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心臟起搏器技術、產品與市場分析

嘉峪檢測網        2023-06-07 09:59

前言導讀
 
心臟起搏器是一種植入于體內的電子治療儀器,通過脈沖發生器發放由電池提供能量的電脈沖,通過導線電極的傳導,刺激電極所接觸的心肌,使心臟激動和收縮,從而達到治療由于某些心律失常所致的心臟功能障礙的目的。1958年第一臺心臟起搏器植入人體以來,起搏器制造技術和工藝快速發展,功能日趨完善。在應用起搏器成功地治療緩慢性心律失常、挽救了成千上萬患者生命的同時,起搏器也開始應用到快速性心律失常及非心電性疾病,如預防陣發性房性快速心律失常、頸動脈竇暈厥、雙室同步治療藥物難治性充血性心力衰竭等。
 
心臟起搏器概覽
                         
脈沖發生器定時發放一定頻率的脈沖電流,通過導線和電極傳輸到電極所接觸的心肌(心房或心室),使局部心肌細胞受到外來電刺激而產生興奮,并通過細胞間的縫隙連接或閏盤連接向周圍心肌傳導,導致整個心房或心室興奮并進而產生收縮活動。需要強調的是,心肌必須具備有興奮、傳導和收縮功能,心臟起搏方能發揮其作用。
 

 
 
心臟起搏器工作原理示意
 
植入起搏器的發展
 
1791年Galvani用實驗證明了生物電的存在,并發現肌肉對電刺激有收縮反應。1882年Ziemssen發現電刺激可引起心臟收縮活動。早期的實驗研究和臨床觀察對后來心臟起搏技術的發明和應用具有重要的意義。
 
1929年9月Lidwill在澳大利亞悉尼舉行的學術會議上首次報告了應用他發明的手提式起搏裝置成功救活了1個心臟停跳的嬰兒。這是人工心臟起搏技術首次用于臨床。
 
 
 
1932年Hyman設計制作了一臺由發條驅動的電脈沖發生器,該裝置凈重達7.2公斤,脈沖頻率可調節為30、60、120次/分,Hyman將之稱為人工心臟起搏器“artificial cardiac pacemaker”,這臺發條式脈沖發生器成為人類第一臺人工心臟起搏器。
 
1952年1月,美國哈佛大學醫學院Paul M. Zoll醫生首次在人體胸壁的表面施行脈寬2ms,強度為75~150V的電脈沖刺激心臟,成功地為1例心臟停搏患者進行心臟復蘇,挽救了這位瀕死病人的生命。
 
由于電極縫在胸壁,使電刺激起搏心臟的同時也刺激胸部肌肉,引起局部肌肉的抽動和疼痛,但這一創舉立即受到醫學界和工程技術界人士的廣泛重視,迎來了心臟病學的又一個變革時期,臨時性心臟起搏器術逐漸被醫學界廣泛接受,成為一種常規的緩慢性心律失常的治療方法。Paul M. Zoll被尊稱為“心臟起搏之父”。
 
 
1952年,瑞典的Senning醫生和Elmqvist工程師研制出第1臺可植入人體的心臟起搏器。1958年10月8日,Senning首次將起搏器植入到一位病毒性心肌炎合并完全性房室阻滯患者的體內。此人成為世界上第一例被植入起搏器的患者。
 

 
心臟起搏器技術的發展
 
早先的起搏器由于存在諸多問題,限制其臨床廣泛應用,例如需開胸植入起搏導線電極,起搏閾值很快升高,導線容易折斷、移位,電池壽命較短和穩定性差。為解決上述問題,不少學者和工程師做了不懈的研究。
 
心臟起搏器發展史
 
1962年,經靜脈導線應用于臨床,植入心臟起搏器無需開胸手術。
 
1964年,出現了R波抑制型(VVI)起搏器,避免了固定頻率起搏器不同步性可能引起的嚴重室性心律失常。
 
1978年植入了第一臺雙腔起搏器。
 
上世紀70年代應用抗心動過速起搏器治療室上性心動過速,這個技術目前仍應用于植入型心律轉復除顫器(ICD)中。
 
上世紀80年代以后,由于電子技術和傳感器技術的快速發展及微處理器的廣泛應用,起搏器的功能愈趨完善。
 
1995年Bakker等證實了雙心室起搏的血流動力學益處,對嚴重心力衰竭合并室內阻滯,特別是左束支阻滯,雙心室起搏可使心室收縮再同步化,心功能改善,活動耐量增加,生活質量提高。目前,這種心臟再同步化治療(CRT)已獲美國FDA批準。
 
