WO1992005836A1

WO1992005836A1 - Anordnung, insbesondere herzschrittmacher, zur erfassung eines messparameters der herzaktivität

Info

Publication number: WO1992005836A1
Application number: PCT/EP1991/001897
Authority: WO
Inventors: Roland Heinze
Original assignee: Siemens-Elema Ab; Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 1990-10-04
Filing date: 1991-10-04
Publication date: 1992-04-16
Also published as: EP0551355B1; US5500006A; DE59102970D1; JPH06501177A; EP0551355A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung, insbesondere Herzschrittmacher, mit einer Meßeinrichtung zur Erfassung eines Meßparameters der Herzaktivität. Um die Meßparameter so zu erfassen, daß sie von Störsignalen befreit werden und damit zur Bewertung der physiologischen Funktionen des Herzschrittmachers genutzt werden können, enthält die Anordnung Schaltmittel, die den Signalverlauf einesMeßparameters während eines Herzzyklus (n+1) abhängig von der Frequenz (f) bzw. Dauer (ts) des vorhergehenden Herzzyklus (n) bewerten.

Description

Anordnung, insbesondere Herzschrittmacher, zur Erfassung eines Meßparameters der Herzaktivität

Die Erfindung betrifft eine Anordnung, insbesondere Herzschrittmacher, mit einer Meßeinrichtung zur Erfassung eines Meßparameters der Herzaktivität.

In der internationalen Patentanmeldung WO 89/06990 wird beschrieben, wie es mit Hilfe periodischer Wechsel der Stimulationsfreguenz, der gleichzeitigen Erfassung eines dem Herzminutenvolumen proportionalen Meßparameters und entsprechenden Verrechnungsverfahren möglich ist, eine häraodynamische Optimierung der Freguenzregelung durchzu¬ führen. Wesentlich bei dieser Meßmethode ist aber, daß die Frequenzänderungen über Zeitabstände erfolgen, die nicht nur eine Reaktion des Herzmuskels sondern eine Reaktion des ganzen kardiovasculären Regelsystems zur Folge hat und daß diese Reaktion Voraussetzung für die angestrebte Optimierung des Freguenzbereiches der Stimulationsfrequenz ist.

In der EP-A-O 140 472 wird die Regelung der Stimulationε- frequenz abhängig von Änderungen des Sσhlagvolumens des Herzens vorgeschlagen, wobei diese Änderungen mit Hilfe der Impedanzmessung bestimmt werden. Die Veröffentlichung enthält jedoch keinen Hinweis darauf, wie mit Hilfe der aus dem Impedanzsignal gewonnenen Meßwerte das Schlag¬ volumen quantifiziert werden kann. Außerdem ist nicht angegeben, wie die individuellen Unterschiede der Pro¬ portionalität zwischen dem Wert des gemessenen Impedanz¬ signals und dem Grad der Belastung kompensiert werden können.

In der DE-A-35 33 597 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem die Stimulationsfrequenz mit einer dem Schlagvolumen

ERSATZBLATT proportionalen Meßgröße geregelt wird. Die Regelkennlinie der Stimulationsfrequenz als Funktion des Schlagvolumens wird dabei selbständig dadurch ermittelt, daß bei maxi¬ maler Belastung die Frequenz so eingestellt wird, daß das Produkt aus Frequenz und Schlagvolumen ein Maximum wird. Nachteil dieser Methode ist, daß der maximale Belastungs¬ zustand durch einen zweiten Meßparameter detektiert oder extern eingegeben werden muß und daß auch kein Hinweis gegeben wird, wie die Störanfälligkeit des Impedanzsignals kompensiert wird, so daß das derartige Verfahren auch keine praktische Anwendung gefunden hat.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, vorrangig in Verbindung mit Herzschrittmachern, Meßparameter der Herzaktivität so zu erfassen, daß sie von Störsignalen befreit werden, und damit zur Bewertung der physiolo¬ gischen Funktionen des Herzmuskels insbesondere zur Bestimmung von Änderungen des Herzzeitvolumens genutzt werden können.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt entsprechend den in den Ansprüchen angegebenen Merkmalen.

Im Gegensatz zu den bisherigen in der Schrittmachertechnik benutzten passiven Entstörmethoden wie Frequenzfilterung wird hierzu eine Methode der aktiven Störaustastung angewandt, um den Einfluß von Drift, Sensitivitätsände- rung, Linearitätsänderung und Mehrfachsensitivität zu unterdrücken. Dabei handelt es sich im Prinzip darum, durch gezielte Modulation nur des zu untersuchenden Phäno¬ mens, etwa nach zeitlichen Kriterien, bei der anschließen¬ den Demodulation die nicht spezifischen Signalanteile herauszufiltern. Das Schrittmacherprinzip bietet dazu die besten Voraussetzungen, da alle Meßparameter der Herz- aktivität von der Frequenz des Herzens abhängen und so mit dem Stimulationspuls gezielt modulierbar sind.

