Nadat we eerder de basis hebben gelegd met betrekking tot de geschiedenis van de pacemaker en de lettercodes van de devices, gaan we nu echt kijken hoe een pacemaker is opgebouwd en hoe deze tot pacen komt. Uiteraard kijken we ook naar hoe je dit herkent op het ECG!
Wat is een pacemaker?
Pacemakers zijn apparaten die in of buiten het lichaam via elektrische impulsen de hartslag kunnen regelen. Ze kunnen dus veel, maar ze kunnen ook zaken niet. In tegenstelling tot een ICD kan een pacemaker bijvoorbeeld geen elektrische schok toedienen in geval van bijvoorbeeld ventrikelfibrilleren. Een pacemaker bestaat uit een batterij en een elektronisch circuit die in een hermetisch afgesloten stalen box zitten. De pacemaker levert elektronische impulsen aan het hart via draden die leads worden genoemd. Het kunnen ook plakelektroden op de huid zijn, dan noemen we het transcutaan pacen.
Het elektrisch circuit bestaat uit meerdere onderdelen, afhankelijk van de soort pacemaker. Er kunnen meerdere circuits aanwezig zijn in een pacemaker. Vroeger waren dit fysieke mechanismen, tegenwoordig wordt dit via een microchip geregeld. Er moet een tijdsmechanisme aanwezig zijn om aan te geven om de hoeveel tijd er een stimulus afgegeven dient te worden. Er moet een mechanisme aanwezig zijn om te zien of het hart zelf elektrische activiteit vertoond om eventueel juist geen stimulus te geven (dit noemen we inhiberen).
In geval van een 2 kamer pacemaker (atriaal en ventriculair) moet er een tijdsmechanisme aanwezig zijn die de interval tussen het atrium en de ventrikel meet en tussen ventrikel en het atrium. Hierbij is er ook een mechanisme aanwezig dat zorgt dat er getriggerd wordt in het ventrikel na dat er in het atrium gesensed of gepaced is. Meer uitleg over deze begrippen vind je in het artikel over de lettercodes. Moderne pacemakers bezitten tevens vaak een sensor om activiteiten waar te nemen waardoor de stimulatiefrequentie toeneemt. Daarmee kan de pacemaker zich dus aanpassen aan bijvoorbeeld lichamelijke activiteit.
Ontwikkelingen
Pacemakers zijn door de jaren heen flink ontwikkeld, zoals je in het artikel over de geschiedenis van pacemakers las. Het begon met een simpel rechttoe rechtaan pacing device dat één kamer met vaste interval kon pacen, zonder rekening te houden met eventueel nog eigen ritme van het hart. Dit is helemaal doorontwikkeld tot een geheel draadloos (leadless) programmeerbaar apparaat waarbij rekening wordt gehouden met de eigen activiteit van het hart en de mogelijkheid om te reageren op lichamelijke behoefte bij inspanning. Ook is er synchronisatie tussen atrium en ventrikel of later zelfs beide ventrikels ontwikkeld Er wordt hard gewerkt naar de mogelijkheid om His bundel of linker bundeltak pacing te bewerkstelligen.
Pacemakerdrempel
Bij een gezond hart wordt het hart gestimuleerd uit een anatomische pacemakercel of groepjes cellen zoals deze aanwezig zijn in de sinusknoop. Dit kan ook gebeuren door extrinsieke stimulatie van de cellen door stroom die er voor zorgt dat de drempelpotentiaal wordt bereikt van een cel waarvan uit de rest wordt gedepolariseerd. Op dit principe is de werking van een pacemaker gebaseerd. Door een bepaalde stroom (current) voor een bepaalde tijd aan het myocard af te geven wordt er een actiepotentiaal in gang gezet om het hart te laten depolariseren. De minimale hoeveelheid en de duur van de stroom die nodig is om het actiepotentiaal in gang te zetten wordt de drempelwaarde of stimulatiedrempel genoemd.
De rheobase wordt gedefinieerd als de kleinste amplitude (spanning in volt of milliampère) die nodig is om het myocard te stimuleren met een oneindig lange puls duur (milliseconden). Echter is dit natuurlijk niet wenselijk in pacemaker stimulatie. Chronaxie is de tijd die nodig is om met de 2x de drempelwaarde van de rheobase het weefsel te stimuleren. Met andere woorden als de rheobase 0,5mV is voor 3miliseconden en je dient 1mV toe en de tijd om drempelwaarde te bereiken wordt dan 0.75msec is dat de chronaxie.
