Nel 1958, il Professor Åke Senning, che fu nominato a Zurigo pochi anni dopo, avviò uno sviluppo senza precedenti nella medicina presso l’Ospedale Karolinska di Stoccolma: l’impianto del primo pacemaker in un essere umano. Nel corso degli anni, la tecnologia è stata ulteriormente sviluppata e perfezionata in molti modi. Dopo che all’inizio del millennio si pensava che non si potesse aggiungere quasi nulla di nuovo, gli ultimi 16 anni hanno dimostrato che non è così. Gli sviluppi recenti includono la terapia di risincronizzazione cardiaca (pacemaker CRT), il monitoraggio domiciliare, i sistemi compatibili con la risonanza magnetica e la continua riduzione delle dimensioni dei pacemaker.
L’8 ottobre 1958, il professor Åke Senning (1915-2000) impiantò per la prima volta al mondo un pacemaker in un essere umano presso l’Ospedale Karolinska di Stoccolma. Fu costruito dall’ingegnere e medico svedese Dr. Rune Elmqvist (1906-1996). Il pacemaker è stato originariamente costruito per un esperimento sugli animali. Tuttavia, la moglie del primo paziente, Arne Larsson (1918-2001), ha fatto pressione sull’implanter fino a quando il pacemaker non è stato impiantato a causa di un blocco AV totale con fino a 40 sincopi al giorno (Fig. 1). Dopo l’impianto, il paziente è stato in grado di condurre una vita completamente normale senza sincope. Questa è stata la prima volta che le conseguenze di un blocco AV totale potevano essere trattate con l’aiuto di un pacemaker [1].
Åke Senning fu nominato professore a Zurigo e il 16 aprile 1961 assunse la direzione della neonata Clinica Chirurgica A dell’allora Ospedale Cantonale di Zurigo. Ha portato con sé dalla Svezia la tecnica dell’impianto di pacemaker. Ha impiantato quattro pacemaker a Zurigo già nel 1961 e sei pacemaker nel 1962.
I pacemaker impiantabili sono stati ulteriormente sviluppati. Per il momento, esistevano solo pacemaker asincroni (V00), che di solito erogavano 60-70 impulsi al minuto, indipendentemente dall’attività cardiaca.
Nel 1968 siamo riusciti a impiantare i primi cosiddetti pacemaker a richiesta (VVI/VVT). Avevano il vantaggio di non indurre la parasistolia quando il paziente era in auto-ritmo. Il pacemaker VVI erogava impulsi solo quando la frequenza cardiaca era inferiore alla frequenza di stimolazione. Per non violare il brevetto della stimolazione VVI, Elema ha introdotto la stimolazione VVT. Questo pacemaker stimolava il cuore non appena la frequenza cardiaca era inferiore alla frequenza di stimolazione. A frequenze cardiache più elevate, forniva stimoli QRS-sincroni che rientravano nel periodo refrattario assoluto del complesso QRS e quindi rimanevano inefficaci.
Il primo pacemaker sincrono atriale (VAT) è stato descritto nel 1963 [2]. Tuttavia, questo potrebbe essere utilizzato solo dopo lo sviluppo di elettrodi atriali affidabili.
Gli elettrodi
I primi pacemaker stimolavano il cuore tramite elettrodi posizionati a livello epicardico. Lagergren e Johansson [3] hanno descritto i primi impianti di pacemaker con elettrocateteri endocardici transvenosi. Ben presto sono stati offerti non solo da Elema, ma anche da Cordis e Medtronic. Quest’ultimo ha prodotto elettrodi unipolari e bipolari. Erano piuttosto spessi e ingombranti e avevano sistemi di connettori diversi, motivo per cui l’intercambiabilità dei pacemaker era possibile solo con gli adattatori. Anche i tassi di complicanze e dislocazioni erano ancora molto elevati con questi elettrodi.
Presto gli elettrodi furono spinati o dotati di meccanismi a vite per ridurre l’alto tasso di dislocazione (Fig. 2). I fili degli elettrocateteri sono diventati più sottili e più flessibili, e anche la controllabilità durante l’impianto è migliorata – così come i sistemi epicardici; Medtronic in particolare ha aperto la strada (Fig. 3).
