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Elektrischer Herzschrittmacher
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein elektrischer Herzschrittmacher,
dessen Reizimpuls-Folgefrequenz in Abhängigkeit von der Körpertemperatur bzw. der
zentralen Bluttemperatur selbsttätig gesteuert wird. Mit den Ansprüchen sind seine
erfinderischen Merkmale gekennzeichnet.
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Seit der ersten erfolgreichen elektrischen Stimulation des menschlichen
Herzens vor mehr als 70 Jahren (Zoll, P.M.: Historical Development of Cardiac Paeemakers.
Progr. Cardiovsc. Dis. 14 (1972): 421) hat sich der elektrische Herzschrittmacher
zu einem unentbehrlichen Hilfsmittel der Behandlung von Erregungsbilduiigs- und
insbesondere Erregungsausbreitungsstörungen des Herzens entwickelt.
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Heute gelten die meisten der anfänglich mit der Implantation von Herzschrittmachern
verbundenen Schwierigkeiten als gelöst, sodass nun zuverlässige, für mehrere Jahre
funktionsfähige Herzschrittmacher kleiner Abmessungen, geringen Gewichtes und bei
Implantation mit weitgehender physiologischer Verträglichkeit dem Arzt für die Stimulation
der Herztätigkeit zur Verfügung stehen. Die für die Behandlung massgeblichen Bedingungen,
nämlich in bezug auf die Frequenz, die Form und die Breite der Schrittmacherimpalse
sowie in bezug auf die Triggereigenschaften, stehen für die verschiedenen Therapieerfordernisse
weitgehend fest. Man hat die Möglichkeit einer frequenzstarren Herzreizung (Stimulation)
oder einer vorhofgetriggerten Stimulation. Schliesslich stehen auch sogenannte QRS-inhibierende
oder I)emand-Schrittmacher zur Verfügung. Bei ihnen wird die Stimulation mittels
einer intrakardialen Elektrodensonde gesteuert, innSem selbsttätig die Schrittmacherimpulse
so lange unterdrückt werden, wie eine elektrische Spontanaktivität der Kammern noch
auftritt. Wenn jedoch die natürliche ErreLng des Herzens für eine
bestimmte
wählbare Zeit ausgeblieben ist, werden Schrittmacher impulse, worzugsweise frequenzstarr
mit etwa 70 Schlägen pro Minute abgegeben. Durch die andere Art, nämlich die von
natürlichen Ileraktionen gesteuerte Stimulation wird einmal der Energieverbrauch
des Schrittmachers vermindert, was besonders bei implantierten Schrittmachern sehr
wichtig ist, und andererseits wird eine unnötige oder sogar schädliche Reizung des
Herzens bei Interferenz mit den natürlichen Aktionen vermieden.
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Die überwiegende Mehrzahl der heute für die Langzeit-Therapie vcrwendeten
Schrittmacher hat den Nachteil, dass die Stimulationsfrequenz vor der Implantation
fest eingestellt werden muss, sodass eine Steigerung des Herzminutenvolumens nur
durch eine Vergrösserung des Herzschlagvolumens erreicht werden kann. Dies ist jedoch
bei mittel schwerer bis grosser körperlicher Anstrengung und insbesondere bei myocardialer
Insuffizienz unzureichend und kann die Leistungsfähigkeit des Schrittmacher-Trägers
erheblich beeinträchtigen.
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Die für den besten Wirkungsgrad des Herz-Kreislaufsystems erforderliche
Herzfrequenz wird beim gesunden Herzen durch den Sinus-Knoten erzeugt. Wenn die
durch den künstlichen elektrischen Herzschrittmacher zu behandelnde Störung des
herzens darin besteht , class der vorn natürlichen Sinds-Knoten erzeugte elektrische
Impuls nicht vom Vorhof- in den Kammerbereich des herzens geleitet wird, ist es
naheliegend, die Stimulations-Frequenz des künstlichen Herzschrittmachers durch
die Impulse des Sinus-Knotens zu st eiern. Solche sogenannten P-Wellen-gesteuerte
Herzschrittmacher sind verfügbar und wurden bereits 1962 von Nathan, Center und
Mitarbeitern implantiert (Nathan, D.A., Conter, S., Wu, C.Y., Keller, W: An imp;antable
synchronous pacemaker for the lang-term correction of complete heart block.
