电生理是怎样守护心脏“快速路”畅通的?

作者:动脉网 2022-01-21 11:22

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我们的生活离不开电:用电灯照亮阴暗,用电脑处理工作,用电暖气度过寒冬……电是我们生活的一部分,现代社会的正常运行也是通过电来维持,停电给人带来的恐慌与不便,与停水和断粮没有太大的差异。


我们的身体也离不开电,许多重要的生命活动中都有电的存在,在心脏的跳动、大脑的思考、肢体的运动等过程中,都有电的身影。我们从来也不需要和手机一样每天充电或者更换电池来维持身体中的电,生命的能量来源通常来自于食物或者光,而我们身体中的电来自于我们自身。


在细胞生长的环境中存在着大量的离子,这些离子携带着的电荷由于在细胞内外并不均等而形成了电势差,这个电位差也被叫做静息电位。而当细胞的离子通道开关状态变化,使得细胞膜内外的离子浓度变化,最终导致电势差改变而产生的电流,就是我们体内的生物电


这些存在于我们身体中的生物电,传递着重要的信号。我们看到的画面、听到的声音等感觉,是由身体中的感受器捕获的光、声等物理信号转化为电信号,传递到大脑中成为感觉,而有些信号由于太过危险,在得到大脑指令前就已经通过电信号执行了相应的指令,例如膝跳反射。我们大脑中的思考和对躯体的控制,也是通过电来介导的,因此我们才可能使用脑电技术发展出脑机接口,帮助残疾人控制机械义肢。


生物电的另一个重要作用,是维持器官的节律,维持机体正常运行。和神经细胞中的生物电常常需要刺激才会产生不同,一些特殊的肌肉细胞在自身的静息电位基础上自发的就能产生节律性的电位波动。这种被称为基本电节律的生理特征让肌肉的规律性运动成为了可能,于是我们的心脏跳动给全身提供富有氧气的血液,于是我们的肠道蠕动消化吃进肚子里的美味珍馐。


具有基本电节律的器官并不受大脑控制:我们既无法让心脏停止搏动,也无法用意念加快肠道蠕动。但是这些自主运动的器官并不能一直完美的运动下去,它们会因为内部或外部的原因出现故障,这些故障只能用疼痛等感觉反馈到大脑,大脑却由于不能控制他们而爱莫能助。


心脏的电生理是一个复杂却有序的电传导过程。一次心脏收缩,电信号需要按照特定的速度和节律通过一个个的部位。这像是车流通过有红绿灯的快速路,车流必须按照规定行驶,一旦有一部分的车流闯了红灯,就会导致车祸,最终使得整个心脏无法正常工作。


例如心房任何部位提前于窦房结激动导致的房性早搏,或是心室任何部位提前于窦房结激动导致的室性早搏,都是因为后续电信号的提前抢跑导致了整个心脏起搏的紊乱。而当心房中有序的心电活动被快速无序的颤动波代替,发生不规则且快速的心律,则会发生心房颤动。心房颤动会导致血栓,而血栓会引发卒中。如果心室发生快速无序颤动,这样的故障对生命的正常运转是极大的威胁。


当道路出现车祸,我们希望交警能够识别事故出现的位置,快速到达现场并处理事故,尽快让道路重新恢复畅通。电生理就是这样的一位“交警”,它能够精准测量与分析心脏电节律的仪器,对心脏的工作状态乃至病症的位置进行监控分析,如果在这一基础上再增加“疏通道路”的设备,调整心脏运行状态,就能够让心脏电生理通路这条快速路尽快恢复运行。


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心脏电生理过程像是一条带有红绿灯的快速路,一旦有心肌细胞忽略信号,会引发信号“车祸”,最终导致心脏功能受到影响。  插画:青柠


电生理是通过多种形式的能量刺激生物体,测量、记录并分析生物体中发生的电现象与生物体电特征的技术。电生理技术对于心脏医学是至关重要的,它不仅可以诊断心律失常,并且可以在此基础上配合消融治疗快速性心律失常。


磁电双定位技术能够通过分析患者心脏的电信号并利用电磁扫描,为复杂的患者心脏结构建立三维模型,帮助分析心脏的运行状态并且精准定位异常细胞,让医生能够在电脑上“看”到病灶,减少寻找病灶处所需要的时间与手术创面。


