DE3506791A1 - Herzschrittmacher mit physiologischer steuerung - Google Patents
Herzschrittmacher mit physiologischer steuerungInfo
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Description
B85.2 Seite 5
Die Erfindung betrifft einen Herzschrittmacher der im
5 Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.
Es sind verschiedentlich Versuche unternommen worden, künstliche Herzschrittmacher bezüglich der Stimulationsfrequenz an die augenblicklichen physiologischen Bedürfnisse
des Patienten anzupaßbar auszubilden.
Diese bisherigen Versuche, eine derartige Steuerung der Stimulation in breitem. Maße anzuwenden, scheitern daran,
daß meist nur ein unscharfer Zusammenhang zwischen der verwendeten Meßgröße und der die Herzleistung bestimmenden
Stimulationsrate besteht oder Schwierigkeiten vorhanden sind, geeignete Meßwertaufnehmer zu finden, die für einen
wartungsfreien Betrieb über längere Zeiträume - und insbesondere
zur Implantation in den menschlichen Körper - in Betracht kommen. Zu den bisher zur bedarfsabhängigen
Steuerung herangezogenen physiologischen Meßgrößen gehören die Blutsauerstoffsättigung, die Bluttemperatur und das
QT-Intervall.
Bei den bisher verwendeten Meßgrößen ist eine direkte, patientenindividuelle
Einstellung des Zusammenhangs zwischen Meßgröße und stimulierter Herzfrequenz nicht möglich, da
beim kardiovaskulären Regelsystem des Menschen zwischen den eine körperliche Belastung anzeigenden Parametern und
der daraus resultierrenden Herzleistung komplexe funktionale zeitabhängige Abhängigkeiten zu berücksichtigen sind.
B85.2 Seite 6
Für eine exakte Steuerung entsprechend jedem einzelnen Belastungsfall des Patienten wäre für den patientenindividuellen
Abgleich jedes Mal das Erreichen eines stationären Zustandes erforderlich, um eine definierte Zuordnung
von Steuerparameter und Herzrate zu ermöglichen. Da die zeitliche Belastbarkeit von Patienten aber u.a. wegen der
sich erschöpfenden körperlichen Reserven - insbesondere bei vorhandener Herzkrankheit - zeitlich begrenzt ist,
kann der notwendige stationäre Zustand gar nicht im notwendigen Umfang erreicht werden. Wegen der im übrigen
komplexen physiologischen Zusammenhänge ist die Steuerung der Schrittmacherfrequenz gemäß den bekannten Anordnungen
daher mit erheblichen Abweichungen im Nachführungsbereich der Frequenz behaftet, so daß die physiologische Anpassung
der Stimulationsrate nicht mit der wünschenswerten Zuverlässigkeit gewährleistet ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Steueralgorithmus aus einer physiologischen Größe herzuleiten,
welche einen Zusammenhang zur Herzfrequenz aufweist und somit eine genauere Nachführung der Herzfrequenz entsprechend
den Bedürfnissen des Patienten ermöglicht.
Die Erfindung beruht dabei insbesondere auf der Erkenntnis, daß linksventrikulären systolischen Zeitintervalle
einen funktionalen Zusammenhang mit der Herzfrequenz, d.h. mit dem RR-Abstand aufweisen, so daß eine direkte Verarbeitung
von Zeitbeziehungen möglich ist. Als systolische Intervalle (STI - Systolic Time Intervals) kommen dabei
bevorzugt die Größen PEP (Pre-Ejection Period), LVET (Left Ventricular Ejection Time), der Quotient der vorgenannten
B85.2 Seite 7
Größen und diese Größen gegebenenfalls in Kombination mit
den im Herzen abzuleitenden für die elektrische Systole kennzeichnenden Impulsen in Betracht.
Die Lösung beruht dabei insbesondere auf folgenden Zusainmenhängen:
Die systolischen Zeitintervalle weisen einen im wesentlichen linearen Zusammenhang mit dem RR-Abstand auf. Dieser
Zusammenhang kann für den betreffenden Patienten mit einem einmaligen Durchlaufen des in Betracht kommenden Herzfrequenzbereiches
durch ergonometrische Belastung aufgenommen werden, wobei die Stimulationsrate jeweils auf einen der
Belastung in etwa entsprechenden Wert eingestellt bzw. ein aus einem derartigen Bereich physiologisch günstig erscheinender
Wert ausgewählt und dem entsprechenden physiologischen Zeitintervall in einem digitalen Datenspeicher
zugeordnet wird. Diese Werte bilden Stützstellen bei einer im Betrieb erfolgenden Interpolation.