Gli elettrocateteri epicardici erano popolari perché il tempo di impianto era prevedibile, inoltre non potevano dislocarsi. Nel 1976, il tasso di dislocazione era di circa il 10%. In Svizzera, il 30% degli elettrocateteri ventricolari sono stati impiantati epicardicamente. L’accesso era sub-xifoideo e il pacemaker è stato posizionato a livello addominale.
La fonte di energia
Uno dei maggiori problemi tecnici nello sviluppo dei pacemaker era la fornitura affidabile di energia per un periodo il più lungo possibile. Nel primo pacemaker sviluppato da Senning ed Elmqvist nel 1958, venivano utilizzati due accumulatori ricaricabili al nichel-cadmio, che dovevano essere caricati attraverso la pelle ogni una o due settimane tramite una bobina di induzione (posta sopra il pacemaker).
A parte il primo pacemaker, le cosiddette “batterie al mercurio” dell’azienda Mallory sono state utilizzate quasi esclusivamente come fonte di energia dal 1959 al 1974. Poiché la tensione delle celle era solo di 1,35 volt, sono state collegate in serie da quattro a sette celle, ciascuna con una capacità nominale di 0,95 Ah, per ottenere la tensione di uscita necessaria per la stimolazione. A causa della loro autoscarica relativamente grande, dell’ordine dell’8-10% all’anno, la vita operativa dei pacemaker era solo di circa due o quattro anni. Poiché l’idrogeno veniva prodotto durante la scarica delle celle, né la batteria né il pacemaker potevano essere incapsulati ermeticamente senza misure speciali. La batteria e l’elettronica erano solitamente incapsulate in resina epossidica, attraverso la quale l’idrogeno poteva diffondersi all’esterno.
Pacesetter ha cercato di utilizzare batterie al nichel-cadmio ricaricabili migliorate nei pacemaker nel 1972. I primi pacemaker con batterie al nichel-cadmio che possono essere caricate induttivamente dal corpo richiedevano un tempo di ricarica di quattro ore al mese. La loro vita operativa teorica era di 20 anni. Il sistema di telemetria bidirezionale di nuova concezione per il monitoraggio della carica della batteria ha portato anche a un miglioramento della durata di vita. Tuttavia, non sono stati impiantati tanti pacemaker come ci si aspettava, perché una batteria primaria a base di ioduro di litio, lanciata di recente, ha raggiunto una durata operativa fino a 15 anni, senza l’inconveniente di doverla ricaricare regolarmente.
Questa batteria allo ioduro di litio WGL-702 è stata prodotta da Wilson Greatbach per l’uso del pacemaker ed è stata utilizzata per la prima volta nel 1973 in un pacemaker modello Maxilith 301 prodotto da CPI. La tensione della cella della batteria era di 2,8 volt; quindi era necessaria una sola batteria per il pacemaker. La tensione di uscita da quattro a cinque volt, necessaria per la stimolazione, potrebbe essere generata con l’aiuto di duplicatori di tensione. L’autoscarica della batteria era di circa l’1% all’anno. La batteria non produceva gas durante la scarica, quindi la batteria e l’elettronica potevano essere incapsulate ermeticamente in un alloggiamento di metallo.
Come concorrente della batteria allo ioduro di litio, la batteria al litio/cloruro di tionile è stata sviluppata e utilizzata per la prima volta nei pacemaker dall’azienda Arco nel 1974. La tensione della cella era di 3,7 volt. L’alta densità di energia della cella ha consentito dimensioni meccaniche relativamente ridotte. Tuttavia, il fatto che la tensione della batteria crollasse rapidamente al termine del tempo di funzionamento si è presto rivelato uno svantaggio per il funzionamento del pacemaker, motivo per cui non è stato possibile prevedere in tempo la necessaria sostituzione del pacemaker. Di conseguenza, un gran numero di pacemaker ha dovuto essere sostituito prematuramente in tutto il mondo. Anche in Svizzera, nel 1982 è stato effettuato il doppio dei cambi di pacemaker rispetto all’anno precedente.
