Prinzipien der myokardialen Erregbarkeit
Das Myokard ist nicht nur durch Aktionspotentiale aus dem Sinusknoten erregbar, sondern auch durch externe elektrische Reize, die die Zellen zur Impulsschwelle bringen. Jeder Stimulus, der das Membranpotenzial zur Schwelle bringt, wird ein Aktionspotenzial hervorrufen, das sich anschließend auf benachbarte Zellen ausbreitet und letztendlich das gesamte verbundene Myokard depolarisiert. Dies ist das Hauptprinzip hinter künstlichen Herzschrittmachern; d.h. das Anlegen eines externen elektrischen Stroms, der jene Zellen, die mit den Elektrodenspitzen im Kontakt sind, depolarisiert und so ein Aktionspotenzial erzeugt, das sich durch das Myokard ausbreitet.
Komponenten eines künstlichen Herzschrittmachers
Herzschrittmacher bestehen aus einem implantierbaren Impulsgenerator (engl. implantable pulse generator, IPG), der die Elektronik, eine Batterie und ein oder zwei Elektroden enthält. Der Impulsgenerator erzeugt den elektrischen Strom, der zur Stimulierung des Myokard benötigt wird. Der Strom wird über die Elektroden an das Myokard abgegeben, die über eine Vene zum rechtsatrialen und -ventrikulären Myokard geführt werden (Abbildung 1).
Der Herzschrittmacher wird üblicherweise unter das Schlüsselbein, zwischen der Haut und dem M. pectorialis major, implantiert. Der Impulsgenerator hat eine Titanschale, die von den umgebenden Geweben gut vertragen wird. Die Elektroden werden in eine der größeren Venen (typischerweise die Vena subsclavia) eingeführt und weiter bis zum Herzen geführt, wo sie mit dem Endokard in Kontakt treten.
Herzschrittmacher-Batterie
Die Batterie wird verwendet, um Schrittmacherimpulse zu liefern, um die elektrische Aktivität im Herzen zu analysieren (engl. sensing, “wahrnehmen”) und um Elektrokardiogramme zu speichern. Der Herzschrittmacher wird von einer Lithium-Batterie mit einer Lebensdauer von 5 bis 10 Jahren betrieben. Eine kürzere Lebensdauer ist zu erwarten, wenn die Schrittmacheranforderung groß ist oder wenn die Stimulusschwelle hoch ist (wird unten besprochen). Wenn die Batterie leer ist, muss das gesamte System ausgetauscht werden.
Schrittmacherelektroden
Herzschrittmacherelektroden (auch als Schrittmachersonden bezeichnet) enthalten in eine Isolierung eingewickelte Leiter (Abbildung 2). Die meisten Herzschrittmacher verwenden bipolare Elektroden (siehe unten), die mit jeweils zwei Elektroden ausgestattet sind, einer positiven Elektrode (Anode) und einer negativen Elektrode (Kathode). Der Impulsgenerator legt eine Spannungsdifferenz zwischen Anode und Kathode an, was dazu führt, dass Elektronen von der Anode zur Kathode fließen. Diese Elektronen depolarisieren das Myokard und lösen so ein Aktionspotenzial aus, das sich durch das Myokard ausbreitet.
Die Elektroden werden auch verwendet, um elektrische Aktivitäten aufzuzeichnen. Diese Funktion des Herzschrittmachers wird als sensing bezeichnet.
Die meisten Herzschrittmacher verwenden zwei bipolare Elektroden (Sonden); eine im rechten Vorhof und eine im rechten Ventrikel. Bei Bedarf können beide Elektroden zur Impulsgebung- und erfassung verwendet werden.
Die Elektrodenfixierung am Myokard kann aktiv sein, was bedeutet, dass die Kathode aus einer Schraube besteht, die in das Myokard eingeführt wird, oder passiv, was bedeutet, dass die Kathode nicht in das Myokard eingeführt wird, sondern das die Elektrode über Zinken am Myokard verankert ist (Abbildung 1).
Unipolare vs. bipolare Schrittmacherstimulation
Herzschrittmacher können entweder einen unipolaren oder bipolaren Schrittmachermodus verwenden (Abbildung 3). Bei der bipolaren Stimulation wird die Spannungsdifferenz an der Elektrodenspitze zwischen Anode und Kathode angelegt. Bei der unipolaren Stimulation wird die Spannungsdifferenz zwischen der Elektrodenspitze und dem Impulsgenerator angelegt, so dass Elektronen zwischen dem Impulsgenerator und der Elektrodenspitze fließen.
Elektronen legen bei der unipolaren Stimulation eine längere Strecke zurück, was daher etwas mehr Energie benötigt, um das Myokard erfolgreich zu depolarisieren. Darüber hinaus können Ströme, die zwischen Impulsgenerator und der Elektrodenspitze fließen, dazwischenliegendes erregbares Gewebe stimulieren. Folglich liefern unipolare Schrittmacher größere Stimulationsartefakte im EKG (Abbildung 4). Bei der bipolaren Stimulation befinden sich Anode und Kathode beide im Herzen und das resultierende Stimulationsartefakt wird sehr diskret oder unsichtbar.
Wenn die Stimulation im ventrikulären Myokard stattfindet, breitet sich der Impuls hauptsächlich außerhalb des Reizleitungssystems aus, was zu einem breiten QRS-Komplex führt (QRS-Dauer > 0,12 Sekunden). Da die Stimulation im rechten Ventrikel stattfindet, beginnt die Aktivierung dort und sie wird sich allmählich zum linken Ventrikel ausbreiten. Daher erinnert der QRS-Komplex bei der rechtsventrikulären Stimulation an die QRS-Konfiguration beim Linksschenkelblock (bei dem die Aktivierung des linken Ventrikels auch von Impulsen abhängt, die aus dem rechten Ventrikel stammen).