DE69225119T2

DE69225119T2 - Herzschrittmacher mit Antiarrhythmiereizungs- und autonomer Nervenstimulationstherapie

Info

Publication number: DE69225119T2
Application number: DE69225119T
Authority: DE
Inventors: Kenneth Andrew Collins
Original assignee: Telectronics NV
Current assignee: Pacesetter Inc
Priority date: 1991-12-18
Filing date: 1992-07-23
Publication date: 1998-09-17
Anticipated expiration: 2012-07-24
Also published as: EP0547734A3; EP0547734B1; US5203326A; DE69225119D1; EP0547734A2

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antiarrhythmie Reizungsvorrichtung zum Erfassen von Anomalitäten eines Patientenherzens und zum Steuern einer Antiarrhythmie-Therapie ansprechend auf solch eine Erfassung. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Antiarrhythmie-Herzschrittmacher, welcher eine Antiarrhythmie-Therapie anwendet, die die Koordination, Steuerung und Erzeugung von Stimulationsimpulsen sowohl für das Patientenherz als auch für Nervengewebe umfaßt.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die oberste Aufgabe eines Antiarrhythmie-Herzschrittmachers besteht in der Verhinderung des plötzlichen Herztodes. In den meisten Fällen wird der plötzliche Herztod durch ventrikuläre Fibrillation verursacht, obwohl eine Asystole gegebenenfalls involviert sein kann. Bisher sprachen Antiarrhythmie-Herzschrittmacher auf die Erfassung von Antiarrhythmien durch Erzeugen einer Therapie mit einer elektrischen Stimulation des Herzens zur Beendigung der Fibrillation oder Tachykardie und zum Zurückbringen der Herzfrequenz auf einen normalen Sinusrhythmus an. Diese Therapien enthalten Antitachykardie-Reizung (ATP), Kardioversion und Defibrillation. Weitere Mechanismen zum Ändern der Herzfrequenz sind bekannt, wie z.B. die Steuerung von Antiarrhythmie-Arzneimittel und die selektive Stimulation des autonomen Nervensystems.
Der Antiarrhythmie-Herzschrittmacher nach der vorliegenden Erfindung verwendet eine Kombination elektrophysiologischer Stimulation und einer Stimulation des autonomen Nervensystems zum Behandeln von Herzarrhythmien. Das autonome Nervensystem, welche das sympathische und das parasympathische Nervensystem enthält, besteht aus Neuronen, welche die Aktivität des Herzmuskels, weichen Muskels und der Drüsen regeln. Das autonome Nervensystem modifiziert Aktivitäten, welche bereits durch ein nervlich angesteuertes Organ durchgeführt werden, und funktioniert nicht durch Aktivieren und Stimulieren von Organen.
Das sympathische Nervensystem ist der thorakolumbare Bereich des autonomen Nervensystems. Die sympathische Stimulation verursache keine Kontraktion des Herzmuskels, sondern erhöht anstatt dessen die Herzfrequenz, die Kontraktionskraft, die Geschwindigkeit, mit der Aktionspotentiale über Nervenfasern laufen, und die elektrische Empfindlichkeit myokardialer Zellen. Ansprechend auf sympathische Nervenimpulse geben postganglionische sympathische Fasern Norepinephrin ab, welches die Herzrate durch Stimulieren des sinuatrialen (S-A) Knotens, viel schneller zu feuern, und durch Erleichtern der atrioventrikulären (A-V) Leitung erhöht.
Das parasympathische Nervensystem ist der kraniosakrale Bereich des autonomen Nervensystems. Ansprechend auf parasympathische Impulse geben postganglionische parasympathische Fasern Acetylcholin zur Reduzierung der Herzfrequenz ab. Die parasympathische Stimulation reduziert die Herzfrequenz durch Erniedrigung der S-A- und A-V-Knotenaktivität.
Wie hier verwendet, bezeichnet der Ausdruck Arrhythmie jeglichen schnellen anomalen Rhythmus des Herzens, welcher durch eine Behandlung durch elektrische Entladungen verbesserbar ist. Arrhythmien enthalten supraventrikuläre Tachykardie, atriale Fibrillation und atriales Flattern, ventrikuläre Tachykardie und ventrikuläres Flattern und Fibrillation. Während einer Tachykardie schlägt das Herz schnell, wobei eine ventrikuläre Rate höher als 100 Schläge pro Minute (bpm) und typischerweise oberhalb 150 bpm liegt, und eine atriale Rate so hoch wie 400 bpm ist.
Tachykardie ist oft das Resultat einer elektrischen Rückkopplung innerhalb des Herzens. Ein natürlicher Schlag führt zur Rückkopplung eines elektrischen Stimulus, welcher frühzeitig einen weiteren Schlag triggert. Einige verschiedene Reizungsmodalitäten wurden zur Beendigung von Tachykardie vorgeschlagen, und zwar basierend auf das unterliegende Prinzip der Zwischensetzung eines stimulierten Herzschlages kurz vor dem nächsten frühzeitigen getriggerten Herzschlag. Dies unterbricht die Stabilität der Rückkopplungsschleife und ermöglicht, daß das Herz in den Sinusrhythmus zurückkehrt Solche Reizungstherapie kann bewirken, daß die Tachykardie- Rückkopplungsschleife degeneriert, so daß die Fibrillation andauert.
Ventrikuläre Arrhythmien, welche in Zusammenhang mit Bradykardie entstehen, treten weniger häufig auf, wenn ein Herz mit einer erhöhten Rate schlägt. Deshalb werden Patienten, welche diesen Arrhythmien unterliegen, gemeinhin mit chronotrophischen Arzneimitteln behandelt, wie z.B. sympathomimetrischen Ammen und Atropin. Unglücklicherweise sind die Resultate chronotrophischer Arzneimitteltherapie unvorhersagbar. Arzneimittel können Arrhythmien verschlimmern, anstatt sie zu verhindern. Weiterhin verhindern Antiarrhythmie-Arzneimittel nicht den plötzlichen Herztod, und zwar möglicherweise weil der Trigger-Mechanismus für die Fibrillation ein Faktor sein kann, welcher auf die Aktion dieser Arzneimittel nicht sensitiv wirkt.
Ein Verfahren zum Verhindern einer ventrikulären Tachykardie und einer Fibrillation bei Patienten mit AV-Blockierung oder Bradykardie enthält eine ventrikuläre Reizung bei normalen oder Overdrive-Reizraten (siehe beispielsweise P.M. Zoll, et al., "Ventricular Fibrillation: Treatment and Prevention by External Electric Currents", New England Journal of Medicine, Band 262, S. 105 (1960)). E. Sowton modifizierte dieses Verfahren in The Suppression of Arrhythmias by Artificial Pacemaking", Lancet, Band 2, S. 1098 (1964) zur Behandlung von ventrikulären Arrhythmien bei Patienten ohne A-V-Blockierung.
D.P. Zipes et al. in "Artificial Atrial and Ventricular Pacing in the Treatment of Arrhythmias", Annals of Internal Medicine, Band 70, S. 885 (1969) fand heraus, daß die Erhöhung der Herzfrequenz eines Patienten durch atriale und nicht durch ventrikuläre Reizung hämodynamische und elektrophysiologische Vorteile durch Erhalten einer normalen Polarisationssequenz bieten kann.
R.A.J. Spurrell et al. in "Pacing Techniques in the Management of Supraventricular Tachycardia", Teil 2, Journal of Electrocardiology, Band 9, S. 89 (1979) zeigt, daß die Overdrive-Reizung von sowohl dem Atrium als auch dem Ventrikel in einer exzentrischen Aktivierungssequenz Verbindungstachykardien verhindert (Tachyarrhythmien, welche an der atrioventrikulären Verbindung, wie z.B. dem Wiedereintritt, auftreten). Sowohl langsame als auch schnelle ventrikuläre Raten triggern diese Therapie. In ähnlicher Weise beobachteten M. Akhtar et al. in "Electrophysical Mechanisms for Modification and Abolition of Atrioventricular Junctional Tachycardia with Simultaneous and Sequential Atrial and Ventricular Pacing", Circulation, Band 60, S. 1443 (1979), daß regelmäßig gleichzeitige A-V-Reizung Verbindungstachykardien verhindert. Jedoch ist diese Behandlung nicht geeignet für eine langfristige Verhinderung der Verbindungstachykardie, und zwar wegen des Risikos, daß atriale frühzeitige Schläge oder atriale Tachykardien ungeeignet hohe ventrikuläre Raten triggern, was zu gefährlichen ventrikulären Arrhythmien führt.
Eine kontinuierliche atriale Reizung mit hohen Raten kann supraventrikuläre oder atriale Tachykardien steuern, um so gefährliche ventrikuläre Arrhythmien zu verhindern, da die atriale Reizung unter einer höheren Rate als einer Tachykardierate die atrioventrikuläre Übertragung zur Reduzierung der ventrikulären Rate blockieren kann. J.W. Lister et al. in "Treatment of Supraventricular Tachycardias by Right Alternating Current Stimulation", American Journal of Cardiology, Band 29, S. 208 (1972) verhinderte eine Verstärkung der atrialen Tachykardie in atriale Fibrillation auf diese Art und Weise und fand, daß die ventrikuläre Rate ansprechend auf atriale Fibrillation geringer war als die ursprünglich auftretende atriale Tachykardierate. Unglücklicherweise ist die kontinuierliche atriale Reizung mit hoher Rate begrenzt auf die Kurzzeitbenutzung, da Fluktuationen im autonomen Tonus intermittierend h:here A-V-Leitungsraten verursachen können und die atriale hohe Rate direkt auf das Ventrikel übertragen können, was das Risiko von gefährlichen ventrikulären Arrhythmien mit sich bringt.
J.F. Lopez et al. in "Reducing the Heart Rate in the Dog by Electrical Stimulation", Circulation Research, Band 15, S. 414 (1964) verlangsamt atriale Arrhythmien unter Verwendung von atrialer gepaarter und gekoppelter Stimulation, einer Stimulation durch zwei Impulse von kurzer Dauer, wobei der erste Impuls das Atrium stimuliert und der zweite Impuls zu einer Zeit auftritt, wenn die AV-Verbindung refraktär ist, um somit eine ventrikuläre Reaktion zu verhindern. Gepaarte und gekoppelte Stimulation wurde ebenfalls in dem Ventrikel mit inkonsistenten Resultaten angewendet, um die Herzrate bei supraventrikulärer Arrhythmie, atrialer Fibrillation und andauernder ventrikulärer Tachykardie von Patienten zu steuern.
Diese Techniken verhindern effektiv Tachykardien für kurze Zeitperioden unter der direkten Überwachung eines Gesundheitspflege- Professionellen. Jedoch das Risiko der Inituerung oder Verschlechterung gefährlicher Arrhythmien aufgrund der Instabilität hinsichtlich der Anpassung an veränderliche physiologische Umstände macht diese Verfahren und Vorrichtungen ungeeignet gefährlich für langfristige, automatische Verwendung. Benötigt ist eine Technik zur langfristigen Verhinderung von Arrhythmie in einem automatischen, implantierbaren System.
J.I. Haft et al. in "Electrical Conversion of Atrial Flutter without Ventricular Depolarization", Circulation, Band 34: III, S. 118 (1966) beendete eine atriale Tachykardie und ein atriales Flattern unter Verwendung schneller wiederholter atrialer Stimulation. Die Resultate dieser Therapie waren inkonsistent, und zwar mit einem hohen Auftreten von atrialer Fibrillation, aber wurden beträchtlich verbessert durch Verstarkung der Reizung mit der Anwendung von Antiarrhythmie-Wirkstoffen.
G. Neumann et al. in "A Study of Electrophysiological Changes During Rapid Atrial Burst Stimulation Associated with Reentry Tachycardias", Presentations of the 1st European Symposium of Cardiac Pacing, London, S. 23 (1978) verbesserte die Technik der schnellen wiederholten Stimulation durch Schaffen eines Schrittmachers, bei dem das Anfangsintervall zwischen einem atrialen Ereignis unter Lieferung eines Bursts erforderlicherweise 250 ms überschritt, um somit eine frühe Stimulation in der verwundbaren Phase zu vermeiden, nämlich mit dem Risiko der Initiierung einer atrialen Fibrillation. Eine weitere Lösung für dieses Problem ist "autodekrementales" Reizen, wobei das anfänglich Kopplungsintervall eines Bursts sehr spät in dem Tachykardiezyklus geliefert wird, aber von einer schrittweisen Beschleunigung der Reizungsrate bis zu einem Grenzwert, der durch das Reizungsintervall bestimmt ist, gefolgt wird. (Siehe beispielsweise A.J. Camm et al., "A Microcomputer-Based Tachycardia Termination System - A Preliminary Report", in Journal Medical Engineering Technical, Band 4, S. 80 (1980)). Langfristige Resultate unter Verwendung schneller wiederholter Stimulationstechniken sind enttäuschend aufgrund der Provokation atrialer Fibrillation.
Underdrive-Reizung unter Verwendung kritisch gekoppelter frühzeitiger Schläge ist eine Alternative zur schnellen wiederholten Stimulation für die Beendigung von Arrhythmien. N.C. Hunt et al. in "Conversion of Supraventricular Tachycardias with Atrial Stimulation - Evidence for Reentry Mechanism", Circulation, Band 38, S. 1060 (1968) verwendete Underdrive-Reizung, wobei früher oder später durch Zufallswettbewerb ein geeignet zeitlich gesteuerter Stimulus auftritt und eine Tachykardie beendet. Unglücklicherweise ist die Underdrive-Reizung üblicherweise uneffektiv, falls eine Tachykardierate 160 Schläge pro Minute überschreitet. Da die Antitachykardie-Therapie üblicherweise nicht aktiviert wird, bis die Tachykardierate oberhalb etwa 140 Schlägen pro Minute ist, gibt es nur einen engen Bereich von Tachykardieraten und einen geringen Anteil von Tachykardien, welche eine automatische Underdrive- Reizung unterstützen kann.
Jüngstens wurde eine Reizung durch kritisch zeitlich gesteuerte frühzeitige Schlagimpulse verwendet, um Tachykardien zu beenden. Ein Herzschrittmacher scannt die diastolische Periode des Herzens vom Tachykardiezyklus mit einem oder mehreren Stimuh zum Schaffen einer kritischen Zeitsteuerung.
Alle diese Herzarrhythmie-Behandlungstechniken beinhalten die Lieferung von Stimulationsimpulsen an das Herzgewebe. Die Funktionstüchtigkeit des kardiovaskulären Systems wird ebenfalls durch Techniken beeinflußt, welche die Funktion des autonomen Nervensystems ändern. Die modifizierte Aktivität des autonomen Nervensystems durch Teilen oder Kaltblockieren von Nervenimpulsen oder durch automatische Nervenstimulation wurde ebenfalls zur Änderung der Herzfrequenz verwendet.
Beispielsweise berichten P.J. Schwartz et al. in "Sympathetic Imbalance and Cardiac Arrhythmias" von Nervous Control of Vascular Function, Herausgeber Randall WC, Oxford University Press (1984), daß eine elektrische Stimulation von sympathischen Nerven die ventrikuläre Fibrillationsschwelle erniedrigt und die Verwundbarkeit gegenüber Fibrillation erhöht. Im Gegensatz dazu erhöht die elektrische Stimulation von parasympathischen Nerven die ventrikuläre Fibrillationsschwelle durch Absenken der Aktion der sympathischen Nerven. Es sei bemerkt, daß, falls die sympathische Aktivität bereits niedrig ist, keine Änderung durch Deaktivierung sympathischer Nerven erwartet werden kann.
M. Stramba-Badiale et al. fanden heraus, daß eine Stimulation des parasympathischen Nervensystems durch Erregung des Vagusnervs vorteilhaft zur Behandlung von Arrhythmien ist, nämlich in "Sympathetic-Parasympathetic Interaction and Accentuated Antagonism in Conscious Dogs", American Journal of Physiology, Band 260 (2pt 2): S. H335-340 (Februar 91). Die vagale Aktivität trägt zur elektrischen Herzstabilität bei. Umgekehrt ist ein erniedrigter Vagaltonus und -reflex verbunden mit einen erhöhten Risiko eines plötzlichen Herztodes.
G. Zuanetti et al. in "Protective Effect of Vagal Stimulation on Reperfusion Arrhythmias in Cats", Circulation Research Band 61(3), S. 429- 435 (1987) fanden, daß eine kombinierte Bradykardiereizung und vagale Stimulation gegen andauernde ventrikuläre Tachykardie schützt, wohingegen eine Reizung allein Arrhythmien verstärkt oder initiiert. Zuanetti versuchte keine Nervenstimulation in Kombination mit Arrhythmie-Therapie, wie z.B. eine Antitachykardiereizung, Kardioversion oder Defibrillation.
Diese Systeme nach dem Stand der Technik verwenden an erster Stelle die Antiarrhythmiereizung, Kardioversion oder Defibrillation ansprechend auf die Erfassung eines schnellen Herzrhythmus zur Beendigung solch einer Arrhythmie; oder Verwenden alternativermaßen eine konstante langfristige Modifikation des autonomen Nervensystems zur Verhinderung von Arrhythmien. Dieser Stand der Technik offenbart offenbar nicht eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erfassen eines Herzanomalität, einschließlich Vorläufern für Arrhythmien, Tachyarrhythmien oder Fibrillation, und ansprechend auf solch eine Verfassung die Anwendung einer kombinierten Therapie von Antiarrhythmiereizung und Stimulation des autonomen Nervensystems.

KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung schafft eine Antiarrhythmie- Herzschrittmacher wie in Anspruch 1 oder Anspruch 2 definiert.
Der Antiarrhythmie-Herzschrittmacher kann eine Herzimpuls- Stimulationseinrichtung enthalten, welche elektrische Stimulationsimpulse für das Herz erzeugt und liefert. Der Herzschrittmacher steuert den Impulszeitablauf, die Frequenz, die Amplitude, die Dauer und weitere Betriebsparameter zur selektiven Erzeugung von Reizungstherapien, wie z.B. einer Antitachykardiereizung, einer Kardioversion und einer Defibrillation.
Der Antiarrhythmie-Herzschrittmacher enthält ebenfalls eine Nervenstimulationselektrode, welche derart gestaltet ist, daß sie in elektrischen Kontakt mit vorausgewählten Nervenfasern innerhalb des autonomen Nervensystems des Patienten bringbar ist. Die Nervenstimulationselektrode ist elektrisch mit einer Nervenfaserimpuls- Stimulationseinrichtung verbunden, welche Nervengewebe-Stimulationsimpulse an die Elektrode zum Zweck der Stimulation dieser vorausgewählten Nervenfasern erzeugt und liefert.
Eine Arrhythmie-Therapiesteuereinrichtung reagiert auf die Erfassung und Bestätigung eines anomalen Zustands eines Patientenherzens durch Steuern und Koordinieren des Betriebs der Herzimpuls- Stimulationseinrichtung und der Nervenfaser-Stimulationseinrichtung zum Veranlassen der Durchführung einer kombinierten Herzreizungs- und Nervenstimulationstherapie.
Der Antiarrhythmie-Herzschrittmacher ist derart gestaltet, daß er das parasympathische Nervensystem mittels der elektrischen Stimulation von autonomen Nerven oder Ganglien aktiviert, um maligne Arrhythmien zu verhindern oder zu behandeln. Wenn die afferente Aktivität des sympathischen Nervensystems ansteigt, und zwar aufgrund einer physiologischen Spannung von Reflexmechanismen oder als eine Reaktion auf Schmerz oder Furcht, erfaßt der Antiarrhythmie-Herzschrittmacher dieses Auftreten durch Analysieren von einem oder mehreren physiologischen Signalen. Der Herzschrittmacher initiiert und koordiniert eine Therapie einschließlich einer Antiarrhythmie-Reizungstherapie und einer Vagalnerv-Stimulationstherapie. Die Vagalnerv-Stimulationstherapie erhöht den vagalen Tonus, was Antiarrhythmieeffekte erzeugt und das Risiko ventrikulärer Fibrillationen erniedrigt.
Eine kombinierte Therapie aus elektrischer Herzstimulation und einer Stimulation des autonomen Nervensystems ist äußerst vorteilhaft bei einem Antiarrhythmie-Herzschrittmacher, der verschiedene anomale Zustände des Herzens erfaßt und bestätigt. Diese Zustände enthalten die Existenz von Arrhythmie-Vorläufern zusätzlich zu Tachykardie und Fibrillation. Implantierbare Antitachykardie-Herzschrittmacher nach dem Stand der Technik erfassen und initiieren eine Therapie üblicherweise nur beim Auftreten von Tachykardie und Fibrillation allein.
P.J. Schwartz et al. in "The Rational Basis and the Clinical Value of Cardiac Sympathetic Denervation in the Prevention of Malignant Arrhythmias", European Heart Journal, V7, Supp. A, S. 107-118 (1986) betrifft die Analyse von Holter-Aufnahmen von Patienten, welche an plötzlichem Herztod starben und zeigt in einer signifikanten Anzahl von Fällen, daß dem Einsatz von ventrikulärer Fibrillation unmittelbar T- Wellen-ST-Segmentänderungen, welche auf myokardialer Ischämie beruhen, vorhergehen, und zwar sogar wenn die myokardiale Ischämie-Episode eine sehr kurze Dauer hat. Die sympathische Aktivierung von Reflexmechanismen und als eine Reaktion auf Schmerz oder Furcht ist eine Primärursache der elektrophysiologischen Begleiterscheinungen, welche den Einsatz akuter myokardialer Ischämie begleiten. Gefährliche Arrhythmien entstehen von der Wechselwirkung zwischen akuter myokardialer Ischämie und sympathischer Hyperaktivität. Diese gefährliche Situation wird nicht durch standardmäßige medizinische Intervention erleichtert, da Antiarrhythmie-Arzneimittel diese Interaktion nicht unterdrücken.
Die vorliegende Erfindung erfaßt Vorläufer für Herzarrhythmie und initiiert eine Therapie einschließlich einer Stimulation des autonomen Nervensystems und einer Antiarrhythmie-Reizungstherapie zum direkten Deaktivieren der sympathischen Aktion und Brechen der Interaktion zwischen myokardialer Ischämie und sympathischer Hyperaktivität.
Der Antiarrhythmie-Herzschrittmacher nach der vorliegenden Erfindung erfaßt die am frühesten auftretenden Herzanomalitäten aus Arrhythmie- Vorläufern für Tachykardien und für Fibrillation, was eine frühe therapeutische Intervention zur Verhinderung von zunehmend gefährlichen Herzzuständen ermöglicht.
Bei Patienten mit rekursiven Arrhythmien ist der anfängliche Ansatz des Antiarrhythmie-Herzschrittmachers die Verhinderung, einschließlich der parasympathischen Nervenstimulation zum Deaktivieren einer provokativen sympathischen Aktivität und einer Reizungsstimulation für das Herz zum Korrigieren der zugrundeliegenden, potentiell reversiblen Leitungsanomalitäten.
Falls Arrhythmien nicht verhindert werden können, arbeitet der Antiarrhythmie-Herzschrittmacher über parasympathische Stimulation zur Reduzierung der ventrikulären Reaktion des Herzens während Arrhythmie. Die vagale Stimulation während akuter myokardialer Ischämie hat die bekannte Neigung zur Verhinderung ventrikulärer Fibrillation. Weiterhin ist die vagale Aktivierung effektiv zur reproduzierbaren Beendigung von Episoden ventrikulärer Tachykardie.
Beim Auftreten einer Tachykardie schafft der Antiarrhythmie- Herzschrittmacher eine Interventionstherapie, welche den Vagaltonus durch direktes Stimulieren des parasympathischen Nervensystems erhöht. Interventionen, welche den Vagaltonus erhöhen, bieten die einfachsten Verfahren zum Beenden von Tachykardien. Interventionen, welche im Stand der Technik bekannt sind, enthalten manuelle und manipulative Therapien, wie z.B. das Valsalva-Manöver, den "Tauch"-Reflex, die Carotid-Sinusmassage und den Augapfeldruck.
Der Antiarrhythmie-Herzschrittmacher bietet eine flexible Behandlung für verschiedene Herzprobleme und -symptome.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung erscheinen klar aus der Betrachtung der folgenden Beschreibung, und zwar in Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockdiagramm eines implantierten, Raten-ansprechenden Arrhythmie-Steuersystems (ACS) mit Doppel kammer in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ein Blockdiagramm eines Herzschrittmachers, der im System von Fig. 1 verwendet wird;
Fig. 3 ein Blockdiagramm eines Mikroprozessors, welches im System von Fig. 1 verwendet wird;
Fig. 4 eine schematische Schaltungsdarstellung eines Nervenstimulators, der in dem System von Fig. 1 verwendet wird;
Fig. 5 die Form eines biphasischen neuralen Stimulationsimpulses, wie erzeugt durch die Schaltung von Fig. 4;
Fig. 6 einen Fließplan zum Aufstellen der Operationen eines Arrhythmie-Erfassung, -bestätigung und -klassifikation;
Fig. 7A-7C Illustrationen von abgetasteten intrakardiären Elektrogrammen (IEGMs), welche anomale Herzrhythmen erkannt als Vorläufer für maligne Herzarrhythmien zeigen, und zwar einschließlich ventrikulärer Tachykardie (Fig. 7A), ventrikulärer Paare (Fig. 7B) und frühzeitiger ventrikulärer Komplexe (Fig. 7C), welche durch einen Antiarrhythmie- Herzschrittmacher nach der vorliegenden Erfindung erfaßt sind;
Fig. 8A und 8B Illustrationen von Abtastungen der detaillierten Morphologie der IEGM-Formen, welche als Vorläufer für maligne Herzarrhythmien erkannt sind, und zwar einschließlich frühzeitiger ventrikulärer Depolarisationen (Fig. 8A) und Repolarisationsanomalitäten, wie z.B. langes QT-Intervall (Fig. 8B), welche durch einen Antiarrhythmie- Herzschrittmacher nach der vorliegenden Erfindung erfaßt sind;
Fig. 9A-9C zusätzliche Illustrationen von Beispielen der detaillierten Morphologie von IEGMs, welche als Vorläufer für maligne Herzarrhythmien erfaßt sind, und zwar einschließlich ST-Segment-Erhöhung (Fig. 9A), ST-Segment-Erniedrigung (Fig. 9B) und Spätpotentialen (Fig. 9C), wie erfaßt durch einen Antiarrhythmie-Herzschrittmacher nach der vorliegenden Erfindung;
Fig. 10 eine Illustration eines normalen Elektrokardiogrammsignals;
Fig. 11 eine Fließplan zum Illustrieren des Verfahrens, welches durch einen Antiarrhythmie-Herzschrittmacher nach der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird, zum Erfassen von Vorläufern maligner Herzarrhythmien;
Fig. 12A-12D Oberflächenelektrokardiogramme (ECGs) ventrikulärer Tachykardiewellenformen mit einem konstanten Antitachykardie- Reizungsstimulus (ATP), der an das Herz angelegt wird, und mit progressiv ansteigenden Raten der Nervenstimulation (NS);
Fig. 13A und 13B einen Vergleich des Zeitablaufs der Herz- und Nervenstimulation, wie gesteuert durch den Antiarrhythmie-Herzschrittmacher nach der vorliegenden Erfindung, wobei Fig. 13A einen Burst von Nervenstimulationsimpulsen illustriert und Fig. 13B einen einzelnen Impuls illustriert;
Fig. 14 eine linke seitliche Ansicht des Herzens zum Illustrieren der sympathischen und parasympathischen autonomen Nervenanregung des AV- Knotenbereichs eines Hundeherzens;
Fig. 15 eine rechte seitliche Ansicht des Herzens zum Zeigen der Beziehung des Vagusnervs in Beziehung auf die Hauptblutgefäße auf der rechten Seite des Herzens; und
Fig. 16 eine diagrammatische Darstellung einer Vorderansicht eines Hundeherzens, insbesondere zum Darstellen der anatomischen Beziehung der Komponenten des autonomen Nervensystems bezüglich der Strukturen des kardiovaskulären Systems.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Mit Bezug auf Fig. 1 ist ein Blockdiagramm eines Arrhythmie- Steuersystems 1 gezeigt. Das System 1 ist derart entworfen, daß es in einen Patienten implantierbar ist, und enthält ein Impulsmodul 10 und geeignete Zuleitungen für ein Verbindungsmodul 10 mit einem Patientenherzen 11. Insbesondere enthält das System 1 im allgemeinen eine atriale Herzleitung 12, die zu dem Atrium des Patientenherzens verläuft, zur Steuerung der Therapie des Atriums, sowie eine ventrikuläre Herzleitung 13, die zum Ventrikel des Patientenherzens verläuft, für die Steuerung der Therapie des Ventrikel. Das System 1 enthält im allgemeinen ebenfalls einen Schrittmacher 17 für die Erfassung von Analogsignalen zum Darstellen der elektrischen Herzaktivität und zur Lieferung von Reizungsimpulsen an das Herz; ein Mikroprozessor 19, welcher ansprechend auf verschiedene Eingaben, welche von dem Schrittmacher 17 sowie von einem Defibrillator 16 empfangen werden, verschiedene Operationen durchführt, um so verschiedene Steuer- und Datenausgaben für den Herzschrittmacher 17, den Nervenstimulator 20 und den Defibrillator 16 zu erzeugen; sowie eine Stromversorgung 18 für die Bereitstellung eines zuverlässigen Spannungspegels für den Herzschrittmacher 17, den Mikroprozessor 19, den Nervenstimulator 20 und den Defibrillator 16 durch geeignete elektrische Leiter (nicht gezeigt). Der Nervenstimulator 20 erzeugt elektrische Impulse auf neuralen Leitungen 21 zum Stimulieren des Nervengewebes 9, wie z.B. Nerven und Ganglien, und zwar gemäß zeitlich gesteuerter Signale von dem Mikroprozessor 19, welche über den neuralen Stimulationssteuerbus 22 übermittelt werden. Der Defibrillator 16 erzeugt eine Hochspannung zum Laden seiner Kondensatoren und entlädt sie dann als Reaktion auf Steuersignale vom Mikroprozessor 19. Eine Defibrillator-Elektrodenzuleitung 14 transferiert die Energie eines Defibrillatorschocks 15 von dem implantierten Impuismodul 10 zum Herzen 11.
Der Mikroprozessor 19 ist verbunden mit einem Schreib-/Lesespeicher/Nur-Lese-Speicher (RAM/ROM)-Einheit 121, und zwar über einen Adreß- und Datenbus 122. Eine Lebensende(EOL)-Signalleitung 124 wird verwendet, um dem Mikroprozessor 19 ein Logiksignal zuzuführen, welches das Annähern eines Batterieausfalls in der Stromversorgung 18 anzeigt. Wie nachstehend vollständiger beschrieben, sind der Mikroprozessor 19 und der Herzschrittmacher 17 durch einen Kommunikationsbus 42, eine atriale Erfassungsleitung 45, eine atriale Reizungssteuerleitung 46, einen atrialen Empfindlichkeitssteuerbus 43, einen atrialen Reizungsenergiesteuerbus 44, eine ventrikuläre Erfassungsleitung 49, eine ventrikuläre Reizungssteuerleitung 50, einen ventrikulären Empfindlichkeitssteuerbus 47 und einen ventrikulären Reizungsenergiesteuerbus 48 verbunden. Der Mikroprozessor 19 überträgt Steuersignale gemäß der nachstehenden Beschreibung über den neuralen Stimulationssteuerbus 22 an den Nervenstimulator 20. Wie ebenfalls nachstehend vollständiger beschrieben, ist der Mikroprozessor 19 mit dem Defibrillator 16 durch eine Ladungsspannungs-Pegelleitung 61, einen Ladungssteuerbus 60, einen Schocksteuerbus 59 und einen Versorgungssteuerungsbus 58 verbunden.
