超声在心脏起搏中的应用潜力

超声在心脏起搏和心律调节中的潜力

1. 背景

本综述的目的是阐述利用超声波作为真正无创起搏器或通过直接刺激心肌细胞/成纤维细胞或间接通过迷走神经刺激来调节心律的可能性。鉴于当前无导线起搏系统的发展趋势，我们将讨论使用超声能量作为心肌组织起搏器的潜在优势和劣势。此外，我们将回顾迄今为止在超声诱导起搏领域已开展的实验工作，并讨论相关的超声‐心脏组织相互作用。

心脏起搏器已经存在了50多年。心脏起搏器分为两类：临时起搏器和永久起搏器。最新的统计数据显示，大约有1.3美国每年使用数百万台临时心脏起搏器，总成本约为34亿美元[1, 2]。全球范围内的数字则更高。目前的三种临时心脏起搏技术均不理想且存在问题：（1）血管内导管需要侵入性操作进行置入，（2）采用外科技术放置的心外膜电极，以及（3）经皮电刺激，后者因引起骨骼肌捕获导致不适而疼痛，长期使用不切实际，患者耐受性差。

与标准的临时经静脉电起搏器不同，超声起搏器可以完全是体外的：一种外部的、完全无创的、可能可穿戴的起搏器。与疼痛且仅适用于短时间的经皮电起搏相比，所设想的设备将是无痛的，并适用于临床上有意义的数分钟至数周的应用周期。超声心脏起搏器的所有组件均位于体外，无需任何外科手术或导管插入术、植入式接收器或血管内电极。

此类设备可显著减少设备相关并发症，包括血管破裂、感染和取出手术的需求。仅此一项就有可能每年在美国和全球范围内节省数百万美元的手术和住院费用。

临时起搏器由急诊科医生、心脏病学家、内科医生、医院医师、重症医师和外科医生通过外科方法放置。经皮电起搏通常仅用于紧急情况用途，在可以放置更稳定的（经皮导管式系统）之前使用。此处讨论的基于超声的技术将被使用仅在紧急时期使用，例如紧急运输期间、复苏期间，或作为更永久起搏系统的过渡。如果采用基于超声的系统（例如，类似Zoll®贴片的超声贴片附着于胸壁，能够向心肌传递适当的超声能量），这将与当前的经皮电刺激系统具有竞争力，因为超声能量能够穿过胸壁传输能量而不会引起任何疼痛。

一种可直接置于胸部皮肤上并作为心脏临时起搏器的超声设备，将是心脏病学领域的突破性创新。无导线技术已被视为心脏起搏的下一个前沿[3]。然而，目前大多数现有及预期的技术均涉及在心肌内或附近植入电极。真正的无导线起搏技术将无需在体内置入任何装置。超声波能够将能量传递至体内深层位置，且不会引起疼痛，也不会在途经组织中产生不良生物效应。超声生物效应取决于组织特性（如密度、声速和吸收系数）、超声暴露参数（如频率、压力振幅、强度、脉冲持续时间及脉冲重复频率/占空比）以及超声束配置[4]。下文简要概述了超声波对心肌组织的影响，并综述了相关研究，包括关于作用机制的可能性、通过迷走神经刺激实现起搏的潜力，以及超声诱导起搏和节律调节在可行性方面可能面临的障碍与挑战。