ERSATZBLATT Das erfindungsgemäße Konzept nutzt diese Tatsach in der Weise, daß der Signalverlauf eines Meßparameters M während eines Herzpulses n+1 abhängig von der Frequenz f bzw. Dauer t_s des vorhergehenden Herzpulses n analysiert wird und daß bei Änderung von f um Δf bzw. von _s um Δt_s die Meßwertänderung M zwischen den Meßwerten M(n) und M(n+1) abhängig vom Grad der Frequenzänderung Δf bzw. Δt_s zwi¬ schen den zwei Pulsen bewertet wird, wobei im Stimu- lationsfall Meßwertänderungen AM, die durch gezielte Änderungen der Stimulationsfrequenz f hervorgerufen wurden, analysiert werden.

Ist prinzipiell die Abhängigkeit eines Meßparameters M von dem Grad der Frequenzänderung Δ f physiologisch genau definiert, können alle nicht vom Frequenzwechsel A f abhängigen störenden Signalanteile mit Hilfe frequenz- wechelbezogener Auswertung nach den bekannten, einfachen Auswerteverfahren wie Differenz-, Quotienten- und Mittel- wertbildung eliminiert werden.

Damit kann z.B. der physiologische Tatbestand ausgenutzt werden, daß Änderungen der Pulsfrequenz etwa durch Verkür¬ zung oder Verlängerung des Pulsabstandes t_s zwischen zwei Stimulationspulsen eine Beeinflussung der diastolischen Füllungsphase dieses Herzpulses n und dadurch des Verlaufs der systolischen Austreibungsphase während des nächsten Pulses n+1 bewirken.

Wendet man das Prinzip der frequenzwechselbezogenen Signalauswertung z.B. bei der Analyse von intrakardialen Impedanzmessungen an, deren Nutzung bisher wegen der hohen Störanfälligkeit der Meßmethode mißlang, gelingt es, Veränderungen des Schlagvolumens so störungsfrei zu bewerten, daß mit Hilfe der ausgewerteten Signale u.a. die Stimulationsfrequenz belastungsabhängig geregelt werden

ERSATZBLAT kann und/oder die Stimulationsfrequenz hämodynamisch optimiert werden kann und/oder eine Tachykardiedetektion durchgeführt werden kann.

Zur Erläuterung der Erfindung wird im folgenden auf die Figuren der Zeichnung bezug genommen? im einzelnen zeigen FIG. 1 den Verlauf des Elektrokardiogramms und den zuge¬ hörigen Verlauf des Ventrikelvolumens bei einem Frequenzwechsel, FIG. 2 das Blockschaltbild eines Herzschrittmachers, bei dem mit Hilfe des Frequenzwechsels ein belastungs¬ abhängiger Meßparameter erfaßt und zur Frequenz¬ steuerung des Herzschrittmachers herangezogen wird, FIG. 3 in einem Diagramm den Verlauf des Schlagvolumenε eines normalen Herzens in Abhängigkeit von der Herzschlagfrequenz bei unterschiedlichen Bela¬ stungsstufen, FIG. 4 das Blockschaltbild eines Herzschrittmachers mit hämodynamischer Optimierung der Stimulations¬ frequenz und FIG. 5 das Blockschaltbild eines Herzschrittmachers mit Mitteln zur Erkennung tachykarder Zustände des Herzens

FIG l zeigt im oberen Teil den Signalverlauf eines Elek¬ trokardiogramms EKG über zwei aufeinander folgende Herz¬ zyklen n und n+1 und darunter den dazugehörigen Verlauf des Volumens V der beiden Ventrikel eines Herzens. Der Verlauf des Ventrikelvolumens V ist hier durch exponen- tiell verlaufende Kurvenabschnitte vereinfacht darge¬ stellt. Beim Auftreten des den Herzzyklus n einleitenden QRS-Komplexes im EKG beginnt die systolische Phase, in der sich der Herzmuskel zunächst anspannt und anschließend bis auf ein Restvolumen zusammenzieht, wobei das Blut aus den Ventrikeln ausgetrieben wird. Die Länge der systolischen Phase ist hier mit t_so bezeichnet. Am Ende der T-Welle des EKGs beginnt die diastolische Phase, in der sich die

ERSATZBLATT Ventrikel entspannen und sich anschließend bei exponen- tiell verlaufender Vergrößerung des Ventrikelvolumens V wieder füllen. Die Dauer der systolischen Phase, die durch den nächstfolgenden Herzschlag beendet wird, ist mitΔt_so bezeichnet, so daß für die Dauer t_g des mit n bezeichneten Herzzyklus gilt: _s = t_so +Δt_SQ.