Energie
De energie die nodig is om het hart te activeren is in verhouding tot sterkte-duur curve als volgt: E=V²/R X t. Energie is voltage in kwadraat gedeeld door weerstand keer de pulsatieduur. De berekening laat zien dat als de duur van het toedienen van stroom verlengt de voltages naar beneden kunnen. Andersom, als de duur van de stroomtoediening wordt verkort de sterkte van de stroom dient toe te nemen om drempelwaarde te bereiken.
Door de juiste combinatie van tijd en sterkte te gebruiken kan de levensverwachting van de pacemakerbatterij worden verlengd. Als de hartfrequentie oploopt wordt de tijd om te stimuleren steeds korter. Dit is in de praktijk bij een frequentie van boven de 250 slagen per minuut pas significant. Hierdoor wordt de stimulatieduur dus noodgedwongen korter en zou dus de output in voltage omhoog moeten. Moderne pacemakers zijn in staat om dit ook te doen.
De weerstand (impedantie) die overwonnen dient te worden is ook belangrijk voor de levensduur van de batterij. Hoe hoger de weerstand in de pacemaker, draden, of aan de punt van de draad (door reactie op de draad of medicatie die de weerstand veranderd) hoe hoger de drempelwaarde en hoe korter de levensduur van de batterij.
Onderdelen van de pacemaker
Hieronder zie je een afbeelding van een pacemaker met zijn onderdelen, welke we vervolgens gaan uitleggen.
Batterij
De batterij bestaat uit een lithium-zilveroxide-iodine batterij waarbij het lithium de anode is en iodine de kathode. Uit de anode wordt de energie verplaatst richting de kathode via het circuit. Dit kan niet eeuwig doorgaan omdat de energie op raakt hoelang dit duurt is afhankelijk van het gebruik van de pacemaker. De levensverwachting kan berekend worden en is afhankelijke van het gebruik 5 tot 10 jaar. Wanneer de batterij leeg raakt moet de gehele pulsgenerator vervangen worden, de leads kunnen blijven zitten.De levensverwachting van een batterij is te berekenen. Hiervoor gaan we eerst naar de wet van Ohm kijken.De wet van Ohm bestaat uit 3 componenten: U = spanning (in volt, V, of minivolt, mV), I = stroom (in ampère, A, of milliampère, mA) en R = weerstand (in Ohm, Ω). Als 2 van de 3 componenten bekend zijn is de 3de te berekenen met de berekening U = IxR. Dit maakt ook dat I = U:R en R = U:I.Om vervolgens te kunnen berekenen hoelang de batterij meegaat is de hoeveelheid energie die gebruikt wordt nodig om deze te delen door de energie in de batterij. Energie wordt uitgedrukt in ampère (A). Een batterij bevat ongeveer 1.2 ampère/uur (Ah). Er wordt afhankelijk van de instellingen ongeveer 15µA (microampère) gebruikt.1.2 delen door 0,000015 = 80.000 uur, wat overeen komt met ongeveer 9 jaar.
Om energie begrijpelijk te maken leg ik het uit aan de hand van vrachtwagens. U = spanning is het aantal vrachtwagens dat op een bepaald moment voorbij rijdt. I = stroom is hoeveel vracht er vervoerd wordt door deze vrachtwagens. R = weerstand: hoe makkelijk of moeilijk het is om al de vrachtwagens met vracht op een bepaalde plek te laten komen. Er is maar een bepaalde hoeveelheid vracht opgeslagen in de batterij van de pulsgenerator. Als deze op is dan moet de batterij vervangen worden.
Elektronisch controlecircuit
Het elektronisch controlecircuit bestaat uit meerdere onderdelen.
Zo lopen er meerdere circuits die gekoppeld zijn met elkaar. Een circuit is een verbinding van de batterij met daartussen een aantal elementen die er zorg voor dragen dat de pacemaker na bijvoorbeeld 1000 msec een prikkel geeft aan het myocard. Hieraan zit dan weer het circuit van sensing verbonden, dat er zorg voor draagt dat er na een eigen activiteit de teller voor 1000 msec weer gereset wordt van het vorige circuit.
Er is een telemetrie-antenne: hiermee wordt van buitenaf connectie gemaakt met de pacemaker om deze uit te lezen en instellingen te veranderen.
