DE4231601A1 - Anordnung zur Steuerung eines Herzschrittmachers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Steuerung eines Herzschrittmachers der im Oberbegriff des Anspruchs 1 an­ gegebenen Art.

Zur Steuerung der Stimulationsfrequenz eines Herzschritt­ machers können verschiedene Meßgrößen herangezogen werden.

Auf der Grundlage neuerer Erkenntnisse werden bevorzugt physiologische Parameter, wie Temperatur des venösen Blu­ tes, Atemfrequenz oder andere intrathorakale Funktionspa­ rameter des Patienten bei weitgehender Abstimmung aufein­ ander zur Steuerung der Stimulationsfrequenz benutzt. Ebenso ist aber die Ermittlung des Schlagvolumens bzw. des Herzvolumens möglich, die Stimulationsfrequenz des Herz­ schrittmachers an bestimmte Belastungssituationen des Pa­ tienten anzupassen.

Aus der DE-OS 36 29 587 ist eine Anordnung bekannt, mit der das Ventrikularvolumen in Verbindung mit einer Impe­ danzmessung ermittelt werden kann. Danach wird ein intra­ kavitärer Impedanzkatheter benutzt. Dieser Impedanzkathe­ ter besteht aus einem intraventrikulär einzubringenden Rohr, das eine Mehrzahl von Paaren und im Abstand zueinan­ der angeordneter Oberflächenelektroden aufweist. Diese Elektroden werden von einer entsprechenden Anzahl elek­ trischer Signale mit jeweils unterschiedlicher Frequenz angesteuert und dienen als Stromquelle bzw. Spannungsmeß­ punkte. Das momentane Kammervolumen ist aus der gemessenen Spannung, der Größe des eingeprägten Stroms und einiger patientenspezifischer, geometrischer Größen rechnerisch ermittelbar. Mit steigender Anzahl der Elektrodenpaare läßt sich die Genauigkeit des Verfahrens erhöhen. Das Schlagvolumen ergibt sich aus der Differenz des berechne­ ten Minimalvolumens für die Endsystole und dem Maximalvo­ lumen für die Enddiasstole.

Der vorgeschlagene vielpolige Impedanzkatheter ist zwar zur Bestimmung des Herzkammervolumens grundsätzlich geeignet, er besitzt jedoch für eine Anwendung in Verbin­ dung mit dauerhaft implantierten Herzschrittmachern folgende den wesentlichen Nachteil, daß die erforderliche größere Anzahl parallel verlaufender und voneinander iso­ liert angeordneten Zuleitungsdrähte mit erheblichen konstruktiven Aufwand verbunden ist, wenn bei den, durch den permanenten Einsatz erforderlichen Biegebelastungen des Impedanzkatheters eine sichere Kontaktierung der entsprechenden Elektroden gewährleistet werden soll. Als weiterer Nachteil kommt hinzu, daß die erforderliche viel­ polige Steckverbindung zum Herzschrittmacher zu einer erheblichen Volumenvergrößerung führt. Desweiteren ist es bei der vorgeschlagenen Meßmethode nicht möglich, bereits implantierte Elektrodenanordnungen für eine Impedanz­ messung heranzuziehen, so daß die zusätzlichen Steckver­ bindungen das Volumen des Schrittmachers noch weiter erhöhen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Steuerung eines Herzschrittmachers der eingangs ge­ nannten Gattung anzugeben, bei dem anstelle einer speziel­ len vielpoligen Sonde konventionelle Elektrodensysteme, die in Verbindung mit Zweikammer-Herzschrittmachern be­ reits erfolgreich eingesetzt worden sind, zur Gewinnung eines mit dem Herzvolumen korrelierenden Signals bei gleichzeitig ausreichender Meßgenauigkeit herangezogen werden können.

Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs gelöst.

Die Erfindung schließt die Erkenntnis ein, daß es für eine präzise Steuerung der Stimulationsfrequenz des Herz­ schrittmachers ausreichend ist, die Messung des absoluten Volumens der Herzkammer durch eine relative Volumenmessung zu ersetzen. Eine derartige Vorgehensweise ist dadurch ge­ rechtfertigt, daß zur Anpassung der Stimulationsfrequenz nicht die exakte Kurvenform des Volumensignals, sondern nur die Veränderung relativer Werte zu definiert vorgege­ benen Herzphasen erfaßt werden muß. Eine, wie auch immer geartete, im wesentlichen jedoch eindeutige Funktionalbe­ ziehung zwischen der gemessenen Impedanz und dem tatsäch­ lichen Volumen ist hinreichend.

