DE3816042A1

DE3816042A1 - Energiesparender herzschrittmacher

Info

Publication number: DE3816042A1
Application number: DE3816042A
Authority: DE
Inventors: Michael Heinz; Heinz Theres
Original assignee: Individual
Current assignee: Medical Concepts Inc Arlington Va Us
Priority date: 1988-05-10
Filing date: 1988-05-10
Publication date: 1989-11-23
Also published as: US4979507A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Herzschrittmacher gemäß dem Oberbegriff des ersten Patentanspruches.

In den nahezu 30 Jahren der Herzschrittmachertherapie hat diese eine erhebliche Verbesserung erfahren. Nicht nur, daß die Lebensdauer der Schrittmacheraggregate von wenigen Monaten auf mehrere Jahre angestiegen sind, gleichzeitig ist auch eine deutliche Reduktion der Größe im Lauf der Entwicklung erfolgt. Es sind multiprogrammierbare Schritt macher aufgrund moderner Mikroelektronik möglich.

Das US-Patent 44 85 818 beschreibt einen multiprogrammier baren Herzschrittmacher auf Mikroprozessorbasis. Die Verwendung von energetisch günstigeren Lithiumbatte rien, die die früher gebräuchlichen Zink-Quecksilberbat terien, die eine hohe Selbstentladung aufwiesen, abgelöst haben, haben zu einer weiteren Größenreduktion und Verlän gerung der Lebensdauer beigetragen. Energiesparende Schal tungsmaßnahmen haben den notwendigen Strombedarf des Herzschrittmachers reduziert. Die Entwicklung moderner Elektroden, die geringe Polarisationsspannungen aufbauen, haben zu einer Reduktion des für die Stimulation notwendigen Energiebedarfs beigetragen.

Die Stimulation und Erregung des Herzmuskels unterliegt da bei den Gesetzen der Trophysiologie, bei der eine Bezie hung zwischen Pulsdauer, die notwendig ist, um das Herz zu erregen und Impulsamplitude bekannt ist. Die Reiz schwellenkurve ist dabei eine individuelle Größe, die sich aus der Interferenz des jeweiligen Herzens des Schrittma cherträgers und der Elektrode ergibt. Die Reizschwellenkur ve ist keine feste Größe, sondern durch vielerlei Faktoren determiniert. Zum einen spielen natürlich Größe, Oberflä che und Beschaffenheit der Elektrode eine Rolle. Wesentli chen Einfluß übt auch die Beschaffenheit des Herzens aus. Neben diesen vorgegebenen Einflußfaktoren gibt es aber eine Anzahl von sich ständig ändernden Einflußfaktoren wie medi kamentöse Einflüsse, Durchblutungssituation des Herzens un ter verschiedenen Arbeitsbedingungen, Spiegel des Ad renalins im Körper, Tageszeit, sowie die Art der Stimula tion, ob uni- oder bipolar und auch die zeitliche Dauer, wie lange eine Elektrode implantiert war. Diese Parameter haben wesentlichen Einfluß auf den Verlauf der individuel len Reizschwellenkurve. Weitere Angaben hierzu finden sich z.B. bei Alt "Schrittmachertherapie des Herzens", Grundla gen und Anwendung, perimed Fachbuch-Verlagsgesellschaft mbH, Erlangen, 1985, Seite 33 bis 39.

Da zahlreiche Faktoren einen ständig wechselnden Einfluß auf den Verlauf der Reizschwellenkurve ausüben, muß die Energieabgabe eines Herzschrittmachersystems diesen Schwankungen Rechnung tragen. In der Regel wird eine soge nannte 100%ige Sicherheitsmarge eingestellt, dies bedeu tet, daß die abgegebene Energie zur Stimulation 100% über der minimalen Energiemenge liegt, die gerade noch zu einer Erregung des Herzens notwendig ist. Die pro Stimulationsim puls verbrauchte Energie ist dabei eine Funktion der Spannung, des Stroms und der Zeitdauer des Stimulus. Bei konstantem Widerstand kann der Energieverbrauch auch als