Mit Bezug auf Fig. 2 umfaßt der Schrittmacher 17 eine Schaltungsanordnung zur atrialen Reizung 24, ventrikulären Reizung 34, atrialen Erfassung 25, ventrikulären Erfassung 35 und Telemetrie 30. Zusätzlich enthält der Herzschrittmacher 17 einen Steuerblock 39, welcher eine Schnittstelle zum Mikroprozessor 19 enthält.
Im Betrieb erfassen die Erfassungsschaltungen 25 und 35 jeweilige atriale und ventrikuläre Analogsignale 23 und 33 vom Herzen 11 und wandeln die erfaßten Signale in digitale Signale um. Zusätzlich empfangen die Erfassungsschaltungen 25 und 35 eine eingegebene atriale Erfassungssteuerung 27 und eine eingegebene ventrikuläre Erfassungssteuerung 37 von dem Steuerblock 39, welcher die Empfindlichkeit bestimmt, die auf die Erfassungsschaltung angewendet wird.
Die atriale Reizungsschaltung 24 empfängt vom Steuerblock 39 über den atrialen Reizungssteuerbus 28 eine atriale Reizungssteuereingabe und eine atriale Reizungsenergiesteuereingabe. In ähnlicher Weise empfängt die ventrikuläre Reizungsschaltung 34 vom Steuerblock 39 über einen ventrikulären Reizungssteuerbus 38 eine ventrikuläre Reizungssteuereingabe und eine ventrikuläre Reizungsenergiesteuereingabe. Die atriale und ventrikuläre Reizungssteuereingabe bestimmen den jeweiligen Typ von atrialer und ventrikulärer Reizung, welche an das Herz über die atriale Reizungsimpulsleitung 31 und die atriale Herzleitung 12 sowie über die ventrikuläre Reizungsimpulsleitung 32 und die ventrikuläre Herzleitung 13 zu liefern ist. Die atriale und ventrikuläre Reizungsenergiesteuereingabe bestimmten die jeweiligen Größen der so gelieferten Reizungsimpulsenergie. Der Betrieb der Logik, welche die Impulsenergie ändert, ist detaillierter im US-Patent Nr. 4869252 von Norma Louise Gilli, erteilt am 26. September 1989 und mit dem Titel "Apparatus And Method For Controlling Pulse Energy In Antitachyarrhythmia And Bradycardia Pacing Devices" beschrieben.
Die Telemetrieschaltung 30 schafft eine bidirektionale Verbindung zwischen dem Steuerblock 39 des Schrittmachers 17 und einer externen Vorrichtung, wie z.B. einem Programmierer. Sie erlaubt, daß Daten, wie z.B. die Betriebsparameter, in dem implantierten Modul 10 gelesen oder geändert werden.
Mit Bezug auf Fig. 3 umfaßt der Mikroprozessor 19 zwei 16-Bit- Zeitgeber 51 und 52, eine CPU 53, einen Vektorinterrupt-Block 54, einen ROM 55, einen RAM 56, einen externen Speicher 57, einen Portblock 41 und einen internen Kommunikationsbus 40. Das RAM 56 agiert als Notizblock und Aktivspeicher während der Ausführung der verschiedenen Programme, die im ROM 55 gespeichert sind und vom Mikroprozessor 19 verwendet werden. Diese Programme enthalten Systemüberwachungsprogramme, Erfassungsalgorithmen zum Erfassen und Bestätigen verschiedener Arrhythmien und eine Programmierung zum Implementieren der Logikflußdiagramme von Fig. 6 und Fig. 11, sowie Speicherprogramme zum Speichern von Daten betreffend der Funktion des Moduls 10 und des Elektrogramms, das durch die ventrikuläre Herzleitung 13 (Fig. 1) geliefert wird, im externen Speicher 57. Die Zeitgeber 51 und 52 und die zugehörige Steuersoftware implementieren einige Zeitsteuerfunktionen, die vom Mikroprozessor 19 erfordert sind, ohne sich vollständig auf Software zu beziehen, und so die Berechnungsbelastungen für und den Leistungsverbrauch von der CPU 53 zu reduzieren.
Von der Telemetrieschaltung 30 empfangene Signale (Fig. 2) ermöglichen es einem externen Programmierer (nicht gezeigt), die Betriebsparameter des Herzschrittmachers 17 zu ändern, durch Zuführung geeigneter Signale an den Steuerblock 39. Der Kommunikationsbus 42 dient zum Bereitstellen von Signalen zum Anzeigen solche einer Steuerung zum Mikroprozessor 19. Somit ist es stets für einen externen Programmierer möglich, den Betrieb des Nervenstimulators 20 und des Defibrillators 16 mittels Signalen, die an den Mikroprozessor 19 geliefert werden, zu steuern.
Geeignete Telemetriebefehle können die Telemetrieschaltung 30 veranlassen, Daten an den externen Programmierer zu übertragen. Die gespeicherten Daten werden durch den Mikroprozessor 19 ausgelesen, und zwar auf den Kommunikationsbus 42 über den Steuerblock 39 im Herzschrittmacher 17, und in die Telemetrieschaltung 30 zur Übertragung an den externen Programmierer durch einen Sender in der Telemetrieschaltung 30.
Der Mikroprozessor 19 empfängt verschiedene Status- und/oder Steuereingaben von dem Herzschrittmacher 17 und dem Defibrillator 16, wie z.B. die Erfassungssignale auf den Erfassungsleitungen 45 und 49. Er führt Operationen durch, wie z.B. Arrhythmie-Erfassung, und erzeugt Ausgaben, wie z.B. die atriale Reizungssteuerung auf der Leitung 46 und die ventrikulär Reizungssteuerung auf der Leitung 50, welche den Typ von Reizung bestimmen, der stattzufinden hat. Weitere Steuerausgaben, die von dem Mikroprozessor 19 erzeugt werden, enthalten die atriale und ventrikuläre Reizungsenergiesteuerung auf den Bussen 44 und 48, welche die Größe der Impulsenergie bestimmen, die Schocksteuerung auf dem Bus 59, welche signalisiert, daß ein Schock an den Patienten zu liefern ist, die Versorgungssteuerung auf dem Bus 58, welche anzeigt, daß ein Schock an einer internen Last innerhalb des Defibrillators abzuladen ist, die Ladungssteuerung auf dem Bus 60, welche den Spannungspegel des zu liefernden Schocks bestimmt, und die atriale und ventrikuläre Empfindlichkeitssteuerung auf dem Bus 43 bzw. 47, welche die Empfindl ichkeitseinstellungen der Erfassungsschaltungen bestimmen.
Zusätzlich steuert der Mikroprozessor 19 alle Aspekte der neuralen Stimulation, wie nachstehend detailliert beschrieben werden wird, nämlich durch Formulierung von Steuersignalen und Übertragung derselben Signale über den neuralen Stimulationssteuerbus 22 an den Nervenstimulator 20. Die Ladungsspannungs-Pegelleitung 61 liefert ein digitales Signal zum Darstellen einer Leitungsspannung von einem Analog/Digital-Wandler innerhalb des Defibrillators 16, um so eine Rückkopplungsschleife zu erzeugen, welche gewährleistet, daß ein Schock mit einem geeignete Energiepegel durch den Defibrillator 16 geliefert wird.
Mit Bezug auf Fig. 4 empfängt der Nervenstimulator 20 Eingangssignale vom Mikroprozessor 19 über den neuralen Stimulationssteuerbus 22. Diese Signale enthalten die Spannung (VDD), welche typischerweise eine Amplitude von 2,8 V aufweist, sowie die Massereferenz (VSS) sowie die Steuersignale S_L, 2X_L, D_L, XCHB_L und M_ON_H. Der Herzschrittmacher 17 führt die Batteriespannung B_POS und B_NEG zu, welche die Energie für die biphasische neurale Stimulation liefert. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt die B_POS-Amplitude etwa 3 V. Die Batteriespannungen B_POS und B_NEG schweben bezüglich der Schaltungsspannung VDD zur Verhinderung von Schwankungen in der Schaltungsenergie während verschiedenen Teilen des Herzzyklus, verursacht durch inkonsistente Anforderungen an die Batterie von der Reizungsimpulsschaltung und den Nervenstimulationsimpuls-Erzeugungsschaltungen.
XCHB_L, ein Kreuzkanal-Austaststeuersignal, vom Mikroprozessor wird ebenfalls an eine Erfassungsaustasteingabe des Mikroprozessors 17 zur Deaktivierung der Herzschrittmacher-Erfassung während der Erzeugung eines neuralen Stimulationsimpulses geführt. Dies verhindert, daß der Herzschrittmacher 17 einen neuralen Stimulationsimpuis inkorrekterweise als eine Episode intrinsischer Herzaktivität klassifiziert.
Die Schaltung von Fig. 4 erzeugt ansprechend auf vom Mikroprozessor geschriebene Codes biphasische neurale Stimulationsimpulse auf den neuralen Leitungen 21, M+ und M-. Alle Charakteristika der neuralen Stimulationsimpulse, der Zeitablauf, die Frequenz, die Burstdauer, die Amplitude, die Impulsbreite und die Impulsmorphologie werden vom Mikroprozessor bestimmt. Die Schaltungsanordnung von Fig. 4 reagiert nur auf diese Eingabecodes durch Erzeugen einer bestimmten Amplitude und eines Polaritätssignals auf der M+- und M--Zuleitung. Auf diese Art und Weise erzeugt der Mikroprozessor die Charakteristika der neuralen Stimulationsimpulse gemäß dem Zeitablauf der Codes, die auf den neuralen Stimulationssteuerbus 22 geschrieben sind.
Die Eingabesignalleitungen S_L, M_ON_H und XCHB_L enthalten Nervenimpulsaktivierungs- und -polaritätssteuersignale, welche in dem Sinn dynamisch sind, daß der Mikroprozessor 19 die an diese Leitungen geschriebenen Codes schreibt und zeitlich koordiniert, um eine bestimmte Amplitude für eine vorbestimmte Dauer zu erzeugen. Der Mikroprozessor aktiviert die Schaltung von Fig. 4 zur Erzeugung einer Ausgabe auf einer oder der anderen der Leitungen M+ und M- durch Einstellen der Eingangssignalleitung M_ON_H auf 1, was mittels der Steuerung eines p- Kanal -Schal tfel deffekttransistors Q3 eine Batteriespannung B_POS oder B_NEG auf die entsprechende Leitung M+ und M- legt, und zwar abhängig von dem - 16 - EP 0547734 Signal auf der Eingangssignalleitung S_L. Der Mikroprozessor steuert den Stimulusimpulszeitverlauf und die -breite durch Einstellen eines Signals auf der Eingangssignalleitung S L für eine vorbestimmte Zeit und Dauer. Wenn der Mikroprozessor einen Wert von 0 auf die Eingangssignalleitung S_L schreibt, während ein Wert von 1 auf der Eingangssignalleitung M_ON_H ist, werden die Ausgänge der p-Kanal-Schaltfeldeffekttransistoren Q7 und Q8 aktiviert, die M+-Zuleitung zu aktivieren, und die Ausgänge der n-Kanal- Schaltfeldeffekttransistoren Q10 und Q11 werden deaktiviert, um die M-- Leitung zu deaktivieren, und ein Ausgangsimpuls positiver Polarität mit einer Dauer R, wie bei 62 in Fig. 5 gezeigt, erzeugt. Alternativermaßen kann der Mikroprozessor einen Wert von 1 auf die Leitung S_L schreiben, um die Feldeffekttransistoren Q7 und Q8 zu deaktivieren und die Transistoren Q10 und Q11 zu aktivieren, um einen Ausgangsimpuls mit negativer Polarität, der eine Dauer S hat, zu erzeugen, wie bei 63 in Fig. 5 gezeigt. Falls der an die Eingangssignalleitung M_ON_H angelegte Wert 0 ist, wird weder die Zuleitung M+ noch die Zuleitung M- mit Energie versorgt, und der Nervenstimulator erzeugt keinen Impuls. Falls der Wert auf der Eingangssignalleitung M_ON_H auf 1 eingestellt ist und der Wert auf der Leitung S_L auf 0 eingestellt ist, wird die Zuleitung M+ mit Energie versorgt, und der Nervenstimulator erzeugt einen Impuls positiver Polarität 62, wie in Fig. 5 gezeigt. Die Dauer R ist ein programmierbarer Parameter für den Mikroprozessor. Falls der Wert auf der Leitung M_ON_H auf 1 eingestellt ist und der Wert auf der Leitung S_L auf 1 eingestellt ist, wird die Zuleitung M- mit Energie versorgt, und der Nervenstimulator erzeugt einen Impuls negativer Polarität 63 mit der Dauer S von Fig. 5. Die Stimulusdauer S ist ein programmierbarer Parameter für den Mikroprozessor. Der Mikroprozessor steuert die Leitung XCHB_L zum Einstellen des Zeitablaufs und der Dauer der Erfassungsaustasteingabe des Herzschrittmachers 17 zur Deaktivierung der Herzschrittmacher-Erfassung während der Erzeugung eines neuralen Stimulationsimpulses. Die Kreuzkanalaustastdauer kann für den Mikroprozessor ein programmierbarer Parameter sein.
Die Eingangssignalleitungen D_L und 2X_L enthalten Nervenimpulsamplitudensteuerungen, welche in dem Sinne statisch sind, daß der Mikroprozessor 19 sie höchstens einmal pro Zyklus schreibt. Normalerweise schreibt der Mikroprozessor nur die Amplitudensteuersignale beim Wiederprogrammieren über die Telemetrie durch eine externe Kommunikationsvorrichtung. Die Leitung D_L wird als Batteriespannungsdoppler verwendet. Die Leitung 2X_L wird als ein Stimulusspannungsdoppler verwendet. Somit bleiben die Leitungen D_L und 2X_L auf den gleichen Einstellungen über eine Vielzahl von Herzzyklen, während der Nervenstimulationsimpuls, der erzeugt wird, eine negative, positive oder Null-Polarität aufweist. Wenn der Mikroprozessor die Leitung D_1 auf 1 ("ein") setzt, aktiviert der n-Kanal-Schaltfeldeffekttransistor Q9 die Verdopplung der Batteriespannung. Auf ähnliche Art und Weise (aber mit einer entgegengesetzten Polarität) aktiviert, wenn der Mikroprozessor die Leitung 2X_L auf 0 ("ein") setzt, der p-Kanal- Schaltfeldeffekttransistor Q9 die Verdopplung der Stimulusspannung. Deshalb ist, wenn der Mikroprozessor die Leitung D_L "aus" (0) und 2X_L "aus" (1) setzt, die Amplitude des Nervenstimulationsimpulses gleich der Batteriespannung, nämlich 3 V bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Wenn der Mikroprozessor D_L "ein" (1) und 2X_L "aus" (1) setzt, ist die Amplitude des Nervenstimulationsimpulses gleich dem Doppelten der Batteriespannung (6 V). Wenn der Mikroprozessor D_L "ein" (1) und 2X_L "ein" (0) setzt, ist die Amplitude des Nervenstimulationsimpulses gleich dem Vierfachen der Batteriespannung (12 V).
