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Die vorliegende Erfindung betrifft
Vorrichtungen zur Bestimmung des richtigen Zeitpunkts zum Liefern
eines Stimulationsimpulses an ein Herz.
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Die Fähigkeit zur Steuerung des Herzrhythmus
mit Hilfe einer elektrischen Stimulation ist für das Wohlbefinden und das Überleben
vieler Menschen wichtig, die an verschiedenen Herzdefekten leiden. Für verschiedene
Arten von Störungen
stehen batteriebetriebene Stimulationsvorrichtungen zur Verfügung und
diese geben elektrische Impulse zum Auslösen von Herzkontraktionen ab,
die es dem Herzen ermöglichen,
seine lebenswichtige Blutpumpfunktion auszuüben. Die Zeiten, bei denen
Stimulationsimpulse an ein Herz geliefert werden, werden bei automatischen
Vorrichtungen des Standes der Technik in Fällen, bei denen das Herz zumindest
teilweise eine normale elektrische Funktion aufweist, mit Hilfe
einer mehr oder weniger einfach messbaren elektrischen Einheit bestimmt,
z. B. der chronologischen Entwicklung einer elektrischen Spannung
in charakteristischen Segmenten, die zwischen einer Stimulationselektrode
oder einer separaten Sensorelektrode und dem Metallgehäuse gemessen
wird, in dem sich üblicherweise
die Batterie und die elektrischen Steuerschaltungen der Stimulationsvorrichtung
befinden.
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Die elektrische Spannung, die von
einem Herzen entwickelt wird, weist während eines Herzzyklus die
folgende allgemeine Konformation auf. Ein Impuls mit niedriger Spannung,
die P-Welle, gibt
die elektrische Aktivität
im Atrium des Herzens wieder, wenn Muskelzellen in den Wänden des
Atriums kontrahieren. Ein komplexeres Impulssegment wird als QRS-Komplex
bezeichnet und umfasst z. B. einen großen elektrischen Impuls. Dieses
Segment gibt die elektrische Aktivität in den Ventrikeln des Herzens wieder,
wenn die Muskelzellen in den Ventrikelwänden kontrahieren, wodurch
das eigentliche Blutpumpen des Herzens ausgelöst und durchgeführt wird. Ein
anderer Impuls mit niedriger Spannung, der zeigt, dass die Zellen
in den Ventrikelwänden
sich von der vorhergehenden Kontraktion zu erholen beginnen, wird
als T-Welle bezeichnet. Diese Impulse/Impulssegmente finden in einer
zeitlichen Abfolge statt, d. h. in einem Herzzyklus tritt eine P-Welle
zuerst auf, worauf der QRS-Komplex und als letztes die T-Welle auftritt.
Wenn der QRS-Komplex beispielsweise fehlt oder nicht zur richtigen
Zeit auftritt, während
eine korrekte P-Welle detektiert wird, kann die Zeit, bei der ein
Stimulationsimpuls zum Zweck des Auslösens einer Ventrikelkontraktion
abgegeben wird und demgemäß das Blutpumpen
des Herzens aus der Zeit bestimmt werden, bei der die P-Welle detektiert
worden ist.
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Eine geeignet ausgewählte oder
vorteilhafte Zeit zum Abgeben eines Stimulationsimpulses zum Auslösen der
Kontraktion der Herzventrikel und des Ausstoßens von Blut zur Oxygenierung
und in das Kreislaufsystem kann im Allgemeinen als der Punkt angesehen
werden, bei dem ausreichend Blut Zeit hatte, in die Ventrikel zu
strömen,
so dass es herausgepumpt wird. Anders gesagt sollte ein Stimulationsimpuls
geliefert werden, sobald die Herzventrikel ausreichend Blut enthalten.
Dies führt
zu einem effektiven Blutpumpen des Herzens und zu keiner unnötigen mechanischen
Belastung des Herzmuskels, da dieser Muskel nur für einen
kurzen Zeitraum im gedehnten Zustand verbleiben muss.
