植入式心脏装置的不同类型传感器技术进展

, 怡辰

自贡第三人民医院心内科(自贡市, 643020)重庆医科大学09级临床医学四川省老年医学1班(重庆,401331)

心脏起搏器技术和植入式心脏复律除颤器(Implantable Cardioverter Defibrillator, ICD)等植入性心脏装置的心脏猝死预防作用，其基础是现代生物医学工程传感器技术的监测功能及其应对心脏电生理变化的计算程序进步的结果。当今，这种传感器技术已经能够通过移动电话、英特网来实施大区域，大数量病人的体内植入性心脏设备的状态监测和病人心血管事件危险性的监测。而生物医学工程传感器技术用于起搏器中主要是监测病人体液变化的阻抗改变、血液动力学评估、肺动脉压力和左心房压力监测，以及相关参数的计算。本文欲就30余年来心脏传感器技术不同类型的相关进展进行综合述评，并展望将来应用前景。

1 频率应答(Rate modulation)心脏起搏器传感器的工作方式和技术原理

正常人体的心率随机体活动(如体力、焦虑、紧张、发热、各种病理状况等)而发生改变，这种心血管反应(包括心率变时性反应和心肌变力性反应)的机理涉及复杂的神经、体液、血流动力学改变，机体体力活动时心率加快、每搏量增加,从而使心输出量增，其中心率的变化直接与氧耗量成正比，也与体力活动加量成正比[1-2]。与此同时，机体体力活动时呼吸频率加快、每分通气量增加，如果运动量大、超过有氧代谢水平，无氧代谢就会加强而引起机体乳酸增加、血液二氧化碳容量增加。当运动结束，交感兴奋被迷走神经拮抗，故心率下降、氧耗量逐渐减少直至恢复正常[3]。这就是机体心率的频率应答调整过程。

所以，从1970年，开始的现代心脏起搏器的频率调整技术就是模仿这种机体正常心脏的变时调节过程，通过传感器技术监测机体生理、病理状况下的机体活动量、氧耗量、每分通气量、血液pH值或者氢离子浓度、体温、呼吸频率、心电图的改变等若干心肺功能和人体代谢参数的变化来调整人工心脏起搏器相对合适于机体要求的起搏频率输出的控制过程。针对上述不同参数的监测需要不同的传感器技术，故心脏起搏器的各种传感器技术应运而生[4]。

1.1 机体运动传感器(activity sensors)

机体活动的两个显著标志是振动和加速度，所以机体运动传感器是针对这两个标志参数来设计，其特点是构造简单、体积小、相容性好、耗能低、与标准起搏器和导联的相容性好，因而成为心脏装置中应用最广泛的频率应答传感器。但其不足是对机体运动判断为非生理性，对运动量的反应不完全成比例，常常易受到环境和外源性的干扰。

现在的心脏装置几乎都使用压电加速计或压阻力加速计，而加速计的原理是当机体运动和加速度改变时，组成加速计的两个模块发生运动，且对与之相连的压电材料产生机械压力和压迫，继之压电材料发生电压改变，这种电压改变就被传感器转化成对机体活动的测量，其计算程序自动设计在心脏装置中，程序化地实现传感控制目标[5]。

1.2 阻抗感知和每分通气量感知传感器(impedance sensing sensors)

阻抗是通过一个线圈对电流的阻抗计算而得，电流的阻抗取决于机体组织和电极之间关系特性。如果在起搏电极和脉冲发生器之间产生了双向电流，则阻抗的变化就可以测定。在人体的呼吸周期中，胸腔体积和肺通气量会发生改变，这些变化伴随有胸腔阻抗的改变，后者可以被确切滤过而得出。使用这种传感方法可以准确测定每分通气量、呼吸频率[6]。而今已有几款测定胸廓阻抗的每分通气量传感器用于频率调整，通常用于心房电极中[7]。其优点是与任何导联相容性好、可测量与运动相关的生理变化，且能对运动进行合适的反应；缺点是运动开始变化慢，儿童或严重肺疾患者应用受限，有些医疗设备可以干扰其功能。

1.3 QT间期传感器(evoked QT-interval sensors)

机体心率对心电图QT间期有规律性的影响，一般是心率增快时QT间期缩短。但有的个体心率不发生变化时也可因为肾上腺素能张力增高而致QT间期缩短[8]。故QT间期诱发传感器的感知机理就是测量心电图QT间期(从心室起搏刺激到诱发T波顶点的时间)来反应机体肾上腺素能张力和预算合适的起搏频率。其优点是反映机体活动的相关生理变化，也反映精神紧张的影响；不足是个体差异大、T波感知变化大、缺血或QT延长药物作用时也可出现伪差、需要有心室导联。

