Schrittmacher

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Der Herzschrittmacher ist ein elektronisches biomedizinisches Gerät, das den menschlichen Herzschlag regulieren kann, wenn seine natürlichen Regulationsmechanismen zusammenbrechen. Es ist eine kleine Box, die chirurgisch in die Brusthöhle implantiert wird und Elektroden hat, die in direktem Kontakt mit dem Herzen stehen. Der Herzschrittmacher, der erstmals in den 1950er Jahren entwickelt wurde, hat verschiedene Designänderungen erfahren und seit seiner Erfindung neue Anwendungen gefunden. Heutzutage sind Herzschrittmacher weit verbreitet und werden jährlich Zehntausenden von Patienten implantiert.

Hintergrund

Das Herz besteht aus vier Kammern, die zwei Pumpen bilden. Die rechte Pumpe nimmt das vom Körper zurückfließende Blut auf und pumpt es in die Lunge. Die linke Pumpe holt Blut aus der Lunge und pumpt es in den Rest des Körpers. Jede Pumpe besteht aus zwei Kammern, einem Atrium und einem Ventrikel. Das Atrium sammelt das einströmende Blut. Wenn es sich zusammenzieht, transportiert es das Blut in die Herzkammer. Wenn sich die Herzkammer zusammenzieht, wird das Blut vom Herzen weggepumpt.

Bei einem normal funktionierenden Herzen wird der Pumpvorgang durch die Schrittmacherregion des Herzens oder den Sinusknoten synchronisiert, der sich im rechten Vorhof befindet. Dies ist ein natürlicher Schrittmacher, der elektrische Energie erzeugen kann. Der elektrische Impuls wird durch die Diffusion von Calcium-, Natrium- und Kaliumionen durch die Zellmembran in der Herzschrittmacherregion erzeugt. Der durch die Bewegung dieser Ionen erzeugte Impuls wird zuerst auf die Vorhöfe übertragen, wodurch sie sich zusammenziehen und Blut in die Ventrikel drücken. Nach etwa 150 Millisekunden bewegt sich der Impuls zu den Ventrikeln, wodurch sie sich zusammenziehen und Blut vom Herzen wegpumpen. Wenn sich der Impuls von jeder Herzkammer wegbewegt, entspannt sich dieser Abschnitt.

Leider kann der natürliche Schrittmacher versagen, was zu abnormalen Herzschlägen führt. Diese Arrhythmien können sehr schwerwiegend sein und zu Stromausfällen, Herzinfarkten und sogar zum Tod führen. Elektronische Herzschrittmacher sollen die herzeigenen natürlichen Kontrollen ergänzen und das schlagende Herz regulieren, wenn diese ausfallen. Es ist dazu in der Lage, weil es mit Sensoren ausgestattet ist, die das Herz des Patienten ständig überwachen, und einer Batterie, die bei Bedarf Strom über Leitungsdrähte an das Herz selbst sendet, um das Herz zum Schlagen anzuregen.

Zusätzlich zu äußeren Einheiten können künstliche Herzschrittmacher dauerhaft in die Brust eines Patienten implantiert werden. Dazu wird die Elektrode zunächst durch eine Vene und in eine Herzkammer geführt, wo die Elektrode befestigt wird. Fluoroskopie-Bildgebung hilft, diesen Prozess zu erleichtern. Der Herzschrittmacher selbst wird als nächstes in eine Tasche gelegt, die durch einen chirurgischen Eingriff knapp über dem Oberbauchquadranten gebildet wird. Der Ableitungsdraht wird dann an den Herzschrittmacher angeschlossen und die Tasche wird zugenäht. Dies ist eine enorme Verbesserung gegenüber früheren Methoden, die das Öffnen der Brusthöhle und das direkte Anbringen der Elektroden an der äußeren Oberfläche des Herzens erforderten.

