DE19609382A1 - Aktivitätsgesteuerter Herzschrittmacher - Google Patents

Aktivitätsgesteuerter Herzschrittmacher

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DE19609382A1
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Description

Die Erfindung betrifft einen aktivitätsgesteuerten Herz­ schrittmacher gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Es sind Herzschrittmacher bekannt, die die adaptive Herz­ rate in Abhängigkeit von der Belastung des Herzschritt­ macherträgers einstellen.
In der deutschen Patentschrift DE 34 19 439 C1 ist ein Herzschrittmacher beschrieben, der mit einem Temperatur­ fühler die Bluttemperatur des venösen Blutes im Herzen mißt und die adaptive Herzrate in Abhängigkeit von dem gemesse­ nen Wert einstellt. Diesem Prinzip liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Bluttemperatur des Menschen bei Belastung ansteigt. Die Zuordnung der Bluttemperatur zu der physiolo­ gisch sinnvollen adaptiven Herzrate erfolgt dabei durch eine Kennlinie, die jedem Wert der Bluttemperatur einen Wert der adaptiven Herzrate zuordnet.
Nachteilig bei diesem vorbekannten Herzschrittmacher ist, daß der Zusammenhang von Bluttemperatur und physiologisch sinnvoller Herzrate in der Regel für jeden Menschen unter­ schiedlich ist, so daß der Herzschrittmacher für jeden Herzschrittmacherträger individuell kalibriert werden muß.
Darüberhinaus führt eine belastungsunabhängige Änderung der Bluttemperatur - beispielsweise durch Alterung des Tempera­ turfühlers oder durch eine Verschiebung des Temperatur­ fühlers im Körper des Herzschrittmacherträgers - ebenfalls zu einer Änderung der adaptiven Herzrate, was physiologisch nicht sinnvoll ist.
Ebenfalls allgemein bekannt ist das sogenannte ResQ-Verfahren (Regional Effective Slope Quality) (SCHALDACH, Max: Electrotherapy of the Heart, 1. Aufl., Springer-Verlag, S. 114ff.), bei dem der zeitliche Verlauf der intrakardialen Impedanz zur Bestimmung der physiologisch sinnvollen adap­ tiven Herzrate herangezogen wird.
Diesem Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die intrakardiale Impedanz in einem bestimmten Zeitfenster nach einem QRS-Komplex - der sogenannten "region of interest" (ROI) - eine besonders signifikante Abhängigkeit von der Belastung des Organismus aufweist.
Es wird deshalb der Verlauf der aktuell gemessenen Impe­ danzkurve mit einer Referenzkurve verglichen. Hierzu wird jeweils innerhalb der "region of interest" (ROI) die Diffe­ renz zwischen der Steigung der Referenzkurve und der Stei­ gung der aktuell gemessenen Impedanzkurve berechnet. In Abhängigkeit von dieser Differenz wird die adaptive Herz­ rate eingestellt. Die Zuordnung der berechneten Steigungs­ differenz zu der einzustellenden Herzrate erfolgt auch hier durch eine Kennlinie. Da dieser Zusammenhang in der Regel für verschiedene Menschen unterschiedlich ist, muß der Herzschrittmacher für jeden Träger individuell kalibriert werden.
Allgemein läßt sich sagen, daß derartige Herzschrittmacher eine belastungsabhängige Aktivitätsgröße (Bluttemperatur, intrakardiale Impedanz, Atemfrequenz, pH-Wert des Bluts, etc.) messen und in Abhängigkeit davon die adaptive Herz­ rate einstellen. Die Zuordnung des gemessenen Werts der Aktivitätsgröße zu der einzustellenden adaptiven Herzrate erfolgt dabei durch eine Kennlinie. Derartige Herzschritt­ macher haben verschiedene Nachteile.
Zum einen muß die Kennlinie, die der Aktivitätsgröße die einzustellende adaptive Herzrate zuordnet, für jeden Herz­ schrittmacherträger in einem Kalibrierungsvorgang indivi­ duell eingestellt werden.
Zum anderen erfolgt keine Anpassung des Herzschrittmachers an veränderte Randbedingungen. Ändert sich das Niveau der Aktivitätsgröße unabhängig von der Belastung - beispiels­ weise infolge der Alterung des Herzschrittmacherträgers oder durch Medikation - so führt dies bei derartigen Herz­ schrittmachern in der Regel zu einer veränderten Herzrate, was physiologisch nicht sinnvoll ist.
Ein anderes Prinzip der belastungsabhängigen Einstellung der adaptiven Herzrate ist in der europäischen Patent­ anmeldung EP 325 851 A2 beschrieben. Hierbei wird laufend die kumulierte Häufigkeitsverteilung der Aktivitätsgröße gemessen. Dies geschieht beispielsweise dadurch, daß der Wertebereich der Aktivitätsgröße in Intervalle aufgeteilt wird und laufend für jedes Intervall der prozentuale Zeit­ anteil eines jeweils zurückliegenden Beobachtungszeitraums bestimmt wird, innerhalb dessen der Wert der Aktivitäts­ größe unterhalb des Intervalls lag. Weiterhin wird eine gewünschte kumulierte Häufigkeitsverteilung der adaptiven Herzrate vorgegeben. Einem gemessenen Wert der Aktivitäts­ größe wird nun der Wert der adaptiven Herzrate zugeordnet, der den gleichen kumulierten Häufigkeitswert aufweist wie die Aktivitätsgröße. So wird beispielsweise einem 80%-Wert der Aktivitätsgröße - also einem Wert, der in 80% der Zeit­ dauer des Beobachtungszeitraums von der Aktivitätsgröße unterschritten wurde - auch ein 80%-Wert der adaptiven Herzrate zugeordnet.