Sviluppi negli anni ’70
Il primo pacemaker con una frequenza “programmabile” (tipo 5842) è stato prodotto dall’azienda Medtronic-Chardac nel 1969. La “programmazione” della frequenza era, tuttavia, un po’ più macchinosa di oggi. Un ago sterile a tre punte è stato inserito in anestesia locale attraverso la pelle del paziente, passando per un capezzolo di silicone sul pacemaker fino al potenziometro che determina la frequenza. Ruotando l’ago, si poteva cambiare il potenziometro e quindi la frequenza del pacemaker. Allo stesso modo, anche l’intensità dell’ampiezza dello stimolo è stata modificata in un modello Medtronic successivo. Qualche anno dopo, è stato apportato un miglioramento trasmettendo magneticamente il movimento rotatorio a un riduttore meccanico nel pacemaker, attraverso il quale veniva ruotato il potenziometro.
La programmazione con l’aiuto di impulsi magnetici è stata presto seguita. Nel 1973, l’azienda Cordis ha sviluppato il primo pacemaker cardiaco programmabile (VVIP) con due circuiti integrati CMOS. La frequenza di stimolazione e l’intensità dello stimolo (ampiezza o durata dell’impulso) potevano essere modificate in sei fasi, ciascuna con impulsi magnetici, tramite un interruttore magnetico (interruttore reed).
La crescente complessità dei sistemi ha presto richiesto una descrizione semplice dei tipi di funzioni. Questo è stato fatto inizialmente nel 1974 con il codice ICHD (Inter-Society For Heart Disease Resources) composto da tre lettere. A causa dello sviluppo di pacemaker programmabili, nel 1981 questo codice è stato ampliato a un codice di cinque lettere. Nel 1987 e nel 2000, la codifica è stata rivista e il Codice NBG risultante (Codice Generico NASPE/BPEG) è tuttora valido (Tab. 1).
Nel 1978 sono stati sviluppati i primi pacemaker multiprogrammabili AAIM e VVIM. Qui, praticamente tutti i parametri del pacemaker potevano essere impostati come richiesto. Purtroppo, la programmazione dei parametri è stata misurata solo indirettamente. Mancava la conferma.
Impianti di pacemaker in Svizzera
Nel 1976, 19 ospedali in Svizzera stavano già impiantando pacemaker (Tab. 2) . A quel tempo, gli impianti di pacemaker erano ancora associati a numerosi problemi tecnici e chirurgici. Nel 1975, la Società Svizzera di Cardiologia ha quindi incaricato il Professor Michel Jaeger di Losanna di assumere il coordinamento come delegato per i problemi dei pacemaker e di registrare le cifre degli impianti e dei problemi su base statistica annuale per tutta la Svizzera. Ha ricoperto questa carica fino al 1981. Nel 1980 è stato fondato il gruppo di lavoro sui pacemaker dell’SGK, di cui il Prof. Jaeger è stato presidente dal 1980 al 1983 (vedere www.pacemaker.ch).
Nel 1978, Luc Tissot, di Tissot Watches, fondò Precimed S.A. a Le Locle insieme a Branco Weiss, fondatore di Kontron (una filiale di Hoffmann-La Roche). I primi pacemaker prodotti industrialmente in Svizzera, chiamati Precilith, sono stati costruiti presso la fabbrica di orologi Tissot. Tutti i pacemaker hanno dimostrato un’elevata affidabilità e una lunga durata. Quando lo sviluppo dei primi pacemaker programmabili ha richiesto un investimento importante, l’attività è stata venduta all’azienda americana di pacemaker Intermedics nel 1983.
Alla fine degli anni ’70, il numero di aziende che offrivano i loro prodotti in Svizzera era salito a dodici.
Il primo pacemaker con telemetria bidirezionale
Nel 1979, l’azienda Pacesetter ha sviluppato il primo pacemaker con telemetria bidirezionale (Programalith). Pacesetter ha beneficiato dell’esperienza acquisita con le batterie ricaricabili. I parametri del pacemaker potevano essere modificati con il programmatore tramite segnali elettromagnetici e la programmazione veniva confermata telemetricamente. Inoltre, i dati di misurazione come la tensione della batteria o la resistenza degli elettrodi sono stati trasmessi dal pacemaker al programmatore, consentendo un migliore monitoraggio delle condizioni della batteria e degli elettrodi.
La stimolazione fisiologica
Negli anni ’80, la stimolazione fisiologica del cuore è diventata sempre più importante. Si è scoperto che la stimolazione sequenziale o atriale raggiungeva un’emodinamica migliore rispetto alla stimolazione VVI.
