор мог находиться внутри человека. Хотя изначально его метод не получил широкого распространения, к концу 1960-х годов большинство кардиологов перешли на эндокардиальные кардиостимуляторы Фурмана. С тех пор в их конструкцию были внесены улучшения, включая устройства для кардиостимуляторов меньшего размера, батареи с более длительным сроком службы и элементы управления компьютером.

Сырье

Материалы, используемые для создания кардиостимуляторов, должны быть фармакологически инертными, нетоксичными, стерилизуемыми и способны функционировать в условиях окружающей среды организма. Различные части кардиостимулятора, включая корпус, микроэлектронику и провода, изготовлены из биосовместимых материалов. Обычно кожух изготавливается из титана или титанового сплава. Свинец также сделан из металлического сплава, но изолирован полимером, например полиуретаном. Открыт только металлический наконечник провода. Схема обычно сделана из модифицированных кремниевых полупроводников.

Дизайн

Доступны многие типы кардиостимуляторов. Североамериканское общество кардиостимуляции и электрофизиологии (NASPE) классифицировало их, по какой камере сердца выполняется кардиостимуляция, какая камера ощущается, как кардиостимулятор реагирует на ощущаемый ритм и является ли он программируемым. Несмотря на огромное количество моделей, все кардиостимуляторы по сути состоят из батареи, выводных проводов и схемы.

Основная функция батареи кардиостимулятора - накапливать достаточно энергии для стимуляции сердца разрядом электричества. Кроме того, он также обеспечивает питание датчиков и устройств отсчета времени. Поскольку эти батареи имплантированы в тело, они разработаны с учетом определенных характеристик. Во-первых, они должны быть способны генерировать около пяти вольт энергии, уровень, который немного выше, чем количество, необходимое для стимуляции сердца. Во-вторых, они должны сохранять свою власть в течение многих лет. Минимальный срок - четыре года. В-третьих, они должны иметь предсказуемый жизненный цикл, позволяющий врачу знать, когда требуется замена. Наконец, они должны работать в герметичном (герметичном) состоянии. Батареи состоят из двух металлов, которые образуют анод и катод. Это компоненты батареи, через которые передается заряд. Некоторые примеры включают литий / йодид, кадмий / оксид никеля и ядерные батареи.

Отведения кардиостимулятора - это тонкие изолированные провода, которые предназначены для передачи электричества между батареей и сердцем. В зависимости от типа кардиостимулятора он может содержать либо одно отведение для однокамерных кардиостимуляторов, либо два отведения для двухкамерных кардиостимуляторов. При постоянном сердцебиении эти провода хронически изгибаются и должны быть устойчивы к переломам. Доступно множество стилей выводов, основные конструктивные отличия которых находятся на открытой стороне. Многие отведения имеют ввинчивающийся наконечник, который помогает прикрепить их к внутренней стенке сердца.

Схема - это центр управления кардиостимулятором. Здесь расположены датчики сердечного ритма, регуляторы напряжения, схемы синхронизации, и внешне программируемые элементы управления. Схема состоит в основном из резисторов, конденсаторов, диодов и полупроводников. Схема современного кардиостимулятора значительно улучшена по сравнению с более ранними моделями. С применением полупроводников печатные платы стали намного меньше. Они также требуют меньше энергии, производят меньше тепла и отличаются высокой надежностью.

Производственный
процесс

Кардиостимуляторы - это сложные электронные устройства. Поэтому некоторые производители полагаются на внешних поставщиков для обеспечения многих комплектующих. Создание кардиостимулятора - это не линейный процесс, а комплексный. Компоненты, такие как батарея, выводы и схемы, конструируются индивидуально, а затем собираются вместе, чтобы сформировать конечный продукт.

Изготовление батареи

• 1 Основным типом батарей, используемых в кардиостимуляторах, является литиево-йодная батарея. Один из методов, используемых производителями для изготовления этих батарей, включает в себя сначала смешивание йода и полимера, такого как поли2-винилпиридин (ПВП). Они нагреваются вместе, образуя расплавленный комплекс с переносом заряда. Затем эту жидкость наливают в предварительно сформованный элемент в форме полумесяца, который содержит другие компоненты батареи, включая литиевый анод (положительный заряд) и коллекторный экран катода. Смесь йода / полимера затвердевает при охлаждении, образуя катод. После формирования катода аккумулятор герметично закрывается для предотвращения попадания влаги.

Привлечение потенциальных клиентов

• 2. Обычно выводы состоят из металлического сплава. Проволока изготавливается методом экструзии, при котором металл нагревается до расплавления, а затем проталкивается через отверстие подходящего размера. Его разрезают, затем связывают со многими другими проводами и обрабатывают полимерным изолятором, например полиуретаном. Один конец проводов отведений имеет форму наконечника, а другой - разъем для кардиостимулятора.

Изготовление материнской платы

• 3 На материнской плате собраны все электрические схемы кардиостимулятора, в том числе полупроводниковые микросхемы, резисторы, конденсаторы и другие устройства. Используя сложный метод, известный как гибридизация, эти компоненты объединяются в единую сложную схему. Строительство начинается с небольшой платы (менее 0,32 кв. Дюйма [2 кв. См]), на которой обозначена электронная конфигурация. Соответствующие компоненты устанавливаются на плату. Затем они прикрепляются с использованием минимального количества сварных швов.

Окончательная сборка и упаковка

• 4 Когда все компоненты доступны, выполняется окончательная сборка. Схема подключена к батарее, и обе вставлены в металлический корпус. Корпус кардиостимулятора обычно изготавливается из титана или титанового сплава. Он состоит из нескольких частей, которые склеиваются вместе после того, как вставлены другие компоненты кардиостимулятора. К кожуху также прикреплен фитинг, обеспечивающий точку соединения проводов.
• 5 Готовые устройства затем помещаются в окончательную упаковку вместе с принадлежностями. После тщательного тестирования они отправляются дистрибьюторам и, наконец, врачам.

Контроль качества

Качество каждого кардиостимулятора гарантируется путем проведения визуальных и электрических проверок на протяжении всего производственного процесса. Эти тесты обнаружат большинство недостатков. Поскольку батареи должны быть абсолютно надежными, они специально производятся и проходят тщательные испытания, что значительно увеличивает связанные с этим расходы. Функциональность каждого готового кардиостимулятора также проверяется перед отправкой в ​​продажу. Многие из этих тестов проводятся в различных условиях окружающей среды, таких как чрезмерная влажность и стресс.

Производители устанавливают собственные стандарты качества для своих кардиостимуляторов. Однако стандарты и рекомендации по производительности требуются различными медицинскими организациями и государственными учреждениями. В США кардиостимуляторы классифицируются как биомедицинские устройства класса III, что означает, что для них требуется предварительное разрешение Управления по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA).

Будущее

Ожидается, что с увеличением числа пожилых людей в Соединенных Штатах, большему проценту населения потребуются кардиостимуляторы. По мере продолжения исследований будущие устройства обещают стать более долговечными, надежными и универсальными. Достижения в области аккумуляторных технологий, такие как использование радиоактивных изотопов для выработки энергии, несомненно, увеличат срок службы имплантированных кардиостимуляторов. Развитие микроэлектроники должно обеспечить устройства еще меньшего размера, которые менее подвержены влиянию окружающей среды. Последним достижением в этой области является применение технологии кардиостимуляции для мозга. В этой системе ученые подключают провода отведений к определенному участку мозга и стимулируют его по мере необходимости, чтобы регулировать сердцебиение. Было показано, что это устройство особенно эффективно для успокоения тремора, связанного с болезнью Паркинсона.