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心脏起搏器技术、产品与市场分析

嘉峪检测网 2023-06-07 09:59

前言导读

心脏起搏器是一种植入于体内的电子治疗仪器，通过脉冲发生器发放由电池提供能量的电脉冲，通过导线电极的传导，刺激电极所接触的心肌，使心脏激动和收缩，从而达到治疗由于某些心律失常所致的心脏功能障碍的目的。1958年第一台心脏起搏器植入人体以来，起搏器制造技术和工艺快速发展，功能日趋完善。在应用起搏器成功地治疗缓慢性心律失常、挽救了成千上万患者生命的同时，起搏器也开始应用到快速性心律失常及非心电性疾病，如预防阵发性房性快速心律失常、颈动脉窦晕厥、双室同步治疗药物难治性充血性心力衰竭等。

心脏起搏器概览

脉冲发生器定时发放一定频率的脉冲电流，通过导线和电极传输到电极所接触的心肌（心房或心室），使局部心肌细胞受到外来电刺激而产生兴奋，并通过细胞间的缝隙连接或闰盘连接向周围心肌传导，导致整个心房或心室兴奋并进而产生收缩活动。需要强调的是，心肌必须具备有兴奋、传导和收缩功能，心脏起搏方能发挥其作用。

心脏起搏器工作原理示意

植入起搏器的发展

1791年Galvani用实验证明了生物电的存在，并发现肌肉对电刺激有收缩反应。1882年Ziemssen发现电刺激可引起心脏收缩活动。早期的实验研究和临床观察对后来心脏起搏技术的发明和应用具有重要的意义。

1929年9月Lidwill在澳大利亚悉尼举行的学术会议上首次报告了应用他发明的手提式起搏装置成功救活了1个心脏停跳的婴儿。这是人工心脏起搏技术首次用于临床。

1932年Hyman设计制作了一台由发条驱动的电脉冲发生器，该装置净重达7.2公斤，脉冲频率可调节为30、60、120次/分，Hyman将之称为人工心脏起搏器“artificial cardiac pacemaker”，这台发条式脉冲发生器成为人类第一台人工心脏起搏器。

1952年1月，美国哈佛大学医学院Paul M. Zoll医生首次在人体胸壁的表面施行脉宽2ms，强度为75~150V的电脉冲刺激心脏，成功地为1例心脏停搏患者进行心脏复苏，挽救了这位濒死病人的生命。

由于电极缝在胸壁，使电刺激起搏心脏的同时也刺激胸部肌肉，引起局部肌肉的抽动和疼痛，但这一创举立即受到医学界和工程技术界人士的广泛重视，迎来了心脏病学的又一个变革时期，临时性心脏起搏器术逐渐被医学界广泛接受，成为一种常规的缓慢性心律失常的治疗方法。Paul M. Zoll被尊称为“心脏起搏之父”。

1952年，瑞典的Senning医生和Elmqvist工程师研制出第1台可植入人体的心脏起搏器。1958年10月8日，Senning首次将起搏器植入到一位病毒性心肌炎合并完全性房室阻滞患者的体内。此人成为世界上第一例被植入起搏器的患者。

心脏起搏器技术的发展

早先的起搏器由于存在诸多问题，限制其临床广泛应用，例如需开胸植入起搏导线电极，起搏阈值很快升高，导线容易折断、移位，电池寿命较短和稳定性差。为解决上述问题，不少学者和工程师做了不懈的研究。

心脏起搏器发展史

1962年，经静脉导线应用于临床，植入心脏起搏器无需开胸手术。

1964年，出现了R波抑制型（VVI）起搏器，避免了固定频率起搏器不同步性可能引起的严重室性心律失常。

1978年植入了第一台双腔起搏器。

上世纪70年代应用抗心动过速起搏器治疗室上性心动过速，这个技术目前仍应用于植入型心律转复除颤器（ICD）中。

上世纪80年代以后，由于电子技术和传感器技术的快速发展及微处理器的广泛应用，起搏器的功能愈趋完善。

1995年Bakker等证实了双心室起搏的血流动力学益处，对严重心力衰竭合并室内阻滞，特别是左束支阻滞，双心室起搏可使心室收缩再同步化，心功能改善，活动耐量增加，生活质量提高。目前，这种心脏再同步化治疗（CRT）已获美国FDA批准。