Hierdurch wird vorteilhaft eine dauerhafte Beeinflussung der adaptiven Herzrate im Falle einer belastungsunab­ hängigen Verschiebung des Wertebereichs der Aktivitätsgröße verhindert. Ändert sich das Niveau der Aktivitätsgröße unabhängig von der Belastung des Herzschrittmacherträgers - beispielsweise infolge der Alterung des Herzschrittmacher­ trägers - so hat dies keinen Einfluß auf die adaptive Herzrate, da nicht der Wert der Aktivitätsgröße, sondern dessen kumulierter Häufigkeitswert maßgebend für die adap­ tive Herzrate ist.
Diese Methode der Einstellung der adaptiven Herzrate hat jedoch einen Nachteil. In der Regel ist der Wert der Akti­ vitätsgröße über den Wertebereich nicht gleichverteilt. Vielmehr treten kleine und mittlere Werte relativ häufig auf, während sehr große Werte relativ selten sind. Dies rührt daher, daß ein Mensch nur relativ selten großen Belastungen ausgesetzt ist. Das Maximum der Häufigkeits­ verteilungsfunktion liegt deshalb in der Regel im unteren Drittel des Wertebereichs der Aktivitätsgröße. Die kumu­ lierte Häufigkeitsverteilungsfunktion der Aktivitätsgröße weist entsprechend im unteren Drittel eine relativ große Steigung auf und wird mit zunehmenden Werten der Aktivi­ tätsgröße flacher.
Die Empfindlichkeit, mit der die Herzschrittmachersteuerung auf Änderungen der Aktivitätsgröße reagiert, ist also im unteren Drittel des Wertebereichs relativ hoch und nimmt nach oben hin ab. Bei einem in Ruhe befindlichen Herz­ schrittmacherträger reagiert der Herzschrittmacher auf Belastungsänderungen deshalb relativ stark, während bei einem Herzschrittmacherträger, der unter Belastung steht, Änderungen der Belastung nur geringen Einfluß auf die Herz­ rate haben, was physiologisch nicht sinnvoll ist.
Es ist deshalb insbesondere die Aufgabe der Erfindung, einen aktivitätsgesteuerten Herzschrittmacher zu schaffen, der keines Kalibrierungsvorgangs bedarf, sich an veränderte Randbedingungen selbständig anpaßt und dessen Empfindlich­ keit auf Änderungen der Aktivitätsgröße innerhalb des Wertebereichs der Aktivitätsgröße frei einstellbar ist.
Diese Aufgabe wird durch die in Oberbegriff und kenn­ zeichnendem Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, von einer vom Belastungszustand des Herzschrittmacherträgers ab­ hängigen Aktivitätsgröße laufend für einen jeweils zurück­ liegenden Beobachtungszeitraum den oberen und unteren Extremwert zu bestimmen, jedem Wert der Aktivitätsgröße durch eine Kennlinie einen Wert der adaptiven Herzrate zuzuordnen und die Kennlinie so einzustellen, daß dem einen Extremwert in einer ersten Stützstelle der Kennlinie eine vorgegebene Basisrate und dem anderen Extremwert in einer zweiten Stützstelle eine vorgegebene maximale Stimulations­ rate zugeordnet wird.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß eine zur Steuerung eines Herzschrittmachers herangezogene belas­ tungsabhängige Aktivitätsgröße im täglichen Leben des Herz­ schrittmacherträgers innerhalb einer bestimmten Variations­ breite Schwankungen aufweist.
Die Ausdehnung der Variationsbreite ist bestimmt durch das Belastungsprofil des Herzschrittmacherträgers. So ist die Ausdehnung der Variationsbreite bei einem Herzschritt­ macherträger, der sich nie körperlich anstrengt in der Regel relativ gering, während ein Herzschrittmacherträger mit stark wechselnden Belastungen auch eine relativ große Ausdehnung der Variationsbreite der Aktivitätsgröße auf­ weist.
Die Lage der Variationsbreite dagegen ist abhängig vom Trainingszustand des Herzschrittmacherträgers, dem Alter und anderen Faktoren. So ist es möglich, daß die Ausdehnung der Variationsbreite konstant bleibt, die Lage der Variati­ onsbreite sich jedoch mit zunehmendem Alter des Herz­ schrittmacherträgers verschiebt.
Auch die Herzrate weist eine begrenzte Variationsbreite auf. Nach unten ist die Herzrate durch die Basisrate be­ grenzt, die gerade noch ausreicht, um den Organismus im Ruhezustand zu versorgen. Nach oben ist die Herzrate durch die maximale Stimulationsrate begrenzt, die für das Herz gerade noch physiologisch unbedenklich ist.
In der Regel nimmt die Aktivitätsgröße mit der Belastung des Herzschrittmacherträgers zu; so steigt beispielsweise die Bluttemperatur bei Belastung an. Es ist jedoch auch möglich, daß die Aktivitätsgröße bei steigender Belastung abnimmt, sich also gegensinnig zur Belastung verhält. Im folgenden wird zur Vereinfachung von zwei Werten der Akti­ vitätsgröße derjenige als der Größere bezeichnet, dem auch die größere Belastung zugeordnet ist.