Die Positionierung der erfindungsgemäß benutzten intrakar­ dialen Sonden in einem Atrium und in einem Ventrikel des Herzens eines Patienten ermöglicht die Impedanzmessung über ein relativ großes Volumen und führt dadurch in vor­ teilhafter Weise zu einer Verbesserung der Meßgenauigkeit für das relative Herzvolumen, dessen aus der Impedanz- Meßgröße rechnerisch ermittelter Wert für die Anpassung der Stimulationsfrequenz des Herzschrittmachers herangezo­ gen wird. Der Einschluß des zwischen Atrium und Ventrikel befindlichen Herzklappensystems in dem zur Messung der Impedanz benutzten Blutvolumen beeinflußt die Meßgenauig­ keit des Verfahrens nur unwesentlich, da aufgrund der Bestimmung des relativen Kammervolumens mögliche Fehler­ quellen eliminiert werden.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wer­ den implantierte atriale und ventrikuläre bipolare Sonden bekannter Bauart außer zur Stimulation des Patientenher­ zens zusätzlich zur Impedanzmessung genutzt. Damit ent­ fällt die Verlegung zusätzlicher Elektroden, was mit einer wesentlichen Erleichterung für den betreffenden Patienten verbunden ist.

Die insbesondere ringförmig ausgestalteten atrialen und der ventrikulären bipolaren Sonde werden dabei außerhalb der Stimulations- und Sensingzeitpunkte zur Einspeisung eines Stroms aus einer Konstant-Stromquelle in das Meßvo­ lumen benutzt. Zwischen den Ringelektroden baut sich auf­ grund des eingeprägten Stroms ein elektrisches Feld auf, dessen Potentialgefälle über die Spitzenelektroden der atrialen und ventrikulären bipolaren Sonden als eine, dem Kammervolumen proportionale Meßspannung abgegriffen werden kann. Die Spitzenelektroden der beiden bipolaren Sonden bilden dabei ein erstes und die Ringelektroden ein zweites Elektrodenpaar.

Die Zuordnung der einzelnen Elektroden der atrialen bzw. ventrikulären Sonden er folgt über geeignete Schaltmittel und deren Steuerglieder, die in Abhängigkeit des patien­ tenabhängigen Zeittaktes des Herzschrittmachers über dessen zentrale Steuerungs- und Signalverarbeitungs-Ein­ heit den jeweils aktiven Signalquellen und -senken verfüg­ bar gemacht werden.

Nach einer günstigen Weiterbildung der Erfindung sind die Schaltmittel als bipolare Umschalter ausgebildet. Sie wer­ den jeweils paarweise der im Atrium bzw. im Ventrikel vor­ gesehenen Sonde zugeordnet. Dadurch ist es auf einfache Weise möglich, die erforderliche Zuordnung der Meßsignale und Stimulierungs- bzw. Kontrollimpulse zwischen den in­ trakardialen Elektroden und der zentralen Steuerungs-und Signalverarbeitungs-Einheit sowie einer, die Konstant­ stromquelle und einen Spannungsmesser aufweisenden Impedanzmeß-Einheit herzustellen. Die Umschalter werden immer dann betätigt, wenn weder ein Stimulationsimpuls noch ein Sensing-Signal auf den Verbindungsleitungen zwi­ schen den intrakardialen Elektroden und der zentralen Steuerungs- und Signalverarbeitungs-Einheit des Herz­ schrittmachers vorhanden ist. Für diese Aufgabe sind als Steuerglieder der Schaltmittel handelsübliche NOR-Elemente mit besonderem Vorteil einsetzbar.

Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfin­ dung ist eine der bipolaren, im Atrium oder Ventrikel positionierten Sonden durch eine unipolare Sonde ersetzt. Um einen störfreien Ablauf der Meß- und Stimulierungsauf­ gaben des Herzschrittmachers zu sichern, ist die fehlende Elektrode durch das Gehäuse des Schrittmachers ersetzt. In analoger Weise können andere Kombinationen unipolarer und/oder bipolarer Sonden zur Stromeinspeisung, Spannungs­ messung und Stimulation dienen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Un­ teransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 die Anordnung der intrakardialen Sonden nach der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in schematisierter Darstellung,

Fig. 2 das Blockschaltbild einer bevorzugten Aus­ führungsform einer Vorrichtung zur Verfahrens­ durchführung in schematisierter Form und

Fig. 3 das schematisiert dargestellte Blockschaltbild einer günstigen Weiterbildung der in Fig. 2 gezeigten Vorrichtung.