W _t = U² × t/R (1)

angegeben werden. Entsprechend der Reizschwellenkurve ist immer ein bestimmtes Mindestprodukt aus Spannung oder Strom und Einwirkdauer (Impulsdauer) notwendig, das durch die bekannte Formel der Reizschwellenkurve

beschrieben wird. Dabei ist U _o die Spannungsrheobase, der Zeitpunkt der Chronaxie t _c entspricht der Impulsdauer bei doppelter Rheobasenstärke. Bei Annahme eines konstanten Widerstandes R ergibt sich durch Einsetzen in die Energie formel, daß die Energie zum Zeitpunkt der Chronaxie t _c mit

W _(tc) = 4 U₀²t/R (3)

am geringsten ist. Dagegen hat eine Verkürzung der Impuls dauer z.B. trotz einer entsprechenden Verminderung der Energiemenge aufgrund der zeitlichen Verkürzung der Stimu lationszeit relativ höheren Energieverbrauch. Z.B. erfor dert eine Verkürzung der Impulsdauer auf ein Zehntel der Chronaxiezeit eine kompensatorische Erhöhung der Spannung U. Aus der obigen Gleichung (2) beträgt die bei einer derartigen Stimulationsart notwendige Spannung U den elffachen Wert von U ₀.

Daraus errechnet sich eine Gesamtenergie von

W = 12,1 U₀²t _c.

Im Vergleich zu der Energie W _(tc) zum optimalen Zeitpunkt t _c (s. Gleichung 3) beträgt im angegebenen Fall die notwendige Energiemenge mehr als 300% der Energie bei einer Stimulation zum Zeitpunkt der Chronaxie. Daß dieser Energieverbrauch erhebliche Einflüsse auf die Lebensdauer des Schrittmachers hat wird ersichtlich.

Für die Erhaltung einer ausreichenden Sicherheit aufgrund der schwankenden Reizschwelle wurden in der Vergangenheit Maßnahmen entwickelt, die Reizschwelle auch nach Implanta tion zu bestimmen.

In der US-PS 37 77 762 ist eine Methode zur nichtinvasiven Bestimmung der Reizschwelle durch kontinuierliche Vermin derung der Impulsamplitude erläutert.

In der US-PS 43 05 396 ist ein Herzschrittmacher beschrie ben, der in der Lage ist, die Effektivität von Stimula tionsimpulsen aufgrund der Nachpotentialschwankungen von ineffektiven Stimulationsimpulsen zu unterscheiden.

In dem Artikel The Autodiagnostic Pacemaker von A. Auerbach in Pace, vol. 2, 58 bis 68, 1979, ist ein autodiagnostischer Schrittmacher beschrieben, der in der Lage ist, ebenfalls effektive von ineffektiven Stimula tionsimpulsen zu unterscheiden. Ein ähnliches Verfahren wird auch von H.J. Th. Thalen in dem Artikel Evoked Response Sensing as Automatic Control of the Pacemaker Output in: G.A. Feruglio: Cardiac Pacing, Piccin Medical Books, Padova 1982, 1229 bis 1234, erläutert.

Die Idee einer automatischen Bestimmung der Reizschwelle trägt dem Sicherheitsgedanken Rechnung, so daß nicht durch eine fälschlich zu geringe Einstellung der abgegebenen Energie die Schrittmacherimpulse ineffektiv werden, und der Patient daraus möglicherweise eine Asystolie erleidet.

In allen diesen Arbeiten werden jedoch keine Angaben dahin gehend gemacht, zu welchem Zeitpunkt, d.h. mit welcher Im pulsdauer und mit welcher Impulsamplitude ein gegebener Patient optimal hinsichtlich einer energiesparenden Arbeitsweise bei gleichzeitiger Erhaltung der größtmögli chen Sicherheit versorgt ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Herz schrittmacher zu beschreiben, der den individuellen Ener giebedarf, der für eine sichere und effektive Stimulation benötigt wird, jeweils auf das mögliche Minimum anpaßt, und somit die zur Verfügung stehende elektrische Energie möglichst optimal ausnutzt, um dadurch einen für den Patienten noch weniger belastenden und noch kleineren Herzschrittmacher zu ermöglichen.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die im kenn zeichnenden Teil des ersten Patentanspruches angegebenen Merkmale gelöst.

