通过添加线圈减缓在右侧放置植入式心律转复除颤器的发生器引发除颤阈值升高

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概述

植入式心律转复除颤器(ICD)是治疗致命性心律失常最有效的方法,在激活的发生器(can)和右心室(RV)线圈间传递跨越心室心肌的强烈双相电击。通常会将发生器放置在患者左胸锁骨下,远端电极导线植入右心室(RV)腔内,一般是心尖位置。由于各种条件或与导线相关的并发症,这种配置并不总是可以实现,例如先前在左侧的装置感染可能需要重新在右胸植入。还可以选择将电击线圈放置在 RV 室间隔处,而不是像心脏再同步化治疗除颤器(CRT-D)设备那样放置在心尖。

本研究基于高分辨率的 CT 扫描图像数据创建整个躯干的计算模型队列,定量评估是否可以通过右心室(RV)电击线圈的交替定位或在上腔静脉(SVC)和冠状窦(CS)添加线圈减缓右侧发生器配置中除颤阈值(DFT)的潜在增加。

模型生成

躯干模型

获得 5 名接受经导管主动脉瓣置入术计划患者的整个躯干 CT 扫描(0.7 × 0.7 × 0.5 mm)以及额外更高分辨率对比心脏扫描(0.3 × 0.3 × 0.5 mm)的图像数据,在 Simpleware 软件中对主要器官、皮肤和骨骼进行分割。为右心室壁将血池膨胀至 3.5 mm,为左/右心房和主动脉将血池膨胀至 2 mm,并调整重叠区域。此外,还单独分割出肺静脉和 SVC 的血池和壁。

肥厚型和扩张型心肌病

根据测量尺寸初步评估五个心脏模型的病理结构差异,发现其中两个患有肥厚型心肌病(HCM)。为扩大模型队列,对心脏几何形状进行修改,为每个病例生成三个结构不同的心脏,即健康、HCM 和扩张型心肌病(DCM)的心脏。

表1:健康、DCM 和 HCM 心脏的左心室舒张末期直径与心室壁厚度

缺血性心肌病

为重现缺血性心肌病(ICM),随机选择根据梗死的猪心脏晚期钆增强 MRI 重建五种不同的梗死疤痕并映射到五颗健康心脏。选择疤痕位置代表各种典型的灌注区域:左前降支(LAD)、左回旋支(LCA)、右冠状动脉(RCA)。

图1:(A)五个健康心脏中在 RCA、LCA、LAD 灌注区的梗死疤痕(B-F)ICD配置的 RCA、LCA、LAD 疤痕模式下 DFT 能量的比较

ICD 的电极放置

按照设计的每个 ICD 配置将虚拟线圈/发生器植入躯干模型中。对标准经静脉 ICD 配置进行建模,将 RV 电击线圈(直径 2 mm,长 8 cm 的圆柱体)和发生器(直径 6 cm,长 1.3 cm)放置在锁骨正下方的左上胸(left-sided can)。对标准配置的修改包括将发生器移到右上胸(left-sided can)和向上移动 RV 线圈到室间隔(RV septal coil)。

为评估其他临床可选线圈对 DFT 的影响,还考虑了类似于当前临床中使用 CRT-D 中的导线,SVC 线圈(直径 2 mm,长 8 cm)和 CS 线圈(直径 2 mm,长 4 cm 的圆柱体)。

图2:(A)将 ICD 线圈/发生器放置在嵌入精细心脏结构躯干模型的流程(B)本研究所评估的 ICD 放置示意图,左侧 RV 心尖线圈可代表传统的 ICD 配置

有限元模型

使用 Simpleware FE 模块为 20 个模型生成高质量的四面体网格,LV 和 RV 自由壁网格的平均边长为 800 ± 50 μm,器官和其他非心肌区域网格平均边长为 2 ± 1 mm,所有线圈和发生器则为 2 ± 1.5 mm。线圈和发生器是嵌入在非心肌区域,因此它们的表面网格划分平滑且没有任何尖锐的边缘。采用 rule-based 方法为所有模型创建真实的心脏纤维结构,重现心室内的各向异性传导。

使用 CARP(Cardiac Arrhythmia Research Package)求解描述电极间通过躯干的电势分布。为定量评估不同 ICD 配置的影响,施加 10 V 电击后根据所有模型配置中整个心室心肌的细胞外电位计算 DFT。将不同组 ICD 配置间的功效与 Wilcoxon signed-rank 检验进行比较,连续变量表示为 DFT、平均电场和阻抗,所有测试的统计显著性为 P < 0.05。除非另有说明,结果均为中位数和四分位数范围。