Per il momento, sono stati impiantati pacemaker AAI, VAT e DVI. Il primo pacemaker DDD è stato sviluppato da Medtronic nel 1980. Era ancora piuttosto grande, non programmabile e pesava 148 g. Il primo pacemaker bicamerale multiprogrammabile è stato introdotto nel 1981 da Biotronik (Diplos-03) e impiantato in Svizzera.
Nel 1984, Medtronic ha sviluppato il primo pacemaker Activitrax ad adattamento di frequenza, con un sensore incorporato che accelerava la frequenza di stimolazione quando il paziente era fisicamente attivo. Le vibrazioni generate quando il paziente si muoveva venivano ricevute da un cristallo piezoelettrico e la frequenza di stimolazione veniva modificata in base all’intensità dei segnali. Presto altri produttori sono arrivati sul mercato con un’ampia varietà di sensori di attività. Una risposta fisio-logica approssimativa è stata ottenuta con il controllo del volume respiratorio minuto Meta MV di Telectronics.
Inizialmente, solo i sistemi monocamerali venivano controllati con il sensore, ma in seguito la modalità di risposta alla velocità è stata utilizzata anche con i sistemi bicamerali.
Alla fine degli anni ’80, erano stati prodotti e impiantati praticamente tutti i tipi di pacemaker conosciuti oggi (Tab. 3).
Nel 1985, l’industria si è finalmente accordata su un sistema di connettori VS-1 (Voluntary Standard) uniforme, che in seguito ha portato al connettore IS-1 (3,2 mm invece di 5 o 6 mm di diametro). Questo non solo ha semplificato il cambio del pacemaker, ma ha anche ridotto significativamente le dimensioni dei pacemaker.
Sviluppi negli anni ’90
Negli anni ’90, in particolare, i dispositivi di programmazione sono stati ulteriormente sviluppati e ottimizzati. La telemetria bidirezionale è stata aggiunta praticamente da tutti i produttori e il monitoraggio del paziente è diventato sempre più facile. I dati possono essere stampati con la stampante integrata nel programmatore. Dai valori trasmessi telemetricamente, il dispositivo di programmazione ha calcolato il tempo di funzionamento previsto del pacemaker e la capacità residua della batteria. I potenziali intracardiaci potevano essere visualizzati e la loro magnitudo poteva essere misurata. La soglia di stimolo degli elettrodi collegati potrebbe anche essere determinata manualmente o in modo completamente automatico. L’intensità dello stimolo è stata regolata automaticamente in base alla soglia di stimolo e quindi il tempo di funzionamento del pacemaker è stato esteso – possibilità che non erano disponibili anni prima. La sicurezza dei pazienti è stata quindi migliorata sempre di più.
I pacemaker non solo sono diventati più “intelligenti”, ma sono diventati sempre più piccoli con una durata di vita uguale o superiore. Mentre il primo pacemaker DDD pesava 150 g nel 1980, un pacemaker DDDR con telemetria bidirezionale della stessa azienda pesava solo 32 g nel 1997. Questo non solo ha reso più facile il monitoraggio dei pazienti, ma anche l’impianto dei pacemaker.
Gli sviluppi dopo la fine del millennio
A causa di fusioni e accorpamenti aziendali, il numero di aziende che offrono i loro prodotti in Svizzera è sceso a cinque.
Si pensava che tutto fosse stato sviluppato e che non si potesse aggiungere nulla di nuovo. Ma lo sviluppo è continuato e sono stati aggiunti sempre più automatismi e algoritmi sia ai pacemaker che ai programmatori. Le funzioni diagnostiche supportano il controllo del follow-up e l’adattamento ottimale della funzione del pacemaker alle esigenze del paziente.
Di seguito sono riportati alcuni esempi di sviluppi negli ultimi anni.
Terapia di risincronizzazione cardiaca (pacemaker CRT)
Per la risincronizzazione cardiaca, le prove con pacemaker bicamerali ordinari sono già state intraprese negli anni ’90. Entrambi i ventricoli sono stati stimolati con un adattatore a Y ed elettrodi epicardici. In seguito, l’elettrodo epicardico è stato sostituito dall’elettrodo del seno coronarico. Lo svantaggio di questo sistema era che non si poteva impostare l’ora AV sinistra e destra in modo indipendente.
Questa capacità è stata integrata nel primo pacemaker tricamerale, InSynk, lanciato da Medtronic nel 2001.
