DE69732774T2 - Vorrichtung zur Steuerung der Herzaktivität unter Verwendung von nicht-erregender Vorstimulation - Google Patents

Vorrichtung zur Steuerung der Herzaktivität unter Verwendung von nicht-erregender Vorstimulation Download PDF

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Description

  • TECHNISCHER BEREICH
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Herzmuskelsteuerung und insbesondere auf die Steuerung unter Verwendung nicht-erregender elektrischer Signale.
  • VERWANDTE ANMELDUNGEN
  • Die vorliegende Anmeldung ist verwandt mit den folgenden US-Anmeldungen und israelischen Anmeldungen, deren Offenbarungen hier durch Literaturhinweis eingefügt sind: vorläufige US-Anmeldung 60/009.769 mit dem Titel "Cardiac Electromechanics", eingereicht am 11. Januar 1996, israelische Anmeldung 116.699 mit dem Titel "Cardiac Electromechanics", eingereicht am 8. Januar 1996, vorläufige US-Anmeldung 60/011.117 mit dem Titel "Electrical Muscle Controller", eingereicht am 5. Februar 1996, israelische Anmeldung 119.261 mit dem Titel "Electrical Muscle Controller", eingereicht am 17. September 1996, vorläufige US-Anmeldung 60/026.392 mit dem Titel "Electrical Muscle Controller", eingereicht am 16. Februar 1996, und US-Anmeldung Ifd. Nr. 08/595.365 mit dem Titel "Cardiac Electromechanics", eingereicht am 1. Februar 1996.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Das Herz ist eine Muskelpumpe, deren mechanische Aktivierung durch elektrische Stimulation gesteuert wird, die in einem rechten Atrium erzeugt und an das gesamte Herz übergeben wird. In einem normalen Herzen entsteht die elektrische Stimulation, die das Herz ansteuert, als Aktionspotentiale in einer Gruppe von Schrittmacherzellen, die in einem sinuatrialen Knoten (SA-Knoten) in dem rechten Atrium liegen. Diese Aktionspotentiale verteilen sich daraufhin rasch sowohl in das rechte Atrium als auch in das linke Atrium. Wenn das Aktionspotential eine nicht aktivierte Muskelzelle erreicht, depolarisiert die Zelle (wobei sie die Verteilung des Aktionspotentials fortsetzt) und kontrahiert sie. Daraufhin treten die Aktionspotentiale ins Leitungssystem des Herzens ein und verteilen sich nach kurzer Verzögerung über den linken und rechten Ventrikel des Herzens. Es ist klar, dass die Aktivierungssignale durch aufeinander folgende Aktivierung verbundener Muskelfasern im Herzen ausgebreitet werden. Jede Herzmuskelzelle erzeugt nach einer kurzen Verzögerung und in Reaktion auf das Aktivierungssignal, das sie erreicht, ein neues Aktionspotential zur Stimulation der nächsten Zelle. Unter Verwendung der elektrolytischen Eigenschaften der Körperfluide können reguläre elektrische Ströme im Herzen geleitet werden, wobei diese Leitung wegen des verhältnismäßig großen Widerstands des Herzmuskels aber nicht zum Übertragen des Aktivierungssignals verwendet werden kann.
  • In einer Muskelzelle eines Herzventrikels ist das Ruhepotential über seine Zellmembran etwa –90 mV (Millivolt) (wobei das Innere in Bezug auf das Äußere negativ geladen ist). 1A zeigt ein transmembranöses Aktionspotential einer Ventrikelherzmuskelzelle während des Herzzyklus. Wenn ein Aktivierungssignal ein Ende der Zelle erreicht, schreitet entlang der Zellmembran eine Depolarisationswelle rasch fort, bis die gesamte Membran üblicherweise auf etwa +20 mV (23) depolarisiert ist. Die vollständige Depolarisation der Zellmembran geschieht in sehr kurzer Zeit, etwa wenigen Millisekunden. Daraufhin depolarisiert die Zelle rasch (nicht so rasch wie die Depolarisation) um etwa 10 mV. Nach der schnellen Depolarisation repolarisiert die Zelle langsam über eine Periode von etwa 200–300 ms (Millisekunden), die das Plateau (25) genannt wird, um etwa 20 mV. Es ist während des Plateaus, dass die Muskelkontraktion auftritt. Am Ende des Plateaus repolarisiert (27) die Zelle rasch zurück auf ihr Ruhepotential (21). Verschiedene Herzmuskelzellen haben verschiedene elektrische Eigenschaften, wobei insbesondere Zellen in einem SA-Knoten kein wesentliches Plateau haben und kein so niedriges Ruhepotential wie Ventrikelzellen erreichen.
  • In der folgenden Diskussion sollte erkannt werden, dass die genauen Mechanismen, die die Aktionspotentiale und Ionenpumpen und -kanäle bestimmen, nur teilweise bekannt sind. Es gibt viele Theorien und das Gebiet ist ständig im Fluss.
  • Die elektrische Aktivität widerspiegelt die chemische Aktivität in einer Zelle. Vor der Depolarisation (in Ruhe) ist die Konzentration der Natriumionen in der Zelle etwa ein Zehntel der Konzentration in dem interstitiellen Fluid außerhalb der Zelle. Kaliumionen sind etwa fünfunddreißig Mal mehr in der Zelle als außerhalb der Zelle konzentriert. Calciumionen sind mehr als zehntausend Mal mehr außerhalb der Zelle als innerhalb der Zelle konzentriert: Diese Konzentrationsdifferenzen werden durch die selektive Permeabilität der Membran für verschiedene Ionen und durch Ionenpumpen in der Membran der Zelle, die ununterbrochen Natrium- und Calciumionen heraus- und Kaliumionen hineinpumpen, aufrechterhalten. Ein Ergebnis der Konzentrationsdifferenzen zwischen der Zelle und der Außenumgebung ist ein großes negatives Potential in der Zelle, wie oben angegeben etwa 90 mV.
  • Wenn ein Abschnitt der Zellmembran wie etwa durch ein Aktionspotential depolarisiert wird, verläuft die Depolarisationswelle entlang der Membran. Diese Welle veranlasst, dass sich mehrere spannungsgesteuerte Natriumkanäle öffnen. Ein Zufluss von Natrium durch diese Kanäle ändert rasch das Potential der Membran von negativ auf positiv (23 in 1A). Wenn die Spannung weniger negativ wird, beginnen sich diese Kanäle zu schließen und öffnen sich erst, wenn die Zelle wieder depolarisiert wird. Es wird angemerkt, dass die Natriumkanäle auf einer negativen Spannung wenigstens mit einem bestimmten Wert sein müssen, um zum erneuten Öffnen angesaugt zu werden. Somit können diese Kanäle nicht durch ein Aktivierungspotential geöffnet werden, bevor sich die Zelle ausreichend repolarisiert hat. In den meisten Zellen schließen sich die Natriumkanäle normalerweise allmählicher, als sie sich öffnen. Nach der schnellen Depolarisation beginnt die Membran einen schnellen Repolarisationsprozess. Obgleich das Schließen der Natriumkanäle ein wichtiger Faktor zu sein scheint, ist der Mechanismus für die schnelle Repolarisation nicht vollständig verstanden. Nach einer kurzen Phase der raschen Repolarisation und einer verhältnismäßig langen Periode (200–300 ms) einer langsamen Repolarisationsdauer tritt die Plateauphase (25 in 1A) auf. Es wird angenommen, dass es während des Plateaus unmöglich ist, ein anderes Aktionspotential in der Zelle zu beginnen, da die Natriumkanäle inaktiviert sind.
  • Für die lange Dauer des Plateaus scheinen zum größten Teil zwei Mechanismen, ein nach innen gerichteter Strom von Calciumionen und ein nach außen gerichteter Strom von Kaliumionen, verantwortlich zu sein. Beide Ströme fließen mit ihren Konzentrationsgradienten durch die Membran. Das Gesamtergebnis ist, dass sich die zwei Stromtypen elektrisch voneinander subtrahieren. Im Allgemeinen ist der Fluss des Kaliums und des Calciums um ein Vielfaches schwächer als der Fluss des Natriums, was der Grund dafür ist, dass das Plateau so lange dauert. Gemäß einigen Theorien können sich die Kaliumkanäle im Ergebnis des Aktionspotentials ebenfalls öffnen, wobei aber die Wahrscheinlichkeit, dass sich ein Kaliumkanal öffnet, von dem Potential abhängt. Somit können sich viele Kanäle erst öffnen, nachdem die Depolarisation der Zelle im Gang oder abgeschlossen ist. Möglicherweise werden wenigstens einige der Kaliumkanäle durch die Calciumionen aktiviert. Außerdem werden einige der Kaliumkanäle durch die Repolarisation der Membran ausgelöst. Die Permeabilität der Membran für Kalium nimmt allmählich zu, worauf ihr Abfall während der raschen Depolarisation (23) folgt. Außerdem leiten die Calciumkanäle Natrium zurück in die Zelle, was die Dauer des Plateaus zu verlängern hilft.
  • Der nach innen gerichtete Calciumstrom während des normalen Herzaktionspotentials trägt zum Aktionspotentialplateau bei und ist außerdem (direkt und/oder indirekt) an den Kontraktionen in den Herzmuskelzellen beteiligt. In einem als calciuminduzierte Calciumfreisetzung bezeichneten Prozess induziert der nach innen gerichtete Strom des Calciums die Freisetzung von Calciumionen, die in intrazellulären Calciumspeichern (wahrscheinlich dem sarkoplasmatischen Retikulum) gespeichert sind. Die Existenz und die Bedeutung einer physikalischen Verbindung zwischen dem Retikulum und den Calciumkanälen im Herzmuskel sind unklar. Allerdings kann die Reaktionskurve dieser Calciumspeicher glockenförmig sein, so dass ein zu starker Zufluss von Calcium die Menge des verfügbaren Calciums relativ zu der durch einen kleineren Zufluss verfügbar gemachten Menge verringern kann.
  • In Einzelzellen und in Gruppen von Zellen benötigen die Zellen Zeit, damit sie während des Repolarisationsprozesses die teilweise und vollständige Erregbarkeit wiedergewinnen. Während die Zelle repolarisiert (25, 27 in 1A), tritt sie in einen Zustand der Hyperpolarisation ein, währenddessen die Zelle nicht erneut stimuliert werden kann, um ein neues Aktionspotential zu aktivieren. Dieser Zustand wird die Refraktärperiode genannt. Die Refraktärperiode ist in zwei Teile unterteilt. Während einer absoluten Refraktärperiode kann die Zelle unabhängig vom Spannungspegel des Stimulus nicht durch einen äußeren Stimulus erneut erregt werden. Während einer relativen Refraktärperiode ist ein viel größeres Stimulussignal als üblich erforderlich, um zu veranlassen, dass die Zelle ein neues Aktionspotential aktiviert. Der Refraktärzustand wird wahrscheinlich durch die Natriumkanäle verursacht, die ein Ansaugen durch eine negative Spannung erfordern, so dass die Zellmembran erst durch den Fluss der Natriumionen depolarisieren kann, wenn sie ausreichend repolarisiert ist. Wenn die Zelle auf ihr Ruhepotential (21) zurückgekehrt ist, kann sie erneut depolarisiert werden.
  • In einer Spannungsklemmung genannten experimentellen Methodik wird wenigstens über einen Abschnitt einer Zellmembran ein elektrisches Potential aufrechterhalten, um die Wirkungen der Spannung auf Ionenkanäle, auf Ionenpumpen und auf die Reaktionsfähigkeit der Zelle zu untersuchen.
  • Es ist bekannt, dass eine Zelle durch Anlegen eines positiven Potentials über die Membran empfindlicher für ein Depolarisationssignal gemacht werden kann. Einige Zellen im Herzen wie etwa die Zellen im SA-Knoten (der natürliche Schrittmacher des Herzens) haben ein Ruhepotential von etwa –55 mV. Im Ergebnis sind ihre spannungsgesteuerten Natriumkanäle dauerhaft deaktiviert und ist die Depolarisationsphase (23) langsamer als in Ventrikelzellen (wobei das Aktionspotential einer SA-Knotenzelle im Allgemeinen von dem in 1A Gezeigten verschieden ist). Allerdings besitzen die Zellen in dem SA-Knoten einen eingebauten Leckstrom, der eine Selbstdepolarisation der Zelle auf periodischer Grundlage veranlasst. Im Allgemeinen scheinen die spannungsgesteuerten Natriumkanäle blockiert zu sein, wenn das Potential einer Zelle wenige Millisekunden unter etwa –60 mV bleibt. Das Anlegen eines negativen Potentials über ihre Membran macht eine Zelle weniger empfindlich für eine Depolarisation und hyperpolarisiert außerdem die Zellmembran, was die Leitungsgeschwindigkeit zu verringern scheint.
  • In der modernen Kardiologie können viele Parameter der Aktivierung des Herzens gesteuert werden. Zur Steuerung der Leitungsgeschwindigkeit, der Erregbarkeit, der Kontraktionsfähigkeit und der Dauer der Refraktärperioden im Herzen können Arzneimittel verwendet werden. Diese Arzneimittel können verwendet werden, um Arrhythmien zu behandeln und Flimmern zu verhindern. Eine besondere Art der Steuerung kann unter Verwendung eines Herzschrittmachers erreicht werden. Ein Herzschrittmacher ist eine elektronische Vorrichtung, die typisch implantiert wird, um das elektrische Erregungssystem des Herzens zu ersetzen oder einen blockierten Abschnitt des Leitungssystems zu umgehen. In einigen Typen der Herzschrittmacherimplantation müssen Abschnitte des Leitungssystems des Herzens, z. B. ein atrioventrikulärer Knoten (AV-Knoten), abgetragen werden, damit der Herzschrittmacher richtig arbeitet.
  • Ein anderer Typ einer elektronischen Herzvorrichtung ist ein Defibrillator. Als ein Endergebnis vieler Erkrankungen kann das Herz empfindlicher für Flimmern werden, bei dem die Aktivierung des Herzens im Wesentlichen willkürlich erfolgt. Ein Defibrillator fühlt diese Willkürlichkeit und setzt das Herz zurück, indem er einen oder mehrere Hochspannungsimpulse an das Herz anlegt.
  • Die Wirksamkeit von Arzneimitteln ist allgemein begrenzt, da sie, üblicherweise mit einer verhältnismäßig niedrigen Genauigkeit, sowohl gesunde als auch kranke Segmente des Herzens beeinflussen. Elektronische Herzschrittmacher sind ferner dadurch begrenzt, dass sie invasiv sind, allgemein die Zerstörung von Herzgewebe erfordern und üblicherweise in ihren Wirkungen nicht optimal sind. Defibrillatoren haben im Wesentlichen nur eine Beschränkung. Der Akt der Defibrillation ist sehr schmerzhaft für den Patienten und traumatisch für das Herz.
  • "Electrical Stimulation of Cardiac Myoctes" von Ravi Ranjan und Nitish V. Thakor in Annals of Biomedical Engineering, Bd. 23, S. 812–821, veröffentlicht durch die Biomedical Engineering Society 1995, dessen Offenbarung hier durch Literaturhinweis eingefügt ist, beschreibt mehrere Experimente beim Anlegen elektrischer Felder an Herzmuskelzellen. Diese Experimente wurden ausgeführt, um Theorien zu prüfen, die sich auf die elektrische Defibrillation beziehen, wobei jede Zelle verschiedenen Stärken und verschiedenen relativen Orientierungen elektrischer Felder ausgesetzt wird. Ein Ergebnis dieser Experimente war die Feststellung, dass die Repolarisationszeit verlängert ist, falls während der Repolarisation ein Defibrillationsstoß angelegt wird. Außerdem wurde berichtet, dass die Zellen eine bevorzugte Polarisation besitzen. Herzmuskelzellen neigen dazu, an einem Ende unregelmäßiger als an dem anderen zu sein. In dem Artikel wird theoretisiert, dass an diesen Unregelmäßigkeiten lokale "sensitive Stellen" für hohe elektrische Felder erzeugt werden und dass diese "sensitiven Stellen" die Stellen der Anfangsdepolarisation in der Zelle sind, da an diesen Stellen der Schwellenwert für die Depolarisation zuerst erreicht wird. Diese Theorie erläutert außerdem ein weiteres Ergebnis, d. h., dass die Zellen in ihrer Längsrichtung empfindlicher für elektrischen Felder als in ihrer Querrichtung sind, da die Unregelmäßigkeiten an den Zellenenden konzentriert sind. Außerdem kann die asymmetrische Unregelmäßigkeit der Zellen Ergebnisse erläutern, die eine bevorzugte Polarität des angelegten elektrischen Felds zeigten.
  • Insofern, als ein Depolarisationsereignis eine Kontraktion der Muskelfasern erzeugt, ist die elektrische Aktivierung von Skelettmuskelzellen ähnlich der von Herzzellen. Allerdings ist der Skelettmuskel in getrennte Muskelbündel unterteilt, von denen jedes einzeln durch Nervenzellen, die Aktionspotentiale erzeugen, enerviert wird. Somit ist die Wirkung eines Aktionspotentials lokal, während ein Aktionspotential in einem Herzmuskel, wo alle Muskelzellen elektrisch verbunden sind, von einem einzelnen Ort der Aktionspotentialerzeugung an das gesamte Herz übertragen wird. Außerdem sind die chemischen Aspekte der Aktivierung des Skelettmuskels etwas verschieden von jenen des Herzmuskels.
  • "Muscle Recruitment with Infrafascicular Electrodes" von Nicola Nannini und Kenneth Horch, IEEE Transactions on Biomedical Engineering, Bd. 38, Nr. 8, S. 769–776, August 1991, dessen Offenbarung hier durch Literaturhinweis eingefügt ist, beschreibt ein Verfahren zum Ändern der Kontraktionskraft von Skelettmuskeln durch "Rekrutieren" einer veränderlichen Anzahl von Muskelfasern. Beim Rekrutieren ist die Kontraktionskraft eines Muskels durch die Anzahl der Muskelfasern, die durch einen Stimulus aktiviert werden, bestimmt.
  • Allerdings ist allgemein akzeptiert, dass Herzmuskelfasern wie ein Synzytium arbeiten, so dass jede Zelle bei jedem Schlag kontrahiert. Somit sind keine Herzmuskelfasern zur Rekrutierung verfügbar. Siehe z. B. "Excitation Contraction Coupling and Cardiac Contractile Force" von Donald M. Bers, Kapitel 2, Seite 17, Kluwer Academic, 1991, dessen Offenbarung hier durch Literaturhinweis eingefügt ist. Dieser Literaturhinweis legt außerdem dar, dass die Kontraktionskraft in Herzmuskelzellen zum großen Teil durch Änderungen des Spitzencalciums geändert wird.
  • "Effect of Field Stimulation on Cellular Repolarization in Rabbit Myocardium" von Stephen B. Knisley, William M. Smith und Raymond E. Ideker, Circulation Research, Bd. 70, Nr. 4, S. 707–715, April 1992, dessen Offenbarung hier durch Literaturhinweis eingefügt ist, beschreibt die Wirkung eines elektrischen Felds auf Hasenherz-Myokard. Insbesondere beschreibt dieser Artikel die Verlängerung eines Aktionspotentials im Ergebnis eines Defibrillationsstoßes und die Arten, durch die diese Wirkung dazu führen kann, dass die Defibrillation versagt. Eine Hypothese ist, dass die Defibrillation Herzzellen beeinflusst, indem sie bestimmte Zellen erregt, die verhältnismäßig weniger refraktär als andere sind, wobei sie veranlasst, dass die erregten Zellen ein neues Aktionspotential erzeugen, das die Depolarisationszeit effektiv erhöht.
  • "Optical Recording in the Rabbit Heart Show That Defibrillation Strength Shocks Prolong the Duration of Depolarization and the Refractory Period" von Stephen M. Dillon, Circulation Research, Bd. 69, Nr. 3, S. 842–856, September 1991, dessen Offenbarung hier durch Literaturhinweis eingefügt ist, erläutert die Wirkung verlängerter Repolarization, wie sie durch die Erzeugung eines neuen Aktionspotentials veranlasst wird, in etwas, von dem angenommen wurde, dass es Refraktärgewebe ist, im Ergebnis des Defibrillationsstoßes. Dieser Artikel beweist experimentell, dass ein solcher elektrischer Schlag das Herzmuskelgewebe nicht beschädigt und dass die Wirkung eines zweiten Aktionspotentials keine Folge der Rekrutierung zuvor inaktivierter Muskelfasern ist. In diesem Artikel wird die Hypothese aufgestellt, dass die Schläge Abschnitte der Zellmembran hyperpolarisieren und somit die Natriumkanäle reaktivieren. In den in diesem Artikel beschriebenen Experimenten wird die Aktivität der Calciumkanäle durch die Anwendung von Methoxyverapamil blockiert.
  • "Electrical Resistances of Interstitial and Microvascular Space as Determinants of the Extracellular Electrical field and Velocity of Propagation in Ventricular Myocardium" von Johannes Fleischhauer, Lilly Lehmann und Andre G. Kleber, Circulation, Bd. 92, Nr. 3, S. 587–594, 1. August 1995, dessen Offenbarung hier durch Literaturhinweis eingefügt ist, beschreibt elektrische Leitungseigenschaften des Herzmuskels.
  • "Inhomogeneity of Cellular Activation Time and Vmax in Normal Myocardial Tissue Under Electrical Field Stimulation" von Akihiko Taniguchi, Junji Toyama, Itsuo Kodama, Takafumi Anno, Masaki Shirakawa und Shiro Usui, American Journal of Phvsiology, Bd. 267 (Heart Circulation Physiology, Bd. 36), S. H694-H705, 1994, dessen Offenbarung hier durch Literaturhinweis eingefügt ist, beschreibt verschiedene Wechselwirkungen zwischen elektrotonischen Strömen und Aktionspotentialaufstrichen.
  • "Effect of Light on Calcium Transport in Bull Sperm Cells" von R. Lubart, H. Friedmann, T. Levinshal, R. Lavie und H. Breitbart, Journal of Photochemical Photobiology B, Bd. 14, Nr. 4, S. 337–341, 12. September 1992, dessen Offenbarung hier durch Literaturhinweis eingefügt ist, beschreibt eine Wirkung von Licht auf Spermazellen von Stieren, bei der Laserlicht den Calciumtransport in diesen Zellen erhöht. Wie es z. B. im US-Patent 5.464.436 beschrieben ist, dessen Offenbarung hier durch Literaturhinweis eingefügt ist, ist außerdem bekannt, dass schwaches Laserlicht den Calciumtransport in anderen Zelltypen beeinflusst.
  • Die Fähigkeit elektromagnetischer Strahlung, den Calciumtransport in Herzmuskelzellen zu beeinflussen, ist gut dokumentiert. Loginov, V.A., "Accumulation of Calcium Ions in Myocardial Sarcoplasmic Reticulum of Restrained Rats Exposed to the Pulsed Electromagnetic Field", in Aviakosm Ekolog Med, Bd. 26, Nr. 2, S. 49–51, März-April 1992, dessen Offenbarung hier durch Literaturhinweis eingefügt ist, beschreibt ein Experiment, in dem Ratten einem 1-Hz-Feld zwischen 6 und 24 mTesla ausgesetzt wurden. Nach einem Monat wurde eine Verringerung von 33 Prozent der Geschwindigkeit der Calciumakkumulation beobachtet. Nach einem zweiten Monat war die Akkumulationsgeschwindigkeit wahrscheinlich wegen eines Anpassungsmechanismus wieder normal.
  • Schwartz, J.L., House, D.E., und Mealing, G.A., beschreiben in "Exposure of Frog Hearts to CW or Amplitude-Modulated VHF Fields: Selective Efflux of Calcium Ions at 16 Hz", Bioelectromagnetics, Bd. 11, Nr. 4, S. 349–358, 1990, dessen Offenbarung hier durch Literaturhinweis eingefügt ist, ein Experiment, in dem der Abfluss von Calciumionen in isolierten Froschherzen durch Anlegen eines mit 16 Hz modulierten elektromagnetischen VHF-Felds um zwischen 18 und 21 % erhöht wurde.
  • Lindstrom, E., Lindstrom, P., Berglund, A., Lundgren, E., und Mild, K.H., beschreiben in "Intracellular Calcium Oscillations in a T-cell Line After Exposure to Extremely-Low-Frequency Magnetic Fields with Variable Frequencies and Flux Densities", Bioelectromagnetics. Bd. 16, Nr. 1, S. 41–47, 1995, dessen Offenbarung hier durch Literaturhinweis eingefügt ist, ein Experiment, in dem Magnetfelder mit einer Frequenz zwischen 5 und 100 Hz (Spitze bei 50 Hz) und mit Stärken zwischen 0,04 und 0,15 mTesla den Calciumionentransport in T-Zellen beeinflussten.
  • Loginov, V.A., Gorbatenkova, N.V., und Klimovitskii, VIa., beschreiben in "Effects of an Impulse Electromagnetic Field on Calcium Ion Accumulation in the Sarcoplasmatic Reticulum of the Rat Myocardium", Kosm Biol Aviakosm Med, Bd. 25, Nr. 5, S. 51–53, September-Oktober 1991, dessen Offenbarung hier durch Literaturhinweis eingefügt ist, ein Experiment, in dem ein 100-minütiges Aussetzen eine00m 1-ms-Impuls mit einer Frequenz von 10 Hz und einem Feld von 1-10 mTesla eine 70-%ige Hemmung der Calciumübertragung durch das sarkoplasmatische Retikulum erzeugte. Es wird die Hypothese aufgestellt, dass der Effekt mit der direkten Hemmung der Ca-ATPase zusammenhängt.
  • Es wird angemerkt, dass einige Forscher behaupten, dass niederfrequente Magnetfelder NICHT die oben berichteten Wirkungen haben. Zum Beispiel setzten Coulton, L.A., und Barker, A.T., in "Magnetic Fields and Intracellular Calcium: Effects on Lymphocytes Exposed to Conditions for Cyclotron Resonance", Phys. Med. Biol., Bd. 38, Nr. 3, S. 347–360, März 1993, dessen Offenbarung hier durch Literaturhinweis eingefügt ist, Lymphozyten für eine Dauer von 60 Minuten einer Strahlung von 16 und 50 Hz aus, wobei sie keine Änderungen der Calciumkonzentration erfassen.
  • Pumir, A., Plaza, F., und Krinsky, VI, beschreiben in "Control of Rotating Waves in Cardiac Muscle: Analysis of the Effect of Electric Fields", Proc R Soc Lond B Biol Sci, Bd. 257, Nr. 1349, S. 129–34, 22. August 1994, dessen Offenbarung hier durch Literaturhinweis eingefügt ist, dass ein Anlegen eines äußeren elektrischen Felds an einen Herzmuskel die Leitungsgeschwindigkeit um einige wenige Prozent beeinflusst.
  • Dieser Effekt ist eine Folge der Hyperpolarisation eines Endes der Muskelzellen und einer Depolarisation des anderen Endes der Zelle. Insbesondere begünstigt ein äußeres angelegtes elektrisches Feld die Ausbreitung parallel zu sich. In dem Artikel wird vorgeschlagen, diese Wirkung auf die Leitungsgeschwindigkeit zu verwenden, um Arrhythmien dadurch zu behandeln, dass rotierende Wellen, die die Vorgänger von Arrhythmien sind, gedrängt werden, seitlich in nicht erregbares Gewebe zu driften und abzuklingen.
  • "Control of Muscle Contractile Force Through Indirect High-Frequency Stimulation" von M. Sblomonow, E. Eldred, J. Lyman und J. Foster, American Journal of Physical Medicine, Bd. 62, Nr. 2, S. 71–82, April 1983, dessen Offenbarung hier durch Literaturhinweis eingefügt ist, beschreibt ein Verfahren zum Steuern der Skelettmuskelkontraktion durch Ändern verschiedener Parameter eines 500-Hz-Impulses der elektrischen Stimulation auf den Muskel.