Das Schlagvolumen SV_n des ersten Herzzyklus n kann, wie FIG 1 verdeutlicht,näherungsweise durch die Gleichung SV_n = SV_maχ . (1 - exp - (6t_SQ/T)) beschrieben werden, wobei SV_maχ das sich aufgrund der gegebenen Belastung des Patienten bei einer maximalen Dauer des Herzzyklus ergebende Schlagvolumen ist und wobei T die von der Kontraktilität des Herzmuskels abhängige Zeitkonstante für den Anstieg des Ventrikelvolumens V in der diastolischen Phase ist. In die oben stehende Gleich¬ ung für das Schlagvoluraen SV_n gehen zwei Parameter, nämlich sv^_j. und T ein, die sich durch Änderung der Kontraktilität des Herzmuskels in Abhängigkeit von der physischen und psychischen Belastung des Patienten ändern. Es ist also grundsätzlich möglich, über eine meßtechnische Erfassung des Schlagvolumens SV, wie z.B. die Messung von Änderungen Δ Z der elektrischen Gewebeimpedanz Z im Bereich des Herzens den Belastungszustand des Patienten zu erfassen und beispielsweise zur Frequenzsteuerung eines Herzschrittmachers heranzuziehen. Dabei wird davon ausge¬ gangen, daß die I pedanzschwank igen ΔZ proportional zum Schlagvolumen SV sind. Allerdings ist der schlagvolumenab- hängige Meßparameter, hier also das Impedanzsignal, einer Vielzahl von Störeinflüssen wie z.B. der Atemtätigkeit des Patienten, Bewegungsartefakten, Drif erscheinungen, Sensitivitäts- und Linearitätsänderungen ausgesetzt, die nicht mit der Herztätigkeit korreliern. Zur Eliminierung dieser Störeinflüsse wird, wie im folgenden gezeigt wird, der Meßparameter in Abhängigkeit von der Änderung der Dauer aufeinanderfolgender Herzzyklen n und n+1 bewertet.

ERSATZBLATT Wie FIG. 1 zeigt, ist die Dauer des Herzzyklus n+1 gegen¬ über dem vorangehenden Zyklus n um t_s verlängert, so daß bei unveränderter Dauer der Systole die diastolische Phase des zweiten Herzzyklus n+1 um denselben Berag Δt_s ver¬ längert ist. Bei unveränderter Belastung des Patienten ergibt sich somit für das Schlagvolumen SV_n+1 des zweiten Herzzyklus n+1

^Svn+1 - ^Svmax d - « - (At_βo+Ä_β ^{) )} . Damit ergibt sich für die Änderung A SV(+) des Schlag¬ volumens SV aufgrund der Vergrößerung des Abstands aufein¬ anderfolgender Herzschläge um den Betrag +Δt_g:

ΔSV(₊) = SV_n+1 - SV_n - SV_roaχ exp - (Δt_so/T). (1 - exp - (Δt_s/T)). Bei einer Verringerung der Herzzyklusdauer, also einer Änderung des Abstandes zwischen zwei Herzschlägen um -Δt_s ergibt sich entsprechend für die Änderung ΔSV(-) des Schlagvolumens SV:

SV(-) = Sv_maχ exp - (Δt_so/T).(l - exp (Δt_s/T) . Das Verhältnis der beiden Schlagvolumenänderungen ergibt sich damit zu SV(+)/ΔSV(-) = - exp - (Δt_s/T) und enthält nur noch die belastungsabhängige Zeitkonstante T ohne die störungsbehaftete Größe SV_maχ.

FIG. 2 zeigt das Blockschaltbild eines Herzschrittmachers, bei dem die oben beschriebene Erfassung eines belastungs¬ abhängigen Meßparameters zur Steuerung der Stimulations¬ frequenz herangezogen wird. Der Herzschrittmacher enthält einen Stimulationsimpulsgenerator 1, der an einem Aus¬ gangsanschluß 2 über einen steuerbaren Schalter 3 und eine Elektrodenleitung 4 mit einer im Herzen 5 des Patienten plazierten Elektrode 6 verbunden ist. Der zweite Aus¬ gangsanschluß 7 des Stimulationsirapulsgenerators 1 ist mit dem hier nicht gezeigten Gehäuse des Herzschrittmachers, das als Bezugselektrode dient, verbunden. Der Stimu-

