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Hintergrund der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf Herzschrittmacher für
die Stimulation von Herzen, enthaltend einen Impulsgenerator, der
periodisch Stimulationsimpulse erzeugt und wenigstens eine mit dem
Impulsgenerator und mit dem Herzen verbindbare Elektrodenvorrichtung
zur Übertragung
der genannten Impulse zu dem Herzen.
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Es sind Schrittmacher bekannt, die
die Atemfrequenz des Benutzers messen und das Intervall zwischen
den Stimulationsimpulsen entsprechend der Atemfrequenz derart verändern, dass
eine Zunahme in der Atemfrequenz, die im Allgemeinen einer Zunahme
in der Aktivität
des Benutzers entspricht, eine Zunahme in der Stimulationsimpulsfrequenz
hervorruft. Ein Beispiel eines derartigen Schrittmachers ist in
der US-A 4,757,815 dargestellt.
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Ferner sind Schrittmacher bekannt,
die versuchen, die in jedem Stimulationsimpuls gelieferte Energie
auf ein Minimum zu reduzieren, um die Lebensdauer der Schrittmacherbatterie
zu verlängern. Diese
als "Autocapture"-Schrittmacher bekannten Schrittmacher
benutzen Einstell-Algorithmen
zur Bestimmung des minimalen Stimulationsenergiepegels. Um ein capture
(Reizbeantwortung) zu gewährleisten,
wird die Stimulationsimpulsenergie dann auf einen Wert gesetzt,
der 50% bis 100% größer ist
als die minimale Stimulationsimpulsenergie. Die Atmung des Benutzers
stört jedoch
das korrekte Funktionieren dieser Einheiten durch kontinuierliches
Verändern
der Form der Brust, welches zeitliche, nicht-lineare Veränderungen
in der Stimulationsimpedanz hervorruft. Dies bedeutet, daß die für ein erfolgreiches capture
benötigte
Stimulationsimpulsenergie während
des Atemzyklus variiert. Derzeitige Algorithmen ziehen nicht in
Betracht an welchem Punkt im Atemzyklus der Stimulationsimpuls auftritt.
Dies bedeutet, daß gelegentlich
selbst ein Stimulationsimpuls der eine Impulsenergie aufweist, welche
um 100 größer als
die minimale Stimulationsimpulsenergie ist, unzureichend ist um
zu einem capture zu führen.
In diesem Fall erhöhen
derzeitige Algorithmen automatisch die Impulsenergie für den nächsten Impuls.
Dieser Impuls kann jedoch unnötigerweise
leistungsstark sein und deshalb Energie verschwenden, weil es leicht
möglich
ist, daß zufolge
der durch die Atmung hervorgerufenen Änderungen in der Form der Brust
die Stimulationsimpedanz in der Zwischenzeit auf einen niedrigeren
Wert abgefallen sein kann.
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Es ist möglich, die Stimulationsimpedanz
direkt zu messen, zum Beispiel durch Übertragen eines Impulses einer
ausreichend niedrigen Amplitude, so daß er das Herz nicht stimulieren
kann und die Stärke des
zurückkehrenden
Signals zu messen. Ein solches Verfahren verwendet jedoch Energie
und ist auch Fehlern unterworfen, die durch das zurückkehrende
Signal verursacht werden, welches mit Störungen aus der normalen elektrischen
Aktivität
im Körper des
Benutzers versehen wird.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es ist ein Ziel der vorliegenden
Erfindung einen Herzschrittmacher der oben genannten Art verfügbar zu
machen, der die Stimulationsimpulsenergie verändern kann um beispielsweise
Energie zu sparen ohne Fehlern unterworfen zu werden, die durch Störungen aus
der normalen elektrischen Aktivität im Körper des Benutzers verursacht
werden.
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Erfindungsgemäß wird dieses Ziel erreicht durch
Verfügbarmachen
eines Herzstimulators, der den Atemzyklus des Benutzers überwacht
um indirekt die Stimulationsimpedanz zu bestimmen und damit die
Stimulationsimpulsenergie so zu modifizieren, daß eine Herzstimulation mit
einem minimalen Energieverbrauch erreicht wird.
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Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
eine schematische Darstellung von Brustvolumen- und Stimulationsimpedanzamplitudenveränderungen
und die Veränderung
in der Stimulationsimpulsenergie, die während des Atemzyklus eines
Herzschrittmacherbenutzers benötigt
wird.
