CN1155425C - 用于二相性电心脏起搏的仪器 - Google Patents

Abstract

用二相心脏起搏法来增加电传导性和收缩性。将第一刺激相施予肌肉组织。第一刺激相具有预定的极性、振幅和持续时间。然后将第二刺激相施予肌肉组织。该第二相也具有预定的极性、振幅和持续时间。这两相顺次施用。与目前的观念相反，首先应用阳极刺激，随后是阴极刺激。以这种方式，通过心肌的脉冲传导得以改善并伴有收缩力的增加。该技术除用于心肌外也用于大肌肉组织的刺激。

Description

用于二相性电心脏起搏的仪器

发明领域

本发明在总体上涉及刺激肌肉组织的方法。更具体而言，本发明涉及用二相性波形刺激和起搏心脏以改善传导性和收缩性的方法。

发明背景

心血管系统的功能对于生存而言是至关重要的。通过血液循环，机体组织获得必要的营养物和氧气，并排出废物。没有了循环，细胞开始发生导致死亡的不可逆变化。心肌收缩是血液循环的驱动力。

在心肌中，肌纤维以其从各个方向分布于整个心脏的分支网状结构而互相连接。当该网络的任何一点被刺激时，去极化波就传递到所有部分并且整个结构作为一个单位而收缩。肌纤维在被兴奋到收缩之前，它的膜必须是极化的。肌纤维通常保持极化状态直至被所处环境中的某些变化而刺激。膜可受电的、化学的、机械的或温度变化的刺激。引起收缩所需的最小刺激强度称为阈刺激。可施予的不引起收缩的最大刺激振幅是最大阈下刺激。

电刺激膜时，引起反应所需的脉冲振幅取决于许多因素。首先，是电流持续时间。因为传递的总电荷等于电流振幅乘以脉冲持续时间，增加刺激的持续时间伴有阈电流振幅降低。其次，确实跨越膜的所用电流的百分比直接依电极的大小而呈反比例变化。第三，确实跨越膜的所用电流的百分比直接依组织与电极的接近程度而异。第四，引起反应所需的脉冲振幅依赖于兴奋周期内刺激的同步性。

遍布心脏大部分的是特异性心肌组织条块。该组织包括心脏传导系统并起着启动和将去极化波扩布到整个心肌的作用。对心脏脉冲传导的任何阻碍或阻滞均可引起心律失常或心脏节律的显著变化。

患传导障碍的病人有时可借助于人工起搏器。这种装置包含一个以小的电池供能的电刺激器。安装人工起搏器时，通常将电极穿越静脉进入右心室，或进入右心房和右心室，并将起搏器植入肩部或腹部皮下。铺设的导线与心肌组织紧密接触。然后起搏器将节律性电脉冲传递给心脏，心肌则呈节律性的收缩反应。本领域技术人员对用于起搏心脏的可植入医疗装置是熟知的，大约自20世纪60年代中期以来，它们已用于人类。

阴极电流或阳极电流均可用于刺激心肌。然而，阳极电流被认为不适于临床应用。阴极电流包括阴极电脉冲。此类电流通过让膜电容器放电而使细胞膜去极化，并直接使膜电位向阈水平下降。阴极电流，直接使静息膜电位向阈水平降低，在心脏舒张晚期具有低于阳极电流二分之一到三分之一的阈电流。阳极电流包括阳极电脉冲。阳极电流的作用是使静息膜超极化。如果阳极脉冲突然中断，膜电位向静息水平恢复，超过阈电位，并出现传播性反应。由于刺激阈较高，由此而需使用较高的电流，致使植入装置电池的电流耗费并使寿命削减，因此通常不鼓励使用阳极电流来刺激心肌。此外，由于怀疑阳极电流有助于去极化，特别是可以在较高的电压时引发心率失常，所以不鼓励使用阳极电流刺激心脏。

实际上所有人工起搏均是使用阴极刺激脉冲来完成的，或者在使用双极系统时，阴极较阳极更接近心肌。在所披露的阳极电流的使用中，阳极电流通常作为微量电荷用于消散电极上的剩余电荷。这样做不影响或调节心肌本身。Herscovici的美国专利4,543,956披露了此种应用。