  • "Biomedical Engineering Handbook", Hrsg. Joseph D. Bronzino, Kapitel 82.4, Seite 1288, IEEE press/CRC press 1995, beschreibt die Verwendung zeitlich genau gesteuerter unterschwelliger Stimuli, der gleichzeitigen Stimulation an mehreren Stellen und der Stimulation mit erhöhten Energien an der Stelle eines Tachykardieherds, um eine Tachykardie zu verhindern. Allerdings erwies sich zu dem Zeitpunkt, zu dem das Buch verfasst wurde, keines dieser Verfahren als praktisch. Außerdem ist ein Zweiphasen-Defibrillationsschema beschrieben und theoretisiert, dass Zweiphasen-Defibrillationsschemata wegen einer größeren Spannungsänderung, wenn sich die Phase ändert, oder durch die Zweiphasensignalform, die eine Hyperpolarisation des Gewebes und eine Reaktivierung der Natriumkanäle veranlasst, wirksamer sind.
  • "Subthreshold Conditioning Stimuli Prolong Human Ventricular Refractoriness", Windle, J.R., Miles, W.M., Zipes, D.P., und Prystowsky, E.N., American Journal of Cardiology, Bd. 57, Nr. 6, S. 381–386, Februar 1986, dessen Offenbarung hier durch Literaturhinweis eingefügt ist, beschreibt eine Untersuchung, in der vor einem vorzeitigen Stimulus unterschwellige Stimuli angelegt wurden, die durch einen Mechanismus der Erhöhung der Refraktärperiode des rechten Ventrikelherzgewebes wirksam verhinderten, dass der vorzeitige Stimulus eine pro-arrhythmische Wirkung hat.
  • "Ultrarapid Subthreshold Stimulation for Termination of Atrioventricular Node Reentrant Tachycardia", Fromer, M., und Shenasa, M., Journal of the American Collage of Cardiology, Bd. 20, Nr. 4, S. 879–883, Oktober 1992, dessen Offenbarung hier durch Literaturhinweis eingefügt ist, beschreibt eine Untersuchung, in der Züge unterschwelliger Stimuli asynchron an einen Bereich in der Nähe einer Reentry-Schaltung angelegt wurden und die Arrhythmie dadurch beendet wurde. Es wurde beschrieben, dass unterschwellige Stimuli sowohl eine hemmende als auch eine erleichternde Wirkung auf die Leitung haben. Außerdem wurde beschrieben, dass unterschwellige Stimuli den Schwellenwert der Erregbarkeit verringern und möglicherweise sogar ein Aktionspotential veranlassen.
  • "Inhibition of Premature Ventricular Extrastimuli by Subthreshold Conditioning Stimuli", Skale, B., Kallok, M.J., Prystowsky, E.N., Gill, R.M., und Zipes D.P., Journal of the American Collage of Cardiology, Bd. 6, Nr. 1, S. 133–140, Juli 1985, dessen Offenbarung hier durch Literaturhinweis eingefügt ist, beschreibt eine Tieruntersuchung, in der ein Zug von Impulsen mit einer Dauer von 1 ms, der 2 ms vor einem vorzeitigen Stimulus an einen Ventrikel angelegt wurde, die Reaktion auf den vorzeitigen Stimulus mit einem Hochfrequenzzug hemmte, wobei er die Reaktion für eine viel längere Zeitdauer (152 ms) als ein Einzelimpuls (20 ms) verzögerte. Die Verzögerung zwischen der Stimulation des Ventrikels und dem Impulszug betrug 75 ms. Allerdings hatten die unterschwelligen Stimuli diese Wirkung nur dann, wenn sie der gleichen Stelle wie der vorzeitige Stimulus zugeführt wurden. Es wird vorgeschlagen, unterschwellige Stimuli zu verwenden, um Tachykardien zu verhindern oder zu beenden, wobei aber angemerkt wird, dass dieser Vorschlag durch die räumliche Beschränkung der Technik eingeschränkt ist.
  • "The Phase of Supernormal Excitation in Relation to the Strength of Subthreshold Stimuli", Yokoyama, M., Japanese Heart Journal, Bd. 17, Nr. 3, S. 35–325, Mai 1976, dessen Offenbarung hier durch Literaturhinweis eingefügt ist, beschreibt die Wirkung der Änderung der Amplitude von unterschwelligen Stimuli auf die überdurchschnittliche Erregung. Wenn die Amplitude der Stimuli erhöht wurde, wurde die Länge der überdurchschnittlichen Erregungsphase erhöht.
  • DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung ist wie in den beigefügten Ansprüchen definiert. Es ist eine Aufgabe einiger Aspekte der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, um die elektrische und/oder mechanische Aktivität von Herzmuskelzellen in situ lokal zu steuern.
  • Vorzugsweise wird eine ununterbrochene Steuerung angewendet. Alternativ wird eine diskrete Steuerung angewendet. Ferner kann die Steuerung vorzugsweise zwischen Herzzyklen geändert werden. Ein Beispiel der elektrischen Steuerung ist die Verkürzung der Refraktärperiode einer Muskelfaser durch Anlegen einer negativen Spannung an das Äußere der Zelle. Außerdem kann durch Aufrechterhalten einer ausreichenden positiven Spannung zum Äußeren der Zelle vollständig verhindert werden, dass die Zelle reagiert, so dass ein Aktivierungssignal die Zellmembran nicht ausreichend depolarisiert. Ein Beispiel der mechanischen Steuerung enthält das Erhöhen oder Verringern der Kontraktionsstärke und der Dauer der Kontraktion. Dies kann durch Verlängern oder Verkürzen des Plateaus und/oder der Dauer des Aktionspotentials durch Anlegen nicht-erregender Spannungspotentiale über die Zelle erreicht werden. Die Zunahme der Kontraktionsstärke kann eine Zunahme der durch die Muskelfasern erreichten Spitzenkontraktionskraft, eine Zunahme einer Durchschnittskontraktionskraft durch Synchronisation der Kontraktion der einzelnen Fasern oder die Änderung der Zeitgebung der Spitzenstärke enthalten.
  • Es ist klar, dass einige Aspekte der vorliegenden Erfindung sowohl vom Herzschrittmacherbetrieb als auch vom Defibrillatorbetrieb verschieden sind. Ein Herzschrittmacher übt für viele Zyklen erregende elektrische Felder aus, während ein Defibrillator sein angelegtes elektrisches Feld wegen der unterbrechenden Wirkung des Defibrillationsstroms auf die Herzkontraktion für viele Zyklen nicht wiederholt. Tatsächlich ist die Hauptwirkung des Defibrillationsstroms das Zurücksetzen der Synchronisation des Herzens dadurch, dass ein erheblicher Prozentsatz des Herzgewebes in einen Refraktärzustand gezwungen wird. Außerdem sind die Defibrillationsströme um mehrere Größenordnungen größer als Stimulationsströme. Es ist ein besonderer Aspekt einiger Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, dass die reguläre Aktivierung des Herzens nicht unterbrochen wird, sondern eher die Aktivierung des Herzens über eine wesentliche Anzahl von Zyklen gesteuert wird, indem die Parameter des Reaktionsvermögens von Segmenten der Herzmuskelzellen geändert werden.
  • In einigen Aspekten der Erfindung, in denen das Herz außer der Tatsache, dass es in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung gesteuert wird, künstlich stimuliert wird, ist der Aktivierungszyklus des Herzens in Bezug auf die Stimulation normal. Dies ist z. B. der Fall, wenn die Steuerung lokal angelegt wird, so dass die Aktivierung des Rests des Herzens nicht beeinflusst wird.
  • In einem Aspekt der Erfindung wird die Steuerung als eine Reaktion auf ein ungewöhnliches Herzereignis wie etwa das Einsetzen von Flimmern oder das Einsetzen verschiedener Typen von Arrhythmien begonnen. Dagegen wird die Steuerung in anderen Aspekten der vorliegenden Erfindung in Reaktion auf eine gewünschte Zunahme des Herzzeitvolumens oder andere gewünschte Langzeitwirkungen wie etwa die Verringerung der Wahrscheinlichkeit von ventrikulärem Flimmern (VF) oder die Erhöhung der Koronardurchblutung begonnen.
  • Ein anderer Unterschied zwischen der Defibrillation, der Stimulation und einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist, dass die Defibrillation und die Stimulation als Techniken zum Beeinflussen des gesamten Herzens (oder wenigstens einer gesamten Kammer) angewendet werden, während bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, z. B. (später beschriebene) Zäune, mit dem Ziel der Beeinflussung nur der lokalen Aktivität auf einen lokalen Abschnitt des Herzens (der so groß wie eine gesamte Kammer sein kann) angewendet werden. Ein nochmals anderer Unterschied zwischen einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und der Defibrillation betrifft die an den Herzmuskel angelegte Energie. Bei der Defibrillation beträgt eine typische elektrische Feldstärke 0,5 Joule (von der angenommen wird, dass sie stark genug ist, Refraktärgewebe zu erregen, "Optical Recordings...", oben erwähnt), während die angelegte Feldstärke in verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung zwischen 50 und 500 Mikrojoule beträgt, eine Feldstärke, von der angenommen wird, dass sie keine Aktionspotentiale in Refraktärgewebe verursacht.
  • Es ist eine weitere Aufgabe einiger Aspekte der vorliegenden Erfindung, ein vollständiges Steuersystem für das Herz zu schaffen, das u. a. das Steuern der Stimulationsfrequenz, der Refraktärperiode, der Leitungsgeschwindigkeit und der mechanischen Kraft des Herzens enthält. Mit Ausnahme der Herzfrequenz kann jeder dieser Parameter lokal gesteuert werden, d. h., jeder Parameter wird nur in einem Segment des Herzmuskels gesteuert. Es wird angemerkt, dass die Herzfrequenz insbesondere bei Verwendung der Zäune, die verschiedene Herzsegmente voneinander isolieren, auch lokal gesteuert werden kann, was aber in den meisten Fällen nachteilig für die Pumpeffizienz des Herzens ist.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die elektrische und/oder mechanische Aktivität eines Herzmuskelsegments durch Anlegen eines nicht-erregenden Felds (einer nicht-erregenden Spannung) oder eines nicht-erregenden Stroms über das Segment gesteuert. Ein nicht-erregendes Signal kann veranlassen, dass sich ein vorhandenes Aktionspotential ändert, veranlasst aber kein sich ausbreitendes Aktionspotential wie etwa jene, die durch Herzschrittmacher erzeugt werden. Die Änderungen des Aktionspotentials können eine Verlängerung der Dauer des Plateaus, eine Verlängerung der Refraktärperiode, eine Verkürzung der Repolarisation nach dem Plateau und andere Änderungen der Morphologie des Aktionspotentials enthalten. Allerdings kann das nicht-erregende Signal ein späteres Aktionspotential beeinflussen, wobei es z. B. ein solches Potential verzögern oder sein Einsetzen beschleunigen kann. Ein anderer Typ eines nicht-erregenden Signals ist eine Spannung, die keine neue Kontraktion der Herzmuskelzelle verursacht, an die das nicht-erregende Signal angelegt wird. Die Erzeugung des Aktivierungssignals kann entweder durch Anlegen einer Spannung mit der falschen Polarität; dadurch, dass die Spannung angelegt wird, wenn die Zelle und/oder die umgebenden Zellen nicht empfindlich auf sie sind, oder dadurch, dass die Amplitude der Spannung zu klein ist, um die Zelle in dem Umfang zu depolarisieren, dass während dieser Periode ein neues Aktionspotential erzeugt wird, verhindert werden.
  • Optional wird diese Steuerung zusammen mit einem Herzschrittmacher ausgeübt, der ein Erregungssignal an das Herz anlegt. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält ein Herzschrittmacher (oder ein Defibrillator) eine Steuereinheit, die in Übereinstimmung mit wenigstens einer Ausführungsform der Erfindung arbeitet. Ein Herzschrittmacher und eine Steuereinheit können eine Batterie, einen Mikrocontroller, Sensoren und möglicherweise Elektroden gemeinsam nutzen.
  • In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden Arrhythmien und das Flimmern unter Verwendung von Zäunen behandelt. Zäune sind Segmente des Herzmuskels, die unter Verwendung elektrischer Felder vorübergehend inaktiviert sind. In einem Beispiel wird die Atriumfibrillation dadurch behandelt, dass das Aktivierungssignal von einem SA-Knoten zu einem AV-Knoten kanalisiert wird, indem es eingezäunt wird. In einem anderen Beispiel wird Flimmern dadurch gedämpft, dass die Mehrzahl falscher Aktivierungssignale eingezäunt werden, so dass nur ein Aktivierungsweg leitend ist. In einem nochmals anderen Beispiel wird die Ventrikeltachykardie oder -fibrillation dadurch behandelt, dass das Herz unter Verwendung elektrischer Felder in isolierte Segmente aufgeteilt wird und die Zäune der Reihe nach mit einer normalen Aktivierungsfolge des Herzens deaktiviert werden, so dass höchstens nur ein Segment des Herzens vorzeitig aktiviert wird.
  • In einer nochmals anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Muskelmasse des Herzens unter Verwendung elektrischer Felder umverteilt. Im Allgemeinen aktiviert die Änderung der Arbeitsbelastung eines Segments des Herzmuskels einen Anpassungsmechanismus, der dazu neigt, die Muskelmasse des Segments mit der Zeit zu ändern. In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die Änderung der Arbeitslast dadurch erreicht werden, dass die Dauer des Plateaus des Aktionspotentials des Segments unter Verwendung angelegter elektrischer Felder erhöht oder verringert wird. Alternativ oder zusätzlich kann die Arbeitslast in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung indirekt dadurch geändert werden, dass die Aktivierungszeit des Segments des Herzens und/oder seine Aktivierungsfolge geändert wird. Ferner kann die Arbeitslast zusätzlich oder alternativ dadurch geändert werden, dass direkt die Kontraktionsfähigkeit eines Segments des Herzens gesteuert wird.
  • In einer nochmals anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Betrieb der Herzpumpe durch Ändern der Aktivierungsfolge des Herzens und/oder durch Ändern der Dauer des Plateaus in Segmenten des Herzens und/oder durch Ändern der Kontraktionsfähigkeit dort optimiert.
  • In einer nochmals anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird durch Anlegen eines nicht-erregenden elektrischen Felds an ein Segment des Herzens, vorzugsweise an den linken Ventrikel, das Herzzeitvolumen geändert, vorzugsweise erhöht. Vorzugsweise wird der Umfang der Erhöhung des Herzzeitvolumens, insbesondere der Abgabe des linken Ventrikels, durch Ändern der Größe desjenigen Segments des Herzens, an das ein solches Feld angelegt wird, gesteuert. Alternativ oder zusätzlich wird die Stärke des elektrischen Felds geändert. Alternativ oder zusätzlich wird die Zeitgebung des Impulses geändert. Alternativ oder zusätzlich wird die Dauer, die Form oder die Frequenz des Impulses geändert. Die Zunahme der Abgabe kann eine Zunahme der Spitzendurchflussmenge, des Flussvolumens, der Durchschnittsdurchflussmenge oder eine Änderung des Flussprofils wie etwa eine Verschiebung der Entwicklung des Spitzenflusses, die die Gesamtverfügbarkeit von Blut für die Körperorgane verbessert, enthalten.
  • In einer nochmals anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird durch Anlegen eines nicht-erregenden elektrischen Felds an ein Segment des Herzens, vorzugsweise an den linken Ventrikel, der entwickelte Ventrikeldruck geändert, vorzugsweise erhöht. Vorzugsweise wird der Umfang der Erhöhung des Herzzeitvolumens dadurch gesteuert, dass die Größe des Segments des Herzens geändert wird, an das dieses Feld angelegt wird. Alternativ oder zusätzlich wird die Stärke des elektrischen Felds geändert. Alternativ oder zusätzlich wird die Zeitgebung des Impulses geändert. Alternativ oder zusätzlich wird die Dauer des Impulses geändert. Alternativ oder zusätzlich wird die Signalform des Impulses geändert. Alternativ oder zusätzlich wird die Frequenz des Impulses geändert. Die Zunahme des Drucks kann eine Zunahme des Spitzendrucks, des Durchschnittsdrucks oder eine Änderung des Druckprofils wie etwa eine Verschiebung bei der Entwicklung des Spitzendrucks, die die Kontraktionsfähigkeit verbessert, enthalten.
  • In Übereinstimmung mit einer abermals anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird dadurch, dass wenigstens an ein Segment des Herzens nicht-erregende elektrische Felder angelegt werden, die Nachlast des Herzens erhöht, wodurch der Fluss in den Koronararterien verbessert wird.
  • In Übereinstimmung mit einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden verschiedene Herzparameter über inhärente Herzrückkopplungsmechanismen gesteuert. In einem Beispiel wird die Herzfrequenz durch Anlegen einer nicht-erregenden Spannung an die Schrittmacherzellen des Herzens in dem SA-Knoten des Herzens oder in dessen Nähe gesteuert. Vorzugsweise wird die Herzfrequenz durch Anlegen des nicht-erregenden Felds erhöht.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein einziges Feld an ein großes Segment des Herzens angelegt. Vorzugsweise wird das Feld mit einer Zeitverzögerung nach dem Beginn der Systole angelegt. Vorzugsweise wird das nicht-erregende Feld angehalten, bevor die Hälfte der Systole vorüber ist, um die Wahrscheinlichkeiten des Flimmerns zu verringern.
  • In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden mehrere Segmente des Herzens, jedes mit einem anderen nicht-erregenden elektrischen Feld, gesteuert. Vorzugsweise wird jedes elektrische Feld mit der lokalen Aktivierung oder mit anderen lokalen Parametern wie etwa mit dem Beginn der Kontraktion synchronisiert. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung berücksichtigt die Struktur des Herzens. Der Herzmuskel ist üblicherweise in Schichten angeordnet, wobei jede Schicht eine (andere) Muskelfaserorientierung aufweist. Vorzugsweise wird in dieser Ausführungsform der Erfindung für verschiedene Orientierungen der Muskelfasern eine andere Feldorientierung und/oder -polarität angelegt.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann diese Technik, die die Muskelfaserorientierung berücksichtigt, auf lokale, eine Defibrillation bewirkende elektrische Felder angewendet werden, wobei es der Zweck dieser Felder sein kann, die Repolarisation eines bestimmten begrenzten Segments des Herzens zu verzögern und dadurch einen Zaun zu erzeugen.
  • Somit wird in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein Verfahren zum Ändern der Kontraktionskraft wenigstens eines Abschnitts einer Herzkammer geschaffen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
    Bereitstellen einer Testperson mit einem Herzen, das wenigstens einen Abschnitt mit einer Aktivierung umfasst; und
    Anlegen eines nicht-erregenden elektrischen Felds mit einer gegebenen Dauer mit einer Verzögerung nach der Aktivierung an den Abschnitt, was veranlasst, dass die Kontraktionskraft um wenigstens 5 % erhöht wird.
  • Vorzugsweise wird die Kraft um einen höheren Prozentsatz wie etwa um wenigstens 10 %, 30 % oder 50 % erhöht.
  • Ferner wird in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein Verfahren zum Ändern einer Kontraktionskraft wenigstens eines Abschnitts einer Herzkammer geschaffen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
    Bereitstellen einer Testperson mit einem Herzen, das wenigstens einen Abschnitt mit einer Aktivierung umfasst; und
    Anlegen eines nicht-erregenden elektrischen Felds mit einer gegebenen Dauer an den Abschnitt mit einer Verzögerung von weniger als 70 ms nach der Aktivierung.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ferner ein Verfahren zum Ändern der Kontraktionskraft wenigstens eines Abschnitts einer Herzkammer geschaffen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
    Bereitstellen einer Testperson mit einem Herzen, das wenigstens einen Abschnitt mit einer Aktivierung umfasst; und
    Anlegen eines nicht-erregenden elektrischen Felds mit einer gegebenen Dauer mit einer Verzögerung nach der Aktivierung an den Abschnitt, was veranlasst, dass der Druck in der Kammer um wenigstens 2 % erhöht wird.
  • Vorzugsweise wird der Druck um einen höheren Betrag wie etwa um wenigstens 10 % oder 20 % erhöht.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ferner ein Verfahren zum Ändern der Kontraktionskraft wenigstens eines Abschnitts einer Herzkammer geschaffen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
    Bereitstellen einer Testperson mit einem Herzen, das wenigstens einen Abschnitt mit einer Aktivierung umfasst; und
    Anlegen eines nicht-erregenden elektrischen Felds mit einer gegebenen Dauer mit einer Verzögerung nach der Aktivierung an den Abschnitt, wobei die Kammer ein Flussvolumen besitzt und wobei das Flussvolumen um wenigstens 5 % erhöht wird.
  • Vorzugsweise wird das Flussvolumen um einen höheren Betrag wie etwa um wenigstens 10 % oder 20 % erhöht.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ferner ein Verfahren zum Ändern der Kontraktionskraft wenigstens eines Abschnitts einer Herzkammer geschaffen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
    Bereitstellen einer Testperson mit einem Herzen, das wenigstens einen Abschnitt mit einer Aktivierung umfasst; und
    Anlegen eines nicht-erregenden elektrischen Felds mit einer gegebenen Dauer mit einer Verzögerung nach der Aktivierung an den Abschnitt, wobei die Kammer eine Durchflussmenge besitzt, so dass die Durchflussmenge um wenigstens 5 % erhöht wird.
  • Vorzugsweise wird die Durchflussmenge um einen höheren Betrag wie etwa um wenigstens 10 % oder 20 % erhöht.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ferner ein Verfahren zum Ändern der Kontraktionskraft wenigstens eines Abschnitts einer Herzkammer geschaffen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
    Bereitstellen einer Testperson mit einem Herzen, das wenigstens einen Abschnitt mit einer Aktivierung umfasst; und
    Anlegen eines nicht-erregenden elektrischen Felds an den Abschnitt mit einer Verzögerung nach der Aktivierung, wobei das Feld eine gegebene Dauer von wenigstens 101 ms hat und nicht länger als die Zykluslänge dauert.
  • Vorzugsweise ist die Dauer länger wie etwa wenigstens 120 ms oder 150 ms.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ferner ein Verfahren zum Ändern einer Kontraktionskraft wenigstens eines Abschnitts einer Herzkammer geschaffen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
    Bereitstellen einer Testperson mit einem Herzen, das wenigstens einen Abschnitt mit einer Aktivierung umfasst; und
    Anlegen eines nicht-erregenden elektrischen Felds mit einer gegebenen Dauer mit einer Verzögerung nach der Aktivierung an den Abschnitt,
    wobei der Abschnitt der Kammer eine Innenoberfläche und eine Außenoberfläche aufweist und wobei das Feld zwischen der Innenoberfläche und der Außenoberfläche angelegt wird.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ferner ein Verfahren zum Ändern einer Kontraktionskraft wenigstens eines Abschnitts einer Herzkammer geschaffen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
    Bereitstellen einer Testperson mit einem Herzen, das wenigstens einen Abschnitt mit einer Aktivierung umfasst; und
    Anlegen eines nicht-erregenden elektrischen Felds mit einer gegebenen Dauer mit einer Verzögerung nach der Aktivierung an den Abschnitt,
    wobei der Abschnitt der Kammer eine Innenoberfläche und eine Außenoberfläche aufweist und wobei das Feld entlang der Außenoberfläche angewendet wird.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ferner ein Verfahren zum Ändern einer Kontraktionskraft wenigstens eines Abschnitts einer Herzkammer geschaffen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
    Bereitstellen einer Testperson mit einem Herzen, das wenigstens einen Abschnitt mit einer Aktivierung umfasst; und
    Anlegen eines nicht-erregenden elektrischen Felds mit einer gegebenen Dauer mit einer Verzögerung nach der Aktivierung an den Abschnitt,
    wobei der Abschnitt der Kammer eine Innenoberfläche, eine Außenoberfläche und einen intramuskulären Abschnitt aufweist und wobei das Feld zwischen dem intramuskulären Abschnitt und wenigstens einer der Oberflächen angelegt wird.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ferner ein Verfahren zum Ändern der Kontraktionskraft wenigstens eines Abschnitts einer Herzkammer geschaffen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
    Bereitstellen einer Testperson mit einem Herzen, das wenigstens einen Abschnitt mit einer Aktivierung umfasst; und
    Anlegen eines nicht-erregenden elektrischen Felds mit einer gegebenen Dauer mit einer Verzögerung nach der Aktivierung an den Abschnitt,
    wobei das Feld zwischen einer einzelnen Elektrode und einem Gehäuse einer implantierten Vorrichtung angelegt wird.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ferner ein Verfahren zum Ändern einer Kontraktionskraft wenigstens eines Abschnitts einer Herzkammer geschaffen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
    Bereitstellen einer Testperson mit einem Herzen, das wenigstens einen Abschnitt mit einer Aktivierung umfasst; und
    Anlegen eines nicht-erregenden elektrischen Felds mit einer gegebenen Dauer mit einer Verzögerung nach der Aktivierung an den Abschnitt unter Verwendung einer Elektrode, die in dem Herzen schwebt.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ferner ein Verfahren zum Ändern einer Kontraktionskraft wenigstens eines Abschnitts einer Herzkammer geschaffen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
    Bereitstellen einer Testperson mit einem Herzen, das wenigstens einen Abschnitt mit einer Aktivierung umfasst; und
    Anlegen eines nicht-erregenden elektrischen Felds mit einer gegebenen Dauer mit einer Verzögerung nach der Aktivierung an den Abschnitt,
    wobei das Feld unter Verwendung von wenigstens zwei Elektroden angelegt wird und wobei die wenigstens zwei Elektroden wenigstens 2 cm entfernt sind.