Wiederum mit Bezug auf Fig. 1 arbeitet der Mikroprozessor 19, wenn er bestimmt, daß die Nervenstimulation geeignet ist, in Zusammenhang mit dem Nervenstimulator 20 zur Erzeugung von Impulsen oder Bursts von Impulsen, welche dem neuralen Gewebe 9 zugeführt werden. Der Mikroprozessor kann diese Impulse oder Bursts von Impulsen bezüglich der intrinsischen oder gereizten Herzaktivität, welche erfaßt bzw. erzeugt wird, nämlich durch den Herzschrittmacher 17, zeitlich abstimmen. Dieser Modus der Nervenstimulation wird "synchrone" neurale Stimulation genannt. Alternativermaßen kann der Mikroprozessor 19 die Impulse oder Bursts von Impulsen gemäß den Operationen eines internen Zeitgebers zeitlich abstimmen, wobei die Stimulation asynchron bezüglich individueller Herzereignisse auftritt.
Gemäß der "synchronen" Programmierung des Mikroprozessors 19 sendet der Herzschrittmacher 17, wenn er ein natürliches atriales oder ein natürliches ventrikuläres intrinsisches Ereignis erfaßt, er ein Signal an den Mikroprozessor 19 über die atriale Erfassungsleitung 45 oder die ventrikuläre Erfassungsleitung 49 sendet. Der Mikroprozessor 19 kann derart programmiert sein, daß er auf solche ein Signal durch Erzeugen einer neuralen Stimulation reagiert. Alternativermaßen sendet der Mikroprozessor 19 in dem Fall, daß die natürliche Herzfrequenz des Patienten unter eine vorbestimmte Frequenz fällt, ein atriales Reizungssteuersignal auf der Leitung 46, ein ventrikuläres Reizungssteuersignal auf der Leitung 50 oder beide Signale an den Herzschrittmacher 17, um einen Reizungsimpuls für das Herz zu erzeugen. Zusätzlicherweise kann der Mikroprozessor derart programmiert sein, daß er eine neurale Stimulation nach solche einem Reizungsereignis triggert. Die Programmierung eines synchronen Betriebs des Nervenstimulators enthält die Spezifikation eines Synchronisationsverhältnisses, welches das Verhältnis von Herzereignissen für jeden Nervenstimulationsimpuls bestimmt. Der Mikroprozessor 19 setzt einen Herzereigniszähler mit jeder Initiierung eines Nervenstimulationsburst zurück und inkrementiert den Zähler mit jedem folgenden Herzereignis. Für jeden Nervenstimulationsburst wartet der Mikroprozessor 19 ein vorbestimmtes und programmiertes Verzögerungsintervall, bevor er den Burst initiiert.
Weitere programmierte Parameter, welche verwendet werden können, sind ein Zwischenimpulsintervall, die Stimulusdauer, die Wiederladedauer, die Kreuzkanalaustastdauer und eine maximale Neurostimulationsrate. Alle oder einige dieser Parameter können vorprogrammierte Wertesätze aufweisen, welche von der Rate abhängen, mit der das Herz schlägt. Ein Zwischenimpulsintervall bestimmt die Zeit zwischen jedem individuellen Impuls innerhalb eines Bursts von Impulsen. Eine Burstfrequenz ist der Kehrwert des Zwischenimpulsintervalls. Die maximale Neurostimulationsrate ist eine obere Ratengrenze der Synchronisation der Herz- und Neurostimulationsaktivität. Bei einem Herzereignis, das mit einer Herzrate auftritt, die schneller als die maximale Neurostimulationsrate ist, kann der Mikroprozessor keine Nervenstimulation erzeugen, sondern wird anstatt dessen den Nerv beim Triggern durch das nächstfolgende Herzereignis stimulieren.
Der Antiarrhythmie-Herzschrittmacher nach der vorliegenden Erfindung überwacht die Aktivität des Herzens zum Bestimmen, wann und wie eine Antiarrhythmie-Therapie zu liefern ist. Der Fließplan von Fig. 6 definiert ein Beispiel von Arrhythmie-Erfassungs-, -Bestätigungs- und - Klassifikationsoperationen, durchgeführt durch einen Mikroprozessor, welcher durch den Antiarrhythmie-Herzschrittmacher nach der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Der Mikroprozessor 19 von Fig. 1 ist derart programmiert, daß er auf atriale Erfassungssignale auf der Leitung und ventrikuläre Erfassungssignale auf der Leitung 49 von dem Schrittmacher 17 anspricht. Für einige oder alle Herzzyklen kann der Mikroprozessor ein Zeitintervall messen, das dem Herzzyklus zugeordnet ist. Das Programm in dem Mikroprozessor kann einen Herzzyklus als ein atriales Zyklusintervall (P-Welle zu P-Welle) oder ein ventrikuläres Zyklusintervall (R-Welle zu R-Welle) definieren. Weiterhin kann der Intervallzeitablauf sich auf stimulierte Herzereignisse verlassen sowie auf intrinsische Herzereignisse.
Mit Bezug auf Fig. 6 führt der Mikroprozessor 19 zunächst eine Arrhythmie-Erfassung durch. In einer Erfassungszyklus- Auffrischungsoperation 130 mißt der Mikroprozessor das Zeitintervall, welches dem gegenwärtigen Herzzyklus zugeordnet ist. Der Mikroprozessor kann die Intervall information für einen bestimmten Herzzyklus basierend auf der Dauer eines Intervalls verwerfen, um so Signale aufgrund von Rauschen oder Artifakten zu ignorieren, wie gesteuert durch die Erfassungszyklus- Rauschlogikoperation 131. Die resultierende Intervallinformation sowie eine Notiz von Informationen betreffend die jüngste Geschichte von Intervallinformationen wird durch den Mikroprozessor in RAM-Speicher 121 (Fig. 1) gespeichert und zur Erfassung, Bestätigung und Klassifikation von Arrhythmien verwendet. Während der Arrhythmie-Erfassung beginnt der Mikroprozessor, falls ein Herzzyklus nicht als ein Rauschzyklus charakterisiert ist, jedesmal, wenn der Mikroprozessor die Intervalldauer und die Intervallgeschichtsspeicher im Block 130 auffrischt, die Durchführung einer Arrhythmie-Erfassung, und zwar beginnend mit der Fibrillationserfassungsoperation 132. Die Fibrillationserfassungsoperation 132 unterscheidet Tachyarrhythmien mit sehr kurzen Intervallen durch Vergleich der augenblicklichen Intervalldauer mit einem vorbestimmten kurzen Intervall, genannt ein Fibrillationserfassungsintervall, welches als Anzeige von Fibrillation (beispielsweise 250 ms) betrachtet wird. Jedoch erfaßt der Mikroprozessor nicht eine Arrhythmie basierend auf nur einem Herzzyklus. Anstatt dessen wird ein X-von-Y-Erfassungskriterium zur Definition einer Arrhythmie verwendet, wobei ein Kriterium nur erfüllt ist, wenn zumindest X von den letzten Y-Herzzyklen Zyklusintervalle aufweisen, die kürzer als das definierte Intervall sind. Beispielsweise kann die Fibrillationserfassung erfordern, daß 8 der letzten 10 Intervalle kürzer als 250 ms sind. Falls die so ist, initiiert eine Fibrillationserfassungs- Logikoperation 133 eine Arrhythmie-Bestätigung, und zwar beginnend mit einer Bestätigungszyklus-Auffrischoperation 138. Falls dies nicht so ist, führt der Mikroprozessor eine Tachykardie-Erfassungsoperation 134 durch.
Die Tachykardie-Erfassungsoperation 134 erkennt Tachykardien auf die gleiche Art und Weise wie die Fibrillationserfassungsoperation 132, die oben beschrieben wurde, durch Vergleichen der augenblicklichen Herzzykluslänge mit einer vorbestimmten Grenze und durch Überwachen der Geschichte der Herzzykluslängen bezüglich dieses Vergleichs. Die Zykluslängengrenze wird ein Tachykardie-Erfassungsintervall genannt. Sie ist programmierbar bis zu einer Dauer im Bereich von 200 bis 600 ms. Das X-von-Y-Erfassungskriterium für die Tachykardie-Erfassung ist ebenfalls programmierbar. Übliche Kriterien können 8 von 10, 12 von 15 oder 16 von 20 sein. Falls das X-von-Y-Kriterium erfüllt ist, initiiert eine Tachykardie-Erfassungslogikoperation 135 eine Arrhythmie-Bestätigung, und zwar beginnend mit der Bestätigungszyklus-Auffrischoperation 138. Falls nicht, führt der Mikroprozessor eine Tachykardie-Einsatzerfassungsoperation 136 durch.
Die Tachykardie-Einsatzerfassungsoperation 136 erkennt eine plötzliche und andauernde Abnahme der Intervalldauer zur Anzeige des Einsatzes einer Tachyarrhythmie. Sie beinhaltet zwei Erfassungsverfahren, das X-von-Y-Kriterium zur Gewährleistung, daß die Abnahme in der Intervallänge andauert und eine Änderung des Intervalldetektors, welcher eine plötzlich Änderung der Intervallänge prüft. Die Änderung des Intervalldetektors verwendet eine vorbestimmte und programmierbare Delta- Funktion. Delta ist der Betrag, um den die Intervalle beim Einsatz abnehmen müssen, um die Änderung des Intervalldetektors zu erfüllen. Die Zykluslängengrenze ist programmierbar und wird ein Einsatzerfassungsintervall genannt. Der Bereich von Einsatzerfassungsintervallen ist wie das Tachykardie-Erfassungsintervall im Bereich von 200 bis 600 ms. Jedoch muß das Einsatzerfassungsintervall für eine Intervallänge länger als das Tachykardie-Erfassungsintervall programmiert werden. Das X-von-Y-Erfassungskriterium für die Tachykardie- Einsatzerfassung ist ebenfalls programmierbar.
Die Erfassungszyklus-Auffrischoperation 130 führt zwei Mittelungsoperationen zur Verwendung durch die Änderung des Intervalldetektors durch. Wenn der Herzrhythmus stabil und langsam ist, mittelt die Erfassungszyklusauffrischung die Herzzyklusintervalle zum Erhalten eines normalen Sinusrhythmusintervalls. Diese Mittlung tritt auf, wenn die Herzzyklusintervalle länger sind als das Einsatzerfassungsintervall während mehr als einer vorbestimmten Anzahl aufeinanderfolgenden Herzzyklen. Die Erfassungszyklus-Auffrischoperation 130 führt ebenfalls eine kurzfristige Mittlung einer vorbestimmten Anzahl der jüngsten Herzzyklen (beispielsweise 2 Zyklen) durch. Der Tachykardie- Einsatzdetektor 136 erkennt eine Änderung des Intervalls, wenn das kurzfristig gemittelte Intervall kürzer ist als das normale Sinusrhythmusintervall weniger dem vorbestimmten und programmierten Delta- Intervall. Falls die Änderung des Intervalls und der Einsatz des X-von-Y- Kriteriums erfüllt ist, initiiert eine Einsatzerfassungs-Logikoperation 137 eine Arrhythmie-Bestätigung, und zwar beginnend mit der Bestätigungszyklus- Auffrischoperation 138. Falls nicht, hat der Mikroprozessor keine Arrhythmie erfaßt, und die Betriebssteuerung kehrt zurück zur Erfassungszyklus-Auffrischoperation 130.
Die Bestätigungszyklus-Auffrischoperation 138 ist analog zur Erfassungszyklus-Auffrischoperation 130. Der Mikroprozessor mißt das Zeitintervall, das dem vorliegenden Herzzyklus zugeordnet ist, verwirft die Intervallinformation für verrauschte Herzzyklen (unter der Steuerung der Bestätigungszyklus-Rauschlogikoperation 139) und vermerkt die Intervallängen- und Intervallängengeschichtsinformation.
Eine Arrhythmie-Bestätigungsoperation 140 bestätigt das Vorliegen einer Tachyarrhythmie vor dem Liefern einer Antitachykardiereizungs-, Kardioversions- oder Defibrillationstherapie. Wie die Arrhythmie- Erfassungsoperationen 132, 134 und 136 verwendet die Arrhythmie-Bestätigung ein X-von-Y-Kriterium, welches eine Geschichte von Intervallen vergleicht, die in der Konfirmationszyklus-Auffrischoperation 138 angesammelt worden sind, bezüglich eines Tachykardie-Bestätigungsintervalls. Der Wert des Tachykardie-Bestätigungsintervalls hängt ab vom Arrhythmie-Detektor, welcher das Vorliegen einer Arrhythmie bestimmt hat. Falls die Arrhythmie durch den Tachykardie-Einsatzdetektor erfaßt wurde, wird das Tachykardie- Bestätigungsintervall auf das normale Sinusrhythmusintervall eingestellt, und zwar bestimmt durch die Erfassungszyklus-Auffrischoperation 130, weniger einem halben des vorbestimmten und programmierten Delta-Intervalls. Falls die Arrhythmie durch den Fibrillations- oder Tachykardiedetektor erfaßt wurde, wird das Tachykardie-Bestätigungsintervall auf das Tachykardie-Erfassungsintervall eingestellt. Das X-von-Y-Kriterium ist vorbestimmt und kann programmiert werden. In einer Bestätigungslogikoperation 141 führt, falls das X-von-Y-Kriterium erfüllt ist, der Herzschrittmacher führt eine Arrhythmie-Klassifikationsoperation 142 durch. Falls das Kriterium nicht erfüllt ist, überwacht der Herzschrittmacher wiederum die Arrhythmie-Erfassung in der Erfassungszyklus-Auffrischoperation 130. Falls mehr Zyklen zur Bestimmung erforderlich sind, ob das X-von-Y-Kriterium erfüllt ist, springt die Steuerung zurück zur Bestätigungszyklus-Auffrischoperation 138.
Nach der Bestätigung der Tachyarrhythmie und vor der Lieferung einer Therapie klassifiziert die Arrhythmie-Klassifikations operation 142 die Tachyarrhythmie zur Bestimmung der Therapie oder Therapien, welche bei der Behandlung der Tachyarrhythmie zu verwenden sind. Die Klassifikation basiert auf einem X-von-Y-Kriterium, welches auf die Herzzyklusintervalle angewendet wird, die in der Bestätigungszyklus-Auffrischoperation 138 überwacht wurden. Diese Zyklusintervalle werden mit zwei vorbestimmten und programmierbaren Intervallen verglichen, einer minimalen Tachykardie- Zykluslänge für Antitachykardiereizung (MinTCLATP) und einer maximalen Tachykardie-Zykluslänge zur Defibrillation (MaxTCLdfib). Für Arrhythmien mit erfaßten Intervallen kürzer als MinTCLATP ist eine Antitachykardiereizung ineffektiv. Für Arrhythmien mit erfaßten Intervallen kürzer als MaxTCLdfib ist der Patient als hämodynamisch durch die Arrhythmie kompromittiert angesehen und erfordert deshalb eine Defibrillationsschocktherapie. Somit initiiert der Mikroprozessor, falls die erfaßten Intervalle als MinTCLATP sind, eine Antitachykardiereizung in einer Arrhythmie-Therapieoperation 143. (Es sei bemerkt, daß die Arrhythmie an diesem Punkt bestätigt ist.) Falls die erfaßten Intervalle kürzer als MinTCLATP, aber länger als MaxTCLdfib sind, initiiert der Mikroprozessor eine Antitachykardiereizung in der Arrhythmie-Therapieoperation 143, wird aber ebenfalls eine Defibrillation verwenden, falls die Antitachykardiereizung nicht erfolgreich ist. Falls die erfaßten Intervalle als MasTCLdfib sind, dann initiiert der Mikroprozessor eine Defibrillation in der Arrhythmie- Therapieoperation 143. Die Arrhythmie-Therapieoperation 143 wird im weiteren detailliert erörtert. Folgend der Arrhythmie-Therapieoperation 143 kehrt der Herzschrittmacher zurück zur Arrhythmie-Erfassungsoperation im Erfassungszyklus-Auffrischblock 130.