Whigham等人的美国专利4,903,700和4,821,724和Cals等人的美国专利4,343,312已经公开了三相波形的应用。这里，第一相和第三相与心肌本身无任何关系，但只是预料到它们会影响电极表面本身。所以，在这些相中所用的电荷是极低振幅的。

最近，Duggan的美国专利4,402,322公开了二相性刺激。该公开的目的是产生双倍电压而不需要在输出电路上有大的电容器。所披露的二相性刺激的二相大小和持续时间相等。

通过本发明的二相性起搏可取得增强心肌功能的效果。将刺激或调整性质的阴极和阳极脉冲结合，保持阳极起搏对传导性和收缩性的改善，同时消除增加刺激阈的缺点。结果产生传播速度增加的去极化波。此传播速度的增加导致心脏收缩力提高而致血流改善。改善的刺激在低电压水平也使能量耗损减少并延长起搏器电池的寿命。

由于与心肌一样，横纹肌也可被电、化学、机械或温度改变而兴奋，所以当肌纤维受到运动神经元刺激时，神经元传递冲动而使其所控制的所有肌纤维兴奋，也就是，那些肌纤维呈它的运动单位形式(而收缩)。膜的一个区域去极化刺激相邻的区域也发生去极化，且去极化波自兴奋点开始向各个方向传遍膜。因此，当一个运动神经元传递一个冲动时，运动单位的所有肌纤维受到刺激而同时收缩。引发收缩的最小强度称为阈刺激。一旦达到阈刺激水平，通常认为即使再增加刺激水平也不会使收缩增加。另外，既然每块肌肉内的肌纤维被组织成运动单位，而每个运动单位又受单个神经元支配，那么运动单位中的所有肌纤维在相同时间受到刺激。然而，整个肌肉受许多不同的运动单位支配，而不同的运动单位的刺激阈是不同的。所以，当将给定的刺激施予肌肉时，一些运动单位反应而其它的则无反应。

本发明联合使用阴极和阳极脉冲还使肌肉收缩得到改善，而对肌肉的电刺激归因于神经或肌肉损伤。当神经纤维因创伤或疾病而已损坏时，由损坏的神经所控制的区域的肌纤维趋于发生萎缩并完全丧失功能。得不到锻炼的肌肉可在数月内降至其原大小的一半。当没有刺激时，肌纤维不仅体积变小，而且会变成碎片或退化，并被结缔组织取代。通过电刺激可以保持肌张力，以至于在治愈或使神经纤维再生后，保持肌肉组织的生机。

当肌肉组织因创伤或疾病而已损坏时，电刺激可促进其再生过程。通过本发明的二相性刺激可取得增强肌肉收缩的效果。联合使用刺激性或调整性的阴极和阳极脉冲，可在低电压水平引起更大数量的运动单位收缩而致肌肉反应升高。

发明概述

因此，本发明的目的是提供用于心肌组织的改进的刺激方法。

本发明另一目的是通过提高心脏收缩力导致更大每搏输出量从而增加心脏输出量。

本发明又一目的是增加脉冲传播速度。

本发明还有一目的是延长起搏器电池寿命。

本发明再一目的是获得低电压水平的有效心脏刺激。

本发明又一目的是消除为了获得组织刺激而将电导线以与组织紧密接触的方式铺设的必要。

本发明再一目的是提供一种改进的肌肉组织的刺激方法。

本发明还有一目的是提供在低电压水平使更大数量的肌肉运动单位收缩的方法。

本发明的用于肌肉刺激的方法和设备包括将二相性刺激施予肌肉组织，其中既施予阴极脉冲也施予阳极脉冲。本发明的一个方面，是将该刺激施予心肌以增强心肌的功能。本发明的另一方面是将刺激施予心脏血池。这使得不再需要将电导线以与心脏组织紧密接触的方式铺设来进行心脏刺激。本发明的又一方面，将刺激施予横纹肌组织以唤起肌肉反应。

本发明的一种用于二相性电心脏起搏的仪器包括：

限定第一刺激相的装置，该装置包括用于预设定第一相极性的组件、用于预设定第一相振幅的组件、用于预设定第一相波形的组件和用于预设定第一相持续时间的组件，该装置用于预调整心肌以接受随后的刺激；

