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Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10077/4521

Title: Cardiac pacing lead as hemodynamic sensor
Authors: Tomasic, Danko
Supervisor/Tutor: Accardo, Agostino
Co-supervisor: Ferek - Petric, Bozidar
Issue Date: 31-Mar-2011
Publisher: Università degli studi di Trieste
Abstract: Therapy delivery in modern cardiac electrotherapy systems is based almost exclusively on the information about cardiac electrical depolarization. This kind of detection lacks any data about the myocardial contraction. An optimal heart rhythm control should integrate the assessment of the mechanical cardiac activity and related hemodynamic parameters to the already existing electrical signal analysis. A hemodynamic sensor integrated in pacing systems would be a valuable instrument for many applications. Only few hemodynamic sensors integrated in cardiac electrotherapy systems are currently available on the market. In order to fill the gap, I have explored the possibility of building a hemodynamic sensor for myocardial contraction detection that could be easily integrated in the existing cardiac pacing and defibrillator leads. In this thesis I propose two sensors. One is based on tribolectricity and the other one requires the measurement of high frequency lead parameters. The triboelectric sensor system measures the charge generated due to the triboelectric effect between one of the lead conductors and the inserted stylet as a result of the lead bending. The measurement system consists in sterile charge amplifiers for use in sterile operation field and a non-sterile enclosure containing isolation amplifiers and power supply. Atrial and right ventricular tensiometric signals were recorded during numerous ovine and human experiments and have shown good results under different measurement conditions. The main downside is the necessity of the additional hardware in terms of chronic stylet insertion in the pacing lead lumen. The sensor based on the measurement of high frequency (HF) pacing lead parameters has its origin in previous extensive in vitro experiments on the HF characteristics of the lead. These experiments have supported the idea of considering any bipolar lead to be a HF transmission line with its characteristic impedance and attenuation. An original study revaluing lead HF parameters after being soaked for more than a decade in the saline solution is presented. A parallel study on dry new leads was also carried out. The hemodynamic HF sensor is based on the variation of the pacing lead HF impedance and reflection coefficient due to its movement during cardiac contractions. The quality of the signal was proven in a series of ovine and human experiments and during dobutamine test in sheep. Both sensors would be feasible hemodynamic sensors for various applications: capture management, rate responsiveness, heart failure monitoring, CRT optimization, tachycardia hemodynamic stability assessment, AF therapy titration and vasovagal syncope prediction. These two sensors are unique for their simplicity and universality for all existing endovenous bipolar cardiac leads.
Nei moderni sistemi di stimolazione cardiaca, la terapia si basa quasi esclusivamente sull'informazione proveniente dalla depolarizzazione elettrica del miocardio. Questo metodo tuttavia, non prende in considerazione la componente meccanica della contrazione del muscolo cardiaco. Un sistema ottimale per il controllo dell'attività cardiaca dovrebbe valutare sia il segnale elettrico proveniente dal cuore sia i parametri emodinamici correlati alla contrazione del miocardio. Pertanto, un sensore emodinamico integrato nei sistemi di stimolazione cardiaca sarebbe uno strumento utile per varie applicazioni. Attualmente sul mercato sono disponibili pochi sensori emodinamici integrati nei sistemi di elettroterapia cardiaca. Nel mio progetto di ricerca ho investigato la possibilitŕ di realizzare un sensore emodinamico per la rivelazione delle contrazioni cardiache, che potesse essere facilmente integrato negli esistenti elettrocateteri per la stimolazione e defibrillazione. Ho proposto due sensori. Il primo si basa sull'effetto triboelettrico, il secondo misura le variazioni dei parametri degli elettrocateteri usati ad alta frequenza. Il primo sensore rileva la carica generata per effetto triboelettrico tra uno dei conduttori dell'elettrocatetere e il mandrino a forma di filo isolato, come conseguenza della piegatura dell'elettrocatetere durante le contrazioni del miocardio. Il sistema di rilevazione è composto da amplificatori sigillati e sterilizzati per l'utilizzo in campo operatorio sterile. Completa il sistema una scatola contenente l'alimentazione e amplificatori isolati, per l'uso al di fuori del campo sterile. Segnali elettrici sono stati registrati nell'atrio e ventricolo destro di ovini e umani, nel corso di numerosi esperimenti eseguiti in condizioni diverse. I risultati ottenuti confermano la fattibilitŕ di questo tipo di sensore, il cui maggiore svantaggio è rappresentato dalla necessità di tenere un supplementare mandrino isolato nell'elettrocatetere impiantato cronicamente. Il sensore basato sulla misurazione dei parametri in alta frequenza dell'elettrocatetere trova sue origini negli sperimenti sulle caratteristiche in alta frequenza dei cateteri considerati come una linea di trasmissione con un'impedenza caratteristica e l'attenuazione tipica della linea. Nella tesi viene descritto lo studio comparativo di questi parametri sugli stessi cateteri prima e dopo la loro immersione nella soluzione fisiologica per più di dieci anni. Inoltre, viene descritto lo stesso sperimento fatto con 15 nuovi cateteri. Il secondo sensore proposto si basa sulla misura della variazione dell'impedenza e del coefficiente di riflessione dell'elettrocatetere, considerato come una linea di trasmissione che viene piegata per effetto delle contrazioni del miocardio. La buona qualitŕ del segnale ottenuto è stata verificata con vari esperimenti condotti su ovini e umani. Il sensore è stato anche testato negli animali in ritmo artificialmente accelerato usando l'infusione di dobutamina. Entrambi i sensori proposti potrebbero venire impiegati in molteplici applicazioni nel campo dell'elettrostimolazione: adattamento automatico della corrente di stimolazione, stimolazione antibradicardica con frequenza adatta in pazienti cronotropicamente poco efficienti, monitoraggio dello scompenso cardiaco, ottimizzazione della CRT, valutazione della stabilitŕ emodinamica della tachicardia ventricolare, adattamento della terapia per la fibrillazione atriale e predizione della sincope neurocardiogenica. I due sensori descritti sono unici in termini di semplicità e versatilità, potendo venire integrati in tutti gli elettrocateteri bipolari attualmente presenti sul mercato.
PhD cycle: XXII Ciclo
PhD programme: INGEGNERIA DELL'INFORMAZIONE
Description: 2009/2010
Keywords: Cardiac pacing lead
Hemodynamic sensor
Triboelectricity
Transmission line
Cardiac contraction sensor
Elettrostimolazione cardiaca
Sensore emodinamico
Linea di trasmissione
Effetto triboelettrico
Implantable cardioverter defibrillator
Pacemaker
Cardiac resynchronization therapy
Main language of document: en
Type: Tesi di dottorato
Doctoral Thesis
Scientific-educational field: ING-INF/06 BIOINGEGNERIA ELETTRONICA E INFORMATICA
NBN: urn:nbn:it:units-9008
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