Die Erfindung basiert demnach auf der Erkenntnis, daß durch die selbständige Messung der Reizschwelle durch den Schrittmacher und durch Messungen bei unterschiedlichen Impulsdauern und Impulsamplituden die Rheobase, die als Strom- oder als Spannungsrheobase (I ₀ bzw. U ₀) beschrieben werden kann, ermittelt werden kann. Ebenso kann durch mindestens zwei Messungen mit unterschiedlichen Impuls dauern bzw. Impulsamplituden auch die Chronaxie bestimmt werden. Eine Stimulation mit einer Impulsdauer, die der Chronaxie entspricht, stellt die optimale Energieausnutzung dar. Die wiederholt auszuführende Ermittlung von Reiz schwellenwerten und der Chronaxie trägt dazu bei, die Impulsabgabe und somit die Energieabgabe den wechselnden Bedürfnissen des Patienten anzupassen. Dabei spielt es für den einzelnen Herzschrittmacher keine Rolle, mit welcher Elektrode das Herz stimuliert wird, auch z.B. ältere energetisch ungünstigere Elektroden werden ebenso auf ihre optimalen Stimulationseigenschaften hin überprüft wie energetisch günstigere Elektroden. Durch die wiederholte Bestimmung der entsprechenden Parameter wird auch eine Anpassung an die unterschiedlichen Schwankungen in der Reizschwellenkurve innerhalb des individuellen Patienten berücksichtigt. So kennt man z.B. tageszeitliche Schwankun gen der Reizschwellenkurve, Einflüsse von Medikamentenein nahmen, Veränderungen des Elektrolythaushaltes sowie Veränderungen der Reizschwelle aufgrund von intermittierenden Ischämien. Da mehr als die Hälfte aller Schrittmacherpatienten an einer Durchblutungsstörung des Herzmuskels leidet, kommt diesem Aspekt besondere Bedeutung zu.

Die Erfindung kann auch im Zusammenhang mit einem externen Programmiergerät benutzt werden. Mit bekannten Methoden wird hierzu die Reizschwelle des jeweiligen Herzschrittma cherpatienten bestimmt. Aus diesen Messungen kann dann die Chronaxie und die Spannungsamplitude für die Stimulations impulse berechnet werden. Diese Daten können dann über ein Telemetriesystem zu dem implantierten Herzschrittma cher des Patienten übertragen werden, so daß dessen Logik entsprechend eingestellt wird.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unter ansprüchen hervor.

Die Erfindung ist in einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. In dieser stellen dar:

Fig. 1 ein schematisches Blockschaltdiagramm eines Herz schrittmachers gemäß der Erfindung;

Fig. 2 ein Diagramm der Rheobase;

Fig. 3 ein Diagramm für den Energieverbrauch eines Herz schrittmachers zur Stimulation eines Herzens;

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines externen Pro grammiergerätes und eines telemetrisch programmier baren Herzschrittmachers.