限定第二刺激相的第二装置，该第二装置包括用于预设定与第一相极性相反极性的组件、用于预设定大于第一相振幅绝对值的第二相振幅的组件、用于预设定第二相波形的组件和用于预设定第二相持续时间的组件；和

将第一刺激相和第二刺激相顺次地施予心脏组织的第三装置。

本发明的另一种用于二相性电心脏起搏的仪器包括

开始施予第一刺激相来预调整心肌的装置，该装置包括用于预设定：正的极性、第一相振幅、第一相波形和第一相持续时间的组件，其中

所述第一相振幅为约0.5～3.5伏，

所述第一相持续时间为约1～9毫秒，和

所述第一刺激相是在心动周期完成后200毫秒以上才开始的；

开始施予第二刺激相的第二装置，该第二装置包括用于预设定：负的极性、第二相振幅、第二相波形和第二相持续时间的组件，其中

所述第二相振幅为约4～20伏，和

所述第二相持续时间为约0.2～0.9毫秒；以及

将第一刺激相和第二刺激相顺次地施予心脏组织的第三装置。

具体而言，本发明的方法和设备包括第一刺激相和第二刺激相，每一刺激相均具有极性、振幅、波形和持续时间。在一优选的实施方案中，第一相和第二相具有不同的极性。在一个供选择的实施方案中，两个相具有不同的振幅。在第二个供选择的实施方案中，两个相的持续时间不同。在第三个供选择的实施方案中，第一相呈截断波型。在第四个供选择的实施方案中，第一相的振幅是斜坡型的。在第五个供选择的实施方案中，在心跳后超过200毫秒时施予第一相脉冲；即，在完成心跳/泵周期后超过200毫秒时施予第一相脉冲。在一优选的供选择的实施方案中，第一相刺激是长持续时间的最大阈下振幅的阳极脉冲，第二相刺激是短持续时间和高振幅的阴极脉冲。应当注意的是前面提到的供选择实施方案可按不同方式组合。还应当注意这些供选择的实施方案仅是以举例的方式给出的，而不表示任何限制。

本领域技术人员对于实施本发明的方法而需要的起搏器电子设备是熟知的。当前的起搏器电子设备能够通过被编程来释放不同的脉冲，包括本发明公开的这些脉冲。

附图简述

图1.前导阳极二相性刺激示意图。

图2.前导阴极二相性刺激示意图。

图3.低水平长持续时间的前导阳极刺激和随后常规阴极刺激的示意图。

图4.逐渐增强的低水平长持续时间的前导阳极刺激和随后常规阴极刺激的示意图。

图5.施予一系列的低水平短持续时间的前导阳极刺激之后跟随常规的阴极刺激的示意图。

图6.横跨纤维的传导速度对前导阳极二相性脉冲的起搏持续时间所作的曲线图。

图7.平行于纤维的传导速度对前导阳极二相性脉冲的起搏持续时间所作的曲线图。

发明详述

本发明涉及肌肉组织的二相性电刺激。图1描述了一种二相性电刺激，其中第一刺激相包括给肌肉组织施予具有振幅104和持续时间106的阳极刺激102。此第一刺激相之后立即跟随包括相同强度和持续时间的阴极刺激108的第二刺激相。

图2描述了另一种二相性电刺激，其中第一刺激相包括给肌肉组织施予具有振幅204和持续时间206的阴极刺激202。此第一刺激相之后立即跟随包括相同强度和持续时间的阳极刺激208的第二刺激相。