ERSATZBLATT lationsimpulsgenerator 1 ist über eine Steuerleitung 8 mit einer Herzschrittmachersteuerung 9 verbunden, die über die Steuerleitung 8 die Abgabe von Stimulationsimpulsen durch den Stimulationsimpulsgenerator 1 veranlaßt. Ein Herz- schlagdetektor 10 ist zur Detektion von stimulierten oder natürlichen Herzschlägen zwischen der Elektrode 6 und dem Herzschritt achergehäuse mit einem ersten Eingangsanschluß 11 an dem Ausgangaanschluß 2 des stimulationsimpulsgene- rators l und mit einem zweiten Eingangsanschluß 12 an dem Herzschrittmachercjehäuse angeschlossen? ausgangsseitig ist der Herschlagdetektor 10 über eine Signalleitung 13 mit der Herzschrittmachersteuerung 9 verbunden. Die Elek¬ trodenleitung 4 ist über einen weiteren steuerbaren Schalter 14 mit dem ersten Eingangsanschluß 15 eines Meßparometeraufnehmers 16 verbunden, der bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel als Meßparameter die Gewebeimpedanz zwischen der Elektrode 6 und dem Herzschrittmachergehäuse erfaßt, an dem zu diesem Zweck der zweite Eingansanschluß 17 des Meßparameteraufnehmers 16 angeschlossen ist. Der Meßparameteraufnehmer 16 ist über eine Steuerleitung 18 mit dem Herzschlagdetektor 10 und über eine Ausgangs¬ signalleitung 19 mit der Herzschrittmachersteuerung 9 verbunden. Die steuerbaren Schalter 3 und 14 dienen zur Entkopplung des Stimulationsimpulsgenerators 1 und Herz- schlagdetektors 10 einerseits und dem Meßparameterauf- nehmer 16 andererseits, so daß sich diese nicht gegen¬ seitig beeinflussen können. Bei dem gezeigten Aus¬ führungsbeispiel erfolgt die Impedanzmessung zwischen der Elektrode 6 und dem Herzschrittmachergehäuse? es ist aber auch ein Mehrelektrodensystem denkbar, bei dem unter¬ schiedliche Elektroden für die Stimulation, Herzschlag- detektion und Impedanzmessung vorgesehen sind.

Die Funktionsweise des gezeigten Herzschrittmachers ist wie folgt. Die Herzschrittmachersteuerung 9 gibt eine bestimmte, z.B. von außen her programmierbare Frequenz f vor, mit der der Stimulationsimpulsgenerator 1 zur Abgabe von Stimmulationsimpulsen an das Herz 5 veranlaßt wird. Der Frequenz f entspricht der Abstand t_g der einzelnen Stimulationsimpulse mit t_s = 1/f. Mit dem Herzschlagdetek- tor 10 werden sowohl natürliche, als auch stimulierte Herzschläge detektiert. Mit jedem detektierten Herzschlag wird in der Herzsehrittmachersteuerung 9 ein Zeitintervall der Dauer t_g gestartet, nach dessen vollständigem Ablauf die Abgabe eines Stimulationsimpulses veranlaßt wird und das Zeitintervall neu gestartet wird. Wird vor Ablauf dieses Zeitintervalles ein natürlicher Herzschlag detek¬ tiert, so wird das Zeitintervall ohne Erzeugung eines Stimulationsimpulses neu gestartet.

Im Abstand von mehreren Sekunden wird in der Herzschritt¬ machersteuerung 9 der Abstand zwischen zwei aufeinander¬ folgenden Stimulationsimpulsen abwechselnd um den Betrag +Δt_s und den Betrag -Δt_g verändert. Diese vereinzelten Änderungen führen jeweils zu einer sofortigen Reaktion des Schlagvolumens SV wegen der Änderung der diastolischen Füllphase, während der allgemeine Druck im Kreislauf¬ system sich nicht ändert und damit das mittlere Herzzeit¬ volumen unverändert bleibt. Den Änderungen lSV(+) und ΔSV(-) des Schlagvolumens entsprechen Änderungen Δ(ΔZ(+)) und A(ΔZ(-)) der Impedanzschwankungen ΔZ. Die Erfassung der Impedanz mittels des Meßparameteraufnehmers 16 wird über die Steuerleitung 18 mit den detektierten Herz¬ schlägen synchronisiert. Bei einer Verlängerung des Stimulationsimpulsabstandes um t_s wird also zunächst in dem vorangehenden Herzzyklus n die Impedanzschwankung ΔZ_n und danach in dem verlängerten Herzzyklus n+1 die Impe¬ danzschwankung ΔZ_n+1 erfaßt? anschließend wird die Diffe¬ renz beider ImpedanzSchwankungen mitΔ(ΔZ(+)) = iZ_n+1 - ΔZ_n gebildet. Auf dieselbe Weise wird bei einer Verkürzung des Stimulationsimpulsabstandes um Δt_s die Impedanz¬ schwankungsänderung Δ(ΔZ(-)) ermittelt. Von diesen beiden

ERSATZBLATT Werten wird in der Herzsehrittmachersteuerung 9 der Quotient Δ(ΔZ(+) )/Δ(ΔZ(-) ) gebildet, der dem Verhältnis der durch den Stimulationsfrequenzwechsel hervorgerufenen Schlagvolumenänderungen SV(+)/ΔSV(-) = - exp - (Δt_s/T) entspricht und somit, wie oben bereits gezeigt, ein Maß für den Belastungszustand des Patienten darstellt. Der so ermittelte Istwert für die Belastung wird in der Herz- schrittmachersteuerung 9 mit einem Sollwert verglichen, der entweder als konstanter Wert durch eine hier nicht gezeigte äußere Programmiereinheit vorgeben werden kann, oder bei dem es sich um einen von der Frequenz f abhängi¬ gen Wert handeln kann. Aufgrund des Soll- Istwert -Ver¬ gleichs wird die Freguenz f, mit der die Herzschritt¬ machersteuerung 9 den Stimulationsimpulsgeber 1 zur Abgabe von Stimulationsimpulsen veranlaßt, gesteuert.