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Die Bestimmung dieses geeigneten
Zeitpunkts kann mit Hilfe der elektrischen Impedanz erfolgen, die
zwischen einer Stimulationselektrode in einem Ventrikel und einer
anderen Elektrode im Körper
oder im Herzen gemessen wird. Diese Impedanz steht in einer komplexen
Weise mit der Blutmenge im Ventrikel im Zusammenhang, ein Umstand,
der in der
US-PS 5,417,715 genutzt
wird, und kann zur Detektion des Ausmaßes verwendet werden, zu dem
das Ventrikel des Herzens gefüllt
ist. Folglich beschreibt dieses Patent eine Herzstimulation bei
einem variablen Stimulationsintervall, wobei die Zeit zum Abgeben
eines Stimulationsimpulses von der Impedanz bestimmt wird, die zwischen
einer Endelektrode und einer Ringelektrode gemessen wird, die beide
in dem gleichen Ventrikel eingebaut sind. Die Minimalkrümmung der
Impedanzverfolgung wird gemessen und ein Stimulationsimpuls wird
nach einer vorbestimmten Verzögerung
gemessen, wenn sich die Krümmung
anschließend
auf einen gegebenen Prozentsatz des Minimalwerts der Krümmung erhöht. Ein Nachteil
dieses Verfahrens besteht darin, dass die Entsprechung zwischen
der Impedanz und dem Füllgrad
nicht immer eindeutig ist, und zwar aufgrund der Tatsache, dass
die Impedanzmessungen in erster Linie Bedingungen wiedergeben, wie
sie nahe an der Messstelle vorliegen, z. B. um die Elektrodenspitze.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist die
Bereitstellung von Vorrichtungen zur Bestimmung geeigneter Zeiten
zum Abgeben von Stimulationsimpulsen, die in einer relativ direkten
Weise mit dem Füllgrad
eines Herzventrikels zusammenhängen.
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Das durch die Erfindung gelöste Problem
ist die Vermeidung von Mängeln
bei der Messung der Impedanz zur Angabe des Ausmaßes der
Blutfüllung und
das Auffinden einer geeigneten Zeit zum Abgeben von Stimulationsimpulsen
an ein Herz, und insbesondere an dessen Ventrikel, in einer direkteren Weise
unter Verwendung anderer Vorrichtungen.
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Es ist bekannt, dass die Größe des peripheren
Widerstands gegenüber
Blut, das aus einem Herz einer Person gepumpt wird, eine Funktion
der Belastung ist, welcher die Person ausge setzt ist. Je größer die
Intensität
dieser Belastung ist, desto geringer ist der periphere Widerstand.
Damit ist der periphere Widerstand ein gutes Maß der erfahrenen Belastung.
Je geringer der Widerstand ist, desto schneller findet das Füllen des
rechten Herzventrikels statt. Demgemäß ist ein geeigneter Zeitpunkt
zum Liefern eines Stimulationsimpulses an ein Herz dann, wenn das
Ventrikel mit ausreichend Blut gefüllt worden ist.
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Wenn sich das Ventrikel mit Blut
füllt,
dehnen sich die Muskelzellen in der Wand des Ventrikels, d. h. ihre
Länge nimmt
bis zu einer angemessenen Spannung zu, so dass eine geeignete Zeit
zur Stimulation daher als die Zeit eingestellt werden kann, bei welcher
sich die Muskelzellen in einem angemessenen Ausmaß gedehnt
haben. Dieses Dehnen kann in einer mehr oder weniger direkten Weise
gemessen oder bestimmt werden, und die Zeit für einen Stimulationsimpuls
kann von der Zeit abhängig
gemacht werden, bei der ein Messwert, der das Ausmaß des Dehnens
der Herzwand während
einer Phase der Zunahme des Dehnens darstellt, einen angemessenen Schwellwert
erreicht.
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Das Dehnen der Herzwand kann direkt
mit einem an der Herzwand, z. B. an der Außenseite derselben, angebrachten
Sensor gemessen werden. Der Sensor zur Messung der Dehnung kann
eine Art von Abstandssensor sein, wie z. B. ein Differentialübertrager,
der an zwei separaten Punkten an der Herzwand angebracht ist. Alternativ
kann die Dehnung indirekt durch Messen des Drucks in dem Ventrikel
mit einem Drucksensor gemessen werden, der sich in dem Ventrikel
befindet, z. B. auf der Elektrode, die zur Stimulation des Ventrikels
verwendet wird.
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Die Erfindung wird nachstehend detailliert mit
Ausführungsformen
beschrieben, die nicht beschränkend
aufzufassen sind, wobei auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen
wird, bei denen
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1 schematisch
eine Stimulationsvorrichtung mit einer Messung des Dehnungsausmaßes einer
Herzwand zeigt;
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2 ein
Diagramm des Drucks als Funktion des Volumens des linken Ventrikels
in Herzzyklen ist, die unterschiedlichen Belastungsgraden unterworfen sind;
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3 schematisch
eine Stimulationsvorrichtung mit einer Messung des Drucks in einem
Herzventrikel zeigt;
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4a ein
Oberflächen-EKG
zeigt; und
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4b ein
Diagramm des Drucks in einem Ventrikel des Herzens als Funktion
der Zeit ist.