Entsprechend kann bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung auch bei vorhandenen Spontanaktionen des Ventrikels
- gegebenenfalls separat - eine Zuordnung der jeweiligen systolischen Zeitintervalle zu verschiedenen Spontanfrequenzen
des Herzens festgehalten werden. Die Frequenzwerte lassen sich ebenfalls - gegebenenfalls unter
Berücksichtigung einer die Abweichung der im Herzen vorliegenden physiologischen Verhältnisse zwischen stimulierten
und spontanen Aktionen kompensierenden Größe als Stützstellen bzw. Kontrollgrößen verwenden. Eine Aussage
über eine eventuelle Abweichung der systolischen Interval-
B85.2 Seite 8
le bei Schrittmacherintervention im Vergleich zu Spontanaktionen läßt sich insbesondere beim Übergang von spontanen
zu stimulierten Herzaktionen unter Bezugnahme auf die jeweils letzte Spontanfrequenz erzielen. Dazu wird vorzugsweise
nach Beendigung des Belastungszyklus bei abfallender Herzfrequenz des Patienten der Schrittmacher jeweils
zeitweise im Demand-Betrieb der abfallenden Herzfrequenz derart eng nachgeführt, daß mit der absinkenden
spontanen Herzaktivität in regelmäßigen Abständen im Frequenzraster Stimulationen erzwungen werden, welche das
Herz des Patienten jeweils kurzfristig mit der kurz vorher verlassenen höheren (ehemaligen Spontan-)Frequenz stimulieren.
Auf diese Weise läßt sich für den gesamten in Betracht kommenden Frequenzbereich der funktionale Zusammenhang
mit den systolischen Intervallen bei stimuliertem Betrieb festhalten, so daß für diesen Betriebszustand bei
Ausfall von Spontanaktionen für jeden Betriebsfall erkannt werden kann, ob die augenblickliche Stimulationsfrequenz
den augenblicklichen physiologischen Bedingungen entspricht.
Durch entsprechende Speicherung der systolischen Intervalldaten in der jeweiligen Stimulationsfrequenz zugeordneten
Speicherplätzen kann somit später erkannt werden, welche Stimulationsfrequenz aufgrund der augenblicklichen
physiologischen Bedingungen angestrebt werden sollte.
Die Heranziehung der systolischen Zeitintervalle als physiologische
Steuergröße für die Herzfrequenz enthält noch weitere vorteilhafte Möglichkeiten: Die systolischen Zeitintervalle
beinhalten nämlich nicht nur eine Information
/9
B85.2 Seite 9
bezüglich der augenblicklich physiologisch günstigen Herzrate,
sondern sind außerdem noch von der augenblicklichen Kammerfüllung - und damit vom erzielbaren Schlag- und somit
Minutenvolumen - abhängig. Das sich für eine augenblickliche Stimulationsfrequenz einstellende Zeitintervall
bildet also nicht direkt ein Maß für den augenblicklichen Frequenzbedarf, da bei Stimulation mit einer dieser "physiologisch
korrekten" Frequenz abweichenden Frequenz die Kammerfüllung bei der aktuellen Frequenz das systolische
Zeitintervall mit beeinflußt und somit nur mittelbar auf die einzustellende Zielfrequenz geschlossen werden kann.
Bei einer stufenweisen Annäherung erfolgt eine Approximation an die Zielfrequenz in kleinen Schritten, wobei
sich durch den fortgesetzten Vergleich der Abweichungsrichtung der systolischen Zeitintervalle mit der Änderungsrichtung
eine zusätzliche Kontrolle über die Korrektheit der vorgesehen Änderung ergibt. Eine weitere
Kontrollmöglichkeit ist durch Vergleich der erreichten Zielfrequenz mit den für diese Zielfrequenz festgehaltenen
Absolutwerten der systolischen Zeitintervalle gegeben.
Diese Überlegungen gelten für den Fall, daß keine Spontanaktionen auftreten, welche einen direkten Rückschluß
auf die vom Herzen selbst angestrebte Rate zulassen. Um eine derartige Anpassung zu ermöglichen, ist es günstig,
die Tendenz der auf diese Weise erzielten, den physiologischen Verhältnissen angepaßte Stimulation geringfügig
niedriger zu halten, als die den entsprechenden Verhältnissen zugehörige natürliche Frequenz, da anderenfalls
möglichen Spontanaktionen vielfach durch unnötige Stimulationen vorgegriffen würde.
B85.2 Seite 10
Bei der Ausnutzung aller Möglichkeiten des hier beschriebenen Verfahrens lassen sich insbesondere beim ischämischen
Herzen, bei dem der Zusammenhang zwischen Herzminutenvolumen und -frequenz nichtlinear ist und aufgrund
der vorhandenen Schädigung Schwankungen unterliegt Vorteile erzielen, wobei bestimmte eine gute Kammerfüllung
gewährleistende Herzfrequenzen zu bevorzugen sind.
Während bei Patienten mit intaktem Myokard der Zusammenhang
zwischen systolischen Zeitintervallen und Herzfrequenz angenähert linear ist, ergibt sich im Falle der bei
geschädigtem Myokard nur eine herabgesetzte Kammerfüllung ermöglichenden Frequenzen eine Verschiebung zu kleineren
Intervallen, so daß sich ein "ausgebeulter" Verlauf der resultierenden Abhängigkeit ergibt. Bei Auswahl einer
Stimulationsfrequenz aufgrund der ermittelten systolischen Zeitintervalle sind somit solche Frequenzbereiche zu bevorzugen,
welche bezogen auf eine einen im wesentlichen linearen Verlauf angebenden gedachten Linie möglichst
große absolute LVET-Werte aufweisen. Bei Veränderung der stimulierten Frequenz aufgrund sich ändernder Intervalle
wäre unter Berücksichtigung der zuvor beschriebenen schrittweisen Annäherung erst eine solche Intervalländerung
abzuwarten, die zu einem neuen Frequenzwert führt, der ebenfalls eine günstige Kammerfüllung erwarten läßt.
