Pacu jantung atau sering disebut sebagai cardiac pacing merupaka perangkat medis yang menggunakan impuls listrik untuk mengatur ritme jantung melalui elektroda yang dihubungkan ke bagian tertentu jantung. Alat pacu jantung berfungsi menjaga detak jantung dari ritme yang tidak normal baik sebagai akibat sel pemacu jantung alami tidak cukup cepat, atau ada hambatan pada sistem konduksi listrik jantung. Beberapa pengaturan yang dilakukan alat pacu jantung antara lain: (1) mempercepat irama jantung yang lambat, (2) membantu mengendalikan irama jantung abnormal atau cepat, (3) mengkordinasi sinyal listrik antara bilik atas dan bawah dari jantung, (4) menkoordinasi sinyal listrik antar ventrikel, dan (5) Mencegah aritmia berbahaya yang disebabkan oleh kelainan yang disebut sindrom QT panjang.

Sistem pacu jantung terdiri dari generator pulsa dan elektroda konduktif (lead). Generator pulsa terbungkus rapat dalam titanium. Logam titaium digunakan karena selain ringan dan kuat juga bersifat biokompatibel. Generator pulsa terdiri dari battery dan rangkaian elektronik yang menghasilkan pulsa dan sekaligus mendeteksi aktifitas jantung. Lead merupakan kabel yang diisolasi dengan silikon dan/atau polyurethane. Lead berfungsi menghantarkan sinyal listrik dari generator pulsa ke jantug dan sekaligus menghantarkan sinyal myocardial kembali ke alat pacu jantung sebagai umpan balik.

Gambar 1. (a) Alat pacu jantung, (b) bagan alat pacu jantung

Terdapat dua jenis lead (1) endokardial lead yang pemasangannya dimasukkan ke jantung dan (2) epikardial/myocardial lead yang dijahit di bagian luar jantung. Secara umum, lead terdiri dari beberapa bagian :

1. Pin konektor dipasang ke port pada header generator pulsa,
2. Suture sleeve, merupakan bagian yang dapat digeser dan digunakan untuk menjahit lead ke jantung,
3. Lead body, bagian panjang dari lead,
4. Elektroda cincin Proximal (proximal ring electrode), elektroda yag berbentuk cincin terletak tidak jauh dari elektroda ujung distal,
5. Mekanisme fiksasi pasif (passive fixation mechanism),
6. Elektroda ujung distal (distal tip elektrode), elektroda yang terletak di paling ujung lead.

Gambar 2. (a) bagian-bagian lead, (b) uniploar lead, (c) bipolar lead[2]

Berdasarkan konfigurasi elektroda, lead dapat dibedakan menjadi 2 yaitu unipolar lead dan bipolar lead. Pada unipolar lead hanya terdapat satu elektroda yang terletak diujung lead (elektroda ujung distal) yang berfungsi sebagai katoda (kutup negatif) dan generator pulsa sebagai anoda (kutup positif). Pada bipolar lead terdapat dua elektroda, elektroda cincin proximal sebagai anoda dan elektroda ujung distal sebagai katoda. Bagan dari unipolar dan bipolar lead dapat dilihat pada gambar 2.

Gambar 3. Hantaran listrik pada alat pacu jantung (a) unipolar lead, (b) bipolar lead. [3]

Elektroda dibuat dari bahan berpori sehingga memungkinkan pertumbuhan jaringan disekeliling elektroda dan mengikat elektroda dengan kuat. Logam dalam elektroda harus menghantarkan listrik dengan baik tetapi tidak boleh menimbulkan korosi. Selain itu elektroda harus berukuran relatif kecil namun memiliki luas penampang yang besar. Material yang digunakan untuk membuat elektroda antara lain: titanium berlapis platina-iridium, elektroda karbon kaca (karbon dipanaskan) dan paduan stainless steel.

Alat pacu jantung implan dikelompokkan menjadi tiga : (1) single-chamber, hanya ada satu lead yang ditempatkan di bilik atrium atau ventrikel; (2) dual-chamber, terdapat dua lead yang ditempatkan di dua bilik jantung, satu di atrium dan yang lainnya di ventrikel; dan (3) rate responsive, pacu jantung yang memiliki sensor yang mendeteksi perubahan aktivitas fisik pasien dan secara otomatis menyesuaikan tingkat pemacuan untuk memenuhi kebutuhan metabolisme tubuh.