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Wie es vorstehend diskutiert worden
ist, liegt ein geeigneter Zeitpunkt zum Liefern eines Stimulationsimpulses
an ein Ventrikel des Herzens dann vor, wenn das Ventrikel mit ausreichend
Blut gefüllt
worden ist. Dabei kann das Füllen
als „ausreichend" betrachtet werden,
wenn genug Blut eingetreten ist, um ein optimales Pumpen von Blut
zu erreichen, ohne dass die Muskelzellen in der Herzwand übermäßig gedehnt
werden müssen.
Wenn die Zeit richtig ausgewählt
ist, dann kann die mechanische und physiologische Belastung des
Herzmuskels im Hinblick auf den allgemeinen physiologischen Zustand
des Patienten, zu dem das Herz gehört, so gering wie möglich gemacht
werden. Wenn das Blut einströmt,
kann die Dehnung der Muskelzellen mit einer Dehnungsmessvorrichtung,
einer Vorrichtung zur Messung der elastischen linearen Verformung,
die am Herz angebracht ist, detektiert werden, und eine Herzstimulationsvorrichtung
oder ein Herzschrittmacher, bei der bzw. dem dieselbe eingesetzt
wird, ist schematisch in 1 gezeigt.
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Die elektronische Steuerung und die
Energiequelle des Herzschrittmachers sind in einem Gehäuse oder
einer Kapsel eingeschlossen, das bzw. die schematisch bei 1 gezeigt
ist. Eine Elektrodenleitung 5 läuft von den Steuerschaltungen 3,
die einen Impulsgenerator 4 in dem Gehäuse 1 umfassen, zu der
unteren Spitze des rechten Ventrikels des Herzens einer Person.
Diese Leitung 5 enthält
einen isolierten elektrischen Leiter 7 für eine Stimulationselektrode
(nur allgemein und nicht im Detail gezeigt), die in der üblichen
Weise an dem weiter weg befindlichen freien Ende der Leitung 5 angeordnet
ist. Eine mechanische Dehnungsmessvorrichtung 9 ist an
der Außenseite
der Herzwand angeordnet, d. h. an der Außenseite des linken Herzventrikels
in der Figur. Zwei elektrische Leiter 11 verlaufen von
diesem Sensor 9 zu elektronischen Signalkonditionierungs-
und Detektorschaltungen 13, die innerhalb des Gehäuses 1 angeordnet
sind, und die zu geeigneten Zeitpunkten elektrische Impulse gemäß der detektierten
Dehnung an die Steuerschaltungen 3 des Herzschrittmachers
senden. Es können
viele Arten von Dehnungsmessvorrichtungen 9 verwendet werden,
z. B. ein Bewegungssensor wie ein Differentialübertrager der bekannten Art.
Verschiedene Teile des Sensors müssen
an zwei separaten Punkten auf der Herzwand angebracht sein, um ein
elektrisches Signal abzugeben, das den Abstand zwischen diesen beiden
Punkten angibt. Das Signal wird in den Konditionierungs- und Detektorschaltungen 13 konditioniert,
so dass es z. B. in hohem Maß proportional
zu dem Abstand zwischen den Anbringungspunkten des Sensors ist,
und demgemäß zu dem
Ausmaß der
Dehnung der Herzwand. Das Konditionierungssignal wird dann mit einer
Detektorschaltung verarbeitet, die angepasst ist, um bei der Detektion
eines Signals ein Steuersignal an die Steuerschaltungen 13 des
Herzschrittmachers zu senden, wenn das detektierte Signal ansteigt
und einen Schwellwertpegel über schreitet
oder erreicht. Dieser Schwellwert muss auf einen geeigneten Pegel
eingestellt werden, so dass die Steuerschaltungen einen Stimulationsimpuls
abgeben, wenn die Dehnung einer optimalen Blutfüllung entspricht. Die Auswahl
eines Schwellwertpegels wird nachstehend im Zusammenhang mit der
Beschreibung einer anderen Ausführungsform
des Stimulators weiter erläutert.
Die Steuerschaltungen 3 geben Stimulationsimpulse mittels
des Impulsgenerators 4 über
den Leiter 7 an Punkten, die in einer geeigneten Weise
abgeleitet sind, z. B. von den Zeiten, mit einer bestimmten Verzögerung ab,
bei denen sie einen Impuls von den Signalkonditionierungs- und Detektorschaltungen 13 empfangen.