Derartige "günstige" Stimulationsraten könnten aber auch in anderer Weise bevorzugt asgwählt werden. Dabei ist es
unbenommen, die tatsächlich ausgeführte Stimulationsfrequenzänderung in kleinen Schritten vorzunehmen und dabei
die oben erwähnten Plausibilitätskontrollen durchzuführen, welche die gewählte Änderungsrichtung und -weite bestäti-
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gen. Praktisch ausgeführt wird eine derartige Steuerung dadurch, daß in dem zugeordneten Datenspeicher diejenigen
Werte für die Stiumlations-Grundrate ersetzt werden durch Daten, die den in diesen Fällen auszuwählenden Frequenzen
zugeordnet sind.
Da die systolischen Intervalle zusätzlichen Schwankungen unterliegen, sind die hier beschriebenen Verfahren bevorzugt
in der Weise als statistisch anzuwenden, daß für eine Änderung der Stimulationsfrequenz bewirkenden Entscheidungen
stets eine Folge von systolischen Zeitintervallen bzw. ein in Zeitabständen aufgenommenes Muster
gewählt wird, bei dem die erhaltenen Werte gemittelt werden, um die Zuverlässigkeit des Verfahrens zu erhöhen. Dabei
können zusätzlich vorteilhafte Maßnahmen statistischer oder digitaler Regelverfahren angewendet werden, wie z.B.
die zeitliche Veränderung der Schrittweite nach Art der Delta-Modulation.
Die Zuverlässigkeit des hier dargestellten Verfahrens läßt sich ohne Schwierigkeit durch die erreichte Konvergenz der
Änderungsschritte abschätzen. Die Sicherheit des Patienten ist in jedem Fall dadurch gewährleistet, daß durch Kontrollmittel,
welche die Änderungsrichtungen und die Zahl der Änderungen bzw. deren Plausibilität kontrollieren,
eine Umschaltung zu einem Betrieb mit fester Grundrate veranlassen.
Das hier beschriebene Verfahren läßt sich auf in verschiedenen Modes arbeitende Schrittmacher anwenden, wobei der
Einkammerschrittmacher zunächst bevorzugt wird. Bei einem
/12
B85.2 Seite 12
Wechsel von der ventrikulären zu AV-sequentiellen Stimulation
ist zu berücksichtigen, daß in beiden Fällen wegen des unterschiedlichen Grads der Kanunerfüllung bzw. der
vom Stimulationsmode abhängigen systolischen Intervalle getrennte funktionale Abhängigkeiten zu berücksichtigen
sind, die in seperaten Speichern festgehalten werden müssen. Da im übrigen die Verhältnisse analog sind, kann
- jeweils bezogen auf einander entsprechende Stimulationsfrequenzen - beliebig von einem Mode zum anderen gewechseit
werden, wenn die Verhältnisse es erfordern.
Die automatische Anpassung der Stimulationsfrequenz läßt sich durch Programmierung bezüglich der in Betracht kommenden
Frequenzgrenzen beeinflussen. Bei der automatischen Adaption entsprechend einem "Selbstlernvorgang", der auch
ohne Durchlaufen eines Belastungszyklus unter Beaufsichtigung eines Arztes aufgrund der sich bei der normalen Tätigkeit
Belastungsänderungen möglich ist, würde der Steuerbereich für stimulierte Frequenzen demjenigen
angepaßt, der jeweils unter Auftreten von Spontanaktionen durchlaufen wurde.
Die Funktion des auf die dargestellte Weise frequenzgesteuerten Schrittmachers wäre für den behandelnden Arzt
bei Ausnutzung der Möglichkeiten der Zweiweg-Kommunikation jederzeit ohne weiteres einsichtig. Günstigerweise ist dazu
bei der externen Kommunikationseinheit ein LCD-Display vorzusehen, auf dem sich die funktionale Abhängigkeit von
den systolischen Zeitintervallen und Stimulationsfrequenz (RR-Abstand), in den innerhalb des Schrittmachers gespeicherten
Werte graphisch darbietet. Die Grad der sich hier
B85.2 Seite 13
ergebenden Linearität der erfaßten Abhängigkeiten bei einem oder mehreren Belastungszyklen in der der oben angegebenen
Weise, geben dem Arzt in anschaulicher Weise Aufschluß über die Möglichkeiten des hier beschriebenen
Verfahrens im Hinblick auf den jeweiligen Patienten. Durch Berücksichtigung von Krümmungen des sich darbietenden
funktionalen Zusammenhangs lassen sich extern in entsprechenden dazu reservierten Speicherplätzen Vorzugsfrequenzen
manuell programmieren, welche dem Arzt für den bestimmten Anwendungsfall günstig erscheinen. Durch die individuelle
Programmierbarkeit der funktionalen Abhängigkeit von Stimulationsfrequenz als Grundrate bei der Demandfunktion
oder auch bei einem Schrittmacher ohne diese Eigenschaft kann verschiedensten Krankheitsbildern Rechnung
getragen werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der
Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
Figur 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Herzschrittmachers,
Figur la ein Detail des Blockschaltbilds gemäß Figur 1,
Figur 2 ein Kommunikationsteil für die externe Abfrage und Steuerung des Schrittmachers durch den Arzt,
Figur 3 einen akustischen Meßwertaufnehmer in vergrößerter Wiedergabe im Schnitt.