  • In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung sind die Elektroden wenigstens 4 oder 9 cm entfernt.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ferner ein Verfahren zum Ändern einer Kontraktionskraft wenigstens eines Abschnitts einer Herzkammer geschaffen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
    Bereitstellen einer Testperson mit einem Herzen, das wenigstens einen Abschnitt mit einer Aktivierung umfasst; und
    Anlegen eines nicht-erregenden elektrischen Felds mit einer gegebenen Dauer mit einer Verzögerung nach der Aktivierung an den Abschnitt,
    wobei das Feld unter Verwendung von wenigstens zwei Elektroden angelegt wird und wobei eine Elektrode der wenigstens zwei Elektroden in einer Basis einer Kammer des Herzens ist und wobei eine Elektrode in einer Spitze einer Kammer des Herzens ist.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ferner ein Verfahren zum Ändern einer Kontraktionskraft wenigstens eines Abschnitts einer Herzkammer geschaffen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
    Bereitstellen einer Testperson mit einem Herzen, das wenigstens einen Abschnitt mit einer Aktivierung umfasst; und
    Anlegen eines nicht-erregenden elektrischen Felds mit einer gegebenen Dauer mit einer Verzögerung nach der Aktivierung an den Abschnitt,
    wobei das Feld unter Verwendung von wenigstens drei Elektroden angelegt wird und wobei das Anlegen eines nicht-erregenden Felds Folgendes umfasst:
    Elektrisieren eines ersten Paars der wenigstens drei Elektroden; und
    nachfolgendes Elektrisieren eines zweiten Paars der wenigstens drei Elektroden.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ferner ein Verfahren zum Ändern einer Kontraktionskraft wenigstens eines Abschnitts einer Herzkammer geschaffen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
    Bereitstellen einer Testperson mit einem Herzen, das wenigstens einen Abschnitt mit einer Aktivierung umfasst; und
    Anlegen eines nicht-erregenden elektrischen Felds mit einer gegebenen Dauer mit einer Verzögerung nach der Aktivierung an den Abschnitt, wobei das Feld unter Verwendung von wenigstens zwei außerhalb der Testperson angeordneten Elektroden angelegt wird.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ferner ein Verfahren zum Ändern einer Kontraktionskraft wenigstens eines Abschnitts einer Herzkammer geschaffen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
    Bereitstellen einer Testperson mit einem Herzen, das wenigstens einen Abschnitt mit einer Aktivierung umfasst; und
    Anlegen eines nicht-erregenden elektrischen Felds mit einer gegebenen Dauer mit einer Verzögerung nach der Aktivierung an den Abschnitt,
    wobei das elektrische Feld wenigstens in dem Abschnitt der Herzkammer die elektrotonischen Ströme wenigstens teilweise auslöscht.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ferner ein Verfahren zum Ändern einer Kontraktionskraft wenigstens eines Abschnitts einer Herzkammer geschaffen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
    Bereitstellen einer Testperson mit einem Herzen, das wenigstens einen Abschnitt mit einer Aktivierung umfasst;
    Anlegen eines nicht-erregenden elektrischen Felds mit einer gegebenen Dauer mit einer Verzögerung nach der Aktivierung an den Abschnitt zwischen den zwei Positionen; und
    Fühlen einer Aktivierung an einer Stelle zwischen den zwei Positionen.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ferner ein Verfahren zum Ändern einer Kontraktionskraft wenigstens eines Abschnitts einer Herzkammer geschaffen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
    Bereitstellen einer Testperson mit einem Herzen, das wenigstens einen Abschnitt mit einer Aktivierung umfasst;
    Anlegen eines nicht-erregenden elektrischen Felds mit einer gegebenen Dauer mit einer Verzögerung nach der Aktivierung an den Abschnitt zwischen den zwei Positionen; und
    Fühlen einer Aktivierung an einer Stelle, die mit einer der zwei Positionen zusammenfällt.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ferner ein Verfahren zum Ändern einer Kontraktionskraft wenigstens eines Abschnitts einer Herzkammer geschaffen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
    Bereitstellen einer Testperson mit einem Herzen, das wenigstens einen Abschnitt mit einer Aktivierung umfasst;
    Anlegen eines nicht-erregenden elektrischen Felds mit einer gegebenen Dauer mit einer Verzögerung nach der Aktivierung an den Abschnitt zwischen zwei Positionen;
    Fühlen einer Aktivierung an einer Stelle; und
    Schätzen der Aktivierung des Abschnitts aus der gefühlten Aktivierung.
  • Vorzugsweise umfasst das Fühlen das Fühlen eines Werts eines Parameters eines EKG und das Schätzen das Schätzen der Verzögerung anhand eines Verzögerungswerts, der dem Wert des Parameters zugeordnet ist.
  • Vorzugsweise ist die Stelle in einer anderen Kammer des Herzens als der Kammer, an die das Feld angelegt wird.
  • Vorzugsweise ist die Stelle im Wesentlichen die erste aktivierte Stelle in der Kammer des Abschnitts.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ferner ein Verfahren zum Ändern einer Kontraktionskraft wenigstens eines Abschnitts einer Herzkammer geschaffen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
    Bereitstellen einer Testperson mit einem Herzen, das wenigstens einen Abschnitt mit einer Aktivierung umfasst;
    Anlegen eines nicht-erregenden elektrischen Felds mit einer gegebenen Dauer mit einer Verzögerung nach der Aktivierung an den Abschnitt; und
    Anlegen eines zweiten nicht-erregenden elektrischen Felds an einen zweiten Abschnitt der Kammer.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ferner ein Verfahren gemäß Anspruch 36 geschaffen, bei dem das zweite Feld in dem gleichen Herzzyklus wie das nicht-erregende Feld angelegt wird.
  • Vorzugsweise weist jeder Abschnitt eine einzelne Aktivierung auf, mit der die Anlegungen des Felds daran synchronisiert werden.
  • Vorzugsweise hat das zweite Feld eine andere Auswirkung auf das Herz als das nicht-erregende Feld.
  • Vorzugsweise wird während eines anderen Herzzyklus nur das zweite nicht-erregende Feld angelegt.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ferner ein Verfahren zum Ändern einer Kontraktionskraft wenigstens eines Abschnitts einer Herzkammer geschaffen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
    Bereitstellen einer Testperson mit einem Herzen, das wenigstens einen Abschnitt mit einer Aktivierung umfasst;
    Schätzen der Aktivierung in dem Abschnitt; und
    Anlegen eines nicht-erregenden elektrischen Felds mit einer gegebenen Dauer mit einer Verzögerung nach der geschätzten Aktivierung an den Abschnitt.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ferner ein Verfahren zum Ändern einer Kontraktionskraft wenigstens eines Abschnitts einer Herzkammer geschaffen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
    Bereitstellen einer Testperson mit einem Herzen, das wenigstens einen Abschnitt mit einer Aktivierung umfasst;
    Anlegen eines nicht-erregenden elektrischen Felds mit einer gegebenen Dauer mit einer Verzögerung nach der Aktivierung an den Abschnitt; und
    Wiederholen des Anlegens des nicht-erregenden Felds während mehrerer späterer Herzschläge, von denen wenigstens einige nicht aufeinander folgend sind.
  • Vorzugsweise umfasst das Verfahren das allmähliche Verringern der Häufigkeit, mit der Schläge während des wiederholten Anlegens ausgelassen werden.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ferner ein Verfahren zum Ändern einer Kontraktionskraft wenigstens eines Abschnitts einer Herzkammer geschaffen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
    Bereitstellen einer Testperson mit einem Herzen, das wenigstens einen Abschnitt mit einer Aktivierung umfasst;
    Anlegen eines nicht-erregenden elektrischen Felds mit einer gegebenen Dauer mit einer Verzögerung nach der Aktivierung an den Abschnitt, wobei der Abschnitt einen Umfang hat; und
    Ändern des Umfangs des Abschnitts, an den das Feld angelegt wird, zwischen den Schlägen.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ferner ein Verfahren zum Ändern einer Kontraktionskraft wenigstens eines Abschnitts einer Herzkammer geschaffen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
    Bereitstellen einer Testperson mit einem Herzen, das wenigstens einen Abschnitt mit einer Aktivierung umfasst;
    Bestrahlen des Abschnitts mit Licht, das mit der Aktivierung synchronisiert ist; und
    Wiederholen des Bestrahlens in wenigstens 100 Herzzyklen während einer Periode von weniger als 1000 Herzzyklen.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ferner ein Verfahren zum Ändern einer Kontraktionskraft wenigstens eines Abschnitts einer Herzkammer geschaffen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
    Bereitstellen einer Testperson mit einem Herzen, das wenigstens einen Abschnitt mit einer Aktivierung umfasst;
    Bestrahlen des Abschnitts mit Hochfrequenzstrahlung, die mit der Aktivierung synchronisiert ist; und
    Wiederholen des Bestrahlens in wenigstens 100 Herzzyklen während einer Periode von weniger als 10000 Herzzyklen.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ferner ein Verfahren zum Ändern einer Kontraktionskraft wenigstens eines Abschnitts einer Herzkammer geschaffen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
    Bereitstellen einer Testperson mit einem Herzen, das wenigstens einen Abschnitt mit einer Aktivierung umfasst; und
    Ändern der Verfügbarkeit von Calciumionen in den Muskelfasern des Abschnitts während einer Zeitperiode, die eine Zeit von weniger als 70 ms nach der Aktivierung einschließt, in Reaktion auf die Aktivierung.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ferner ein Verfahren zum Ändern einer Kontraktionskraft wenigstens eines Abschnitts einer Herzkammer geschaffen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
    Bereitstellen einer Testperson mit einem Herzen, das wenigstens einen Abschnitt mit einer Aktivierung umfasst; und
    Ändern der Transportrate von Calciumionen in den Muskelfasern des Abschnitts während einer Zeitperiode kleiner als 70 ms nach der Aktivierung in Reaktion auf die Aktivierung.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ferner ein Verfahren zum Ändern einer Kontraktionskraft wenigstens eines Abschnitts einer Herzkammer geschaffen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
    Bereitstellen einer Testperson mit einem Herzen, das wenigstens einen Abschnitt mit einer Aktivierung umfasst; und
    Ändern der Verfügbarkeit von Katecholaminen in dem Abschnitt synchron mit der Aktivierung.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ferner ein Verfahren zum Ändern des Aktivierungsprofils wenigstens eines Abschnitts einer Herzkammer geschaffen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
    Abbilden des Aktivierungsprofils des Abschnitts;
    Bestimmen einer gewünschten Änderung in dem Aktivierungsprofil; und
    Ändern der Leitungsgeschwindigkeit in einem nicht arrhythmischen Segment des Abschnitts unter Verwendung eines nicht-erregenden elektrischen Felds, um die gewünschte Änderung zu erreichen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die gewünschte Änderung ein AV-Intervall, während das Ändern das Ändern der Leitungsgeschwindigkeiten von Purkinje-Fasern zwischen einem AV-Knoten und wenigstens einem der Ventrikel in dem Herzen umfasst.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Aktivierung eine durchschnittliche Aktivierung des Abschnitts.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Aktivierung eine früheste Aktivierung.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Aktivierung eine mechanische Aktivierung.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Aktivierung eine elektrische Aktivierung.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst der Abschnitt mehrere Unterabschnitte, die jeweils eine eigene Aktivierung aufweisen, und umfasst das Anlegen eines Felds das Anlegen eines Felds an jeden Unterabschnitt mit einer Verzögerung in Bezug auf die einzelne Aktivierung des Unterabschnitts.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Anlegen eines nicht-erregenden elektrischen Felds das Ansteuern eines elektrischen Stroms durch das Segment. Vorzugsweise ist der Strom kleiner als 20 mA. In einigen Ausführungsformen der Erfindung ist der Strom kleiner als 8 mA, 5 mA, 3 mA. Vorzugsweise ist der Strom wenigstens 0,5 mA. In einigen Ausführungsformen ist er wenigstens 1 oder 3 mA.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Feld für eine Dauer zwischen 10 und 140 ms angelegt. In anderen bevorzugten Ausführungsformen wird es zwischen 20 und 100 ms oder zwischen 60 und 90 ms angelegt.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Verzögerung kleiner als 70 ms. In anderen bevorzugten Ausführungsformen ist sie kleiner als 40, 20, 5 oder 1 ms. In einigen Ausführungsformen ist die Verzögerung im Wesentlichen gleich null.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Verzögerung wenigstens 1 ms. In anderen bevorzugten Ausführungsformen kann sie größer als 3, 7, 15 oder 30 ms sein.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das elektrische Feld eine exponentielle zeitliche Einhüllende auf. In anderen kann es eine rechteckige, dreieckige, ansteigende oder zweiphasige zeitliche Einhüllende aufweisen. Vorzugsweise umfasst das elektrische Feld ein elektrisches Wechselfeld, das vorzugsweise eine sinusförmige, sägezahnförmige oder rechteckschwingungsförmige zeitliche Einhüllende aufweist.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Abschnitt der Kammer eine Innenoberfläche und eine Außenoberfläche auf, wobei das Feld entlang der Innenoberfläche angelegt wird.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Abschnitt der Kammer eine normale Leitungsrichtung auf, wobei das Feld entlang der normalen Leitungsrichtung angelegt wird.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Abschnitt der Kammer eine normale Leitungsrichtung auf, wobei das Feld senkrecht zu der normalen Leitungsrichtung angelegt wird.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Feld wenigstens zwischen zwei Elektroden angelegt. Vorzugsweise sind die Elektroden wenigstens 2 cm entfernt. In einigen bevorzugten Ausführungsformen sind die Elektroden wenigstens 4 oder 9 cm entfernt.
  • Die Kammer kann der linke Ventrikel oder das linke Atrium oder der rechte Ventrikel oder das rechte Atrium sein.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung enthält das Stimulieren des Herzens. Vorzugsweise wird das Anlegen des elektrischen Felds mit dem Stimulieren synchronisiert.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält das Verfahren das Berechnen der Verzögerung anhand des Stimulierens.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält das Verfahren das Fühlen einer spezifischen Aktivierung an einer Stelle.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ferner ein Verfahren zum Ändern des Aktivierungsprofils wenigstens eines Abschnitts eines Herzens geschaffen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
    Abbilden des Aktivierungsprofils des Abschnitts;
    Bestimmen einer gewünschten Änderung in dem Aktivierungsprofil; und
    Blockieren der Aktivierung wenigstens eines Segments des Abschnitts, um die gewünschte Änderung zu erreichen, wobei das Segment nicht Teil einer Reentry-Schaltung oder eines Arrhythmieherds in dem Herzen ist.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das blockierte Segment ein ischämisches Segment.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ferner ein Verfahren zum Ändern des Aktivierungsprofils wenigstens eines Abschnitts eines Herzens geschaffen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
    Abbilden des Aktivierungsprofils des Abschnitts;
    Bestimmen einer gewünschten Änderung in dem Aktivierungsprofil; und
    Ändern der Refraktärperiode wenigstens eines Segments des Abschnitts, um die gewünschte Änderung zu erreichen, wobei das Segment nicht Teil einer Reentry-Schaltung oder eines Arrhythmieherds in dem Herzen ist.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ferner ein Verfahren zum Ändern der Herzfrequenz eines Herzens geschaffen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
    Bereitstellen einer Testperson mit einem Herzen mit einem aktiven natürlichen Schrittmachergebiet; und
    Anlegen eines nicht-erregenden elektrischen Felds an das Gebiet.
  • Vorzugsweise verlängert das elektrische Feld eine Dauer eines Aktionspotentials des Gebiets.
  • Vorzugsweise umfasst das Verfahren das Verlängern der Refraktärperiode eines erheblichen Abschnitts des rechten Atriums.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ferner ein Verfahren zum Verringern einer Abgabe einer Kammer eines Herzens geschaffen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
    Bestimmen der frühesten Aktivierung wenigstens eines Abschnitts der Kammer,
    wobei der Abschnitt nicht Teil eines abnormalen Leitungswegs in dem Herzen ist; und
    Anlegen eines nicht-erregenden elektrischen Felds an den Abschnitt.
  • Vorzugsweise wird das Feld vor Aktivierung des Abschnitts angelegt.
  • Vorzugsweise verringert das Feld das Reaktionsvermögen des Abschnitts auf ein Aktivierungssignal.
  • Vorzugsweise verringert das Feld die Empfindlichkeit des Abschnitts für ein Aktivierungssignal.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ferner ein Verfahren zum Verringern einer Abgabe einer Kammer eines Herzens geschaffen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
    Bestimmen einer Aktivierung von und von Leitungswegen zu wenigstens einem Abschnitt der Kammer; und
    Reversibles Blockieren der Leitungswege unter Verwendung eines lokal angelegten nicht-erregenden elektrischen Felds.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ferner ein Verfahren zum Verringern einer Abgabe einer Kammer eines Herzens geschaffen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
    Bestimmen einer Aktivierung von und eines Leitungswegs zu wenigstens einem Abschnitt der Kammer, wobei der Abschnitt nicht Teil eines abnormalen Leitungswegs in dem Herzen ist; und
    Reversibles Verringern der Leitungsgeschwindigkeit in dem Leitungsweg unter Verwendung eines lokal angelegten elektrischen Felds.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ferner ein Verfahren zum Ausführen einer Herzoperation geschaffen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
    Blockieren der elektrischen Aktivität zu wenigstens einem Abschnitt des Herzens unter Verwendung eines nicht-erregenden elektrischen Felds; und
    Ausführen eines Eingriffs an dem Abschnitt.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ferner ein Verfahren zum Ausführen einer Herzoperation geschaffen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
    Verringern der Empfindlichkeit für ein Aktivierungssignal wenigstens eines Abschnitts des Herzens unter Verwendung eines nicht-erregenden elektrischen Felds; und
    Ausführen eines Eingriffs an dem Abschnitt.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ferner ein Verfahren zum Steuern des Herzens geschaffen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
    Bereitstellen einer Testperson mit einem Herzen mit einem linken Ventrikel und mit einem rechten Ventrikel;
    wahlweises reversibles Erhöhen der Kontraktionsfähigkeit eines der Ventrikel relativ zum anderen Ventrikel.
  • Vorzugsweise umfasst das wahlweise reversible Erhöhen das Anlegen eines nicht-erregenden elektrischen Felds an wenigstens einen Abschnitt des einen Ventrikels.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ferner ein Verfahren zum Steuern des Herzens geschaffen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
    Bereitstellen einer Testperson mit einem Herzen mit einem linken Ventrikel und mit einem rechten Ventrikel;
    wahlweises reversibles Verringern der Kontraktionsfähigkeit eines der Ventrikel relativ zum anderen Ventrikel.
  • Vorzugsweise umfasst das wahlweise reversible Verringern das Anlegen eines nicht-erregenden elektrischen Felds an wenigstens einem Abschnitt des einen Ventrikels.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ferner ein Verfahren zum Behandeln eines Segments eines Herzens geschaffen, das wegen eines abnormal niedrigen Erregungsschwellenwerts Arrhythmien induziert, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
    Identifizieren des Segments; und
    Anlegen eines elektrischen Desensibilisierungsfelds an das Segment, so dass der Erregungsschwellenwert auf einen normalen Bereich von Werten erhöht wird.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ferner ein Verfahren zum Ändern eines Aktivierungsprofils wenigstens eines Abschnitts eines Herzens geschaffen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
    Bestimmen einer gewünschten Änderung in dem Aktivierungsprofil; und
    Reversibles Blockieren der Leitung der Aktivierungssignale über mehrere verlängerte Zaunabschnitte des Herzens, um die gewünschte Änderung zu erreichen.
  • Vorzugsweise erzeugt das Blockieren der Leitung in dem Abschnitt des Herzens mehrere Segmente, die von einer äußeren Aktivierung isoliert sind. Vorzugsweise enthält wenigstens eines der isolierten Segmente einen Arrhythmieherd. Vorzugsweise enthält wenigstens eines der isolierten Segmente keinen Arrhythmieherd.
  • Vorzugsweise enthält das Verfahren das einzelne Stimulieren jedes von wenigstens zwei der mehreren isolierten Segmente.
  • Vorzugsweise begrenzt das Blockieren der Leitung, dass eine Aktivierungsfront längs abnormaler Wege läuft.
  • Vorzugsweise umfasst das reversible Blockieren das reversible Blockieren der Leitung von Aktivierungssignalen, die mit einem Herzzyklus synchronisiert sind, um abnormale Aktivierungssignale zu blockieren.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das reversible Blockieren das reversible Blockieren der Leitung von Aktivierungssignalen, die mit einem Herzzyklus synchronisiert sind, um normale Aktivierungssignale durchzulassen.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ferner ein Verfahren zum Behandeln einer abnormalen Aktivierung des Herzens geschaffen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
    Erfassen eines abnormalen Aktivierungszustands; und
    Ändern der Aktivierung des Herzens in Übereinstimmung mit dem oben beschriebenen Verfahren, um die abnormale Aktivierungsbedingung anzuhalten.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die abnormale Bedingung Flimmern.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ferner ein Verfahren zum Steuern des Herzens geschaffen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
    Bestimmen eines gewünschten Bereichs von Werten für wenigstens einen Parameter der Herzaktivität; und
    Steuern wenigstens einer lokalen Kontraktionskraft in dem Herzen, um den Parameter innerhalb des gewünschten Bereichs zu halten.
  • Vorzugsweise enthält das Steuern das Steuern der Herzfrequenz.
  • Vorzugsweise enthält das Steuern das Steuern einer lokalen Leitungsgeschwindigkeit.
  • Vorzugsweise reagiert der Parameter mit einer Zeitkonstanten von weniger als 10 Minuten auf die Steuerung. Alternativ reagiert er mit einer Zeitkonstanten von mehr als einem Tag.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ferner ein Verfahren zum Steuern des Herzens geschaffen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
    Bestimmen eines gewünschten Bereichs von Werten für wenigstens einen Parameter der Herzaktivität;
    Steuern wenigstens eines Abschnitts des Herzens unter Verwendung eines nicht-erregenden elektrischen Felds mit wenigstens einer Eigenschaft, um den Parameter innerhalb des gewünschten Bereichs zu halten; und
    Ändern der wenigstens einen Eigenschaft in Reaktion auf eine Verringerung einer Reaktion des Herzens auf das elektrische Feld.
  • Vorzugsweise ist die Eigenschaft eine Stärke des elektrischen Felds. Alternativ umfasst sie eine Dauer des elektrischen Felds, eine Frequenz des Felds oder eine Schwingungsform des Felds.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ferner ein Verfahren zum Behandeln eines Patienten mit einem Herzen mit einem nicht verheilten Infarkt geschaffen, wobei das Verfahren das Anwenden irgendeines der obigen Verfahren umfasst, bis der Infarkt geheilt worden ist.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ferner ein Verfahren zum Behandeln eines Patienten mit einem Herzen geschaffen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
    Bereitstellen eines Patienten, der einen nicht verheilten Infarkt in dem Herzen besitzt; und
    Anwenden eines der obigen Verfahren, bis das Herz stabilisiert worden ist.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Anlegen eines nicht-erregenden Felds das Anlegen eines nicht-erregenden Felds für zwischen 3 und 5.000 Herzschlägen.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ferner eine Vorrichtung zum Steuern eines Herzens geschaffen, die umfasst:
    mehrere Elektroden, die wenigstens über einen Abschnitt des Herzens ein elektrisches Feld anlegen können; und
    eine Leistungsversorgung, die die Elektroden für eine gegebene Dauer wenigstens 100-mal während einer Periode von weniger als 50.000 Herzzyklen mit einem nicht-erregenden elektrischen Feld elektrisiert.
  • Vorzugsweise werden sie während einer Periode von weniger als 50.000 Herzzyklen wenigstens 1000-mal elektrisiert. Sie können ebenfalls während einer Periode von weniger als 20.000 Herzzyklen wenigstens 1000-mal oder während einer Periode von weniger als 5.000 Herzzyklen wenigstens 1000-mal elektrisiert werden.
  • Vorzugsweise wird das Feld in einer Sekunde weniger als 10-mal angelegt.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung elektrisiert die Leistungsversorgung die Elektroden über die Periode wenigstens 2000-mal. In bevorzugten Ausführungsformen elektrisiert die Leistungsversorgung die Elektroden über die Periode wenigstens 4000-mal.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ferner eine Vorrichtung zum Steuern eines Herzens geschaffen, die umfasst:
    mehrere Elektroden, die wenigstens über einen Abschnitt des Herzens ein elektrisches Feld anlegen können; und
    eine Leistungsversorgung, die die Elektroden für eine gegebene Dauer mit einem nicht-erregenden elektrischen Feld elektrisiert,
    wobei wenigstens eine der Elektroden einen Bereich des Herzens größer als 2 cm2 bedecken kann.
  • Vorzugsweise kann wenigstens eine der Elektroden einen Bereich des Herzens größer als 6 oder 9 cm2 bedecken.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ferner eine Vorrichtung zum Steuern eines Herzens geschaffen, die umfasst:
    wenigstens eine Unipolarelektrode, die ein elektrisches Feld an wenigstens einen Abschnitt des Herzens anlegen kann; und
    eine Leistungsversorgung, die die Elektroden mit einem nicht-erregenden elektrischen Feld elektrisiert.
  • Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung ein Gehäuse, das als eine zweite Elektrode elektrisiert wird.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ferner eine Vorrichtung zum Steuern eines Herzens geschaffen, die umfasst:
    mehrere Elektroden, die wenigstens über einen Abschnitt des Herzens ein elektrisches Feld anlegen können; und
    eine Leistungsversorgung, die die Elektroden für eine gegeben Dauer mit einem nicht-erregenden elektrischen Feld elektrisiert,
    wobei der Abstand zwischen den Elektroden wenigstens 2 cm beträgt.
  • In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung beträgt der Abstand wenigstens 4 oder 9 cm.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ferner eine Vorrichtung zum Steuern des Herzens geschaffen, die umfasst:
    wenigstens drei Elektroden, die wenigstens über einen Abschnitt des Herzens ein elektrisches Feld anlegen können; und
    eine Leistungsversorgung, die die Elektroden für eine gegebene Dauer mit einem nicht-erregenden elektrischen Feld elektrisiert,
    wobei die Elektroden wenigstens in einer ersten Konfiguration, in der zwei Elektroden elektrisiert werden, und in einer zweiten Konfiguration, in der zwei Elektroden elektrisiert werden, die nicht beide mit den Elektroden der ersten Konfiguration übereinstimmen, wahlweise elektrisierbar sind.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ferner eine Vorrichtung zum Steuern eines Herzens geschaffen, die umfasst:
    mehrere Elektroden, die wenigstens über einen Abschnitt des Herzens ein elektrisches Feld anlegen können;
    einen Sensor, der eine lokale Aktivierung fühlt; und
    eine Leistungsversorgung, die die Elektroden in Reaktion auf die gefühlte lokale Aktivierung für eine gegebene Dauer mit einem nicht-erregenden elektrischen Feld elektrisiert.
  • Vorzugsweise fühlt der Sensor eine mechanische Aktivierung des Abschnitts.
  • Vorzugsweise kann der Sensor die Aktivierung in wenigstens einer der Elektroden fühlen.
  • Vorzugsweise kann der Sensor die Aktivierung im rechten Atrium fühlen.
  • Vorzugsweise kann der Sensor die Aktivierung zwischen den Elektroden fühlen.
  • Vorzugsweise fühlt der Sensor eine früheste Aktivierung in einer Kammer des Herzens, die den Abschnitt enthält, wobei die Leistungsversorgung die Elektrisierung in Reaktion auf die früheste Aktivierung zeitlich steuert.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ferner eine Vorrichtung zum Steuern eines Herzens geschaffen, die umfasst:
    Elektroden, die ein elektrisches Feld über lang gestreckte Segmente wenigstens eines Abschnitts des Herzens anlegen können; und
    eine Leistungsversorgung, die die Elektroden mit einem nicht-erregenden elektrischen Feld elektrisiert.
  • Vorzugsweise sind die Elektroden lang gestreckte Elektroden, die wenigstens einen cm lang sind. In anderen Ausführungsformen sind sie wenigstens 2 oder 4 cm lang. Vorzugsweise sind die Segmente weniger als 0,3 cm breit. In einigen Ausführungsformen sind sie weniger als 0,5, 1 oder 2 cm breit.
  • Vorzugsweise elektrisiert die Leistungsversorgung die Elektroden über eine Periode von weniger als 5000 Herzzyklen wenigstens 1000-mal für eine gegebene Dauer von wenigstens 20 ms.
  • In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung teilen die lang gestreckten Segmente das Herz in wenigstens zwei elektrisch isolierte Segmente in dem Herzen.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ferner eine Vorrichtung zum Steuern eines Herzens geschaffen, die umfasst:
    mehrere Elektroden, die wenigstens über einen Abschnitt des Herzens ein elektrisches Feld anlegen können;
    eine Leistungsversorgung, die die Elektroden für eine gegebene Dauer mit einem nicht-erregenden elektrischen Feld elektrisiert; und
    eine Schaltung zum Bestimmen einer Aktivierung an einer Stelle in dem Abschnitt, wobei die Leistungsversorgung die Elektroden in Reaktion auf die bestimmte Aktivierung elektrisiert.
  • Vorzugsweise wird das elektrische Feld nach einer Aktivierung an einer der Elektroden mit einer gegebenen Verzögerung, vorzugsweise weniger als 70 ms, angelegt.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das elektrische Feld vor einer Aktivierung an einer der Elektroden angelegt. In verschiedenen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung wird das Feld mehr als 30, 50 oder 80 ms vor der Aktivierung angelegt.