在出現頻率適應性起搏、起搏參數的體外提取和程控、起搏器對心律失常事件和起搏器工作狀態的監測和記錄等功能之后,并可根據病人的不同狀況在一定范圍內自動調整起搏參數使起搏器能更好地適用于復雜的臨床情況和不同的病人。
 
 
一般情況下,心臟起搏系統主要包括兩部分:脈沖發生器和電極導線(包含無線方式)。脈沖發生器,由集成電路和電池組成。它的外表呈扁圓形,體積小巧,就像一塊扁平的懷表,重量約20克左右。脈沖發生器內部有復雜的線路,控制著起搏器工作。起搏電極導線一端連接在起搏器上,另一端通過靜脈到達心臟,并通過特殊結構固定在心肌壁上。心臟起搏器有多種型號和類型,按起搏器類型可以劃分為單腔起搏器、雙腔起搏器以及三腔起搏器。下表列出了各類型起搏器的主要特點:
 
來源:美敦力官網 思宇智庫
 
目前,心臟起搏器正朝著無導線技術(leadless cardiac pacemaker system, LCPs)方向發展,雖然起搏器技術挽救了病人的生命,但同時也具有相應的并發癥。尤其需要經過靜脈系統植入的導線,可能會產生:靜脈栓塞,重度三尖瓣反流,電極損傷,感染等。所謂無導線起搏器,顧名思義就是沒有導線的起搏器。起搏導線和脈沖發生器兩者合二為一,且體積非常小,可以直接植入到心臟內,因此在體表沒有傳統起搏器植入部位的皮膚隆起和疤痕,也避免了起搏器囊袋的破潰和感染,起搏導線磨損和斷裂的風險,且使用壽命長很長和兼容磁共振。無導線起搏器是心臟起搏器領域的飛躍性創新,已經是心臟起搏器領域的發展趨勢。
 
無線起搏器示意圖
 
心臟起搏器市場概覽
                         
全球心臟起搏器植入手術的數量
 
全球進行的?臟起搏器植入?術的數量預期將由2021年的1.3百萬臺增加至2030年的1.7百萬臺,復合年增長率為3.0%。于2021年,歐洲進行的?臟起搏器植入?術約為567,400臺,占全球所有區域市場中最多(44.8%)。預期中國的?臟起搏器植入?術增長率最高,2021年至2030年的估計復合年增長率為7.6%。下圖載列全球進行的?臟起搏器植入?術的數量。
 
來源:弗若斯特沙利文
全球心臟起搏器市場的規模
 
全球?臟起搏器市場預期將由2021年的3,597.4百萬美元增加至2030年的4,224.9百萬美元,復合年增長率為1.8%。于2021年,美國的規模為1,617.9百萬美元,為全球最大(45.0%)的?臟起搏器市場。中國預期將成為增長最快的?臟起搏器市場,2021年至2030年的估計復合年增長率為5.7%。下圖載列?臟起搏器的全球市場規模:
 
來源:弗若斯特沙利文
競爭格局
 
大部分的商業化?臟起搏器由五家跨國公司開發。下表載列該等公司于美國、歐盟及╱或中國獲批的最新主要起搏器的比較:
 
來源:弗若斯特沙利文
 
下表載列該等公司于美國、歐盟及╱或中國獲批的最新主要起搏導線(其連接?臟起搏器與?臟,并將電子信號輸送至?臟以供起搏)的比較:
 
來源:弗若斯特沙利文
 
心臟起搏器產品分析
   
筆者以美敦力的Micra和雅培的Aveir無導線心臟起搏器為例,對心臟起搏器產品進行簡要的解析。            
Mirca起搏器
 
美敦力Micra是小型的心臟起搏器,僅有膠囊大小,體積比傳統心臟起搏器減小93%,重量僅約2克。Micra 通過腿部靜脈置入心臟。該過程不需要胸部切口,并且與傳統的起搏器不同,它不會在皮膚下產生疤痕或腫塊,消除了由胸部切口和從傳統起搏器進入心臟的導線引起的潛在醫療并發癥。目前,Micra擁有多種型號。
Mirca示意圖
 