Verlauf

Die Idee, das schlagende Herz durch ein elektronisches Gerät konsequent zu regulieren, war den frühen Entwicklern des Herzschrittmachers zunächst nicht klar. Der erste Herzschrittmacher, der 1952 von Paul Zoll entwickelt wurde, war eine tragbare Version eines Herzbeatmungsgeräts. Es hatte zwei Ableitungsdrähte, die an einem vom Patienten getragenen Gürtel befestigt werden konnten. Es wurde in die nächste Steckdose gesteckt und gab einen elektrischen Schlag ab, der das Herz eines Patienten mit einem Anfall stimulierte. Diese Stimulation würde normalerweise ausreichen, um das Herz dazu zu bringen, seine normale Funktion wieder aufzunehmen. Dieser frühe Schrittmacher war zwar mäßig wirksam, wurde jedoch hauptsächlich in Notfallsituationen eingesetzt.

In den Jahren 1957 und 1960 wurden bedeutende Verbesserungen an der ursprünglichen Erfindung von Zoll vorgenommen. In einem Versuch, die zum Neustart des Herzens erforderliche Spannungsmenge zu verringern und die Zeitdauer für die elektronische Stimulation zu verlängern, stellte C. Walton Lillehei einen Schrittmacher her, bei dem Leitungen direkt an der Außenwand des Herzens angebracht waren. Später, im Jahr 1958, wurde eine Batterie als Energiequelle hinzugefügt, die den Herzschrittmacher wirklich tragbar machte, was es den Patienten ermöglichte, mobil zu sein. Dies ermöglichte es den Patienten auch, den Herzschrittmacher kontinuierlich statt nur für Notfälle zu verwenden. Der Schrittmacher von Lillehei war extern. William Chardack und Wilson Greatbatch erfanden den ersten implantierbaren Herzschrittmacher. Es wurde 1960 einem lebenden Patienten implantiert.

Die moderne Technik zum Einsetzen eines Herzschrittmachers in das Herz eines Patienten wurde von Seymour Furman entwickelt. Anstatt die Brusthöhle aufzuschneiden, verwendete er eine Methode, bei der die Elektroden in eine Vene eingeführt und in die Ventrikel eingefädelt wurden. Bei den Leitungen im Herzen waren noch niedrigere Spannungen erforderlich, um den Herzschlag zu regulieren. Dadurch verlängerte sich die Verweildauer eines Herzschrittmachers in einer Person. Obwohl seine Methode anfangs nicht weit verbreitet war, wechselten die meisten Herzspezialisten Ende der 1960er Jahre zu Furmans Endokardschrittmachern. Seitdem wurden Verbesserungen an ihrem Design vorgenommen, darunter kleinere Schrittmachergeräte, langlebigere Batterien und Computersteuerungen.

Rohstoffe

Die zum Bau von Herzschrittmachern verwendeten Materialien müssen pharmakologisch inert, ungiftig, sterilisierbar und in der Lage sein, unter den Umweltbedingungen des Körpers zu funktionieren. Die verschiedenen Teile des Herzschrittmachers, einschließlich des Gehäuses, der Mikroelektronik und der Elektroden, werden alle aus biokompatiblen Materialien hergestellt. Typischerweise besteht das Gehäuse aus Titan oder einer Titanlegierung. Die Leitung besteht ebenfalls aus einer Metalllegierung, ist jedoch durch ein Polymer wie Polyurethan isoliert. Nur die Metallspitze der Mine ist freigelegt. Die Schaltung besteht normalerweise aus modifizierten Siliziumhalbleitern.

Design

Es gibt viele Arten von Herzschrittmachern. Die North American Society of Pacing and Electrophysiology (NASPE) hat sie klassifiziert, nach welcher Herzkammer stimuliert wird, welche Kammer wahrgenommen wird, wie der Schrittmacher auf einen wahrgenommenen Schlag reagiert und ob er programmierbar ist. Trotz dieser großen Modellvielfalt bestehen alle Herzschrittmacher im Wesentlichen aus einer Batterie, Anschlusskabeln und einer Schaltung.

