DE69926347T2

DE69926347T2 - Vorrichtung zur steuerung des herzrhythmus unter verwendung der transthorakalen impedanz

Info

Publication number: DE69926347T2
Application number: DE69926347T
Authority: DE
Inventors: W. Jesse HARTLEY; H. Marc COHEN; J. Nicholas STESSMAN; A. Scott REEDSTROM; D. Steven CHECK; P. James NELSON
Original assignee: Cardiac Pacemakers Inc
Current assignee: Cardiac Pacemakers Inc
Priority date: 1998-02-27
Filing date: 1999-02-26
Publication date: 2006-05-24
Anticipated expiration: 2019-02-27
Also published as: CA2322174A1; EP1061998B1; EP1061998A1; US6076015A; ATE300332T1; US6161042A; DE69926347D1; US20030105499A1; US6463326B1; WO1999043385A1

Description

Technisches Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Herzrhythmusregulationsvorrichtungen (cardiac rhythm management devices) und insbesondere, aber nicht in beschränkender Weise, auf eine frequenzadaptive Herzrhythmusregulationsvorrichtung, die Informationen der transthorakalen Impedanz (transthoracic impedance information) wie beispielsweise ein Minutenventilationssignal zum Steuern der Frequenz, mit der dem Herz eines Patienten eine Herzstimulationstherapie bzw. Herzschrittmachertherapie (pacing therapy) zugeführt wird, verwendet.
Hintergrund der Erfindung
Herzschrittmacher und andere Herzrhythmusregulationsvorrichtungen führen dem Herz eines Patienten eine Herztherapie zu, um bei einem Erhalten eines Rhythmus von Herzkontraktionen, der einen ausreichenden Blutfluß durch das Kreislaufsystem des Patienten unter einer Vielfalt von Bedingungen aufrechterhält, zu helfen. Insbesondere führen frequenzadaptive Herzschrittmacher elektrische Herzschrittmacherimpulse zu, um Kontraktionen des Herzes zu stimulieren. Die Frequenz, mit der die Impulse zugeführt werden, wird derart eingestellt, daß sie mit einem Stoffwechselbedarf des Patienten in Einklang gebracht wird. Während eines Trainings bzw. Übungen werden höhere Herzfrequenzen zugeführt, während niedrigere Herzfrequenzen zugeführt werden, wenn der Patient ruht.
Es werden verschiedene Parameter als eine Angabe des Stoffwechselbedarfs des Patienten für eine Herzschrittmachertherapie verwendet, einschließlich: Blut-pH-Wert, Bluttemperatur, Elektrokardiogramm-(EKG-)Artefakte wie beispielsweise das QT-Intervall, Blutsauerstoffsättigung, Atemfrequenz, Minutenventilation usw.. Herzschrittmacher weisen spezifische Steueralgorithmen zum Verfolgen der einen Stoffwechselbedarf angebenden Parameter auf und stellen ein Steuersignal zum entsprechenden Einstellen der Herzschrittmacherfrequenz bereit. Es ist eine Vielfalt von Schwierigkeiten, die ein Erfassen des einen Stoffwechselbedarf angebenden Parameters und ein Steuern der Herzschrittmacherfrequenz komplizieren, vorhanden.
Ein Erfassen bzw. Detektieren des Blut-pH-Werts ist zum Beispiel Sensorstabilitätsproblemen ausgesetzt. pH-Sensoren können mit dem Alter und der Zeit driften. Die Blutsauerstoffsättigung wird unter Verwendung von Lichtemissionseinrichtungen, die das zum Koppeln der Impulserzeugungseinrichtung bzw. des Impulsgenerators des Herzschrittmachers mit dem Herz verwendete Zuleitungssystem komplizieren, gemessen. Die Bluttemperatur ist wegen der langen Zeitverzögerung zwischen dem Einsetzen von Übungen und einer detektierbaren Erhöhung der Bluttemperatur ein schlechter Indikator des Stoffwechselbedarfs. EKG-Artefakte wie beispielsweise das QT-Intervall sind bei dem Vorhandensein von anderen Myopotentialen und Bewegungsartefakten schwer zu detektieren. Die Atemfrequenz, auf die auch als Atmungsfrequenz Bezug genommen wird, ist nicht besonders gut mit dem Bedarf an einem erhöhten Blutkreislauf korreliert. Es ist zum Beispiel möglich, daß sich die Atmungsfrequenz erhöht, während der Patient schläft oder spricht.
Die Minutenventilation (auf die auch als "Minutenvolumen" oder "MV" Bezug genommen wird) ist ein atmungsbezogener Parameter, der ein Maß für das Volumen der während einer speziellen Zeitspanne eingeatmeten und ausgeatmeten Luft ist. Die Minutenventilation korreliert über einen Bereich von Herzfrequenzen gut mit dem Stoffwechselbedarf des Patienten für eine erhöhte Herzfrequenz. Ein Minutenventilationssignal kann erhalten werden, indem eine transthorakale (quer über die Brust oder den Thorax) Impedanz gemessen wird. Die transthorakale Impedanz stellt Atmungs- oder Ventilationsinformationen einschließlich dessen, wie schnell und wie tief ein Patient atmet, bereit.