B85.2 Seite 14
Das in Figur 1 wiedergegebene Blockschaltbild des Ausführungsbeispiels
enthält einen konventionellen programmierbaren Atrium- und/oder Ventrikel-Schrittmacher mit Demand-Funktion.
Die entsprechenden Ein- und Ausgänge zur Verbindung mit der Atrium- bzw. Ventrikel-Elektrode sind mit "A"
und "V" gekennzeichnet. Der Betriebszustand des Steuerbausteins 1 für die Grundfunktionen des Schrittmachers wird
durch eine Schalteinheit 2 für die Betriebszustände (Modes) des Schrittmachers bestimmt, welche über externe
Programmiermittel mittels einer Kommunikationseinheit 3 beeinflußbar ist. Durch die Schalteinheit 2 lassen sich
also verschiedene Betriebszustände (WI-, DAT-, DDD-Mode etc.) einstellen. Die bei den bisherigen multiprogrammierbaren
Schrittmachern von außen einstellbare Grundrate oder Interventionsfrequenz läßt sich bei dem hier dargestellten
Schrittmacher durch externe Programmierung in den Betriebszustand "Physiologische Steuerung" durch im Körper
aufgenommene Signale selbsttätig den Bedürfnissen des Patienten anpassen.
Als Besonderheit enthält der hier dargestellte Steuerbaustein somit einen Anschluß fmin zur Beeinflussung der
Grundfrequenz. Die übrigen in Figur 1 wiedergegebenen Baugruppen sind ebenfalls in dem implantierbaren Gehäuse
des Schrittmachers zusammengefaßt.
Die Grundrate, d.h. das Escape-Intervall, beginnend mit einer vorangegangenen stimulierten oder spontanen Atriumbzw.
Ventrikelaktion und endend mit dem Zeitpunkt, in dem bei ausfallender Spontanaktion im Atrium- bzw. Ventrikel
stimuliert wird, ist durch die übrige dargestellte An-
B85.2 Seite 15
Ordnung veränderbar. Die Steuerung erfolgt in Abhängigkeit von innerhalb des Körpers des Patienten akustisch aufgenommenen
Signalen, den linksventrikulären systolischen Intervallen. Diese Signale werden mittels eines Mikrofons 4
aufgenommen, welches als Körperschallempfänger ausgebildet ist und bevorzugt einen piezokeramischen Schallwandler
enthält. Die Einzelheiten eines zur Ausführung der Erfindung geeigneten Schallaufnehmers werden anhand von Fig. 3
näher dargestellt. Das Ausgangssignal des Schallaufnehmers wird einem Verstärker zugleitet, welcher eine Ausfilterung
der relevanten Frequenzbereiche vornimmt und einen Ausgangssignal abgibt, wenn Signale der ausgewählten Frequenzen
für einen vorgegebenen Mindestzeitraum anstehen. In Betracht kommen vorzugsweise Frequenzen, wie sie bisher
zur phonokardiologischen Untersuchung der systolischen Intervalle hernagezogen wurden.
Das Ausgangssignal der Stufe 5 wird einem Intervalldiskriminator 6 zugeleitet, welcher - gestartet durch die Vorderflanke
eines ersten Eingangsimpulses - die Zeitdauer bis zu einem nachfolgenden Impuls ermittelt, wobei jeweils
durch den ersten eingehenden Impuls ein Zurücksetzen erfolgt und die Auswertung auf ein vorgegebenes Zeitfenster
begrenzt ist, nach deren erfolglosem Ablauf erneut ein Zurücksetzen der Meßeinrichtung vorgenommen wird. Erscheinen
jedoch zwei aufeinanderfolgende Impulse innerhalb des Zeitfensters, so wird der zeitliche Abstand der Vorderflanken
als digitales Signal ausgegeben und einem Mittelwertspeicher 7 zugeführt, welcher aus einer Anzahl von
aufeinanderfolgenden Zeitintervallwerten einen Mittelwert bildet und diesen Mittelwert festhält.
B85.2 Seite 16
Der Mittelwert wird bei einem Wechsel der eingestellten Betriebsart des Schrittmachers (auch durch externe Programmierung)
oder aber durch einen Wechsel des Stimulationszustandes (Übergang vom Betrieb mit Herzeigenaktion zum
stimulierten Betrieb zurück etc.) zurückgesetzt, so daß eine Mittelwertbildung der aufeinanderfolgenden systolischen
Intervalle nur für gleichartige Betriebszustände erfolgt.