Die Hauptfunktion einer Herzschrittmacherbatterie besteht darin, genügend Energie zu speichern, um das Herz mit einem Stromstoß zu stimulieren. Darüber hinaus versorgt es auch die Sensoren und Zeitmessgeräte mit Strom. Da diese Batterien in den Körper implantiert werden, sind sie auf bestimmte Eigenschaften ausgelegt. Erstens müssen sie in der Lage sein, etwa fünf Volt Strom zu erzeugen, ein Niveau, das etwas höher ist als die Menge, die zur Stimulation des Herzens erforderlich ist. Zweitens müssen sie ihre Macht über viele Jahre behalten. Ein Mindestzeitraum beträgt vier Jahre. Drittens müssen sie einen vorhersehbaren Lebenszyklus haben, damit der Arzt weiß, wann ein Austausch erforderlich ist. Schließlich müssen sie hermetisch (luftdicht) verschlossen funktionieren. Batterien haben zwei Metalle, die Anode und Kathode bilden. Dies sind die Batteriekomponenten, durch die Ladung übertragen wird. Einige Beispiele umfassen Lithium/Jodid, Cadmium/Nickeloxid und Nuklearbatterien.

Herzschrittmacherelektroden sind dünne, isolierte Drähte, die dafür ausgelegt sind, Strom zwischen Batterie und Herz zu übertragen. Je nach Art des Herzschrittmachers enthält er entweder eine einzelne Elektrode für Einkammer-Schrittmacher oder zwei Elektroden für Zweikammer-Schrittmacher. Durch den ständigen Herzschlag werden diese Drähte chronisch gebeugt und müssen bruchfest sein. Es sind viele Arten von Kabeln erhältlich, wobei die wichtigsten Designunterschiede am freiliegenden Ende zu finden sind. Viele der Elektroden haben eine einschraubbare Spitze, die ihnen hilft, sie an der Innenwand des Herzens zu verankern.

Die Schaltung ist die Schaltzentrale des Herzschrittmachers. Hier befinden sich Herzüberwachungssensoren, Spannungsregler, Zeitschaltkreise, und extern programmierbare Steuerungen. Die Schaltung besteht hauptsächlich aus Widerständen, Kondensatoren, Dioden und Halbleitern. Moderne Schrittmacherschaltungen sind eine enorme Verbesserung gegenüber früheren Modellen. Durch den Einsatz von Halbleitern sind Leiterplatten viel kleiner geworden. Außerdem benötigen sie weniger Energie, produzieren weniger Wärme und sind sehr zuverlässig.

Der Herstellungsprozess
Prozess

Herzschrittmacher sind hochentwickelte elektronische Geräte. Daher verlassen sich einige Hersteller auf externe Lieferanten, um viele der Komponenten zu liefern. Der Bau eines Herzschrittmachers ist kein linearer Prozess, sondern ein integrierter. Komponenten wie Batterie, Leitungen und Schaltungen werden einzeln konstruiert und dann zum Endprodukt zusammengesetzt.

Herstellen der Batterie

• 1 Der primäre Batterietyp in Herzschrittmachern ist eine Lithium/Jod-Zelle. Ein Verfahren, das von Herstellern verwendet wird, um diese Batterien herzustellen, besteht darin, zuerst das Jod und ein Polymer wie Poly2-Vinylpyridin (PVP) miteinander zu vermischen. Sie werden zusammen erhitzt und bilden einen geschmolzenen Charge-Transfer-Komplex. Diese Flüssigkeit wird dann in eine halbmondförmige, vorgeformte Zelle gegossen, die die anderen Komponenten der Batterie enthält, einschließlich der Lithiumanode (positive Ladung) und eines Kathodenkollektorschirms. Die Jod/Polymer-Mischung verfestigt sich beim Abkühlen, um die Kathode zu bilden. Nachdem die Kathode gebildet wurde, wird die Batterie hermetisch verschlossen, um das Eindringen von Feuchtigkeit zu verhindern.

Leads herstellen

• 2 Die Leitungen bestehen typischerweise aus einer Metalllegierung. Der Draht wird durch ein Extrusionsverfahren hergestellt, bei dem das Metall erhitzt wird, bis es geschmolzen ist, und dann durch eine entsprechend große Öffnung geschoben wird. Es wird geschnitten, dann mit vielen anderen Drähten gebündelt und mit einem Polymerisolator wie Polyurethan behandelt. Ein Ende der Ableitungsdrähte ist mit einer geformten Spitze versehen und das andere ist mit einem Herzschrittmacheranschluss ausgestattet.