Eine Komponente der transthorakalen Impedanz variiert, während der Patient einatmet und ausatmet. Informationen der Ventilation (zum Beispiel die Atemfrequenz, auf die auch als "Ventilationsfrequenz" oder "VR" Bezug genommen wird, und das Atemvolumen, auf das auch als "Atemzugvolumen" oder "TV" Bezug genommen wird) sind in dem Impedanzsignal enthalten. Ein Signal der Minutenventilation (auf die auch als "Minutenvolumen" oder "MV" Bezug genommen wird) wird aus dem Impedanzsignal abgeleitet, wie es durch eine Gleichung 1 veranschaulicht wird. Das MV mißt den Luftdurchsatz (zum Beispiel Liter pro Minute), das TV mißt das Volumen pro Atemzug (zum Beispiel Liter pro Atemzug), und die VR mißt die Atemfrequenz (zum Beispiel Atemzüge pro Minute). MV = TV × VR (1)
Ein größeres MV-Signal gibt einen Stoffwechselbedarf für eine erhöhte Herzfrequenz an, und die Herzschrittmacherfrequenz kann durch eine Herzrhythmusregulationsvorrichtung entsprechend eingestellt werden. Ein Ansatz zum Messen der transthorakalen Impedanz ist zum Beispiel in Hauck et al., US-Patent 5,318,597, mit dem Titel "RATE ADAPTIVE CARDIAC RHYTHM MANAGEMENT DEVICE CONTROL ALGORITHM USING TRANS-THORACIC VENTILATION" beschrieben.
Es müssen jedoch viele Probleme überwunden werden, um die wirksamste Herzrhythmusregulationstherapie für den Patienten bei einer Vorrichtung bereitzustellen, die für eine lange Zeitspanne in dem Patienten implantiert bleiben kann, bevor eine aufwendige chirurgische Explantations- und Ersetzungsprozedur erforderlich ist.
Zuerst sind die in dem Signal der transthorakalen Impedanz enthaltenen Ventilationsinformationen mit einer Vielfalt von fremden Signalen, die es schwer machen, die Ventilationsinformationen zu detektieren, vermengt. Da sich zum Beispiel das Herz während jedes Herzzyklus zusammenzieht, ändert sich sein Blutvolumen, was zu einer signifikanten Änderung des Signals der transthorakalen Impedanz, die ohne Bezug zu den Ventilationsinformationen ist, beiträgt. Auf die sich aus Herzkontraktionen ergebenden Blutvolumenänderungen zuzuschreibende Änderung des Signals der transthorakalen Impedanz wird als das Signal des kardialen "Schlagvolumens" oder "Schlags" Bezug genommen. Überdies sind die Frequenzen der Herzkontraktionen (zum Beispiel 1–3 Hz) sehr dicht an der Frequenz des Atmens des Patienten (zum Beispiel unter 1 Hz). Dies kompliziert eine Trennung des Schlagsignals und des Ventilationssignals.
Ferner ändert sich die Frequenz der Schlag- und Ventilationssignale gemäß einer Aktivität des Patienten. Ein ruhender Patient kann zum Beispiel eine Herzfrequenz von 60 Schlägen pro Minute und eine Ventilationsfrequenz von 10 Atemzügen pro Minute aufweisen. Wenn er trainiert bzw. übt, kann der gleiche Patient eine Herzfrequenz von 120 Schlägen pro Minute und eine Ventilationsfrequenz von 60 Atemzügen pro Minute aufweisen. Die sich ändernden Frequenzen der Schlag- und Ventilationssignale komplizieren die Trennung dieser Signale weiter.
Ein anderer Aspekt von Herzkontraktionen verschleiert das Ventilationssignal ebenfalls. Herzkontraktionen werden durch elektrische Depolarisationen (zum Beispiel einen QRS-Komplex) initiiert, die sich aus einer stimulierten oder intrinsischen Herzaktivität ergeben. Derartige elektrische Herzaktivitätssignale können während der Messung der transthorakalen Impedanz detektiert werden. Dies vermindert die Genauigkeit der Messung der transthorakalen Impedanz weiter und erhöht die Schwierigkeit des Erhaltens von genauen Ventilationsinformationen.
Ein weiteres Problem mit bestimmten anderen auf der Minutenventilation basierenden Herzrhythmusregulationsvorrichtungen ergibt sich aus der Verwendung eines Stromimpulses mit relativ hoher Amplitude (zum Beispiel 1 Milliampere) zum Detektieren der transthorakalen Impedanz. Die Verwendung von Stimuli mit hoher Amplitude verschwendet Energie, riskiert ein Fangen (capturing) des Herzes (das heißt ein Hervorrufen einer Kontraktion), kann eine falsche Detektion von intrinsischer Herzaktivität durch die Leseverstärker des Herzschrittmachers auslösen und kann ein verwirrendes oder ärgerliches Artefakt bei Elektrokardiogramm-(EKG-)Aufzeichnungen oder anderer Diagnoseausrüstung erzeugen.