在出现频率适应性起搏、起搏参数的体外提取和程控、起搏器对心律失常事件和起搏器工作状态的监测和记录等功能之后，并可根据病人的不同状况在一定范围内自动调整起搏参数使起搏器能更好地适用于复杂的临床情况和不同的病人。

一般情况下，心脏起搏系统主要包括两部分：脉冲发生器和电极导线（包含无线方式）。脉冲发生器，由集成电路和电池组成。它的外表呈扁圆形，体积小巧，就像一块扁平的怀表，重量约20克左右。脉冲发生器内部有复杂的线路，控制着起搏器工作。起搏电极导线一端连接在起搏器上，另一端通过静脉到达心脏，并通过特殊结构固定在心肌壁上。心脏起搏器有多种型号和类型，按起搏器类型可以划分为单腔起搏器、双腔起搏器以及三腔起搏器。下表列出了各类型起搏器的主要特点：

来源：美敦力官网思宇智库

目前，心脏起搏器正朝着无导线技术（leadless cardiac pacemaker system, LCPs）方向发展，虽然起搏器技术挽救了病人的生命，但同时也具有相应的并发症。尤其需要经过静脉系统植入的导线，可能会产生：静脉栓塞，重度三尖瓣反流，电极损伤，感染等。所谓无导线起搏器，顾名思义就是没有导线的起搏器。起搏导线和脉冲发生器两者合二为一，且体积非常小，可以直接植入到心脏内，因此在体表没有传统起搏器植入部位的皮肤隆起和疤痕，也避免了起搏器囊袋的破溃和感染，起搏导线磨损和断裂的风险，且使用寿命长很长和兼容磁共振。无导线起搏器是心脏起搏器领域的飞跃性创新，已经是心脏起搏器领域的发展趋势。

无线起搏器示意图

心脏起搏器市场概览

全球心脏起搏器植入手术的数量

全球进行的⼼脏起搏器植入⼿术的数量预期将由2021年的1.3百万台增加至2030年的1.7百万台，复合年增长率为3.0%。于2021年，欧洲进行的⼼脏起搏器植入⼿术约为567,400台，占全球所有区域市场中最多（44.8%）。预期中国的⼼脏起搏器植入⼿术增长率最高，2021年至2030年的估计复合年增长率为7.6%。下图载列全球进行的⼼脏起搏器植入⼿术的数量。

来源：弗若斯特沙利文

全球心脏起搏器市场的规模

全球⼼脏起搏器市场预期将由2021年的3,597.4百万美元增加至2030年的4,224.9百万美元，复合年增长率为1.8%。于2021年，美国的规模为1,617.9百万美元，为全球最大（45.0%）的⼼脏起搏器市场。中国预期将成为增长最快的⼼脏起搏器市场，2021年至2030年的估计复合年增长率为5.7%。下图载列⼼脏起搏器的全球市场规模：

来源：弗若斯特沙利文

竞争格局

大部分的商业化⼼脏起搏器由五家跨国公司开发。下表载列该等公司于美国、欧盟及╱或中国获批的最新主要起搏器的比较：

来源：弗若斯特沙利文

下表载列该等公司于美国、欧盟及╱或中国获批的最新主要起搏导线（其连接⼼脏起搏器与⼼脏，并将电子信号输送至⼼脏以供起搏）的比较：

来源：弗若斯特沙利文

心脏起搏器产品分析

笔者以美敦力的Micra和雅培的Aveir无导线心脏起搏器为例，对心脏起搏器产品进行简要的解析。

Mirca起搏器

美敦力Micra是小型的心脏起搏器，仅有胶囊大小，体积比传统心脏起搏器减小93%，重量仅约2克。Micra 通过腿部静脉置入心脏。该过程不需要胸部切口，并且与传统的起搏器不同，它不会在皮肤下产生疤痕或肿块，消除了由胸部切口和从传统起搏器进入心脏的导线引起的潜在医疗并发症。目前，Micra拥有多种型号。