Im folgenden wird anhand von FIG. 3 und FIG. 4 ein Aus¬ führungsbeispiel im Rahmen der Erfindung zur hämodyna- mischen Frequenzoptimierung bei einem Herzschrittmacher erläutert. Die körpereigene Kreislaufregelung regelt das Herzzeitvolumen HZV in Abhängigkeit von der physischen und psychischen Belastung des Patienten. Das Herzzeitvolumen HZV als Produkt aus der Herzschlagfrequenz f und dem Schlagvolumen SV ist dabei abhängig von der Druckdifferenz Δp und dem peripheren Strömungswiderstand R, d.h. : HZV = SV»f =Δp/R. Dabei reagiert der periphere Strömungswider¬ stand R weitgehend autonom auf die Belastung, indem beispielsweise bei der Aktivierung eines Muskels dessen Blutgefäße sich erweitern und somit eine Reduzierung des peripheren StrömungswiderStandes R bewirken. Der dadurch verursachte kurzfristige Druckabfall wird von entsprechen¬ den Rezeptoren des zentralen Nervensystems aufgenommen und in ein Signal an den Herzmuskel zur Erhöhung des Herzzeit¬ volumens HZV über das Schlagvolumen SV und die Herzschlag- frequenz f umgewandelt. Das Herzzeitvolumen HZV stabili-

ERSATZBLATT siert sich dann im Mittel auf einen der Belastung propor¬ tionalen Wert.

FIG. 3 zeigt in einem Diagramm für ein normales Herz den Verlauf des Schlagvolumens SV in Abhängigkeit von der Herzschlagfrequenz f bei unterschiedlichen Belastungs¬ stufen P. Die Linien konstanten Herzzeitvolumens HZV sind strichpunktiert eingezeichnet. Wie das Diagramm zeigt, gibt es für jeden Belastungszustand P einen Frequenzwert f , ab dem eine weitere Erhöhung der Herschlagfrequenz f keine weitere Erhöhung des Herzzeitvolumens HZV ergibt. In dem Diagramm ist der Bereich, in dem die eine Änderung der Frequenz f so gut wie keine Änderung des Herzzeitvolumens HZV ergibt, schraffiert eingezeichnet. Die große individu- eile Schwankungsbreite der kardialen Leitungsfähigkeit macht es für Herzschrittmacherpatienten erforderlich, die Anpassung der Stimulationsfrequenz an die Belastungs¬ situation derart zu optimieren, daß sich das Herzzeit¬ volumen HZV proportional der Belastung anpaßt und eine Frequenzerhöhung nicht zu einer Erniedrigung des Herzzeit- volumens HZV führt.

Bei der folgenden Erläuterung eines Beispiels zur hämody- namischen Frequenzoptimierung bei einem Herzschrittmacher wird der oben angegebene Tatbestand ausgenutzt, daß die körpereigene Kreislaufregelung bei gleichbleibender Belastungssituation das Herzvolumen HZV annähernd konstant hält, indem ab einem belastungsabhängigen, individuell typischen Frequenzwert fp Erhöhungen Δf der Stimulations- frequenz f durch eine entsprechende Erniedrigung -ΔSV des Schlagvolumens SV kompensiert werden? d.h.: bei konstanter Belastung gilt für f größer fp:

HMV = SV.f = (SV-ΔSV).(f-^f) Damit ergibt sich für die relative Änderung des Schlag- volumens SV die Beziehung:

ΔSV/SV =Δf/(f+Δf). Wie FIG. 1 zeigt, führen Verkürzungen des Impulsabstandes t_s um den Betrag Δt_so dazu, daß in dem zweiten Herzzyklus n+l das Schlagvoluroen SV zu Null wird. Dann gilt für die Änderung ΔSV_Q des Schlagvolumens SV:

4sv₀ = sv_n+1 - sv_n - o - sv_n.