Der erfindungsgemäße Herzschrittmacher weist nun durch eine Kennlinie jedem Wert der Aktivitätsgröße einen Wert der adaptiven Herzrate zu. Im Gegensatz zu den vorbekannten aktivitätsgesteuerten Herzschrittmachern wird diese Kenn­ linie jedoch nicht in einem Kalibrierungsvorgang ein­ gestellt, sondern paßt sich im Rahmen eines Lernvorgangs des Herzschrittmachers dem Belastungsprofil sowie den sich ändernden körperlichen Fähigkeiten und Bedürfnissen des Herzschrittmacherträgers an.
Die Kennlinie ist also im Gegensatz zu den vorbekannten Herzschrittmachern nicht statisch, sondern wird kontinuier­ lich oder in bestimmten Zeitabständen optimiert.
Das Ziel der Optimierung ist zunächst die Anpassung der Variationsbreite der Aktivitätsgröße an die zulässige Variationsbreite der Herzrate.
Liegt beispielsweise die Aktivitätsgröße am unteren Ende der Variationsbreite, da der Herzschrittmacherträger im Bett ruht, so wird der untere Grenzwert der zulässigen Variationsbreite der Herzrate - die Basisrate - einge­ stellt.
Liegt die Aktivitätsgröße dagegen am oberen Ende der Varia­ tionsbreite, da der Herzschrittmacherträger physisch oder psychisch stark belastet ist, so wird auch der obere Grenz­ wert der zulässigen Variationsbreite der Herzrate - die maximale Stimulationsrate - eingestellt.
Dem unteren Grenzwert der Variationsbreite der Aktivitäts­ größe wird also auch der untere Grenzwert der zulässigen Variationsbreite der Herzrate zugeordnet, während dem oberen Grenzwert der Variationsbreite der Aktivitätsgröße entsprechend auch der obere Grenzwert der zulässigen Varia­ tionsbreite der Herzrate zugeordnet wird.
Durch den unteren Grenzwert der Variationsbreite der Akti­ vitätsgröße und die Basisrate ist deshalb eine erste Stütz­ stelle und durch den oberen Grenzwert der Variationsbreite der Aktivitätsgröße und die maximale Stimulationsrate eine zweite Stützstelle der Kennlinie gegeben. Zwischen diesen beiden Stützstellen verläuft die Kennlinie monoton stei­ gend, d. h. einem größeren Wert der Aktivitätsgröße wird auch ein größerer Wert der adaptiven Herzrate zugeordnet.
Die Variationsbreite der Aktivitätsgröße ist zu Beginn des Betriebs nicht bekannt, sondern wird durch laufende Messung der Aktivitätsgröße während des Betriebs ermittelt und nach jeder Messung optimiert. Zu Beginn des Betriebs wird ein Schätzwert für den unteren und den oberen Grenzwert der Variationsbreite der Aktivitätsgröße als Startwert vor­ gegeben.
Bei der Optimierung sind nun zwei Fälle zu unterscheiden.
Einerseits kann der Fall eintreten, daß ein Meßwert der Aktivitätsgröße die bisher ermittelte Variationsbreite nach oben oder unten überschreitet. In diesem Fall wird die Variationsbreite der Aktivitätsgröße entsprechend erweitert und dadurch aktualisiert. Die Wachstumszeitkonstante dieses Anpassungsvorgangs liegt vorzugsweise in der Größenordnung weniger Sekunden, um eine schnelle Anpassung zu erreichen und so eine überhöhte Herzrate zu verhindern.
Andererseits kann der Fall auftreten, daß die Aktivitäts­ größe die zuvor bestimmte Variationsbreite über einen längeren Zeitraum nicht mehr voll ausschöpft. In einer Ausführungsform der Erfindung wird deshalb in diesem Fall die Variationsbreite langsam wieder verringert, bis die Aktivitätsgröße wieder die gesamte Variationsbreite aus­ schöpft. Die Zeitkonstante dieses Anpassungsvorgangs liegt dabei vorzugsweise in der Größenordnung mehrerer Wochen.
Dadurch wird zum einen der Einfluß zyklischer Schwankungen der Aktivitätsgröße im Tages- oder Wochenzyklus unter­ drückt. Zum anderen wird eine Fehlanpassung der Variations­ breite der Aktivitätsgröße beispielsweise während einer mehrtägigen Bettlägerigkeit des Herzschrittmacherträgers verhindert, obwohl die Ausdehnung der Variationsbreite der Aktivitätsgröße während dieser Zeit aufgrund der geringen physischen Belastung verringert ist.
Durch die laufende Aktualisierung der gemessenen Varia­ tionsbreite der Aktivitätsgröße stimmt diese einige Tage nach der erstmaligen Inbetriebnahme des Herzschrittmachers mit der tatsächlichen Variationsbreite der Aktivitätsgröße gut überein und spiegelt damit auch die Variationsbreite der Belastung des Herzschrittmacherträgers wieder.
Die Kennlinie wird während der Optimierung jeweils an den aktuellen Wert der Variationsbreite der Aktivitätsgröße angepaßt. So weist die Kennlinie dem unteren Grenzwert der Variationsbreite der Aktivitätsgröße die Basisrate zu und entsprechend dem oberen Grenzwert der Aktivitätsgröße die maximale Stimulationsrate. Durch eine Veränderung dieser Grenzwerte während der Optimierung ändert sich deshalb auch die Kennlinie.