De reed (magneet) switch is een soort schakelaar die dicht gaat op het moment dat er een magneet (of MRI) in de buurt van de pacemaker wordt gehouden. Hierbij gaat de pacemaker in mode switch. Dit kan afhankelijk van de soort en instelling van de pacemaker meerdere zalen zijn, bijvoorbeeld VOO, DOO en AOO. Dat komt neer op asynchroon pacen in een of beide kamers. In geval van ICD wordt de ICD functie uitgeschakeld en worden er geen schokken meer toegediend of anti-tachypacing, wel werkt de pacemakerfunctie nog zoals deze is ingesteld.
Een timer of klok kunnen er zelfs meer dan één in het device zitten, afhankelijk van de soort pacemaker en/of circuit. De timer is een soort stopwatch die om de ingestelde tijd de impuls door laat zodat het hart gestimuleerd wordt. Afhankelijk of er een sense circuit aanwezig is kan de timer door pacemaker vroegtijdig gereset worden als de pacemaker een eigen slag ziet. Bij een 2 kamer pacemaker kan er ook juist voor zorgen dat er met een ingestelde delay tussen atrium en ventrikel juist getriggerd wordt om de ventrikel te stimuleren. Er kan ook een timer aanwezig zijn om na een ventrikelstimulatie de atriale sens te blokken voor een bepaalde tijd. Dit om te voorkomen dat de stimulatie in het ventrikel door de atriale draad wordt gezien als een prikkel. Dit laatste heet een blanking period.
De weerstanden worden gebruikt om de stroom te regelen over een bepaald circuit om te voorkomen dat deze overbelast raken. De uitgangscondensator slaat stroom op die afgegeven wordt als de pacemaker moet invallen. Door de stroom eerst via een uitgangscondensator op te slaan wordt er minder stroom verbruikt en gaat de batterij langer mee. In geval van een ICD kunnen condensatoren parallel geschakeld zijn als ze niet gebruikt worden en in geval van een schok in serie ontladen worden hierdoor kan er een hoger voltage bereikt worden. Daarnaast is er een defibrillatiebescherming. Deze zorgen ervoor dat de pacemaker doorbrand in geval dat er een defibrillatie schok wordt toedient.
De rate-adaptive sensor is een sensor die lichamelijke activiteit waarneemt waarbij het device de hartfrequentie doet toenemen. Er zijn verschillende soorten rate-adaptive sensoren. Er kan een enkele of meerdere sensoren in een pacemaker aanwezig. Sommige werken op basis van oxygenatie, pH, hartminuutvolume, ademminuutvolume, QT-tijd, atrioventriculair oxygenatie verschil, hartfrequentie, slagvolume, ademhaling, tidal volume, gemengd veneus lactaat, bicarbonaat, rechter atriale druk en ventriculair depolarisatie gradiënt rechter ventrikel. Kortom, er is veel variatie mogelijk!
Werking
De precieze werking en instellingen van een pacemaker zijn zeer complex. Hieronder zal ik een simpele uitleg geven van hoe een DDD-R pacemaker werkt. Een DDD-R pacemaker is een dual chamber rate-responsive pacemaker. Deze is in staat in zowel de boezem als de ventrikel te triggeren of inhiberen en daarbij kan hij de frequentie van pacemakerstimulatie verhogen aan de hand van lichamelijke activiteit om de cardiac output te verbeteren.
Voor deze uitleg zal ik onderstaande casus als uitgangspunt gebruiken.
Bij een patiënt is op basis van totaal AV-blok een DDD-R pacemaker ingebracht met een back-up frequentie van 60 slagen per minuut (een impuls iedere 1000msec). De atriale draad senst dat er elektrische activiteit is. Dit wordt teruggekoppeld aan de pacemaker waar vervolgens de volgende processen gaan werken. Timercircuit van het atrium wordt gereset voor 1000 msec: mocht er na deze tijd geen feedback vanuit de atriumlead komen van elektrische activiteit wordt het atrium gestimuleerd. Timercircuit van het AV-delay wordt in gang gezet voor 220 msec: mocht er in binnen deze 220msec via de ventriculaire draad feedback komen van elektrische activiteit dan zal het outputcircuit van de ventriculaire draad inhiberen. Gebeurt dit niet zal na 220 msec het outputcircuit triggeren en de condensator ontladen waardoor de rechterventrikel gestimuleerd wordt. Er zal een blanking periode plaatsvinden voor de atriale draad zodat eventueel triggering van de ventrikel door de pacemaker niet gezien wordt en deze hierop onterecht inhibeert.