Mirca示意图

2018年11月，第一届进博会上，Micra心脏起搏器第一次在中国亮相；2018年12月，Micra无导线心脏起搏器在海南博鳌乐城国际医疗旅游先行区内的博鳌超级医院完成国内首例临床应用；2019年11月7日，Micra无导线心脏起搏器正式在中国上市。并且新闻联播节目还对其进行了特别介绍。

技术简介

对于Micra技术脉络，对于心脏起搏器，从1958年诞生到Micra的上市，总计经历了多代，笔者通过如下图片向各位读者进行展示：

心脏起搏器技术脉络示意图

对于Micra技术组成，其主要包括四个主要组成部分，笔者通过如下图片向各位读者进行展示：

Micra技术组成示意图

另外，对于Micra技术拆解，其装配关系如下图所示：

Micra技术装配示意图

为了进一步加深理解技术方案，笔者还通过如下视频，对Micra起搏器使用过程进行阐述：

重点专利

根据Micra起搏器相关重点专利，美敦力对其进行了细致性的专利布局，笔者从涉及的相关专利中分别择机选择了2组专利(核心原理和电池技术)进行了解析，相关结果如下：

公开/公告号	US8129622B2	申请日	2009/5/21
发明名称	Insulator for feedthrough
解决的技术问题	Construction of a feedthrough assembly can require the use of forming weights, complicating production, and in some instances, limiting the minimum feedthrough size. In addition, some insulating members are susceptible to reaction with aqueous solutions, such as body fluids. Reaction with body fluids can erode the insulating member and diminish performance over time. It is desirable to develop improved feedthroughs for IMDs.
技术方案	A hermetically sealed microelectromechanical system (MEMS) package for an implantable medical device is presented. The MEMS comprises a first substrate that includes an aperture. A feedthrough assembly is coupled to the aperture; the feedthrough assembly comprises a conductive element housed in a glass insulating member. A second substrate is coupled to the first substrate.
相关附图

公开/公告号	US7824805B2	申请日	2007/1/17
发明名称	Implantable medical device battery
解决的技术问题	Implantable medical devices (IMDs) detect and deliver therapy for a variety of medical conditions in patients. IMDs include implantable pulse generators (IPGs) or implantable cardioverter-defibrillators (ICDs) that deliver electrical stimuli to tissue of a patient. ICDs typically comprise, inter alia, a control module, a capacitor, and a battery that are housed in a hermetically sealed container. When therapy is required by a patient, the control module signals the battery to charge the capacitor, which in turn discharges electrical stimuli to tissue of a patient.
技术方案	A battery cell in an implantable medical device is presented. The battery cell includes an anode, a cathode, an insulator therebetween, and an electrolyte. The cathode includes silver vanadium oxide and fluorinated carbon (CFx). The CFx includes fluorine at greater than or equal to 61 percentage (%) by weight.
相关附图

Aveir起搏器

雅培Aveir是一款具有独特映射功能的无导线起搏器，可在放置前评估正确定位。Aveir无引线起搏器旨在提供心动过缓起搏，作为脉冲发生器，内置电池和电极，用于植入右心室，为目标患者群体提供内在心脏信号的感测和心脏起搏治疗。而且该产品的预计电池寿命比其他目前市售的无引线起搏器长两倍。

技术简介

目前无引线起搏选项仅限于单腔设备，很难实现两个无引线起搏器的同步，雅培通过开发“i2i 技术”来解决这一挑战，以在两个无引线起搏器之间提供通信，一个位于右心室，一个位于右心房，该技术旨在同步调节心室之间的心率，并实现真正的双心室无引线起搏。