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American J. Cardiol. 11 (1963): 362). Die praktischen Nachteile der
durch die P-Welle gesteuerten Schrittmacher-Systeme sind jedoch bis heute nicht
behoben worden, sodass nur ein Beuchteil der implantierten Schrittmacher von ihror
Art sind, Ihe werentlicher Mangel ist nämlich, dass die elektrische Spannungder
P-Welle über
eine gesonderte, im Vorhof-f3ereich verankerte Elektrode
abgeleitet und dem Schrittmacher zugeführt werden muss. Die Verankerung einer solchen
Vorhof-Elektrode im Vorhof ist jedoch durch Einführen eines Katheters durch eine
Vene nicht zuverlässig möglich (Büchner, Ch., Drägert, W.: Schrittmachertherapie
des Herzens, Forum cardiologicum 14, Boehringer Mannheim GmbH 1973). Die zuverlässige
Fixierung einer Vorhof-Elektrode ist nur durch einen operativen Eingriff mit Eröffnung
des Thorax und den damit verbundenen offensichtlichen Nachteilen und Risiken möglich.
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Die Nachteile des P-Wellen-gesteuerten Schrittmachers haben dazu angeregt,
nach anderen Möglichkeiten der belastungsabhängigen Frequenzsteuerung des Schrittmachers
zu suchen. Zum Beispiel hat H.D. Funke vorgeschlagen, die Schri t tmacherimpulsfrequenz
in Abahängigkeit von der A-temfrequenz selbsttätig zu verändern (H.D. Funke: Ein
Herzschrittmacher mit belastungsabhängige Frequenzregulation.
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Biomedizinische Technik 20 (1 975): 225).
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Nachteilig ist jedoch dabei einerseits, dass die Atmung willkürlich
beeinflusst werden kanne und andererseits, dass die zuverlässige Erfassung der Atem-tätigkeit
erheblichen Aufwand erfordert.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass es in physiologischer
Hinsicht sehr günstig wäre, die Frequenz der Stimulation durch Schrittmaeher und
damit die Herzfrequenz an die körperliche Belastung des Schrittmacherträgers anzupassen,
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass die Körper-Kerntemperatur, und
zwar bevorzugt die zentrale Bluttemperatur als Stellgrösse zur Steuerung der Schrittmacher-Impulsfrequenz,
verwendet wird. Vom Erfinder durchgeführte Messungen der intrakardialen Bluttemperatur
haben die bekannte Tatsache der Abhängigkeit der zentralen Bluttemperatur von der
körperlichen Belastung bestätigt. Zum Beispiel wurde bei der Belastung vonPatienten
mit Hilfe des Fahrrad-Ergometers ein Anstieg der zentralen Bluttempratur um ca.
1°C festgestellt, wenn die Belastung 125 W betrug. Die Reizimpulsfrequenz soll sich
demanch als eine Funktion der Könperkerntemperatur salbsttätig
einregeln,
im allgemeinen gleichsinnig, wobi eine lineare Abhängigkeit in Teilbereichen nicht
auszuschliessen ist. Die Frequenzänderung wird aber vornehmlich bei einer höheren
Bluttemperatur welliger steil als bei einer niedrigeren Temperatur verlaufen müssen.
Dem Temperaturintervall von 37° bis 390 C könnte zum Beispiel einem Frequenzintervall
von 70 bis 100 Impulsen, maximal 110 Impulsen in der Minute entsprechen.
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Die physiologische Bedeutung der Erfindung liegt besonders darin,
dass bei hoher Temperatur auch ein höherer Sauerstoffbedarf im Herz und im Körper
entsteht, dem nur durch Vergörsserung des Blutstromes und damit durch Erhöhung der
Herzschlagfrequenz entsprochen werden kann. Zwar gibt es bereits Schrittmacher,
und zwar fixfrequente sowie Demand-Geräte, bei welchen die Reizintensität und die
Frequenz an gewisse vorliegende physiologische Bedingungen angepasst werden kann.
Diese Anpassung musste jedoch immer fallweise durch lIandbedienung geschehen und
mehr als zwei oder drei Frequenzwerte standen nicht für die Auswahl zur Verfügung.
Demgegenüber sieht der Erfindungsgedanke eine automatische, vorzugsweise stetige
Steuerung der Stimulationsfrequenz in funktioneller Abhängigkeit von der Bluttemperatur
vor.