Soorten pacemakers
Nu gaan we kijken naar de verschillende soorten pacemakers, te beginnen met de conventionele pacemaker. Deze pacemaker bestaat uit een pacemaker die via 1 of 2 leads met het hart is verbonden. Onder lokale verdoving wordt een incisie gemaakt boven de musculus pectoralis. Aldaar wordt een pocket gemaakt achter de musculus pectoralis. Vervolgens wordt de vena subclavia of vena cephalica aangeprikt. Hier worden de leads in opgevoerd, via de vena cava superior naar het hart. In geval van 2 leads wordt 1 lead in het rechter hartoor geplaatst (liefst zo dicht mogelijk bij de sinusknoop) en de 2e in de apex van de rechter ventrikel. In geval van maar 1 lead (dit wordt nog maar zelden gedaan in Nederland) wordt de lead in het rechter atrium of ventrikel geplaatst. Vervolgens worden de leads doorgemeten en getest. Vervolgens worden deze in de pacemaker vast geschroefd die onder de borstspier komt te liggen. Hierna wordt de wond gesloten. Tegenwoordig zijn er ook pacemakers zonder draden. Deze leadless pacemaker wordt rechtstreeks in het rechter ventrikel bevestigd. Hierbij is dus alleen mogelijk om het rechter ventrikel te stimuleren
De volgende is His bundel pacing. Hierbij worden zoals bij de conventionele pacemaker draden in het hart geplaatst waarbij de ventrikeldraad geprobeerd wordt op de Bundel van His of in de buurt daarvan te plaatsen. Dat wordt gedaan in de hoop dat de stimulus via de bundel van his over de bundeltakken beide ventrikels tegelijk stimuleert. Zo wordt op de meest fysiologische manier gedepolariseerd.De CRT-P, cardio resynchronisatie therapie pacemaker, is een pacemaker waarbij een 3e draad, een epicardiale lead, op het linker ventrikel wordt geplaatst. Dit ging aanvankelijk via VATS of open thoraxchirurgie. Later is de benadering via de sinus coronarius ontwikkeld. Hierbij word via de sinus coronarius een lead in een zijtak geplaatst met als voorkeurslocatie posterior-lateraal of laterale zijde van het linkerventrikel. Hierbij wordt litteken vermeden. Al deze technieken worden nog gebruikt maar de voorkeurstechniek is via de sinus coronarius.
Een patiënt met behoefte aan een pacemaker zal in geval van nood een externe pacemaker krijgen. Bij externe pacemakers kunnen leads op het hart geplaatst zijn (na thoracale chirugie) of via een grote vene (vena femoralis, jugularis) draden in het hart geplaatst zijn. Deze draden komen door de huid naar buiten waar ze vervolgens aan een externe pacemaker worden aangesloten. Dit zijn meestal tijdelijke maatregelen, bijvoorbeeld om na cardio-thoracale chirurgie ritmestoornissen te behandelen of bij extreme bradycardieën een periode te overbruggen voordat een permanente pacemaker wordt geplaatst. Er zijn verschillende uitvoeringen van externe pacemakers met verschillende functies. Zo zijn er 1-kamer en 2-kamer varianten waarmee dus enkel het ventrikel of mogelijk het atrium én ventrikel kunnen worden gepaced.
ECG
Hieronder zien we een ECG van een patiënt met een pacemaker. Het afvuren van een impuls door de pacemaker zie je als een kleine verticale streep (spike genaamd) voorafgaand aan een P-top (bij atriale pacing) of QRS-complex (bij ventriculaire pacing). We zien bij dit ECG voorafgaand aan de QRS-complexen spikes, waardoor we dus weten dat er ventriculaire pacing is. Ook valt een LBTB-morfologie op bij de QRS-complexen. Dit komt doordat de draad in het rechter ventrikel is geplaatst. Hierdoor worden de ventrikels net als bij een linker bundeltakblok vanuit de rechter ventrikel gestimuleerd.
Bedankt voor het lezen van dit artikel. Vergeet je niet te abonneren op ons YouTube-kanaal. Ook zijn we te volgen op LinkedIn en Instagram! Verspreid het kanaal ook vooral onder je collega’s en andere geïnteresseerden, dat wordt enorm gewaardeerd!