  • Vorzugsweise umfasst die Schaltung einen Aktivierungssensor, der die Aktivierung fühlt. Alternativ oder zusätzlich wird die Aktivierung, vorzugsweise anhand einer Aktivierung in einer Kammer des Herzens, die von einer Kammer, die den Abschnitt enthält, verschieden ist, berechnet.
  • Vorzugsweise enthält die Vorrichtung einen Speicher, der die zur Berechnung einer Verzögerungszeit verwendeten Werte zusammen mit einem Wert wenigstens eines Parameters eines gefühlten EKG speichert. Vorzugsweise ist der Parameter eine Herzfrequenz.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ferner eine Vorrichtung zum Steuern eines Herzens geschaffen, die umfasst:
    mehrere Elektroden, die wenigstens über einen Abschnitt des Herzens ein elektrisches Feld anlegen können;
    eine Leistungsversorgung, die die Elektroden für eine gegebene Dauer mit einem nicht-erregenden elektrischen Feld elektrisiert;
    einen Sensor, der einen Parameter der Herzaktivität misst; und
    eine Steuereinheit, die die Elektrisierung der Elektroden steuert, um den Parameter innerhalb eines Bereichs von Werten zu halten.
  • Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung einen Speicher, der eine Karte der elektrischen Aktivität in dem Herzen speichert, wobei die Steuereinheit die Karte verwendet, um eine gewünschte Elektrisierung zu bestimmen.
  • Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung einen Speicher, der ein Modell der elektrischen Aktivität in dem Herzen speichert, wobei die Steuereinheit das Modell verwendet, um eine gewünschte Elektrisierung zu bestimmen.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ferner eine Vorrichtung zum Steuern eines Herzens geschaffen, die umfasst:
    mehrere Elektroden, die wenigstens über einen Abschnitt des Herzens ein elektrisches Feld anlegen können;
    eine Leistungsversorgung, die die Elektroden für eine gegebene Dauer mit einem nicht-erregenden elektrischen Feld elektrisiert; und
    eine Steuereinheit, die eine Reaktion des Herzens auf die Elektrisierung der Elektroden misst.
  • Vorzugsweise ändert die Steuereinheit anhand der gemessenen Reaktion die Elektrisierung. Vorzugsweise enthält die Vorrichtung einen Speicher, der die gemessene Reaktion speichert.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ferner eine Vorrichtung zum Steuern eines Herzens geschaffen, die umfasst:
    mehrere Elektroden, die wenigstens über einen Abschnitt des Herzens ein elektrisches Feld anlegen können;
    eine Leistungsversorgung, die die Elektroden für eine gegebene Dauer mit einem nicht-erregenden elektrischen Feld elektrisiert; und
    einen Herzschrittmacher, der das Herz stimuliert.
  • Vorzugsweise sind der Herzschrittmacher und der Rest der Vorrichtung in einem gemeinsamen Gehäuse enthalten.
  • Vorzugsweise nutzen der Herzschrittmacher und der Rest der Vorrichtung gemeinsame Erregungselektroden. Vorzugsweise nutzen der Herzschrittmacher und der Rest der Vorrichtung eine gemeinsame Leistungsversorgung.
  • Vorzugsweise ist das nicht-erregende Feld mit dem Herzschrittmacher synchronisiert.
  • Vorzugsweise werden die Elektroden unter Verwendung eines einzelnen Impulses, der ein elektrisches Stimulationsfeld und ein nicht-erregendes elektrisches Feld kombiniert, elektrisiert.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ferner eine Vorrichtung zum Steuern eines Herzens geschaffen, die umfasst:
    mehrere Elektroden, die wenigstens über einen Abschnitt des Herzens ein elektrisches Feld anlegen können; und
    eine Leistungsversorgung, die die Elektroden für eine gegebene Dauer mit einem nicht-erregenden elektrischen Feld elektrisiert,
    wobei wenigstens eine der Elektroden in einem Katheter angebracht ist.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ferner eine Vorrichtung zum Steuern eines Herzens geschaffen, die umfasst:
    mehrere Elektroden, die wenigstens über einen Abschnitt des Herzens ein elektrisches Feld anlegen können; und
    eine Leistungsversorgung, die die Elektroden für eine gegebene Dauer mit einem nicht-erregenden elektrischen Feld elektrisiert,
    wobei die Elektroden außen an den Körper angelegt werden können.
  • Vorzugsweise enthält die Vorrichtung einen externen Herzschrittmacher.
  • Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung einen EKG-Sensor, mit dem die Elektrisierung der Elektroden synchronisiert wird.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Dauer des Felds wenigstens 20 ms. In anderen bevorzugten Ausführungsformen ist die Dauer wenigstens 40, 80 oder 120.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Strom durch den Abschnitt zwischen den Elektroden gezwungen.
  • Vorzugsweise enthält die Vorrichtung wenigstens zwei weitere Elektroden, die durch die Leistungsversorgung elektrisiert werden und über einen zweiten Abschnitt des Herzens ein nicht-erregendes elektrisches Feld anlegen können. Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung eine Steuereinheit, die die Elektrisierung aller Elektroden in der Vorrichtung koordiniert.
  • Vorzugsweise ist ein Spitzenstrom durch die Elektroden kleiner als 20 mA. In einigen bevorzugten Ausführungsformen ist er kleiner als 10, 5 oder 2 mA.
  • In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung können die Elektroden in wesentlichem Kontakt mit dem Herzen sein.
  • Vorzugsweise besitzt das elektrische Feld eine Exponential-, Dreieck- oder Rechtecksignalform. Das Feld kann unipolar oder bipolar sein. Das Feld kann eine konstante Stärke haben.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ferner eine Vorrichtung zur optischen Steuerung eines Herzens geschaffen, die umfasst:
    wenigstens eine implantierbare Lichtquelle, die über eine Periode von weniger als 5000 Zyklen für wenigstens 1000 Herzzyklen Lichtimpulse erzeugt; und
    wenigstens einen Lichtleiter zum Liefern nicht beschädigender Lichtintensitäten von der Lichtquelle wenigstens an eine Stelle an dem Herzen.
  • Vorzugsweise umfasst die wenigstens eine Lichtquelle mehrere Lichtquellen, die jeweils an einer anderen Stelle an dem Herzen befestigt sind.
  • Vorzugsweise ist der Wellenleiter eine Glasfaser.
  • Vorzugsweise umfasst die Lichtquelle eine monochromatische Lichtquelle.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Vorrichtung einen Sensor, der eine Aktivierung wenigstens eines Abschnitts des Herzens misst, wobei die Lichtquelle synchron zu der gemessenen Aktivierung gepulstes Licht liefert.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ferner ein Verfahren zum Programmieren einer programmierbaren Steuereinheit für eine Testperson mit einem Herzen geschaffen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
    Bestimmen von Impulsparametern, die geeignet sind, das Herz unter Verwendung nicht-erregender elektrischer Felder zu steuern; und
    Programmieren der Steuereinheit mit den Impulsparametern.
  • Vorzugsweise umfasst das Bestimmen der Impulsparameter das Bestimmen einer Zeitgebung des Impulses relativ zu einer Herzaktivität.
  • Vorzugsweise ist die Herzaktivität eine lokale Aktivierung.
  • Vorzugsweise umfasst das Bestimmen einer Zeitgebung das Bestimmen einer Zeitgebung, die kein Flimmern in dem Herzen induziert.
  • Vorzugsweise umfasst das Bestimmen einer Zeitgebung das Bestimmen einer Zeitgebung, die keine Arrhythmie in dem Herzen induziert.
  • Vorzugsweise umfasst das Bestimmen einer Zeitgebung das Bestimmen der Zeitgebung anhand einer Karte eines Aktivierungsprofils des Herzens.
  • Vorzugsweise umfasst das Bestimmen einer Zeitgebung das Berechnen einer Verzögerungszeit relativ zu einer gefühlten Aktivierung.
  • Vorzugsweise umfasst das Steuern des Herzens das Ändern der Kontraktionsfähigkeit des Herzens.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ferner ein Verfahren zum Bestimmen einer optimalen Anordnung von wenigstens zwei einzelnen Elektroden zum Steuern eines Herzens unter Verwendung nicht-erregender elektrischer Felder geschaffen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
    Bestimmen eines Aktivierungsprofils wenigstens eines Abschnitts des Herzens; und
    Bestimmen einer optimalen Anordnung der Elektroden in dem Abschnitt anhand des Aktivierungsprofils.
  • Vorzugsweise enthält das Verfahren das Bestimmen eines optimalen Orts für einen Aktivierungssensor relativ zu der Anordnung der Elektroden.
  • Vorzugsweise umfasst das Steuern das Ändern der Kontraktionsfähigkeit.
  • Vorzugsweise umfasst das Steuern das Erzeugen lang gestreckter nicht leitender Segmente in dem Herzen.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ferner ein Verfahren zum Bestimmen eines Zeitgebungsparameters für einen nicht-erregenden, wiederholbar angelegten Impuls für ein Herz geschaffen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
    Anlegen eines nicht-erregenden Impulses unter Verwendung einer ersten Verzögerung;
    Bestimmen, ob der Impuls ein abnormales Aktivierungsprofil in dem Herzen induziert; und
    Wiederholen des Anlegens eines nicht-erregenden Impulses unter Verwendung einer zweiten Verzögerung, die kürzer als die erste ist, falls der Impuls keine abnormale Aktivierung in dem Herzen induziert hat.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ferner ein Verfahren zum Bestimmen eines Zeitgebungsparameters für einen nicht-erregenden, wiederholbar angelegten Impuls für ein Herz geschaffen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
    Anlegen eines nicht-erregenden Impulses unter Verwendung einer ersten Verzögerung;
    Bestimmen, ob der Impuls ein abnormales Aktivierungsprofil in dem Herzen induziert; und
    Wiederholen des Anlegens eines nicht-erregenden Impulses unter Verwendung einer zweiten Verzögerung, die länger als die erste ist, falls der Impuls keine abnormale Aktivierung in dem Herzen induziert hat.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ferner ein Verfahren zum Programmieren einer programmierbaren Steuereinheit für ein Herz geschaffen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
    Steuern des Herzens unter Verwendung mehrerer nicht-erregender Sequenzen des elektrischen Felds;
    Bestimmen einer Reaktion des Herzens auf jede der Sequenzen; und
    Programmieren der Steuereinheit in Reaktion auf die Reaktion des Herzens auf die nicht-erregenden Sequenzen.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ferner ein Verfahren zum Steuern eines epileptischen Anfalls geschaffen, wobei das Verfahren ferner umfasst:
    Erfassen eines epileptischen Anfalls im Gehirngewebe; und
    Anlegen eines nicht-erregenden elektrischen Felds an das Gehirngewebe, um die Leitung eines Signals in dem Gewebe zu schwächen.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ferner ein Verfahren zum Steuern von Nervensignalen in peripheren Nerven geschaffen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
    Auswählen eines Nervs; und
    Anlegen eines nicht-erregenden elektrischen Felds an den Nerv zum Schwächen der Leitung der Nervensignale in dem Nerv.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ferner ein Verfahren zum Steuern eines Herzens mit einer Kammer geschaffen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
    Anlegen eines nicht-erregenden elektrischen Felds an einen ersten Abschnitt einer Kammer, so dass eine Kontraktionskraft des ersten Abschnitts verringert wird; und
    Anlegen eines nicht-erregenden elektrischen Felds an einen zweiten Abschnitt einer Kammer, so dass eine Kontraktionskraft des zweiten Abschnitts erhöht wird.
  • Alternativ oder zusätzlich ist die Verzögerung wenigstens 0,5 oder 1 ms, optional 3 ms, optional 7 ms oder ebenfalls optional 30 ms.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ferner ein Verfahren zum Steuern des Herzens geschaffen, das das Bestimmen eines gewünschten Bereichs von Werten für wenigstens einen Parameter der Herzaktivität und das Steuern wenigstens einer lokalen Kontraktionsfähigkeit und einer lokalen Leitungsgeschwindigkeit in dem Herzen umfasst, um den Parameter innerhalb des gewünschten Bereichs zu halten.
  • Vorzugsweise reagiert der Parameter auf die Steuerung mit einer Zeitkonstanten von weniger als 10 Minuten, während der Parameter alternativ auf die Steuerung mit einer Zeitkonstanten von zwischen 10 Minuten und 6 Stunden, alternativ mit einer Zeitkonstanten von zwischen 6 Stunden und einem Tag, alternativ mit einer Zeitkonstanten von zwischen einem Tag und einer Woche, alternativ mit einer Zeitkonstanten von zwischen einer Woche und einem Monat und alternativ mit einer Zeitkonstanten von mehr als einem Monat reagiert.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird außerdem ein Verfahren zum Steuern des Herzens geschaffen, das das Bestimmen eines gewünschten Bereichs von Werten für wenigstens einen Parameter der Herzaktivität, das Steuern wenigstens eines Abschnitts des Herzens unter Verwendung eines nicht-erregenden elektrischen Felds mit wenigstens einer Kenngröße, das Halten des Parameters innerhalb des gewünschten Bereichs und das Ändern der wenigstens einen Kenngröße in Reaktion auf eine Verringerung in einer Reaktion des Herzens auf das elektrische Feld umfasst. Vorzugsweise ist die Kenngröße die Stärke des elektrischen Felds. Alternativ oder zusätzlich ist die Kenngröße eines oder mehreres der Dauer des elektrischen Felds, seiner Zeitgebung, seiner Signalform und seiner Frequenz.
  • In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält die Vorrichtung einen Sensor, der einen Parameter der Herzaktivität misst, und eine Steuereinheit, die die Elektrisierung der Elektroden steuert, um den Parameter innerhalb eines Bereichs von Werten zu halten. Vorzugsweise enthält die Vorrichtung einen Speicher, der eine Karte der elektrischen Aktivität in dem Herzen speichert, wobei die Steuereinheit die Karte zur Bestimmung einer gewünschten Elektrisierung verwendet. Alternativ oder zusätzlich enthält die Vorrichtung einen Speicher, der ein Modell der elektrischen Aktivität in dem Herzen speichert, wobei die Steuereinheit das Modell zum Bestimmen einer gewünschten Elektrisierung verwendet.
  • Außerdem wird in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein Verfahren zum Steuern eines epileptischen Anfalls geschaffen, wobei das Verfahren das Erfassen eines epileptischen Anfalls im Gehirngewebe und das Anlegen eines nicht-erregenden elektrischen Felds an das Gehirngewebe zum Schwächen der Leitung eines Signals in dem Gewebe umfasst.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
  • Die vorliegende Erfindung wird deutlicher verständlich aus der detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen und aus der beigefügten Zeichnung, in der:
  • 1A ein schematischer Graph eines typischen Herzmuskel-Aktionspotentials ist;
  • 1B ein schematisches Modell einer Herzmuskelzelle in einem elektrischen Feld ist;
  • 2 ein schematisches Diagramm eines Herzens mit Segmenten ist, die in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gesteuert werden;
  • 3 ein schematisches Diagramm eines Segments des rechten Atriumgewebes mit mehreren Leitungswegen ist, das die Verwendung von Zäunen in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
  • 4A ein schematisches Diagramm einer mit einem Segment des Herzmuskels verbundenen elektrischen Steuereinheit in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist;
  • 4B ein schematisches Diagramm einer mit einem Segment des Herzmuskels verbundenen elektrischen Steuereinheit in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist;
  • 5 ein schematisches Diagramm eines experimentellen Aufbaus ist, der für Tests der Ausführbarkeit einiger Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
  • 6A–6C Graphen sind, die die Ergebnisse verschiedener Experimente zeigen;
  • 7A ein Graph ist, der Ergebnisse von Experimenten an einem isolierten Segment von Herzmuskelfasern zusammenfasst und die Wirkung einer Verzögerung beim Anlegen eines Impulses in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung auf die Erhöhung der Kontraktionskraft zusammenfasst;
  • 7B ein Graph ist, der Ergebnisse von Experimenten an einem isolierten Segment von Herzmuskelfasern zusammenfasst und die Wirkung einer Dauer des Impulses auf die Erhöhung der Kontraktionskraft zeigt;
  • 7C ein Graph ist, der die Ergebnisse von Experimenten an einem isolierten Segment von Herzmuskelfasern zusammenfasst und die Wirkung einer Stromstärke des Impulses auf die Zunahme der Kontraktionskraft zeigt;
  • 8A ein Graph ist, der die Wirkung eines Steuerstroms auf eine Herzfrequenz in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
  • 8B eine Reihe von Graphen ist, die die Wiederholbarkeit der zunehmenden Kontraktionsfähigkeit in verschiedenen Herzmuskeltypen in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
  • 9–18B jeweils eine Reihe von Graphen sind, die experimentelle Ergebnisse aus Experimenten zeigen, in denen ein isoliertes Hasenherz in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gesteuert wurde; und
  • 19-23 jeweils eine Reihe von Graphen sind, die experimentelle Ergebnisse aus Experimenten zeigen, in denen ein Hasenherz im lebenden Organismus in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gesteuert wurde.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf das Steuern und/oder Modulieren der Kontraktionsfähigkeit eines Herzmuskelsegments und/oder der Dauer des Plateaus eines Aktionspotentials des Herzmuskelsegments durch Anlegen eines elektrischen Felds oder Stroms über das Segment. Die Begriffe Spannung, elektrisches Feld und Strom werden hier austauschbar zur Bezugnahme auf den Akt des Zuführens eines nicht-erregenden Signals zum Steuern der Herzaktivität verwendet. Das tatsächliche Verfahren des Anlegens des Signals wird weiter unten detaillierter beschrieben.
  • 1B zeigt ein schematisches Modell, das eine mögliche Erläuterung für die Beziehung zwischen einer angelegten Spannung und einer resultierenden Dauer des Plateaus veranschaulicht. Eine Zelle 20 mit einer Membran 26, die von einem extrazellulären Fluid 28 umgeben ist, befindet sich in einem elektrischen Feld, das durch eine Elektrode 22 und durch eine Elektrode 24 erzeugt wird. Die Zelle 20 besitzt ein inneres Potential von –40 mV über die Membran 26, die Elektrode 22 besitzt ein Potential von 40 mV und die Elektrode 24 ist (gegenüber dem Rest des Körpers) geerdet. Während des Aktionspotentialplateaus treten Calciumionen über verschiedene Membranproteine in die Zelle ein, während Kaliumionen sie über verschiedene Membranproteine verlassen. In diesem Modell erhöht das durch die Spannung an den Elektroden verursachte äußere elektrische Feld das Potential des extrazellulären Fluids 28. Dies verringert die Bewegung der Kaliumionen aus dem Innern der Zelle 20 nach außen und/oder zwingt die Calciumionen in die Zelle 20, indem entweder das Membranpotential und somit die elektrochemische Antriebskraft der Ionen von beiden Seiten der Membran geändert wird oder indem die Anzahl Ionenkanäle, die geöffnet oder geschlossen werden, geändert wird.
  • In einem zusätzlichen oder alternativen Modell veranlasst das durch die Elektroden 22 und 24 erzeugte elektrische Feld einen Ionenfluss zwischen ihnen. Dieser Fluss wird hauptsächlich durch Chlor- und Kaliumionen befördert, da dies die Ionen sind, für die die Membran 26 durchlässig ist, wobei aber Calciumionen ebenfalls beeinflusst werden können. In diesem Modell werden Calciumionen durch den Strom in die Zelle 20 gezogen, während Kaliumionen entfernt werden. Alternativ oder zusätzlich werden anstelle der Kaliumionen Natriumionen entfernt. Auf jeden Fall erhöhen die zusätzlichen Calciumionen in der Zelle die Kontraktionsfähigkeit der Zelle 20 und es wird angenommen, dass sie die Dauer des Plateaus verlängern.
  • Ein anderes zusätzliches oder alternatives Modell ist, dass das elektrische Feld und/oder der Ionenstrom das Öffnen und Schließen spannungsgesteuerter Kanäle (Natrium, Kalium und Natrium-Calcium) beeinflussen. Ferner kann das Feld den Betrieb von Ionenpumpen beeinflussen. Ein möglicher Mechanismus für diese Wirkung ist, dass das angelegte elektrische Feld lokale "sensitive Stellen" mit hohen elektrischen Feldern in der Zellmembran erzeugt, wobei die sensitiven Stellen das Öffnen und Schließen der Ionenkanäle und/oder -pumpen beeinflussen können. Da die Erzeugung der sensitiven Stellen allgemein asymmetrisch in Bezug auf die Zelle ist und da die Kanäle selbst ein asymmetrisches Verhalten in Bezug auf die angelegten Felder haben, können an einem Ende der Zelle mehr Kanäle als an dem anderen geöffnet werden. Falls sich z. B. an dem negativen Ende der Zelle mehr Kanäle als an dem positiven Ende der Zelle öffnen, ist der Zufluss der Calciumionen größer als der Abfluss dieser Ionen.
  • In Übereinstimmung mit einem abermals anderen Modell erhöht das Steuern des elektrischen Felds die Konzentration des Calciums in intrazellulären Speichern, wobei die erhöhte Konzentration während der Kontraktion eine erhöhte und/oder schnellere Zufuhr von Calcium veranlassen kann, was die Kontraktionskraft erhöht. Alternativ oder zusätzlich kann das elektrische Steuerfeld direkt die Rate beeinflussen, mit der Calcium während der Kontraktion der Zelle aus dem intrazellulären Speicher verfügbar gemacht wird. Außerdem ist es möglich, dass das elektrische Steuerfeld die Wirksamkeit des Zuflusses von Calcium direkt erhöht, was eine Zunahme der Verfügbarkeit des Calciums aus den intrazellulären Speichern veranlasst. Es wird angemerkt, dass es in einigen physiologischen Modellen der Myozytkontraktion eher die Rate des Calciumflusses als die Gesamtmenge des Calciums ist, die die Kontraktionsfähigkeit bestimmt.
  • Verschiedene Typen von Ionenkanälen und -pumpen haben verschiedene Betriebsgrößen. Diese Kenngrößen enthalten Durchflussmengen, Öffnungs- und Schließraten, Auslösespannungspegel, Ansaugen und Abhängigkeit von anderen Ionen für den Betrieb. Somit ist es möglich, durch Anlegen einer besonderen Stärke des elektrischen Felds einen besonderen Ionenkanaltyp zu wählen, wobei die Stärke ebenfalls davon, ob die Kanäle in diesem Moment geöffnet oder geschlossen sind, d. h. von der Depolarisations/Repolarisations-Phase der Zelle, abhängt. Da die Aktivität von erregbaren Geweben durch ihr transmembranöses Potential und durch die Konzentration verschiedener Typen von Ionen innerhalb und außerhalb der Zelle gut bestimmt ist, können dadurch, dass die Ionenkanäle auf diese Weise gesteuert werden, verschiedene Attribute der Zellaktivität gesteuert werden.
  • Ein anderes Modell ist, dass das Anlegen eines nicht-erregenden elektrischen Felds in dem behandelten Abschnitt des Herzens die Freisetzung von Katecholaminen (aus den Nervenenden) induziert. Eine andere Möglichkeit ist, dass das angelegte Feld die Absorption vorhandener Katecholamine durch die Zelle erleichtert.
  • Ein anderes Modell, das "Rekrutierungs"-Modell, stellt die Hypothese auf, dass der nicht-erregende Impuls Herzmuskelfasern rekrutiert, die ansonsten durch das Aktivierungssignal nicht stimuliert werden. Der nicht-erregende Impuls kann dadurch arbeiten, dass er ihren Depolarisationsschwellenwert absenkt oder ein Aktivierungssignal mit höherer Stärke als normal zuführt. Allerdings ist allgemein akzeptiert, dass Herzmuskelfasern als ein Synzytium arbeiten, so dass jede Zelle in jedem Schlag kontrahiert. Siehe z. B. "Excitation Contraction Coupling and Cardiac Contractile Force" von Donald M. Bers, Kapitel 2, Seite 17, Kluwer Academic 1991.
  • Höchstwahrscheinlich können eines oder mehrere dieser Modelle verwendet werden, um die Aktivität der Zelle 20 während verschiedener Teile des Aktivierungszyklus zu erläutern. Allerdings können mehrere bedeutende Effekte einschließlich der Erhöhung der Kontraktionsfähigkeit, der Änderung der Selbstaktivierungsrate, der Umgruppierung der Repolarisation, der Verlängerung der Dauer des Plateaus, der Hyperpolarisation der Zellen, der Änderung des Membranpotentials, der Änderung der Leitungsgeschwindigkeit und der Inaktivierung der Zellen unter Verwendung elektrischer Felder ausgeführt werden, ohne zu wissen, welches Modell, falls überhaupt, richtig ist.
  • Wie klar ist, kann die Richtung des elektrischen Felds wichtig sein. Zunächst ist die Leitung in Herzzellen sehr anisotrop. Zweitens ist die Verteilung lokaler Unregelmäßigkeiten in der Zellmembran nicht gleich, sondern sind Irregularitäten eher an den Enden der Zelle häufiger; außerdem ist üblicherweise ein Zellenende unregelmäßiger als das andere Zellenende. Diese Unregelmäßigkeiten können die Erzeugung lokaler hoher elektrischer Felder bestimmen, die die Ionenkanäle beeinflussen könnten. Drittens sind einige Herzstrukturen wie etwa Papillarmuskeln besser daran angepasst, ein Aktivierungssignal in einer Richtung als in einer entgegengesetzten Richtung zu leiten. Viertens gibt es rhythmische Depolarisationssignale, die in dem natürlichen Leitungssystem des Herzens entstehen und die durch die Depolarisation und Repolarisation des Herzmuskelgewebes selbst verursacht werden. Diese Signale können ein von außen angelegtes elektrisches Feld stören.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es der Zweck eines besonderen elektrischen Felds, einen Ionenstrom einzuführen, der zu einem Ionenstrom, der durch das durch die rhythmische Depolarisation des Herzens verursachte Spannungspotential induziert wird, entgegengesetzt ist. Zum Beispiel ist die Dauer des Aktionspotentialplateaus in Herzmuskelzellen weiter vom frühesten Aktivierungsort typisch kürzer als die Dauer in jenen Zellen in der Nähe des frühesten Aktivierungsorts. Diese Verkürzung kann sich aus verschiedenen lokalen Ionenströmen, die durch die Depolarisation und Repolarisation des Herzens und/oder durch verschiedene kinetische Verhaltensweisen des Ionenstroms an diesen Orten verursacht werden, ergeben. Diese Ionenströme können durch Anlegen eines elektrischen Felds mit einer gleichen Amplitude und entgegengesetzten Richtung zu dem durch die rhythmische Depolarisation erzeugten Feld negiert werden.
  • 2 zeigt ein Herz 30, das unter Verwendung einer elektrischen Steuereinheit 32 gesteuert wird. Ein Segment 38 des rechten Atriums ist ein gesteuertes Segment. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Gehäuse der Steuereinheit 32 eine Elektrode und eine Elektrode 36 eine zweite Elektrode zum Anlegen eines elektrischen Felds an das Segment 38. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird anstelle des Gehäuses der Steuereinheit 32 eine zweite Elektrode 34 verwendet. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Körper der Steuereinheit 32 geerdet, so dass sowohl die Elektrode 34 als auch die Elektrode 36 relativ zum Rest des Herzens positiv oder negativ sein können. In einer anderen Ausführungsform ist die Elektrode 34 nicht direkt mit dem Herzen 30 verbunden, sondern schwebt die Elektrode 34 eher innerhalb des Herzens. In dieser Ausführungsform ist die Elektrode 34 vorzugsweise die Stromaufnahmeelektrode. Für Veranschaulichungszwecke ist die Steuereinheit 32 mit einer Leistungsversorgung 31, mit Zuleitungen 29A und 29B, die die Steuereinheit mit den Elektroden verbinden, und mit einem Mikroprozessor 33, der die Elektrisierung der Elektroden steuert, gezeigt.