Bei einer gegebenen Stimulationsfrequenz f läßt sich demnach das Schlagvolumen SV dadurch bestimmen, daß mehrmals in Zeitatständen von einigen Sekunden der Abstand zwischen zwei, den Herzzyklus n+l definierenden Stimu¬ lationsimpulsen um einen jedesmal größeren Betrag t_s verkürzt wird und die dadurch hervorgerufene ÄnderungΔSV des Schlagvolumens SV erfaßt wird. Dieser Vorgang wird solange fortgesetzt, so lange SV dabei größer wird. Sobald jedoch für ΔSV ein gegenüber dem vorangegangenen Wert kleinerer Wert ermittelt wird, wird der vorange¬ gangene, d.h. maximale Wert für ΛSV als ΔSV_Q = -SV_n definiert und der Betrag Δt_s, um den der Impulsabstand t_g verkürzt wurde, als -Δt_so definiert. Wie schon bei dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel gezeigt, können die Änderungen ΔSV bzw. ΔSV_Q des Schlagvolumens SV über eine Impedanzmessung im Bereich des Herzens erfaßt werden. Da die ImpedanzSchwankungen ΔZ eine Funktion des Schlag¬ volumens SV sind, kann die oben geforderte Bestimmung von ΔSV/sv = - ΔSV/ΔSV_Q durch das Verhältnis der Änderungen der Impedanzschwankungen Δ(ΔZ)/Δ(ΔZ_Q) ermittelt werden, wobei ΔZ_Q die ImpedanzSchwankungen bei einer Verlängerung des Stimulationsimpulsabstandes umΔt_s ^*-^*** -Δt_so sind.

FIG. 4 zeigt das Blockschaltbild eines Herzschrittmachers, bei dem die oben beschriebene hämodynamische Frequenzop¬ timierung Anwendung findet? dabei sind gleiche Funktions¬ blöcke wie in FIG. 2 mit denselben Bezugszeichen versehen. Der Herzschrittmacher enthält einen Stimulationsimpuls- generator l,der an einem ersten Ausgangsanschluß 2 über einen steuerbaren Schalter 3 und eine erste Elektroden- leitung 4 mit einer im Herzen 5 des Patienten plazierten distalen Spitzenelektrode 6 verbunden ist. Der zweite Ausgangsanschluß 7 des Stimulationsimpulsgenerators 1 ist mit dem hier nicht gezeigten Gehäuse des Herzschritt- machers verbunden. Der Stimulationsimpulsgenerator 1 ist über eine Steuerleitung 8 mit einer Frequenzsteuereinheit 20 verbunden, die Bestandteil einer Herzschrittmacher¬ steuerung 9 ist und den Stimulationspulsgenerator l zur Abgabe von Stimulationsimpulsen mit einer vorgegebenen Frequenz steuert. Die Frequenz ist in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal eines den Belastungszustand des Patienten detektierenden Sensors 21 steuerbar, dessen Ausgangssignal über eine Signalauswerteeinrichtung 22 der Frequenzsteuer¬ einheit 20 zugeführt wird. Zur Detektion von natürlichen und stimulierten Herzschlägen zwischen der Spitzenelek¬ trode 6 und dem Gehäuse des Herzschrittmachers ist ein Herzschlagdetektor 10 mit einem ersten Eingangsanschluß 11 an dem Ausgangsanschluß 2 des Stimulationsimpulsgerators 1 und mit einem zweiten Eingangsanschluß 12 an dem Herz- schrittmachergehäuse angeschlossen. Ausgangsseitig ist der Herzschlagdetektor 10 über eine Signalleitung 13 mit einem Differenz- und Quotientenbildner 23 in der Herzschritt¬ machersteuerung 9 verbunden. Ein Meßparameteraufnehmer 16 ist an seinem ersten Eingangsanschluß 15 über einen weiteren steuerbaren Schalter 14 und die Elektrodenleitung 4 mit der Spitzenelektrode 6 und an seinem zweiten Ein¬ gangsanschluß 17 über eine zweite Elektrodenleitung 24 mit einer von der ersten Elektrode 6 beabstandeten Ringelek¬ trode 25 verbunden. Der Meßparameteraufnehmer 16 dient zur Erfassung der Impedanz zwischen den beiden Elektroden 6 und 25. Der Meßparameteraufnehmer 16 ist ferner über eine Steuerleitung 18 mit dem Herzschlagdetektor 10 und über eine Ausgangssignalleitung 19 mit einer Signalbehandlungs- εtufe 26 der Herzschrittmachersteuerung 9 verbunden. Der Differenz- und Quotientenbildner 23 und die Signalbe¬ handlungsstufe 26 sind ausgangsseitig an einem Differenz- vergleicher 27 angeschlossen, dessen Ausgangssignal einer die Frequenzsteuereinheit 20 steuernden Regelstufe 28 zugeführt ist.