Durch die oben beschriebenen Maßnahmen wird die Variations­ breite der Aktivitätsgröße so an die zulässige Variations­ breite der Herzrate angepaßt, daß bei den im täglichen Leben des Herzschrittmacherträgers auftretenden Belastungen die zulässige Variationsbreite der Herzrate voll aus­ geschöpft, aber nicht überschritten wird. Dies geschieht durch Berechnung zweier Stützstellen der Kennlinie aus den vier Grenzwerten der Variationsbreite der Aktivitätsgröße und der Herzrate. Der Verlauf der Kennlinie zwischen den beiden Stützstellen kann jedoch durch die oben beschrie­ benen Maßnahmen nicht optimiert werden.
Dies kann unter Umständen dazu führen, daß zwar die zuläs­ sige Variationsbreite der Herzrate im täglichen Leben des Herzschrittmacherträgers nicht überschritten wird, aber das Herz im Rahmen der zulässigen Variationsbreite mit einer unangepaßt hohen Herzrate schlägt, was physiologisch nicht sinnvoll ist.
In einer Variante der Erfindung von eigener schutzwürdiger Bedeutung wird deshalb die von dem Herzschrittmacher er­ rechnete adaptive Herzrate statistisch ausgewertet. Aus der statistischen Verteilung der adaptiven Herzrate innerhalb der zulässigen Variationsbreite von der Basisrate bis zur maximalen Stimulationsrate lassen sich Informationen gewin­ nen für die Optimierung der Kennlinie.
Betrachtet man die Häufigkeitsverteilung der Herzrate, also die Häufigkeit des Auftretens bestimmter Herzraten über die gesamte zulässige Variationsbreite, so stellt man beim gesunden Menschen fest, daß die Häufigkeitsverteilungs­ funktion in der Nähe der Basisrate ein starkes Maximum aufweist und zu höheren Herzraten hin abfällt. Dies bedeu­ tet, daß das Herz die meiste Zeit mit einer Herzrate rela­ tiv nahe an der Basisrate schlägt.
Dies rührt daher, daß der Mensch im täglichen Leben während der meisten Zeit nur relativ gering belastet ist und dem­ entsprechend auch die belastungsabhängige Aktivitätsgröße meist im unteren Bereich der Variationsbreite liegt.
Es läßt sich also für jeden Menschen in Abhängigkeit von seinem Belastungsprofil und anderen Faktoren eine physiolo­ gisch sinnvolle statistische Verteilung der Aktivitätsgröße in Form einer Häufigkeitsverteilungsfunktion bestimmen.
Bei den bekannten aktivitätsgesteuerten Herzschrittmachern weicht die Häufigkeitsverteilungsfunktion der Herzrate jedoch mehr oder weniger von der physiologisch sinnvollen Häufigkeitsverteilungsfunktion ab.
Es wird deshalb in dieser Variante der Erfindung die Form der Kennlinie zwischen den beiden Stützstellen so ein­ gestellt, daß die Häufigkeitsverteilungsfunktion der adap­ tiven Herzrate der physiologisch sinnvollen Häufigkeits­ verteilungsfunktion möglichst nahekommt.
Liegt beispielsweise die Häufigkeit, mit der die Herzrate innerhalb eines Frequenzintervalls liegt, unter der Häufig­ keit, die sich aus der physiologisch sinnvollen Häufig­ keitsverteilungsfunktion für dieses Frequenzintervall ergibt, so wird die Steigung dHR/dA der Kennlinie in diesem Frequenzintervall verringert.
Die Kennlinie läßt sich beispielsweise als Polynom reali­ sieren, wobei die Kennlinie durch die Koeffizienten des Polynoms vollständig bestimmt ist:
HR(A) = K₀ + K₁·A + K·A² + K₃·A³ + . . .
Die Koeffizienten Ki werden dann so bestimmt, daß zum einen den Grenzwerten der Variationsbreite der Aktivitätsgröße die entsprechenden Grenzwerte der zulässigen Variations­ breite der Herzrate zugeordnet werden und zum anderen die Häufigkeitsverteilungsfunktion der adaptiven Herzrate der physiologisch sinnvollen Häufigkeitsverteilungsfunktion möglichst nahekommt.
Es muß also gelten:
HR(AMIN) = TR
HR(AMAX) = MSR
V(HR) = VREF
mit
AMIN, AMAX Grenzwerte der Variationsbreite der Aktivi­ tätsgröße
TR Target Rate (Basisrate)
MSR maximale Stimulationsrate
V Häufigkeitsverteilungsfunktion der Herzrate
VREF physiologisch sinnvolle Häufigkeitsvertei­ lungsfunktion.
Zur Berechnung der Häufigkeitsverteilungsfunktion der adap­ tiven Herzrate wird beispielsweise die gesamte zulässige Variationsbreite in äquidistante Frequenzintervalle auf­ geteilt, und für jedes Frequenzintervall die Zeit bestimmt, in der die Herzrate während eines Beobachtungszeitraums innerhalb des Frequenzintervalls lag. Um die Auswirkung zyklischer Schwankungen der adaptiven Herzrate im Tages- oder Wochenzyklus zu unterdrücken, liegt die Beobachtungs­ dauer hierbei vorzugsweise in der Größenordnung mehrerer Wochen.