2. 超声波在心脏中的生物效应

超声波起搏的可能性最早由E·牛顿·哈维于1929年提出，他指出：“这些波对跳动的心脏具有非常显著的刺激作用，表现为心跳频率增加，或使先前静止的心室组织产生有规律的搏动。”[5]。自哈维的开创性工作以来，研究人员一直致力于更深入地理解超声波对心脏组织的生物效应。在过去30年中，研究人员已对超声波在心肌中的生物物理相互作用获得了相当深入的认识。这种理解主要源于在推动诊断成像技术进步的同时确保其安全性的需求。诊断性超声技术（如超声心动图）的设计遵循ALARA（合理可行最低原则），以尽量减少声场与心脏组织之间的相互作用。美国食品药品监督管理局（FDA）对诊断应用中的机械指数（MI）、热指数（TI）以及空间峰值时间平均强度（ISPTA）等参数设定的限制，正体现了这一ALARA原则。相比之下，治疗性超声应用则利用由热沉积、声学空化和辐射力等现象引起的超声诱导生物效应[4]。超声波在心脏组织中的生物效应已在不同研究层面得到描述，从单细胞膜片钳技术到基于组织的模型，再到整体动物模型[6‐8]。生物效应如何依赖于暴露条件（如超声频率、强度、负压和正压振幅、脉冲持续时间、占空比以及沉积的总能量）目前已较为明确，同时这些参数与相关组织特性（如衰减、吸收、非线性、声速和声阻抗）之间的相互作用方式也已较为清楚[4, 7‐9]。总体而言，超声生物效应可分为热效应和机械效应两大类。热效应直接与组织加热有关，并且是一种吸收的超声能量转化为热能，导致局部温度升高。当温度升高幅度在1.5°C或更低时，这些效应通常被认为可以忽略不计[10]。在较高温度下，蛋白质可能发生变性，从而对组织产生热消融作用。机械效应与超声引起的组织物理运动或空化有关。物理运动包括流体中的微流、组织和细胞变形，在更极端情况下可能导致裂解或组织碎化。空化是指在高强度负压声场中形成显微气体微泡的现象。气体微泡在声场中振动，当声压足够高时可能发生惯性空化：剧烈的内爆导致（显微）局部高温区域，并可能产生和释放自由基、改变离子转运机制以及引起细胞裂解[11]。

在接下来的讨论中，简要讨论稳定和惯性空化的差异非常重要。空化通常描述超声波与微小气泡的相互作用。这些气泡的尺寸范围从亚微米到几微米直径。例如，使用2.5兆赫频率时，直径约1微米的气泡可能发生惯性空化。短脉冲持续时间限制了空化的潜在发生，而血液的黏度会衰减空化发生的可能性。空化由两个因素控制——峰值负压和频率，使用公式：௣௘௔௞௡௘௚௔௧௜௩௘௣௥௘௦௦௨௥௘ ඥ௙௥௘௤௨௘௡௖௬ 。如果心脏内确实存在气泡，组织中的衰减很可能阻止惯性空化，使得自由基的生成极不可能。

通过宏观机械效应诱导起搏位点时，超声波需要在心肌组织的特定区域施加一个机械脉冲（本质上类似于虚拟的手指轻敲），以触发去极化。这种作用可通过声辐射力（ARF）机制实现。已有充分证据表明，即使在等于或低于美国食品药品监督管理局（FDA）批准的诊断水平时，超声波仍可通过ARF机制在数厘米甚至更深的组织深度引起组织运动 [12‐18]。ARF是由于声能在介质中衰减以及非线性效应所导致的动量传递（从超声波向介质）而产生的，这些过程与机械波在生物组织内的传播相关[19]。在本研究所述实验背景下，此类效应可能导致高频成分的产生，例如二次谐波频率、三次谐波频率等。由于超声波的衰减与频率成正比，这些高次谐波的压力振幅将比基频衰减得更快；然而，随着原本属于基频的超声能量逐渐转移至高次谐波，基频的压力振幅也会随之发生衰减。

如果产生的微泡在力沉积区域提供额外的反射界面（有效增加衰减），辐射力可能会因空化而进一步增强。在心肌中，室性早搏和一系列起搏心律的产生可能是由于辐射力（可能被稳定空化产生的微泡增强）施加机械脉冲，通过机电反馈（MEF）电路诱导细胞去极化[8]。超声波产生的机械力可能会诱导跨壁压梯度、剪切力或机械变形，这些被心肌组织的机械敏感成分[8] （如心肌细胞的机械敏感或牵张敏感通道[20, 21],成纤维细胞或细胞外基质蛋白[22‐24]，这反过来可能改变心肌细胞的膜电位和/或钙处理[25‐27] ，导致细胞去极化和随后的收缩[8]。心肌组织中的机械敏感性（对机械刺激的特异性反应）以及随后的机械转导（感知物理力并将其转化为生化和生物学反应）可引起纯电事件，例如早发或迟发后去极化，或作为电机械事件，例如过早异位收缩[28‐30]。有证据表明，电压门控通道可被机械拉伸激活，并作为机电耦合的介质，触发过早兴奋[21, 31‐33]。