Con questi pacemaker, si potevano collegare due derivazioni ventricolari e programmare i tempi AV in modo indipendente. L’elettrocatetere ventricolare sinistro è stato impiantato per via venosa attraverso il seno coronarico a livello della parete laterale del ventricolo sinistro. La stimolazione prematura della parete posterolaterale, che è stata eccitata in ritardo, è stata in grado di risincronizzare la contrazione ventricolare disturbata.
Oggi, i sistemi biventricolari sono offerti da tutte le aziende. Nel 2015, circa il 4% dei primi impianti in Svizzera erano pacemaker CRT.
Monitoraggio della casa
Il monitoraggio domiciliare introdotto da Biotronik può ridurre al minimo il numero di visite dal medico da parte di un paziente con un pacemaker impiantato. A seconda dell’impostazione, tutte le informazioni sulla salute del paziente vengono trasmesse allo studio o alla clinica una volta al giorno a una certa ora e memorizzate per il monitoraggio regolare dei progressi. Consentono quindi al medico di monitorare le condizioni del paziente in modo completamente automatico e di rilevare precocemente le complicazioni gravi. Eventi come aritmie e anomalie del sistema vengono segnalati direttamente al medico e non vengono rivelati al successivo controllo di routine. In questo modo, il medico può reagire immediatamente e contattare il paziente, se necessario.
Sistemi compatibili con la risonanza magnetica
Durante l’esame MRI di un paziente con un pacemaker o un ICD impiantato, si possono generare alte tensioni negli elettrodi per induzione, causando ustioni sulla punta dell’elettrodo sul miocardio. Per lo stesso motivo, l’unità può essere danneggiata o il suo funzionamento disturbato.
Sono stati sviluppati di recente sistemi di pacemaker ed elettrodi che consentono un esame del paziente con la risonanza magnetica. Speciali meccanismi di protezione e configurazioni di elettrodi garantiscono la sicurezza del paziente e del dispositivo.
Tuttavia, la compatibilità con la risonanza magnetica deve essere gestita con cautela. L’intero sistema, cioè sia il pacemaker o l’ICD che gli elettrodi collegati, deve essere compatibile con la risonanza magnetica. Inoltre, non deve esserci alcun elettrodo immobilizzato non resistente alla risonanza magnetica non collegato all’unità. È meglio contattare la clinica che ha impiantato il pacemaker prima di un esame di risonanza magnetica. Il produttore può anche fornire informazioni competenti sulla compatibilità con la risonanza magnetica.
Pacemaker sempre più piccoli
Da giugno 2015, l’ultimo sviluppo di Medtronic, il pacemaker VVIR intracardiaco senza elettrodi Micra, è stato approvato e disponibile anche in Svizzera. Viene posizionato nel ventricolo destro con un catetere e si fissa al miocardio con ganci in nitinol. L’elettronica e la batteria sono alloggiate nel pacemaker. È cilindrica, lunga 26 mm, larga 6,7 mm di diametro e ha un peso di 1,8 g. È completamente programmabile, viene memorizzato un istogramma di frequenza e possiede tutte le caratteristiche di un pacemaker con elettrodi transvenosi. Nel 2015, 44 sistemi di questo tipo erano già stati impiantati in Svizzera.
Parole conclusive
In questo breve riassunto, si è cercato di mostrare le singole fasi di sviluppo e gli ostacoli degli ultimi 58 anni, senza pretendere di essere completi. Dove porterà l’ulteriore sviluppo, non possiamo prevederlo, al massimo possiamo solo fare delle ipotesi.
Letteratura:
- Senning A: Discussione di un articolo di Stephenson SE, et al. J Thorac Cardiovasc Surg 1959; 38: 604-609. Letto alla trentanovesima riunione annuale dell’Associazione Americana di Chirurgia Toracica, 21-23 aprile 1959, Los Angeles.
- Nathan DA, et al: Un pacemaker sincrono impiantabile per la correzione a lungo termine del blocco cardiaco completo. Circolazione 1963; 27: 682-685.
- Lagergren H, et al: Cento casi di trattamento della sindrome di Adams-Stokes con pacemaker endovenoso permanente. J Thorac Cardiovasc Surg 1965; 50(5): 710-714.
CARDIOVASC 2016; 15(3): 4-9