Die Aktivitätsgröße ist in der Regel nicht nur abhängig von der Belastung, sondern auch von anderen Faktoren. So steigt beispielsweise die Bluttemperatur nicht nur bei Belastung an, sondern auch bei Fieber. Auch können Medikamente die Aktivitätsgröße beeinflussen. Da diese Änderungen nicht belastungsabhängig sind, ist in diesen Fällen auch keine oder nur eine geringere Änderung der adaptiven Herzrate erwünscht.
In einer Variante der Erfindung von eigener schutzwürdiger Bedeutung wird deshalb nicht die Aktivitätsgröße selbst zur Berechnung der adaptiven Herzrate herangezogen. Die Akti­ vitätsgröße wird statt dessen einem Differentialglied zuge­ führt und dessen Ausgangssignal zur Berechnung der adap­ tiven Herzrate herangezogen. Die Differentialzeit liegt dabei vorzugsweise in der Größenordnung von TD = 10 min.
Einerseits wird dadurch erreicht, daß sehr langsame Ände­ rungen der Aktivitätsgröße, die sich innerhalb der Diffe­ rentialzeit TD nicht bemerkbar machen, keine Änderung der adaptiven Herzrate verursachen. Hierdurch paßt sich der Herzschrittmacher automatisch an veränderte Randbedingungen wie Stimulationsparameter, Medikation oder Lebensgewohnheiten an.
Ändert sich beispielsweise aufgrund zyklischer Schwankungen im Tageszyklus das Niveau der Aktivitätsgröße, so werden diese Änderungen von dem Differentialglied ausgefiltert und führen nicht zu einer Änderung der adaptiven Herzrate.
Bei der Verwendung der Bluttemperatur als Aktivitätsgröße wird dadurch auch vorteilhaft verhindert, daß beim Auf­ treten von Fieber die Herzrate nicht erhöht wird, da bei Fieber die Bluttemperatur wesentlich langsamer ansteigt als bei physischer Belastung und somit von dem Differential­ glied ausgefiltert wird.
Andererseits wird dadurch eine über die Differentialzeit TD hinaus anhaltende Belastung nicht durch eine erhöhte Herz­ rate unterstützt.
Zur Verbesserung des Verhaltens bei physischer Belastung ist deshalb in einer weiteren Variante der Erfindung ein Bewegungssensor vorgesehen, der in Abhängigkeit vom Bewe­ gungszustand des Herzschrittmacherträgers ein binäres Signal liefert (Bewegung ja/nein). Eine physische Belastung des Herzschrittmacherträgers ist in der Regel mit einer Bewegung und damit mit einem Ansprechen des Bewegungssensors verbunden.
Detektiert der Bewegungssensor eine Bewegung des Herz­ schrittmacherträgers, so werden die Differentialzeit TD und der differentiale Übertragungsfaktor KD des Differential­ glieds gleichermaßen stark erhöht. Durch die Erhöhung der Differentialzeit TD wird erreicht, daß auch länger anhal­ tende Belastungen durch eine erhöhte Herzrate unterstützt werden. Durch die gleichzeitige Erhöhung der Differen­ tialkonstante KD wird die Stetigkeit des Ausgangssignals das Differentialglieds sichergestellt. Andernfalls würde das Ausgangssignal des Differentialglieds bei einer Ände­ rung der Differentialzeit TD springen, was physiologisch nicht sinnvoll ist.
Nach dem Ende der physischen Belastung werden die Differen­ tialzeit TD und der differentiale Übertragungsfaktor KD wieder auf die Werte vor der Belastungsphase zurückgesetzt.
Andere 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:
Fig. 1 ein Herzschrittmacher als Ausführungsbeispiel der Erfindung als Blockschaltbild,
Fig. 2 eine Kennlinie und eine optimierte Kennlinie für die Zuordnung der Aktivitätsgröße zur adaptiven Herzrate in dem in Fig. 1 dargestellten Herz­ schrittmacher sowie
Fig. 3 die sich aus den in Fig. 2 dargestellten Kennlini­ en ergebenden Häufigkeitsverteilungsfunktionen der adaptiven Herzrate.
Fig. 1 zeigt als Ausführungsbeispiel der Erfindung einen aktivitätsgesteuerten Herzschrittmacher als Blockschalt­ bild.
Die Meßvorrichtung 3 mißt über eine Meßelektrode 2 die rechtsventrikuläre intrakardiale Impedanz Z. Die Messung erfolgt getaktet, d. h. in äquidistanten Zeitpunkten wird die Meßelektrode 2 mit einer Meßspannung beaufschlagt und der Strom gemessen, der zwischen der Meßelektrode 2 und dem als Gegenelektrode wirkenden Gehäuse des Herzschrittmachers fließt. Die Impedanz Z ergibt sich als Quotient aus Meß­ spannung und Strom. Die Taktfrequenz der Impedanzmessung beträgt hierbei ca. 100 Hz. Dadurch wird gemäß dem allge­ mein bekannten Abtasttheorem erreicht, daß das zeitdiskrete Impedanzsignal den tatsächlichen Verlauf der Impedanz Z hinreichend gut wiedergibt.