Aveir无线起搏器示意图

对于Aveir无引线起搏器，为了进一步加深理解技术方案，可以通过如下视频做进一步的深入了解：

不仅如此，雅培还开发了专用的AVEIR输送和取出导管，其为一种带偏转机构的可操纵输送导管，独特的三环圈套结构能够和AVEIR进行装配，如下图所示：

重点专利

对于AVEIR起搏器，雅培对其进行了细致性的专利布局，笔者从涉及的相关专利中分别择机选择了2组(原理和输送系统)专利进行了解析，相关结果如下：

公开/公告号	US8295939B2	申请日	2011/5/17
发明名称	Programmer for biostimulator system
解决的技术问题	Known pulse generators can include various sensors for estimating metabolic demand, to enable an increase in pacing rate proportional and appropriate for the level of exercise. The function is usually known as rate-responsive pacing. For example, an accelerometer can measure body motion and indicate activity level. A pressure transducer in the heart can sense the timing between opening and closing of various cardiac valves, or can give a measure of intracardiac pressure directly, both of which change with changing stroke volume. Stroke volume increases with increased activity level. A temperature sensor can detect changes in a patient's blood temperature, which varies based on activity level. The pacemaker can increase rate proportional to a detected increase in activity.
技术方案	A biostimulator system comprises one or more implantable devices and an external programmer configured for communicating with the implantable device or devices via bidirectional communication pathways comprising a receiving pathway that decodes information encoded on stimulation pulses generated by ones of the implantable device or devices and conducted through body tissue to the external programmer.
相关附图

公开/公告号	US8958892B2	申请日	2013/11/19
发明名称	Delivery catheter systems and methods
解决的技术问题	Although more than one hundred thousand conventional cardiac pacing systems are implanted annually, various well-known difficulties exist, of which a few will be cited. For example, a pulse generator, when located subcutaneously, presents a bulge in the skin that patients can find unsightly, unpleasant, or irritating, and which patients can subconsciously or obsessively manipulate or “twiddle”. Even without persistent manipulation, subcutaneous pulse generators can exhibit erosion, extrusion, infection, and disconnection, insulation damage, or conductor breakage at the wire leads. Although sub-muscular or abdominal placement can address some concerns, such placement involves a more difficult surgical procedure for implantation and adjustment, which can prolong patient recovery.
技术方案	A delivery system for implanting a leadless cardiac pacemaker into a patient is provided. The cardiac pacemaker can include a docking or delivery feature having a through-hole disposed on or near a proximal end of the pacemaker for attachment to the delivery system. In some embodiments, the delivery catheter can include first and second tethers configured to engage the delivery feature of the pacemaker. The tethers, when partially aligned, can have a cross-sectional diameter larger than the through-hole of the delivery feature, and when un-aligned, can have a cross-sectional diameter smaller than the through-hole of the delivery feature. Methods of delivering the leadless cardiac pacemaker with the delivery system are also provided.
相关附图

结语

目前，对于心脏起搏器设备而言，依然以美敦力、雅培、波科等国外企业为主，不过随着国内重视程度不断提高的情况下，中国公司蓄势待发，在一片被普遍看好的市场中开始暗流涌动，虽然目前真正的国产心脏起搏器成品问世很少，但是随着各个“卡脖子”技术不断攻克，国产心脏起搏器一定会在近几年实现重大突破和问世。

目前，国内各大心脏起搏器领域医疗厂商还会将美敦力、雅培、波科等重要竞品作为标杆和对照，但是随着各大国内厂商联动产学研医生多方力量，不断创新，必将推动中国心脏起搏器业更智能化、精准化、便携化的发展，也会逐步摆脱国外竞品带来的压力和技术障碍，不过，国外巨头公司和国内新兴企业在知识产权方面布局更加紧密，心脏起搏器赛道上的各个国内厂商之间的竞争也会逐渐激烈，届时相关知识产权问题也必将会成为各大心脏起搏器厂商的研究重点课题，后续相关产品的的研发和专利事务值得持续关注。

来源：医械知识产权

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