  • In einer ebenfalls in 2 gezeigten alternativen Ausführungsform wird das elektrische Feld eher entlang der Herzwand als über sie angelegt. Wie gezeigt ist, wird ein Segment 35 des linken Ventrikels durch zwei Elektroden 37 gesteuert, die durch eine Steuereinheit 39 betrieben werden. Die Elektroden 37 können an der Oberfläche des Herzens 30 angeordnet sein oder die Elektroden 37 können alternativ in den Herzmuskel eingeführt sein. Ferner können die Elektroden alternativ in Blutgefäßen oder in anderen Körpergeweben außerhalb des Herzens angeordnet sein, sofern das Elektrisieren der Elektroden wenigstens für einen Abschnitt des Herzens ein Feld oder einen Strom liefert. Es wird angemerkt, dass es zwischen aufeinander folgenden Herzschlägen im Wesentlichen keine Änderung der Position des Herzens gibt, da die Steuerung mit dem Herzzyklus synchronisiert ist, selbst wenn die Elektroden außerhalb des Herzens sind, so dass im Wesentlichen in jedem Herzzyklus der gleiche Abschnitt des Herzens beeinflusst wird, selbst wenn die Elektroden nicht mechanisch mit dem Herzen gekoppelt sind.
  • In einer anderen alternativen Ausführungsform der Erfindung wird zur Steuerung des Segments 35 mehr als ein Elektrodenpaar verwendet. In einer solchen Ausführungsform kann jedes Elektrodenpaar anders in Bezug auf das Segment 35 angeordnet sein, wobei z. B. ein Elektrodenpaar an dem Epikard angeordnet sein kann und ein zweites Paar innerhalb des Myokard angeordnet sein kann.
  • Es ist klar, dass ein zwischen den Elektroden induzierter Strom über eine Zeitperiode eine elektrolytische Ablagerung an den Elektroden veranlassen kann und/oder nachteilige physiologische Reaktionen in dem Gewebe veranlassen kann. Um diesem Effekt entgegenzuwirken, ist das elektrische Feld in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein elektrisches Wechselfeld. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Richtung des Felds mit einer verhältnismäßig niedrigen Frequenz geschaltet, die kleiner oder gleich der Herzzyklusrate ist. Vorzugsweise wird die Phase während einer besonderen Phase des Herzzyklus, z. B. während der Diastole, umgekehrt. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besitzt das elektrische Feld eine Frequenz, die erheblich höher als die Herzzyklusfrequenz ist.
  • Wenn schnelle Natriumkanäle inaktiviert sind, erfordern sie eine bestimmte Zeitdauer auf einem negativen Potential, damit sie zur Aktivierung bereit werden. Dies ist z. B. in "Ionic Channels of Excitable Membranes", Bertil Hille, Kapitel 2, S. 40–45, Sinaur Associates, Inc., beschrieben, dessen Offenbarung hier durch Literaturhinweis eingefügt ist. Da die meisten Natriumkanäle beim Einsetzen der Depolarisation nicht sofort aktiviert werden, kann das Anlegen einer Spannung mit einer ausreichend hohen Frequenz die wenigen Kanäle öffnen, die schnell auf Potentialländerungen reagieren, während die meisten der Kanäle inaktiviert werden und die Inaktivierungsphase nicht verlassen. Somit können bestimmte Ionenkanäle geschlossen gehalten werden, selbst wenn die Durchschnittsspannung null ist, falls die Frequenz des Felds hoch genug ist, mit dem Ergebnis, dass das stimulierte Gewebe nicht-erregend ist.
  • In Übereinstimmung mit einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird zum Steuern des Herzens ein Wechselfeld einem Gleichfeld überlagert. Zum Beispiel kann ein Wechselfeld mit einer Amplitude von 20 % derjenigen des Gleichfelds und mit einer Frequenz von 1 kHz verwendet werden. Ein solches Wechsel/Gleich-Steuerfeld besitzt den Vorteil, dass die Änderung des angelegten Felds höher ist, so dass irgendwelche Reaktionen (von Seiten der Muskelzelle) auf Änderungen in dem Feld ebenso wie irgendwelche Reaktionen auf die Stärke des Felds erleichtert werden. Das Wechselfeld ist ein kombiniertes Wechsel/Gleich-Feld oder kann in einem reinen Wechselfeld eine zeitliche Sägezahnform, Sinusform oder andere Form wie etwa eine Exponential- oder Rechteckschwingungsimpulsform haben.
  • In einem Gleichfeld ist die zeitliche Form des Felds vorzugsweise die eines Impulses mit konstanter Amplitude. Allerdings kann in einer anderen Ausführungsform der Erfindung eine Dreieckimpulsform, eine Exponentialimpulsform, eine rampenförmige (zunehmende oder abnehmende) Impulsform und/oder eine zweiphasige Impulsform verwendet werden.
  • Sowohl ein Wechsel- als auch ein Gleichfeld kann unipolar oder bipolar sein. Die Begriffe Wechsel- und Gleich-, wie sie hier zur Beschreibung des elektrischen Felds verwendet werden, beziehen sich auf die Anzahl der Zyklen in einem Impuls. Ein Gleichfeld besitzt höchstens einen Zyklus, während ein Wechselfeld viele Zyklen umfassen kann. In anderen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung kann ein Impulszug angelegt werden, wobei jeder Zug ein Wechsel- oder Gleichzug ist.
  • Es können verschiedene Typen von Ionenelektroden wie etwa Ag-AgCl-Elektroden, Platinelektroden, Titanelektroden mit Beschichtungen wie etwa Nitriden und Karbiden, beschichtete Tantalelektroden, Pyrokohlenstoffelektroden oder Kohlenstoffelektroden verwendet werden. Diese Elektroden verringern allgemein den Betrag der elektrochemischen Abscheidung. Die Elektroden können quadratisch, rechteckig oder von irgendeiner anderen geeigneten Form sein und durch Schrauben der Elektrode in das Myokard oder durch Klemmen oder durch andere Befestigungsverfahren befestigt werden.
  • Es gibt zwei bevorzugte Verfahren, um ein elektrisches Feld an ein Segment des Herzens zu liefern. In einem ersten Verfahren wird durch das Segment des Herzens, das gesteuert werden soll, ein Strom getrieben. Vorzugsweise ist der Strom ein konstanter Gleichstrom. Allerdings kann auch ein Wechselstrom, wie er oben beschrieben wurde, verwendet werden. In einem zweiten Verfahren wird ein elektrisches Feld über das Herz angelegt (und relativ zu der Signalform auf einer konstanten Stärke gehalten). Allgemein ist das Anlegen eines elektrischen Felds leichter und erfordert weniger Leistung als das Induzieren eines Stroms.
  • Die Zeitgebung des Anlegens des elektrischen Felds (oder Stroms) relativ zu der lokalen Aktivität im Segment 38 und relativ zu dem gesamten Herzzyklus ist wichtig. Im Allgemeinen kann das Anlegen des Felds mit der lokalen Aktivierungszeit synchronisiert sein, falls ein lokaler Effekt wie etwa das Erhöhen der lokalen Kontraktionsfähigkeit und/oder der Dauer des Plateaus erwünscht ist. Falls ein globaler Effekt erwünscht ist, kann das Anlegen des Felds mit dem Herzzyklus synchronisiert sein. Zum Beispiel kann durch Hyperpolarisation der Zellen synchron mit dem Herzzyklus ihr Erregbarkeitsfenster zeitlich abgestimmt werden, so dass, wie später detailliert beschrieben wird, bestimmte Arrhythmien verhindert werden. Außerdem kann das Anlegen des Felds in Übereinstimmung mit einem Modell dessen, wie das Herz aktiviert werden sollte, synchronisiert sein, um das Aktivierungsprofil des Herzens zu ändern. Um z. B. die Abgabe des Herzens zu erhöhen, können Leitungsgeschwindigkeiten und/oder Leitungswege in der Weise gesteuert werden, dass das Herz in einer Sequenz kontrahiert, die für optimaler als eine natürliche Sequenz gehalten wird. Insbesondere kann durch Steuern der Leitungsgeschwindigkeit in dem AV-Knoten und/oder in dem linken und in dem rechten Zweig das AV-Intervall erhöht oder verringert werden. Allerdings ist klar, dass die Differenz der Aktivierungszeiten zwischen verschiedenen Teilen des Herzens, insbesondere in der gleichen Kammer des Herzens, üblicherweise recht klein ist. Zum Beispiel beträgt die Ausbreitungszeit eines Aktivierungssignals im linken Ventrikel etwa zwischen 15 und 50 ms. Falls die Steuerfunktion auch dann erreicht werden kann, wenn die Zeitgebung des Anlegens des Steuerfelds lokal um 5 oder 10 ms versetzt ist, kann die Steuerfunktion unter Verwendung eines einzelnen Steuerelektrodenpaars erreicht werden.
  • Obgleich es üblicherweise am einfachsten ist, die lokale Aktivierung unter Verwendung einer gemessenen elektrischen Aktivierungszeit zu bestimmen, ist klar, dass die lokale Aktivierung eines Gewebesegments anhand von Änderungen der mechanischen Aktivität, Änderungen der Position, der Bewegungsgeschwindigkeit, der Beschleunigung und sogar der transmembranösen Potentiale bestimmt werden kann. Da die Verzögerung zwischen elektrischer Aktivierung und mechanischer Aktivierung in erkranktem Gewebe ferner länger als in gesundem Gewebe sein kann, ist die Zeitgebung des Anlegens des Felds vorzugsweise relativ zur mechanischen Aktivierung des Muskels.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Zeitgebung des Felds relativ zu den tatsächlichen transmembranösen Potentialen in den Segmenten und nicht zu jenen, die aus dem Elektrogramm und/oder aus der Mechanik geschätzt werden können. Somit kann der Beginn des Felds zeitlich auf das Einsetzen des Plateaus abgestimmt werden, um die Kontraktionsfähigkeit zu erhöhen. Alternativ kann das Anlegen des Felds auf spezifische transmembranöse Spannungspegel zeitlich abgestimmt werden. Ferner können die Stärke und/oder andere Parameter des Felds vorzugsweise in Reaktion auf die tatsächlichen transmembranösen Potentiale und Ionenkonzentrationen bestimmt werden, die in Zellen des Segments erreicht werden. Eine Möglichkeit zur Bestimmung der tatsächlichen Spannungspegel ist es, in die Zelle einen spannungsempfindlichen Farbstoff zu injizieren und ihn unter Verwendung eines optischen Sensors zu überwachen, wie es etwa im Gebiet in experimentellen Einstellungen bekannt ist. Eine Möglichkeit der Überwachung sowohl intrazellulärer als auch extrazellulärer Ionenkonzentrationen ist die unter Verwendung konzentrationsempfindlicher Farbstoffe.
  • Falls ein elektrisches Feld angelegt wird, bevor das Aktivierungssignal das Segment 38 erreicht, kann das elektrische Feld verwendet werden, um die Empfindlichkeit des Segments 38 für das Aktivierungssignal zu verringern. Ein Verfahren zum Erzeugen dieser Wirkung ist es, ein großes elektrisches Feld mit entgegengesetzter Richtung zu der des Aktivierungssignals und synchronisiert zu ihm anzulegen. Dieses Feld verringert die Amplitude des Aktivierungssignals, so dass es kein Herzgewebe erregen kann. Ein anderes Verfahren ist es, ein starkes positives Potential an das Segment 38 anzulegen, bevor es ein Aktivierungssignal erreicht, so dass das Segment 38 hyperpolarisiert und nicht empfindlich für das Aktivierungssignal ist. Das Entfernen des elektrischen Felds kehrt diese Wirkung nicht sofort um. Das Segment 38 bleibt für eine kurze Zeitperiode unempfindlich, während für eine weitere Zeitperiode die Leitungsgeschwindigkeit im Segment 38 verringert ist. In einigen Fällen veranlasst das Entfernen des elektrischen Felds aber, dass ein Aktionspotential auftritt. Dieses Aktionspotential kann zeitlich so abgestimmt werden, dass es während einer sicheren Periode in Bezug auf das Aktivierungsprofil des Herzens auftritt, so dass dieses Signal nicht in andere Teile des Herzens ausgebreitet wird, falls das Segment ein Aktivierungssignal erzeugt. In einigen Fällen kann das Anlegen des Felds eher das Reaktionsvermögen der Zellen auf das elektrische Potential bewirken und in anderen die Refraktärperiode verlängern. Es wird angemerkt, dass ein kurz nach der Aktivierung angelegtes elektrisches Feld außer dem Erhöhen der Kontraktionskraft ebenfalls die Refraktärperiode verlängern kann.
  • Es wird angemerkt, dass, da der Herzzyklus im Wesentlichen berichtet wird, eine Verzögerung vor der Aktivierungszeit und eine Verzögerung nach der Aktivierungszeit beide unter Verwendung eines Systems verkörpert werden können, das nach der Aktivierungszeit verzögert. Zum Beispiel kann ein Feld, das 20 ms vor der Aktivierungszeit angelegt werden sollte, (unter der Annahme, dass die Zykluslänge 700 ms ist) stattdessen 680 ms danach angelegt werden.
  • Insbesondere dort, wo die Leitungsgeschwindigkeit im Ergebnis einer Gewebeschädigung niedrig ist, können andere Anlegungen elektrischer Felder die Leitungsgeschwindigkeit erhöhen. Ein anderes Verfahren der Steuerung der Leitung ist es, ein elektrisches Feld ähnlich wie das zur Defibrillation verwendete anzulegen. Wenn diese Art elektrisches Feld während der Repolarisationsperiode der Zellen angelegt wird, verzögert es die Repolarisation. Während dieser verzögerten/verlängerten Repolarisation sind die Zellen nicht-erregbar. Es ist klar, dass das Herz selbst durch das elektrische Feld nicht defibrilliert wird, falls dieses "Defibrillationsfeld" unter Verwendung der hier beschriebenen Techniken (klein, lokal und mit einer lokalen Aktivierungszeit synchronisiert) angelegt wird. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein lokal defibrillierter Abschnitt des Herzens durch Zäune vom Rest des Herzens isoliert.
  • 3 beleuchtet eine Verwendung der Verlängerung der Refraktärperioden von Herzgewebe. Das Segment 40 ist ein Abschnitt eines rechten Atriums. Normalerweise breitet sich ein Aktivierungssignal von einem SA-Knoten 42 zu einem AV-Knoten 44 aus. Zwischen dem SA-Knoten 42 und dem AV-Knoten 44 kann es mehrere mit 46A–46D gekennzeichnete konkurrierende Wege geben, wobei aber in gesundem Gewebe nur ein Signal den AV-Knoten 44 innerhalb seines Erregbarkeitsfensters erreicht. In erkranktem Gewebe können mehrere Signale, die auf verschiedenen Wegen gelaufen sind, obgleich sie von dem gleichen Aktionspotential in dem SA-Knoten ausgingen, den AV-Knoten 44 nacheinander erregen. Ferner kann in einem Vorhofflimmern das gesamte rechte Atrium willkürliche Signale haben, die durch es laufen. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden elektrische Felder an mehrere Gebiete angelegt, die als "Zäune" 48A und 48B wirken. Diese Zäune sind während einer besonderen vorgegebenen kritischen Zeit, die von der Aktivierungszeit der elektrischen Felder abhängt, für Aktivierungssignale nicht leitend. Somit ist das Aktivierungssignal zwischen dem SA-Knoten 42 und dem AV-Knoten 44 eingezäunt. Es ist bekannt, einen Eingriff mit einer ähnlichen Wirkung (die "Labyrinth"-Prozedur) auszuführen, wobei aber in dem Eingriff viele Abschnitte des rechten Atriums abgetragen werden müssen, um dauerhaft isolierende Gebiete (Zäune) zu erzeugen. In der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung können wenigstens Abschnitte der Zäune 48A und 48B deaktiviert werden, nachdem das Aktivierungssignal vorbei ist, so dass das Atrium richtig kontrahieren kann.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Zaun unter Verwendung einer linearen Anordnung von Bipolarelektroden angelegt. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Zaun unter Verwendung zweier (leicht) voneinander beabstandeter lang gestreckter Drahtelektroden entgegengesetzter Polarität angelegt. Vorzugsweise sind Abschnitte der Drahtelektroden isoliert, wie etwa 0,5 cm lange Segmente, die isoliert sind, während 0,5 cm lange Segmente freiliegen.
  • Eine nochmals andere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung bezieht sich auf die Behandlung des Kammerflimmerns (VF). Im VF wird ein Ventrikel durch mehr als ein Aktivierungssignal aktiviert, die den Ventrikel nicht auf richtige Weise aktivieren. Eher wird jedes Segment des Ventrikels willkürlich asynchron zu den anderen Segmenten des Ventrikels und asynchron zu dem Herzzyklus aktiviert. Im Ergebnis wird keine Pumpaktion erreicht. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden in dem betroffenen Ventrikel mehrere elektrische Zäune angelegt, um das Flimmern zu dämpfen. Im Allgemeinen kann durch Ändern des Fensters, während dessen Segmente des Ventrikels für die Aktivierung empfindlich sind, ein Flimmern, das ein Aktivierungssignal verursacht, blockiert werden, ohne dass die natürliche Kontraktion des Ventrikels beeinflusst wird. In einer Ausführungsform der Erfindung werden die Zäune verwendet, um die Aktivierungssignale entlang richtiger Wege, z. B. entlang Längswegen, zu kanalisieren. Somit können sich die Aktivierungssignale nicht in Querrichtung bewegen, wobei Queraktivierungssignale schnell und harmlos verschwinden. Gesunde Aktivierungssignale von dem AV-Knoten werden durch die Zäune nicht nachteilig beeinflusst. Alternativ oder zusätzlich werden synchron mit dem Aktivierungssignal von dem AV-Knoten Zäune erzeugt, so dass Aktivierungssignale, die ein Flimmern verursachen, blockiert werden. Ferner werden alternativ durch Anlegen eines positiven Potentials an jene Segmente, die als empfindlich für das Flimmern angesehen werden, ganze Segmente des Ventrikels für die Aktivierungssignale desensibilisiert.
  • Die Unterteilung des Herzens in isolierte Segmente unter Verwendung von Zäunen ist nützlich zur Behandlung vieler Typen von Arrhythmien. Der Begriff isoliert wird hier in der Bedeutung verwendet, dass die Leitung des Aktivierungssignals durch Deaktivieren von Abschnitten des Herzleitungssystems blockiert oder verlangsamt oder auf andere Weise stark verringert ist. Zum Beispiel sind viele Typen ventrikulärer Tachykardien (VT) und vorzeitiger Schläge im Herzen durch lokale Gewebesegmente verursacht, die ein Stimulationssignal erzeugen. Diese Segmente können von anderen Segmenten des Herzens isoliert werden, so dass nur ein kleines, lokales Segment durch die unregelmäßige Stimulation beeinflusst wird. Alternativ können diese erkrankten Segmente unter Verwendung eines elektrischen Felds desensibilisiert werden, so dass sie überhaupt keine falschen Aktivierungssignale erzeugen.
  • Vorzeitige Schläge werden üblicherweise durch ein überempfindliches Segment des Herzens verursacht. Durch Anlegen eines lokalen elektrischen Felds an das Segment kann die Empfindlichkeit des Segments gesteuert und auf ähnliche Niveaus wie der Rest des Herzens gebracht werden, was die Hauptursache vorzeitiger Schläge löst. Diese Technik ist ebenfalls auf unempfindliche Gewebe anwendbar, die durch das Anlegen eines lokalen elektrischen Felds sensibilisiert werden, so dass sie genauso empfindlich wie die umgebenden Gewebe werden.
  • Es ist klar, dass der genaue geometrische Ursprung einer Arrhythmie nicht bekannt zu sein braucht, um sie unter Verwendung der oben beschriebenen Verfahren zu behandeln. Eher können ganze Segmente des Herzens synchron zu dem Herzzyklus desensibilisiert werden, so dass sie nicht reagieren, bevor sie das wahre Aktivierungssignal erreicht. Ferner kann das Herz in isolierte Segmente aufgeteilt oder eingezäunt werden, ohne das elektrische System des Herzens abzubilden. Zum Beispiel können die Elektroden in die Herzkranzgefäße eingeführt werden, um Zäune im Herzen zu erzeugen. Diese Zäune können die meisten, wenn nicht alle unregelmäßigen Aktivierungssignale in dem Herzen blockieren und dennoch ermöglichen, dass sich "richtige" Aktivierungssignale ausbreiten, indem die Erzeugung dieser Zäune mit dem "richtigen" Herzaktivierungsprofil synchronisiert wird. Alternativ oder zusätzlich wird jedes isolierte Segment mit einer einzelnen Elektrode synchronisiert. Alternativ kann eine Anordnung von Elektroden implantiert werden, die das Herz umgibt, so dass es möglich ist, im Wesentlichen irgendeinen lokalen Abschnitt davon einzeln zu steuern.
  • In einer zusätzlichen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden Segmente des Herzens unter Verwendung eines elektrischen Felds ununterbrochen gesteuert, so dass ihr Membranpotential in Ruhe unter –60 mV liegt. Unterhalb dieses Niveaus können die spannungsgesteuerten Natriumkanäle nicht durch ein Aktivierungssignal geöffnet werden. Üblicherweise ist es unmöglich, alle Zellen in einem Gewebesegment auf diese Spannung zu klemmen, so dass einige der Zellen in dem Gewebe typisch erregbar sind. Allerdings ist bekannt, dass die Hyperpolarisation eine Verarmung von Kaliumionen in den extrazellulären Räumen verursacht, die die einzelnen Herzmuskelzellen umgeben, was eine allgemeine Verringerung der Erregbarkeit aller Zellen verursacht, die die gleichen extrazellulären Räume gemeinsam haben. Dies ist z. B. in "K+ Fluctuations in the Extracellular Spaces of Cardiac Muscle: Evidence from the Voltage Clamp and Extracellular K+-Selective Microelectrodes ", Cohen, I., und Kline, R., Circulation Research, Bd. 50, Nr. 1, S. 1–16, Januar 1982, beschrieben, dessen Offenbarung hier durch Literaturhinweis eingefügt ist. Somit wird die Reaktion der Segmente des Herzens auf ein Aktivierungssignal verringert, besitzt sie eine längere Verzögerung und wird die Ausbreitungsgeschwindigkeit in diesen Segmenten erheblich verringert. Andere Ruhepotentiale können das Öffnen anderer spannungsgesteuerter Kanäle in der Zelle beeinflussen.
  • Eine andere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung bezieht sich auf eine Herzoperation. In vielen Fällen ist es erwünscht, die Pumpaktion des Herzens für wenige Sekunden oder Minuten anzuhalten, die für den Abschluss einer Naht oder eines Schnitts oder zur Operation an einem Aneurysma erforderlich sind. Die momentane Praxis ist nicht sehr flexibel. In einem Verfahren wird das Herz mit einer Herz-Lungen-Maschine umgangen und das Herz selbst für eine lange Zeitperiode angehalten. Dieser Prozess ist nicht gesund für den Patienten als Ganzes oder für das Herz selbst, wobei häufig ernste postoperative Komplikationen auftreten. In einem anderen Verfahren wird das Herz abgekühlt, um seinen Sauerstoffverbrauch zu verringern, und daraufhin für eine (nicht verlängerbare) Periode einiger Minuten angehalten. Teilweise ist die Periode nicht verlängerbar, da während des Anhaltens des Herzens der gesamte Körper des Sauerstoffs beraubt ist. In diesen Verfahren wird das Herz üblicherweise unter Verwendung einer kardioplegen Lösung angehalten. In einem dritten Verfahren wird in dem Herzen Flimmern induziert. Allerdings ist bekannt, dass Flimmern wegen des stark erhöhten Sauerstoffbedarfs während des Flimmerns und der Blockierung des Blutflusses in den Herzkranzgefäßen durch die Kontraktion des Herzmuskels Ischämie verursacht. Eine Ischämie kann das Herz irreversibel schädigen.
  • Unter Verwendung der hier beschriebenen Verfahren, z. B. der Einzäunung, kann eine Einstellung oder Verringerung der Pumpaktivität des Herzens erreicht werden. Somit wird die Pumpaktion des Herzens in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung unter Verwendung der hier beschriebenen Techniken wiederholt und reversibel für kurze Zeitperioden merklich verringert. Es ist klar, dass das Anhalten des Herzens unter Verwendung einer elektrischen Steuerung wegen der Einfachheit des Anlegens und der leichten Reversibilität flexibler als momentan praktizierte Verfahren ist. Die elektrische Steuerung ist besonders nützlich in Verbindung mit einer endoskopischen Herzoperation und mit einer endoskopischen Bypassoperation, wo es erwünscht ist, die Bewegung kleiner Segmente des Herzens zu verringern.
  • Eine andere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf die Behandlung ischämischer Abschnitte des Herzens. Ischämische Abschnitte, die unter Verwendung lokal implantierter Sensoren automatisch aus ihren Verletzungsströmen oder durch eine andere elektrophysiologische Charakterisierung identifiziert werden können, können für das Aktivierungssignal des Herzens desensibilisiert oder blockiert werden. Somit brauchen die ischämischen Zellen keine Arbeit auszuführen und können heilen.
  • Die vorläufige US-Anmeldung 60/009.769 mit dem Titel "Cardiac Electromechanics", eingereicht am 11. Januar 1996 von Shlomo Ben-Haim und Maier Fenster, und ihre entsprechende israelische Patentanmeldung Nr. 116.699 mit dem Titel "Cardiac Electromechanics", eingereicht am 8. Januar 1996 durch den Anmelder Biosense Ltd., deren Offenbarungen hier durch Literaturhinweis eingefügt sind, beschreiben Verfahren zur Herzmodellierung und Herzoptimierung. Bei der Herzmodellierung wird durch Ändern der Arbeitsbelastung der Segmente des Herzens oder durch Ändern der Dauer des Plateaus der Aktionspotentiale in Segmenten des Herzens die Verteilung der Muskelmasse im Herzen geändert. Diese Änderungen können durch Ändern des Aktivierungsprofils des Herzens erreicht werden. Die Dauer des Plateaus kann unter Verwendung von wie oben beschriebenen Verfahren leicht gesteuert werden. Ferner kann durch Steuern der Leitungswege im Herzen gemäß den Verfahren der vorliegenden Erfindung das gesamte Aktivierungsprofil des Herzens beeinflusst werden. Bei der wie in diesen Anmeldungen beschriebenen Herzoptimierung wird das Aktivierungsprofil des Herzens geändert, so dass globale Parameter des Herzzeitvolumens erhöht werden. Alternativ werden lokale physiologische Werte wie etwa die Belastung umverteilt, um hoch belastete Orte im Herzen zu entlasten. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Aktivierungsprofil unter Verwendung wie oben beschriebener Verfahren nützlich geändert werden.