Die Frequenzsteuereinheit 20 veranlaßt den Stimulations¬ impulsgeber 1 zur Abgabe von Stimulationsimpulsen mit einer von dem mit dem Sensor erfaßten Belastungszustand des Patienten abhängigen Frequenz. Dabei wird im Abstand von einigen Sekunden der Abstans zwischen zwei aufein- anderfolgenden Stimulationsimpulsen einmalig um den Betrag Δt_s verkürzt. In dem Meßparameteraufnehmer 16 wird bei einem jeden derartigen Frequenzwechsel die Impedanz im Herzen 5 zwischen den Elektroden 6 und 25 synchron zu den von dem Herzschlagdetektor 10 detektierten Herzschlägen erfaßt und in der Signalbehandlungsstufe 26 die Differenz 1(ΔZ) zwischen den Impedanzschwankungen ΔZ_n bei dem der Änderung vorangehenden Herzzyklus n und den Impedanz¬ schwankungen _n+1 bei dem Herzzyklus n+l mit der verän¬ derten Dauer gebildet. Der Vorgang der einmaligen Impuls- abstandsverringerung wird im Abstand von einigen Sekunden mit einer immer größeren Verkürzung ~Δt_s wiederholt und dabei in der Signalbehandlungsstufe 26 der jeweils neue Wert fürΛ(ΔZ) mit dem zuvor ermittelten Wert verglichen? ist der neu ermittelte Wert größer als der vorangegangene Wert, wird der Vorgang der ImpulsabstandsVerringerung so lange fortgesetzt, bis der neu ermittelte Wert für A(ΔZ) um einen vorgegebenen Betrag kleiner als der zuvor ermit¬ telte Wert ist. Dann wird der zuvor ermittelte Wert für Δ (Δ2> ) als (4Z_Q) definiert und gespeichert.

Ändert die Frequenzsteuereinheit 20 die Stimulationsfre¬ quenz f über längere Zeitabstände (Minuten), weil entweder der Sensor 21 eine Belastungsänderung detektiert oder weil die Freguenzsteuereinheit 20 selbstätig eine Frequenzop- timierung durchführt, dann wird der dadurch bedingte neue Wert von Δ(ΔZ₀)_m+, in der Signalbehandlungsstufe 26 mit dem vor der längerfristigen Frequenzänderung f zuletzt ermittelten Wert ΔCΔZ_Q)^ verglichen und die Differenz Δ(Δ(£Z₀)) beider Werte gebildet? anschließend wird der Quotient Δ( (^ ₀))/.!(ΔZ₀)_m gebildet, der der relativen Änderung Δsv/SV des Schlagvolumens SV aufgrund der Fre¬ quenzänderung Δf entspricht. In dem Differenz- und Quo¬ tientenbildner 23 wird aufgrung des zeitlichen Auftretens der detektierten Herzschläge der Quotient Δf/(f+Δf) gebildet. In dem Differenzvergleicher 27 wird durch Vergleich der Ausgangswerte der Funktionsblöcke 23 und 26 entschieden, ob der Quotient Δ( Δ( Z_Q) ) / A (ΔZ₀)_m, d.h. SV/SV größer oder kleiner als Quotient Δf/(f+Δf) ist und damit, ob die Frequenzänderung Δf zu einer Verbesεerung oder Verschlechterung des Herzzeitvolumens HMV = SV«f geführt hat. In Abhängigkeit von dem Vergleichsergebnis wird die Frequenzsteuereinheit 20 über die Regelstufe 28 so gesteuert, daß Frequenzanderungen Δf, die bei konstan¬ ter Belastung eine Verschlechterung des Herzzeitvolumens HZV bewirken, zurückgenommen werden.

Im folgenden wird schließlich ein Ausführungsbeiεpiel zur Erkennung tachykarder Zustände des Herzens beschrieben. Über die Erfassung des Schlagvolumens SV läßt sich prinzi¬ piell die Effektivität des Herzmuskels bewerten und speziell bei hohen Frequenzen f feststellen, ob die Pulsaktionen des Herzmuskels ineffektiv, d.h. tachykard sind. Die Analyse schlagvolumenabhängiger Meßparameter mit Hilfe kurzer Frequenzwechsel durch Änderung des Impuls¬ abstandes aufeinanderfolgender Stimulationsimpulse ermög- licht die Detektion derartiger tachykarder Zustände. Dazu wird im Rahmen der Erfindung die mit Hilfe eines Herz¬ schlagdetektors detektierte Herzschlagfrequenz durch kurze Frequenzanhebungen Δf_{l r}Δ£₂ , . . . , d.h. kurze Verringerungen Δt_sl, Δt_s2, ... des Abstands t_g aufeinanderfolgender Stimulationsimpulse, moduliert und durch Differenz- und Quotientenbildung bewertet, ob und wie stark sich der

ERSATZBLATT schlagvolumenabhängige Meßparameter in Abhängigkeit von den Frequenzwechseln Δfn, -ü ₂, • • • geändert hat. Liegt die Änderung des sσhlagvolumenabhängigen Meßparameters unter einer vorgegebenen Schwelle, so wird ein tachykarder Zustand detektiert und angezeigt.