Somit besteht ein Bedarf an einer Herzrhythmusregulationsvorrichtung, die die Herzfrequenz des Patienten basierend auf einer genauen Angabe des Stoffwechselbedarfs wirksam reguliert. Eine derartige Herzrhythmusregulationsvorrichtung muß ausreichend robust sein, um bei dem Vorhandensein von fremden Rauschsignalen, die die Angabe des Stoffwechselbedarfs verwirren, zu arbeiten. Es besteht ein weiterer Bedarf für eine derartige Vorrichtung zum Arbeiten mit einem niedrigen Energieverbrauch, um die Verwendungslebensdauer der batteriebetriebenen implantierbaren Vorrichtung zu maximieren.
Die US-A-4,781,201 offenbart eine Vorrichtung gemäß dem ersten Teil des Patentanspruchs 1, der eine Vorrichtung zum Unterdrücken von Herz-Kreislauf-Artefakten aus einem aus einer gemessenen transthorakalen Impedanz erhaltenen Atmungssignal bereitstellt. Die Herzfrequenz wird bestimmt. Die Vorrichtung schwächt einen Abschnitt des Frequenzspektrums des Atmungssignals basierend auf der Frequenz, mit der die Vorrichtung das Atmungssignal abtastet, ab, wobei die Abtastfrequenz proportional zu der Herzfrequenz ist und wodurch die Grenzfrequenz proportional zu der Herzfrequenz variiert.
Die EP-A-0765632 offenbart ein Atmungsüberwachungsgerät. Die EP-A-0447024 offenbart einen Herzschrittmacher mit einem Filter, das eine durch die Herzfrequenz bestimmte Grenzfrequenz aufweist. Die EP-A-0702977 offenbart eine Vorrichtung zum Detektieren von obstruktiven Atemwegsstörungen.
Die vorliegende Erfindung ist in dem Patentanspruch 1 definiert. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen dargelegt.
Ein Ausführungsbeispiel weist eine Herzrhythmusregulationsvorrichtung auf. Die Vorrichtung weist eine zum Koppeln mit einem Thorax eines Patienten zum wiederholten Zuführen eines Mehrphasenstimulus zu diesem eingerichtete Erregungseinrichtung auf. Eine Signalverarbeitungseinrichtung weist eine Empfangseinrichtung zum auf die Stimuli ansprechenden bzw. antwortenden Erhalten von Informationen einer transthorakalen Impedanz auf. Eine in der Signalverarbeitungseinrichtung enthaltene Demodulationseinrichtung weist Abtastelemente zum Demodulieren der transthorakalen Impedanz im Ansprechen bzw. als Antwort auf verschiedene Phasen des Mehrphasenstimulus auf. Eine Therapieschaltung ist zum Koppeln mit einem Herz des Patienten zum Zuführen einer Herzrhythmusregulationstherapie zu diesem eingerichtet. Eine Steuereinrichtung ist mit der Therapieschaltung gekoppelt, um eine Frequenz der Zuführung der Herzrhythmusregulationstherapie basierend auf der transthorakalen Impedanz einzustellen.
Bei einem Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung eine Rauschumkehrungsschaltung (noise-reversion circuit) auf, die eine Frequenzeinstellung verhindert, falls das Signal der transthorakalen Impedanz zu verrauscht ist. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Vorrichtung in einem Herzrhythmusregulationssystem enthalten, das auch eine erste und zweite Elektroden tragende endokardiale Zuleitung und ein dritte und vierte Elektroden aufweisendes Gehäuse aufweist.