2018年11月,第一屆進博會上,Micra心臟起搏器第一次在中國亮相;2018年12月,Micra無導線心臟起搏器在海南博鰲樂城國際醫療旅游先行區內的博鰲超級醫院完成國內首例臨床應用;2019年11月7日,Micra無導線心臟起搏器正式在中國上市。并且新聞聯播節目還對其進行了特別介紹。
 
技術簡介
 
對于Micra技術脈絡,對于心臟起搏器,從1958年誕生到Micra的上市,總計經歷了多代,筆者通過如下圖片向各位讀者進行展示:
 
心臟起搏器技術脈絡示意圖
 
對于Micra技術組成,其主要包括四個主要組成部分,筆者通過如下圖片向各位讀者進行展示:
 
Micra技術組成示意圖
 
另外,對于Micra技術拆解,其裝配關系如下圖所示:
 
 
Micra技術裝配示意圖
 
為了進一步加深理解技術方案,筆者還通過如下視頻,對Micra起搏器使用過程進行闡述:
 
重點專利
 
根據Micra起搏器相關重點專利,美敦力對其進行了細致性的專利布局,筆者從涉及的相關專利中分別擇機選擇了2組專利(核心原理和電池技術)進行了解析,相關結果如下:
 
1
公開/公告號 US8129622B2 申請日 2009/5/21
發明名稱 Insulator for feedthrough
解決的技術問題 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.
技術方案 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.
相關附圖  
 
2
公開/公告號 US7824805B2 申請日 2007/1/17
發明名稱 Implantable medical device battery
解決的技術問題 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.
技術方案 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.
相關附圖  
 
Aveir起搏器  
 
雅培Aveir是一款具有獨特映射功能的無導線起搏器,可在放置前評估正確定位。Aveir無引線起搏器旨在提供心動過緩起搏,作為脈沖發生器,內置電池和電極,用于植入右心室,為目標患者群體提供內在心臟信號的感測和心臟起搏治療。而且該產品的預計電池壽命比其他目前市售的無引線起搏器長兩倍。                  
技術簡介
 
目前無引線起搏選項僅限于單腔設備,很難實現兩個無引線起搏器的同步,雅培通過開發“i2i 技術”來解決這一挑戰,以在兩個無引線起搏器之間提供通信,一個位于右心室,一個位于右心房,該技術旨在同步調節心室之間的心率,并實現真正的雙心室無引線起搏。
 
Aveir無線起搏器示意圖
 
對于Aveir無引線起搏器,為了進一步加深理解技術方案,可以通過如下視頻做進一步的深入了解:
 
不僅如此,雅培還開發了專用的AVEIR輸送和取出導管,其為一種帶偏轉機構的可操縱輸送導管,獨特的三環圈套結構能夠和AVEIR進行裝配,如下圖所示:
 
 

 
重點專利
 
對于AVEIR起搏器,雅培對其進行了細致性的專利布局,筆者從涉及的相關專利中分別擇機選擇了2組(原理和輸送系統)專利進行了解析,相關結果如下:
 
1
公開/公告號 US8295939B2 申請日 2011/5/17
發明名稱 Programmer for biostimulator system
解決的技術問題 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.
技術方案 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.
相關附圖  
                        
2
公開/公告號 US8958892B2 申請日 2013/11/19
發明名稱 Delivery catheter systems and methods
解決的技術問題 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.
技術方案 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.
相關附圖  
 
結  語
 
目前,對于心臟起搏器設備而言,依然以美敦力、雅培、波科等國外企業為主,不過隨著國內重視程度不斷提高的情況下,中國公司蓄勢待發,在一片被普遍看好的市場中開始暗流涌動,雖然目前真正的國產心臟起搏器成品問世很少,但是隨著各個“卡脖子”技術不斷攻克,國產心臟起搏器一定會在近幾年實現重大突破和問世。
 
目前,國內各大心臟起搏器領域醫療廠商還會將美敦力、雅培、波科等重要競品作為標桿和對照,但是隨著各大國內廠商聯動產學研醫生多方力量,不斷創新,必將推動中國心臟起搏器業更智能化、精準化、便攜化的發展,也會逐步擺脫國外競品帶來的壓力和技術障礙,不過,國外巨頭公司和國內新興企業在知識產權方面布局更加緊密,心臟起搏器賽道上的各個國內廠商之間的競爭也會逐漸激烈,屆時相關知識產權問題也必將會成為各大心臟起搏器廠商的研究重點課題,后續相關產品的的研發和專利事務值得持續關注。
 
 

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來源:醫械知識產權

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