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2023年6月1-3日 | 苏州国际博览中心B1-E1号馆

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超声起搏

2022-12-12

首先,截至目前,世界上并不存在可于有意识的患者群体中长期使用的无创心脏起搏器械,而与之相对的,植入式心脏起搏器已存在了60余年。与传统标准的经静脉电起搏不同,超声起搏预期可达到完全体外、无创和可穿戴,并能有效地减少各类介入和起搏的有创并发症,因此被寄予厚望并备受瞩目。早在2007年的报道中,香港大学的Kathy L. Lee教授等,和美国EBRSystems公司的Debra S. Echt教授,及新西兰Auckland City Hospital的David Heaven教授等,即尝试在不使用电极的情况下,通过超声能量转移来实现心脏刺激,但与新发的这篇文章不同的是,当年的研究者们使用左室心内导管来接收超声能量并产生起搏,如下图1,所以仍为有创(或者说部分有创~)。

图1 当年的超声起搏系统示意图,包括体外的超声换能器,内含远端接收电极的左室心内导管(这里的6Fr 心内导管是厂家定制的)和电生理学记录系统,及数据收集系统(缺点也很明显,电极都放进去了还用啥超声啊~)
大约10余年前,专家们就提出如能设计专用的超声垫,贴在胸前区达到紧急临时起搏的效果,相较现有的临时起搏电极,它的优势将是巨大的。然而,实现的困难也显而易见,我们都知道,超声的生物学效应取决于组织特性(如密度、声波速度、吸收系数)和超声的参数(如频率、压力幅度、强度、脉冲持续时间和脉冲重复频率PRF/占空比),以及超声波束的配置。在1929年,E.Newton Harvey教授首次描述了超声起搏的可能性后,如下图2,直到2011年,在体外高强度聚焦超声(High Internsity Focused Ultrasound,HIFU)诱导麻醉大鼠早搏的研究中,其诱发成功率仍低于4.5%。后期的动物研究发现,使用HIFU诱导大鼠心脏起搏的加权平均成功率为12%,且因舒张期脉冲的时间而不同,舒张晚期(前一个R波峰值后450-470ms范围内)的成功率最高,达25-50%,当时最多可实现7个连续的成功捕获。这里注意一点,大鼠模型的心率是非常高的,笔者之前也曾写到过,所以相对成功率偏低;那为什么早期研究还坚持用小动物呢,很简单,肋骨和肺的声反射/吸收少,呼吸和心脏运动少。

图2 1929年,世界首个关于超声起搏的报道

图3 以色列Israel Institute of Technology的研究者们2011年的报道中,体内试验大鼠心脏的Type A型反应,心电图出现瞬间的变化,但是没有代偿期,血压也没有任何变化,因此并不认为诱发成功出现早搏
这里,超声诱发心脏收缩的原理可能涉及到三种声学机制:加热效应、空化和声辐射力(Acoustic radiation force,ARF)。很快,其中的热效应就被排除了,因为动物试验发现心肌收缩与温度升高没有相关性。而在2006年对小鼠心脏研究中发现,空化水平与心脏收缩间存在相关性,而超声造影剂能增强这一作用(微泡造影剂能够作为声空化的核,万能的空化效应~)。90年代的另一些研究发现了声辐射力与主动脉收缩压的降低有关,但目前仍不甚清楚其与起搏间的关系。ARF是由介质中的声能衰减和非线性效应产生的动量传递(从超声波到介质)的结果,这与机械波在生物组织内的传播有关,在微泡存在的情况下,ARF还可通过空化进一步增强。超声产生的机械力可能引起跨壁压力梯度、剪切力或机械变形,心脏组织的机械敏感成分可感知此类变化,从而改变心肌细胞的膜电位或钙离子通道的开放情况,引起细胞的去极化和随后的收缩。还有研究者认为,亚空化级的超声(1-3MHz,<100mW/cm2)能够打开细胞脂质单层膜间的膜内疏水空间,激活机械敏感蛋白和/或增加膜的通透性。但目前仍有个问题,大部分针对超声起搏的研究使用了不同的超声场参数,很难进行直接比较。(所以仍然可用四个字概括:原理不明)

图4 2016年,法国Bordeaux中心研究者们对10只离体猪右心房(83次超声)和左右心室(分别为431次和242次)进行的756次超声刺激的结果。注意该研究未达到90%的刺激阈值,10MPa峰值负值时的最大成功率约为70%
在这些基础上,我们再看回今年10月份新发表的这篇FIH,超声起搏队列中的10名患者均实现了超声起搏,平均次数为81.2±50.8次(但未注明成功率,仅写到超声起搏通常是间歇性的,最长的一次达到了20次连续起搏,如下图6),有2名起搏组患者在超声起搏期间出现了完全性传导阻滞和右室起搏(该研究是评价CRT的功效,因此采用的是经皮左心室起搏,并不期望起搏右室)。还有另一个发现,患者的BMI指数与超声起搏总次数间为负相关,起搏次数最少的3名患者BMI均>30。

图5 其中一名患者的超声起搏图像,注意来自3个不同心脏位置的间歇性超声起搏。图中的垂直虚线代表超声脉冲的时间

图6 达到20次连续超声起搏的患者心电图,注意波形的变化
来源:MiHeart