Radiating therapy in patients with a cardiac pacemaker or cardioverter
Part I. The structure and mechanism of cardiac pacemakers

Wstęp
W ciągu ostatnich lat obserwuje się wzrost zachorowalności na choroby serca i tym samym rośnie liczba pacjentów, którzy wymagają wszczepienia stymulatorów (ang. implantable cardiac pacemakers – ICPs) i implantowanych kardiowerterów-defibrylatorów (ang. implantable cardioverter-defibrillators – ICDs). Rocznie ok. 300 tys. pacjentów z chorobami serca na całym świecie kwalifikuje się do tego typu zabiegu. W Polsce żyje ponad 100 tys. osób z wszczepionym kardiostymulatorem, a liczba implantacji w ciągu roku dochodzi do ok. 9500. Przekłada się to na stopniowy wzrost liczby pacjentów z wszczepionym stymulatorem lub kardiowerterem-defibrylatorem poddawanych radioterapii. Ze względu na lokalizację sztuczne stymulatory serca stanowią problem w radioterapii chłoniaków, sutka, płuc, głowy i szyi, tarczycy oraz przełyku [1]. Również w przypadku napromieniania nowotworów zlokalizowanych w odległych od stymulatora okolicach ciała należy zachować ostrożność i stworzyć określone warunki bezpiecznego stosowania promieniowania jonizującego. Celem pracy jest zapoznanie lekarzy onkologów z budową i pracą stymulatorów serca oraz przedstawienie wytycznych dotyczących napromieniania pacjentów onkologicznych z rozrusznikiem serca.