Weitere Ausführungsformen des Antitachykardie-Herzschrittmachers nach der vorliegenden Erfindung können andere Einrichtungen zum Erfassen des Auftretens von Arrhythmie-Episoden verwenden, von denen einige die Verwendung physiologischer und metabol ischer Sensoren beinhalten. In dieser Hinsicht wird Bezug genommen auf das US-Patent mit der Nummer 5161527 mit dem Titel "APPARATUS AND METHOD FOR DETECTING ABNORMAL CARDIAC RHYTHMS IN DUAL CHAMBER ARRHYTHMIA CONTROL SYSTEM", eingereicht am 13. Februar 1991 im Namen von Tibor A. Nappholz et al., und auf das US-Patent mit der Nummer 5183040 mit dem Titel "APPARATUS AND METHOD FOR DETECTING ABNORMAL CARDIA RHYTHMS USING AN ULTRASOUND SENSOR IN AN ARRHYTHMIA CONTROL SYSTEM", angemeldet am 8. März 1991 im Namen von Tibor A. Nappholz et al., von denen beide dem Inhaber der vorliegenden Erfindung gehören. Bezug kann ebenfalls genommen werden auf das US-Patent mit der Nummer 5184615 mit dem Titel "APPARATUS AND METHOD FOR DETECTING ABNORMAL CARDIAC RHYTHMS USING EVOKED POTENTIAL MEASUREMENTS IN AN ARRHYTHMIA CONTROL SYSTEM", angemeldet am 8. März 1991, im Namen von Tibor A. Nappholz et al., sowie auf das US-Patent mit der Nummer 5217021 mit dem Titel "DETECTION OF CARDIAC ARRHYTHMIAS USING CORRELATION OF CARDIAC ELECTRICAL SIGNALS AND TEMPORAL DATA COMPRESSION", angemeldet am 29. Juli 1991 im Namen von Bruce M. Steinhaus et al., von denen beide dem Inhaber der vorliegenden Erfindung gehören.
Zusätzlich zur Durchführung einer Antiarrhythmie-Therapie ansprechend auf die Erfassung von Arrhythmien führt der Antiarrhythmie- Herzschrittmacher nach der vorliegenden Erfindung ebenfalls eine Therapie bei der Erfassung von Vorläufern von Arrhythmie durch.
Der Herzschrittmacher 17 von Fig. 1 akquiriert intrakardiäre Elektrogramm (IEGM)-Abtastungen, welche der Mikroprozessor 19 überwacht und analysiert, um Arrhythmie-Vorläufer zu erfassen. Einige IEGM-Merkmale treten bekannterweise bei Patienten auf, welche möglicherweise letale ventrikuläre Tachyarrhythmien erleiden. Zwei Typen von Vorläufern wurden identifiziert, welche ventrikulärer Fibrillation oder plötzlichem Tod vorhergehen und betreffen: (a) anomale ventrikuläre Rhythmen und (b) anomale Elektrokardiogramm-Polarisationswellenformen. Fig. 7A-7C illustrieren ventrikuläre Fibrillationsvorläufer, welche anomale ventrikuläre Rhythmen in Form von komplexen ventrikulären Arrhythmien zeigen, und zwar einschließlich ventrikulärer Tachykardie (Fig. 7A), ventrikulärer Paare (Fig. 7B) und frühzeitiger ventrikulärer Komplexe (PVCs in Fig. 7C). Der Grad an Komplexität solcher ventrikulären Arrhythmien (beispielsweise dynamische Oszillationen in der Rate des Auftretens ventrikulärer Tachykardie oder wilde Variationen in der Länge von Anfällen ventrikulärer Tachykardie) und eine ansteigende Rate des Auftretens ventrikulärer Arrhythmien sind so bedeutsam wie das Vorliegen solcher Merkmale bei der Erfassung von Vorläufern. Die Dichte ventrikulärer Arrhythmien, definiert als das Verhältnis anomaler zu normalen ventrikulären Rhythmen, ist ebenfalls hilfreich für die Diagnostizierung gefährlicher Arrhythmien.
Vorläufer, welche in erster Linie durch Anomalitäten in der IEGM- Wellenform charakterisiert werden, und nicht durch Anomalitäten in der Herzfrequenz oder dem -rhythmus, sind in Fig. 8A, 8B und 9A-9C gezeigt und enthalten: Repolarisationsanomalitäten, ST-Segment-Änderungen und Spätpotentiale. Der Mikroprozessor 19 muß die Feinstruktur innerhalb der IEGM-Wellenformen zum Erfassen von Vorläufern von Wellenformanomalitäten analysieren. Der Mikroprozessor analysiert die Feinstruktur von den IEGMs zum Erfassen von R-an-T ventrikulären frühzeitigen Depolarisationen (Fig. 8A), welche häufig maligne Arrhythmien, Repolarisationsanomalitäten, wie z.B. verlängerte QT-Intervalle (Fig. 8B), und ST-Segment-Änderungen (Fig. 9A und 9B, ST-Segment-Erhöhung und -Erniedrigung) initiieren. Alle diese Ereignisse haben eine diagnostische Signifikanz für die Vorhersage imminenter ventrikulärer Fibrillation. Spätpotentiale (bezeichnet mit LP in Fig. 9C) antizipieren ebenfalls Episoden ventrikulärer Tachykardie oder Fibrillation.
Der Zeitablauf bestimmter Precursor sowie ihre Gegenwart ist diagnostisch bedeutsam zur Bestimmung des Einsatzes und Risikos plötzlichen Todes. In vielen Fällen plötzlichen Herztodes sind die ersten Anzeichen von Arrhythmie ein maximales Auftreten von intermediär häufigen (von 100 bis 500 pro Stunde) frühzeitigen ventrikulären Komplexen, welche zwischen fünfzehn und sechs Stunden vor der ventrikulären Fibrillation auftreten. Dies ist gefolgt durch eine erhöhte Frequenz in ventrikulären Paaren und Läufen von komplexer ventrikulärer Arrhythmie einschließlich ventrikulärer Tachykardie. Repolarisationsanomalitäten treten oft in der IEGM-Wellenform einige Stunden vor ventrikulärer Fibrillation auf. Oft gibt es ein erhöhtes Auftreten von ST-Segment-Änderungen mit einer Amplitude größer als 2 mm während der Risikoperiode und andauernd bis zur dritten Stunde vor dem plötzlichen Tod. Innerhalb drei Stunden vor dem plötzlichen Tod vermindern sich die St-Segment-Änderungen dieser Amplitude in ihrem Auftreten. Während der letzten sechs Stunden vor dem plötzlichen Tod gibt es ein erhöhtes Auftreten von ST-Segment-Änderungen mit geringer Amplitude, und zwar üblicherweise in der Richtung der Erhöhung. Während dieser letzten Stunden vermindert sich die ST-Segment-Änderung schrittweise von einer hohen Amplitude zur Grundlinie.
Der Mikroprozessor 19 akquiriert ständig IEGM-Signale und erfaßt aus diesen ventrikuläre Ereignisse und analysiert die Feinstruktur der Abschnitte des Signals unter Verwendung bekannter analytischer Techniken. Viele dieser diagnostischen Details eines IEGM liegt in der Nähe des QRS- Komplexes. Fig. 10 illustriert eine Wellenform eines normalen Herzzyklus mit üblichen Zeitablaufintervallen, welche darin angedeutet sind. ST- und QT-Intervalle enden jeweils am Beginn bzw. Ende der T-Welle. Normale P- Wellen haben eine Dauer im Bereich von 0,04 bis 0,08 Sekunden und gehen der R-Welle voran (das PR-Intervall), und zwar um 0,12 bis 0,20 Sekunden. Der QRS-Komplex, welcher mit der Q-Welle beginnt und mit der S-Welle endet, hat normalerweise eine Dauer von 0,04 bis 0,10 Sekunden.
Für jeden Herzzyklus führt der Mikroprozessor 19 die im Fließdiagramm von Fig. 11 gezeigten Operationen durch. Im allgemeinen identifiziert der Mikroprozessor Herzereignisse, korreliert die Ereignisse mit Zeitintervallen innerhalb des Herzzyklus und analysiert die detaillierte Struktur innerhalb des IEGM. Während der Erfassung der IEGM-Signale sucht der Mikroprozessor zunächst nach der R-Welle innerhalb des vorliegenden Herzzyklus im Block 303. Die R-Welle hat normalerweise die größte Steigung innerhalb des Herzzyklus (die größte Änderung in der Polarisationsamplitude innerhalb einer kurzen Zeit) und eine große Amplitude. Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung verwendet einen Delta-Komparator, einen Steigungsdetektor, zur Erfassung der R-Welle. Der Mikroprozessor tastet kontinuierlich im Block 300 ab, bis er eine R-Welle im Block 303 erfaßt. Als Teil des Abtastprozesses im Block 300 sichert der Mikroprozessor Daten betreffend die Morphologie des QRS-Komplexes zur weiteren Analyse. Diese Daten könnten Abtastungen von IEGM-Amplitude, maximaler positiver und negativer Polaritätsexkursionen und Ableitungen (Steigungen) der vorauslaufenden und nachlaufenden Flanke des QRS-Komplexes enthalten. Nach der Erfassung der R-Welle bestimmt der Mikroprozessor die verstrichene Zeit seit der letzten R-Welle im Block 305. Das Reziproke der verstrichenen Zeit ist die momentane Herzfrequenz für den vorliegenden Zyklus. Der Mikroprozessor kalkuliert diesen Reziprokwert und ermittelt die gegenwärtige Rate über einige wenige Zyklen (beispielsweise vier) zur Bestimmung der mittleren Rate im Block 310. Im Block 313 vergleicht der Mikroprozessor die laufende mittlere Rate mit vorbestimmten Grenzwerten. Diese Grenzwerte reflektieren die Raten verschiedener Typen von Arrhythmien. Die Grenzen können variieren, und zwar abhängig von bestimmten physiologischen Charakteristika, beispielsweise als Anzeichen von Training. Standardmäßige Raten-ansprechende Sensoren können zu diesem Zweck verwendet werden. Deshalb werden vor dem Test im Block 313 die Ratengrenzen im Block 311 in Übereinstimmung damit, welcher standardmäßige Raten-ansprechende Parameter überwacht wird, eingestellt.
Falls die mittlere Rate innerhalb der für eine bestimmte Klasse von ventrikulärer Arrhythmie im Block 313 eingestellten Grenzen liegt, testet der Mikroprozessor (im Block 315) die Morphologie von Details innerhalb des QRS-Komplexes gegenüber vorbestimmten und gespeicherten Morphologie- Parametern zur Klassifizierung des Rhythmus als entweder eine Arrhythmie oder einen normalen Rhythmus. Falls der Mikroprozessor eine Arrhythmie erfaßt, klassifiziert er die Arrhythmie gemäß dem Typ und vermerkt das Auftreten des bestimmten Arrhythmie-Typs im Speicher in Block 317.
Im Block 320 verarbeitet der Mikroprozessor folgende Abtastungen und analysiert das IEGM-Signal von der R-Welle bis zur T-Welle zur Bestimmung des QT-Intervalls und zur Diagnose myokardialer Ischämie aus der ST- Segment-Morphologie. Das ST-Segment tritt auf im Abtastfenster beginnend am J-Punkt folgend einem QRS-Komplex, wie im Stand der Technik bekannt ist (siehe Fig. 10) und dauert mindestens 80 Millisekunden lang. Die ST- Segment-Erniedrigung, definiert (gemäß der Programmierung des Mikroprozessors) als horizontale oder abwärts verlaufende Verschiebung von 0,1 mV (manche Forscher verwenden 0,2 mV oder 0,3 mV) während des ST- Segments, welche für zumindest 30 Sekunden bei aufeinanderfolgenden Herzschlägen andauert (manche Forscher verwenden 40 bis 60 Sekunden), korreliert eindeutig mit myokardialer Ischämie sowohl bei Trainingstoleranztests und bei ambulanten Tests von ruhenden Patienten und Patienten, welche Tagesaktivitäten durchführen. Die meisten Patienten mit stabiler Angina und erwiesener Koronararterienkrankheit haben häufig Episoden von ST-Segment-Erniedrigung während des täglichen Lebens. ST- Segment-Änderungen warnen vor Verletzung des myokardialen Gewebes, und zwar sogar bei Patienten, die mit sonst asymptomatisch ruhiger myokardialer Ischämie infiziert sind, da sie häufig durch regionale Störungen der myokardialen Perfusion und Störungen der linken Ventrikulärfunktion begleitet sind. Der Mikroprozessor analysiert die Wellenform zur Bestimmung, wann die T-Welle auftritt (sie sollte innerhalb von 400 Millisekunden der R-Welle auftreten), und zwar innerhalb des laufenden Herzzyklus. Nach der Erfassung der R-Welle kann der Mikroprozessor die Akquisitionsparameter des IEGM-Signals ändern (beispielsweise durch Auswählen eines unterschiedlichen Satzes von Impedanzen in einem Eingangsverstärker zum Einstellen der Bandbreite) zur besseren Analyse der Wellenformstruktur folgend der R-Welle.
Mit Rückbezug auf Fig. 10 verarbeitet der Mikroprozessor 19, unmittelbar nachdem der Komparator eine R-Welle erfaßt, das IEGM zum Messen der vorauslaufenden und nachlaufenden P-Wellensteigungen, fährt dann fort, das Signal bis hinab zur S-Welle und zurück, bis die Steigung sich am sogenannten J-Punkt vermindert, zu verfolgen. Während der Verarbeitung des IEGM (im Block 320 von Fig. 11) vom J-Punkt, bis die Wellenform die Basislinie kreuzt (getestet im Block 323), integriert der Mikroprozessor und bestimmt die Steigung des Signals. Falls die Größe (der Absolutwert) des integrierten Signals größer ist als zumindest ein vorbestimmter Wert und größer für eine aufeinanderfolgende Anzahl von Herzzyklen bleibt, welche eine vorbestimmte Zeit dauern (beispielsweise 40 Sekunden), dann klassifiziert der Mikroprozessor dieses Ereignis als eine ST-Segment- Erhöhung. Falls das integrierte Signal unterhalb der Basislinie liegt (ein negatives Signal) und die Steigung eben oder negativ ist, dann klassifiziert der Mikroprozessor das Ereignis als ST-Segment-Erniedrigung, eine Anzeige von Ischämie. Falls das ST-Segment entweder erhöht oder erniedrigt ist, und zwar um einen Wert, der größer als ein vorbestimmter Wert ist (Block 325 von Fig. 11), dann speichert der Mikroprozessor einen Code im Speicher zur Identifizierung dieses Falls im Block 327. Falls das ST-Segment anomal ist, und zwar entweder erniedrigt oder erhöht, kann der Mikroprozessor die Gesamtdauer des Anhaltens der Abweichung als einen Index der Ischämie verwenden.