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Die Dehnung der Herzventrikelwand
kann auch in einer indirekteren Weise bestimmt werden, die jedoch „direkter" mit der Dehnung
und demgemäß mit dem
Ausmaß der
Blutfüllung
zusammenhängt
als die Impedanz, die zwischen zwei Elektroden in dem Ventrikel
gemessen wird. Als Folge der geschlossenen gekrümmten Gestalt des Ventrikels hängt der
hydrostatische Druck des Bluts in dem Ventrikel direkt mit der Dehnung
der Wand zusammen, mit der Maßgabe,
das eine einfache Beziehung wie z. B. das Hooke'sche Gesetz auf das Verhältnis zwischen
der mechanischen Spannung und der Dehnung von Gewebe in den Wänden anwendbar
ist. Es kann angenommen werden, dass eine solche Beziehung im Hinblick
auf den entspannten Zustand der Muskelzellen nach dem Pumphub anwendbar
ist, wenn das Füllen
fortschreitet. Auf dieser Stufe hängt das Füllen mit Blut auch direkt und
eindeutig mit dem hydrostatischen Druck zusammen, wie es in 2 gezeigt ist. Dabei handelt
es sich um ein Diagramm des Drucks im linken Ventrikel des Herzens
als Funktion des Ventrikelvolumens. Die Beziehungen in verschiedenen
Herzzyklen sind mit den geschlossenen Spuren bei 1, 2 und 3 dargestellt.
Die hier interessierenden Segmente finden sich in dem unteren rechten Teil
der Spuren, wo sie mit der unteren gestrichelten Spur zusammenfallen,
die mit PED bezeichnet ist. Wenn ein Stimulationsimpuls die Kontraktion
auslöst, dann
steigen die geschlossenen Spuren gerade an, was eine Druckzunahme
wiedergibt, die vor dem Pumpbeginn an dem Punkt auftritt, bei dem
sich die vertikale Flanke in eine Krümmung ändert, die ein abnehmendes
Volumen und eine fortgesetzte Druckzunahme bezeichnet.
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Der Aufbau eines Herzschrittmachers,
bei dem ein Drucksensor zur Abgabe von Stimulationsimpulsen bei
geeigneten Zeitpunkten eingesetzt wird, ist schematisch in 3 gezeigt. Wie in der vorstehend
genannten Ausführungsform
erstreckt sich eine Elektrodenleitung 5'' von
dem Gehäuse
oder Hauptabschnitt 1 des Herzschrittmachers zur unteren
Spitze des rechten Herzventrikels. Die Leitung 5'' enthält hier jedoch eine Mehrzahl
von elektrischen Leitern, die voneinander und von der Umgebung isoliert
sind, wie dies bei der vorstehend genannten Leitung 5 der Fall
ist, und die sich zu einer Stimulationselektrode erstrecken (nicht
gezeigt, jedoch z. B. am Ende der Leitung 5'' angeordnet).
Die Leitung 5 ist mit den elektri schen Steuerschaltungen 3 des
Herzschrittmachers verbunden, die sich wie vorstehend angegeben
in dem Hauptteil 3 befinden und über den Impulsgenerator 4 und über diese
Leitung Stimulationsimpulse abgeben.
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Die Leitung 5'' weist
auch zwei andere elektrische Leiter 15 auf, die voneinander
und von dem Leiter 7 elektrisch isoliert und mit einem
Drucksensor 17 verbunden sind, der auf oder mit der Leitung 5'' angeordnet ist. Der Drucksensor 17 befindet
sich in einem geringen Abstand von dem freien äußeren Ende der Leitung 5'', wodurch er in einem geringen Abstand
von der Innenwand des Ventrikels, jedoch nach wie vor im Inneren
des Ventrikels angeordnet ist. Der Drucksensor 17 sendet über die
Leitungen 15 ein elektrisches Signal, das den Druck des
Mediums darstellt, der die druckempfindliche Oberfläche des Sensors 17 umgibt
und auf diese einwirkt. Das Signal wird an Schaltungen innerhalb
des Hauptabschnitts 1 gesendet, und zwar zuerst an einen
Verstärker 19, der
auch mit geeigneten Filtern ausgestattet sein kann, z. B. abhängig von
der Art des Drucksensors und der Art, auf der dieser angesteuert
wird, mit mindestens einem Hochpassfilter. Das verstärkte und gegebenenfalls
gefilterte Signal wird zu einem Positivflankendetektor oder einem
Anstiegsflankendetektor 21 geschickt, der in der gleichen
Weise wie bei den Dehnungsmessvorrichtungen jedes Mal, wenn das
Signal bei einer solchen Flanke einen sorgfältig ausgewählten Schwellwert Tr erreicht
und übersteigt, einen
kurzen elektrischen Impuls abgibt.