Eine verbesserte Analyse kann erreicht werden, indem für mehrere hohe Grundfrequenzen f^, f₂, ••• ein von Ände¬ rungen Δ _llf Δf₁₂ •••# Δ^f21' *^^f22' •** ^{der Grundf e}" quenzen abhängiges Änderungsmuster des schlagvolumen- abhängigen Meßparameters erstellt und gespeichert wird und für eine Vergleichsanalyse zur Detektion einer Tachykardie benutzt wird.2

FIG 5 zeigt ein entsprechendes Ausführungsbeispiel für die Tachykardiedetektion bei einem Herzschrittmacher, wobei im Vergleich zu dem in FIG. 4 gezeigten Herzschrittmacher nur Unterschiede im Aufbau der HerzSchrittmacherSteuerung s bestehen. In der dem Meßparameteraufnehmer 16 nachge- ordneten Auswerteschaltung 29 werden die aufgrund von Änderungen At_s des Stimulationsimpulsabstandes t_s bei zwei aufeinanderfolgenden Herzzyklen n und n+l erfolgten Änderungen Δ(ΔZ) der Impedanzschwankungen ΔZ erfaßt und durch Quotientenbildung ebenso wie bei dem Ausführungsbei- spiel nach FIG. 2 die störbehaftete Größe SV_maχ elimi¬ niert. Die damit bestimmten Werte werden zugehörig zu der von dem Herzschlagdetektor 10 detektierten Herzschlagfre¬ quenz f in einem Speicher 30 festgehalten. Die so gespei¬ cherten Werte werden in einer weiteren Auswertestufe 31 zur Detektion einer Tachykardie mit vorgegebenen, program¬ mierbaren Werten oder mit einem vorher von dem Herz¬ schrittmacher erstellten Wertemuster verglichen. Bei Detektion einer Tachykardie wird eine Funktionseinheit 32 zur Steuerung der Frequenzsteuereinheit 20 im Sinne einer Beendigung der Tachykardie aktiviert.

ERSATZBLATT

Claims

Patentansprüche

1. Anordnung, insbesondere Herzschrittmacher, mit einer Meßeinrichtung zur Erfassung eines Meßparameters (M) der

Herzaktivität, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h Schaltmittel, die den Signalverlauf eines Meßparameters während eines Herzyklus (n+l) abhängig von der Frequenz (f) bzw. Dauer (t_) des vorhergehenden Herzzykluε (n) bewerten.

2. Anordnung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n¬ z e i c h n e t, daß im besonderen die Differenz (ΔM) von zwei aufeinanderfolgenden Meßwerten (Mn) und (M_n+1) nach einer Änderung von (f) um (Δf) bzw. von (t_s) um (Δt_s) zwischen den Pulsen (n-1) und (n) abhängig vom Grad der Frequenzänderung (Δf) bewertet wird.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e- k e n n z e i c h n e t, daß Parameteranderungen ( M) bewertet werden, die durch die von einer Frequenzsteuer¬ einheit (20) gesteuerten definierten Änderungen der Stimulationsfrequenz (Δf) hervorgerufen werden.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß zur Bewertung der Quotient zweier Meßparameteränderungen (ΔM1) und (ΔM2) berechnet wird, die abhängig von unterschiedlichen Puls¬ abstandsanderungen (Δt_sl) und (Δt_g2) gemessen werden.

5. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a- d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß mehrere Bewertungen bei verschiedenen Grundfrequenzen (f_j_, f₂, ...) durchgeführt werden, die über einen längeren Zeitraum bei konstanter Belastung konstant sind, und daß diese Werte frequenzbezogen gespeichert werden.

ERSATZBLATT

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Quotien¬ ten von Änderungen belastungsabhängiger Meßparameter durch Vergleich mit einem gegebenenfalls frequenzabhängigen Sollwert zur Regelung der Stimulationsfrequenz benutzt werden.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche l bis 4, d a - d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Diffe¬ renzwerte (ΔM) eines schlagvolumenabhängigen Meßwertes (M) bei steigendem Wert der Frequenzanderungen (Δf) derart ausgewertet werden, daß eine maximale Meßwertänderung

^(ΔM a > ^{bei Δf}o ^{= 1 4} so detektiert wir^d.

8. Anordnung nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n¬ z e i c h n e t, daß die Differenz von zwei maximalen Meßwertänderungswerten bei zwei unterschiedlichen Grund¬ frequenzen (fl) und (f2) aber gleicher Belastung bezogen auf den Wert (ΔM__aχ) bei der Frequenz (fl) mit dem Quoti¬ enten Δf/(f +Δf) verglichen werden und daß der Ver¬ gleichswert zur hämodynamisehen Optimierung der Frequenz¬ regelung genutzt wird.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß Quotienten verschiedener kurzer Änderungen schlagvolumenabhängiger Meßparameter bei gleicher Grundfrequenz mit gespeicherten Quotienten-Sollwerten für diese Frequenz verglichen werden und daß damit die Effektivität des Herzmuskels zur Tachy- kardiedetektion analysiert wird.

10. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e¬ k e n n z e i c h n e t, daß die Differenzen von kurzen Änderungen frequenz- und belastungsabhängiger Meßparameter mit mittelfristigen Änderungen dieser Parameter nach

ERSATZBLATT Laständerungen verglichen werden und zur Trennung der Frequenz- von der Belastungsabhängigkeit dieser Parameter verwendet werden.

ERSATZBLATT