Das Ausgangssignal des Mittelwertspeichers 7 wird in einem Adressdecoder übertragen, wobei die vom Decoder ausgewerteten
Adressen durch die gewählte Digitalisierung entsprechend der kleinsten Stufung der Digitälwerte gequantelt
ist, so daß die Auflösung der aufzuwertenden Zeitinterval-Ie
jeweils die Differenz zweier benachbarter Speicheradressen bildet. Der Adressdecoder bewirkt noch zusätzlich
insofern eine Umformung der Ausgangssignal des Summenspeichers 7, als daß von den digitalen Eingangswerten der Minimalwert
eines aufzuwertenden systolischen Zeitintervalls subtrahiert und gegebenenfalls zusätzlich die Adresse des
Speicherplatzes (innerhalb eines größeren Speicherbereiches) addiert wird. Der in Figur 1 dargestellte Speicher 9
ist matrixartig organisiert, wobei durch die systolischen Zeitintervalle die Spalten adressiert werden, während
durch einen vom Betriebsratenspeicher 2 beeinflussten weiteren Adressendecoder 10 die Zeilen des matrixartig organisierten
Speichers adressiert werden. Auf diese Weise wird erreicht, daß jeweils die systolischen Zeitintervalle
nur für gleichartige Betriebszustände (Spontanaktionen, ventrikuläre oder AV-sequentielle Stimulation) festgehalten
werden. Beim Übergang vom einen in den anderen Be-
B85.2 Seite 17
triebszustand wird der Mittelwertspeicher 7 über seinen
"Resef-Eingang gelöscht und mit der Mittlung neu begonnen.
Der Speicher 9 wird bei einer Ausführung des Speichers mit kommerziell erhältlichen RAM-Elementen so ausgeführt sein,
daß die Decoder 8 und 10 verschiedene Adressleitungen ansteuern, wobei beide Adressensignale eine gemeinsame binäre
Adresse bilden, so daß die Adressenansteuerung mit derjenigen üblicher Mikroprozessorsysteme übereinstimmt. Die
bei den adressierten Speicherwerten vorhandene Grundrate wird mit einem Grundratenspeicher 11 übertragen, in den
sie als Pufferspeicher übernommen werden, wobei dieser im
Grundratenspeicher enthaltene Wert die minimale Stimulationsfrequenz für die Schrittmacherschaltung festlegt.
Auf diese Weise wird in Abhängigkeit von den ermittelten systolischen Zeitintervallen und der augenblicklichen Betriebsart
des Schrittmachers eine minimale Stimulationsrate vorgegeben, welche den ermittelten systolischen Intervallen
physiologisch entspricht. Durch die vorgenommene Tabellierung einer - wie nachfolgend zu beschreiben ist vorher
patientenindividuell ermittelten Abhängigkeit ist die Steuerung unabhängig von weiteren die systolischen
Zeitintervalle beeinflussenden physiologischen Abhängigkeiten, sofern diese mit der Grundrate zusammenhängen.
Wenn sich nämlich die ermittelten Intervall ändern, so wird nach und nach eine Veränderung der Grundrate erfolgen,
wobei das zur Einleitung der Veränderung aufgenommene Intervall nicht derjenigen Intervallzeit zu entsprechen
braucht, welche zu der einzustellenden Zielfrequenz ge-
B85.2 Seite 18
hört. Sofern die"bis zum Erreichen der Zielfrequenz zu berücksichtigende
Änderung der Intervalle nicht das Vorzeichen wechselt. Hiermit wird die dargestellte Steuerung bei
festgestellten Abweichungen die Stimulationsfrequenz (bedingt auch durch die Arbeitsweise des Mittelwertspeichers
7) langsam zu der neuen physiologisch bedingten Stimulationsfrequenz hinführen, wobei die im Verlaufe der Annäherung
zu laufenden weiteren Intervalländerungen das Erreichen der endgültigen Zielfrequenz nicht stören, wenn
der Zusammenhang zwischen aufgenommenem Zeitintervall und
zugehöriger Schrittmacherrate eindeutig ist. Der Pufferspeicher für die Grundrate wird jeweils durch ein Signal
"Auswertung" aktiviert, welches vom Mittelwertspeicher 7 abgeleitet wird und den Eingang eines neuen systolischen
Intervallwertes signalisiert. Bei diesem Betrieb wird davon ausgegangen, daß sämtliche Frequenzwerte im Speicher 9
durch die Kommunikationseinheit 3 von außen übertragen wurden, wobei die Kommunikationseinheit den Schrittmacher
über ein Steuerteil 13, welches der externen Programmierung unterliegt, in den Zustand "Auslesen" setzt, so daß
jeweils bei der Adressierung durch die systolischen Zeitintervalle der im Speicher 9 vorhandene zugehörige Wert
gelesen wird.
Bei einer Betriebsart, die durch das Steuerteil 13 über den Ausgang "Aut" gekennzeichnet wird, erfolgt bei Vorhandensein
von Eigenaktionen (entsprechender Ausgang des Schrittmacherteils 1) ein Betrieb mit selbsttätiger Speicherung,
der zu bestimmten systolischen Intervallen gehörigen
Spontanfrequenz in den Speicher 9, so daß diese Signale bei später wieder notwendig werdender Stimulation
B85.2 Seite 19
mit herangezogen" werden können. Der Abstand zwischen zwei
aufgenommenen gleichartigen Spontanktionen im Herzen (innerhalb eines physiologisch vertretbaren Bereichs) wird
in diesem Fall vom Schrittmacherteil 1 in den Grundratenspeicher 11 übertragen und in den jeweils adressierten
Speicherplatz eingelesen, der in diesem Fall über den Betriebsartenadressierer 2 Eigenaktionen zugeordnet ist. Dabei
wird der Eingang "Speichern" des Speichers 9 über den Ausgang "Aut" des Steuerteils 13 und das Ausgangssignal
"Eigenaktionen" 1 des Schrittmachers mittels eines UND-Gatters 14 verknüpft und der Eingang "Speichern" des
Speichers 9 über ein ODER-Gatter 15 angesteuert.