Terdapat tiga mode operasi pacu jantung: (1) free running (asynchronous), (2) Inhibited, dan (3) Triggered. Pada mode free running, pacu jantung menjadi tidak sensitif terhadap ritme yang mungkin dihasilkan di dalam paced-chamber. Pada mode Inhibited, pacu jantung mendeteksi aktivitas jantung namun tidak merespon secara langsung pada saat aktivitas tersebut terjadi, tetapi memberikan rangsangan setelah waktu berlalu, jika tidak ada aktivitas jantung lebih lanjut terjadi untuk menghambat operasi jantung. Pacu jantung akan mendeteksi aktifitas jantung da memberikan stimulus (rangsangan) yang sesuai pada mode triggered. Parameter-parameter penting dalam pacu jantung antara lain:

  1. Mode operasi; menunjukkan state machine yang akan digunakan dalam terapi. Terdapat tiga kode yang umum digunakan dalam tata nama medis untuk menentukan perilaku pacu jantung. Huruf pertama yang adalah ruang yang dapat dirangsang oleh perangkat pacu jantung(A, atrium; V, ventrikel; D, baik atrium dan ventrikel; O, pacu jantung tidak diaktifkan), huruf kedua adalah ruang yang sensing (dideteksi) (A, atrium; V , ventrikel; D, baik atrium dan ventrikel; O, tidak tersedia atau tidak diaktifkan), dan huruf ketiga menunjukkan respon pacu jantung terhadap sensing (I, Inhibited, menghambat pemacuan jika jantung berfungsi dengan baik; T, Triggered, memicu pemacuan, D, baik menghambat atau memicu, tergantung pada kodisi diagram keadaan; O, mengabaikan even deteksi). Jika pacu jantung memiliki tingkatan respon (response rate), maka huruf keempat merupakan tingkat modulasi (rate modulation)d an huruf kelima merupakan multiple pacing. Tingkat modulasi juga disebut tingkat respon atau tingkat adaptasi. Ada banyak pendekatan, termasuk sensor gerak (accelerometer dan kristal piezoelektrik, ventilasi menit, dll) Beberapa perangkat dapat menggunakan pendekatan multi-sensor. Sementara semua tingkat modulasi ini dirancang untuk membantu alat pacu jantung secara otomatis menyesuaikan tingkat pemacuan untuk memenuhi kebutuhan pasien.
  2. Stimulus, yang meliputi lebar pulsa (durasi dari pulsa untuk menstimulus jantung), amplitudo pulsa (level tegangan pulsa stimulus).
  3. Timing yang meliputi: basic pace interval, jeda waktu alat pacu jantung untuk menstimulus jantung, diukur dalam denyut / menit; Escape Interval , jeda waktu pacu jantung setelah QRS spontan dihasilkan (diukur dalam ms); dan Ventricular Refractory period (VRP), jeda waktu rangkaian sensor dalam keadaan tidak aktif.
  4. Pendeteksian, yang meliputi sensitivitas penginderaan atrium dan ventrikel. Sensivitas pengindraan atrium/vetrikel merupakan tingkat ambang batas tegangan/ threshold (milivolt) sinyal electrogram dari aktivitas intrinsik atrium/ventrikel yang dapat dideteksi oleh sensing-amplifier.

Alat pacu jantung mendeteksi depolarisasi jantung dengan mengukur perubahan potensial listrik dalam sel miokardial antara anoda dan katoda. Electrograms (EGM) dihasilkan oleh perbedaan potensial listrik antara dua elektroda. EGM Intracardiac ditandai dalam hal amplitudonya (diukur dalam milivolt) dan laju perubahan tegangan (diukur dalam volt per detik). Pegukuran EGM intracardiac dilakukan oleh sensing-amplifier.

Gambar 4. Bagan pacu jantung berbasis microcontroller [3].

Sensing amplifier terdiri dari differensial amplifier, filter, referesi tegangan (threshold) dan level detector. Differensial amplifier mengubah sinyal differensial, baik dari unipolar ataupun bipolar lead, menjadi sinyal tunggal. Keluaran sinyal dari differensial amplifier tidak hanya terdiri dari sinyal jantung tetapi juga membawa sinyal lain yang sangat besar yang dapat disebabkan oleh myopotentials (noise otot) atau sinyal extracardiac. Oleh karena itu diperlukan rangkaian filter bandpass dengan frekuensi cut-off 88 Hz ~ 200 Hz untuk menyaring sinyal-sinyal noise tersebut. Keluaran rangkain filter merupakan sinyal yang lemah dan lebih kecil dari sinyal jantung sesungguhnya. Sinyal yang sangat lemah dan kecil tersebut kemudian dikuatkan oleh amplifier dan dibandingkan dengan tegangan referensi (sensitivity threshold) oleh level detector yang berfungsi sebagai komparator. Besarnya sensitifity threshold berbeda Kodisi dimana sinyal keluaran filter/amplifier mecapai teganga threshold disebut sebagai sensing-event. Microcotroller hanya aktif jika terjadi sensing-eventatau parameter timing pacu jantung tercapai.