图3描述了本发明的一个优选实施方案，其中第一刺激相包括施予具有振幅304和持续时间306的低水平、长持续时间的阳极刺激302。在此第一刺激相之后立即跟随包括常规强度和持续时间的阴极刺激308的第二刺激相。在发明的一个供选择实施方案中，阳极刺激302是以最大阈下振幅进行的。在发明的另一供选择实施方案中，阳极刺激302小于3伏。在发明的另一供选择实施方案中，阳极刺激302的持续时间大约为2～8毫秒。在发明的再一供选择的实施方案中，阴极刺激308的持续时间短。在发明的又一供选择的实施方案中，阴极刺激308持续时间大约为0.3～0.8毫秒。在发明的另一供选择实施方案中，阴极刺激308是高振幅的刺激。在发明的另一供选择的实施方案中，阴极刺激308的振幅为约3～20伏。在发明的另一供选择的实施方案中，阴极刺激308持续时间小于0.3毫秒而电压大于20伏。在另一供选择的实施方案中，在心跳之后超过200毫秒时施予阳极刺激302。按这些实施方案所公开的方式以及通过阅读该说明书显而易见地对所公开的方式进行变更或更改而得的其它方式，无需活化就可在第一刺激相获得最大的膜电位。

图4描述了本发明供选择的优选实施方案，其中第一刺激相包括在期间404之内以逐渐升高的强度水平406施予阳极刺激402。逐渐升高的强度水平406的斜度可是线性或非-线性的，斜率可以不同。该阳极刺激之后立即跟随包括常规强度和持续时间的阴极刺激408的第二刺激相。在本发明的一供选择的实施方案中，阳极刺激402升至最大阈下振幅。在另一供选择的实施方案中，阳极刺激402升至小于3伏的最大振幅。在发明的另一供选择的实施方案中，阳极刺激402持续时间大约为2～8毫秒。在发明的另一供选择的实施方案中，阴极刺激408的持续时间短。在发明的又一供选择的实施方案中，阴极刺激408大约持续0.3～0.8毫秒。在发明的另一供选择的实施方案中，阴极刺激408是高振幅的。在发明的再一供选择的实施方案中，阴极刺激408的振幅大约为3～20伏。在发明的另一供选择的实施方案中，阴极刺激408的持续期间小于0.3毫秒并且振幅大于20伏。在发明的另一供选择的实施方案中，在心跳后超过200毫秒时施予阳极刺激402。按这些实施方案所公开的方式以及通过阅读该说明书显而易见地对所公开的方式进行变化或更改而得的其它方式，无需活化就可在第一刺激相获得最大的膜电位。

图5描述了又一种二相性电刺激，其中第一刺激相包括以振幅504施予的一系列阳极脉冲502。在一实施方案中，间歇期506等于刺激期间508，并施以基础振幅。在另一供选择的实施方案中，间歇期506与刺激期间508不等并施以基础振幅。间歇期506在每个刺激期508之后出现，除了在系列502结束之后立即跟随包括常规强度和持续时间的阴极刺激510的第二刺激相。在本发明的供选择的实施方案中，通过系列阳极刺激502传输的总电荷是最大阈下水平。在本发明的另一供选择的实施方案中，在心跳后超过200毫秒时施予一系列的第一刺激脉冲502。本发明的另一实施方案中，阴极刺激510的持续时间短。在本发明另外一个供选择的实施方案中，阴极刺激510大约持续0.3～0.8毫秒。在本发明的又一个供选择的实施方案中，阴极刺激510是高振幅的。本发明的另一供选择实施方案中，阴极刺激510的振幅大约范围为3～20伏。本发明的再一供选择的实施方案中，阴极刺激510的持续时间小于0.3毫秒而电压大于20伏。

实施例1

使用不同极性和相的脉冲在离体心脏上研究心肌的兴奋和传导特性。试验在5个分离出的Langendorff灌流的兔心脏上进行。使用双极性电极阵列测定心外膜传导速度。在距刺激点6毫米和9毫米之间进行测定。用漂浮的细胞内微电极记录跨膜电位。检测了下面的方案：单相阴极脉冲，单相阳极脉冲，前导阴极二相性脉冲和前导阳极二相性脉冲。