Die schematisierte Darstellung gemäß Fig. 1 zeigt die Lage zweier, zur Gewinnung eines mit dem Herzvolumen korrelierenden Signals verwendeten Sonden 10, 11 innerhalb des Herzens 27. Die Sonden 10, 11 sind bipolar ausgebildet und besitzen jeweils eine Spitzenelektrode 5, 9 und eine Ringelektrode 4, 8. Die durch Leitungen 2 mit dem Herz­ schrittmacher 1 verbundenen Sonden 10, 11 befinden sich im Atrium 3 und im Ventrikel 7 des Herzens 27. Dabei bilden die atriale und die ventrikuläre Spitzenelektrode 5, 9 sowie die atriale und die ventrikuläre Ringelektrode 4, 8 der einzelnen Sonden jeweils ein erstes und ein zweites Elektrodenpaar. Das erste Elektrodenpaar dient der Erfassung der Spannung, die aufgrund einer Stromeinspei­ sung mittels des zweiten Elektrodenpaares und des daraus resultierenden Potentialunterschiedes über dem Blut­ widerstand zwischen den Spitzenelektroden 5, 9 entsteht. Das momentane Kammervolumen läßt sich aus der, durch die gemessene Spannung und den eingeprägten Strom bestimmten Impedanz und einigen geometrischen, herzspezifischen Grö­ ßen ermitteln, um in Abhängigkeit davon die erforderliche Anpassung der Stimulationsfrequenz vornehmen zu können.

Für die Meßgenauigkeit des Verfahrens ist u. a. der rela­ tiv große räumliche Abstand der bipolaren atrialen und ventrikulären Sonden 10, 11 von besonderem Vorteil. Die Spitzenelektroden werden neben der Spannungsermittlung auch zur Anregung der Herzfunktion (Stimulierungs-Phase) und zur Erfassung der Herzreaktionen (Sensing-Phase) genutzt. Die Signalverarbeitung und die Impulserzeugung zur Stimulierung erfolgt durch geeignete Einrichtungen des Herzschrittmachers 1.

In Fig. 2 ist der Aufbau einer bevorzugten, im Herz­ schrittmacher 1 angeordneten Vorrichtung zur erfindungs­ gemäßen Impedanzmessung in schematisierter Form darge­ stellt. Die Vorrichtung besitzt eine zentrale Steuerungs- und Signalverarbeitungs-Einheit 18, die vier Baugruppen A1, A2, V1 und V2 aufweist. Hier werden einerseits die Kontrollsignale (Sensing) für Eigenreaktion des Atriums 3 bzw. des Ventrikels 7 erfaßt und andererseits die Stimula­ tionsimpulse in Abhängigkeit von der zu messenden Impedanz erzeugt. Zu diesem Zweck sind die Baugruppen A1, A2, V1 und V2 über die Leitungen 2.1 und 2.2 mit steuerbaren Schaltmitteln 12 und 14 verbunden, die ihrerseits über die Leitungen 26.1 bzw. 26.3 eine Verbindung mit den intrakar­ dialen Spitzenelektroden 5 und 9 der bipolaren Sonden 10 und 11 aufweisen. Darüberhinaus besitzt die Vorrichtung eine Impedanzmeß-Einheit 19, die im wesentlichen in eine Konstantstrom-Quelle 20 und einen Spannungsmesser 21 untergliedert ist. Die Konstantstrom-Quelle 20 ist über die Leitungen 23.1 und 23.3, die steuerbaren Schaltmittel 13 und 15 sowie die Leitungen 26.2 und 26.4 mit den Ring­ elektroden 4 und 8 der bipolaren Sonden 10, 11 zwecks Einprägen eines konstanten Stroms in das Herzvolumen ver­ bunden. Die zur Bestimmung des Herzvolumens erforderliche Impedanzmessung wird über die Ermittlung der durch den eingeprägten Konstantstrom hervorgerufenen Potentialun­ terschied realisiert. Dazu ist der Spannungsmesser 21 der Impedanzmeß-Einheit 19 über die Leitungen 23.2 und 23.4, die steuerbaren Schaltmittel 12 und 14 sowie die Leitungen 26.1 und 26.3 ebenfalls mit den intrakardialen Spitzen­ elektroden 5, 9 verbindbar.