通过这个技术,医生只需要将一颗纤细的探头放置在可能发生病变的心脏腔室就能够全面分析心脏内部的解剖结构,而不再需要解剖心脏。这样一来的手术能够做到真正意义上的“微创”,在减少手术所需要的时间并提高精准性的同时,也最大程度上降低了患者愈合所需要的时间与创伤并发症产生的可能。


当快速路中的事故车辆被精确地找到之后,接下来就需要想办法处理事故,恢复道路通行。对于一些症状明显、使用抗心律失常药物无效、心脏结构发生较为明显的病理性病变的患者,只能使用药物以外的方式进行治疗。这就像道路中两辆已经损毁的车辆无法再通过指令驶出事故区域,这时就需要清障车登场了。


消融技术就像心脏电生理中的清障车,能够将无法正常工作的细胞精确的消灭,用最小的成本来换回心脏的正常工作。现阶段的消融技术主要为射频消融、冷冻消融与脉冲消融三种。


射频消融(RF)通过释放射频电流杀死特定部位的异常心肌细胞,配合冷盐水灌注,在射频消融过程中冲刷导管端头来降低端头电极温度,稳定组织界面的工作温度,减少血栓等并发症的形成,提高手术的安全性。然而射频消融在手术过程中伴随剧烈的疼痛,以及医生较长的学习周期,让市场对于新技术的出现更加期待。


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心脏电生理消融通过微小导管特异性杀灭异常心肌细胞,清理快速路中的事故车辆,恢复心脏电生理的畅通。插画:青柠


冷冻消融(cryoablation)则是通过探头球囊内的液态制冷剂蒸发过程吸收热量,使得消融靶点周围温度骤降来损伤或杀死区域内的异常细胞。由于冷冻消融技术对于手术术式要求相对简单,医生学习时间短且结果重复性较好。


康沣生物创新性地使用液氮代替传统的一氧化氮作为制冷剂,降低制冷剂获取成本的同时也对环境更加友好,实际操作中,康沣生物的低温消融系统能够实现360度环面消融。康沣生物自主研发的高血压cyrofocus冷冻消融系统与用于治疗房颤的心脏冷冻消融系统已经通过中国国家创新医疗器械特别审查程序,具有全球技术领先性,打破了国外垄断。 


脉冲电场消融(PFA)是利用设计产生适当的脉冲电场,使用短时程配合高电压的多个电脉冲诱导心肌细胞发生电穿孔,细胞外阳离子进入细胞从而使得心肌细胞碎裂死亡。相比于射频消融,脉冲电场在消融过程中不产生焦耳热,无需冷盐水灌注降温,且具有细胞损伤的选择性。由于心肌细胞对电穿孔的阈值比其它细胞更低,在操作中可以调整脉冲电场针对性损伤心肌细胞,而减少对心脏中血管、神经等周围组织细胞的影响。


相比射频与冷冻消融,脉冲电场消融凭借更快的操作速度,导管与组织的贴靠更低要求,能够更加精确的执行心肌细胞消融的特性,而被誉为下一代房颤消融技术。


锦江电子LEAD-PFA脉冲电场消融系统集成三维建模、标测、消融于一体的心脏脉冲电场消融系统也已于去年注册临床试验入组,有望成为国内首个具有自主知识产权的NMPA获批上市的脉冲电场消融系统。


心脏电生理的发展给予了心脏病患者,尤其是房颤患者更多的选择。安全、稳定、副作用小的电生理消融技术,能够在造成最小创伤的基础上完成更加复杂的任务。近年来,一批具有自主知识产权的电生理消融技术设备也陆续进入临床试验,很快能够以产品的形式与患者见面,患者也能够以更加合理的价格享受到最先进的诊疗服务。


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参考资料:

1.  Grimnes, & Martinsen, Ø. G. (2015). Bioimpedance and bioelectricity basics (3rd ed.). Academic Press.

2. 第一章 心脏电生理基础. 朱晓晓心电资讯. 知乎. https://zhuanlan.zhihu.com/p/148134910

3. 心脏为什么会自己跳动:肌细胞和电信号的约定. 涌馨. 知乎. https://zhuanlan.zhihu.com/p/192398061

4. 射频消融 VS 冷冻消融 VS 脉冲消融,强生、美敦力、波科布局电生理各有侧重. 医械汇. 知乎 https://zhuanlan.zhihu.com/p/440338188

5. 历经6年探索,康沣生物研发两大冷冻消融技术,打破国外企业垄断局面. 动脉网. https://www.sohu.com/a/342955295_133140)

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