  • Um viele Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung am besten zu realisieren, ist es nützlich, zuerst eine elektrische, geometrische oder mechanische Karte des Herzens zu erzeugen. Die US-Patentanmeldung Nr. 08/595.365 mit dem Titel "Cardiac Electromechanics", eingereicht am 1. Februar 1996 durch Shlomo Ben-Haim, sowie zwei in Israel am gleichen Datum wie die vorliegende Anmeldung durch den Anmelder "Biosense" eingereichte PCT-Anmeldungen mit dem Titel "Cardiac Electromechanics" und "Mapping Catheter", deren Offenbarungen hier durch Literaturhinweis eingefügt sind, beschreiben Karten sowie Verfahren und Mittel zum Erzeugen solcher Karten. Eine besondere Karte, die von Interesse ist, ist eine Lebensfähigkeitskarte, in der die Lebensfähigkeit verschiedener Segmente des Herzgewebes abgebildet ist, um stillgelegtes und/oder ischämisches Gewebe zu identifizieren. Das US-Patent 5.391.199, US-Patentanmeldung Nr. 08/293.859, eingereicht am 19. August 1994, mit de0m Titel "Means and Method for Remote Object Position and Orientation Detection System" und die PCT-Patentanmeldung US95/01103, jetzt am 29. Februar 1996 veröffentlicht als WO96/05768, deren Offenbarungen hier durch Literaturhinweis eingefügt sind, beschreiben Positionsfühlmittel, die zur Anbringung an einem Katheter geeignet sind, was zur Erzeugung dieser Karten besonders nützlich ist. Diese Positionsfühlmittel können außerdem zur richtigen Anordnung der Elektroden im Herzen nützlich sein, falls die Elektroden unter Verwendung minimal invasiver Techniken wie etwa jener unter Verwendung von Endoskopen, Thorakoskopen und Kathetern implantiert werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine Karte des Herzens verwendet, um zu bestimmen, welche Abschnitte des Herzens lebensfähig sind und somit gesteuert werden können, um das Herzzeitvolumen zu erhöhen. Vorzugsweise wird das gesamte Aktivierungsprofil des Herzens berücksichtigt, wenn bestimmt wird, an welche Abschnitte des Herzens ein Steuerfeld angelegt werden sollte, um einen Parameter des Herzzeitvolumens zu maximieren. Das Aktivierungsprofil kann außerdem die Zeitgebung des Anlegens des Felds bestimmen. Um auf den Blutfluss zu verschiedenen Abschnitten des Herzens zuzugreifen, kann eine Durchblutungskarte verwendet werden. Es ist zu erwarten, dass das Erhöhen der Kontraktionsfähigkeit eines Segments des Herzmuskels den Sauerstoffbedarf dieses Segments ebenfalls erhöht. Somit ist es erwünscht, die Kontraktionsfähigkeit nur jener Segmente zu erhöhen, die einen ausreichenden Blutfluss haben. Möglicherweise werden die Sauerstoffanforderungen anderer Segmente des Herzens durch richtiges Steuern der Aktivierungssequenz des Herzens verringert.
  • Alternativ oder zusätzlich zum Abbilden der Durchblutung und/oder der Lebensfähigkeit des Herzens kann das Einsetzen der Steuerung des Herzens allmählich ausgeführt werden. Somit hat die Herzblutzufuhr Zeit, sich an den erhöhten Bedarf (falls überhaupt) anzupassen und die Versorgungsmuster zu ändern. Außerdem ist die Zunahme des Bedarfs nicht akut, so dass keine akuten Probleme (wie etwa ein Herzinfarkt) im Ergebnis der Steuerung zu erwarten sind. In einer Ausführungsform wird die Steuerung zunächst nur alle wenige Herzschläge und später jeden Herzschlag angelegt. Zusätzlich oder alternativ wird die Dauer eines Steuerimpulses allmählich über eine lange Zeitperiode wie etwa mehrere Wochen erhöht. Zusätzlich oder alternativ werden für verschiedene Herzschläge verschiedene Segmente gesteuert, um den erhöhten Bedarf über einen größeren Abschnitt des Herzens zu verteilen.
  • In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Kontraktionsfähigkeit des Herzens nur tagsüber und nicht nachts gesteuert, da der Herzbedarf tagsüber typisch größer als nachts ist. Alternativ oder zusätzlich wird die Steuereinheit für kurze Zeit wie etwa 15 Minuten am Morgen verwendet, um dem Patienten beim Aufstehen zu helfen. Alternativ oder zusätzlich wird ein elektrisches Steuerfeld jeweils eine Anzahl von Schlägen (Tag und/oder Nacht) nur einmal angelegt. Ferner alternativ wird das Herz für eine kurze Zeitperiode nach einem akuten ischämischen Ereignis gesteuert, bis sich das Herz von dem Schock erholt hat. Ein bevorzugtes Steuerverfahren, das nach einem Herzinfarkt angewendet werden kann, bezieht sich auf das Verhindern von Arrhythmien. Eine andere bevorzugte Steuerung ist die Desensibilisierung von Infarktgewebe oder das Verringern der Kontraktionsfähigkeit dieses Gewebes oder das elektrische Isolieren dieses Gewebes, um die Sauerstoffanforderungen zu verringern und seine Heilungschance zu erhöhen.
  • Ein Nutzen vieler Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist, dass sie realisiert werden können, ohne irgendwelche strukturellen oder anderen dauerhaften Änderungen in dem Leitungssystem des Herzens vorzunehmen. Ferner können viele Ausführungsformen in Verbindung mit einem vorhandenen Herzschrittmacher oder in Verbindung mit einer Arzneimittelbehandlung, die die elektrische Leitung in dem Herzen beeinflusst, verwendet werden. Außerdem können verschiedene Steuerschemata, z. B. das Steuern der Herzfrequenz und das Erhöhen der Kontraktionsfähigkeit im linken Ventrikel, gemeinsam gleichzeitig verwirklicht werden.
  • Allerdings ist klar, dass durch Ändern des Aktivierungsprofils des Herzens einige Änderungen an der Struktur des Herzens bewirkt werden können. Zum Beispiel kann sich die wie oben beschriebene Herzmodellierung aus Aktivierungsprofiländerungen über die Zeit ergeben.
  • 4A ist ein schematisches Diagramm einer elektrischen Steuereinheit 50 im Betrieb in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Ein Muskelsegment 56, das durch die Steuereinheit 50 gesteuert wird, wird vorzugsweise wenigstens durch eine erste Elektrode 52 und vorzugsweise durch eine zweite Elektrode 54 elektrisiert. Die Elektrode 54 kann elektrisch schweben. Um die lokale Aktivierungszeit des Segments 56 als eine Eingabe in die Steuereinheit wie etwa zur Zeitgebung des Elektrisierens der Elektroden zu bestimmen, kann ein Sensor 58 verwendet werden. Andere zusätzliche oder alternative lokale und/oder globale Herzparameter können ebenfalls zur Bestimmung der Elektrisierung der Elektroden verwendet werden. Zum Beispiel kann die Elektrode bzw. können die Elektroden, wie im Gebiet allgemein bekannt ist, zum Fühlen der lokalen elektrischen Aktivität verwendet werden. Alternativ befindet sich in der Nähe des SA-Knotens ein Sensor 58 zur Bestimmung des Starts des Herzrhythmus. Alternativ wird der Sensor 58 zum Fühlen der mechanischen Aktivität des Segments 56 oder anderer Segmente des Herzens oder zum Fühlen des Herzzeitvolumens verwendet. Das Herzzeitvolumen kann unter Verwendung eines Drucksensors oder eines in die Aorta implantierten Durchflussmengenmessers bestimmt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung fühlt der Sensor 58 den elektrischen Zustand des Herzens, bestimmt die Steuereinheit 50 einen Zustand des Flimmerns und elektrisieren die Elektroden 52 und 54 dementsprechend.
  • Der Sensor 58 kann zur genauen Zeitgebung der Elektrisierung der Elektroden 52 und 54 verwendet werden. Eine Gefahr der falschen Elektrisierung der Elektroden ist, dass die Elektrisierung ein Flimmern induzieren kann, falls die Elektroden elektrisiert werden, bevor eine Aktivierungsfront das Segment 56 erreicht. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Sensor 58 zwischen den Elektroden 52 und 54 angeordnet, so dass eine durchschnittliche Aktivierungszeit des Gewebes an den zwei Elektroden gefühlt wird. Es ist klar, dass die genaue Zeitgebung der Elektrisierung von der Ausbreitungsrichtung der Aktivierungsfront im Herzen abhängt. Somit kann das Steuerfeld, falls die Gewebe an den Elektroden 52 und 54 im Wesentlichen gleichzeitig aktiviert werden, zeitlich so abgestimmt werden, dass es kurz danach angelegt wird. Falls das Gewebe an einer Elektrode dagegen vor dem Gewebe an der anderen Elektrode aktiviert wird, muss die Verzögerungszeit beim Elektrisieren der Elektroden größer sein. Somit hängt die optimale Verzögerungszeit beim Elektrisieren einer Elektrode nach der lokalen Aktivierungszeit u. a. von der Orientierung der Elektroden relativ zu der Aktivierungsfront ab. Die Leitungsgeschwindigkeit der Aktivierungsfront wird auf wesentliche Weise durch die Orientierung der Herzmuskelfasern beeinflusst. Somit hat die Orientierung der Elektroden relativ zu der Muskelfaserrichtung ebenfalls eine Wirkung auf die optimale Verzögerungszeit.
  • In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die lokale Aktivierungszeit (und die Elektrisierung der Elektroden 52 und 54) anhand einer bekannten Ausbreitungszeit des Aktivierungssignals geschätzt. Falls der Sensor 58 z. B. im rechten Atrium angeordnet ist, kann zwischen dem Fühlen eines Aktivierungssignals am Sensor 58 und der Ankunft des Aktivierungssignals an den Elektroden 52 und 54 eine Verzögerung von etwa 120 ms erwartet werden. Diese Verzögerungen können ebenfalls geschätzt werden. Innerhalb einer einzelnen Kammer dauert es z. B. etwa 30–50 ms, damit die Aktivierungsfront den gesamten linken Ventrikel bedeckt. Ein Sensor 58 kann an einem Ort im linken Ventrikel angeordnet werden, der relativ früh von dem Aktivierungssignal erregt wird. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Aktivierungsausbreitungszeiten zwischen implantierten Sensoren und Elektroden wenigstens in einem Herzaktivierungsprofil (wie etwa bei einer Ruheherzfrequenz) gemessen und zur Schätzung einer gewünschten Verzögerung bei der Elektrisierung der Elektroden verwendet. Es ist klar, dass sich die lokale Leitungsgeschwindigkeit in erkrankten Herzen mit der Zeit wesentlich ändern kann, so dass das Lernen der und die Anpassung an die Änderungen der lokalen Aktivierung eine erwünschte Eigenschaft der Steuereinheit 50 sind. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein besonderer Zustand der Arrhythmie (oder des Aktivierungsprofils) anhand eines Parameters des EKG wie etwa der Morphologie und/oder des Frequenzspektrums entweder eines externen oder eines internen EKG bestimmt. Die Steuereinheit 50 bestimmt anhand des bestimmten Zustands das Steuerprofil. Insbesondere können Zuständen wie hier beschrieben Verzögerungszeiten zugeordnet werden, so dass die genaue Verzögerungszeit für die Aktivierung für jeden Zustand der Arrhythmie in Echtzeit entschieden werden kann. Vorzugsweise werden die Verzögerungszeiten im Voraus berechnet und/oder während eines Lernzustands der Steuereinheit 50 bestimmt, wobei in dieser Phase eine optimale Verzögerungszeit für einen besonderen Aktivierungszustand bestimmt und im Zusammenhang damit gespeichert wird.
  • Der Sensor 58 kann an dem Epikard oder an dem Endokard angeordnet werden oder wird in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in das Myokard eingeführt.
  • 4B zeigt eine alternative Ausführungsform der Erfindung, in der ein Herzsegment 55 durch mehrere mit einer Steuereinheit 57 verbundene Elektroden 59 gesteuert wird. Die Verwendung vieler Elektroden ermöglicht eine größere Steuerung sowohl der räumlichen als auch der zeitlichen Eigenschaften des angelegten elektrischen Felds. In einem Beispiel wird jede der Elektroden 59 zur Bestimmung ihrer lokalen Aktivierung verwendet. Die Steuereinheit 57 elektrisiert die Elektroden 59 gemäß der bestimmten Aktivierung einzeln. Vorzugsweise werden die Elektroden paarweise aktiviert, wobei zwischen einem Elektrodenpaar, dessen lokale Aktivierungszeit bekannt ist, Strom fließt.
  • 9Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erfordern typisch eine andere Anordnung der Steuerelektroden. Zum Beispiel erfordern einige Ausführungsformen eine großflächige Elektrode, um ein elektrisches Feld an einen großen Abschnitt des Herzens anzulegen. In diesem Fall kann eine Netzelektrode geeignet sein. Alternativ kann eine große ebene Elektrode am Äußeren des Herzens angeordnet sein. Andere Ausführungsformen erfordern lange Elektroden, um z. B. Zäune zu erzeugen. In diesem Fall werden Drähte vorzugsweise parallel zur Wand des Herzens in das Herz implantiert. Optional können die Elektroden in den Herzkranzgefäßen außerhalb des Herzens angeordnet werden. In einigen Aspekten der Erfindung werden die Elektroden in der Weise angeordnet, dass das zwischen den Elektroden erzeugte Feld parallel zu der Richtung ist, in der sich die Aktivierungsfronten normalerweise im Herzen ausbreiten, während das Feld in anderen senkrecht zu diesen Wegen ist.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein Herzschrittmacher vorgesehen, der das Herzzeitvolumen erhöht. Ein Herzschrittmacheraktivierungsimpuls ist üblicherweise ein einzelner Impuls mit einer gegebenen Dauer, etwa 2 ms in einem internen Herzschrittmacher und etwa 40 ms in einem externen Herzschrittmacher. In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erzeugt ein Herzschrittmacher einen Doppelimpuls zum Erregen des Herzens. Ein erster Abschnitt des Impulses kann ein wie im Gebiet bekannter Stimulationsimpuls, z. B. für 2 ms ein konstanter Strom von 2 mA (Milliampere), sein. Ein zweiter Abschnitt des Impulses ist ein wie hier beschriebener Impuls, z. B. mehrere zehn ms lang und mit einer kurzen Verzögerung nach dem ersten Abschnitt des Herzschrittmacherimpulses. Alternativ kann ein sehr langer Stimulationsimpuls verwendet werden. Dieser Herzschrittmachertyp verwendet vorzugsweise zwei Unipolarelektroden, eine in der Spitze des Herzens und eine oben im linken Ventrikel (oder im rechten Ventrikel, falls die Aktivität des rechten Ventrikels erhöht werden soll).
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine Steuereinheit in einen Patienten implantiert, in dem bereits ein Herzschrittmacher implantiert ist. Vorzugsweise wird die Steuereinheit durch Verbinden der Zuleitungen von der Steuereinheit zu dem Herzschrittmacher, durch Sensoren der Steuereinheit, die die Elektrisierung der Herzschrittmacherelektroden fühlen, und/oder durch Programmieren der Steuereinheit und/oder des Herzschrittmachers mit dem Herzschrittmacher synchronisiert.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung passt sich der Herzschrittmacher durch Ändern der Herzaktivität in Reaktion auf den physiologischen Zustand an den physiologischen Zustand des Körpers, in den er eingebaut ist, an. Der Herzschrittmacher kann den Zustand des Körpers unter Verwendung eines oder mehrerer einer Vielfalt von physiologischen Sensoren, die im Gebiet bekannt sind, einschließlich pH-Sensoren, pO2-Sensoren, pCO2-Sensoren, Blutflusssensoren, Beschleunigungssensoren, Atmungssensoren und Drucksensoren den Zustand des Körpers fühlen. Zum Beispiel kann der Herzschrittmacher in Reaktion auf die Zunahme des pCO2 den Fluss vom Herzen erhöhen. Da die Steuerung üblicherweise auf diskrete Weise über eine Reihe von Herzzyklen angelegt wird, kann diese Steuerung eine Steuersequenz genannt werden. Die Änderung der Herzaktivität kann allmählich oder vorzugsweise in Übereinstimmung mit einer vorgegebenen Steuersequenz angelegt werden.
  • In einem Aspekt der Erfindung werden wenigstens für eine der gemessenen physiologischen Variablen Zielwerte eingestellt, wobei der Herzschrittmacher diese Variablen und die Wirkung der durch den Herzschrittmacher angelegten Steuersequenz überwacht, um eine zukünftige Steuersequenz zu bestimmen. Wenn die Diskrepanz zwischen dem Zielwert und dem Messwert niedrig genug ist, kann die Steuersequenz abgeschlossen werden. Es ist klar, dass ein Vorteil einer Herzsteuereinrichtung gegenüber einem Herzschrittmacher ist, dass sie viele Aspekte des Aktivierungsprofils des Herzens steuern kann. Im Ergebnis kann die Steuereinheit eine richtige Abwägung zwischen mehreren verschiedenen Aspekten des Aktivierungsprofils des Herzens einschließlich des Herzzeitvolumens, der Oxygenisation des Herzmuskels, der Kontraktionskraft des Herzens und der Herzfrequenz bestimmen.
  • Ein anderer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf das Ändern der Beziehung zwischen der Kontraktion des linken Ventrikels und der Kontraktion des rechten Ventrikels. In einem gesunden Herzen folgt auf eine erhöhte Kontraktionsfähigkeit des linken Ventrikels im Ergebnis der erhöhten Abgabe des linken Ventrikels, die eine Zunahme der Vorlast des rechten Ventrikels veranlasst, eine erhöhte Kontraktionsfähigkeit des rechten Ventrikels. Auf ähnliche Weise verringert eine Verringerung der Abgabe des linken Ventrikels die Abgabe des rechten Ventrikels. In einigen Fällen wie etwa bei einem Lungenödem kann es erwünscht sein, den Fluss von einem Ventrikel ohne eine entsprechende Änderung des Flusses von dem anderen Ventrikel zu ändern. Dies kann durch gleichzeitiges Steuern beider Ventrikel erreicht werden, wobei eine Steuerung den Fluss von einem Ventrikel erhöht, während die andere Steuerung den Fluss von dem anderen Ventrikel verringert. Da das Gefäßsystem ein geschlossenes System ist und der Fluss in dem Lungensystem langfristig der gleiche wie in dem allgemeinen System ist, wird diese Änderung üblicherweise nur für kurze Zeitperioden verwirklicht. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird diese Änderung dadurch verwirklicht, dass das Herz jede bestimmte Zeitperiode für wenige Schläge gesteuert wird.
  • Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf das Ausführen eines vollständigen Pakets von Therapien unter Verwendung einer einzigen Vorrichtung. Eine Steuereinheit in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält mehrere Therapien, die sie an das Herz anlegen kann, einschließlich z. B. der Erhöhung der Kontraktionsfähigkeit, der Defibrillation, der Zaunbildung, der Herzfrequenzsteuerung und der Stimulation. Die Steuereinheit fühlt (unter Verwendung physiologischer Sensoren) den Zustand des Körpers und entscheidet über eine geeignete kurzfristige Therapie, z. B. über die Defibrillation zum Überwinden eines Flimmerns, die Erhöhung der Herzfrequenz zur Erhöhung des Herzzeitvolumens oder das Anwenden von Zäunen zum Beschränken einer plötzlichen Arrhythmie. Zusätzlich oder alternativ kann eine solche Steuereinheit die angelegte Steuersequenz in Reaktion auf langfristige Therapieziele ändern. Falls z. B. eine Erhöhung der Kontraktionsfähigkeit verwendet wird, um die Muskelmasse in einem Abschnitt des Herzens zu erhöhen, kann die Steuersequenz angehalten werden, wenn eine geforderte Muskelmasse erreicht ist. Dies ist ein Beispiel einer therapeutischen Behandlung, die durch die Steuereinheit beeinflusst wird. In einem anderen Beispiel kann z. B. wenige Wochen, nachdem die Vorrichtung implantiert und programmiert worden ist, um das Herzzeitvolumen auf einen bestimmten Zielwert zu erhöhen, die Zielvariable geändert werden. Eine solche Änderung kann durch eine erwartete Zeitperiode angeordnet werden, über die sich das Herz an die Steuereinheit anpasst. Eine solche Anpassung ist, dass das Herz stärker und/oder effizienter wird. Eine andere solche Anpassung kann sein, dass das Herz seine Reaktion auf die Steuersequenz verringert, so dass eine andere Steuersequenz erforderlich sein kann, um die gleichen Ziele zu erreichen. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Steuersequenz jede bestimmte Zeitperiode und/oder dann, wenn die Reaktion des Herzens auf die Steuerfrequenz unter ein vorgegebenes Niveau verringert ist, geändert.
  • In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung enthält eine Steuervorrichtung wenigstens während einer ersten Phase, in der die Steuereinheit die charakteristischen Aspekte eines besonderen Herzens/Patienten "erlernen" muss, einen menschlichen Betreiber in der Schleife. In einer späteren Phase kann der Betreiber die therapeutische Wirkung der Steuereinheit auf periodischer Grundlage überwachen und die Programmierung der Steuereinheit ändern, falls die therapeutische Wirkung nicht die vom Betreiber gewünschte ist.
  • In einer zusätzlichen Ausführungsform der Erfindung wird die Steuereinheit nicht in den Körper implantiert. Vorzugsweise wird die Steuersequenz unter Verwendung eines oder mehrerer Katheter angelegt, die in das Gefäßsystem eingeführt werden. Alternativ können die Elektroden direkt durch die Brustwand zum Herzen eingeführt werden.
  • In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird von Elektroden außerhalb des Körpers ein Steuerstrom (oder ein elektrisches Feld) angelegt. Ein inhärentes Problem bei der externen Steuerung ist, dass der Steuerstrom normalerweise einen großen Abschnitt des Herzens elektrisiert. Somit ist es wichtig, das Anlegen des Stroms zu verzögern, bis das Herz refraktär ist. Ein Verfahren, um dieses Ziel zu erreichen, ist das Fühlen des EKG unter Verwendung äußerer Elektroden. Vorzugsweise wird eine Elektrodenanordnung verwendet, so dass eine lokale Aktivierungszeit in vorgegebenen Abschnitten des Herzens bestimmt werden kann.
  • Ein anderes Verfahren zum externen Steuern kombiniert das Steuern mit dem externen Stimulieren, wodurch die Aufgabe der richtigen Zeitgebung des Steuerimpulses relativ zu dem Stimulationsimpuls vereinfacht wird. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Verzögerung zwischen dem Stimulationsimpuls und dem Steuerimpuls anfangs lang, wobei sie aber verringert wird, bis eine optimale Verzögerung bestimmt ist, die eine gewünschte Verbesserung in Bezug auf das Pumpen gibt und kein Flimmern verursacht.
  • Zusätzlich oder alternativ enthält der externe Herzschrittmacher einen Defibrillator, der einen Defibrillationsimpuls anwendet, falls der Steuerimpuls Flimmern verursacht.
  • Es ist klar, dass Herzschrittmacher und Steuereinheiten in Übereinstimmung mit verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung viele gemeinsame Eigenschaften besitzen. Es wird erwartet, dass die Kombination der Funktionen einer Steuereinheit und eines Herzschrittmachers in einer einzelnen Vorrichtung viele nützliche Anwendungen besitzt. Allerdings sind mehrere Bauunterschiede zwischen Herzschrittmachern, Defibrillatoren und Steuereinheiten in Übereinstimmung mit vielen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auffallend.
  • Ein Bauunterschied bezieht sich auf die Größe und auf die Form der Elektroden. Herzschrittmacher verwenden üblicherweise Bipolaraktivierungselektroden oder Unipolarelektroden, bei denen das Herzschrittmachergehäuse die andere Elektrode ist. Die Konstruktion der Elektroden ist so optimiert, dass der Kontakt zwischen den Elektroden und dem Herzen in einem kleinen Bereich verbessert ist, so dass der Leistungszug in dem Herzschrittmacher so niedrig wie möglich ist. In einem Defibrillator gibt es eine entgegengesetzte Betrachtung, d. h. die Notwendigkeit, einen sehr großen Leistungsbetrag an große Bereiche des Herzens anzulegen, ohne eine Beschädigung an dem Herzen zu verursachen. In der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden kleine Ströme angelegt, wobei aber erwünscht ist, dass der Strom auf gesteuerte Weise durch große Abschnitte des Herzgewebes fließt.
  • Ein anderer Bauunterschied bezieht sich auf die Leistungsversorgung. Leistungsversorgungen von Herzschrittmachern müssen üblicherweise einmal in der Sekunde einen kurzen (2 ms) Impuls mit niedriger Leistung liefern. Defibrillatoren müssen üblicherweise in langen Intervallen (Tagen) einen kurzen (6–8 ms) Impuls oder eine Reihe kurzer (6–8 ms) Impulse mit hoher Leistung liefern. Somit ziehen Herzschrittmacher die Leistung üblicherweise aus einem Kondensator mit einer kurzen Verzögerung, der direkt mit der Batterie verbunden ist, während Defibrillatoren üblicherweise sowohl einen ersten als auch einen zweiten Kondensator aufladen, so dass sie zwei aufeinander folgende Impulse mit hoher Leistung liefern können. Eine Steuereinheit in Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung muss einmal in der Sekunde einen langen Impuls mit niedriger Leistung liefern. Vorzugsweise ist der Impuls länger als 20 ms, bevorzugter länger als 40 ms und noch bevorzugter länger als 70 ms. Vorzugsweise wird dieser Impuls unter Verwendung eines langsam abfallenden Kondensators und/oder durch Zug der Leistung direkt aus einer Batterie über eine Konstantstrom-, eine Konstantspannungs- und/oder eine Signalformungsschaltung erreicht. Vorzugsweise setzen die in einer Steuereinheit in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung verwendeten Elektroden langsam ein Steroid frei, um die Entzündung an dem Elektrodenkontaktpunkt mit dem Herzen zu verringern.
  • Ein anderer Bauunterschied bezieht sich auf die Anordnung der Elektroden. In einem Herzschrittmacher ist eine einzelne Elektrode in der Spitze des Herzens (in einigen Herzschrittmachern eine Elektrode pro Kammer oder gelegentlich mehr als eine) angeordnet. In einem Defibrillator sind die Elektroden üblicherweise in der Weise angeordnet, dass sich der größte Teil des Herzens (oder in AF-Defibrillatoren des rechten Atriums) zwischen den Elektroden befindet. In einer Steuereinheit in Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind die Elektroden über ein Herzgewebesegment angeordnet, dessen Steuerung erwünscht ist. Hinsichtlich des Fühlens nutzen viele Herzschrittmacher das Fühlen in einer Kammer, um eine richtige Verzögerung zu bestimmen, bevor eine zweite Kammer elektrisiert wird. Zum Beispiel wird in einem Herz, dessen AV-Knoten abgetragen ist, der linke Ventrikel durch einen Herzschrittmacher, der eine Aktivierungsfront im rechten Atrium fühlt und daraufhin nach einer geeigneten Verzögerung den linken Ventrikel stimuliert, mit dem rechten Atrium synchronisiert. Allerdings ist es keine übliche Praxis, die Aktivierungsfront in einer Kammer zu fühlen und daraufhin nach einer Verzögerung genau dieselbe Kammer zu stimulieren. Selbst dann, wenn das Fühlen und Stimulieren einer solchen selben Kammer ausgeführt wird, wird das Fühlen und Stimulieren im rechten Atrium und nicht im linken Ventrikel ausgeführt. Ferner ist das Fühlen an der Stimulationselektrode zum Bestimmen einer Verzögerungszeit für die Elektrisierung der Elektrode ebenso wie das Fühlen in der Mitte zwischen zwei Stimulationselektroden ein einzigartiger Aspekt einiger Aspekte der vorliegenden Erfindung. Ein anderer einzigartiger Aspekt einiger Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist das Stimulieren in einer Kammer (dem rechten Atrium), das Fühlen einer Wirkung des Stimulierens in einer anderen Kammer (dem linken Ventrikel) und daraufhin das Stimulieren der anderen Kammer (des linken Ventrikels). Die Verwendung mehrerer Elektrodenpaare, die in einer Anordnung angeordnet sind, ist ein anderer einzigartiger Aspekt bestimmter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
  • Wegen des weiten Bereichs möglicher Signalformen für eine Steuereinheit ist eine bevorzugte Steuereinheit programmierbar, wobei die Impulsform aus einem Programmiergerät von außen heruntergeladen werden kann. Telemetriesysteme für die Ein- und Zweirichtungskommunikation zwischen einem implantierten Herzschrittmacher und einem externen Programmiergerät sind im Gebiet allgemein bekannt. Es wird angemerkt, dass verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, wenn auch wahrscheinlich weniger effizient, dadurch verwirklicht werden können, dass eine Impulsform in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung in einen programmierbaren Herzschrittmacher heruntergeladen wird. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält dieses Programmiergerät Software zum Analysieren der Leistungsfähigkeit und zum Beeinflussen der Steuereinheit. Da die Analyse der Leistungsfähigkeit der Steuereinheit Informationen wie etwa ein Ultraschallbild oder ein externes Körper-EKG enthalten kann, die von der Steuereinheit nicht geliefert werden, kann diese Software von einem getrennten Computer aus ausgeführt werden.