其他研究人员[Krasovitski]提出了超声波对细胞结构的直接振动作为超声‐组织相互作用的一种可能机制[34]。他们的模型表明，亚空化水平超声（1‐3MHz，<100 m W·cm−2）可能能够打开细胞结构中两个脂质单层片层之间的膜内疏水空间，从而激活机械敏感蛋白和/或增加膜通透性。Krasovitski及其同事还提出，在稍高的机械指数值下，空化（特别是细胞内空化）可能会增强这些效应[34]。这种细胞水平的微机械相互作用的作用机制与宏观机械ARF机制不同。这两种机制在物理尺度上不同，而且ARF依赖于介质中衰减和非线性的存在，而微机械振动即使在无损耗（非衰减且线性）介质中也会存在。

有大量文献描述了超声对心脏的影响，从基于细胞的实验到in vivo实验均有涉及。然而，大多数研究使用的超声场参数不同，因此难以直接比较。其他研究并未提供有关所用超声场参数的足够详细信息。因此，我们选择引用的文献直接与本综述的主题相关，并且这些出版物提供了关于所实施超声参数的充分信息。

In vitro实验表明，以异步方式向培养基中的单层细胞施加超声波，可引起新生大鼠心室心肌细胞的搏动频率发生变化[7]。使用定制的2.5兆赫、11毫米直径非聚焦平面超声换能器，根据空间峰值时间平均声强（Ispta）和脉冲持续时间[7]确定的超声能量，观察到不同的效应。在300毫秒间隔[3.33赫兹脉冲重复频率]、Ispta为0.02瓦/平方厘米、脉冲持续时间为1毫秒的条件下施加超声能量，可有效提高基于细胞的模型中心肌细胞的收缩率[7]。

在多种不同的动物模型中，向心脏输送的超声脉冲可产生可预测的室性早搏（PVCs）[6, 9, 35‐39]。Dalecki描述了在心动周期的特定相位相对于其时机递送1.2兆赫的脉冲超声可在体内诱导蛙心出现室性早搏in vivo[6]。这些效应的阈值出现在正向声压幅度约为10兆帕、5毫秒脉冲串长度的情况下[6]。

据报道，微泡造影剂可作为空化核促进声学空化，从而增加室性早搏形成的概率in vivo[36, 38, 39]。赫希和亚当证明，通过优化超声传输参数，可在心肌内的靶点形成局部微泡群，从而促进室性早搏的产生，而无需注射造影剂[37]。

3. 体外超声心脏起搏

仅描述PVC的产生并不一定意味着超声诱导起搏具有可行性。在过去30年中，已有多项研究提出超声生成起搏的可能性，但所提供的细节不够清晰，且直到最近，关于能够引发有效起搏并继而导致心脏收缩的证据仍不充分。利夫内及其同事首次发表了一篇手稿，详细描述了实验设计、声场特性以及所获得的结果。该研究在大鼠模型中通过高强度聚焦超声（HIFU）[8]实现了体外心脏起搏。HIFU系统通过一个三元件穹顶形环状 HIFU换能器发射双相辐照模式。换能器元件经过优化，可分别发射350千赫兹的一次、二次或三次谐波。通过对每个换能器元件施加的驱动信号的频率、相位和强度进行调节，可生成增强的负压（稀疏）辐照模式或增强的正压辐照模式。为了诱发心室收缩，先发射持续1毫秒的负压模式（峰值负压为1.8兆帕峰值，占空比为28%，脉冲重复频率为20千赫兹），紧接着发射一个5毫秒脉冲

正压模式（峰值正压为3兆帕）的作用是产生声学焦点区域内的空化微泡，从而增强后续正压脉冲的效果。超声触发与呼吸周期和心电图R波同步，并在心室舒张期内调整超声照射的时机。声学焦点区域的轴向长度为2毫米，半径为1毫米。通过超声心动图对左心室进行直接可视化观察，研究人员能够清晰地展示超声诱导去极化导致有效心脏收缩[8]。