Gambar 5. Diagram blok sensing-amplifier.[4]

Tergantung pada mode operasi pacu jantung, microcontroller memberikan stimulus yang sesuai melalui generator pulsa. Gambar 6. menunjukkan diagram blok dari generator pulsa. Charge pump merupakan rangkaian elektronik yang digunakan untuk mengisi kapasitor ketika microcotroller dalam keadaan inaktif (sleep mode). Kapasitor diisi hingga melebihi tegangan threshold tertentu (dalam volt). Ketika tegangan pada kapasitor melebihi tegangan referensi (threshold), pembangkit clock dimatikan dan pengisian kapasitor berhenti sampai tegangan pada kapasitor lebih kecil dari tegangan referensi.

Gambar 6. Diagram block generator pulsa.[4]

Prinsip kerja rangkaian sederhana capacitor-discharge dari generator pulsa ditunjukkan gambar 7. Pada mode inaktif, microcontroller menset sinyal HIGH AMPLITUDE STIMULUS ke kondisi low untuk mengisi kapasitor C2 dengan menghubungkan kutub positif C2 ke VDD melalui Q3. Sedangkan Q4 dalam keadaan terbuka. Pada keadaan ini sinyal stimulus juga di set ke kondisi low sehingga Q2 bertindak sebagai switch terbuka untuk mencegah terjadinya pengosongan kapasitor C2. Sinyal ACTIVE DISCHARGE di set ke high dan menjaga switch Q1 dalam keadaan terbuka. Kopling kapasitor C1 kemudian dikosongkan secara perlahan melalui resistor R1 (100KOhm) ke jantung dan elektroda yang terhubung dengan V+ dan V-.

(a) rangkaian sederhana capacitance-discharge
(b) sinyal pada rangkaian capcitance-discharge

Gambar 7. Prinsip kerja rangkaian sederhana capacitor-discharge dari generator pulsa.[5]

Stimulus dibuat dengan cara menset sinyal HIGH AMPLITUDE STIMULUS ke kondisi high. Pada kondisi ini Q3 dalam keadaan terbuka dan Q4 dalam keadaan tertutup, menghubung-singkat kutub positif C2 ke kutub negatif battery. Kutub negatif C2 kemudian dihubungkan ke kutup negatif C1 melalui Q2 dengan cara menset sinyal STIMULUS ke kondisi high (switch Q2 tertutup). Kapasitor C2 dikonsongkan melalui R1 ke jaringan jantung, dan beda pontesial pada V+ dan V- sebesar tegangan pada kapasitor C2. Selama pengosongan C2, kapasitor kopling C1 diisi. Setelah stimulus dihantarkan (Q2 dan Q3 diset low), kapasitor kopling C1 tetap diisi. Agar dapat menghantarkan pulsa stimulus berikutnya, kapasitor kopling C1 harus dikosongkan dengan cara menghubungkan kutub negatif dengan melalui Q1 dengan menset sinyal ACTIVE DISCHARGE ke kondisi low sehingga muatan mengalir dari C1 ke jaringan melalui R2 dan R1 (pengosongan cepat). Waktu yang dibutuhkan untuk pegosongan C1 setelah stimulus di disebut waktu refractory (refractoty period). Sisa muatan pada C1 kemudian dilairkan ke jantung melalui R1 secara perlahan.

Referensi

  1. Miller, Geralt E.,“Artificial Organ“, First Edition, Morgan & Claypool Publishers, 2006
  2. http://www.sjmprofessional.com/Resources/presentations/Index.aspx
  3. Santosh Chede, Kishore Kulat, “Design Overview Of Processor Based Implantable Pacemaker”, Journal of Computers, Vol. 3, No. 8, August 2008David Prutci , Michael Nooris, ” Design and Development of Medical Electronics Instrumentation”, Wiley, 2005.
  4. Sigfredo E. Gonz´alez d´ıaz, “Methodology, Design, and Implementation of a Cardiac Pacemaker Prototype Using a Commercial Low Power Microcontroller”, University of puerto rico mayag¨uez campus, 2006
  5. David Prutci , Michael Nooris, ” Design and Development of Medical Electronics Instrumentation”, Wiley, 2005.
  6. Fred M. Kusumoto, Nora Golschaler, “Cardiac Pacing”, Medical Progress, 1996
  7. ST. Jude Medical, “Cardiac Rhythm Management Division U.S. Product Catalog”, August 2010
  8. http://www.hrspatients.org/patients/treatments/pacemakers.asp