  • Es ist klar, dass eine Steuereinheit in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung vorzugsweise für einen besonderen Patienten vor der Implantation darin personalisiert wird. Alternativ oder zusätzlich können die Personalisierungen dadurch ausgeführt werden, dass die Vorrichtung programmiert wird, nachdem sie implantiert worden ist. Vorzugsweise wird das Herz des Patienten wie oben beschrieben abgebildet, um die bevorzugte Anordnung der Steuerelektroden und/oder der Fühlelektroden und/oder die richtigen Zeitgebungen zu bestimmen.
  • In einem Beispiel, in dem der linke Ventrikel gesteuert wird, ist es nützlich, den frühesten aktivierten Bereich in dem linken Ventrikel zur Implantation der Fühlelektrode zu bestimmen. In einem anderen Beispiel wird das Herz abgebildet, um lebensfähige Gewebeabschnitte zu bestimmen, die zur Implantation der Elektroden geeignet sind (so dass der Strom zwischen den zwei Elektroden fließt). In einem anderen Beispiel wird das Aktivierungsprofil des Herzens so bestimmt, dass es möglich ist, die Ausbreitungszeiten zwischen verschiedenen Abschnitten des Herzens und insbesondere zwischen der Stimulationsquelle (natürlich oder künstlich) und den Steuerelektroden zu schätzen. In einem anderen Beispiel wird die Ausbreitung der Aktivierungsfront in dem Herzen so bestimmt, dass die richtige Orientierung der Elektroden in Bezug auf die Front erreicht werden kann und/oder dass die Fühlelektrode bzw. die Fühlelektroden in Bezug auf die Steuerelektroden richtig angeordnet werden können. Außerdem ist es nützlich, Arrhythmien im Herzen zu bestimmen, um eine Anti-Arrhythmiebehandlung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zu planen.
  • In einem anderen Beispiel wird der Betrag der Zunahme der Kontraktionsfähigkeit durch die Menge lebenden Gewebes zwischen den Steuerelektroden bestimmt. Um ein Segment des Herzgewebes mit einem gewünschten Betrag an lebendem Gewebe zu bestimmen, kann eine Lebensfähigkeitskarte verwendet werden.
  • Die Zeitgebung der Aktivierung des Herzmuskels relativ zum Rest des Herzens ist ein wichtiger Faktor bei der Bestimmung seines Beitrags zum Herzzeitvolumen. Somit ist es nützlich, die relative Aktivierungszeit des Segments des Herzens, das gesteuert werden soll, vor Implantation der Elektroden zu bestimmen.
  • 5 zeigt einen experimentellen Aufbau, der zum Test einiger Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung konstruiert und verwendet wurde. Ein Papillarmuskel 60 aus einer Säugetierart (im ersten Satz des Experiments aus einem Meerschweinchen) wurde zwischen einem Halter 62 und einem Druckwandler 64 in der Weise verbunden, dass eine isometrische Kontraktion erreicht werden konnte. Der Muskel 60 wurde durch ein Elektrodenpaar 66 stimuliert, das mit einer gepulsten Konstantstromquelle 70 verbunden war. Ein Impulsgenerator 74 erzeugte Konstantstrom-Stimulationsimpulse für die Elektroden 66. Zum Anlegen eines elektrischen Felds an den Muskel 60 wurde ein Elektrodenpaar 68 verwendet. Ein Slave-Impulsgenerator 76, der seine Zeitgebung auf den Impulsgenerator 74 stützt, elektrisierte die Elektroden 68 über eine gepulste Konstantstromquelle 72. Die durch den Muskel ausgeübte Kraft wurde durch den Wandler 64 gemessen, durch einen Verstärker 78 verstärkt und auf einem Plotter 80 gezeichnet. Der Impulsgenerator 74 erzeugte wahlweise kurze Aktivierungsimpulse, die 500, 750, 1000 und 1.500 ms (t1) getrennt waren, zur veränderlichen Aktivierung des Muskels 60, d. h. mit 2, 1,33, 1 und 0,66 Hz. Der Impulsgenerator 76 erzeugte einen Rechteckschwingungsimpuls, der t2 Sekunden nach dem Aktivierungsimpuls begann, t3 Sekunden lang war und einen ausgewählten Strom (in mA) (in Bezug auf die Amplitude) größer als null hatte.
  • Die 6A–6C sind Graphen, die einige Ergebnisse der Experimente zeigen. Im Allgemeinen sind die gezeigten Ergebnisse Graphen der Kraft der Muskelkontraktionen, nachdem der Muskel 60 einen stationären Zustand gepulster Kontraktionen erreicht hat. 6A ist ein Graph der Ergebnisse unter den folgenden Bedingungen:
    t1 (Schrittmacherimpuls) = 750 ms;
    t2 (Verzögerung) = 150 ms;
    t3 (Impulsdauer) = 100 ms; und
    Strom = 10 mA.
  • Wie zu sehen ist, wurde die durch den Muskel ausgeübte Kraft im Gegensatz dazu, wenn die Elektroden 68 nicht aktiviert wurden, um einen Faktor 2,5 erhöht, wenn der Steuerimpuls (die Elektroden 68) verwendet wurde.
  • 6B ist ein Graph der Kraft der Muskelkontraktionen unter den folgenden Bedingungen:
    t1 = 1000 ms;
    t2 = 20 ms;
    t3 = 300 ms; und
    Strom = 7,5 mA.
  • Wie zu sehen ist, ist die Amplitude der Kontraktionen außerordentlich geschwächt. Wenn die Polarität des Steuersignals umgekehrt wurde, waren die Kontraktionen des Muskels 60 nach wenigen Kontraktionen fast vollständig geschwächt.
  • 6C ist ein Graph der Kraft der Muskelkontraktionen unter den folgenden Bedingungen:
    t1 = 1000 ms;
    t2 = 20 ms;
    t3 = 300 ms; und
    Strom = 1 mA.
  • In diesem Fall verblieben die Wirkungen der Erhöhung der Kontraktionskraft des Muskels 60 für etwa zwei Minuten, nachdem die Elektrisierung der Elektroden 68 angehalten wurde. Somit hängt die Kontraktion des Muskels 60 nicht nur von der momentanen Stimulation und Steuerung, sondern auch von einer früheren Stimulation und Steuerung ab.
  • Unter Verwendung eines ähnlichen experimentellen Aufbaus wurden zusätzliche Experimente, einige an Papillarmuskeln und einige an Herztrennwandmuskeln aus den Ventrikel- und Atriumwänden, ausgeführt. In diesen Experimenten war das Versuchstier üblicherweise ein Hase, während in einem Fall eine Ratte verwendet wurde. Die meisten dieser Experimente verwendeten eine Gleichstrom-Konstantstromquelle, die mit dem Muskel in Kontakt war, wobei aber eine Konfiguration mit elektrischen Feldern ebenfalls getestet wurde und ähnliche Ergebnisse lieferte. In der Konfiguration mit elektrischen Feldern wurden die Elektroden in einer Lösung angeordnet, die das Muskelsegment umgab, und waren nicht in Kontakt mit dem Muskelsegment. Der verwendete Strom betrug 2–10 mA. In einigen wenigen Experimenten wurde keine Zunahme der Kontraktionskraft induziert, wobei dies aber das Ergebnis von Problemen mit den Elektroden (Wechselwirkung mit Ionenfluiden) und/oder mit der Stromquelle sein kann, insbesondere, da in diesen Experimenten Ag-AgCl-Elektroden verwendet wurden, die zum Polarisieren neigen. Allgemein wurden in jedem Experiment viele Zyklen der Zunahmen der Kontraktionsfähigkeit und der Rückkehr zu einer Grundlinie ausgeführt. Außerdem waren die Zunahmen der Kontraktionsfähigkeit in nachfolgenden Experimenten wiederholbar. Diese Zunahmen wurden über einen Stimulationsbereich von 0,5–3 Hz erhalten.
  • Die 7A-7C fassen die in diesen weiteren Experimenten erhaltenen Ergebnisse zusammen. Es ist klar, dass die Zeitskalen des angelegten Impulses stark mit der Stimulationsfrequenz und mit den Tierarten, an denen das Experiment ausgeführt wurde, verknüpft sind. In diesen Experimenten war die Stimulationsfrequenz üblicherweise etwa 1 Hz. Innerhalb des Bereichs von 0,5–3 Hz wurde die für eine Zunahme der Kontraktionskraft erforderliche Impulsform durch die Stimulationsfrequenz nicht wesentlich beeinflusst. Die Stärken der in den Experimenten verwendeten Ströme wurden durch die verwendeten Elektrodentypen und möglicherweise durch die Tierarten beeinflusst, so dass für die gleiche Wirkung verschiedene Stromstärken erforderlich sein können, falls andere Elektrodentypen verwendet werden. Es wurden zehn Experimente an einem linken Papillarmuskel ausgeführt, von denen 8 eine Zunahme der Kontraktionsfähigkeit wegen eines angelegten nicht-erregenden Stroms zeigten. Vier Experimente wurden an einem rechten Papillarmuskel ausgeführt, von denen drei eine Zunahme der Kontraktionsfähigkeit zeigten. Zwei Experimente wurden an einem linken Ventrikelmuskel ausgeführt, wobei beide eine Zunahme der Kontraktionsfähigkeit zeigten. Im Durchschnitt wurde eine Zunahme der Kontraktionskraft betrug –75 % erhalten. Je nach der genauen experimentellen Konfiguration lag der Bereich der Zunahmen zwischen 43 % und 228 %.
  • 7A zeigt die Wirkung einer Verzögerung beim Einsetzen des angelegten Stroms auf die Zunahme der Kontraktionskraft. Eine kleine Verzögerung beeinflusst die Zunahme der Kontraktionskraft nicht wesentlich. Es wird angemerkt, dass die Zunahme der Kontraktionsfähigkeit verringert wird, während die Dauer der Verzögerung zunimmt. Es wird theoretisiert, dass ein solcher mit irgendeiner Verzögerung angelegter Impuls das Plateau und/oder die Refraktärperiode beeinflusst. Allerdings ist die Zunahme der Kontraktionsfähigkeit nur für ein Zeitfenster möglich, das beschränkter als der gesamte Aktivierungszyklus einer Muskelfaser ist.
  • Gelegentlich beeinflusste die Änderung der Polarität des angelegten Stroms die Kontraktionsfähigkeit. Üblicherweise erzeugte eine erste Polarität eine stärkere Zunahme der Kontraktionskraft, während die andere Polarität eine niedrigere Zunahme als die erste Polarität erzeugte. In einigen Experimenten verringerte die Umkehr der Polarität während eines Experiments die Kontraktionskraft für kurze Dauer oder für die gesamte Dauer des Impulses auf ein Niveau, das niedriger als ohne irgendeinen angelegten Strom war. Eine mögliche Erklärung ist, dass der Papillarmuskel eine bevorzugte Leitungsrichtung besitzt (die möglicherweise nicht so ausgeprägt wie im Ventrikelgewebe ist). Eine andere Erklärung sind Artefakte, die sich auf die Ionisierung der in den Experimenten verwendeten Elektrode beziehen.
  • 7B zeigt die Wirkung der Impulsdauer auf die Zunahme der Kontraktionskraft eines Papillarmuskels. Ein sehr kurzer Impuls in der Größenordnung von 1 ms beeinflusst die Kontraktionskraft nicht wesentlich. In einem Impuls zwischen etwa 1 ms und 20 ms nimmt die Kontraktionsfähigkeit mit der Dauer zu. In einem Impuls von über 20 ms ist die Zunahme der Kontraktionskraft je nach Abhängigkeit von der Impulsdauer verringert; und in einem Impuls mit einer Dauer von über 100 ms gibt es keine sichtbare weitere Zunahme der Kontraktionskraft eines isolierten Papillarmuskels.
  • 7C zeigt die Wirkung der Stromstärke auf die Zunahme der Kontraktionskraft. Es wird angemerkt, dass die Kontraktionskraft über etwa 8 mA tatsächlich unter die Grundlinienbedingung (in der kein Strom angelegt wurde) fällt. Es ist möglich, dass diese Wirkung mit der oben beschriebenen Theorie intrazellulärer Calciumspeicher zusammenhängt und dass zu viel Calcium in der Herzmuskelzelle die Verfügbarkeit dieser Speicher und somit die Kontraktionsfähigkeit der Zelle verringert.
  • Außer den oben zusammengefassten Ergebnissen verdienen mehrere experimentelle Ergebnisse besondere Beachtung.
  • In einem in 8A gezeigten Experiment wurde ermöglicht, dass ein Segment eines rechten Atriums von einem Hasen seine eigene intrinsische Stimulation (~2–3 Hz) einstellt. Wie gezeigt ist, wurde konstant ein nicht-erregender Strom, der ein konstanter Strom von 2 mA war, durch das Gewebe angesteuert. Im Ergebnis nahm die Selbststimulationsfrequenz des Segments ebenso wie die Kontraktionsfähigkeit (nach einer ersten kurzen Verringerung der Kraft) zu.
  • In einem zweiten Experiment, einem Mehrschrittexperiment, wurde ein rechter Hasenpapillarmuskel mit 1,5 Hz stimuliert. Der angelegte Strom war in einem 70 ms langen Impuls und ohne Verzögerung nach dem Herzschrittmacherimpuls konstant bei zwischen 2 und 4 mA (je nach dem experimentellen Schritt). Die Kontraktionsfähigkeit nahm um zwischen 45 % und 133 % (je nach dem Schritt) zu. Die erhöhte Kontraktionsfähigkeit wurde so lange wie zwei Stunden mit 3 mA aufrechterhalten. Anhalten des angelegten Felds verursachte eine schnelle Rückkehr zu der ursprünglichen (ungesteuerten) Kontraktionskraft. Erneutes Anlegen des Felds wiederholte die vorangehenden Ergebnisse.
  • In einem dritten Experiment erhöhte die Erhöhung der Impulsdauer eines 2-mA-Stroms über den Bereich von 10 bis 100 ms in einem linken Hasenpapillarmuskel die Kontraktionskraft; wobei allerdings keine Wirkung auf die Dauer der Muskelzuckung beobachtet wurde.
  • 8B ist eine Reihe von Graphen, die eine Zunahme der Kontraktionsfähigkeit in mehreren verschiedenen Herzmuskeltypen zeigen (wobei der horizontale Balken das Anlegen eines elektrischen Steuerfelds angibt).
  • An einem Papillarmuskel wurden zwei weitere, in der obigen Diskussion nicht enthaltene Experimente ausgeführt. In diesen Experimenten wurde nach einem Standardstimulationsimpuls (2 mA, 2 ms) ohne Verzögerung ein Dreieckimpuls mit einer Dauer von 120 ms und einer Spitze von 5 mA angelegt. Die Zunahme der Kontraktionsfähigkeit des Muskels war –1700 %, von 10 mg auf 178 mg. Die Dauer der Kontraktion erhöhte sich von 220 ms auf 260 ms.
  • In einer anderen Reihe von Experimenten wurde ein ganzes lebendes Herz aus einem Hasen (1–2 kg Gewicht) entnommen und unter Verwendung der wie oben beschriebenen Verfahren gesteuert. Die Vorrichtung, um das Herz am Leben zu erhalten, war ein Isolated Heart, Größe 5, Typ 833, hergestellt von Hugo Sachs Elektronik, Gruenstrasse 1, D-79232, March-Hugstetten, Deutschland. In diesen Experimenten war nur der linke Ventrikel funktional. Die Lungenvenen waren mit einem Versorgungsschlauch verbunden, in dem sich eine warme (~37 °C), isotonische, pH-neutrale und oxidierte Lösung befand. Die Lösung wurde durch das Herz in die Aorta gepumpt. Dem Herzen selbst wurde von der Aorta über die Herzkranzarterien Sauerstoff zugeführt. Die Herzkranzvenen entleerten sich in den rechten Ventrikel, aus dem die Lösung heraustropfte. Die heraustropfende Lösung (die Koronardurchblutung) kann dadurch, dass sie in einem Messbecher gesammelt wird, gemessen werden. Sowohl die Vorlast als auch die Nachlast des Gefäßsystems können simuliert und auf irgendeinen gewünschten Wert voreingestellt werden. Außerdem können die Nachlast und die Vorlast unter Verwendung dieser Vorrichtung gemessen werden.
  • Das Herz wurde mit einem EKG-Monitor, mit einem Herzschrittmacher und mit einem programmierbaren Impulsgenerator verbunden. Die Elektroden zum Anlegen des Felds hatten typisch eine Fläche von etwa 2 und 3 cm2. Der linke Ventrikeldruck (LVP) wurde unter Verwendung einer in den Ventrikel eingeführten Messsonde gemessen. Der Fluss durch die Aorta wurde unter Verwendung eines elektromagnetischen Durchflussmessers gemessen. Verschiedene Parameter wie etwa pH, pO2, pCO2 und die Temperatur können durch Anbringen zusätzlicher Messgeräte gemessen werden. Alle Messgeräte können mit einem Computer verbunden sein, der die Ergebnisse sammelt und vorzugsweise analysiert.
  • Ein bemerkenswertestes experimentelles Ergebnis war die Zunahme des Flusses von dem Herzen im Ergebnis der elektrischen Steuerung. Ein anderes bemerkenswertes Ergebnis war eine Zunahme der Nachlast im Ergebnis der Steuerung. Ein nochmals anderes bemerkenswertes Ergebnis war eine Zunahme des entwickelten linken Ventrikeldrucks im Herzen, wenn eine elektrische Steuerung angelegt wurde.
  • Eine Zusammenfassung von 26 Experimenten unter Verwendung eines isolierten Herzens ist wie folgt, dass in 20 Experimenten eine Zunahme des Herzzeitvolumens beobachtet wurde, während in sechs Experimenten keine Zunahme des Herzzeitvolumens beobachtet wurde. Mögliche Gründe für die Nichterhöhung des Herzzeitvolumens umfassen eine biologische Schädigung an dem Herzen, während es aus dem Tier entnommen wurde. In einigen Fällen ist diese Schädigung aus dem verringerten Herzzeitvolumen in einem isolierten Herzen im Vergleich zu einem zweiten, ansonsten ähnlichen, Hasenherzen deutlich. Andere Gründe enthalten die falsche Anordnung der Elektroden (über dem rechten Ventrikel anstatt über dem linken Ventrikel), den Überzug der Elektroden mit Proteinen und technische Probleme mit der Ausrüstung, die das elektrische Steuerfeld liefert. In 11 Experimenten, in denen der linke Ventrikel stimuliert wurde, betrug die durchschnittliche Zunahme des Herzzeitvolumens 17 % bei einer Standardabweichung von 11 %. In acht Experimenten, in denen das rechte Atrium stimuliert wurde, betrug die durchschnittliche Zunahme 9 ± 4 %. In neun Experimenten, in denen das Herz nicht stimuliert wurde und ein Steuerfeld angelegt wurde, betrug die Zunahme anhand eines Fühlens der lokalen Aktivierungszeiten 7 ± 2 %. Es wird angemerkt, dass die Anzahl der Experimente über 26 betrug, da in einigen Experimenten zwei verschiedene Stimulationsparadigmen versucht wurden.
  • 9 ist eine Reihe von Graphen, die die Ergebnisse eines Experiments zeigen, in dem ein 10-mA-Konstantstromimpuls mit einer Dauer von 20 ms angelegt wurde, der 5 ms nach der Stimulation des Herzens verzögert war. Zum Anlegen des Impulses wurden zwei Drahtelektroden verwendet, wobei eine Elektrode in der Spitze des Herzens, über dem linken Ventrikel liegend, angeordnet war, während eine Elektrode in der Basis des linken Ventrikels angeordnet war. Die Stimulation wurde unter Verwendung einer Bipolarelektrode ausgeführt, die ebenfalls in der Nähe der Spitze des Herzens am linken Ventrikel angeordnet war. Die Stimulationsfrequenz war etwa 10 % höher als die normale Stimulation. Der Stimulationsimpuls war 2 ms lang, hatte eine Amplitude von 2 mA und wurde mit einer Frequenz von ~3,5 Hz angelegt. Das Anlegen des Konstantstromimpulses ist in der Figur (und in den folgenden Figuren) durch einen Balken (gefüllt oder ungefüllt) angegeben.
  • In diesem Experiment wurden eine Zunahme der Nachlast (des tatsächlichen Drucks, der sich in der Aorta entwickelt) von etwa 5 % und eine Zunahme des LVP (des linken Ventrikeldrucks) von 3 % beobachtet. Die Zunahme des LVP gab es nur in dem Endsystolendruck, nicht in dem Enddiastolendruck. In 9 ist eine Zunahme des Flusses von etwa 11 % deutlich gezeigt. Die Zunahme des Flusses ist sehr wichtig, da eines der Hauptprobleme bei Patienten mit dekompensierter Herzinsuffizienz ein niedriger Herzfluss ist.
  • 10 ist eine Reihe von Graphen, die die Ergebnisse eines Experiments zeigen, in dem ein 5-mA-Konstantstromimpuls mit einer Dauer von 80 ms angelegt wurde, der 2 ms nach der Stimulation des Herzens verzögert war. Abgesehen davon, dass zum Anlegen des Konstantstromimpulses Kohlenstoffelektroden verwendet wurden, waren die Verdrahtung und die Stimulation in diesem Experiment ähnlich denen in dem anhand von 9 beschriebenen Experiment.
  • In diesem Experiment kann aus dem Graphen eine erkennbare Zunahme der Nachlast bestimmt werden. Außerdem kann eine Zunahme des LVP (des linken Ventrikeldrucks) von etwa 6 % beobachtet werden. Es wird angemerkt, dass die Zunahme der Nachlast sowohl für den diastolischen Druck als auch für den systolischen Druck beobachtet wird, während die Druckzunahme innerhalb des linken Ventrikels hauptsächlich die Systole betrifft. Tatsächlich gibt es eine geringfügige Verringerung des diastolischen Drucks, die eine Zunahme der Kontraktionsfähigkeit und/oder eine Verbesserung der diastolischen Wandbewegung angeben kann. In 10 ist deutlich eine Zunahme des Flusses von mehreren einhundert Prozent gezeigt. Es wird angemerkt, dass zu erwarten ist, dass ein gesundes Herz einen Fluss von etwa 100 ml/min hat. Der niedrige Anfangsfluss (12 ml/min) ist wahrscheinlich ein Ergebnis einer Schädigung an dem Herzen wie etwa einer Ischämie.
  • 11 ist eine Reihe von Graphen, die die Ergebnisse eines Experiments zeigen, in dem ein 5-mA-Konstantstromimpuls mit einer Dauer von 20 ms verwendet wurde, der 2 ms nach der lokalen Aktivierungszeit in dem Ventrikel verzögert war. Die Stimulation und Verdrahtung in diesem Experiment waren ähnlich dem anhand von 9 beschriebenen Experiment. Auf halber Strecke zwischen den zwei Steuerelektroden war an dem linken Ventrikel eine Fühlelektrode angeordnet, an der die Verzögerung relativ zu der lokalen Aktivierungszeit gemessen wurde. Die Fühlelektrode umfasste zwei "J"-förmige Iridium-Platin-Elektroden nebeneinander. Unter Verwendung einer zusätzlichen Ag-AgCl-Elektrode in der Spitze des Herzens wurde ein Stimulationsimpuls angelegt. In diesem Experiment wird die Fühlelektrode 200 ms nach Fühlen der lokalen Aktivierung abgeschaltet, so dass der Steuerimpuls nicht fehlerhaft durch die Fühlelektrode als eine lokale Aktivierung erfasst wird.
  • In diesem Experiment wurden eine Zunahme der Nachlast und eine Zunahme des LVP beobachtet. Die Zunahme des LVP war nur in dem Endsystolendruck, nicht in dem Enddiastolendruck sichtbar. In 11 ist deutlich eine Zunahme des Flusses von etwa 23 % gezeigt.
  • 12 ist eine Reihe von Graphen, die experimentelle Ergebnisse von einem anderen Experiment zeigen, das eine erhebliche Zunahme des Aortaflusses und des Aortadrucks zeigt. Die Impulsparameter waren 5 mA, 70 ms Dauer und eine Verzögerung von 5 ms. Die Stimulation und die Verdrahtung waren wie in dem Experiment aus 9.
  • 13 ist eine Reihe von Graphen, die experimentelle Ergebnisse von der Wiederholung des Experiments aus 12 zeigen, wobei sie zeigen, dass die Zunahme des Aortaflusses durch die Elektrisierung der Elektroden gesteuert wird. Somit kehrt der Fluss auf einen Grundlinienwert zurück, wenn die Elektrisierung angehalten wird; wenn die Elektrisierung neu gestartet wird, nimmt der Fluss wieder zu, und wenn die Elektrisierung wieder angehalten wird, kehrt der Fluss auf den Grundlinienwert zurück.
  • 14 ist eine Reihe von Graphen, die experimentelle Ergebnisse von einem anderen Experiment zeigen, in dem eher, als dass wie in dem zuvor beschriebenen Experiment der linke Ventrikel mit 3,5 Hz stimuliert wurde, das rechte Atrium mit 3 Hz stimuliert wurde. Abgesehen davon, dass die Stimulationselektroden im rechten Atrium sind und das Aktionspotential unter Verwendung der Leitungswege des Herzens vom rechten Atrium in den linken Ventrikel geleitet wird, sind die Stimulation und die Verdrahtung ähnlich jenen in dem Experiment aus 11. Die Impulsparameter sind 5 mA für 20 ms ohne Verzögerung nach dem Fühlen eines lokalen Aktionspotentials. Nachdem die Fühlelektrode das lokale Aktionspotential gefühlt hat, wird sie für 100 ms abgeschaltet, um die Möglichkeit zu verringern, dass der Steuerimpuls als ein lokales Aktivierungspotential identifiziert wird. In diesem Experiment wurde eine Zunahme des Flusses von 9 % beobachtet.
  • 15 ist eine Reihe von Graphen, die experimentelle Ergebnisse von einem anderen Experiment zeigen, das abgesehen davon, dass anstelle der Verwendung zweier Steuerelektroden vier Steuerelektroden verwendet wurden, ähnlich dem Experiment aus 14 ist. Die Steuerelektroden wurden in einem Quadrat mit der Fühlelektrode in der Mitte des Quadrats angeordnet. Ein Steuerelektrodenpaar umfasste eine Elektrode in der Spitze des linken Ventrikels und eine Elektrode in der Basis. Die anderen zwei Elektroden befanden sich auf halber Strecke zwischen der Basis und der Spitze des linken Ventrikels und in der Nähe des rechten Ventrikels (beiderseits des linken Ventrikels). Der angelegte Impuls war 10 mA für 20 ms mit einer Verzögerung von 2 ms. Beide Elektrodenpaare wurden gleichzeitig elektrisiert.