Ebenfalls im Block 320, während der Verarbeitung des IEGM nach dem QRS-Komplex, analysiert der Mikroprozessor 19 Daten zur Bestimmung der Gegenwart, Amplitude, des Frequenzgehalts und der Dauer von Spätpotentialen (Fig. 9C). Das Vorliegenden von Spätpotentialen sagt aufeinanderfolgende Episoden ventrikulärer Tachykardie vorher, welche möglicherweise zu ventrikulärer Fibrillation und plötzlichem Herztod führen. Spätpotentiale sind Fluktuationen in IEGM-Signalamplituden, die mehr als 10 Millisekunden nach dem QRS-Komplex auftreten. Die Amplitude, der Frequenzgehalt und die Dauer von Spätpotentialen sind diagnostisch signifikant zur Vorhersage des Auftretens ventrikulärer Tachykardie und ventrikulärer Fibrillation. In einer Operation, die sich von der ST-Segment-Verarbeitung unterscheidet, analysiert der Mikroprozessor die Abtastungen beginnend etwa 10 Millisekunden nach dem Ende des QRS-Komplexes und andauernd für bis zu 125 Millisekunden. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann diese Analyse enthalten: (1) Bestimmung der spitzenmäßigen positiven und negativen Ablenkungen des Signals von der Grundlinienamplitude, (2) Erfassung der Gegenwart und Dauer des Spätpotentials durch Erfassung der ersten (falls vorliegend) und letzten Abtastungen, wobei die Ablenkung von der Grundlinie größer als eine vorbestimmte Amplitude innerhalb des Spätpotentialfensters ist, (3) Mitteln des Spätpotentialsignals für den vorliegenden Herzzyklus mit demjenigen der vorhergehenden Zyklen beginnend mit der ersten Abtastung mit einer Amplitude größer als die vorbestimmte Triggeramplitude, und (4) Durchführen einer Fourier-Analyse der Daten innerhalb des Spätpotentialabtastfensters. Falls das Spätpotential vorliegt und eine Amplitude größer als ein vorbestimmter Pegel hat, vermerkt der Mikroprozessor einen Code zum Bezeichnen des Vorliegens des Spätpotentials sowie die Amplitude, Dauer und einen oder mehrere Parameter zum Spezifizieren der Frequenzgehaltinformation im Block 327 von Fig. 11.
Im Block 330 fährt der Mikroprozessor 19 fort, das IEGM zu verarbeiten, um das Ende der T-Welle oder das Auftreten einer R-Welle (Block 333) zu erfassen. Falls die nächste R-Welle während der T-Welle (Block 335) auftritt, vermerkt die Mikroprozessor diese Anomalität und speichert einen Code im Speicher zum Wiedergeben des Auftretens eines R-an- T-Schlages im Block 337. Am Ende der T-Welle im Block 340 bestimmt der Mikroprozessor das QT-Intervall, wie illustriert in Fig. 10. Im Block 340 normalisiert der Mikroprozessor das QT-Intervall zur Herzzykluszeit (R-R) in Übereinstimmung mit Standardtechniken. Im Block 343 vergleicht der Mikroprozessor das normalisierte QT-Intervall mit einem vorbestimmten Schwellen-QT-Intervallwert zum Erfassen von Anomalitäten in der Repolarisation (siehe Fig. 88). Falls eine Anomalität auftritt, speichert der Mikroprozessor einen Code zum Bezeichnen des Ereignisses im Block 345.
Der Mikroprozessor 19 kann einen separaten zirkulären Puffer für jedes der Vorläuferereignisse bezeichnen (ventrikuläre Arrhythmie, ein bestimmter Typ ventrikulärer Arrhythmie, ST-Segment-Änderungen und Repolarisation), oder er kann solchen Typ von Vorläufer mit einem Identifizierungscode versehen und ihn in einem einzelnen zirkulären Puffer speichern. Bei der Identifikation von einem der Vorläufer (Block 350) wird der Mikroprozessor ebenfalls einen ähnlichen zirkulären Pufferspeicher (Block 353) auffrischen, um die Rate des Auftretens von Vorläufern eines beliebigen Typs zu speichern. Falls der Mikroprozessor beim Auffrischen des Vorläuferratenpuffers eine Rate erfaßt, die größer ist als ein vorbestimmter Wert oder andererseits eine gefährliche Situation (Block 355) anzeigt, frischt der Mikroprozessor einen Warnspeicher auf und kann eine Vorläufertherapie im Block 357 initiieren, wie im weiteren beschrieben wird.
Die Technik zum Modifizieren der Aktivität des autonomen Nervensystems basiert auf einem Verständnis des Mechanismus, durch den der Nerventonus die Bildung von Arrhythmien beeinflußt. Gemäß P.J. Schwartz et al. in "The Rational Basis and the Clinical Value of Cardiac Sympathetic Denervation in the Prevention of Malignant Arrhythmias", European Heart Journal, Band 7, Supp. A, S. 107-118 (Mai 86) induziert die linksseitige kardiale sympathische Stimulation, die an das linke Gangliumstellatum (LSG) geliefert wird, ventrikuläre Tachyarrhythmien durch Verursachen einer Asymmetrie im sympathischen Ausfluß zum Herzen, welche die Dispersion der ventrikulären Refraktärperioden erhöht. Diese tritt auf wegen der adrenergetischen Stimulation, welche durch Wirkung von Katecholaminen vermittelt wird, und ist verbunden mit Aktionspotential- und Refraktärperiodenverkürzung, was die elektrische Inhomogenität des Myokardium erhöht. Somit treten wiedereintretende Leitungsschaltungen im Herzen auf, was zu einer Arrhythmie-Episode f(ihrt. Die vagale Aktivierung kann das Auftreten von Arrhythmien modifizieren, um eine ventrikuläre Fibrillation zu vermeiden. Die vagale Stimulation stumpft den Effekt der Katecholamine ab, indem sie entweder auf einem präsynaptischen oder postsynaptischen Pegel bei der sympathischen Nervenübertragung wirkt, um potentiellerweise dem Effekt der Katecholamine auf die Automatizität und die Refraktärperiode entgegenzuwirken.
M. Stramba-Badiale et al. in "Sympathetic-parasympathetic Interaction and Accentuated Antagonism in Conscious Dogs", American Journal of Physiology, V260 (2Pt 2): H335-340 (Feb. 1991) fanden heraus, daß die Reaktion des Herzens auf vagale Stimulation in Gegenwart erhöhter sympathischer Aktivität erhöht ist. Deshalb ist es, wenn der Mikroprozessor das Auftreten einer Arrhythmie erfaßt, entweder Tachykardie oder Fibrillation, ein Anzeichen erhöhter sympathischer Aktivität. Somit veranlaßt der Mikroprozessor zusätzlich zur Durchführung einer Antiarrhythmie-Reizungstherapie im Arrhythmie-Therapieblock 143 von Fig. 6 die Erzeugung von Stimulationsimpulsen für parasympathische Nerven oder Ganglien zum Unterdrücken des sympathischen Einflusses auf die Herzfrequenz. Diese Stimulationsimpulse liegen in der Form wiederholter kurzer Bursts von Impulsen vor und nicht in einzelnen, gleich beabstandeten Impulsen. Diese Pulse werden auf eine Art und Weise geliefert, welche analog zur natürlichen vagalen Aktivität ist. Eine Erhöhung der vagalen Stimuli-Frequenz verursacht eine Gesamtverlängerung des P-P-Intervalls und eine Abnahme der Arrhythmie-Rate. Der angelegte Strom kann eine Stimulationsintensität im Bereich von 1 bis 3 mA aufweisen.
Bei einem Stimulationsverfahren können zehn Ketten von vagalen Impulsen unter zunehmend ansteigenden Frequenzen der Stimulation geliefert werden, wie z.B. 2, 4, 6, 8, 10, 12 Hz in einminütigen Intervallen. Ein Beispiel dieses Verfahrens der Nervenstimulation ist in Fig. 12A bis 12D illustriert, welche Oberflächen-Elektrokardiogramme (ECGs) ventrikulärer Tachykardie-Wellenformen, einen an das Herz angelegten Antitachykardie- Reizungsstimulus (ATP) und unter verschiedenen Raten gelieferte Nervenstimulationen (NS) zeigen. Der an das Herz angelegte Antitachykardie- Reizungsstimulus ist vorzugsweise von dem Typ, der im US-Patent Nr.4390021 offenbart ist, welches R.A.J. Spurrell et al. gehört und am 28. Juni 1983 erteilt wurde und den Titel aufweist "Two Pulse Tachycardia Control Pacer". Dieses Patent offenbart einen Schrittmacher zum Steuern von Tachykardie, bei dem das gekoppelte Intervall sowie die Anfangsverzögerung gescannt werden. Die Zeitparameter, welche beim Beenden der Tachykardie erfolgreich sind, werden gespeichert, so daß bei Bestätigung eines weiteren Tachykardie-Ereignisses die zuvor erfolgreichen Zeitparameter die ersten sind, welche ausprobiert werden. Die Vorrichtung ermöglicht ebenfalls, daß die Tachykardie durch den Arzt induziert wird, um die anfängliche Verzögerung und die gekoppelten Intervallparameter programmierbar zu machen.
Fig. 12A zeigt eine Nervenstimulation (NS), welche mit 2 Hz geliefert wird. Fig. 12B bis 12D illustrieren eine Nervenstimulation, welche mit 4 Hz, 6 Hz und 8 Hz geliefert wird. Bei diesem Stimulationsverfahren kann jede Impulskette für 10 Sekunden mit einer Impulsdauer von 3 bis 5 ms fortgesetzt werden. Eine geeignete Intensität der Stimulation kann für die Impulslieferungsrate bestimmt werden, ausgewählt durch Erhöhen des gelieferten Stroms bei jedem Impuls, bis die Herzrate sich auf einen erwünschten stabilen Pegel erniedrigt.
Ein weiteres Beispiel einer Antitachykardie-Reizungstechnik, welche verwendet werden kann, um die neurale Stimulation zur Korrektur einer Herzarrhythmie zu erhöhen, ist im US-Patent Nr. 3942534 von Spurrell et al. offenbart. Dieses Patent offenbart einen Schrittmacher, welcher nach der Erfassung einer Tachykardie einen atrialen (oder ventrikulären) Stimulus nach einem Verzögerungsintervall erzeugt. Falls dieser Stimulus beim Beendigen des Zustands nicht erfolgreich ist, dann wird ein weiterer Stimulus nach einem weiteren frühzeitigen Herzschlag folgend einer leicht unterschiedlichen Verzögerung erzeugt. Die Vorrichtung stellt in konstanter Weise das Verzögerungsintervall durch Scannen über einen vorbestimmten Verzögerungsbereich ein. Die Stimulation hört auf, sobald das Herz wieder in einen Sinusrhythmus zurückgebracht worden ist. Falls eine erfolgreiche Reversion nicht während eines vollständigen Scans erzielbar ist, dann wird der Zyklus wiederholt. Die Vorrichtung bietet weiterhin einen zweiten Stimulus nach dem ersten, wobei beide Stimull innerhalb des Tachykardiezyklus auftreten, d.h. vor dem nächsten natürlich auftretenden schnellen Schlag. Die Zeitperiode zwischen einem Herzschlag und dem ersten Stimulus ist bekannt als die anfängliche Verzögerung, während die Zeitperiode zwischen dem ersten Stimulus und dem zweiten Stimulus als das gekoppelte Intervall bekannt ist. Bei dieser Vorrichtung ist das gekoppelte Intervall, wenn es von einem Arzt eingestellt ist, fest, und deshalb trifft der zweite Stimulus stets eine vorbestimmte Zeit nach dem ersten Stimulus auf, und zwar unabhängig davon, wann der erste Stimulus nach dem letzten Herzschlag auftritt oder wie schnell die Tachykardie-Rate ist. Zusätzliche Beispiele von Tachykardie-Reizungstechniken, welche zur Erhöhung der neuralen Stimulation verwendbar sind, werden nachstehend aufgelistet.
Das US-Patent Nr. 4398536 von Nappholz et al. mit dem Titel "Scanning Burst Tachycardia Control Pacer", erteilt am 16. August 1983, offenbart einen Steuerschrittmacher für Tachykardie mit einem Burst-Scan. Nach einer jeweiligen Bestätigung von Tachykardie wird ein Burst einer programmierten Anzahl von stimulierenden atrialen (oder ventrikulären) Impulsen erzeugt. Die Raten der Bursts wachsen von Zyklus zu Zyklus an, wodurch nach jeder Bestätigung einer Tachykardie ein Impuls-Burst bei einer unterschiedlichen Rate erzeugt wird. Die Rate eines Bursts, welche bei der Beendigung der Tachykardie Erfolg hat, wird gespeichert, und nach der nächsten Bestätigung von Tachykardie wird die gespeicherte Rate für den ersten Burst, der erzeugt wird, verwendet.
Im US-Patent Nr. 4406287, das von T.A. Nappholz et al. erfunden wurde und am 27. September 1983 erteilt wurde und den Titel "Variable Length Scanning Burst Tachycardia Control Pacer" aufweist, ist ein Steuerschrittmacher für Tachykardie mit einem Burst-Scan variabler Länge offenbart. Der Arzt programmiert die maximale Anzahl von Impulsen in einem Burst. Die Anzahl von Impulsen in einem Burst wird gescannt, und die Anzahl, welche beim Beenden der Tachykardie erfolgreich ist, wird registriert, so daß sie für die erste Benutzung verfügbar ist, wenn eine neue Tachykardie-Episode bestätigt ist. Aufeinanderfolgende Bursts, alle unter derselben Rate, haben verschiedene Anzahl von Impulsen, wobei das Scannen der Impulsanzahl in der Aufwärtsrichtung läuft. Falls alle Bursts nicht zum Erfolg führen, wird eine neue Rate probiert, und das Scannen der Anzahl beginnt von neuem. Somit werden alle Kombinationen von Raten und Impulszahlen ausprobiert, wobei die erfolgreiche Kombination nach der nächsten Bestätigung einer Tachykardie zunächst verwendet wird.
Das US-Patent Nr. 4408606 von R.A.J. Spurrell et al. mit dem Titel "Rate Related Tachycardia Control Pacer", welches am 11. Oktober 1983 erteilt wurde, offenbart einen Steuerschrittmacher für Tachykardie, welcher ratenbezogen arbeitet. Nach der Bestätigung einer Tachykardie wird ein Burst von zumindest drei Stimulationsimpulsen erzeugt. Die Zeitintervalle zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen nehmen um ein festes Dekrement ab; daher erhöht sich die Rate von Impulsen während jedes Betriebszyklus. Der erste Impuls wird nach dem letzten Herzschlag erzeugt, welcher zum Bestätigen von Tachykardie verwendet wird, und zwar zu einer Zeit, welche von der Tachykardie-Rate abhängt. Die zeitliche Verzögerung zwischen dem letzten Herzschlag und dem ersten Impuls im Burst in gleich dem Zeitintervall zwischen den letzten zwei Herzschlägen weniger dem festen Dekrement, welches aufeinanderfolgende Zeitintervalle zwischen Stimulationsimpulsen charakterisiert.