Die Impedanz Z weist während eines Herzzyklus relativ starke Schwankungen auf. So ist die Impedanz Z in der Regel zu Beginn eines Herzzyklus unmittelbar nach einem QRS-Komplex minimal und steigt anschließend bis zum nächsten QRS-Komplex wieder an. Diese zyklischen Schwankungen der Impedanz Z sind nicht von der Belastung des Herzschritt­ macherträgers abhängig und eignen sich deshalb nicht zur Bestimmung der adaptiven Herzrate.
Die Meßvorrichtung 3 bildet deshalb laufend den gleitenden Mittelwert der Impedanz Z über die drei letzten Herzzyklen.
Dieser geglättete Wert der Impedanz Z weist keine zykli­ schen Schwankungen innerhalb eines Herzzyklus mehr auf.
Der Meßvorrichtung 3 nachgeschaltet ist ein Differen­ tialglied 4 mit einer Differentialzeit TD. Dieses Differen­ tialglied 4 hat die Aufgabe, langsame Änderungen der intra­ kardialen Impedanz Z, deren Wachstumszeitkonstante über der Differentialzeit TD liegt, auszufiltern.
Einerseits paßt sich der Herzschrittmacher dadurch an veränderliche Randbedingungen wie Lebensgewohnheiten, Alter, oder Medikation des Herzschrittmachers an, da die Änderung der Impedanz Z in diesen Fällen relativ langsam erfolgt und somit von dem Differentialglied 4 ausgefiltert wird.
Andererseits werden dadurch physische oder psychische Belastungen, die über die Differentialzeit TD hinaus an­ halten, nur unzureichend unterstützt.
Zur Verbesserung des Schrittmacherverhaltens bei physischer Belastung ist deshalb ein Bewegungssensor 5 vorgesehen, der in Abhängigkeit vom Bewegungszustand des Herzschrittmacher­ trägers ein binäres Signal (Bewegung ja/nein) liefert.
In Abhängigkeit von diesem Bewegungssignal wird die Diffe­ rentialzeit TD des Differentialglieds 4 eingestellt.
Im Ruhezustand des Herzschrittmacherträgers wird eine Differentialzeit TD1 = 10 min. eingestellt. Das bedeutet, daß Änderungen der Impedanz Z, deren Wachstumszeitkonstante größer ist als TD1 = 10 min. nicht zu einer relevanten Änderung der adaptiven Herzrate führen.
Detektiert der Bewegungssensor eine Bewegung des Herz­ schrittmacherträgers, die in der Regel mit einer physischen Belastung assoziiert ist, so wird die Differentialzeit auf TD2 = 5 h eingestellt. Dadurch wird eine physische Belastung bis zu einer Dauer von im wesentlichen 5 h durch eine erhöhte Herzrate HR unterstützt.
Das Ausgangssignal des Differentialglieds 4 wird als Akti­ vitätsgröße A der Steuervorrichtung 6 zugeführt, die an ihrem Ausgang die adaptive Herzrate HR ausgibt.
Die Steuervorrichtung 6 weist ein Kennlinienglied 10 auf, das jedem Wert der Aktivitätsgröße A durch eine Kennlinie einen Wert der adaptiven Herzrate HR zuordnet. Die Kenn­ linie ist dabei nicht statisch, sondern wird während des Betriebs des Herzschrittmachers laufend durch eine Stell­ vorrichtung 8 eingestellt und optimiert.
Ziel der Optimierung ist zunächst, die Variationsbreite der Aktivitätsgröße A an die zulässige Variationsbreite der Herzrate HR anzupassen.
Die zulässige Variationsbreite der Herzrate HR ist durch eine Basisrate TR als unterem Grenzwert und eine maximale Stimulationsrate MSR als oberem Grenzwert vorgegeben.
Die Variationsbreite der Aktivitätsgröße A wird durch eine Diskriminatoreinheit bestimmt, die laufend das Maximum AMAX und das Minimum AMIN der Aktivitätsgröße während der letzten vier Wochen bestimmt.
Die Kennlinie K ist in dem Kennlinienglied 10 als Poly­ gonzug mit insgesamt zwölf äquidistanten Stützstellen realisiert. Eine Stützstelle ist durch den unteren Grenz­ wert AMIN der Variationsbreite der Aktivitätsgröße und die Basisrate TR und eine zweite Stützstelle durch den oberen Grenzwert AMAX der Variationsbreite der Aktivitätsgröße und die maximale Stimulationsrate MSR gegeben. Es gilt also:
HR(AMIN) = TR
HR(AMAX) = MSR
Die Lage der restlichen zehn Stützstellen läßt sich aus einem weiteren Optimierungsziel ableiten, das darin be­ steht, die Häufigkeitsverteilungsfunktion V der adaptiven Herzrate HR möglichst gut an eine Referenzkurve VREF anzu­ passen.
Es wird deshalb von einer Auswerteeinheit 9 die adaptive Herzrate HR statistisch ausgewertet. Hierzu wird laufend die Häufigkeitsverteilungsfunktion V der adaptiven Herzrate HR bestimmt. Dies geschieht dadurch, daß für jedes der zwischen den zwölf Stützstellen der Kennlinie K liegenden elf Frequenzintervalle ΔHRi jeweils der prozentuale Zeit­ antoil innerhalb eines Beobachtungszeitraums bestimmt wird, für den die adaptive Herzrate HR innerhalb dieses Frequenz­ intervalls ΔHRi lag. Die Häufigkeitsverteilungsfunktion V ist also durch elf Stützstellen Vi bestimmt.