结果与讨论

左侧和右侧发生器的对比

将发生器移至右胸会增加其与电击线圈的距离,同时改变电击矢量方向,更少得穿过左心室心肌。右侧放置发生器时的 DFT 明显高于左侧,增加约 50%,且与平均电场的趋势也一致。右侧发生器配置的电场强度小于左侧,阻抗也明显大于左侧。

图3:左侧发生器和右侧发生器 DFT 能量与电阻抗的 Tukey 箱线图(n=20)对比,以及躯干模型和两个心室的细胞外电位 Ve 的分布和梯度(电场 E)。

添加线圈减缓右侧发生器增加的 DFT

通过量化添加更多接地线圈的结果探索如何优化右侧发生器配置的除颤功效。DFT 随不同添加线圈方式的变化与平均电场趋势一致。与不添加线圈相比,SVC 线圈会显著增加阻抗,CS 线圈降低阻抗,两者结合的阻抗稍有增加。

图4:右侧发生器 ICD 配置在 RV 心尖添加不同线圈情况下 DFT 能量和电阻抗的 Tukey 箱线图(n=20)对比,以及躯干模型和两个心室的细胞外电位 Ve 的分布和梯度(电场 E)。

右心室间隔放置线圈的效果

为避免心尖疤痕的区域,通常可能需要在 RV 间隔放置线圈。比较左侧和右侧发生器配置中分别在 RV 间隔和 RV 心尖放置线圈的除颤效果。对于左侧发生器,线圈位置对 DFT 没有显著差异,RV 心尖线圈的平均电场和阻抗都明显大于 RV 间隔线圈。对于右侧发生器,RV 间隔线圈的 DFT 更高(增加约 30%),平均电场和阻抗都小于 RV 心尖线圈。

图5:左侧发生器和右侧发生器 ICD 配置在 RV 间隔与 RV 心尖添加线圈情况下 DFT 能量和电阻抗的 Tukey 箱线图(n=20)对比,以及躯干模型和两个心室的细胞外电位 Ve 的分布和梯度(电场 E)。

添加 RV 间隔线圈优化右侧发生器

当需要选择右侧发生器时,必须将线圈植入 RV 间隔则会造成 DFT 升高的不利情况。当采用 RV 间隔线圈和右侧发生器配置时,单独添加 SVC 线圈、CS 线圈以及同时添加 SVC 和 CS 线圈均能够降低 DFT。仅添加 SVC 线圈和添加两种线圈的阻抗都显著增大。仅添加 CS 线圈的阻抗最低,因为其引入了针对 LV 的电击矢量,并且还形成了更短的电流路径。

图6:RV 间隔线圈和右侧发生器 ICD 配置下添加不同线圈的DFT 能量和电阻抗的 Tukey 箱线图(n=20)对比,以及躯干模型和两个心室的细胞外电位 Ve 的分布和梯度(电场 E)。

不同心脏病的除颤阈值评估

鉴于研究队列中包含有不同的心脏病理,进一步分析 HCM、DCM、ICM 和健康心脏模型配置间 DFT 的变化趋势。在所有模型中,同时添加 SVC 和 CS 线圈可以最大程度地减少右侧发生器配置中的 DFT,这种趋势在 HCM 和健康心脏中更为明显。将 RV 线圈移至室间隔位置会增加所有心脏模型的 DFT。

图7:健康、DCM、HCM 和 ICM 心脏中不同 ICD 配置下的 DFT 能量

结论

本研究采用整个躯干模型的计算模拟队列定量评估使用右侧发生器和/或 RV 间隔线圈时除颤效果的变化。最佳的 ICD 配置不仅要考虑 DFT,还要考虑阻抗及电击对周围组织和器官的影响。尽管植入更多的线圈可能会增加并发症风险和拔出的难度,但具有减少导线表面纤维化粘连潜力的新型导线正在设计发展中。

(1)与传统的左侧发生器相比,右侧发生器配置下整个心室的平均电场明显降低,DFT 显著增加,。

(2)与心尖线圈位置相比,左侧发生器配置下 RV 间隔线圈不会显著影响 DFT,但使用右侧发生器配置时会显著增加 DFT。

(3)通过添加 SVC 和/或 CS 接地线圈可以显著提高右侧发生器配置(心尖或间隔线圈)的除颤功效。

(4)平均电场通常与 DFT 相关,与阻抗的相关度较小。

参考

  • Qian S, Monaci S, Mendonca-Costa C, et al. Additional coils mitigate elevated defibrillation threshold in right-sided implantable cardioverter defibrillator generator placement: a simulation study[J]. Europace, 2023, 25(6): euad146.
 
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