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2 ist
ein schematisches Diagramm eines Herzschrittmachers, der gemäß der vorliegenden
Erfindung aufgebaut ist.
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Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen
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1 zeigt
in vereinfachter Form wie die Stimulationsimpedanz IS und
damit die minimale Stimulationsimpulsenergie während eines Atemzyklus variiert.
In diesem Fall befindet sich die Stimulationsimpedanz IS bei
einem Maximum, wenn sich die Inhalation und damit das Lungenvolumen
LV bei einem Maximum befindet und die Stimulationsimpedanz
IS wird in einer nicht-linearen Weise kleiner
wenn Luft ausgeatmet wird und umgekehrt, und die erforderliche minimale
Stimulationsimpulsenergie Emin ist proportional
zur Stimulationsimpedanz. Obgleich die Änderung in der Stimulationsimpedanz
IS nicht-linear ist, ist sie regelmäßig und
die in irgendeiner speziellen Stufe beziehungsweise einem speziellen
Phasenwinkel in aufeinanderfolgenden Atemzyklen gemessenen Stimulationsimpedanzen
verändern
sich nicht stark, falls die Atemfrequenz nahezu konstant ist.
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2 zeigt
ein Herz 1, das eine Elektrode 2 enthält, welche
durch eine Elektrodenvorrichtung 3 mit einer Adaptionsvorrichtung 7 innerhalb
eines Schrittmachergehäuses 4 verbindbar
ist. Eine Atmungsüberwachungsvorrichtung 5,
die entweder innerhalb des oder getrennt von dem Schrittmachergehäuse(s) 4 vorhanden
ist, überwacht
den Atemzyklus und erzeugt ein Atemzyklussignal. Das Atemzyklussignal
könnte
als Basis die verstrichene Zeit haben, da, beispielsweise, die Erfassung
des Beginns der Inhalation (die dem Beginn eines Atemzyklus entspricht)
und die verstrichene Zeit deshalb die Stufe im Atemzyklus repräsentieren
könnte,
die der Herzschrittmacherbenutzer erreicht hat (den momentanen Phasenwinkel
des Atemzyklus). Ein Beispiel eines auf einer Zeit basierenden Systems
könnte
sein, daß die
Atmungsüberwachungsvorrichtung 5 den Brustdruck
misst, der auf ein Minimum fallt, wenn die Ausatmung nahezu vervollständigt ist
und erneut anzusteigen beginnt, wenn die Inhalation beginnt. Die Atmungsüberwachungsvorrichtung 5 kann
programmiert sein oder eine Schaltung enthalten um diesen Durchgang
zu erkennen und einen Start des Inhalationssignals zu erzeugen.
Die Adaptionsvorrichtung 7 kann dieses Signal benutzen
um die Atemfrequenz und die Stufe im Atemzyklus zu berechnen, die
der Herzschrittmacherbenutzer erreicht hat. Wie oben beschrieben,
weist jede Stufe im Atemzyklus, die der Herzschrittmacherbenutzer
erreicht hat eine zugehörige
Stimulationsimpedanz auf und wie weiter unten beschrieben wird,
benutzt die Adaptionsvorrichtung 7 die Stimulationsimpedanz,
die der Stufe im Atemzyklus zugeordnet ist, welche der Herzschrittmacherbenutzer
erreicht hat, um die erforderliche Stimulationsenergie zu bestimmen.
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Das Atemzyklussignal könnte auch
gegründet
werden auf die gemessene momentane Amplitude eines Parameters, der
sich über
den Atemzyklus verändert.
In diesem Falle würde
das Atemzyklussignal den Betrag an Inhalation oder Exhalation repräsentieren.
Beispielsweise in dem Fall, in dem die Atmungsüberwachungsvorrichtung 5 den
Brustdruck misst, kann sie zur Adaptionsvorrichtung 7 ein
Amplitudensignal aussenden, entweder wenn sie durch die Adaptionsvorrichtung 7 abgefragt
wird oder kontinuierlich. Jeder Brustdruck hat eine zugehörige Stimulationsimpedanz
und in ähnlicher
Weise, wie später
für den
Phasenwinkel des Atemzyklus beschrieben, benutzt die Adaptionsvorrichtung 7 die
zugeordnete Stimulationsimpedanz, um die erforderliche Stimulationsenergie
zu bestimmen. Es ist möglich,
daß eine
Brustdruckamplitude zwei zugeordnete Stimulationsimpedanzen aufweist,
die erste für
die Inhalation und die zweite für
die Exhalation. In diesem Fall muß die Adaptionsvorrichtung 7 das
Amplitudensignal analysieren um zu bestimmen ob die Amplitude zunimmt,
welches Inhalation repräsentieren
würde, oder
abnimmt welches Exhalation repräsentieren würde.