Eine andere Ausgestaltung der Erfindung weist eine Herzrhythmusregulationsvorrichtung auf, die eine Erregungseinrichtung zum Zuführen von Stimuli zu einem Thorax aufweist. Eine Signalverarbeitungseinrichtung weist eine Empfangseinrichtung zum auf die Stimuli antwortenden Erhalten einer transthorakalen Impedanz auf. Die Signalverarbeitungseinrichtung extrahiert Ventilationsinformationen aus der transthorakalen Impedanz. Die Signalverarbeitungseinrichtung weist ein adaptives Tiefpaßfilter zum Entfernen einer Herzschlagkomponente des Signals der transthorakalen Impedanz auf. Eine Grenzfrequenz des adaptiven Tiefpaßfilters basiert adaptiv auf einem Herzfrequenzsignal des Patienten. Die Grenzfrequenz des adaptiven Tiefpaßfilters ist unabhängig von einem Atemfrequenzsignal von dem Patienten. Eine Therapieschaltung ist zum Koppeln mit einem Herz des Patienten zum Zuführen einer Herzrhythmusregulationstherapie zu diesem eingerichtet. Eine Steuereinrichtung ist mit der Therapieschaltung gekoppelt, um eine Frequenz der Zuführung der Herzrhythmusregulationstherapie basierend auf den Ventilationsinformationen einzustellen.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel stellt unter anderem ein Herzrhythmusregulationssystem, eine Herzrhythmusregulationsvorrichtung und Herzrhythmusregulationsverfahren bereit, die eine transthorakale Impedanz erfassen und eine Zuführungsrate der Herzrhythmusregulationstherapie basierend auf aus der transthorakalen Impedanz extrahierten Informationen einstellen. Das Ausführungsbeispiel reguliert die Herzfrequenz des Patienten basierend auf einer genauen Angabe des Stoffwechselbedarfs wirksam. Es sorgt für einen robusten Betrieb bei dem Vorhandensein von fremden Rauschsignalen, die die Angabe des Stoffwechselbedarfs verwirren. Es sorgt auch für einen niedrigen Energieverbrauch, was die Verwendungslebensdauer der batteriebetriebenen implantierbaren Vorrichtung erhöht. Andere Vorteile werden bei einem Lesen der folgenden ausführlichen Beschreibung der Erfindung zusammen mit den beigefügten Zeichnungen, die einen Teil davon bilden, ersichtlich.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
In den Zeichnungen beschreiben gleiche Bezugszeichen überall in den verschiedenen Ansichten im wesentlichen ähnliche Komponenten.
1 zeigt ein schematisches Diagramm/Blockschaltbild, das ein Ausführungsbeispiel eines Herzrhythmusregulationssystems gemäß der vorliegenden Erfindung einschließlich einer Herzrhythmusregulationsvorrichtung und Elektrodenverbindungen allgemein veranschaulicht.
2 zeigt ein schematisches Diagramm/Blockschaltbild, das ein Ausführungsbeispiel von in einer Erregungseinrichtung zum Zuführen von elektrischen Erregungsstimuli zu einem Herz enthaltenen speziellen Schaltungen allgemein veranschaulicht.
3 veranschaulicht einen derzeitigen Signalverlauf allgemein, der sich aus einem Betrieb einer Erregungseinrichtung gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ergibt.
4 zeigt ein Blockschaltbild, das ein Ausführungsbeispiel von Abschnitten einer Signalverarbeitungseinrichtung allgemein veranschaulicht.
5 zeigt ein schematisches Diagramm, das ein Ausführungsbeispiel eines Vorverstärkers allgemein veranschaulicht.
6 zeigt ein schematisches Diagramm, das ein Ausführungsbeispiel einer Demodulationseinrichtung allgemein veranschaulicht.
7 zeigt ein Signalflußdiagramm, das ein Ausführungsbeispiel eines adaptiven Filters allgemein veranschaulicht.
8 zeigt ein Flußdiagramm, das ein Beispiel für eine Folge von Schritten zum Berechnen einer durch eine Minutenventilation angegebenen Frequenz allgemein veranschaulicht.
9 zeigt ein Flußdiagramm, das ein zweites Beispiel für eine Folge von Schritten zum Berechnen einer durch eine Minutenventilation angegebenen Frequenz allgemein veranschaulicht.
10 zeigt ein Blockschaltbild, das ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Signalverarbeitungseinrichtung allgemein veranschaulicht.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
In der folgenden ausführlichen Beschreibung ist Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genommen, die einen Teil davon bilden und in denen auf dem Wege der Veranschaulichung spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt sind, in denen die Erfindung in die Praxis umgesetzt werden kann. Diese Ausführungsbeispiele sind ausreichend ausführlich beschrieben, um es dem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung in die Praxis umzusetzen, und es ist selbstverständlich, daß die Ausführungsbeispiele kombiniert werden können oder daß andere Ausführungsbeispiele genutzt werden können und daß strukturelle, logische und elektrische Änderungen ausgebildet werden können, ohne von dem Bereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die folgende ausführliche Beschreibung ist daher nicht in einem beschränkenden Sinne zu nehmen, und der Bereich der vorliegenden Erfindung wird durch die beigefügten Patentansprüche und ihre Äquivalente definiert.