表1列出了按各个刺激方案进行刺激的横跨纤维方向的传导速度，刺激电压为3、4和5伏，脉冲持续时间为2毫秒。

                      表1

横跨纤维方向的传导速度，刺激持续时间为2毫秒

                           3V                 4V                 5V

阴极单相脉冲         18.9±2.5cm/sec    21.4±2.6cm/sec    23.3±3.0cm/sec

阳极单相脉冲         24.0±2.3cm/sec    27.5±2.1cm/sec    31.3±1.7cm/sec

前导阴极二相性脉冲   27.1±1.2cm/sec    28.2±2.3cm/sec    27.5±1.8cm/sec

前导阳极二相性脉冲   26.8±2.1cm/sec    28.5±0.7cm/sec    29.7±1.8cm/sec

表2列出了按各个刺激方案进行刺激的沿纤维方向的传导速度，刺激电压为3、4和5伏，脉冲持续时间为2毫秒。

                            表2

沿纤维方向传导速度，刺激持续时间为2毫秒

                       3V               4V                   5V

阴极单相脉冲    45.3±0.9cm/sec    47.4±1.8cm/sec    49.7±1.5cm/sec

阳极单相脉冲    48.1±1.2cm/sec    51.8±0.5cm/sec    54.9±0.7cm/sec

前导阴极二相性脉冲   50.8±0.9cm/sec    52.6±1.1cm/sec    52.8±1.7cm/sec

前导阳极二相性脉冲   52.6±2.5cm/sec    55.3±1.5cm/sec    54.2±2.3cm/sec

发现：在阴极单相、阳极单相、前导阴极二相性与前导阳极二相性脉冲的传导速度之间具有显著性差异(p＜0.001)。从跨膜电位的测定结果看，发现动作电位的最大向上冲程((dV/dt)max)与纵向传导速度的变化具有良好的相关性。在2毫秒持续时间4伏特的脉冲时，阴极脉冲的(dV/dt)max是63.5±2.4V/sec，而阳极脉冲的(dV/dt)max为75.5±5.6V/sec。

实施例2

使用按Langendorff制备的离体兔心脏分析不同起搏方案对心脏电生理学的影响。用于心脏的刺激是稳压矩形脉冲。检测了下面的方案：单相阳极脉冲，单相阴极脉冲，前导阳极二相性脉冲，前导阴极二相性脉冲。阳极或阴极刺激所用的电压以1伏的梯级自1伏向5伏递增。持续时间以2毫秒的梯级从2毫秒向10毫秒递增。在距左心室自由壁(free wall)3～6毫米之间内测定沿着和横跨左心室纤维方向的心外膜传导速度。图6和7描述了刺激脉冲持续时间和所用刺激方案对传导速度的影响。

图6描述了在3-6毫米之间测得的横跨纤维方向的速度。在此区域内，阴极单相刺激602在所测试的各个刺激脉冲持续时间均显示出最慢的传导速度。随后是阳极单相刺激604和前导阴极二相性刺激606。结果还显示前导阳极二相性刺激608的传导速度最快。

图7描述了在3毫米和6毫米之间测得的平行于纤维方向的速度。在此范围内，阴极单相刺激702在所测试的各个刺激脉冲持续时间均显示出最慢的传导速度。阳极单相刺激704与前导阴极二相性刺激706的速度结果相似。结果还显示前导阳极二相性刺激708的传导速度最快。

本发明的一个方面是将电刺激施予心肌。二相性电刺激的阳极刺激组分通过使组织在兴奋前超极化、导致更快的脉冲传导、更多的细胞内钙释放和引起更强的心脏收缩而增加心脏收缩力。阴极刺激组分消除了阳极刺激的缺点，使得可在比单独用阳极刺激所需的电压水平更低的电压下对心脏进行有效的刺激。这样反过来，延长了起搏器电池的寿命并减少了组织损伤。

本发明的第二方面是将二相性电刺激施予心脏血池，即进入和围绕心脏的血液。这样能够刺激心脏而无需将起搏电导线以与心脏组织密切接触的方式铺设。

本发明第三方面是将二相性电刺激施予横纹肌组织。阳极和阴极刺激结合导致在低电压水平有更大数量的运动电位收缩，从而改善肌肉反应。

在已经描述了本发明的基本概念之后，对本领域熟练技术人员而言，很明显的是前述的详细公开仅以举例的方式给出，而不表示任何限制。本领域熟练技术人员可进行没有特意地在此文中陈述的各种变更、改进和更改。由本文启示而有意进行的这些变更、改进和更改包括在本发明的实质和范围之内。另外，在说明书中描述的起搏脉冲也在现有的适当编程的起搏器电子设备的容量范围之内。因此，本发明仅受权利要求和它们的等同物的限制。