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Dieser kurze Impuls wird an die Steuerschaltungen 3 des
Herzschrittmachers geschickt und ein Stimulationsimpuls wird über den
Leiter 7 mittels des Impulsgenerators 4 an das
Herz geschickt. Wenn ein Impuls von der Detektorschaltung 21 die
Steuerschaltungen 3 erreicht, dann kann die Abgabe des Stimulationsimpulses
um einen vorbestimmten Verzögerungszeitraum
verzögert
werden, und zwar abhängig
z. B. von der Höhe
des Schwellwertpegels Tr, der für
den Detektor 15 eingestellt ist. Die Steuerschaltungen 3 können ferner
mit verschiedenen Sicherheitsmerkmalen ausgestattet sein, so dass
z. B. Stimulationsimpulse immer in geeigneten Intervallen innerhalb
eines vorbestimmten Zeitraums nach dem vorhergehenden Stimulationsimpuls
abgegeben werden, selbst wenn von der Detektorschaltung 21 kein Impuls
empfangen wird.
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Um die Art und Weise zu verdeutlichen,
wie der Schwellwertpegel oder der Auslösepegel Tr ausgewählt werden
kann, enthalten die 4a und 4b Diagramme der elektrischen
Spannung bzw. des Drucks als Funktion der Zeit. Folglich ist 4a ein Diagramm, das die
elektrische Spannungssequenz zwischen zwei Punkten auf dem Körper zeigt,
wobei die Punkte an gegenüberliegenden
Seiten eines Herzens platziert sind. Diese Art von Aufzeichnung
wird als Oberflächen-EKG
bezeichnet und dessen Auftreten ist zu der Abfolge von Er eignissen
analog, die zu Beginn bezüglich
der Spannung zwischen einem Punkt auf dem Herzen und einem anderen
inneren Punkt in dem Körper
diskutiert worden ist. Folglich können hier die P-Welle, der
QRS-Komplex und die T-Welle unterschieden werden und bezeichnen
die verschiedenen vorstehend beschriebenen Ereignisse. 4b ist ein Diagramm, das
den Druck im rechten Ventrikel eines gesunden Herzens als Funktion der
Zeit zeigt. Die Zeitmaßstäbe in den 4a und 4b stimmen überein. So ist der Druck an
einem Punkt geringfügig
nach der T-Welle am geringsten, d. h. geringfügig nach der Zeit, bei der
die Muskelzellen in den Wänden
des Ventrikels mit ihrer Entspannung und Verlängerung beginnen. Dabei strömt Blut
von dem dazugehörigen
Atrium in das Ventrikel und der Druck steigt. An einem bestimmten
Punkt im letztgenannten Teil des QRS-Komplexes beginnt der Druck schneller
anzusteigen. Dies zeigt, dass die Wände des Ventrikels kontrahieren
und dass Blut aus dem Ventrikel herausgepumpt wird. Der Druck steigt
bis zu einem Spitzenwert an und fällt dann mit einer mehr oder
weniger gleichförmigen
Geschwindigkeit auf einen Tiefpunktwert. Anschließend wiederholt sich
der gesamte Vorgang. Ein geeignet ausgewählter Auslösepegel für den Flankendetektor 15 ist
bei Tr gezeigt, der so ausgewählt
ist, dass er an dem Punkt liegt, an dem der Druck schneller anzusteigen
beginnt. Dieser Pegel kann z. B. dann eingestellt werden, wenn die
Ableitung des Drucksignals untersucht und einem geeigneten Wert
zugewiesen wird, der dem Pegel entspricht, bei dem die Ableitung
des Drucksignals einen vorher definierten Wert übersteigt. Der Druckpegel kann
auch auf andere Weise bestimmt werden, z. B. durch Mustererkennung
oder die Messung des Absolutdrucks. Eine weitere Bedingung für den Pegel
könnte
darin bestehen, dass er gleichzeitig einen vorbestimmten Druck übersteigt.
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In einem Herzen mit abwesender intrinsischer
Ventrikelstimulation wird die für
eine Stimulation ausgewählte
Zeit die chronologische natürliche Ventrikelfunktion
beim Herauspumpen von Blut genau simulieren.
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In üblicher Weise können die
Steuerschaltungen
3 beider Ausführungsformen verschiedene Funktionen
enthalten, um sicherzustellen, dass die Stimulationsimpulse bei
einer spezifischen niedrigsten Geschwindigkeit und höchsten Geschwindigkeit erzeugt
werden und dass eine Änderung
der Intervalle zwischen Impulsen nicht zu schnell ausgeführt werden
kann, vgl. die vorstehend zitierte
US-PS 5,417,715 .