Die wesentlichen Bestandteile eines Herzschrittmachers 1 sind eine Batterie 2, ein Impulsgenerator 3, eine Stimula tionselektrode 4, ein Sensor 5, eine Auswerteschaltung 6 und eine Logik 7. Mit dem Sensor 5 werden ein oder mehrere physiologische Parameter eines Herzschrittmacherträgers ermittelt. Dieser Sensor kann z.B. ein Temperatursensor, ein Aktivitätssensor oder eine Kombination aus mehreren Sensoren sein. Die Signale dieses Sensors werden in der Auswerteschaltung 6 bewertet und in der Logik nach vorgege benen Kriterien weiterverarbeitet. In der Logik wird dann die notwendige Stimulationsfrequenz berechnet, die der momentanen Belastung des Herzschrittmacherträgers adäquat ist. Die Logik steuert dann den Impulsgenerator 3 an, der entsprechend Stimulationsimpulse an die Elektrode 4 lie fert. Die Batterie 2 versorgt die einzelnen Schaltungskom ponenten des Herzschrittmachers mit Energie. Hierbei ist zusätzlich noch ein Wandler 8, z.B. in Form eines Spannungsteilers vorgesehen, der die Batteriespannung in mehrere Spannungswerte aufteilt, die dann für die Versor gung der einzelnen Komponenten des Herzschrittmachers herangezogen werden können. Die Ausgänge des Wandlers, die demnach mehrere Spannungen führen, sind mit einer Auswahl schaltung 9 verbunden, die von der Logik 7 ansteuerbar ist. Die Auswahlschaltung wirkt dann auf den Impulsgenera tor 3. Die Logik 7 legt somit über die Auswahlschaltung 9 die Spannungsamplitude der Stimulationsimpulse für die Elektrode 4 fest. Außerdem wird durch die Logik 7 noch die Impulsdauer der Stimulationsimpulse bestimmt. Die Logik steuert aufgrund dieser noch zu erläuternden Berechnung eine Auswahlschaltung, z.B. in Form eines Zeitgliedes 10 an, das auf den Impulsgenerator wirkt.

Bei dem beschriebenen Herzschrittmacher wird zusätzlich noch die Herzaktivität ermittelt, um auf diese Weise die Reizschwelle bzw. die Kennlinie der Rheobase zu ermitteln. Dies kann z.B. dadurch erfolgen, daß die Logik 7 die Im pulsdauer der Stimulationsimpulse durch entsprechende An steuerung des Impulsgenerators 3 über die Auswahlschaltung 10 bei einer konstanten Spannung der Stimulationsimpulse so weit erniedrigt, bis keine Herzaktivität mehr festge stellt wird. Diese Aktivitätsprüfung erfolgt mit Hilfe der Stimulationselektrode 4, die in diesem Falle gleichzeitig als Meßelektrode dient. Die Signale werden einer Meßschal tung 11 zur Bestimmung der Rheobase zugeführt, die entspre chende Signale an die Logik 7 liefert, die dann die Kennli nie bestimmt. Anstatt die Stimulationselektrode 4 als Meß elektrode zu verwenden, ist es auch möglich, wie in Fig. 1 gestrichelt dargestellt, einen zusätzlichen Sensor 12 für die Herzaktivität zu verwenden, der dann entsprechende Sig nale an die Meßschaltung 11 liefert.

Die Bestimmung der Reizschwellenkurve sei anhand der Fig. 2 näher erläutert. Dort ist die Impulsamplitude als Span nungswert U über der Impulsdauer t der Stimulationsimpulse aufgetragen. Diese Reizschwellenkurve kann entweder als Spannungs- oder als Stromkennlinie aufgetragen werden. Die Formel für die Reizschwellenkurve entspricht der obigen Gleichung (2). Die entsprechende Stromkennlinie hat die gleiche Gestalt, wobei anstelle der Spannungswerte die Stromwerte eingesetzt werden. Die Reizschwellenkurve hat die Form einer in dem Quadranten um den Wert U₀ in positi ver Richtung versetzten Hyperbel. Zur Bestimmung der Im pulsdauer und der Impulsamplitude für die Stimulationsim pulse bei geringstmöglicher Energie wird die Reizschwelle z.B. bei zwei festen Spannungswerten U ₁ und U ₂ dadurch be stimmt, daß die Impulsdauer mit Hilfe der Logik 7 über die Auswahlschaltung 10 so lange variiert wird, bis gerade noch Herzaktivität vorliegt. Hieraus werden die zugeordne ten Impulsdauern t ₁ und t ₂ berechnet. Die Impulsdauer t ₂ ist ein Vielfaches der Impulsdauer t ₁. Anhand der obigen Gleichung (2) ergeben sich für die beiden bekannten Span nungswerte U ₁ und U ₂ demnach folgende Formeln:

Hieraus ergibt sich aus Umformulierung der Wert für U₀ zu

und der Wert für die Chronaxie t _c zu

Aus einer einfachen Messung zweier Punkte auf der Reiz schwellenkurve können somit die Chronaxie und die zugehöri ge Stimulationsspannung 2U ₀ bestimmt werden. Eine Stimula tion des Herzens wäre mit Impulsen mit diesen Werten gera de noch ausreichend und zeigte den geringsten Energiever brauch. Dies ist auch aus Fig. 3 ersichtlich, in der für die Reizschwellenkurve gemäß Fig. 2 der Energieverbrauch aufgetragen ist. Man sieht, daß bei Impulsen mit einer Dauer entsprechend der Chronaxie der Energieverbrauch am geringsten ist, sich bei Impulsen mit kürzerer Zeitdauer sehr rasch erhöht und für Impulse mit längerer Zeitdauer allmählich ansteigt.

Es ist natürlich nicht sinnvoll, eine Stimulation mit den vorgegebenen Werten vorzunehmen, da diese direkt auf der Reizschwellenkurve liegen. Aus diesen Gründen wird eine Sicherheitsmarge hinzugeschlagen, um in jedem Falle eine zuverlässige Stimulation des Herzens zu erreichen. Dies kann dadurch geschehen, daß entweder die Spannungs amplitude oder die Impulsdauer angehoben werden. Durch die Bestimmung der Reizschwellenkurve gemäß der Erfindung und der Chronaxie braucht diese Sicherheitsmarge nur 20% bis 30% betragen. Vorzugsweise wird hierzu die Impulsdauer entsprechend angehoben, da die für eine Stimulation notwen dige Energie in diesem Bereich nur relativ langsam ansteigt. Eine solche, auf Sicherheit bedachte Einstellung mit Hilfe der Impulsdauer ist aufgrund der nur diskret zur Verfügung stehenden Spannungsniveaus auch wesentlich einfa cher, da die Zeitschaltung zur Lieferung einer Vielzahl von Impulsdauern ausgelegt sein kann.

Obwohl im vorhergehenden der Aufbau der Schaltung für den Herzschrittmacher aus diskreten Elementen geschildert wur de, ist es selbstverständlich denkbar, diese Elemente auch als Funktionen eines Prozessors, d.h. in diesem Falle der Logik zu begreifen.

Die beschriebenen Messungen zur Bestimmung der Rheobase und daraus der Bestimmung der optimalen Stimulation hin sichtlich Impulsdauer und Impulsamplitude werden in Inter vallen bestimmt, die durch die Logik selbst vorgegeben wer den. Die Logik ist hierbei so programmiert, daß diese Mes sungen nach der Implantation eines Herzschrittmachers rela tiv häufig, z.B. im Stunden- oder Halbtagesrhythmus durch geführt werden. Hiermit können Änderungen der Rheobase z.B. im Tageszeitrhythmus und insbesondere nach Implanta tion des Herzschrittmachers berücksichtigt werden. Nach einer gewissen Zeit stabilisiert sich die Rheobase und die Änderungen der Rheobase werden im wesentlichen durch Tages zeitschwankungen bestimmt. Ist diese Stabilisationsphase eingetreten, so können die Messungen in größeren Interval len durchgeführt werden.

In Fig. 4 ist ein externes Programmiergerät 21 für einen Herzschrittmacher 22 dargestellt. Mit dem externen Program miergerät wird in herkömmlicher Weise die Reizschwelle eines Herzschrittmacherträgers bestimmt. Angedeutet sind in dem Programmiergerät 21 lediglich die dazu notwendige Meßschaltung 23 und eine Logik 24. Aus den gemessenen Wer ten für die Reizschwelle werden, wie oben beschrieben, die optimale Impulsdauer und Impulsamplitude für die Stimula tionsimpulse des Herzschrittmachers mit einer gewissen Sicherheitsmarge bestimmt. Das externe Programmiergerät weist ferner einen Telemetriesender 25 auf, mit dem die so errechneten Daten dem implantierten Herzschrittmacher 22 übermittelt werden können. Hierzu weist der Herzschrittma cher 26 einen Telemetrieempfänger auf, der mit der Logik 27 des Herzschrittmachers 22 verbunden ist. Die Logik 27 steuert dann einen Impulsgenerator 28 für eine hier nur an gedeutete Stimulationselektrode 29. Die übrigen Teile des Herzschrittmachers, so z.B. Sensoren für physiologische Parameter und die zugehörigen Auswerteschaltungen, sind bei diesem Ausführungsbeispiel fortgelassen. Die in dem externen Programmiergerät 21 errechneten Werte für Impuls dauer und Impulsamplitude der Stimulationsimpulse werden auf einer Anzeige 30 angezeigt. Diese Werte werden von ei nem behandelnden Arzt kontrolliert und gegebenenfalls ver ändert. Zum Übertragen dieser Werte zum Herzschrittmacher 22 ist eine Bestätigungstaste 31 vorgesehen, die das Tele metriesystem aktiviert. Telemetrisch programmierbare Herz schrittmacher sind an sich bekannt, so daß sich hier eine weitere Beschreibung der Einzelheiten erübrigt.