Um sowohl die Kontrolle und Steuerung der Herzfunktion als auch gleichzeitig die Impedanzmessung zur gezielten Anpassung der Stimulationsfrequenz durch den Herzschritt­ macher 1 durchführen zu können, sind die Schaltmittel 12, 13, 14, 15 in Abhängigkeit von dem Arbeitszustand der zentralen Steuerungs- und Signalverarbeitungs-Einheit 18 steuerbar ausgebildet. Die als zweipolige Umschalter aus­ gebildeten Schaltmittel sind den intrakardialen Sonden paarweise zugeordnet und werden durch die NOR-Bausteine 16 und 17 paarweise gesteuert. Der in Fig. 2 dargestellte Zustand erfaßt den Zeitbereich, in dem die zentralen Steuerungs- und Signalverarbeitungs-Einheit 18 die Sensing-Signale vom Atrium bzw. Ventrikel empfängt oder Stimulierungs-Impulse an diese Herzabschnitte abgibt. Dabei ist die Impedanzmeß-Einheit 19 von der atrialen bzw. ventrikulären Sonde 10, 11 durch die Schaltmittel 12, 13 bzw. 14, 15 getrennt. Außerhalb dieses Zeitbereichs werden aufgrund des fehlenden Signalpegels an den Baugruppen A1, A2, V1 und V2 die NOR-Gatter 16, 17 umgeschaltet und ändern dadurch den Schaltzustand der Schaltmittel 12, 13, 14 und 15 dahingehend, daß die Verbindung der Sonden zu der zentralen Steuerungs- und Signalauswerte-Einheit 18 unterbrochen wird und die Konstant-Stromquelle 20 über die Schaltmittel 13 und 15 mit den Ringelektroden 4 und 8 der Sonden 10 und 11 und der Spannungsmesser 21 über die Schaltmittel 12 und 14 mit den Spitzenelektroden 5 und 9 der jeweiligen Sonde im Atrim 3 und im Ventrikel 7 verbun­ den ist. Die in diesem Schaltzustand der Schaltmittel 12 bis 15 gemessenen Impedanzwerte werden als, ein mit dem augenblicklichen Herzvolumen korrelierendes Signal über die Leitung 24 der zentralen Steuerungs- und Signal­ verarbeitungs-Einheit 18 zwecks Steuerung der Stimula­ tionsfrequenz zugeführt.

Eine Weiterbildung der Vorrichtung zur Impedanzmessung ist in Fig. 3 in schematisierter Form dargestellt, bei der die bipolare ventrikuläre Sonde 11 durch eine unipolare Sonde 22 mit der Spitzenelektrode 25 ersetzt ist. Die fehlende vierte Elektrode wird durch das Potential des Gehäuses des Herzschrittmachers 1 ersetzt, so daß die Einspeisung des Stromes aus der Konstant-Stromquelle 20 über Schrittmachergehäuse und die Ringelektrode 4 der atrialen Sonde 10 vorgenommen werden kann.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbei­ spiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.

Claims (17)

1. Anordnung zur Steuerung eines Herzschrittmachers, bei dem ein mit dem Herzvolumen korrelierendes Signal durch eine Impedanzmessung unter Zuhilfenahme intrakardial ange­ ordneter Elektroden erzeugt und eine Größe zur Beeinflus­ sung der Stimulationsfrequenz bildet, dadurch gekennzeichnet, daß eine das Herzvolumen repräsentierende Größe als rela­ tive Volumengrößen in vorgegebenen Herzphasen aus einer, zwischen einem ersten Paar von zwei einzelnen, örtlich voneinander getrennt angeordneten intrakardialen Elektro­ den (5, 9) gemessenen Impedanz ermittelt werden und diese Impedanz im wesentlichen aus dem Verhältnis des am ersten Elektrodenpaar (5, 9) anliegenden elektrischen Potential und dem, dieses Potential erzeugenden und über ein zweites Elektrodenpaar (4, 8) eingeprägten Konstantstrom bestimmt wird.