Budowa i podział stymulatorów
Sztuczny rozrusznik serca (stymulator) to urządzenie elektryczne, które inicjuje czynność elektryczną serca za pomocą prądu elektrycznego. Najwcześniejsze próby elektrostymulacji serca sięgają roku 1871. Pierwszy zewnętrzny rozrusznik serca zbudował John Hopps w 1950 r., natomiast wewnętrzny rozrusznik wszczepili Ake Senning i Elmqvist 8 października 1958 r. w Sztokholmie [2].
Każdy rozrusznik składa się z układu zasilania (baterie litowe), układu rejestracji (uproszczony odczyt EKG), generatora impulsów oraz elektrody. Często występuje także programator kontrolujący takie parametry, jak częstotliwość rytmu, napięcie i czas trwania impulsu oraz czułość [1].
Stymulatory dzieli się na 3 grupy:
1. Zewnętrzne tymczasowe, stosowane w przejściowej, objawowej bradyarytmii (głównie na skutek zawału serca lub polekowych zaburzeń przewodzenia) lub celem zabezpieczenia pacjenta do czasu założenia stymulatora wewnętrznego. Wyróżniamy trzy możliwe sposoby stymulacji tymczasowej:
• przezskórną, która obecnie jest rzadko stosowana ze względu na bolesne odczucia,
• przezprzełykową, którą również rzadko się stosuje ze względu na dyskomfort pacjenta w trakcie stymulacji,
• wewnątrzsercową – elektroda jest założona do jamy serca przez wkłucie do żyły podobojczykowej, natomiast generator impulsów znajduje się na zewnątrz i jest wielkości 10 × 5 cm (ryc. 1.).
2. Wewnętrzne stałe – mają bardzo małe wymiary – 5 × 5 × 1 cm i wagę <400 γ (ryc. 2., 3.). Generator wszczepiany jest pod skórę – z reguły w okolicy podobojczykowej lewej w przestrzeni podskórnej nad mięśniem piersiowym. Elektrodę umieszcza się drogą żylną, zazwyczaj przez żyłę podobojczykową lewą i żyłę główną górną w kierunku prawej komory lub prawego przedsionka, pod kontrolą rentgenoskopii. Końcówka elektrody zaopatrzona jest w silikonowe haczyki lub ząbki zaprojektowane tak, aby wklinować się pomiędzy beleczki mięśniowe. Elektrody pozostają w kontakcie z mięśniem sercowym, dostarczając mu impulsy elektryczne i jednocześnie mierząc napięcie elektryczne serca. Przeciętny czas pracy baterii wynosi 7–10 lat.
3. Kardiowertery-defibrylatory – zostały po raz pierwszy wszczepione w 1980 r., a w 2001 r. ich liczbę oszacowano na ok. 30 tys. sztuk na świecie. W sposób ciągły monitorują rytm serca i w przypadku wykrycia poważnej arytmii regulują pracę serca poprzez impuls elektryczny (defibrylacja, kardiowersja, stymulacja z wysoką częstotliwością). Są wskazane dla pacjentów z ryzykiem nagłej śmierci sercowej. Wymagają wymiany co 4–8 lat. Mają wiele różnorodnych funkcji:
• rozpoznawanie tachyarytmii i bradyarytmii,
• defibrylację wysokoenergetyczną do przerywania migotania komór,
• kardiowersję niskoenergetyczną do przerywania częstoskurczu komorowego,
• stymulację antyarytmiczną do przerywania częstoskurczu komorowego,
• stymulację przeciwko bradykardii,
• pamięć holterowską z możliwością odtworzenia elektrokardiogramu [1–5]. Stymulatory starszej generacji zbudowane z dwubiegunowego półprzewodnika i charakteryzujące się prostotą budowy oraz dużą opornością na uszkodzenia popromienne nie są już używane. Nowoczesne stymulatory zawierają w swojej budowie zespół obwodów półprzewodnikowych opartych na krzemie (ang. complimentary-metal-oxide sili-con – CMOS), który warunkuje większą wrażliwość na promieniowanie jonizujące [1, 5]. W celu ułatwienia i ujednolicenia przekazu informacji o specyficznych cechach różnego typu stymulatorów stosuje się pięcioliterowy kod, w którym poszczególne pozycje oznaczają ściśle określone cechy i funkcje stymulatora. Często używa się wersji skróconej, składającej się z 3 pierwszych liter, opisujących najważniejsze funkcje stymulatora. W przeszłości najczęściej wszczepiano stymulatory typu VVI. Obecnie rzadko się je stosuje ze względu na utratę synchronii skurczów przedsionków. Może to powodować tzw. zespół stymulatorowy, w którym występuje skurcz przedsionków przy zamkniętych zastawkach przedsionkowo-komorowych, co skutkuje zmniejszeniem rzutu serca. Prowadzi to do objawów, takich jak: omdlenia, zawroty głowy, męczliwość, uczucie dławienia w gardle. Bardziej fizjologiczne są typy AAI, VDD, DDD. W wyjątkowych sytuacjach (np. terapia resynchronizacyjna w niewydolności serca) prowadzi się stymulację dwukomorową, wtedy lewa komora jest stymulowana przez elektrodę umieszczoną w żyle wieńcowej (poprzez zatokę wieńcową). Dzięki odpowiedniemu zaprogramowaniu urządzenia można przywrócić synchroniczny skurcz pomiędzy wolną ścianą lewej komory i przegrodą międzykomorową, co poprawia wydajność pracy lewej komory [2, 6].

Zastosowanie
Z zasady stymulatory serca (ICP) stosuje się u chorych z zaburzeniami automatyzmu i przewodnictwa elektrycznego w mięśniu sercowym, głównie w objawowej bradykardii lub blokach przedsionkowo-komorowych II i III stopnia. Warunkiem koniecznym do implantacji stałego rozrusznika serca jest występowanie zaburzeń rytmu, które cechują się nieodwracalnością, niosą poważne zagrożenia dla życia lub zdrowia pacjenta i powodują dokuczliwe objawy.
Kardiowerter-defibrylator (ICD) jest urządzeniem bardziej skomplikowanym i droższym. Jego działanie polega na dostarczeniu odpowiedniej energii elektrycznej do serca w przypadku groźnych tachyarytmii. Urządzenia te stosuje się w pierwotnej i wtórnej prewencji nagłej śmierci sercowej. W migotaniu komór ICD wykonuje defibrylację wewnątrzsercową, natomiast gdy wystąpi częstoskurcz komorowy, to energia dostarczana do serca jest sprzężona z załamkiem R i taki proces nosi nazwę kardiowersji. Stąd też nazwa urządzenia [2, 7].

Tryb testowy stymulatora
Obecnie produkowane stymulatory pracują na zasadzie ciągłej analizy pracy serca i dopiero po wykryciu zaburzeń rytmu serca zaczynają wysyłać własne impulsy, które ukazują się w elektrokardiogramie w postaci charakterystycznych iglic. Przy prawidłowej pracy serca stymulator nie wysyła impulsów, więc w elektrokardiogramie nie można zobaczyć efektów jego działania. Aby sprawdzić pracę stymulatora, należy wykonać elektrokardiogram po przyłożeniu magnesu nad generatorem impulsów (puszeczka umieszczona podskórnie pod obojczykiem). Uruchamia się wtedy tryb testowy – stymulator pracuje ze stałym, ściśle określonym rytmem, niezależnym od częstości pracy serca. Częstość pracy trybu testowego jest określona w specjalnej karcie stymulatora, którą powinien mieć każdy pacjent z rozrusznikiem serca. Z reguły wykonuje się badania kontrolne co 6 mies., podczas których sprawdza się aktualną częstość testową z tą wpisaną w karcie. Zmniejszenie częstości pracy o ponad 10% oznacza wyczerpywanie się baterii i wiąże się z koniecznością wymiany stymulatora. Przyłożenie magnesu umożliwia również szybkie przerwanie niektórych zaburzeń pracy stymulatora. Magnes umieszczony nad kardiowerterem-defibrylatorem najczęściej wyłącza program przeciwdziałania groźnym tachyarytmiom i wtedy kardiowersja lub defibrylacja nie są możliwe, pozostają natomiast funkcje zwykłego stymulatora. Wszystko powraca do stanu wyjściowego po zdjęciu magnesu [8]. Możliwe typy zaburzeń pracy stymulatora:
• defekt detekcji – nieprawidłowe wykrywanie własnych impulsów elektrycznych: – undersensing – rozrusznik nie wyczuwa pobudzeń pochodzących z serca i mimo prawidłowego rytmu wyzwala impulsy, – oversensing – rozrusznik wyczuwa potencjały zewnątrzsercowe, np. z mięśni szkieletowych, i nie wyzwala impulsów mimo bradykardii,
• blok wyjścia – w zapisie EKG widoczne impulsy stymulatora, które nie prowadzą do depolaryzacji komór (brak zespołów QRS),
• częstoskurcz stymulatorowy – głównie w stymulatorach typu DDI – stymulacja przedsionka przez przewodzone wstecznie ektopowe pobudzenie komorowe wykryte przez rozrusznik i ponowna stymulacja komory – proces ten przerywa magnes przyłożony do generatora impulsów.
• wyczerpanie baterii – objawia się zmniejszeniem częstotliwości testowej wyzwalanej magnesem o ponad 10%,
• do prawie już niespotykanych i niebezpiecznych powikłań stymulacji należy nieoczekiwane przyspieszenie rytmu rozrusznika (rozrusznik zerwany z uwięzi – runaway pacemaker) sięgające 200–400, a nawet 1000 impulsów na minutę – obecnie jedyną praktycznie przyczyną tego zjawiska jest radioterapia bez odpowiedniej osłony generatora. W przypadku ujawnienia się tego zaburzenia trzeba natychmiast przyłożyć magnes nad generatorem, a gdy zabieg ten nie przyniesie korzyści, należy natychmiast chirurgicznie przeciąć elektrodę. Pomimo szybkiej interwencji zaburzenie to jest obarczone dużą śmiertelnością [5, 7, 9, 10],
• specyficzne dla ICD: – nieuzasadnione wyładowania – w przebiegu tachykardii zatokowej, migotania przedsionków, częstoskurczu nadkomorowego, zliczania załamków T, – burze elektryczne – kilka wyładowań w ciągu doby na skutek uporczywie nawracającej arytmii.

Wpływ środowiska zewnętrznego na pracę stymulatorów serca
Obserwowano nieprawidłowe wyładowania ze stymulatora, gdy pacjent znajdował się w pobliżu pracującego silnika lub ciężkiego sprzętu przemysłowego. Prawdopodobnie zaburzenia pracy rozrusznika powstały na skutek oddziaływania promieniowania elektromagnetycznego wytworzonego przez ten sprzęt [11]. Telefony komórkowe również wytwarzają promieniowanie elektromagnetyczne zdolne zaburzyć pracę rozrusznika serca, ze względu na niewielką odległość, w jakiej znajdują się od stymulatora. Z reguły obserwowane zaburzenia pracy rozrusznika były przejściowe, a za bezpieczną uważa się odległość ponad 10 cm od stymulatora – wystarczy więc rozmawiać przez prawe ucho i nie nosić telefonu w pobliżu serca, np. w wewnętrznej kieszeni marynarki [12, 13]. Odnotowano nieprawidłową pracę stymulatorów w pobliżu urządzeń zabezpieczających przed kradzieżą, jakie występują np. w supermarketach w pobliżu kas. Powinno się unikać opierania o nie lub dłuższego przebywania w ich pobliżu. Jeżeli chory przechodzi obok urządzenia normalnym krokiem, jego wpływ jest praktycznie niemożliwy [14, 15]. Z kolei wykrywacze metalu używane m.in. na lotniskach nie zaburzają pracy stymulatorów [16]. Podobnie nie wykazano zakłóceń pracy rozruszników podczas wykonywania zdjęć rentgenowskich i tomografii komputerowej [17], natomiast takie procedury medyczne, jak rezonans magnetyczny, pozytonowa tomografia emisyjna, litotrypsja, radioterapia mają udowodniony wpływ na pracę stymulatorów serca [18–20].

Wpływ radioterapii
Pacjenci poddani radioterapii z akceleratorów liniowych znajdują się pod wpływem dwóch rodzajów promieniowania.

Promieniowanie elektromagnetyczne niejonizujące
Jest to rozchodzące się w przestrzeni zaburzenie pola elektromagnetycznego, o charakterze fali poprzecznej, w której składowa elektryczna i magnetyczna są prostopadłe do siebie i kierunku ruchu oraz nawzajem się przekształcają. Źródłem promieniowania jest drgający lub przyspieszany ładunek elektryczny, czyli w przypadku akceleratorów jest to głównie klystron lub magnetron (urządzenia odpowiedzialne za przyspieszenie ładunku elektrycznego). Największe natężenie tego promieniowania obserwuje się w momencie włączania i wyłączania się przyspieszacza liniowego. Stymulator serca może odbierać zaburzenia pola elektromagnetycznego jako potencjał z mięśnia sercowego, co może skutkować następującymi nieprawidłowościami w pracy tych urządzeń: zaburzeniami detekcji w postaci oversensing, blokiem wyjścia, stymulacją ze stałym rytmem lub bardzo rzadko przeprogramowaniem urządzenia. Na szczęście większość zaburzeń jest odwracalna po wyłączeniu pola elektromagnetycznego. Ciągłe udoskonalanie budowy akceleratorów prowadzi do zmniejszenia emisji promieniowania elektromagnetycznego. Obecnie istnieje tendencja do pomijania wpływu tego promieniowania jako możliwej przyczyny zaburzenia pracy stymulatora serca. Odmienna sytuacja jest z kardiowerterami, które są ok. 5–10 razy czulsze na wpływ zewnętrznego pola elektromagnetycznego. W ich przypadku zaleca się wyłączenie funkcji przeciwarytmicznej przed radioterapią, aby nie doszło do przypadkowego wyładowania w tracie napromieniania [8, 21–25].

Promieniowanie jonizujące
Promieniowanie jonizujące, oddziałując z materią, powoduje powstanie w niej jonów. Dzieli się je na:
• promieniowanie korpuskularne, inaczej cząsteczkowe – w radioterapii wykorzystuje się głównie promieniowanie β (elektrony),
• elektromagnetyczne (fotonowe), do którego zalicza się promieniowanie γ powstające na skutek rozpadu jąder pierwiastków promieniotwórczych lub promieniowanie typu rentgenowskiego powstające w przyspieszaczach liniowych. Wpływ promieniowania jonizującego na pracę stymulatorów jest trudny do oszacowania. Zaburzenia powstają prawdopodobnie na skutek jonizacji metalowych elementów w układach elektronicznych. Nowsze generacje rozruszników cechują się bardziej skomplikowaną budową i wykorzystaniem delikatniejszych układów elektronicznych, co skutkuje ich większą wrażliwością na promieniowanie jonizujące. Ich podzespoły są oparte na krzemie, który pod wpływem promieniowania jonizującego traci elektrony z powłok kowalencyjnych, co może skutkować zaburzeniami w pracy całego układu elektronicznego. Najczęściej obserwowano zmianę częstości pracy urządzenia, ale występowały także zaburzenia w pamięci urządzenia objawiające się przeprogramowaniem lub zresetowaniem ustawionych parametrów (szczególnie w kardiowerterach-defibrylatorach), a nawet całkowite zaprzestanie działania stymulatora. W przeciwieństwie do promieniowania elekromagnetycznego skutki promieniowania jonizującego są często nieodwracalne i podlegają kumulacji. Z tego względu dostępne zalecenia odradzają radioterapię z rozrusznikiem serca w polu napromienianym [8, 26]. Trzeba jednak pamiętać, że nawet jak stymulator znajduje się poza polem napromienianym to może podlegać wpływom promieniowania rozproszonego oraz przecieku promieniowania przez osłony i to powinno się uwzględnić przy planowaniu leczenia [8, 22, 23, 26].

Podsumowanie
Dotychczas uważano, iż pacjenci z rozrusznikiem serca nie stanowią istotnego problemu klinicznego, ponieważ sytuacja dotycząca napromieniania takich chorych zdarzała się rzadko. Jednak wzrost zachorowalności na nowotwory złoś- liwe powoduje konieczność szerszego stosowania radioterapii, również u pacjentów obciążonych kardiologicznie. Obecnie czas przeżycia chorych na nowotwory złośliwe wydłuża się, więc populacja pacjentów ze symulatorem serca będzie coraz częściej obserwowana w leczeniu onkologicznym. Dlatego też stosowanie rozrusznika serca nie powinno ograniczać leczenia przeciwnowotworowego. Planując radioterapię, należy jedynie podjąć większe środki ostrożności i częściej monitorować takich pacjentów, aby zminimalizować ryzyko wystąpienia zaburzeń rytmu serca u chorych z ICP i ICD.

Piśmiennictwo
1. Sundar S, Symonds RP, Deehan C. Radiotherapy to patients with artificial cardiac pacemakers. Cancer Treat Rev 2005; 31: 474-86.
2. Trusz-Gluza M. Zaburzenia rytmu i przewodzenia – elektrostymulacja serca. W: Choroby wewnętrzne. Szczeklik A (red.). Tom I. Medycyna Praktyczna, Kraków 2005; 224-6.
3. O’Connor S, Baker T. Practical Cardiology: An Approach to the Management of Clinical Problems. Via Medica, Gdańsk 2001; 113-9.
4. Fischer W, Ritter P. Cardaic pacing in clinical practice. Springer, New York 1998.
5. Dąbrowska B, Dąbrowski A. Sztuczna stymulacja serca. W: Podręcznik elektrokardiografii. Wydawnictwo Lekarskie PZWL, Warszawa 2005; 221-43.
6. Hayes DL, Zipes DP. Stymulatory serca i kardiowertery-defibrylatory. W: Choroby serca. Braunwald. Tom 2. Braunwald E, Bonow RO, Zipes DP, Libby P. (red.). Banasiak W (red. wyd. pol.). Elsevier Urban & Partner, Wrocław 2007.
7. Braun J, Steirle U. Elektrostymulacja serca. W: Poradnik lekarza praktyka. Braun J (red.). Ścioborski R (red. wyd. pol.). Ossolineum, Wrocław 1999.
8. Solan AN, Solan MJ, Bednarz G, et al. Treatment of patient with cardiac pacemakers and implantable cardioverter-defibrillators during radiotherapy. Int J Radiat Oncol Biol Phys 2004; 3: 897-904.
9. Cardall T, Brady W, Chan T, Perry J. Yilke G, Rosen P. Permanent cardiac pacemakers: issues relevant to the emergency physicians. Part II. J Emerg Med 1999; 17: 697-709.
10. Griffin J, Smithline H, Cook J. Runaway pacemaker: A case report and review. J Emerg Med 2000; 19: 177-81.
11. Crystal RG, Kastor JA, DeSanctis RW. Inhibition of discharge of an external demand pacemaker by an electric razor. Am J Cardiol 1971; 27: 695-7.
12. Hayes DL, Wang P J, Reynolds DW, et al. Interference with cardiac pacemakers by cellular telephones. N Engl J Med 1997; 336: 1473-9.
13. Fetter JG, Ivans V, Benditt DG, Collins J. Digital cellular telephone interaction with implantable cardioverter-defibrillators. J Am Coll Cardiol 1998; 31: 623-8.
14. Mclvor ME, Sridhar S. Interactions between cardiac pacemakers and antishoplifting security systems. N Engl J Med 1998; 339: 1394-5.
15. Groh WJ, Boschee SA, Engelstein ED, et al. Interactions between electonic article surveillance systems and implantable cardioverter-defibrillators. Circulation 1999; 100: 387.
16. Copperman Y, Zarfati D, Laniado S. The effect of metal detector gates on implanted permanent pacemakers. Pacing Clin Electrophysiol 1988; 11: 1386-7.
17. Blamires NG, Myatt J. X-ray effects on pacemaker type circuits. Pacing Clin Electrophysiol 1982; 5: 151-5.
18. Luechinger R, Duru F, Zeijlemaker VA, Scheidegger MB, Boesiger P, Candinas R. Pacemaker reed switch behavior in 0.5, 1.5, and 3.0 Tesla magnetic resonance imaging units: are reed switches always closed in strong magnetic fields? Pacing Clin Electrophysiol 2001; 24: 199-205.
19. Drach GW, Weber C, Donovan JM. Treatment of pacemaker patients with extracorporeal shock wave lithotripsy: experience from 2 continents. J Urol 1990; 143: 895-6.
20. Mouton J, Haug R, Bridier A, Dodinot B, Eschwege F. Influence of high-energy photon beam irradiation on pacemaker operation. Phys Med Biol 2002; 47: 2879-93.
21. Quertermous T, Megahy MS, Das Gupta DS, Griem ML. Pacemaker failure resulting from radiation damage. Radiology 1983; 148: 257-8.
21. Lee RW, Huang SK, Mechling E, Bazgan I. Runaway atrioventricular sequential pacemaker after radiation therapy. Am J Med 1986; 81: 883-6.
23. Last A. Radiotherapy in patients with cardiac pacemakers. Br J Radiol 1998; 71: 4-10
24. Calfee RY. Therapeutic radiation and pacemakers. PACE 1982; 5: 160-1.
25. Piński SL, Trohman RG. Interference with cardiac pacing. Cardiol Clin 2000; 18: 219.
26. Marbach JR, Meoz-Mendez RT, Huffman JK, Hudgins PT, Almond PR. The effects of cardiac pacemakers of ionizing radiation and electromagnetic interference from radiotherapy machines. Int J Radiat Oncol Biol Phys 1978; 4: 1055-8.

Adres do korespondencji
dr med. Ewa Ziółkowska
Oddział Radioterapii I
Centrum Onkologii im. F. Łukaszczyka
ul. I. Romanowskiej 2
85-796 Bydgoszcz
tel. +48 52 374 33 74
e-mail: ziolkowskae@co.bydgoszcz.pl