Vom Schrittmacherteil 1 wird weiterhin aufgrund der dort aufgenommenen Signale aus dem Herzen eine Tachycardie-(bzw.
Extrasystolen-) und Störungserkennung durchgeführt, die mittels einer entsprechenden Baugruppe 15 verarbeitet
wird. Bei Auftreten von entsprechenden Zuständen erfolgt eine Sperrung der Verarbeitung der Ausgangssignale des
Mittelwertspeichers 7 über den invertierenden Eingang eines in den entsprechenden Ausgang des Mittelwertspeichers
7 eingefügten UND-Gatters 16. Gleichzeitig wird über ein zusätzliches ODER-Gatter in der Rücksetz-Leitung des
Mittelwertspeichers 7 dessen Zurücksetzen in den Ausgangszustand veranlaßt.
Bei der zuvor dargestellten Einspeicherung der aktuellen systolischen Intervalle bei Spontanaktionen erfolgt die
Steuerung aufgrund der abgespeicherten Werte bei der Stimulation unter der Kontrolle eines zusätzlich vorgesehenen
Rechners 12, der ausgelöst durch ein neues im Herzen auf-
/20
B85.2 Seite 20
genommenes Intervallsignal, die zugehörige Grundrate im Speicher 11 aufgrund zusätzlicher Informationen und über
die Kommunikationseinheit 3 eingegebener Vorgaben zusätzlich verändern kann, wobei Zugriff auf den Speicher 9 besteht.
Diese Veränderung besteht insbesondere in der Anbringung eines Korrekturwertes, welcher bei der Steuerung
der Grundrate des Schrittmachers unter Stimulationsbedingungen und Auswertung der entsprechenden Intervalle bei
Spontanaktionen, die sich aufgrund der Änderung dieser Bedingungen für das Herz ergebenden änderung der systolischen
Intervalle berücksichtigt. Weiterhin kann eine Interpolation oder ein Ausgleich bei sich ergebenden Frequenzsprüngen
bei benachbarten Speicherplätzen ausgeglichen werden. Außerdem lassen sich über die Kommunikationseinheit
3 programmierte Grenzwerte 18 für die Stimulationsfrequenzen vorgeben, welche bei der Nachführung der
Grundrate des Schrittmachers nicht überschritten werden. Der entsprechende Grenzwertspeicher wird vom Rechner gelesen
und bei Überschreitung des entsprechendes Wertes durch die Steuerung aufgrund der systolischen Intervalle eine
Korrektur des im Grundratenspeicher 11 übernommenen Frequenzwertes bewirkt.
In Figur la ist der aus den Bausteinen 4 bis 7 bestehende Eingangsteil der Schaltung im Detail wiedergegeben. Dabei
besteht die im Mikrofon 4 nachgeschaltete Verarbeitungsgruppe aus einem Eingangsverstärker 51 zur Heraufsetzung
der Eingangssignale, einem Filter 52 zur Ausfilterung der für die systolischen Zeitintervalle charakteristischen
Frequenzbereiche, einem Schmitt-Trigger 53, einem Gleichrichter und Siebglied 53, der Umwandlung der Frequenzsig-
/21
B85.2 Seite 21
nale in Impulse einer Polarität, einem Schmitt-Trigger als
Schwellwertdiskriminator und einem Impulsformer 55 zur Umwandlung
der Vorderflanke des Ausgangsimpulses der Schaltung 54 in einen kurzen Steuerimpuls.
5
5
Der Zeitauswertungsteil 6 besteht aus einem monostabilen Multivibrator 61, dem das Ausgangssignal aus der Stufe 5
mittels eines Verzögerungsgliedes 62 um einige Millisekunden verzögert zugeleitet wird. Die Impulsdauer des monostabilen
Multivibrators entspricht der maximal auszuwertenden systolischen Intervalldauer. Bei nicht gesetztem
Monoflop 61 gelangt das Eingangssignal über ein UND-Gatter 63, dessen weiterer (invertierender) Eingang mit dem Ausgang
des Monoflops 61 verbunden ist, zu dem "Setz"-Eingang eines Flip-Flops 64, welches über seinen Q-Ausgang ein
UND-Gatter 65 freigibt, so daß ein vom einem Taktsignalgeber 66 erzeugtes Impulssignal zu dem entsprechenden
Eingang eines Zählers 67 gelangt, so daß der Zähler entsprechend der abgelaufenen Zeit aufwärts zählt.