Claims

1. Herzschrittmacher mit einer Vorrichtung zur automati schen Bestimmung der Reizschwelle, dadurch gekennzeich net, daß die interne Logik den jeweils energetisch günstigsten Stimulationsmodus hinsichtlich Impulsampli tude und Impulsdauer errechnet und einstellt.

2. Herzschrittmacher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Bestimmung der Reizschwellenkurve durch Er mittlung der notwendigen Impulsamplitude bei unterschiedlicher Impulsdauer erfolgt.

3. Herzschrittmacher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Bestimmung der Reizschwelle durch Ermitt lung der notwendigen Impulsdauer bei unterschiedlichen Impulsamplituden erfolgt.

4. Herzschrittmacher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß mehrere, jedoch mindestens zwei Meßwertpaare aus unterschiedlichen Impulsdauern und Impulsamplituden zur Ermittlung der jeweiligen Reizschwellenkurve heran gezogen werden.

5. Herzschrittmacher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß wiederholte Bestimmungen der Reizschwellenkurve in freiwählbaren Zeitintervallen erfolgen.

6. Herzschrittmacher nach Anspruch 5, dadurch ge kennzeichnet, daß die interne Logik des Schrittmachers die Abfolge dieser Zeitintervalle bestimmt.

7. Herzschrittmacher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Berechnungen der Reizschwellenkurve die interne Logik des Herzschrittma chers die energetisch günstigste Stimulationsform ein stellt, indem die Logik, die zum Zeitpunkt der Chronaxie notwendige Impulsamplitude bzw. unter Berück sichtigung einer frei wählbaren Sicherheitsschwelle ein entsprechendes Vielfaches dieser Impulsamplitude zum Zeitpunkt der Chronaxie einstellt.

8. Herzschrittmacher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die individuell energetisch günstigste Stimulationsform unter Berücksichtigung der im Schrittmacher herrschenden Bedingungen vom theo retisch günstigsten Zeitpunkt der Chronaxie abweichen kann.

9. Herzschrittmacher nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die interne Logik, die für die jeweilige Batterieart, Spannung, Schaltungsaufbau und technischen Möglichkeiten des einzelnen Herzschritt machersystemes optimale Stimulationsart hinsichtlich Impulsdauer und Impulsamplitude errechnet und einstellt, auch wenn diese vom theoretisch optimalen Zeitpunkt der Chronaxie abweichen sollte.

10. Externes Programmiergerät zum Programmieren eines Herz schrittmachersystems mit einem im externen Programmier gerät befindlichen Telemetriesystem, dadurch gekenn zeichnet, daß mit Hilfe einer Vorrichtung zur automati schen Bestimmung der Reizschwelle die interne Logik des Herzschrittmacher-Programmiergeräts den jeweils energe tisch günstigsten Stimulationsmodus hinsichtlich Impuls dauer und Impulsamplitude errechnet.

11. Externes Programmiergerät nach Anspruch 10, dadurch ge kennzeichnet, daß die energetisch günstigsten Werte an gezeigt und eingestellt werden.

12. Externes Programmiergerät nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einstellung eines als optimal erachteten Wertes erst nach Bestätigung weiterleitbar ist.