Die gemessene Häufigkeitsverteilungsfunktion V wird mit einer Referenzkurve VREF verglichen, die eine physiologisch sinnvolle Häufigkeitsverteilungsfunktion der adaptiven Herzrate HR darstellt. Hierzu wird jeweils in den Stütz­ stellen Vi die Differenz ΔVi zwischen der gemessenen Häu­ figkeitsverteilungsfunktion V und der Referenzkurve VREF gebildet und der Stellvorrichtung 8 zugeführt.
Stimmen die gemessene Häufigkeitsverteilungsfunktion V und die Referenzkurve VREF überein, so ist die Kennlinie optimal angepaßt.
Andernfalls wird die Kennlinie K von der Stellvorrichtung 8 optimiert. Die erste Stützstelle ist durch den unteren Grenzwert AMIN der Variationsbreite der Aktivitätsgröße und die Basisrate TR festgelegt. Liegt in dem Frequenzintervall zwischen der ersten und der zweiten Stützstelle der Kennli­ nie die Häufigkeitsverteilungsfunktion V der Herzrate über der Referenzkurve VREF, so bedeutet dies, daß innerhalb dieses Frequenzintervalls liegende Herzraten zu häufig auftreten. Die Steigung dHR/dA der Kennlinie ist deshalb in diesem Frequenzintervall anzuheben. Hierzu wird die zweite Stützstelle gegen die erste Stützstelle in Richtung fallen­ der Aktivitätswerte verschoben. Liegt dagegen die Häufig­ keitsverteilungsfunktion V unterhalb der Referenzkurve VREF, so bedeutet dies, daß Herzraten innerhalb dieses Frequenzin­ tervalls zu selten auftreten. Die Steigung dHR/dA der Kenn­ linie ist deshalb in diesem Frequenzintervall zu verrin­ gern. Hierzu wird die zweite Stützstelle gegenüber der ersten Stützstelle in Richtungsteigender Aktivitätswerte verschoben.
In der gleichen Weise wird die neue Lage der anderen Stütz­ stellen bestimmt. Liegt in einem zwischen zwei Stützstellen liegenden Frequenzintervall die Häufigkeitsver­ teilungsfunktion V über der Referenzkurve VREF, so wird die zu der höheren Frequenz gehörende Stützstelle in Richtung abnehmender Aktivitätswerte verschoben.
Auf diese Weise wird eine Anpassung der Häufigkeits­ verteilungsfunktion V an die Referenzkurve VREF erreicht.
Der Steuervorrichtung ist zur Stimulation des Herzens eine Treiberstufe 13 nachgeschaltet.
Der Herzschrittmacher arbeitet nach dem Anforderungsprin­ zip, d. h. der Herzschrittmacher stimuliert das Herz nur dann, wenn innerhalb einer bestimmten Wartezeit nach einer vorangegangenen Kontraktion des Herzens keine Kontraktion des Herzens durch eine natürliche Stimulation stattfindet.
Die Wartezeit berechnet sich als Summe aus der Perioden­ dauer der adaptiven Herzrate und einer Toleranz zeit, die die natürliche Schwankung der Herzrate berücksichtigt.
Die Treiberstufe 13 weist deshalb eine Vergleichereinheit 11 auf, die über die Meßelektrode 2 das Elektrocardiogramm (ECG) am Herzen 1 abnimmt, daraus die natürliche Herzrate bestimmt und diese mit der adaptiven Herzrate vergleicht.
Wird nun innerhalb der Wartezeit nach einer vorangegangenen Kontraktion keine natürliche Kontraktion des Herzens 1 detektiert, so steuert die Vergleichereinheit 11 einen Impulsgeber 12 an, der einen elektrischen Stimulations­ impuls auf die Meßelektrode 2 gibt.
Fig. 2 zeigt die Kennlinie K des Kennlinienglieds 10 aus Fig. 1, sowie die optimierte Kennlinie KOPT.
Die Kennlinie K wird durch einen Polygonzug mit insgesamt zwölf Stützstellen gebildet und ordnet jedem Wert der Variationsbreite der Aktivitätsgröße von AMIN bis AMAX einen Wert der adaptiven Herzrate HR zu.
Die Grenzwerte der Variationsbreite der Aktivitätsgröße A sind hierbei nicht konstant. Vielmehr "lernt" der Herz­ schrittmacher während des Betriebs laufend, welche Varia­ tionsbreite sich bei den im täglichen Leben des Herz­ schrittmacherträgers auftretenden Belastungen ergibt. Die Variationsbreite der Aktivitätsgröße A wird also laufend neu bestimmt. Dadurch ändert sich auch jeweils die Lage der Kennlinie K.
Der untere Grenzwert AMIN der Variationsbreite der Aktivi­ tätsgröße A und die Basisrate TR bilden eine Stützstelle und der obere Grenzwert AMAX der Variationsbreite der Akti­ vitätsgröße A und die maximale Stimulationsrate MSR eine weitere Stützstelle der Kennlinie K.
Zwischen diesen beiden Stützstellen verläuft die Kennlinie K nach der erstmaligen Inbetriebnahme des Herzschritt­ machers zunächst linear.