Der das systolische Intervall beendende Impuls gelangt bei gesetztem Monoflop 61 über ein UND-Gatter 68 und ein ODER-Gatter
69 zum Rücksetzeingang des Flip-Flops 64, so daß der Zählvorgang unterbrochen wird. Einige Millisekunden
verzögert wird vom Ausgang des UND-Gatters 68 her über ein Verzögerungsglied 70 der Eingang "Auslesen" des Zählers 67
aktiviert, so daß der ermittelte Zählerstand in den nachfolgenden Mittelspeicher 7 überführt wird. Nach Ablauf der
Impulsdauer des Monoflops 61 wird nach Umsetzung der Rückflanke in einen Steuerimpuls in einem Impulswandler 72
über ODER-Gatter 73 und 74 das Flip-Flop 64 und der Zähler
B85.2 Seite 22
67 zurückgesetzt", ohne daß ein Auslesen erfolgt. Mittels
eines weiteren Monoflops 74, das in die "Setz"-Leitung des
Flip-Flops 64 eingefügt ist, wird eine Auswertung der systolischen Zeitintervalle in schnellerer Folge als es der
normalen Herzrate entspricht, verhindert, da ein UND-Gatter 75 im Eingang des Monoflops über seinen invertierenden
Eingang gesperrt ist, solange dessen Impuls nicht abgeklungen ist. Die Impulsdauer des Monoflops 74 entspricht
dabei dem maximalen zu verarbeitenden RR-Abstand der entsprechenden
Herzfrequenz.
Der Mittelwertspeicher 7 enthält einen Arithmetikteil 75, der die bisher erfaßten systolischen Intervalle (hier:
LVET) mit schwerpunktmäßiger Berücksichtigung der letzten fünf Ereignisse ausmittelt und diesen Wert festhält.
Bei Änderung des Betriebszustands bzw. einem Übergang vom stimulierenden Betrieb zu Ruhezustand des Schrittmachers
bei vorhandenem Sinusrhythmus wird der Arithmetikteil 75
des Mittelwertspeichers gelöscht, so daß mit den nachfolgend aufgenommenen systolischen Intervallen erneut mit der
Mittelwertbildung begonnen wird. Ein Auslesen aus dem Mittelwertspeicher erfolgt mit der Erfassung jeweils eines
neuen Mittelwertes, nachdem dieser verarbeitet wurde. (Ausgang: Ansteuerung Rechner und Aktivierung der Ausgabe
des Artihmetikteil). Um die Häufigkeit der Veränderung der Stimulationsfrequenz zu verringern, kann hier aber auch
eine Herabsetzung der Schaltfrequenz durch Herunterteilen erfolgen. Ein Zähler 76 sperrt mittels eines nachgeschalteten
UND-Gatters 77 die Ausgabe von ermittelten Intervallwerten nach einem Wechsel des Betriebszustands, da
der Zähler in diesem Fall zurückgesetzt wird (Eingang
B85.2 Seite 23
"Reset") und er ein das UND-Gatter 77 durchschaltendes Ausgangssignal erst dann abgibt, wenn der Zählerstand >^ 5
ist.
Bei der zuvor dargestellten Einspeicherung der aktuellen systolischen Intervalle bei Spontanaktionen erfolgt die
Steuerung aufgrund der abgespeicherten Werte bei der Stimulation unter der Kontrolle eines zusätzlich vorgesehenen
Rechners 12, der ausgelöst durch ein neues im Herzen aufgenommenes Intervallsignal, die zugehörige Grundrate im
Speicher 11 aufgrund zusätzlicher Informationen und über die Kommunikationseinheit 3 eingegebener Vorgaben zusätzlich
verändern kann, wobei Zugriff auf den Speicher 9 besteht. Diese Veränderung besteht insbesondere in der Anbringung
eines Korrekturwertes, welcher bei der Steuerung der Grundrate des Schrittmachers unter Stimulationsbedingungen
und Auswertung der entsprechenden Intervalle bei Spontanaktionen, die sich aufgrund der Änderung dieser Bedingungen
für das Herz ergebenden Änderung der systolisehen Intervalle berücksichtigt. Weiterhin kann eine Interpolation
oder ein Ausgleich bei sich ergebenden Frequenzsprüngen bei benachbarten Speicherplätzen ausgeglichen
werden. Außerdem lassen sich über die Kommunikationseinheit 3 programmierte Grenzwerte 18 für die Stimula-
tionsfrequenzen vorgeben, welche bei der Nachführung der
Grundrate des Schrittmachers nicht überschritten werden. Der entsprechende Grenzwertspeicher wird vom Rechner gelesen
und bei Überschreitung des entsprechendes Wertes durch die Steuerung aufgrund der systolischen Intervalle eine
Korrektur des im Grundratenspeicher 11 übernommenen Frequenzwertes bewirkt.
/24
B85.2 Seite 24
In Figur la ist der aus den Bausteinen 4 bis 7 bestehende Eingangsteil der Schaltung im Detail wiedergegeben. Dabei
besteht die im Mikrofon 4 nachgeschaltete Verarbeitungsgruppe aus einem Eingangsverstärker 51 zur Heraufsetzung
der Eingangssignale, einem Filter 52 zur Ausfilterung der für die systolischen Zeitintervalle charakteristischen
Frequenzbereiche/ einem Schmitt-Trigger 53, einem Gleichrichter und Siebglied 53, der Umwandlung der Frequenzsignale
in Impulse einer Polarität, einem Schmitt-Trigger als Schwellwertdiskriminator und einem Impulsformer 55 zur Umwandlung
der Vorderflanke des Ausgangsimpulses der Schaltung 54 in einen kurzen Steuerimpuls.