本研究中，所有高强度聚焦超声起搏尝试的加权平均成功率（使用100‐400毫秒的触发延迟）为12%。成功率随超声脉冲在舒张期的时机不同而变化。在晚期舒张期偏移（前一个R波峰值后450‐470毫秒范围内）时，获得最高的起搏捕获率，达到25%‐50%。观察到最多连续7个成功捕获的起搏复合波序列[8]。在此系列实验中，大鼠模型相对较高的心率可能限制了更高的成功率。未来的实验应考虑其他动物模型，例如心率相对较低的兔子，这可能会提供更长的易损时间窗，使心脏更容易被起搏。利夫内及其同事的数据表明，在体表心电图P波形成之前的晚期舒张期，心肌可能更容易受到超声诱导起搏的影响[8]。

图1以图形方式展示了心室舒张期，即超声刺激已被证明可成功诱导去极化的时间周期。

关于图1所示心电图的校准，时间和毫伏值将根据所使用的动物模型种类、动物年龄以及基础心率的不同而有所变化。

4. 冲击性（机械性）起搏

简要讨论冲击性（机械性）起搏是相关的，因为这可能是超声介导起搏的作用机制——即诱导产生一种机械波，引起心肌去极化，类似于导管尖端引发额外搏动。1920年，肖特首次描述了在完全性房室传导阻滞患者中成功实施机械起搏的案例[40]。自那时以来，尚无关于胸骨前叩击有效性的前瞻性研究。然而，已有多个病例系列发表，显示出显著的成功率，总体疗效达93%[41‐44]。已有文献记录冲击性起搏可成功维持较长时间，最长成功起搏持续时间为2小时45分钟[45]。此外，有证据表明冲击性起搏可提供与经静脉起搏相当的每搏输出量[46]。ARF诱导起搏在心肌中的物理相互作用可能与冲击性起搏相似[8, 9, 37, 47,48]。对于成功的冲击性起搏，其易损时间窗可能不同于实现电起搏捕获的时序周期，因为这两种起搏方式的机制明显不同[41, 49, 50]。有有力证据表明，辐射力和稳定空化可在心肌细胞膜上或内部产生机械力，进而引发机电耦合和反馈[8]。

有趣的是，布奥奇小组证明了经胸超声刺激可在大鼠中诱导产生负性变时效应[51]。使用1 MHz超声换能器，产生3 MPa峰值负压和1%占空比，超声脉冲以非同步方式施加，未与基础心律同步，且在脉冲重复开始时启动频率初始值略高于每只动物的基础心率，然后每10秒降低1赫兹，总暴露持续时间为30秒。负性变时效应（心率降低约20%）在超声暴露后至少持续15分钟。这些结果结合Fleischman及其同事的研究发现表明，超声波可通过机械‐电反馈机制对心律产生兴奋性和抑制作用，具体取决于所使用的声学参数以及超声传递相对于基础心律的时机[7, 51]。

5. 心肌细胞、成纤维细胞和机电耦合

超声诱导的心律调节可能涉及机械‐电反馈机制。心肌细胞和成纤维细胞是心脏中机电反馈机制的细胞成分[23]。心脏成纤维细胞不能产生动作电位，但其膜电位受周围心肌的机械拉伸控制：机械拉伸引起超极化，压缩引起去极化，进而影响其与心肌细胞的相互作用以及心肌细胞对机械应力的响应方式[23, 52]。鉴于成纤维细胞的机械敏感性，值得探讨的是，就成纤维细胞和心肌细胞群体分布而言，心脏内的异质区域是否更容易受到超声刺激，从而形成可靠的起搏点[23, 24]。超声波可增加成纤维细胞的钙摄取和胞质钙浓度[53, 54]。可以推测，作为心脏中的机械电换能器，成纤维细胞不仅会直接响应辐射力，而且对这些生物效应的敏感性也高于心肌细胞。例如窦房结等富含成纤维细胞的区域（占组织体积高达75%）可能是未来体内研究的理想靶点[55, 56]。