Elektrodenkonfiguration und Blockschaltbild der obersten Ebene
Die 1 zeigt ein schematisches Diagramm/Blockschaltbild, das beispielhaft, aber nicht in beschränkender Weise, ein Ausführungsbeispiel eines Herzrhythmusregulationssystems 100 gemäß der vorliegenden Erfindung allgemein veranschaulicht. Das System 100 weist unter anderem eine Herzrhythmusregulationsvorrichtung 105 und einen Zuleitungsdraht ("Zuleitung") 110 zum Kommunizieren von Signalen zwischen der Vorrichtung 105 und einem Abschnitt eines lebenden Organismus wie beispielsweise eines Herzes 115 auf. Ausführungsbeispiele der Vorrichtung 105 umfassen Bradykardie- und Antitachykardieherzschrittmacher, Kardioverteren, Defibrillatoren, Kombinationsherzschrittmacher/-defibrillatoren, Arzneimittelzuführungsvorrichtungen und jedes andere Herzrhythmusregulationsgerät, das zum Bereitstellen einer Therapie für das Herz 115 in der Lage ist. Das System 100 kann auch zusätzliche Komponenten wie zum Beispiel ein Fernprogrammiergerät, das zum Kommunizieren mit der Vorrichtung 105 in der Lage ist, umfassen.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist das System 100 in den lebenden Organismus wie beispielsweise in eine Brust- oder Unterleibsregion eines menschlichen Patienten oder anderswo implantierbar. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel sind Abschnitte des Systems 100 (zum Beispiel die Vorrichtung 105) alternativ außerhalb des menschlichen Patienten angeordnet. Bei dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel sind Abschnitte der Zuleitung 110 in der rechten Herzkammer angeordnet, jedoch ist jede andere Positionierung der Zuleitung 110 in der vorliegenden Erfindung enthalten. Die Zuleitung 110 kann zum Beispiel alternativ in dem Herzvorhof oder anderswo positioniert sein. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Zuleitung 110 eine kommerziell verfügbare bipolare Herzschrittmacherzuleitung. Das System 100 kann auch andere Zuleitungen zusätzlich zu der Zuleitung 110 aufweisen, die entsprechend angeordnet sind, wie beispielsweise in dem oder um das Herz 115 oder anderswo.
Bei einem Ausführungsbeispiel weist das System 100 zumindest vier Elektroden auf, wie beispielsweise in Hauck et al., US-Patent 5,284,136, mit dem Titel "DUAL INDIFFERENT ELECTRODE PACEMAKER" beschrieben. Es ist jedoch selbstverständlich, daß die vorliegende Erfindung auch ein Verwenden einer anderen Anzahl von Elektroden (zum Beispiel 2 oder 3 Elektroden oder mehr als 4 Elektroden) umfaßt. Bei einem Beispiel koppelt ein erster Leiter der Mehrleiterzuleitung 110 eine erste Elektrode wie beispielsweise eine Spitzenelektrode (tip electrode) 120 (die zum Beispiel an der Spitze der rechten Herzkammer des Herzes 115 angeordnet ist) elektrisch mit der Vorrichtung 105. Ein zweiter Leiter der Mehrleiterzuleitung 110 koppelt eine zweite Elektrode wie beispielsweise eine Ringelektrode (ring electrode) 125 unabhängig elektrisch mit der Vorrichtung 105. Bei einem Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung 105 ein hermetisch versiegeltes Gehäuse 130 auf, das aus einem leitfähigen Metall wie beispielsweise Titan gebildet ist. Das Gehäuse 130 (auf das auch als ein "Behälter" oder eine "Dose" Bezug genommen wird) ist außer bei einem Fenster, das eine dritte Elektrode bildet, auf die als eine "Behälter"- oder "Dosen"-Elektrode ("case" or "can" electrode) 135 Bezug genommen wird, im wesentlichen über seine gesamte Oberfläche durch einen geeigneten Isolator wie beispielsweise Silikonkautschuk bedeckt. Bei einem Ausführungsbeispiel ist ein Kopfstück 140 zum Aufnehmen der Zuleitung 110 an dem Gehäuse 130 angebracht. Das Kopfstück 140 ist aus einem isolierenden Material wie beispielsweise Formkunststoff gebildet. Das Kopfstück 140 weist auch zumindest eine Buchse wie beispielsweise zum Aufnehmen der Zuleitung 110 und elektrischen Koppeln von Leitern der Zuleitung 110 mit der Vorrichtung 105 auf. Das Kopfstück 140 weist auch eine vierte Elektrode auf, auf die als indifferente Elektrode (indifferent electrode) 145 Bezug genommen wird.
Die 1 veranschaulicht auch allgemein Abschnitte der Vorrichtung 105 zusammen mit schematischen Veranschaulichungen von Verbindungen mit den verschiedenen Elektroden. Die Vorrichtung 105 weist eine elektrische Stimulationsquelle wie beispielsweise eine Erregungseinrichtung 150 auf. Die Erregungseinrichtung 150 führt dem Herz 115 ein elektrisches Erregungssignal wie beispielsweise eine getaktete bzw. angestoßene (strobed) Folge von Stromimpulsen oder anderen Meßstimuli zu (zum Beispiel zwischen der Ringelektrode 125 und der Spitzenelektrode 120 oder unter Verwendung einer anderen zum Zuführen der Stromimpulse geeigneten Elektrodenkonfiguration). Als Antwort auf das durch die Erregungseinrichtung 150 bereitgestellte Erregungssignal wird ein Antwortsignal durch eine Signalverarbeitungseinrichtung 155 erfaßt (zum Beispiel zwischen der Spitzenelektrode 120 und der indifferenten Elektrode 145 oder durch eine andere geeignete Elektrodenkonfiguration).
Bei einem Ausführungsbeispiel ist das durch die Signalverarbeitungseinrichtung 155 erfaßte Antwortsignal eine Spannung, die eine transthorakale (das heißt quer über einen Abschnitt der Brust oder des Thorax) Impedanz darstellt. Ein Minutenventilationssignal (auf das auch als "Minutenvolumen"- oder "MV"-Signal Bezug genommen wird) wird aus dem Impedanzsignal abgeleitet wie vorstehend durch die Gleichung 1 veranschaulicht. Ein größeres MV-Signal gibt einen Stoffwechselbedarf für eine erhöhte Herzfrequenz an. Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung extrahiert die Signalverarbeitungseinrichtung 155 Ventilationsinformationen einschließlich des MV-Signals aus dem Impedanzsignal. Basierend auf dem MV-Signal gibt die Signalverarbeitungseinrichtung 155 ein Signal der angegebenen Frequenz (indicated rate signal) bei einem Knoten 160 zu einer Steuereinrichtung 165 aus. Basierend auf dem Signal der angegebenen Frequenz bei dem Knoten 160 stellt die Steuereinrichtung 165 die Frequenz der Zuführung der Herzrhythmusregulationstherapie wie beispielsweise elektrischen Herzschrittmacherstimuli zu dem Herz 115 durch eine Therapieschaltung 170 ein. Derartige Herzschrittmacherstimuli umfassen zum Beispiel ein Bereitstellen eines bipolaren Herzschrittmachens zwischen der Spitzenelektrode 120 und der Ringelektrode 125, ein Bereitstellen eines unipolaren Herzschrittmachens zwischen der Dosenelektrode 135 und entweder der Spitzenelektrode 120 oder der Ringelektrode 125, oder ein Bereitstellen von Herzschrittmacherstimuli unter Verwendung einer anderen geeigneten Elektrodenkonfiguration.
Erregungseinrichtung und sich ergebender Stimulisignalverlauf
Die 2 zeigt ein schematisches Diagramm/Blockschaltbild, das ein Ausführungsbeispiel von in der Erregungseinrichtung 150 enthaltenen speziellen Schaltungen zum Zuführen von elektrischen Stimuli (zum Beispiel angestoßenen Stromimpulsen mit abwechselnder Richtung und konstanter Amplitude) zu dem Herz 115 beispielhaft, aber nicht in beschränkender Weise, allgemein veranschaulicht. Die Erregungseinrichtung 150 weist unter anderem eine Brückenschalteinrichtung 200 mit Schaltern 200A, 200B, 200C, und 200D auf. Bei einem Ausführungsbeispiel sind die Schalter 200A–D als Transistoren wie beispielsweise p-Kanal-Metalloxid-Halbleiter-(PMOS-)Feldeffekttransistoren (FETs) oder beliebige andere geeignete Schalter realisiert.
Die Erregungseinrichtung 150 weist auch eine Stromquelle 205 und eine Stromsenke 210 auf. Bei einem Ausführungsbeispiel weisen die Stromquelle 205 und die Stromsenke 210 jeweils Transistoren in einer regulierten Kaskade oder einer anderen geeigneten Konfiguration auf. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Schalteinrichtung 200 über jeweilige Gleichstrom blockierende Kondensatoren 215A und 215B und jeweilige Schalter 220A und 220B (zum Beispiel PMOS-Transistoren) elektrisch mit der Behälterelektrode 125 und der Ringelektrode 125 gekoppelt. Schalter 225A und 225B (zum Beispiel PMOS-Transistoren) laden die jeweiligen Kondensatoren 215A und 215B vor. Die Erregungseinrichtung 150 weist auch eine Taktschaltung 230 auf, die ein Taktsignal oder mehrere Taktsignale oder andere Steuersignale von der Steuereinrichtung 165 empfängt und Signale für die Steueranschlüsse von jedem der Schalter 200A–D, 220A–B und 225A–B bereitstellt.