Der Verlauf der Kennlinie zwischen diesen beiden Stütz­ stellen wird jedoch im Rahmen eines Optimierungsprozesses so verändert, daß die Häufigkeitsverteilungsfunktion der adaptiven Herzrate HR einer physiologisch sinnvollen Refe­ renzkurve möglichst nahekommt. Die optimierte Kennlinie KOPT weist im unteren Bereich der Variationsbreite der Herzrate HR eine geringere Steigung dHR/dA auf als die lineare Kenn­ linie K. Dadurch treten bei der optimierten Kennlinie KOPT geringere Herzraten HR häufiger auf. Entsprechend ist die Steigung dHR/dA im oberen Bereich der Variationsbreite der Herzrate HR bei der optimierten Kennlinie KOPT größer als bei der linearen Kennlinie K. Große adaptive Herzraten HR nahe der maximalen Stimulationsrate MSR treten deshalb bei der optimierten Kennlinie KOPT seltener auf.
Fig. 3 zeigt die Häufigkeitsverteilungsfunktionen der adaptiven Herzrate HR, die sich aus den in Fig. 2 darge­ stellten Kennlinien K und KOPT ergeben. Die Häufigkeitsver­ teilungsfunktion V stellt die sich aus der Kennlinie K ergebende Verteilung der adaptiven Herzrate HR über die gesamte Variationsbreite der Herzrate HR von der Basisrate TR bis zur maximalen Stimulationsrate MSR dar. Das Maximum der Häufigkeitsverteilungsfunktion V liegt im oberen Fre­ quenzbereich nahe der maximalen Stimulationsrate MSR, d. h. das Herz schlägt relativ oft im oberen Frequenzbereich, was physiologisch nicht sinnvoll ist. Die physiologisch sinn­ volle Häufigkeitsverteilungsfunktion der adaptiven Herzrate ist durch die Referenzkurve VREF gegeben. Hierbei liegt das Maximum im unteren Frequenzbereich nahe der Basisrate TR. Die Kennlinie K des Kennlinienglieds wird - wie in Fig. 2 dargestellt - so eingestellt, daß die Häufigkeitsvertei­ lungsfunktion V die Form der Referenzkurve VREF annimmt.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbei­ spiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.
Insbesondere ist die Erfindung hinsichtlich der Aktivitäts­ größe nicht auf bestimmte biologische Größen beschränkt. Vielmehr können alle Größen herangezogen werden, die eine Abhängigkeit von der physischen oder psychischen Belastung des Herzschrittmacherträgers zeigen.

Claims (8)

1. Aktivitätsgesteuerter Herzschrittmacher mit
einer Meßvorrichtung (3) zur Messung einer belastungsab­ hängigen Aktivitätsgröße (A) des Herzschrittmacherträgers, und
einem der Meßvorrichtung (3) nachgeschalteten Kennlinien­ glied (10) mit einer Kennlinie (K) zur Bestimmung der adap­ tiven Herzrate (HR) aus der Aktivitätsgröße (A),
gekennzeichnet durch
eine Diskriminatoreinheit (7) zur laufenden Bestimmung des innerhalb eines jeweils zurückliegenden Beobachtungszeit­ raums aufgetretenen oberen und unteren Extremwerts der Aktivitätsgröße (A) sowie
eine Stellvorrichtung (8) zur Einstellung der Kennlinie (K) derart, daß diese dem einen Extremwert der Aktivitätsgröße (A) in einer ersten Stützstelle eine Basisrate (TR) und dem anderen Extremwert in einer zweiten Stützstelle eine maxi­ male Stimulationsrate (MSR) zuordnet.
2. Aktivitätsgesteuerter Herzschrittmacher nach An­ spruch 1, gekennzeichnet durch einen linearen Verlauf der Kennlinie (K) zwischen der ersten und der zweiten Stütz­ stelle.
3. Aktivitätsgesteuerter Herzschrittmacher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Beobachtungszeitraum in der Größenordnung mehrerer Wochen.
4. Aktivitätsgesteuerter Herzschrittmacher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßvorrichtung (3) und dem Kennlinienglied (10) ein Differentialglied (4) zwischengeschaltet ist.
5. Aktivitätsgesteuerter Herzschrittmacher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Differentialzeit (TD) des Differentialglieds (4) in der Größenordnung von zehn Minuten liegt.
6. Aktivitätsgesteuerter Herzschrittmacher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß zur Detektion physischer Belastung ein Bewegungssensor (5) mit einem Ausgang vorgesehen ist, wobei der Ausgang des Bewegungssensors (5) im Ruhezustand einen ersten Zustand und bei Bewegung einen zweiten Zustand einnimmt,
daß das Differentialglied (4) mit dem Bewegungssensor (5) verbunden ist und die Differentialzeit (TD) im Ruhezustand wesentlich kleiner ist als bei physischer Belastung.
7. Aktivitätsgesteuerter Herzschrittmacher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß zur Berechnung der kumulierten Häufigkeitsverteilungs­ funktion der adaptiven Herzrate dem Kennlinienglied (10) eine Auswerteeinheit (9) nachgeschaltet ist,
daß die Auswerteeinheit (9) die kumulierte Häufigkeitsver­ teilungsfunktion mit einer Sollkurve vergleicht und die Kennlinie (K) so einstellt, daß die kumulierte Häufigkeits­ verteilungsfunktion der Sollkurve möglichst nahekommt.
8. Aktivitätsgesteuerter Herzschrittmacher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktivitätsgröße die Bluttemperatur, der pH-Wert des Blutes, die Atemfrequenz, das QT-Intervall oder die Dauer des Depolarisationsgradienten ist.
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