In Figur 2 ist in der Draufsicht ein Steuerteil 200 für die externe Programmierung und Kontrolle für die Hand des
Arztes wiedergegeben. Auf dem Display 201 in der linken Bildhälfte wird die funktionale Abhängigkeit der Herzfrequenz
in Abhängigkeit von den zu erfassenden systolischen Intervallen dargestellt, wobei die Wiedergabe jeweils für
verschiedene Betriebszustände getrennt (oder überlagert) vorgenommen wird. Die Darstellung entspricht den im
Speicher 9 des Schrittmachers festgehaltenen Werten, wobei entweder ein fester funktionaler Zusammenhang vorgegeben
werden kann, oder aber die für die im implantierten System ermittelten systolischen Intervalle einzuhaltenden Stimulationsfrequenzen
aufgrund der bei vorhandenem Sinusrhythmus aufgefundenen Werten errechnet werden. Auch lassen
sich bei vorbestimmten Bereichen der Werte der systolischen Intervalle bevorzugt einzuhaltende Stimulationsfrequenzen
einprogrammieren sowie Differenzen der Frequenzen welche zu Intervallwerten bei unterschiedlichen Betriebs-
/25
B85.2 Seite 25
arten gehören, um diese Korrekturwerte beim Wechsel des
Modes etc. heranziehen zu können. Die Verarbeitung der Herz- und Stimulationsfrequenzen erfolgt in Form des
(reziproken) RR-Intervalls, um hinsichtlich der Verarbeitung
Proportionalität zu den erfaßten Intervallzeiten zu erhalten und inverse Zusammenhänge zui vermeiden.
Der in Figur 3 dargestellte Schallempfänger läßt sich
sowohl im Schrittmacher selbst als auch in der im Herzen verankerten Elektrode unterbringen. Er enthält einen einseitig
eingespannten Piezowandler 301, der über ein mechanisches Koppelelement 302 mit einer eine das Gehähse bzw.
die Wandung 303 abschließenden Membran 304 in Verbindung steht.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel.
Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich
anders gearteten Ausführungen Gebrauch machen. Insbesondere beschränkt sich die Ausführung nicht auf die Realisierung
mit diskreten logischen Baugruppen, sondern läßt sich vorteilhaft auch mit programmierter Logik - vorzugsweise
unter Verwendung eines Mikroprozessors - realisieren.
- Leerseite -
Claims (12)
- BIOTRONIK Meß- und Therapiegeräte 19. Februar 1985 GmbH & Co Ingenieurbüro Berlin
D-1000 BerlinB85.2 ·Herzschrittmacher mit physiologischer SteuerungAnsprüchel/ Herzschrittmacher mit Steuerung mittels eines innerhalb des Körpers unabhängig von elektrischen Herzpotentialen aufgenommenen Parameters,dadurch gekennzeichnet,/2B85.2 Seite 2daß die Bezugsgröße für die Steuerung der Stimulationsrate durch linksventrikuläre systolische Zeitintervalle gebildet wird, welche mittels eines Schallaufnehmers aus dem Herzen abgeleitet werden.
5 - 2. Herzschrittmacher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß als systolisches Zeitintervall mindestens eine der Größen LVET, PEP oder deren Quotient ausgewertet wird.
- 3. Herzschrittmacher nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein, insbesondere piezokeramisches, Körperschallmikrofon zur Signalaufnahme mit dem implantierbaren Schrittmacher mechanisch verbunden ist.
- 4. Herzschrittmacher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Mikrofon Filter und Zeitselektionsglieder und/oder Mittelwertspeicher nachgeschaltet sind.
- 5. Herzschrittmacher nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Mikrofon im Schrittmachergehäuse bzw. innerhalb einer mit dem Schrittmacher verbundenen im Herzen zu verankernden Elektrode vorgesehen ist.B85.2 Seite 3
- 6. Herzschrittmacher nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein, insbesondere digitaler, Signalspeicher zum Festhalten von Signalen als Zusammenhang der aufgenommenen Intervallwerten und der Herzrate vorgesehen ist.
- 7. Herzschrittmacher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß der Inhalt des Speichers auch durch externe Programmittel veränderbar ist.
- 8. Herzschrittmacher nach Ansprüche 7, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Speicher für verschiedene Betriebszustände (Modes) des Schrittmachers getrennt versciedene funktionale Zusammenhänge festgehalten sind.
- 9. Herzschrittmacher nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Datenspeicher die Werte in tabelierter Form enthält, wobei eine der Veränderlichen mindestens mittelbar die Adresse für dienenigen Speicherplätze bildet, welche die zugehörigen Datenwerte der anderen Veränderlichen enthalten.
- 10. Herzschrittmacher nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vorbestimmte Bereiche der erreichbaren Stimulationsfrequenzen durch externe Programmierung eingrenz- bzw. auswählbar sind./4B85.2 Seite 4
- 11. Herzschrittmacher nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingrenzung bzw. Auswahl in der Weise erfolgt, daß die Werte derjenigen Stimulationsfrequenzen, die nicht erreicht werden sollen, bei den zu den zugeordneten Speicheradressen, durch die statt dessen einzunehmenden Frequenzwerte ersetzt werden.
- 12. Herzschrittmacher nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung aufgrund der systolischen Intervaller bei der Erkennung von Extrasystolen, bei Tachycardie und/oder externen Störungen unterbrochen wird.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |