DE3107128C2 - Regelschaltung zur Anpassung der Stimulationsfrequenz eines Herzschrittmachers an die Belastung eines Patienten - Google Patents

Regelschaltung zur Anpassung der Stimulationsfrequenz eines Herzschrittmachers an die Belastung eines Patienten

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Description

Bs* = ASo2{4)/ASo2max
gewonnen werden und daß diese Regelgrößen in der Weise zur Regelung der Herzschrittmacher-Stimulationsfrequenz herangezogen werden, daß sie in Komparatoren (21, 22) mit vorgegebenen Grenzwerten Λ1 und/42 verglichen werden, wobei im Falle, daß die Beziehung \Bsx\ > A\ erfüllt ist, nach jedem Zeitintervall At\, in dem diese Beziehung erfüllt ist, die Herzschrittmacher-Stimulationsfrequenz um eine vorgegebene Frequenzdifferenz Af\ erhöht wird, wenn das Vorzeichen der Regelgröße Bs\ negativ ist, die Herzschrittmacher-Stimulationsfrequenz hingegen um die Frequenzdifferenz Af] erniedrigt wird, wenn das Vorzeichen der Regelgröße Bs 1 positiv ist, und wobei im Falle, daß die Beziehung |ßsi| < A\ erfüllt ist, im Rahmen einer optimierenden weiteren Regelung die Herzschrittmacher-Stimulationsfrequenz um eine Frequenzdifferenz Ah erhöht oder erniedrigt wird, wobei diese Änderung Af2 der Herzschrittmacher-Stimulationsfrequenz nur dann aufrechterhalten wird, wenn im Falle der Frequenzerhöhung innerhalb eines darauffolgenden Zeitintervalls Au die Beziehung 5.94 > A2 oder im Fall einer Frequenzerniedrigung innerhalb eines darauffolgenden Zeitintervalls Au die Beziehung Bs* > — A2 erfüllt ist.
2. Regelschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Integrator (9) aufweist, der bewirkt, daß die Meßgröße S02 den Mittelwert mehrerer über einen jeweils vorgegebenen Zeitraum erfaßter Meßsignale darstellt, wobei dieser Zeitraum vorzugsweise kleiner als At\ oder kleiner als Au bemessen ist.
3. Regelschaltung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Fehlererkennungsschaltung (26) aufweist, die feststellt, ob die von der Meßwerterfassung aufgenommenen Werte ASo2{5) größer sind, als ein physiologisch möglicher Grenzwert A1, und die IiIr diesen Fall die Weiterverarbeitung der Werte verhindert bzw. bei langerfristigem Auftreten die Stimulationsfrequenz auf einen Fest-
wert Z0 umschaltet.
4. Regelschaltung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Programmsteuerung (2) aufweist, die die Meßwerterfassung unmittelbar vor oder nach Aussenden eines Stimulationsimpulses bzw.nach Empfangeines Erkennungssignales bei Herzeigenerregung startet.
5. Regelschaltung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Steuerschaltung (25) aufweist, die bewirkt, daß die Frequenzänderungen Af2 häufiger eine Absenkung der Herzschrittmacher-Stimulationsfrequenz mit sich bringen, wenn die Herzschrittmacher-Stimulationsfrequenz oberhalb eines vorgegebenen Wertes /0 Hegt, und daß die Frequenzänderungen Af2 häufiger eine Erhöhung der Herzschrittmacher-Stimulationsfrequenz herbeiführen, wenn die Herzschrittmacher-Stimulationsfrequeiiz unterhalb der Frequenz f0 liegt.
Die Erfindung betrifft eine Regelschaltung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine derartige Regelschaltung ist aus der DE-OS 27 17 659 bekannt.
Die Erfindung dient dem Ziel, bei Herzschrittmacherpatienten den Sauerstoffbedarf des Körpers über den Blutkreislauf dadurch optimal zu decken, daß sich die Schlagfrequenz des Herzens wie im natürlichen Fall den jeweiligen Belastungsverhältnissen anpaßt, wobei die optimale hämodynamische Situation vom Schrittmacher selbst gefunden wird.
Es ist bereits bekannt, beim Herzschrittmacher die Schrittmacherfrequenz über eine Messung der zentralvenösen Sauerstoffsättigung zu steuern und so den jeweiligen Belastungsverhältnissen anzupassen (DE-OS 27 17 659). Dabei wird die Messung der Blutsauerstoffsättigung mit Hilfe einer Lichtleitersonde durchgeführt, die in den Stimulationskatheter eingebaut ist. Das dabei verwendete Meßprinzip der Refiexionsoximetrie beruht auf der Bestimmung der Reflexionsintensitäten von Licht der Meßwellenlänge von 660 nm (R 660) und der Referenzwellenlänge von ca. 800 nm (R 800) im Blut.
Die Berechnung des Meßwertes S02, der dann als Regelgröße dient, erfolgt dadurch, daß die in einem Meßempfänger aufgenommenen zeitsequentiell eintreffenden Meßimpulse fW) und P8oo entsprechend der Lichtwellenlänge getrennt und in zwei Abtast- und Haltegliedem gleichgerichtet werden und das so erhaltene Meßsignal Z?66o durch Division mit dem Referenzsignal /?«<» normiert wird, also
•S02 ~
Weiterhin ist es aus der DE-OS 21 13 247 bekannt, daß die Regelung der Frequenz entsprechend einer festen Zuordnung der Schrittmacherfrequenz f zum jeweils ermittelten Meßwert der Sauerstoffsättigung Sm geschieht, also:
wobei /;„,■„ < f <, f„m.
b5 Die Werte für k, fmw und /„,.„ müssen vor der Implantation lest eingestellt werden.
Die nach dem in der DIi-OS 27 17 (i59 iingcgcbeiien Prinzip ausgeführten Herzschrittmacher zeigen eine
Reihe von Nachteilen, die einem klinischen Einsatz derartiger Schrittmacher bisher im Wege stehen:
1. Das Meß- und Regelprinzip, insbesondere die Auswertung des Meßsignals als Regelgröße, erfordert eine Eichung vor der Implantation und verträgt keine Veränderungen auf der optischen und elektrischen Übertragungsstrecke, die eine Beeinflussung des Meßsignals verursachen. Dazu kann es komrr'en durch:
— Ablagerungen auf der Lichtöffnung am Katheter,
— Materialveränderungen an der Lichtübertragungsstrecke,
— Veränderungen an den optischen oder elektrischen Koppelstellen,
— Drift der elektronischen Schaltungselemente.
2. Die Steuerung der Schrittmacherfrequenz in Abhängigkeit von der Sauerstoffsättigung nach einer fest vorgegebenen Kennlinie kann sich nachteilig auswirken, wenn bei Fortschreiten der kardialen Grunderkrankung eine Änderung der Beziehung Herzleistung zu Herzfrequenz eintritt. Durch zu starkes Anheben der Frequenz kann es dann sogar zu einer Verschlechterung der Hämodynamik kom-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Regelschaltung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu schaffen, bei der die Regelgrößen derart aus der Meßgröße abgeleitet und normiert werden, daß sie gegen Störungen, insbesondere gegen Störungen infolge von alterungsbedingten Veränderungen an der Meßvorrichtung einschließlich den Zuleitungen gesichert sind, und die eine optimierte Anpassung der hämodynamischen Verhältnisse im Blutkreislauf an die jeweilige Belastung des Patienten ermöglicht.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß mit Hilfe von Speichern mit nachgeschalteten Differenzbildnern die Änderung ASo2[\) der Meßgröße S02 in ersten aufeinanderfolgenden kurzen Zeitintervallen Au (Sekunden, Minuten), ferner die Änderung ASo2m im zweiten aufeinanderfolgenden kurzen Zeitintervallen Au (Sekunden, Minuten) und die maximale Änderung ASo2max des Meßwertes S02 in aufeinanderfolgenden langen Zeitintervallen Ata (Stunden, Tage) ermittelt werden, daß aus den ermittelten Änderungen mit Hilfe von DiWdierern die normierten Regelgrößen
Bs
gewonnen werden und daß diese Regelgrößen in der Weise zur Regelung der Herzschrittmacher-Stimulationsfrequenz herangezogen werden, daß sie in Komparatoren mit vorgegebenen Grenzwerten A\ und A2 verglichen werden, wobei im Falle, daß die Beziehung |ß.vi| > A\ erfüllt ist, nach jedem Zeitintervall At\, in dem diese Beziehung erfüllt ist, die Herzschrittmacher-Stimulationsfrequenz um eine vorgegebene Frequenzdifferenz Af\ erhöht wird, wenn das Vorzeichen der Regelgröße Bs 1 negativ ist, die Herzschrittmacher-Stimulationsfrequenz hingegen um die Frequenzdifferenz Jf\ erniedrigt wird, wenn das Vorzeichen der Regelgröße ßsi positiv ist, und wobei im Falle, daß die Beziehung \Bs\\ < Ai erfüllt ist, im Rahmen einer optimierenden weiteren Regelung die Herzschrittmacher-Stimulationsfrequenz um eine Frequenzdifferenz ζ/Λ erhöht oder erniedrigt wird, wobei diese Änderung Af2 der Herzschrittmacher-Stimulationsfrequenz nur dann aufrechterhalten wird, wenn im Falle der Frequenzerhöhung innerhalb eines darauffolgenden Zeitintervalls Au die Beziehung Bs* > A2 oder im Fall einer Frequenzerniedrigung innerhalb eines darauffolgenden Zeitintcrvalls Au die Beziehung Bs 4 > A2 erfüllt ist.
Die angegebene Regelgrößennormierung
Bs = ASo2IASo-imax nutzt dabei die Tatsache, daß der
ίο Körperkreislauf ein autonomes Regelsystem darstellt, das die maximale Schwankungsbreite der Blutsauerstoffsättigung innerhalb bestimmter Zeitspannen (z. B. Tageszyklus) begrenzt. Diese übergeordnet geregelte maximale Schwankungsbreite der Blutsauerstoffsättigung erscheint bei funktionierendem Meßsystem in der Größe ASo2nwx< die dann als (physiologischer) Referenzwert zur Normierung der kurzfristigen von Einzelbelastungen abhängigen Schwankungsbreite dient.
Die vorgeschlagene Regelung der Stimulationsfrequenz erzielt dadurch eine optimale Anpassung der hämodynamischen Verhältnisse im Blutkreislauf an die jeweilige Belastung des Patienten, weil eine Erhöhung der Schlagfrequenz nur so lange aufrechterhalten wird, wie sie eine Erhöhung des Herzminutenvolumens und damit eine Verbesserung der Blutzirkulation bewirkt, was in der Regel zur Folge hat, daß die zentralvenöse Sauerstoffsättigung einen höheren Wert hat als ohne Frequenzanhebung.
In einer Ausbildung der Regelschaltung sind zur verbesserten Lösung der Aufgabenstellung vorgesehen:
— ein Integrator, der Meßgrößenschwankungen in Zeiträumen kleiner als At\ oder Au — etwa durch Wirbelbildung in der Blutströmung oder durch Widerstandsänderungen der Zuleitungen bedingt -durch Mittelwertbildung ausgleicht,
— eine Fehlererkennungsschaltung, die Meßgrößenschwankungen z/So2(5), die größer sind als ein physiologisch möglicher Grenzwert A 3 — etwa infolge fehlerhafter Reflexion an der Herzwand bzw. den Trabekeln —, unterdrückt bzw. bei längerfristigem Auftreten die Stimulationsfrequenz auf einen Festwert/O umschaltet,
— eine Programmsteuerung, die Meßgrößenschwankungen infolge Pulsation der Blutströmung dadurch reduziert, daß die Meßwerterfassung unmittelbar vor oder nach Aussenden des Stimulationsimpulses bzw. nach Empfang eines Erkennungssignals bei Herzeigenerregung startet,
so — eine Steuerschaltung, die bei der optimierenden Regelung häufiger eine negative Frequenzänderung — Af2 bewirken, wenn die Stimulationsfrequenz oberhalb der festen Stimulationsfrequenz /Ό liegt bzw. häufiger eine positive Frequenzänderung + Af2, wenn die Stimulationsfrequenz unterhalb der Frequenz /Ό liegt, um — wie im natürlichen Fall — eine Tendenz zur mittleren Ruhefrequenz zu erzielen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in folgendem näher beschrieben. Es zeigt
l· i g. 1 die Anordnung eines Herzschrittmachers mit Stimulationskatheter und Meßsonde zur Reizung des Herzmuskels,
F i g. 2 das Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels des Herzschrittmachers.
F i g. 3 das Diagramm des zeitlichen Verlaufs der Sti-
mulationsfrquenz in Abhängigkeit von der zentralvenösen Blutsauerstoffsättigung.
Gemäß F i g. 1 enthält der Herzschrittmacher WS den Stromversorgungsteil Ba, den elektronischen Schaltungsteil Sch und die zweipolige elektrische Kupplung EK. In der Kupplung EK ist der zweipolige elektrische Stecker £"5 des Stimulationskatheters K festgeschraubt. Der Katheter führt über die obere Hohlvene HVm den rechten Vorhof R V'und dann in die rechte Herzkammer RHK, so daß dort von der Meßsonde M die Blutsauerstoffsättigung gemessen und durch die Stimulationselektrode £der Herzmuskel //gereizt wird.
In Fig.2 sind als Blockschaltbild die wichtigsten Funktionen des erfindungsgemäßen Herzschrittmachers dargestellt. Dabei kennzeichnen die gestrichelt eingerahmten Felder die übergeordneten Funktionseinheiten, und zwar bedeuten
I Katheter,
II Katheter-Ansteuerung,
III Meßwert-Auswertung,
IV Frequenzregelung,
V Programmsteuerung.
Gemäß Fig. 2 liefert ein festfrequenter Taktgenerator 1 die Zeitbasis für eine Programmsteuerung 2, die alle Meß- und Regelvorgänge der Schrittmacherschaltung steuert.
Die Programmsteuerung startet in Abhängigkeit von einem durch einen Stimulationsfrequenzgeber 3 vorgegebenen Zeitcode die Aussendung des Stimulationsimpulses durch einen Stimulationspulsgeber 4 über eine Stimulationselektrode 5 sowie direkt anschließend die Messung der Blutsauerstoffsättigung über die Meßsonde M mit der Meßsonden-Ansteuerung 7. Das Meßsignal wird im Signalwandler 8 verstärkt und bei Einsatz einer digitalen Meßwertverarbeitung in digitale Form umgewandelt. Ein Integrator 9 bildet den Mittelwert der Meßsignale über einen vorgegebenen Zeitraum. Die Speicher 10 bis 15 übernehmen den integrierten Signalwert, und zwar die Speicher 10 und 11 abwechselnd im Zeitraum Av, und die Speicher 12 und 13 abwechselnd im Zeitraum Au. Im Maximalwertspeicher 14 wird der in einem vorgegebenen Zeitbereich Ato höchste eintreffende Meßsignalwert gespeichert und im Minimalwertspeicher 15 der jeweils niedrigste Wert.
Im Differenzbildner 16 wird die Meßwertdifferenz ASo2 zwischen dem neuen und dem jeweils vorhergehenden Meßsignal in Speicher 10 bzw. Speicher 11 festgestellt und im Differenzbildner 17 die Meßwertdifferenz zwischen Inhalt von Speicher 12 bzw. 13. Im Differenzbildner 18 wird der maximale Meßwertschwankungsbereich
— So2min —
ermittelt, so daß das im Dividierer 19 und 20 ermittelte Verhältnis von kurzzeitiger Meßwertschwankung zum maximaien Schwankungsbereich jeweils eine normierte Regelgröße ßs ergibt:
in der Frequenzregelung IV stellt ein Komparator 21 fest, ob die zeitliche Änderung der normierten Meßgröße Bs; größer oder kleiner als ein vorgegebener Wert + A, bzw. — y4| ist.
In der folgenden Stimulationsfrequenzsteuerung 23 wird im Fall Bs\ < — A\ eine Änderung der Stimulationsfrequenz um einen positiven Wert + Af\ und im Fall Bsi > + A] um einen negativen Wert — Ai] bewirkt und das Vorzeichen der Änderung im Speicher 24 abgespeichert. Im Fall — A\ < S6, < + A1 wird nach einem fest vorgegebenen Zeitintervall At·, automatisch eine Änderung der Stimulationsfrequen/. Ah in der Frequenzsteuerung 23 veranlaßt, wobei das Vorzeichen der Änderung entgegengesetzt dem im Speicher 24 festgehaltenen Wert ist, solange die Tendenzsteuerung 25 keine Vorzeichen-Wiederholung bewirkt. Nach dem vorgegebenen Zeitintervall Au beurteilt der Komparator 22, ob die Änderung der Meßgröße Bsi größer als ein fester Wert A2 bzw. kleiner als — A2 ist, worauf die vorausgegangene Frequenzänderung entweder rückgängig gemacht wird oder bleibt.
Die Fehlererkennungsschaltung 26 vergleicht das von der Meßwertauswertung aufgenommene Signal mit zulässigen Grenzwerten und verhindert bei Überschreiten der Grenzwerte die Weiterverarbeitung der Meßwerte bzw. setzt bei längerfristiger Überschreitung dieser Grenzwerte den Stimulationsfrequenzgeber 3 auf Festfrequenz /!ι und schließt über den Schalter 27 die beiden Katheteranschlüsse kurz, wodurch die Messung und Regeiung außer Kraft gesetzt wird.
Im EKG-Verstärker 28 wird die Herzeigenaktivität zwischen den Stimulationen überwacht und über den Komparator 29 im Fall einer Herzeigenerregung die Stimulation durch den Impulsgeber verhindert. F i g. 3 zeigt die Regelung der Herzschrittmachcr-Stimulationsfrequenz i\n Abhängigkeit von der Belastung des Patienten, dargestellt durch den Zusammenhang im zeitlichen Verlauf des Meßwertes der Blutsauerstoffsättigung S02, dessen Veränderungen pro Zeiteinheil Ah und Au, sowie der dadurch bewirkten Änderung der Frequenz f.
Bei Beginn der Belastungsphase BP sinkt die zentralvenöse Sauerstoffsättigung S02, d. h. ihre Änderung pro Zeiteinheit Ati bezogen auf eine maximale Schwankungsbreite ASo2mux zwischen den Grenzwerten Smm,n und So2mmergibt einen negativen Wert für Bsi. Ist dieser kleiner als — A\ folgt innerhalb des Zeitintervalls At2 automatisch eine Frequenzänderung um + Af]. Erreicht dagegen die Sauerstoffsättigung S02 in der Beiastungsphase ßPeinen gewissen Gleichgewichtszustand, so daß der Wert von Bs 1 zwischen — A] und + A] pendelt, beginnt die Optimalregelung, und zwar im Sinne einer besseren Sauerstoffversorgung zuerst immer mit einer positiven Frequenzänderung 4- ///2 nach At$. Bewirkt dieses + Ah eine Erhöhung des S02-Wertes innerhalb der Zeiteinheit Au und ist dieser Wert — bezogen wieder auf ASoim-dK — größer als ein Festwert + A2, dann bleibt die Frequenzänderung und veranlaßt aufgrund des positiven Ergebnisses zugleich nach weiteren Al·, eine erneute Frequenzerhöhung um Af2. Ergibt dies keine positive 5o2-Änderung, ist also nach Au der ßi-4-Wert kleiner als + A2, wird die Frequenzänderung rückgängig gemacht. Beginnt dann die Ruhepause RP, und steigt der ß.si-Wert über den Festwert + A\, so folgt automatisch eine negative Frequenzänderung — Af] so lange, bis Bs 1 wieder kleiner ist als + A]. Dann setzt erneut die Optimalregelung mil einer positiven Frequenzänderung + Af2 nach At5 ein und wiederholt dies so oft, wie nach Au der B.94-Wert größer ist als + A2, also eine Verbesserung der Sauerstoffsättigung S02 erfolgt.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:
1. Regelschaltung zur Anpassung der Stimulationsfrequenz eines Herzschrittmachers an die Belastung eines Patienten, bei der eine der zentralvenösen Blutsauerstoffsättigung im Herzen entsprechende Meßgröße 5o2 nach dem Prinzip der Reflexionsoximetrie ermittelt und als Regelgröße für die Herzschrittmacher-Stimulationsfrequenz verwendet wird, wobei die Meßgröße S02 in aufeinderfolgenden kurzen Zeitintervallen At ermittelt und der ermittelte Wert zwecks Normierung gespeichert wird, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe von Speichern (10 bis 15) mit nachgeschalteten Differenzbildern (16 bis 18) die Änderung ASq2(X) der Meßgröße So2 in ersten aufeinanderfolgenden Kurzen Zeitintervallen At\, ferner die Änderung ASonf,·) der Meßgröße So2 in zweiten aufeinanderfolgenden kurzen Zeitintervallen Au und die maximale Änderung ASo2(max) der Meßgröße S02 in aufeinanderfolgenden langen Zeitintervallen Ato ermittelt werden, daß aus den ermittelten Änderungen mit Hilfe von Dividieren (19,20) die normierten Regelgrößen
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