2. Anordnung zur Steuerung eines Herzschrittmachers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenpaare (5, 9 bzw. 4, 8) durch eine atrial und/oder eine ventrikulär positionierte Sonde (10, 11) ge­ bildet werden.

3. Anordnung zur Steuerung eines Herzschrittmachers nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die atriale und die ventrikulare Sonde als bipolares System (10, 11) ausgebildet sind.

4. Anordnung zur Steuerung eines Herzschrittmachers nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der Elektrodenpaare eine atriale oder ventrikuläre bipolare Sonde (10 oder 11) und eine atriale oder ventrikuläre unipolare Sonde (22) vorgesehen sind und die vierte erforderliche Elektrode durch das Gehäuse des Herzschrittmachers (1) gebildet wird.

5. Anordnung zur Steuerung eines Herzschrittmachers nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur Bildung der intrakar­ dialen Elektrodenpaare die Ring- und/oder Spitzen­ elektroden (4, 5, 8, 9) der atrialen und ventrikulären Sonde (10, 11) vorgesehen sind.

6. Anordnung zur Steuerung eines Herzschrittmachers nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die interkardialen Elektroden (4, 5, 8, 9) der atrialen und/oder ventrikulären Sonde (10, 11, 22) sowohl die Sensing- und/oder Stimulationselektroden für den Herzschrittmacher (1) als auch Meßelektroden für eine Impedanzmeß-Einheit (19) bilden.

7. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch

• - eine zentrale Steuerungs- und Signalverarbeitungs- Einheit (18), in welcher im Atrium (3) und im Ventrikel (7) des Herzens erzeugten Sensing-Impulse verarbeitet werden, von welcher Stimulationssignale abgegeben werden und die über Leitungen (2.1, 2.2, 26.1 und 26.3) mit den intrakardialen Elektroden (5, 9) der Sonden (10, 11, 22) im Atrium (3) bzw. im Ventrikel (7) verbunden ist.
• - in den Leitungsverbindungen zwischen den Sonden (10, 11, 22) und der zentralen Steuerungs- und Signalverarbeitungs-Einheit (18) angeordnete Schaltmittel (12, 13, 14, 15),
• - mit den Schaltmitteln (12, 13, 14, 15) verbundene und von der zentralen Steuerungs- und Signal­ verarbeitungs-Einheit (18) ansteuerbare Steuer­ glieder (16, 17) und
• - eine Impedanzmeß-Einheit (19), welche über Leitun­ gen (23.1, 23.2, 23.3, 23.4) mit den Schaltmitteln (12, 13, 14, 15) und über eine Leitung (24) mit der zentralen Steuererungs- und Signalverarbeit­ tungs-Einheit (18) verbunden ist.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Schaltmittel (12, 13, 14, 15) als zweipolige Umschalter ausgebildet sind.

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Schaltmittel (12, 13) gemeinsam schaltbar ausgebildet und der atrialen Sonde (10) zugeordnet sind.

10. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Schaltmittel (14, 15) gemeinsam schaltbar ausgebildet und der ventrikulären Sonde (11) zugeordnet sind.

11. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Steuerglieder (16, 17) als NOR-Baustein ausgebildet sind.

12. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Impedanzmeß-Einheit (19) eine Konstant-Stromquelle (20) und einen Span­ nungsmesser (21) aufweist.

13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Konstant-Stromquelle (20) über die Leitungen (23.1, 23.3) mit der Ringelektro­ de (4, 8) der intrakardialen Sonden (10, 11) verbindbar ist.

14. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Sonden (10, 11, 22) bipolar oder unipolar ausgebildet und in Kombination als atriale oder ventrikuläre Elektroden ausgestaltet sind.

15. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Konstant-Stromquelle (20) einerseits mit der Ringelektrode (4, 8) einer bipo­ laren Sonde (10, 11) und andererseits mit dem Gehäuse des Schrittmachers (1) verbindbar angeordnet ist.

16. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Spannungsmesser (21) über Leitungen (23.2, 23.4) mit der Spitzenelektrode (5, 9) der bipolaren Sonden (10, 11) verbindbar angeordnet ist.

17. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Spannungsmesser (21) über Leitungen (23.2, 23.4) mit der Spitzenelektrode (5, 9) einer bipolaren Sonde (10, 11) und der Spitzenelektrode (25) einer unipolaren Sonde (22) verbindbar angeordnet ist.