Die 3 veranschaulicht einen derzeitigen Signalverlauf 300 zwischen der Behälterelektrode 135 und der Ringelektrode 125 allgemein, der sich aus einem Betrieb der Erregungseinrichtung 150 gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ergibt. Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung weist der Signalverlauf 300 einen Stimulus mit mehreren Phasen ("Mehrphasen"-Stimulus) auf. Bei einem Ausführungsbeispiel umfaßt der Mehrphasenstimulus eine Rechteckwelle wie beispielsweise vier Stromimpulse 301, 302, 303 und 304 in sequentiell abwechselnder Polarität/Richtung, wobei jeder Stromimpuls eine Phase des Mehrphasenstimulus ist. Bei einem Ausführungsbeispiel weist jeder der Stromimpulse 301–304 beispielhaft, aber nicht in beschränkender Weise, eine Dauer auf, die bei annähernd zwischen 1 und 100 Mikrosekunden (zum Beispiel annähernd zwischen 2 und 60 Mikrosekunden wie beispielsweise bei 20 Mikrosekunden) ausgewählt wird, um eine angemessene Abtastung des als Antwort darauf erhaltenen Signals der transthorakalen Impedanz zu ermöglichen. Bei dem in der 3 veranschaulichten Ausführungsbeispiel bilden die Impulse 301–304 eine Rechteckwelle mit einer Trägerfrequenz von annähernd 25 Kilohertz. Andere geeignete Dauern von Stromimpulsen 301–304 können ebenfalls verwendet werden, wobei eine andere sich ergebende Trägerfrequenz bereitgestellt wird. Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist die Folge von Stromimpulsen 301–304 angestoßen. Bei einem Ausführungsbeispiel werden die vier Stromimpulse 301–304 beispielhaft, aber nicht in beschränkender Weise, mit einer Anstoßfrequenz (auf die auch als eine Wiederholungsfrequenz oder eine Abtastfrequenz Bezug genommen wird) von annähernd 20 Hertz (das heißt einem Zeitintervall von 50 Millisekunden) wiederholt. Andere geeignete Anstoß-/Wiederholungsfrequenzen können ebenfalls verwendet werden. Es kann zum Beispiel, aber nicht in beschränkender Weise, ein beliebiges Anstoß-/Wiederholungszeitintervall kürzer als 55 Millisekunden verwendet werden.
Die Amplitude der Stromimpulse 301–304 wurde bei weniger als annähernd 1 Milliampere ausgewählt. Stromimpulse 301–304 mit einer Amplitude von annähernd 320 Mikroampere stellen zum Beispiel ein angemessenes Erregungssignal zum Erhalten des gewünschten Antwortsignals bereit, während ein Stromabfluß der implantierten Vorrichtung 105 minimiert wird, wodurch die Langlebigkeit ihrer Implantation erhöht wird. Es können jedoch auch andere Amplituden der Stromimpulse 301–304 verwendet werden. Derartige Amplituden der Stromimpulse 301–304 sollten geringer als die Gewebestimulationsschwelle des Herzes sein, um eine sich ergebende Herzdepolarisation zu vermeiden. Die Anstoßfrequenz ist ausreichend schnell, um eine angemessene Abtastung der Ventilation oder anderer durch das Signal der transthorakalen Impedanz, das als Antwort auf die durch die Erregungseinrichtung 150 bereitgestellten elektrischen Stimuli erhalten wird, getragener Informationen bereitzustellen. Derartige Ventilationsinformationen können abhängig von der Atemfrequenz des Patienten bei Frequenzen so hoch wie annähernd 1 Hertz erscheinen. Die Anstoßfrequenz minimiert auch ein Aliasing einer "Schlagvolumen"-Komponente des Signals der transthorakalen Impedanz (das heißt einen Abschnitt des Signals der transthorakalen Impedanz, der zusammen mit dem Herzschlag des Patienten statt der Atemfrequenz des Patienten variiert). Die Schlagvolumenkomponente des Signals der transthorakalen Impedanz kann abhängig von der Herzfrequenz des Patienten Frequenzen so hoch wie annähernd 3 Hertz aufweisen.
Vor jeder Folge von Stromimpulsen 301–304 werden Gleichstrom blockierende Kondensatoren 215A–B durch eine Vorspannungsschaltung vorgeladen, wie beispielsweise durch ein Einschalten der Schalter 200A–D und 225A–B, wobei die Schalter 220A–B ausgeschaltet sind. Die Stromquelle 205 und die Stromsenke 210 setzen den Betriebspunkt eines Anschlusses von jedem der Gleichstrom blockierenden Kondensatoren 215A–B, der mit der Schalteinrichtung 200 gekoppelt ist, fest. Nach dem Vorladen werden die Schalter 225A–B ausgeschaltet. Als nächstes wird der Impuls 301 erzeugt, indem die Schalter 200A, 200D und 220A–B eingeschaltet werden, so daß durch die Stromquelle 205 zugeführter Strom die Behälterelektrode 135 verläßt. Der Strom kehrt über die Ringelektrode 125 zurück und wird durch die Stromsenke 210 gesenkt. Als nächstes wird der Impuls 302 erzeugt, indem die Schalter 200B–C und 220A–B eingeschaltet werden, so daß durch die Stromquelle 205 zugeführter Strom die Ringelektrode 125 verläßt. Der Strom kehrt über die Behälterelektrode 135 zurück und wird durch die Stromsenke 210 gesenkt. Als nächstes wird der Impuls 303 erzeugt, indem die Schalter 200A, 200D und 220A–B wieder eingeschaltet werden, so daß durch die Stromquelle 205 zugeführter Strom die Behälterelektrode 135 verläßt. Der Strom kehrt über die Ringelektrode 125 zurück und wird durch die Stromsenke 210 gesenkt. Als nächstes wird der Impuls 304 erzeugt, indem die Schalter 200B–C und 220A–B wieder eingeschaltet werden, so daß durch die Stromquelle 205 zugeführter Strom die Ringelektrode 125 verläßt. Der Strom kehrt über die Behälterelektrode 135 zurück und wird durch die Stromsenke 210 gesenkt. Die Schalter 220A–B, 200A–D und 225A–B werden ausgeschaltet, bis für eine weitere Folge von vier Stromimpulsen 301–304 vorgeladen wird, die wie in der 3 veranschaulicht annähernd 50 Millisekunden später zugeführt wird.