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Es gibt viele Parameter, die sich
in einer wiederholbaren Weise während
der Atmung ändern
und die benutzt werden können
um den Atemzyklus zu repräsentieren.
Eine nicht erschöpfende
Liste derartiger Parameter umfasst das Lungenvolumen, den Brustdruck,
den Brustumfang, den Blutsauerstoffpegel, die QRS-Signalamplitude,
die Stimulationsimpedanz und die Luftgeschwindigkeit, aber jeglicher
Parameter, der eine konsistente Beziehung zum Atemzyklus aufweist,
kann benutzt werden.
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Die Atmungsüberwachungsvorrichtung 5 kann
irgendein geeigneter elektrischer Wandler sein, der beispielsweise
die Spannung, den Strom, den Widerstandswert oder die Impedanz misst
oder irgendein elektromechanischer Wandler, der beispielsweise das
Volumen, den Druck, die Beanspruchung, das Drehmoment, die Biegung,
die Streckung, die Temperatur oder den Schall messen kann oder irgendein
geeigneter elektrochemischer Wandler, der beispielsweise den Blutsauerstoffpegel
messen kann.
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Während
eines vollständigen
Atemzyklus variiert der durch die Atmungsüberwachungsvorrichtung 5 gemessene
Parameter von einem Maximalwert, der dem Zustand entsprechen könnte wenn
die Inhalation stoppt, bis zu einem Minimalwert, der dem Zustand
entsprechen könnte,
wenn die Exhalation stoppt. Für
die bestmögliche
Genauigkeit bei der Berechnung der erforderlichen Stimulationsenergie
sollte der zu messende Parameter so gewählt werden, daß die Beziehung
zwischen der Amplitude des gewählten
Parameters und der Amplitude der Stimulationsimpedanz konsistent
und wiederholbar sein sollte, das heißt, falls die Stimulationsimpedanz
mehrere Male für
eine spezielle Amplitude des gewählten
Parameters bei einer speziellen Atemfrequenz aufgezeichnet wird,
dann sollte die Stimulationsimpedanz jedes Mal annähernd die
gleiche sein.
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Bei einer ersten Ausführungsform
der Erfindung ist die Atmungsüberwachungsvorrichtung 5 ein Ultraschallwandler,
der in der Brust des Patienten angebracht ist und das Lungenvolumen
misst. Die Atmungsüberwachungsvorrichtung 5 ist
mit einer Adaptionsvorrichtung 7 verbunden und sendet ein
elektrisches Signal zur Adaptionsvorrichtung 7 aus, das proportional
zum Brustdruck ist. Die Adaptionsvorrichtung 7 verarbeitet
das eintreffende Signal um zu bestimmen, wann das Lungenvolumen
ein Maximum erreicht hat und abzunehmen beginnt. Dies entspricht
dem Ende der Inhalation und dem Beginn der Exhalation. Durch Aufzeichnen
der Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Maximalwerten kann die Adaptionsvorrichtung 7 die
Atemfrequenz (f Atmung) berechnen und dann berechnen, wann der nächste Atemzyklus
beginnen sollte und bei welcher Stufe im Atemzyklus (der momentane
Phasenwinkel des Atemzyklus) sich der Patient gerade befindet.
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Im Gebrauch bestimmt die Adaptionsvorrichtung 7 die
erforderliche Stimulationsimpulsfrequenz (f Impuls) in der Weise,
wie es für
Schrittmacher üblich
ist und berechnet, wann der nächste
Impuls fällig ist.