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für die weitere Beschreibung des Erfindungsgedankens werden Figuren
herangezogen.
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Figur 1 verdeutlicht das Grundprinzip der Erfindung mit einer Schaltungsskizze.
Figur 2 dient zur Veranschaulichung einer Applikationsmöglichkeit eines Herzschrittmachers.
Figur 3 zeigt eine mögliche Ausführungsform der Spitze eines Stimulationskatheters
und Figur 4 stellt die Schaltungsskizze eines Scllrittmachers nach dem Sperrschwingerprinzip
dar, mit Massnahmen, die die Erfindung kennzeichnen.
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Zur näheren Beschreibung des Erfindungsgedankens werden batteriebetriebene
Schrittmacher zugrunde gelegt, die gegenwärtig als Idealform der Schrittmacher anzusehen
sind und mindestens über mehrere Wochen eine störungsfreie Stimulation gewährleisten.
Der Patient bleibt ungehindert und fortbewegungsfähig. Ein solcher Schrittmacher
umfasst als Ilauptteil den elektrischen Impulserzeuger 2, die Speisespannungsbatterie
1, welche Teile üblicherweise in einer Kapsel 10 (siehe Figur 2) eingebaut sind,
des weiteren die Zuleitungen 5a und 5b für die in oder am Herzen 4 zu verlegenden
Stimulationselektroden 3a und 3b. Für die Durchführung des Erfindungsgedankens ist
schliesslich ein in eine Kammer des Herzens verlegbare elektrischer Temperaturfüliler
6 vorgesehen, der mit dem Impulserzeuger 2 des Schrittmachers über die elektrischen
Leitungen 7a und 7b derart in Verbindung steht, dass die Stimulationsfrequenz gleichsinnig
mit Temperaturänderungen im Herzen selbsttätig gesteuert wird. Grundsätzlich kann
die Steuerung der Stimulationsfrequenz bei endokardialer oder epikaidialer, bei
unipolarer oder bipolarcr und schliesslich auch bei intramuraler Reizungsart des
Herzens angewandt werden. Diesen Möglichkeiten ent sprechend sind ihre Elektroden
und ihre Zuleitungen, die vorzugsweise in Katheterschläuchen verlegt sind, zu gestalten.
Es sei bemerkt, dass weniger der elektronische Teil als vielmehr die Gestaltung
der Applikationselektroden und ihrer Zuleitungen sowie ihre Verlegung oder Applikation
im Herzen die technologischen Hauptschwierigkeiten bei der künstlichen Herzreizung
aufwerfen. Vor allem die ständige Mitbewogung der Elektroden und ihrer Zuleitungen
bei den Herzschlägen erfordern eine hohe Biegebeständigkeit des Materials, und zwar
nicht nur der Leituiigskabeln und der Elektroden, sondern auch der Isolierschläuche.
Im grossen und ganzen können diese Probleme jedoch als gelöst betrachtet werden,
sind aber uicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
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Die gemäss dem Erfindungsgedanken vorgesehene selbsttätige Steuerung
der Impulsfrequenz des Schrittmachers ist vor allem auch unabhängig davon anwendbar,
ob an sich eine frequenzstarre Stimulierung vorgesehen ist und der Impulserzeuger
dementsprechend ausgelegt ist oder ob die künstliche Stimulation nur bei Bedarf
(Demand-Prinzip) einsetzen soll. Dagegen ist der Erfindungsgedanke nicht bei sogenannten
vorhof-gesteuerten Herzschrittmachern anwendbar, bei welchen die Impulse von der
Herzaktiont und zwar von der P-Welle der Vorhöfe, synchronisiert getriggert werden.
Für letztere ist also ein besonderer Fühler für die natürliche Herzaktion erforderlich
mit entsprechenden Zuleitungen zum Impulserzeuger, um diese beim Auftreten einer
bestimmten Phase (vornehmlich der P-Welle) der. Herzaktion zu triggern.
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Die Massnahme gemäss der Erfindung können schliesslich bei extrakorporaler
Anordnung der Schrittmacher oder bei in den Körper des Patienten 8 implantierten
Schrittmachern 10 angewandt werden. Bei der bipolaren Stimulation werden zwei kleinflächige,
nahe beieinanderliegende Elektroden gleicher Grösse mit dem Myocard in Kontakt gebracht.