Claims (23)

1.一种用于二相性电心脏起搏的仪器，包括：

限定第一刺激相的装置，该装置包括用于预设定第一相极性的组件、用于预设定第一相振幅的组件、用于预设定第一相波形的组件和用于预设定第一相持续时间的组件，该装置用于预调整心肌以接受随后的刺激；

限定第二刺激相的第二装置，该第二装置包括用于预设定与第一相极性相反极性的组件、用于预设定大于第一相振幅绝对值的第二相振幅的组件、用于预设定第二相波形的组件和用于预设定第二相持续时间的组件；和

将第一刺激相和第二刺激相顺次地施予心脏组织的第三装置。

2.权利要求1所述的用于二相性电心脏起搏的仪器，其中第一相极性是正的。

3.权利要求1所述的用于二相性电心脏起搏的仪器，其中第一相振幅由基础值等变率地升至第二振幅值。

4.权利要求3所述的用于二相性电心脏起搏的仪器，其中第二振幅值是最大阈下振幅。

5.权利要求4所述的用于二相性电心脏起搏的仪器，其中所述最大阈下振幅为0.5-3.5伏。

6.权利要求3所述的用于二相性电心脏起搏的仪器，其中第一相持续时间至少与第二相的持续时间等长。

7.权利要求3所述的用于二相性电心脏起搏的仪器，其中第一相持续时间为1～9毫秒。

8.权利要求3所述的用于二相性电心脏起搏的仪器，其中第二相持续时间为0.2～0.9毫秒。

9.权利要求3所述的用于二相性电心脏起搏的仪器，其中第二相振幅为2～20伏。

10.权利要求3所述的用于二相性电心脏起搏的仪器，其中第二相持续时间小于0.3毫秒并且第二相振幅大于20伏。

11.权利要求1所述的用于二相性电心脏起搏的仪器，其中第一刺激相还包括一系列预定振幅、极性和持续时间的刺激脉冲。

12.权利要求11所述的用于二相性电心脏起搏的仪器，其中所述限定第一刺激相的装置还包括用于预设定一系列的间歇期的组件。

13.权利要求12所述的用于二相性电心脏起搏的仪器，其中用于施予第一刺激相的第三装置还包括用于在至少一个刺激脉冲之后施用基础振幅的间歇期的第四装置。

14.权利要求13所述的用于二相性电心脏起搏的仪器，其中所述间歇期等于刺激脉冲的持续时间。

15.权利要求1所述的用于二相性电心脏起搏的仪器，其中所述的第一相振幅是最大阈下振幅。

16.权利要求15所述的用于二相性电心脏起搏的仪器，其中所述最大阈下振幅为0.5～3.5伏。

17.权利要求1所述的用于二相性电心脏起搏的仪器，其中第一相持续时间至少与第二相持续时间等长。

18.权利要求1所述的用于二相性电心脏起搏的仪器，其中第一相持续时间为1～9毫秒。

19.权利要求1所述的用于二相性电心脏起搏的仪器，其中第二相持续时间为1～9毫秒。

20.权利要求1所述的用于二相性电心脏起搏的仪器，其中第二相振幅为2～20伏。

21.权利要求1所述的用于二相性电心脏起搏的仪器，其中第二相持续时间小于0.3毫秒并且第二相振幅大于20伏。

22.权利要求1所述的用于二相性电心脏起搏的仪器，其中第一刺激相是在心动周期完成后200毫秒以上才开始的。

23.一种用于二相性电心脏起搏的仪器，包括

开始施予第一刺激相来预调整心肌的装置，该装置包括用于预设定：正的极性、第一相振幅、第一相波形和第一相持续时间的组件，其中

所述第一相振幅为0.5～3.5伏，

所述第一相持续时间为1～9毫秒，和

所述第一刺激相是在心动周期完成后200毫秒以上才开始的；

开始施予第二刺激相的第二装置，该第二装置包括用于预设定：负的极性、第二相振幅、第二相波形和第二相持续时间的组件，  其中

所述第二相振幅为4～20伏，和

所述第二相持续时间为0.2～0.9毫秒；以及

将第一刺激相和第二刺激相顺次地施予心脏组织的第三装置。

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