6. 迷走神经调节

迷走神经的电刺激多年来已被用于多种临床应用，包括心脏应用[57, 58]。用于迷走神经电刺激的设备已获得美国食品药品监督管理局批准用于癫痫和抑郁症[59, 60]。一个获得美国食品药品监督管理局批准的设备示例是赛博罗尼克斯公司生产的VNS治疗系统[61]。对神经束进行电刺激可实现分级刺激程度，并在一定程度上实现定向刺激（例如主要向上游传递至延髓），但需要通过手术植入电极，通常还需要植入刺激装置。

对迷走神经或自主神经系统的其他分支进行声刺激，是一种有前景的非侵入性电刺激替代方法。声神经调节已被提出作为治疗心律失常的未来疗法[62]。尽管已有报道显示声刺激可在体外诱导神经束产生可传播的动作电位[63], ，以及超声波引发体内反应的报告[64] ，但这些有前景的实验结果尚未在体内得到证实。利用超声波调节脑活动面临多项技术障碍。颅骨会显著衰减和散焦超声波束，同时由于定位图谱的限制以及无关神经中心的紧密相邻，可能难以识别、定位并精确靶向目标神经中枢。然而，已有部分实验取得成功[65]。调节神经活动在周围神经系统中还存在其他障碍——主要是难以通过任何非侵入性方式对目标神经元进行可视化，从而难以将超声波束准确指向目标区域。类似的问题还包括非目标神经与目标神经位置过于接近。因此，关于成功实现周围神经干超声刺激的报道很少。参考文献[66]中有一项研究，尽管该研究中的刺激也经过了脑组织传递。诊断超声系统的发展，特别是允许在发射和接收过程中直接访问每个换能器元件的数字设计，可能在未来显著增强对神经干的可视化，并可利用同一系统实现定位和刺激。

7. 阻碍该技术发展的障碍和壁垒

本研究的主要目的是探讨利用超声刺激等非电离模式从外部诱导和影响心脏起搏的可行性。上述研究似乎表明，实现心脏起搏和调节心律是可行的，但也揭示了该方法目前存在的局限性，例如需要持续起搏或刺激以及相关的潜在副作用。所有这些问题都有望被克服。越来越多的证据表明，压电换能器可以嵌入创可贴式三明治结构[67]中。在本研究所使用的起搏频率下，压电陶瓷的厚度约为1 mm或0.5 mm，因此这种创可贴式装置的厚度不需要超过3 mm左右。施用器的占地面积也可以适当缩小。驱动电子元件可集成在一个真正便携式的封装中，并由12‐15伏可充电锂离子电池[68]。这类电池可提供长达约5小时的可靠刺激，因此在临床前研究初期可能需要准备另一组电池以供更换。锂离子电池的容量正在持续改进，功能更强的设备也陆续问世。

通过电压倍增器可实现向起搏源施加50‐60伏特的激励电压（此处提到的许多实验装置仅需4倍的电压放大）。

潜在副作用的讨论需要区分热效应和机械效应。由于刺激是以相对较短（1‐5毫秒）的脉冲或音调脉冲形式传递，且心脏血液灌注良好，因此组织温度升高到可能导致组织坏死的程度是不太可能的，因为任何局部温度升高都将在下一个刺激脉冲到达之前被均化。然而，在下一阶段（未来）或临床前的一系列实验中，应使用微型热电偶仔细监测温度上升情况。同样，包括稳定和惯性空化在内的机械效应也需要直接进行检查。理想情况下，如果起搏能够在符合FDA指南的超声能量水平内进行（对于心脏而言，即空间平均、时间平均强度最高为720 mW/cm²——这是外周多普勒限值，超声成像行业中的一个众所周知的参数），则应使TI（热指数）指示值保持在不会达到组织坏死水平的范围内。相应的机械指标称为机械指数（MI），通常建议其值（与负（稀疏）峰瞬时压力幅度成正比）保持在1.9以下，以排除导致自由（OH）自由基生成的惯性空化。存在用于排除或确认惯性空化是否存在的测试方法[19]，且应予以执行。