1.4 心肌收缩功能传感器(contractility sensors)

测量心肌收缩性变化可以反映交感神经张力和外周儿茶酚胺水平，故有利于起搏功能在运动时所需心率反应的应答调整。这类传感器主要测定心肌等容收缩期的心肌内阻抗改变来准确反映交感张力对心脏的收缩性影响，这种起搏传感器还反映机体代谢、精神紧张的影响，也对心脏房室延迟功能、再同步化功能的应用提供有益价值[9]。其优点是能反映活动相关的生理改变和运动时成比例的心率反应、反映精神紧张的影响；不足为需要专门的特殊心室电极，局部心肌特性改变时可能出现伪差，其安全性缺乏长期资料随访。

2 监测心衰传感器技术的工作方式和原理

2.1 阻抗传感器(impedance-based monitoring)

在起搏器脉冲发生器和起搏电极之间的跨胸阻抗始终存在着不断变化，且与心脏和呼吸周期中血液和空气充盈组织相关。当肺水肿发生时，阻抗会降低，通过阻抗传感器的监测，不仅可以评估心脏收缩性、每分通气量，也可测量体液潴留状态(体液指数，fluid index。在心衰患者治疗过程中研究发现，阻抗传感器计算)的阻抗增加与右心导管测得的肺契嵌压和机体的体液丧失量下降相关性良好(r=-0.61和-0.71，p<0.001)[10]，通过计算设计和绘图表达，用每分通气量传感器和运动传感器的监测可以清楚地表达心衰患者一定时间内(比如30天)的心衰是否有加重趋势，其阳性预测值、总敏感性、特异性分别为71%、88%、94%[11]，这是起搏器传感器预测心衰的重要新进展。

2.2 右心室压力传感器(RV pressure sensors)

这种传感器置于右心电极尖端，既测定右心室或者肺动脉压力(dp/dt)，又感知心肌收缩性而反馈辅助心率的调节、预测心衰加重的负性血液动力学状况[12]。

目前用于临床研究和应用的统称为血液动力学传感器，与此相似的压力传感器还有肺动脉压力传感器和左心房压力传感器[13]，这就赋予了起搏器预测心衰的功能。

3 其他类型参数的新型传感器技术

3.1 睡眠呼吸紊乱传感器(sleep-disordered breathing(SDB) sensors)

阻塞性睡眠呼吸暂停(obstructive sleep apnea,OSA)和中枢性睡眠呼吸暂停(central sleep apnea, CSA)是睡眠呼吸紊乱综合症的两种类型，是心血管疾病发生发展的重要因素。而在进展性心衰患者中，50%的患者发生SDB，而且与心衰不良预后相关[14]]，因而诊断和监测评估心衰患者是否发生CSA已经成为监测心衰预后严重性和治疗心衰的一项重要指标。

由于CSA被认为是肺水肿所致的中枢缺氧引起呼吸中断或/和过度通气相交替的陈-施式呼吸(cheyne-stokes respiration)，故目前在起搏传感器中应用阻抗-每分通气量传感器来监测CSA[14]。

3.2 pH传感器和多通道传感器

机体活动或因为疾病产生酸性代谢产物，故产生体液pH值改变，因此，已经设计出了pH传感器[15]。近年来还产生了同时可以监测多种机体功能改变的多通道传感器[16]，均正在逐步进入临床应用。

3.3 正在探索的监测心律失常传感器

有学者设想通过微型传感器的设计置于起搏电极尖端，鉴别诊断室上性和室性心律失常，以解决ICD植入者经常发生的不合适电击(ICD shocks)带给患者的痛苦，但此尚无临床应用[17]。

4 述评

心脏起搏器经典的功能就是感知和起搏功能，而感知功能依赖于生物医学工程的传感器技术，传统的起搏电极感知心肌收缩或者电活动后只能固定频率起搏或不起搏。随着技术的进展，在心脏装置中引入频率应答功能，也是通过传感器的改进而实现的，因而产生了运动传感器、阻抗传感器和每分通气量传感器、QT间期传感器和心肌收缩感知传感器，使起搏功能能随机体需要而动态调节，从而加快了起搏器的智能化和按需生理化功能的实现。