Herstellung des Motherboards

• 3 Das Motherboard enthält alle elektrischen Schaltkreise des Herzschrittmachers, einschließlich Halbleiterchips, Widerstände, Kondensatoren und andere Geräte. Mit einem komplexen Verfahren, der sogenannten Hybridisierung, werden diese Komponenten zu einer einzigen komplexen Schaltung kombiniert. Der Bau beginnt mit einer kleinen Platine (weniger als 0,32 Quadratzoll [2 Quadratzentimeter]), auf der die elektronische Konfiguration abgebildet ist. Die entsprechenden Komponenten werden auf der Platine platziert. Anschließend werden sie mit einer minimalen Anzahl von Lötnähten befestigt.

Endmontage und Verpackung

• 4 Wenn alle Einzelteile vorhanden sind, erfolgt die Endmontage. Die Schaltung ist mit der Batterie verbunden und beide werden in das Metallgehäuse eingesetzt. Das für einen Herzschrittmacher verwendete Gehäuse wird typischerweise unter Verwendung von Titan oder einer Titanlegierung gebildet. Es besteht aus mehreren Teilen, die nach dem Einführen der anderen Herzschrittmacherkomponenten miteinander versiegelt werden. Am Gehäuse ist auch ein Anschlussstück angebracht, das einen Anschlusspunkt für die Leitungen bietet.
• 5 Anschließend werden die fertigen Geräte samt Zubehör endverpackt. Nach eingehenden Tests werden sie dann an Händler und schließlich an Ärzte verschickt.

Qualitätskontrolle

Die Qualität jedes Herzschrittmachers wird durch visuelle und elektrische Kontrollen während des gesamten Produktionsprozesses sichergestellt. Diese Tests werden die meisten Fehler erkennen. Da die Batterien absolut zuverlässig sein müssen, werden sie speziell gefertigt und ausgiebig getestet, was die damit verbundenen Kosten enorm in die Höhe treibt. Auch die Funktionalität jedes fertigen Herzschrittmachers wird getestet, bevor er in den Verkauf geht. Viele dieser Tests werden unter unterschiedlichen Umgebungsbedingungen wie übermäßiger Feuchtigkeit und Stress durchgeführt.

Die Hersteller setzen ihre eigenen Qualitätsmaßstäbe an die von ihnen hergestellten Herzschrittmacher. Standards und Leistungsempfehlungen werden jedoch von verschiedenen medizinischen Organisationen und Regierungsbehörden verlangt. In den Vereinigten Staaten werden Herzschrittmacher als biomedizinische Geräte der Klasse III eingestuft, was bedeutet, dass sie vor der Markteinführung von der US-amerikanischen Food and Drug Administration (FDA) zugelassen werden müssen.

Die Zukunft

Mit der steigenden Zahl von Senioren in den Vereinigten Staaten wird erwartet, dass ein größerer Prozentsatz der Bevölkerung Herzschrittmacher benötigen wird. Während die Forschungsbemühungen fortgesetzt werden, versprechen zukünftige Geräte, länger haltbar, zuverlässiger und vielseitiger zu sein. Fortschritte in der Batterietechnologie, wie die Verwendung radioaktiver Isotope zur Energieversorgung, werden zweifellos die Lebensdauer implantierter Herzschrittmacher verbessern. Entwicklungen in der Mikroelektronik sollten noch kleinere Geräte zur Verfügung stellen, die weniger anfällig für Umweltstörungen sind. Eine bahnbrechende Entwicklung auf diesem Gebiet ist die Anwendung der Herzschrittmachertechnologie im Gehirn. Bei diesem System verbinden Wissenschaftler die Ableitungsdrähte mit einer bestimmten Stelle im Gehirn und stimulieren sie nach Bedarf, um den Herzschlag zu regulieren. Dieses Gerät hat sich als besonders wirksam bei der Beruhigung des mit der Parkinson-Krankheit verbundenen Zitterns erwiesen.