将声能经皮递送到心脏需要采用肋间入路，因为肋骨的声阻抗与周围软组织的声阻抗差异很大，会导致声能被吸收、偏转和反射。由于探头与靶组织之间的距离应尽可能小，以避免能量损失，声束必须穿过肋骨间隙传播，因此其直径需限制在约直径10毫米。这一限制可能需要新型的换能器和/或系统设计，例如形成矩形声束，或使用多个换能器，每个换能器放置在胸壁不同位置但紧邻肋间空间，并通过同步操作在目标组织处产生聚焦声束。

另一个限制是需要避免对靶组织或位于声束路径上（在换能器与靶组织之间，或靶组织之外）的任何组织或器官造成损伤。由于靶区的声能必须足够高以引起动作电位的激发和传播，因此可能会产生显著的辐射压力和空化效应。而这两者本质上受限于美国食品药品监督管理局对强度和最大机械指数（MI）所规定的限值，因此挑战在于如何在不超过规定暴露限值的前提下实现可重复的组织激发。为了确保靶组织处的暴露水平符合规定，可能需要进行监测（例如空化检测）。随着起搏器价格的下降（特别是单腔起搏器），以及无导线起搏器价格可能进一步降低，超声起搏器未来的成本和复杂性可能成为某些商业应用的主要障碍。

8. 专家评论

图2所示的示意图对超声‐组织相互作用的各种潜在机械机制进行了分类。如上所述，心脏易受机械刺激影响，室性早搏（PVCs）和起搏心律的产生可能是由稳定空化增强的辐射力（ARF）所致，而非热介导[4, 8]。超声波具有提供一种新型非电起搏方式的潜力，该方式涉及机电耦合。未来需要开展实验进一步表征心肌内的超声‐组织‐机电耦合相互作用，并需确定在心率、舒张期持续时间和机电耦合方面与人类相似的适当动物模型。此外，还需要优化相关超声参数，例如频率、强度、正负峰值压力、脉冲持续时间、脉冲重复频率（PRF）和焦点区域大小，并确定心脏内超声能量诱导安全可靠起搏的最佳靶区。尽管如此，本文所述的研究支持以下假设：使用非电离（即潜在安全）的超声能量进行心脏起搏和心律调节是可行的，并可实现真正便携式个性化应用装置。

9. 五年展望

需要进行额外实验以优化这些超声参数，从而最大化辐射力和空化的效应，并实现具有最小组织损伤的稳定起搏焦点。应进行全面研究以确定心脏内起搏的最佳位置。目前尚不清楚心脏的不同层次是否比其他部位更容易受到超声刺激的影响。超声换能器应当聚焦于心外膜、心肌中层还是心内膜？鉴于成纤维细胞机械敏感性的特性，心肌细胞‐成纤维细胞连接性是否会增强超声刺激的潜力[23, 24]？对迷走神经的超声刺激是否会被整合到未来的无导线起搏系统中？尽管仍有许多未解的问题，但最近的研究表明，超声波在将来的心脏节律调节方法中具有广阔的应用前景。

10. 关键问题：

• 一般来说，超声生物效应可分为热效应或机械效应
• 心脏组织对机械效应具有反应性 超声波通过机械‐电反馈（MEF）回路直接与心肌组织相互作用以调节心律
• 超声波可引起心肌细胞去极化，已有多种潜在机制被提出。最可能的机制是微机械效应（超声波振动导致脂质双层膜片的细胞内变形/破坏/破裂）或宏观机械效应（由声辐射力引起的对整体组织结构的应变），并且这两种情况都可能因空化产生的微泡的存在而增强。
• 超声神经调节可能通过迷走神经刺激实现心脏节律调节
• 关于焦斑几何形状、频率、强度、正负峰值压力、脉冲持续时间以及脉冲重复频率等暴露参数对起搏的影响，仍存在一些未解决的问题
• 如果要在临床环境中利用超声能量实现安全可靠的起搏，还需开展工作以确定心脏内的最佳靶区。
• 需要评估和明确超声波用于心脏起搏时的能量传递效率和长期安全性。