现代生物医学工程技术的进步，再次通过传感器而增加了心脏装置的监测和诊断功能，从而为临床治疗提供更可靠的保障，也为新功能的预测、预后判断提供了可能，实现对心衰患者的前瞻性诊断、预测与及时处理，从而延长了生命，这就是技术带来的福音，也是新型的心衰监测传感器如阻抗传感器、血液动力学传感器系列技术的贡献。可以说，心脏装置的传感器技术引领着起搏器等心脏装置功能的进步和临床应用的拓展，可以展望随着将来光电容积描记法、微型或毫微型技术的发展，更新、更尖端的传感器技术一定能够开拓心脏装置新的诊断功能，发展新的治疗手段，传感器技术及其综合、相互组合、整合应用一定是心脏装置将来的领跑技术。

[1] Kaszala K, Ellenbogen KA. Device sensing: sensors and algorithms for pacemakers and implantable cardioverter defibrillators[J]. Circulation，2010,122(13):1328-1340.

[2] Loeppky JA, Greene ER, Hoekenga DE, et al. Beat-by-beat stroke volume assessment by pulsed Doppler in upright and supine exercise [J]. J Appl Physiol, 1981,50(6):1173-1182.

[3] Cardus D, Spencer WA. Recovery time of heart frequency in healthy men: its relation to age and physical condition [J]. Arch Phys Med Rehabil, 1967,48(2):71-77.

[4] Rossi P. The birth of the respiratory pacemaker [J]. Pacing Clin Electrophysiol,1990,13(6):812-815.

[5] Alt E, Matula M, Theres H, et al. The basis for activity controlled rate variable cardiac pacemakers: an analysis of mechanical forces on the human body induced by exercise and environment[J]. Pacing Clin Electrophysiol, 1989,12(10):1667-1680.

[6] Simon R, Ni Q, Willems R, et al.Comparison of impedance minute ventilation and direct measured minute ventilation in a rate adaptive pacemaker[J]. Pacing Clin Electrophysiol,2003,26(11):2127-2133.

[7] Bonnet JL, Ritter P, Pioger G. Investigators of a multicenter study evaluating the chorus RM and opus RM pacemakers. Measurement of minute ventilation with different DDDR pacemaker electrode configurations[J]. Pacing Clin Electrophysiol,1998,21 (1 Pt 1):4-10.

[8] Jordaens L, Backers J, Moerman E, et al. Catecholamine levels and pacing behavior of QT-driven pacemakers during exercise[J]. Pacing Clin Electrophysiol,1990,13(5):603-607. PMID:1693198.

[9] Coenen M, Malinowski K, Spitzer W, et al. Closed loop stimulation and accelerometer-based rate adaptation: results of the PROVIDE study[J]. Europace, 2008,10(3):327-333.

[10] Yu CM, Wang L, Chau E, et al. Intrathoracic impedance monitoring in patients with heart failure: correlation with fluid status and feasibility of early warning preceding hospitalization[J]. Circulation, 2005,112(6):841-848.

[11] Page E, Cazeau S, Ritter P, et al. Physiological approach to monitor patients in congestive heart failure: application of a new implantable device-based system to monitor daily life activity and ventilation[J]. Europace,2007,9(8):687-693.

[12] Bourge RC, Abraham WT, Adamson PB, et al. Randomized controlled trial of an implantable continuous hemodynamic monitor in patients with advanced heart failure: the COMPASS-HF study[J]. J Am Coll Cardiol, 2008,51(11):1073-1079.

[13] Hoppe UC, Vanderheyden M, Sievert H, et al. Chronic monitoring of pulmonary artery pressure in patients with severe heart failure: multicentre experience of the monitoring Pulmonary Artery Pressure by Implantable device Responding to Ultrasonic Signal (PAPIRUS) II study[J]. Heart,2009,95(13):1091-1097. PMID:19196733

[14] Bordier P. Sleep apnoea in patients with heart failure, part I: diagnosis, definitions, prevalence, pathophysiology and haemodynamic consequences[J]. Arch Cardiovasc Dis,2009,102(8-9):651-661.

[15] Chung HJ, Sulkin MS, Kim JS,et al. Stretchable, multiplexed pH sensors with demonstrations on rabbit and human hearts undergoing ischemia[J]. Adv Healthc Mater,2013,16(2):131-134.

[16] Brüser C, Kerekes A, Winter S, et al. Multi-channel optical sensor-array for measuring ballistocardiograms and respiratory activity in bed[J]. Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc,2012,2012:5042-5.

[17] Skobel E, Martinez-Romero A, Scheibe B,et al. Evaluation of a newly designed shirt-based ECG and breathing sensor for home-based training as part of cardiac rehabilitation for coronary artery disease[J]. Eur J Prev Cardiol, 2013, 27(3):230-235.