Bei einer unipolaren Stimulation ist hingegen die eigentliche Reizelektrode verhältnismässig
kleinflächig und wird vorzugsweise mittels eines Katheters an der Innenwandung der
Herzkammer verankert, wie Figur 2 veranschaulicht, während die indifferente Gegenelektrode
3b grossflächig sein sollte und an einer beliebigen Stelle des Herzens, vorzugsweise
an dessen Aussenwandung angebracht sein kann. Die eigentliche Reizelektrode 3a soll
mit dem Minuspol der Batterie verbunden sein, da hierbei die Gewebsirritation am
Reizort besonders gering ist und nur ein Minimum an Impulsspannungbenötigt wird.
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Der Erfindungsgedanke wird weiter anhand einer bipolaren interkardialen
Elektrode gemäss Figur 3 erläutert. Dabei ist an der Spitze eines intrakardialen
Katheters 9, einem aus Isoliermaterial bestehenden Schlauch, die Reizelektrode 3a
angeordnet, während in einigem Abstand dahinter abgesetzt die indiffcrente Elektrode
3b sich befindet. Deren Zuleitungskabel 5a und 5b sind
im Innern
des Katheterschlauches 9 verlegt. Für die Erfindung ist nun kennzeichnend die Anordnung
eines Temperaturfühlers 6 ebenfalls an der Spitze des Katheters, z.B. zwischen den
beiden Elektroden. Seine Zuleitungen 7a und 7b sind auch im Katheterschlauch verlegt,
wobei jedoch eine Zuleitung 7a bei einer besonderen elektronischen Steuerschaltung
mit der Zuleitung 5b für die indifferente Elektrode 3b zusammenfallen könnte.
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Als Temperaturfühler können passive oder aktive temperaturab hängige
Elemente benutzt werden, also HeiBleiter (Thermistoren), Kaltleiter, Dioden, Transistoren
oder Thermoelemente.
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Ihrer Aufgabe entsprechend haben sie in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur
die Impulsfrequenz des Impulserzeugers 2 zu steuern. Bei einer Ausführungsform nach
dem Sperrschwingerprinzip von Schrittmachern, die der Schaltungsskizze von Figur
4 zugrunde liegt, bildet daher zweckmässig der Temperaturfühler 6 den Vorwiderstand
im Basisstromkreis eines Transistors 11 des Sperrschwingers. Die Basis-Vorsparinung
wird daher mit der Temperatur geändert, dementsprechend wird die Frequenz des Sperrschwingers
über die Transistoren 11 und 12 gesteuert. Bei Verwendung von Multivibratoren als
impulserzeugende Elemente wird die Frequenzsteuerung in ähnlicher Weise erreicht.
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Die Frequenz des Stimulators wird vornehmlich gleichsinnig mit der
Temperatur gesteuert, d.h. bei einer Temperaturerhöhung soll sich auch die Frequenz
der Reizimpulse erhöhen. Und zwar soll im allgemeinen einem Temperaturintervall
zwu.schen 3700 und 3900 ein Frequenzintervall von 70 Impulsen pro Minute bis 110
pro Minute entsprechen.
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Schrittmacher gemäss dem Erfindungsgedanken mit einer selbsttätigen
Steuerung der Schrittmacherfrequenz in Abhängigkeit von der Temperatur kommen den
physiologischen Erfordernissen besser und zweckmässiger entgegen als bisherige Sehrittmacherformen,
die eine stetige Frequenzanpassung nicht haben. Bei Schrittt.lachern gemäss der
Erfindung
bleibt aber auch die günstige Eigenschaft bestehen,
dass nur ein einziger Katheter, der auch den Temperatursensor enthält, nach der
bisher üblichen Schrittmacher-Implantationsmethede transvenös eingeschoben zu werden
braucht. Darüber hinaus ist es vorteilhaft, dass sich manche Störungen im Schrittmachersystem
dadurch anzeigen können, dass die Schrittmacherfrequenz nicht mehr in der vorgeschriebenen
Weise Änderungen der Umgebungstemperatur folgt, insbesondere bei unphysiologisch'
schnellen Temperaturerhöhung. Man kann also die temperaturgesteuerte Frequenzänderung
auch zur Funktionskontrolle des Schrittmachersystems benutzen.