Sogar in der Abwesenheit eines Arrhythmie-Zustandes überwacht der Antiarrhythmie-Herzschrittmacher nach der vorliegenden Erfindung die Herzaktivität zur Erfassung von Vorläufern von Arrhythmie, wie z.B. Episoden myokardialer Ischämie. Wenn akute myokardiale Ischämie auftritt, neigt die vagale Aktivierung zur Verhinderung von Fibrillation in einer Art und Weise, welche teilweise von direkten elektrophysiologischen Effekten und in großem Umfang sekundär von der Erhöhung der Herzrate abhängt, was in dem reduzierten Sauerstoffverbrauch resultiert, der mit Ischämie zusammenhängt. Dieser schützende Effekt vagaler Stimulation folgt aus ihrer Fähigkeit, die Herzrate zu erniedrigen. Deshalb veranlaßt der Mikroprozessor 19 bei Erfassung eines Arrhythmie-Vorläufers im Vorläufer- Therapieblock 357 von Fig. 11 eine Therapie, welche ventrikuläre Fibrillation durch vagale Stimulation während akuter myokardialer Ischämie verhindert. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Technik der vagalen Stimulation, die als Reaktion auf die Erfassung eines Arrhythmie-Vorläufers im Vorläufer-Therapieblock 357 von Fig. 11 verwendet wird, unterschiedlich von der Technik, welche als Reaktion auf eine Erfassung einer Arrhythmie verwendet wird. Mit Bezug auf Fig. 13A und 13B steuert der Mikroprozessor ansprechend auf die Erfassung eines Vorläufers die vagale Stimulation, um eine kurze vagale Stimulation vorzusehen, bei der ein einzelner Stimulus (Fig. 13B) oder ein kurzer Burst von Stimuli (Fig. 13A) zur Reduzierung der Herzrate in temporärer Art und Weise agiert. Dieser Einfluß auf die Herzfrequenz hängt ab von dem Zeitverhalten innerhalb des Herzzyklus, in dem die vagale Stimulation geliefert wird. M.N. Levy et al. in "Parasympathetic Control of the Heart", Nervous Control of Vascular Function, Randall WC Herausgeber, Oxford University Press (1984) fanden heraus, daß die Stimulation des Vagusnervs zur Zeit der Erfassung einer P-Welle bewirkte, daß ein P-P-Intervall ungefähr um 80% anstieg im Vergleich zum P-P-Intervall ohne vagale Stimulation. Die Verzögerung der vagalen Stimulation von der Zeit der P-Wellenerfassung bewirkte einen weiteren Anstieg im P-P-Intervall, so daß ansteigende Verzögerungen in größeren Intervallen resultierten, und zwar bis zu einem maximalen Anstieg im P-P-Intervall von etwa 95%, die bei einer Post-P- Wellenverzögerung von 225 ms auftrat. Weitere Anstiege in der Verzögerungsdauer vor der Lieferung einer vagalen Stimulation verursachte eine progressive Verminderung des P-P-Intervalls, bis das P-P-Intervall eine Minimallänge erreicht, welche gleich dem P-P-Intervall ohne vagale Stimulation ist.
Im Gegensatz zu Levys Arbeit verwendet eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung elektrische Stimulation von sowohl dem kardialen Gewebe als auch dem autonomen Nervensystemgewebe. Fig. 13A und 13B illustrieren einen Vergleich von Herzstimulations- und neuralem Stimulationszeitablauf, gesteuert durch den Antiarrhythmie- Herzschrittmacher nach der vorliegenden Erfindung. Der Zeitablauf des Herzzyklus ist in einer intrakardiären Elektrogramm (IEGM)-Spur gezeigt. Die neurale Stimulation (NS) ist relativ zum IEGM gezeigt. Dabei wird angenommen, daß der Schrittmacher zuvor einen Arrhythmie-Vorläufer erfaßt hat, aber keine bestätigte Arrhythmie-Herzrate. Der Schrittmacher hat zuvor die natürliche momentane Herzrate gemessen und hat ein entsprechendes Intervall eingerichtet. Zur Durchführung einer Overdrive-Reizung erniedrigt der Schrittmacher das natürliche Intervall um einen vorbestimmten Betrag oder vorbestimmten Prozentsatz und beginnt mit der Erzeugung von Herzreizungs-Impulsstimulationen mit der neuen Rate. Das neue Intervall zwischen Reizungen wird "Escape-Intervall" in Fig. 13A und Fig. 13B genannt. Der Antiarrhythmie-Herzschrittmacher wartet eine vorbestimmte kardioneurale Verzögerungsgröße (CN-Verzögerung), und beginnt dann die Stimulation des vagalen zervikalen Ganglions. Falls der Schrittmacher derart programmiert ist, daß er mehrere Impulse innerhalb eines Burst erzeugt, wie in Fig. 13A gezeigt, bestimmen die vorbestimmten Parameter der Burstdauer und des Zwischenimpulsintervalls (IPI) die Form des Bursts. Mehrere Impulsbursts sind im Fall bestätigter Arrhythmien bevorzugt. Der Herzschrittmacher erfaßt keine Herzsignale während des Kreuzkanal- Austastintervalls (XCHB_L), um eine Erfassung von Rauschen und eine Vermischung des Rauschens mit einem intrinsischen Herzsignal zu vermeiden. Es sei bemerkt, daß eine vagale Stimulation in Form eines einzelnen Impulses oder eines kurzen Bursts von Impulsen eine unzureichende Therapie als Reaktion auf die Erfassung einer Arrhythmie mit einer hohen Rate sein kann, nämlich weil eine wiederholte Stimulation parasympathischer Nerven unter einer Rate, welche der Herzrate ähnlich ist, dazu neigt, zum SA- Knoten gehörige Herzschrittmacherzellen anzuregen, so daß die Herzrate dieselbe Frequenz einnehmen wird wie die vagale Stimulation. Deshalb kann für Arrhythmien mit einer hohen Rate eine neurale Stimulation mit einem einzelnen Impuls oder einem kurzen Burst zu Herzraten führen, welche während der Reizung ungeeignet hoch sind.
Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung erfassen bestimmte Kombinationen anomaler Herzrhythmen und reagieren mit Herzantiarrhythmie- und Nervenstimulationstherapie. solche anomalen Rhythmen können bezüglich der atrialen Kammer, der ventrikulären Kammer oder beider Kammern des Herzens auftreten. Eine besonders wichtige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfaßt eine atriale Fibrillation und reagiert auf solch eine Erfassung mit der Durchführung einer Herzreizungs-Stimulationstherapie innerhalb der atrialen Kammer, der ventrikulären Kammer oder beider Kammern des Herzens, und zwar in Kombination mit einer Nervenstimulation, welche die atriale Rate erniedrigt. Vorzugsweise liegt diese Nervenstimulation in der Form wiederholter kurzer Bursts von elektrischer Energie vor. Diese Ausführungsform der Erfindung ist daher wichtig, weil die Lieferung einer Herzreizungstherapie als Reaktion auf die Erfassung einer atrialen Fibrillation ohne Durchführung einer Nervenstimulation zur Verschlimmerung des atrialen Fibrillationszustandes neigt, was möglicherweise zur Erzeugung eines ventrikulären Fibrillationszustandes führt, der ein viel gefährlicheres Phänomen ist.
Fig. 14, 15 und 16 in Kombination illustrieren die Anatomie kardiovaskulärer und neurales Strukturen in einem Hund. Fig. 14 zeigt eine linke seitliche Ansicht des Herzens zum Illustrieren einer sympathischen und parasympathischen autonomen Nervenreizung des AV-Knotenbereichs eines Hundeherzens. Fig. 15 zeigt eine rechte seitliche Ansicht des Herzens zum Zeigen der anatomischen Beziehung des linken Thoraxvagusnervs bezüglich der Hauptblutgefäße auf der rechten Seite des Herzens. Fig. 16 illustriert eine Darstellung einer Vorderansicht eines Hundeherzens einschließlich einer Abbildung der bedeutsamen Blutgefäße und der autonomen Nervensystemelemente.
Die meisten parasympathischen und sympathischen Wege, welche allgemein durch den Ausdruck "Vagosympathische Fasern" in Fig. 16 bezeichnet sind, reizen den sinuatrialen Knoten (SAN) in Fig. 16 über Nerven, welche das Herz entlang der oberen Vena cava (SVC), wie in Fig. 14, 15 und 16 gezeigt, betreten. Weitere parasympathische Nervenfasern betreten das Herz zwischen der rechten (nicht gezeigt) und der linken oberen pulmonaren Vene (LSPV in Fig. 14). Noch weitere parasympathische Fasern betreten das Herz über dem oberen rechten Atrium (nicht gezeigt) und über der Verbindung zwischen der unteren Vena cava (IVC von Fig. 14) und den unteren Atria (nicht gezeigt). Fig. 14 illustriert die Verteilung primärer Herznerven auf der linken Seite des Herzens und die sympathische Reizung des AV-Knotens (AVN). Ein autonomer Weg, welcher aus Zweigen der ventromedialen zervikalen Herznerven (VMCCN) und dem ventrolateralen zervikalen Herznerv (VLCCN) besteht, läuft entlang der pulmonaren Arterie (PA) zum AV-Verbindungsbereich (AVJ). Weitere Nerven, und zwar einschließlich von Zweigen des VLCCN und dem innominalen Nerv durchdringen das Pericardium und laufen über die pulmonare Arterie (PA) und die pulmonaren Venen (PV) zum Eindringen in das Herz an der Verbindung der unteren Vena cava (IVC) und dem unteren linken Atrium (ILA). Der ventrolaterale zervikale Herznerv (VLCCN) enthält die hauptsächlichen sympathischen inotropischen Fasern. Die Aktivität dieser Fasern beeinflußt die Kraft oder die Energie von Muskelkontraktionen. Sympathische chronotropische Fasern, welche den Zeitverlauf der Herzmuskelkontraktionen regulieren, nähern sich dem Herzen entweder im peripulmonaren Gewebe (nicht gezeigt) oder entlang der oberen Vena cava (SVC) und pulmonaren Venen, beispielsweise der linken oberen, mittleren und unteren Pulmonarvene (LIPV, LMPV und LSPV). Die parasympathischen Fasern verlaufen in das Herz entlang und zwischen der rechten (nicht gezeigt) und der linken oberen Pulmonarvene (LSPV), und zwar um den koronaren Sinus (CS in Fig. 16) und entlang der oberen Vena cava (SVC).
Die bevorzugte Ausführungsform des Antiarrhythmie-Herzschrittmachers nach der vorliegenden Erfindung verwendet eine direkte elektrische Stimulation der parasympathischen Fasern innerhalb entweder des linken oder rechten stellaren Ganglions (siehe Fig. 14 und 16) zur Erhöhung des Vagaltons, Reduzierung der Herzrate, Erhöhung der Fibrillationsschwelle und Erniedrigung der Defibrillationsschwelle. Weitere Ausführungsformen der Erfindung können eine Stimulation eines stellaren Ganglions oder eines kaudalen zervikalen Ganglions (nicht gezeigt) zum Hervorrufen verschiedener Änderungen in der dromotropischen, chronotropischen und inotropischen Aspekte der Gesamtfunktion des Herzens beinhalten.
Die Stimulation mehrerer distaler Zweige dieser Strukturen, wie z.B. der linke Thoraxvagusnerv, können eine noch genauere Steuerung der Herzfunktionen bieten. Beispielsweise haben Levy et al. zwei Orte am Epikardium des Herzens gefunden, für die eine elektrische Stimulation Nerven auf dem Weg zum sinuatrialen Knoten (SAN in Fig. 16) und dem atrioventrikulären Knoten (AV-Knoten von Fig. 14) triggern. Mit Bezug auf Fig. 16 definiert der intrakavale Bereich des rechten Atriums (RA) unmittelbar vor dem Sulcus terminalis (ST) an der vorderen unteren Grenze des dreieckigen Herzfettflecks (nicht gezeigt) einen sinuatrialen Knotenstimulationsbereich. Die selektive Stimulation von kardialen bzw. intrakardialen Nerven an diesem Ort erzeugt eine Verlangsamung in der Sinusrate ohne eine Änderung in der intra-atrialen Leitung, AV-Leitung oder Refraktärperiode des atrialen Muskels. Weiterhin liegt ein Stimulationsbereich des atrioventrikulären Knoten in einer Tasche zwischen den Enden der unteren Vena cava (IVC von Fig. 14) und dem Koronarsinus (CS von Fig. 16) am unteren und hinteren Abschnitt des rechten Atriums (RA in Fig. 15 und 16).
Fig. 15 zeigt eine rechte seitliche Ansicht des Herzens zum Zeigen der Beziehung des linken Thoraxvagusnervs in bezug auf die Hauptblutgefäße auf der rechten Seite des Herzens. Die Aorta (Ao) ist als nach unten zurückgezogen gezeigt, wenn sie in Fig. 15 betrachtet wird, um die obere Vena cava (SVC) und die rechte Pulmonarartene (RPA) zu illustrieren.
Aus der vorhergehenden Erörterung erscheint klar, daß die vorliegende Erfindung einen Antiarrhythmie-Herzschrittmacher schafft, der einen breiten Bereich von anomalen Herzzuständen erfaßt und bestätigt, einschließlich der Erfassung und Bestätigung von Arrhythmie-Vorläuferzuständen, und ansprechend auf solch eine Erfassung und Bestätigung eine wesentliche Verbesserung bei der Verhinderung und Beendigung gefährlicher Herzarrhythmien bewerkstelligt, nämlich durch Stimulation parasympathischer Nervenfasern zur Erniedrigung der Herzfrequenz unter gleichzeitiger Durchführung einer Antiarrhythmie-Therapie mit elektrischer Stimulation.
Obwohl die vorliegenden Erfindung mit Bezug auf bestimmte Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurde, sollte man verstehen, daß diese Ausführungsformen nur illustrativ für die Anwendung der Prinzipien der Erfindung sind. Zahlreiche Modifikationen können daran vorgenommen werden, und andere Ausgestaltungen können ersonnen werden, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, der in den Patentansprüche definiert ist.