  • In diesem Experiment wurden eine Zunahme der Nachlast und eine Zunahme des Endsystolen-LVP beobachtet. Außerdem wurde eine Verringerung des Enddiastolen-LVP beobachtet. Außerdem ist in 15 eine Zunahme des Flusses von etwa 7 gezeigt.
  • 16 ist eine Reihe von Graphen, die die experimentellen Ergebnisse eines anderen Experiments zeigen, das abgesehen davon, dass keine Fühlelektrode verwendet wurde, ähnlich dem Experiment aus 14 war. Eher wurde eine Aktivierungssignal- Ausbreitungszeit zur Berechnung der gewünschten Verzögerung zwischen der Stimulation des rechten Atriums und dem Steuern des linken Atriums geschätzt. Die Aktivierungsausbreitungszeit wurde durch Messen der Zeit zwischen dem Stimulationssignal und der Kontraktion des linken Ventrikels geschätzt. Die Verzögerungszeit ist 5 ms mehr als die berechnete durchschnittliche Ausbreitungszeit und war etwa 140 ms. In diesem Experiment wurden eine Zunahme der Nachlast und eine Zunahme des LVP beobachtet. Außerdem ist in 16 eine Zunahme des Flusses von etwa 14 % gezeigt.
  • 17 ist eine Reihe von Graphen, die experimentelle Ergebnisse von einem anderen Experiment zeigen, das abgesehen davon, dass keine Stimulationselektroden verwendet wurden, ähnlich dem Experiment aus 14 war. Eher wurde zugelassen, dass das isolierte Herz in seinem eigenen Rhythmus stimuliert. Die Impulsparameter waren ein 20 ms langer Impuls von 10 mA, der mit einer Verzögerung von 2 ms, nachdem die Fühlelektrode ein lokales Aktivierungspotential gefühlt hat, an beide Elektrodenpaare gleichzeitig angelegt wurde.
  • In diesem Experiment wurden eine Zunahme der Nachlast und eine Zunahme des LVP beobachtet. Außerdem ist in 17 eine Zunahme des Flusses von etwa 7 % gezeigt. Es wird angemerkt, dass die Grundlinienabgabe des Herzens etwa 110 ml/min betrug, was eine Abgabe eines gesunden Herzens angibt.
  • 18A ist eine Reihe von Graphen, die experimentelle Ergebnisse von einem anderen Experiment zeigen, in dem das Herz ischämisch gemacht wurde. Abgesehen davon, dass nur ein Steuerelektrodenpaar, eine Elektrode an der Spitze und eine an der Basis des linken Ventrikels, verwendet wurde, war die Verdrahtung ähnlich der aus 17. Die Ischämie wurde so ausgelegt, dass sie durch Anhalten des Flusses von sauerstoffreicher Lösung zu den Herzkranzarterien für etwa zehn Minuten einen Herzinfarkt simulierte. Nachdem der Fluss sauerstoffhaltiger Lösung neu gestartet wurde, wurde eine Verringerung des Herzzeitvolumens von 100 ml/min auf 38 ml/min beobachtet. Außerdem wurden im Ergebnis des ischämischen Ereignisses verschiedene Arrhythmien bei der Aktivierung des Herzens beobachtet. Die Steuerung des Herzens unter Verwendung eines 20-ms-Impulses von 5 mA, der 2 ms nach der Stimulation verzögert war, erhöhte den Fluss um 16 %. Zwischen 100 und 200 ms nach dem Fühlen einer lokalen Aktivierung wurde das Fühlen blockiert. Es wird angemerkt, dass die Steuersequenz arbeitete, obgleich das Herz arrhythmisch war.
  • Ein interessantes Ergebnis der Experimente an isolierten Herzen bezieht sich auf Impulsformen, die kein Flimmern im Herzen induzieren. Es wurde bestimmt, dass der Impuls nicht länger als die halbe Dauer der Druckschwingung des linken Ventrikels dauern sollte (in diesem experimentellen Aufbau wurde die Druckwelle und nicht die elektrische Aktivität gemessen). Außerdem scheint eine kleine Verzögerung (~5 ms) zwischen der Stimulation und dem Impuls ebenfalls vor Flimmern zu schützen, wenn der linke Ventrikel stimuliert wird.
  • 18B ist eine Reihe von Graphen, die experimentelle Ergebnisse von einem anderen Experiment zeigen, in dem die Abgabe des Herzens verringert war. Das Herz wurde unter Verwendung eines ähnlichen Stimulationsschemas wie dem des Experiments aus 14 im rechten Atrium stimuliert. An den linken Ventrikel wurde unter Verwendung von Kohlenstoffelektroden ein Steuerstrom angelegt. Der Steuerstrom war ein 20-ms-Impuls mit einer Amplitude von 5 mA, der mit einer Verzögerung von 30 ms nach der Stimulation in dem rechten Atrium angelegt wurde. Im Ergebnis dieses Impulses waren der Fluss, der LVP und der Aortadruck alle merklich verringert.
  • Unter mehreren Umständen, von denen eine die Erkrankung "Hyperthropische Myokardiopathie (HOCM)" ist, ist die Verringerung des Herzzeitvolumens erwünscht. Dieses Steuerschema verringert die Abgabe des linken Ventrikels und den Widerstand, gegen den der linke Ventrikel arbeitet, was für die obige Krankheit beides erwünscht ist. Es wird die Hypothese aufgestellt, dass der frühe Steuerimpuls (er wird angelegt, bevor die Aktivierungsfront von dem rechten Atrium den linken Ventrikel erreicht) dadurch arbeitet, dass er die Refraktärperioden einiger Zellen im linken Ventrikel verlängert und dadurch die Anzahl der Zellen, die an der Systole teilnehmen, und das Herzzeitvolumen verringert. Vermutlich werden verschiedene Zellen jedes Herzzyklus beeinflusst. Alternativ kann es sein, dass die genaue Verzögerung bestimmt, welche Zellen beeinflusst werden. Es ist bekannt, das AV-Intervall zu verkürzen, um die Bedingungen von Patienten mit HOCM zu verbessern. Allerdings wird im Gebiet der gesamte Ventrikel, wenn auch früher, stimuliert. In der eben beschriebenen Ausführungsform der Erfindung veranlasst das früh angelegte elektrische Feld keine frühe Kontraktion des Ventrikels und verkürzt es nicht effektiv das AV-Intervall, wie es im Gebiet der Fall ist.
  • Die 19 und 20 zeigen die Ergebnisse von Experimenten, die an lebenden Tieren an einem Herzen im lebenden Organismus ausgeführt wurden. In dem Experiment, dessen Ergebnisse in 19 gezeigt sind, wurde ein lebender 2,5-kg-Hase unter Verwendung eines venösen Zugangs in seinem Beckengebiet betäubt, wobei sein Brustkorb geöffnet wurde, um das Herz frei zu legen. Um einen direkten Kontakt zwischen dem Herzen und den Elektroden zu liefern, wurde der Herzbeutel des Herzens entfernt. Das Herz wurde unter Verwendung eines Titanelektrodenpaars über den linken Ventrikel stimuliert, während der Steuerstrom unter Verwendung eines Kohlenstoffelektrodenpaars angelegt wurde. Wie in früheren Experimenten wurde die Stimulation in der Spitze des linken Ventrikels angelegt, während eine Steuerelektrode in der Basis und eine in der Spitze des linken Ventrikels angelegt wurden. Der Hase wurde künstlich beatmet und über den venösen Zugang wurden Flüssigkeiten zugeführt. In die linke Oberschenkelschlagader wurde ein Blutdruckkatheter eingeführt, um den arteriellen Blutdruck zu messen. Die rechte Halsschlagader wurde freigelegt und daran ein magnetischer Durchflussmesser angeordnet, um den Fluss in der Halsschlagader zu messen. Aus Zweckmäßigkeitsgründen wurde eher der Fluss in einer Halsschlagader als der Fluss in der Aorta gemessen. Allerdings wird angemerkt, dass die Halsschlagadern einen Rückkopplungsmechanismus besitzen, über den sie durch Kontraktion der Arterie eine konstante Blutzufuhr zum Gehirn aufrechtzuerhalten versuchen, falls der Fluss zu hoch ist.
  • Das Steuersignal war ein 40-ms-Impuls mit einer Amplitude von 4 mA, der 5 ms nach dem Stimulationssignal angelegt wurde. Das Stimulationssignal war ein 2-ms/2-mA-Impuls mit 5 Hz. Während des Anlegens des Steuersignals wurde eine Zunahme des Flusses in der rechten Halsschlagader von zwischen 54 und 72 % beobachtet.
  • Das Experiment, dessen Ergebnisse in 20 gezeigt sind, hatte abgesehen davon, dass der Fluss unter Verwendung eines Ultraschall-Durchflussmessers gemessen wurde, eine ähnliche Konstruktion wie das Experiment aus 19. Der Steuerstrom war ein 20-ms-Impuls mit einer Amplitude von 2 mA, der 5 ms von dem Stimulationssignal (das das gleiche wie in dem Experiment aus 19 war) verzögert war. In diesem Experiment wurde sowohl eine Zunahme des Flusses als auch eine Zunahme des Blutdrucks beobachtet.
  • 21 zeigt die Ergebnisse eines Experiments in einem Herzen im lebenden Organismus, in dem das Herz nicht stimuliert wurde. Dahingehend, dass der Blutdruck in der rechten Oberschenkelschlagader gemessen wurde und dass der Fluss unter Verwendung eines Ultraschall-Durchflussmessers durch die rechte Halsschlagader gemessen wurde, war es ähnlich den Experimenten der 19 und 20. Der Steuerimpuls wurde unter Verwendung von Titannitridelektroden in der Spitze und in der Basis des linken Ventrikels angelegt. In der Spitze des linken Ventrikels wurde eine Iridium-Platin-Bipolarelektrode angeordnet, um die Ankunft der Aktivierungsfront von dem SA-Knoten des Herzens zu fühlen. Der Steuerstrom war ein 20-ms-Impuls mit einer Amplitude von 2 mA, der 30 ms nach Fühlen der Aktivierungsfront angelegt wurde. In diesem Element wurden sowohl Zunahmen des Blutflusses als auch des Blutdrucks beobachtet.
  • Die 22 und 23 zeigen die Ergebnisse zweier Experimente, die ähnlich dem Experiment aus 21 sind, in denen der Flussparameter an der aufsteigenden Aorta gemessen wurde. Das Herz eines 1,1-kg-Hasen wurde freigelegt und unter Verwendung einer Nadel eine Fühlelektrode (bipolar) in die Spitze des Herzens eingeführt. Es wurden zwei Kohlenstoffelektroden verwendet, um in der Spitze und in der Basis des linken Ventrikels einen Steuerimpuls an das Herz anzulegen. Das Herz wurde nicht stimuliert und seine intrinsische Stimulation war etwa 5 Hz. Der Steuerimpuls hatte eine Amplitude von 5 mA und eine Dauer von 40 ms. Zwischen dem Fühlen einer Aktivierungsfront in den Fühlelektroden und dem Anlegen des Impulses gab es keine Verzögerung.
  • 22 zeigt eine Zunahme des Aortaflusses von etwa 11 %. 23, die die Ergebnisse einer Wiederholung des gleichen Experiments an dem gleichen Tier zu einem späteren Zeitpunkt zeigt, zeigt eine Zunahme von etwa 8 %.
  • Obgleich die vorliegende Erfindung hauptsächlich in Bezug auf das Herz beschrieben wurde, ist klar, dass bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auf andere Typen erregbaren Gewebes angewendet werden können. In einem Beispiel können ein Skelettmuskel und ein glatter Muskel wie oben beschrieben gesteuert werden. Allerdings ist klar, dass die meisten Muskeln andere Ionenkanäle und andere Ruhepotentiale als der Herzmuskel haben, so dass die allgemeinen Prinzipien an die individuelle Physiologie angepasst werden müssen. Außerdem können die Wirkungen in einem Skelettmuskel eine Folge der Rekrutierung von Muskelfasern sein. Ferner kann die vorliegende Erfindung auf Nervengewebe angewendet werden. Zum Beispiel können durch Dämpfen der Erregbarkeit von Nervengewebe wie oben beschrieben epileptische Anfälle und Tetanisierungen gesteuert werden. Alternativ kann die elektrische Steuerung in Verbindung mit der elektrischen Stimulation denervierter oder verkümmerter Muskeln verwendet werden, um die Genauigkeit der Stimulation zu erhöhen. Zusätzlich oder alternativ kann die elektrische Steuerung verwendet werden, um die Leitung von Stimuli entlang Nervenwegen zu blockieren oder zu verbessern, um z. B den Schmerz zu steuern.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden epileptische Anfälle gesteuert, indem Golgi-Zellen unterdrückt werden, so dass die Erregbarkeit des zugeordneten Nervengewebes verringert wird, wodurch die Menge verfügbaren Calciums verringert wird.
  • Die obige Beschreibung der bevorzugten Erfindung konzentriert sich auf die elektrische Steuerung von Herzgewebe. Da sich ein Aspekt der Steuerung auf den Calciumionentransport in dem Herzgewebe beziehen kann, ist aber eine nicht elektrische Steuerung ebenfalls möglich. Ein Hauptvorteil der nicht elektrischen Steuerung ist, dass, obgleich die falsche Synchronisation der Steuerung zu dem Herzzyklus das Herzzeitvolumen verringern kann, wenig oder keine Gefahr des Flimmerns besteht. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird Licht verwendet, um den Calciumtransport in Abschnitten des Herzens zu steuern. Um den Calciumtransport direkt zu beeinflussen, kann Laserlicht verwendet werden. Alternativ kann ein durch Licht aktivierter Chelator, der wenigstens in einige Zellen im Herzen eingeführt wird, durch normales Licht aktiviert werden, um die Verfügbarkeit des Calciums in den beleuchteten Zellen zu ändern (zu erhöhen oder zu verringern). Eine Steuereinheit in Übereinstimmung mit dieser Ausführungsform der Erfindung enthält wenigstens eine Lichtquelle und einen Lichtleiter, vorzugsweise eine Glasfaser, der/die das Licht zu den gewünschten Abschnitten des Herzens befördert. Vorzugsweise ist die Glasfaser eine Silikonkautschukglasfaser, die bruchbeständig ist. Alternativ umfasst die Steuereinheit mehrere lichtemittierende Elemente wie etwa Laserdioden, die direkt an dem gesteuerten Gewebe angeordnet sind. Ferner wird das Licht alternativ durch einen Katheter geliefert, der in das Herz eingeführt wird und entweder in dem Herzen schwebt oder an der Herzwand befestigt ist. Vorzugsweise enthält die Steuereinheit einen EKG-Sensor, um wie oben beschrieben lokale und/oder globale Aktivierungszeiten zu fühlen.
  • Eine Beschränkung von Licht gegenüber elektrischem Strom ist, dass das Licht, wenn die Körpergewebe nicht durchsichtig für die besondere verwendete Wellenlänge sind, nur eine sehr lokalisierte Wirkung haben kann, während eine globale Wirkung viele Lichtquellen erfordert, was invasiv ist. Ein Typ einer weniger invasiven Lichtquelle, die nützlich sein kann, ist eine Glasfaser mit einem teilweise freiliegenden Mantel. Das Licht sickert in den freiliegenden Abschnitten aus der Faser durch, so dass eine einzelne Faser mehrere Orte beleuchten kann.
  • In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung wird elektromagnetische Strahlung mit niedrigen Frequenzen und/oder Hochfrequenzen verwendet, um den Calciumtransport in dem Herzgewebe zu beeinflussen. Um die elektromagnetische Strahlung zu liefern, können mehrere Verfahren verwendet werden. In einem Verfahren wird das gesamte Herz, vorzugsweise synchron zum gefühlten EKG des Herzens, bestrahlt. In einem anderen Verfahren wird eine phasengesteuerte Anordnung verwendet, um bei der Bestrahlung des Herzens zu helfen. Wie oben angemerkt wurde, wiederholt das nicht arrhythmische Herz in jedem Zyklus im Wesentlichen seine Position, so dass es kein Problem der Ausrichtung zwischen einer äußeren Quelle und einem Abschnitt des Herzens gibt. In einem nochmals anderen Verfahren enthält eine implantierte Vorrichtung mehrere Antennen, die jeweils benachbart zu einem zu steuernden Gewebeabschnitt angeordnet sind. Die Antennen können durch eine zentrale Quelle mit Leistung versorgt werden. Alternativ konzentrieren die Antennen extern angelegte Strahlung. Weiter alternativ sind die Antennen Spulen, die lokalisierte magnetische Wechselfelder erzeugen. Es wird angemerkt, dass elektromagnetische Strahlung zur Verringerung der Calciumverfügbarkeit geeignet zu sein scheint, was sie geeignet macht, die Sauerstoffanforderungen eines Infarktgewebes nach einem Herzinfarkt zu verringern. In Ausführungsformen, die wie bei Licht und elektrischem Strom elektromagnetische Strahlung verwenden, kann es eine Langzeitverringerung der Wirksamkeit der Steuereinheit wegen eines Anpassungsmechanismus des Herzens geben. Somit wird die Steuereinheit in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung nicht ununterbrochen verwendet, wobei bevorzugte Ruheperioden zwischen den Verwendungen je nach der Anpassung des Herzens Minuten, Stunden, Tage oder Wochen betragen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden zwei oder mehr Steuermodalitäten gleichzeitig angewendet, wobei z. B. sowohl Lichtstrahlung als auch elektrische Felder angewendet werden. Alternativ können diese Modalitäten abwechselnd angewendet werden, um Anpassungsmechanismen zu bewältigen. Vorzugsweise wird jede Modalität angewendet, bis die Anpassung einsetzt, wobei die Modalität an diesem Punkt umgeschaltet wird.
  • Obgleich die vorliegende Erfindung unter Verwendung einer begrenzten Anzahl bevorzugter Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist klar, dass es im Anwendungsbereich der Erfindung liegt, verschiedene Ausführungsformen zu kombinieren, z. B. die Kontraktionsfähigkeit des linken Ventrikels zu erhöhen und gleichzeitig die Herzfrequenz in dem rechten Atrium zu steuern. Außerdem liegt es im Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung, Beschränkungen aus verschiedenen Ausführungsformen, z. B. Beschränkungen der Impulsdauer und der Impulsverzögerung relativ zu einer Aktivierung oder Beschränkungen des Elektrodentyps und der Elektrodengröße, zu kombinieren. Obgleich nicht alle der hier beschriebenen Verfahren so verstanden werden sollen, dass sie unter Verwendung dedizierter oder programmierter Steuereinheiten ausgeführt werden, enthält der Anwendungsbereich der Erfindung ferner Steuereinheiten, die diese Verfahren ausführen. In einigen Fällen wurden der Klarheit halber Beschränkungen der bevorzugten Ausführungsformen unter Verwendung einer Aufbau- oder Funktionssprache beschrieben, wobei der Anwendungsbereich der Erfindung aber die Anwendung dieser Beschränkungen sowohl auf Vorrichtungen als auch auf Verfahren einschließt.
  • Für den Fachmann ist klar, dass die vorliegende Erfindung nicht auf das zuvor besonders Beschriebene beschränkt ist. Vielmehr ist die vorliegende Erfindung nur durch die folgenden Ansprüche beschränkt.

Claims (25)

  1. Herzsteuerungsvorrichtung, die geeignet ist, die Aktivität des Herzens oder eines Abschnitts davon zu ändern, und die eine Schaltungsanordnung zum Erzeugen eines nicht-erregenden elektrischen Felds (37) und Elektroden (34, 36, 37, 52, 54, 59) zum Anlegen des nicht-erregenden elektrischen Felds an ein Herz oder an einen Abschnitt davon umfasst, wobei die Schaltungsanordnung zum Erzeugen eines nicht-erregenden elektrischen Felds (37) ein Feld mit einer Zeitgebung relativ zur Aktivierung des Herzens oder eines Abschnitts davon und mit einer Amplitude, einer Form, einer Phase, einer Frequenz und einer Dauer, sodass kein sich ausbreitendes Aktionspotential erzeugt werden kann, erzeugt.
  2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, die Mittel zum Erzeugen eines nicht-erregenden elektrischen Wechselfelds umfasst.
  3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, die Mittel umfasst, um dem nicht-erregenden elektrischen Feld (37) eine zeitliche Einhüllende zu verleihen, die aus einer exponentiellen zeitlichen Einhüllenden, aus einer sinusförmigen zeitlichen Einhüllenden, aus einer rechteckigen zeitlichen Einhüllenden, aus einer dreieckigen zeitlichen Einhüllenden, aus einer ansteigenden zeitlichen Einhüllenden, aus einer sägezahnförmigen zeitlichen Einhüllenden und aus einer zweiphasigen zeitlichen Einhüllenden ausgewählt ist.
  4. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, die ferner Mittel zum Abbilden des Aktivierungsprofils des Abschnitts umfasst.
  5. Herzsteuerungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Elektroden (34, 36, 37, 52, 54, 59) geeignet sind, außerhalb des Körpers angeordnet zu werden.
  6. Herzsteuerungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, die geeignet ist, einen Parameter zu steuern, der aus der Kontraktionskraft, aus der Herzfrequenz, aus dem Schlagvolumen, aus dem Kammer- oder Aortadruck oder aus dem Ausgangsfluss ausgewählt ist.
  7. Herzsteuerungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Elektroden (34, 36, 37, 52, 54, 59) wenigstens eine Unipolarelektrode und ein Gehäuse, das als eine zweite Elektrode arbeitet, umfassen.
  8. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, die wenigstens zwei Elektroden umfasst, die geeignet sind, das nicht-erregende elektrische Feld (37) wenigstens über einen vorgegebenen Anteil des Herzen anzulegen.
  9. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, die wenigstens drei Elektroden umfasst, wobei jedes Paar der wenigstens drei Elektroden wahlweise und getrennt elektrisierbar ist. 10 Vorrichtung gemäß Anspruch 1, die einen Sensor (58), der die Aktivierung eines Abschnitts eines Herzens fühlen kann, und eine Feldanlege-Schaltungsanordnung, die in Reaktion auf die durch den Sensor (58) gefühlte Aktivierung das Feld an die Elektroden (34, 36, 37, 52, 54, 59) anlegen kann, umfasst.
  10. Vorrichtung gemäß Anspruch 10, die ferner eine Logikschaltungsanordnung zum Berechnen der Anlegeparameter des elektrischen Felds aus der durch den Sensor (58) gefühlten Aktivierung umfasst.
  11. Vorrichtung gemäß Anspruch 11, bei der die Anlegeparameter die Verzögerungszeit aus der gefühlten Aktivierung enthalten.
  12. Vorrichtung gemäß Anspruch 10, die ferner mehrere Sensoren umfasst, die unabhängig oder in einer gemeinsamen Logik fühlen.
  13. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, die ferner Rückkopplungssteuermittel zum Messen wenigstens einer physiologischen Reaktion auf die Elektrisierung der Elektroden (34, 36, 37, 52, 54, 59) und zum Ändern der Anlegeparameter des nicht-erregenden elektrischen Felds (37) im Ergebnis der Reaktionen umfasst, um die Reaktionen innerhalb eines vorgegebenen Wertebereichs zu erhalten.
  14. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, die ferner eine Synchronisationsschaltungsanordnung zum Synchronisieren des Anlegens des nicht- erregenden elektrischen Felds (37) mit dem durch einen Herzschrittmacher erzeugten Stimulationssignal umfasst, wobei der Herzschrittmacher und der Rest der Vorrichtung in einem gemeinsamen Gehäuse enthalten sind und gemeinsame Elektroden verwenden.
  15. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, die ferner eine Synchronisationsschaltungsanordnung zum Synchronisieren des Anlegens des nicht-erregenden elektrischen Felds (37) an das durch einen Defibrillator erzeugte Defibrillationssignal umfasst, wobei der Defibrillator und der Rest der Vorrichtung in einem gemeinsamen Gehäuse enthalten sind und gemeinsame Elektroden verwenden.
  16. Vorrichtung gemäß Anspruch 4, die ferner eine Schaltungsanordnung zum Ändern der Leitungsgeschwindigkeit in einem nicht arrhythmischen Segment eines Herzabschnitts umfasst.
  17. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, die ferner eine Schaltungsanordnung zum Fühlen der Aktivierung durch Fühlen eines Werts eines Parameters eines EKG und eine Schaltungsanordnung zum Schätzen der Aktivierungszeit anhand eines dem Wert des Parameters zugeordneten Verzögerungswerts umfasst.
  18. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, die Mittel zum Elektrisieren der Elektroden (34, 36, 37, 52, 54, 59) unter Verwendung eines einzelnen Signals, das ein Stimulationssignal und ein nicht-erregendes elektrisches Feld (37) verknüpft, umfasst.
  19. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, die Steuermittel und Speichermittel zum Koordinieren der Elektrisierung aller Elektroden (34, 36, 37, 52, 54, 59) umfasst.
  20. Herzsteuerungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, die eine Schaltungsanordnung zum Anlegen eines nicht-erregenden elektrischen Felds an einen ersten Abschnitt einer Herzkammer, sodass eine Kontraktionskraft des ersten Abschnitts verringert wird, und eine Schaltungsanordnung zum Anlegen eines nicht-erregenden elektrischen Felds (37) an einen zweiten Abschnitt einer Kammer, sodass eine Kontraktionskraft des zweiten Abschnitts erhöht wird, umfasst.
  21. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, die eine Schaltungsanordnung zum Anlegen getrennter nicht-erregender elektrischer Felder unabhängig oder in Synchronisation miteinander an mehrere Unterabschnitte eines Herzens, die jeweils unabhängig definierte Aktivierungen besitzen, umfasst.
  22. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung zum Erzeugen eines nicht-erregenden elektrischen Felds (37) ein Feld mit einer Größe, einer Form, einem Tastgrad, einer Phase, einer Frequenz und einer Dauer erzeugt, die geeignet sind, die elektromechanische Aktivität des Gewebes in dem Bereich zu steuern, in dem eine Operation ausgeführt werden soll, wobei das Feld kein sich ausbreitendes Aktionspotential erzeugen kann.
  23. Vorrichtung gemäß Anspruch 23, die eine Schaltungsanordnung zum Erzeugen eines nicht-erregenden elektrischen Felds (37) und Elektroden (34, 36, 37, 52, 54, 59) zum Anlegen des nicht-erregenden elektrischen Felds (37) an eine Herzkammer oder an einen Abschnitt davon umfasst, wobei die Schaltungsanordnung zum Erzeugen eines nicht-erregenden elektrischen Felds (37) ein Feld mit einer Größe, einer Form, einem Tastgrad, einer Phase, einer Frequenz und einer Dauer erzeugt, die geeignet sind, den Ausgangsfluss, die Kontraktionsfähigkeit oder den Druck der Kammer zu verringern, wenn an dem durch den Fluss der Kammer durchtränkten Gewebe eine Operation ausgeführt wird, wobei das Feld so beschaffen ist, dass es kein sich ausbreitendes Aktionspotential erzeugen kann, und wobei anschließend in dem Bereich der geforderte Eingriff ausgeführt wird.
  24. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Schaltungsanordnung eine implantierbare Lichtquelle, die für wenigstens 1000 Herzzyklen über eine Zeitdauer von weniger als 5000 Zyklen Lichtimpulse erzeugt, oder mehrere Lichtquellen, die jeweils an einer anderen Stelle des Herzens befestigt sind, sowie einen Wellenleiter zum Liefern nicht beschädigender Lichtintensitäten von der Lichtquelle zu wenigstens einer Stelle des Herzens umfasst.
  25. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Schaltungsanordnung Mittel zum Bestrahlen des Abschnitts mit einer Hochfrequenzstrahlung, die mit der Aktivierung synchronisiert ist, und Mittel zum Wiederholen der Bestrahlung in wenigstens 100 Herzzyklen während einer Periode von weniger als 1000 Herzzyklen umfasst.
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