Vor dem Liefern oder während
des Lieferns des Impulses bestimmt die Adaptionsvorrichtung 7 den augenblicklichen
Phasenwinkel des Atemzyklus. Um die Schaltungserfordernisse zu reduzieren,
kann der Atemzyklus in eine Anzahl von Sektoren unterteilt werden
und es kann ein gemeinsames Stimulationsenergieerfordernis für sämtliche
Phasenwinkel in einem bestimmten Sektor aufgestellt werden. Aus Gründen der
Kürze soll
in der folgenden Beschreibung der Ausdruck „Phasenwinkel" auch in der Bedeutung „Sektor", wie oben beschrieben,
verstanden werden. Die Adaptionsvorrichtung 7 berechnet
dann oder entnimmt aus einer Tabelle die für den augenblicklichen Phasenwinkel
des Atemzyklus erforderliche Stimulationsenergie und weist den Impulsgenerator 8 an,
den benötigten
Impuls zu liefern. Die Adaptionsvorrichtung 7 ist mit einer
Telemetrievorrichtung 10 verbunden, die die Adaptionsvorrichtung 7 befähigt, erneut
programmiert zu werden und Daten auszugeben.
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Anstelle den momentanen Phasenwinkel des
Atemzyklus zu berechnen, weist bei einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung die Adaptionsvorrichtung eine Tabelle auf, die eine
Reihe von Signalamplituden der Atmungsüberwachungsvorrichtung, zum
Beispiel eine Reihe von Lungenvolumenamplituden, sowie eine entsprechende
Reihe von erforderlichen Stimulationsenergien enthält. Alternativ kann
die Adaptionsvorrichtung 7 mit einer Gleichung programmiert
sein, um die Stimulation zu berechnen, die für eine spezielle Signalamplitude
der Atmungsüberwachungsvorrichtung
nötig ist.
Wenn ein Stimulationsimpuls geliefert werden soll, entnimmt oder
berechnet die Adaptionsvorrichtung die erforderliche Stimulationsimpulsenergie
unter Verwendung der augenblicklichen Amplitude des Signals der
Atmungsüberwachungsvorrichtung
und weist dann den Impulsgenerator 8 an, den geforderten
Impuls zu liefern.
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Bei einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung wird die evozierte Reaktion abgefühlt und bewertet, durch Messen
eines der Kontraktion zugeordneten physiologischen Parameters, mittels
eines Kontraktionsfühlers 9,
der entweder in oder getrennt vom Schrittmachergehäuse 4 enthalten
ist. Falls eine Kontraktion abgefühlt wird, innerhalb der programmierbaren
oder berechneten Reaktionszeitperiode, das heißt der Periode, die auf einen
Stimulationsimpuls folgt, in der das durch den Impuls initiierte
kardiale Ereignis normalerweise stattfinden sollte, dann wird ein
Zähler
für diese
Stufe im Atemzyklus um einen Schritt weitergestellt. Jedesmal, wenn
eine erfolgreiche Kontraktion bei der Stimulation für die spezielle
Stufe im Atemzyklus vorliegt wird der Zähler weitergeschaltet. Nachdem
der Zähler
eine vorbestimmte Zahl erreicht hat, wird der Stimulationsenergiewert
für die
betreffende Stufe im Atemzyklus durch einen vorgegebenen Betrag
reduziert, welcher ein diskreter Wert oder ein Prozentsatz der tatsächlichen Stimulationsenergie
sein kann, so daß dies
zu einem reduzierten Energieverbrauch führt. Der Zähler wird nachfolgend auf Null
zurückgesetzt.
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Falls jedoch keine Kontraktion abgefühlt wird,
dann wird angenommen, daß die
Stimulationsenergie unzureichend war und der Wert in der Tabelle,
für die
in dieser Stufe innerhalb des Atemzyklus erforderliche Stimulationsenergie,
wird um einen Betrag vergrößert, welcher
ein diskreter Wert oder ein Prozentsatz der tatsächlichen Stimulationsenergie sein
kann, und der Zähler
für diese
Stufe im Atemzyklus wird auf Null zurückgesetzt. Somit wird jedes Mal,
wenn für
eine spezielle Stufe im Atemzyklus keine Kontraktion abgefühlt wird,
der Stimulationsimpuls geringfügig
stärker,
wenn das nächstemal
die gleiche Stufe im Atemzyklus erscheint und schließlich wird der
Impuls ausreichend leistungsstark, um eine Kontraktion zu veranlassen.
Es ist denkbar, daß keine Kontraktion
abgefühlt
wird, weil der Fühler 9 nicht richtig
arbeitet oder das Kontraktionssignal durch andere Signale verhüllt ist.