Claims

1. Antiarrhytmie-Herzschrittmacher (10) zum Erfassen und Behandeln von Arrhytmieepisoden in einem Patientenherzen mit:

einer Einrichtung (17) zum Erfassen des Auftretens eines anormalen Zustands des Herzens,

einer Herzstimulationseinrichtung (16) zum Erzeugen und Liefern einer elektrischen Stimulation an das Herz (11),

zumindest einer Nervenstimulationselektrode, die derart gestaltet ist, daß sie in elektrischen Kontakt mit vorbestimmten Nervenfasern (9) innerhalb des Nervensystems des Patienten bringbar ist,

einer Nervenfaser-Impulsstimulationseinrichtung (20), welche mit der Nervenstimulationselektrode elektrisch verbunden ist, zum Erzeugen und Liefern von Stimulationsimpulsen an die vorbestimmten Nervenfasern, und

einer Arrhytmietherapie-Steuereinrichtung (19), welche auf die Erfassungseinrichtung anspricht, zum Steuern der Herzstimulationseinrichtung und der Nervenfaser- Impulsstimulationseinrichtung zum Veranlassen der Durchführung einer kombinierten Herz- und Nervenstimulationstherapie;

wobei die Therapie-Steuereinrichtung derart betreibbar ist, daß sie Arrhytmieepisoden im Patientenherzen erfaßt und behandelt, und die Erfassungseinrichtung (17) Tachycardie- und Fibrillationsepisoden erfaßt, und die Arrhytmietherapie-Steuereinrichtung (19) eine geeignete parasympathische autonome Nervensystem-Stimulationstherapie in Form von wiederholten kurzen Bursts elektrischer Impulse zusammen mit einer geeigneten Herztherapie, welche aus der Gruppe von Antitachycardiereizung, Cardioversion und Defibrillation ausgewählt ist, auswählt und veranlaßt.

2. Antiarrhytmie-Herzschrittmacher (10) zum Erfassen und Behandeln von Arrhytmieepisoden in einem Patientenherzen mit:

zumindest einer Nervenstimulationselektrode, die derart gestaltet ist, daß sie in elektrischem Kontakt mit vorbestimmten Nervenfasern (9) innerhalb des Nervensystems des Patienten bringbar ist,

einer Nervenfaser-Impulsstimulationseinrichtung (20), welche elektrisch mit der Nervenstimulationselektrode verbunden ist, zum Erzeugen und Liefern von Stimulationsimpulsen an die vorbestimmten Nervenfasern, und

wobei die Therapiesteuereinrichtung derart betreibbar ist, daß sie Arrhytmieepisoden im Patientenherzen erfaßt und behandelt und die Erfassungseinrichtung Vorstufen für maligne Herzarrhytmien erfaßt, und wobei die Arrhytmietherapie-Steuereinrichtung (19) eine geeignete parasympathische autonome Nervensystem-Stimulationstherapie in Form von einzelnen elektrischen Impulsen in Kombination mit einer geeigneten Herzreizungstherapie, welche aus der Gruppe von Bradykardiereizungsunterstützung, Overdrivereizung und Antitachycardiereizung ausgewählt ist, auswählt und veranlaßt.

3. Antiarrhytmie-Herzschrittmacher nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die parasympathische autonome Nervensystem-Stimulationstherapie synchron mit dem Herzzyklus des Patienten bereitstellbar ist.

4. Herzschrittmacher nach Anspruch 1 oder 2, wobei die parasympathische autonome Nervensystem-Stimulationstherapie eine elektrische Stimulation des vagalen zervikalen Ganglions des Patienten ist.

5. Herzschrittmacher nach Anspruch 2, wobei die Erfassungseinrichtung Vorstufen für maligne Herzarrhytmien erfaßt, wobei die Vorstufen aus folgender Gruppe ausgewählt sind: ventrikuläre Tachycardie, ventrikuläre Paarbildungen, vorzeitige ventrikuläre Komplexe, vorzeitige ventrikuläre Depolarisationen, Repolarisationsanomalitäten, ST-Segmenterhebung, ST- Segment-Depression und Spätpotentiale.

6. Herzschrittmacher nach Anspruch 1 und Anspruch 2, wobei die Erfassungseinrichtung (17) derart betreibbar ist, daß sie ein Auftreten einer atrialen Fibrillation erfaßt, und die Herzstimulationseinrichtung derart betreibbar ist, daß sie Stimulationsimpulse an das Herz unter der Steuerung der Therapiesteuereinrichtung (19) bei Erfassung der atrialen Fibrillation liefert.