Dies könnte
zu einer kontinuierlichen unnötigen
Inkrementation in der Stimulationsenergie führen, welche, abgesehen von
einer Energieverschwendung, zu gefährlichen Nebeneffekten führen könnte. Deshalb
ist es für
die Adaptionsvorrichtung 7 ratsam eine Maximalgrenze für die Stärke eines
Stimulationsimpulses bei einer vorgegebenen Stufe im Atemzyklus
einzustellen. Vorzugsweise wird diese genannte Maximalegrenze proportional
zur Stimulationsenergie gemacht, die für eine oder mehrere der Stufen
im Atemzyklus berechnet worden ist, welche an die vorliegenden Stufe
im Atemzyklus angrenzen.
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Bei einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung arbeitet die Atmungsüberwachungsvorrichtung nur
intermittierend, zum Beispiel für
eine oder zwei Minuten jede Stunde, oder für eine Minute jeden Tag oder
irgendeine andere Zeitperiode. Die Auswahl der Arbeitsperioden hängt unter
anderem von den Symptomen des Patienten ab, der Länge der
Zeit, die der Schrittmacher und die Leitungen implantiert sind und
die Stabilität
des Stimulationssystems. Während dieser
Arbeitsperiode wird die Stimulationsimpedanz in der folgenden Weise
gemessen:
die Ausgangskondensatoren des Impulsgenerators 8 werden
auf ihre Maximalspannung aufgeladen und wenn ein Stimulationsimpuls
erforderlich ist, werden sie für
die maximale Zeit entladen, die programmiert oder durch die Adaptionsvorrichtung 7 berechnet
ist. Durch Messen der Spannung in den Ausgangskondensatoren, nachdem
der Impuls entladen worden ist, ist es möglich, die mit dem Impuls abgeführte Energie
und damit die Stimulationsimpedanz zu berechnen.
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Die Adaptionsvorrichtung 7 zeichnet
jede Stimulationsimpedanz bezüglich
der Stufe im Atemzyklus oder der Atmungssignalamplitude auf. Am
Ende der Arbeitsperiode bestimmt die Adaptionsvorrichtung 7 die
maximale Stimulationsimpedanz, die üblicherweise auftritt, wenn
sich das Lungenvolumen bei seiner größten Amplitude befindet. Falls
während
der Arbeitsperiode eine Stimulationsimpedanz zu einem Zeitpunkt
gemessen wurde, als sich das Lungenvolumen bei seiner größten Amplitude
befand, dann wird dieser Impedanzwert, falls es in der Tat der größte gemessene
Wert ist, von da an für
die Berechnung der erforderlichen Stimulationsenergie benutzt. Falls ein
anderer gemessener Stimulationsimpedanzwert größer ist, dann wird dieser stattdessen
benutzt. Falls während
der Arbeitsperiode keine Stimulationsimpedanz zu dem Zeitpunkt gemessen
wurde, als sich das Lungenvolumen bei seiner größten Amplitude befand, dann
wird für
diesen Zeitpunkt eine theoretische Stimulationsimpedanz durch statistische
Analyse der aufgezeichneten Werte berechnet. Falls diese theoretische
Stimulationsimpedanz größer als
eine der gemessenen Stimulationsimpedanzen ist, wird sie von da
an benutzt, zur Berechnung der erforderlichen Stimulationsenergie.
Falls ein anderer gemessener Stimulationsimpedanzwert größer als
die theoretische Stimulationsimpedanz ist, dann wird dieser stattdessen
benutzt. Auf diese Weise sollte die Stimulationsimpulsenergie stets
ausreichend sein um ein capture zu erreichen. Obgleich die Stimulationsimpulsenergie
oft höher
als nötig
ist, um das capture zu erreichen, wird sie dennoch weniger Energie
als bekannte Geräte
verbrauchen und wird nicht soviel Rechenenergie benötigen wie
die vorgenannten Ausführungsformen.
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Die Änderung in der Stimulationsenergie kann
erreicht werden durch Verändern
der Impulsamplitude. Eine zweite Methode die Stimulationsenergie
zu verändern
ist es die Impulsdauer zu verändern.
Eine weitere Methode die Stimulationsenergie zu verändern ist
es, die Anzahl der Impulse in einer Stimulation zu vergrößern und
ihre Zahl und/oder Amplitude und/oder Dauer und/oder den Zeitablauf
zu variieren.