Gemäß einem Aufbau stellt die Taktschaltung 230 nicht überlappende Steuersignale für die Schalter 225A–B und die Schalter 220A–B bereit. Infolgedessen werden die Schalter 225A–B nicht zu der gleichen Zeit eingeschaltet wie die Schalter 220A–B. Dies vermeidet eine Kopplung von entweder der Behälterelektrode 135 oder der Ringelektrode 125 mit der positiven Energieversorgungsspannung V_DD.
Der Signalverlauf 300 stellt mehrere wichtige Vorteile bereit, die eine effiziente und genaue Erfassung des MV-Signals ermöglichen, was dem System 100 eine Bereitstellung einer wirksameren Zuführung der auf die Frequenz antwortenden Herzrhythmusregulationstherapie zu dem Patienten ermöglicht. Zuerst ermöglicht das System 100 die Verwendung von Stromimpulsen mit relativ niedriger Amplitude (zum Beispiel +/– 320 Mikroampere). Dies spart Energie, was es batteriebetriebenen Abschnitten des Systems 100 (zum Beispiel der Vorrichtung 105) ermöglicht, für eine längere Verwendungslebensdauer in dem Patienten implantiert zu bleiben. Wegen ihrer niedrigen Amplitude erzeugen die Stromimpulse 301–304 keine wahrnehmbaren Artefakte bei Elektrokardiogramm-(EKG-)Aufzeichnungen oder bei anderer Diagnoseausrüstung. Derartige Artefakte können diagnostizierende Ärzte verwirren. Es ist auch weniger wahrscheinlich, daß die Stromimpulse 301–304 mit niedriger Amplitude eine falsche Detektion von intrinsischer Herzaktivität wie beispielsweise durch in der Vorrichtung 105 enthaltene Leseverstärker auslösen. Eine falsche Detektion von intrinsischer Herzaktivität kann eine richtige Zuführung einer Herzschrittmachertherapie verhindern, was eine Herzrhythmusregulation unwirksam macht und das Risiko für den Patienten erhöht. Die Empfindlichkeitseinstellung derartiger Leseverstärker kann erhöht werden, ohne durch eine Störung von den durch die Erregungseinrichtung 150 erzeugten Stromimpulsen 301–304 beeinflußt zu werden. Überdies vermeiden die Stromimpulse 301–304 mit niedriger Amplitude das Risiko des Fangens des Herzes 115 (das heißt des Herbeiführens einer elektrischen Depolarisation und einer Herzkontraktion) insbesondere dann, wenn die Stromimpulse 301–304 von kleinen Elektroden zugeführt werden, die auch zum Zuführen einer Herzschrittmachertherapie zu dem Herz 115 verwendet werden.
Der Signalverlauf 300 kann Stromimpulse 301–304 aufweisen, die mit einer Frequenz von annähernd 20 Hertz angestoßen werden. Die Trägerfrequenz von 25 Kilohertz ist nur für einen kleinen Bruchteil des Anstoßzeitintervalls von 50 Millisekunden vorhanden (das heißt einen Arbeitszyklus von weniger als 1%). Das Anstoßen verringert auch den Energieverbrauch und erhält eine erhöhte Lebensdauer der Implantation der Vorrichtung 105 wie vorstehend beschrieben.
Der Signalverlauf 300 stellt auch ein Gleichgewicht sowohl bei der Amplitude als auch bei der Dauer für jede Polarität/Richtung der Stromimpulse 301–304 bereit, wodurch die dem Herz 115 zugeführte Ladung ausgeglichen wird. Jeder Impuls von +320 Mikroampere (zum Beispiel 301 und 303) wird durch einen entsprechenden Impuls von –320 Mikroampere (zum Beispiel 302 und 304) mit gleicher Dauer ausgeglichen. Dieses Verfahren des Ausgleichens der Amplitude und der Dauer des Signalverlaufs 300 verringert die Wahrscheinlichkeit des Fangens des Herzes 115 oder des Hervorrufens einer falschen Erfassung wie einer durch die Vorrichtung 105 erfaßten intrinsischen Herzaktivität.
Störungsvermeidung
Bei einem Ausführungsbeispiel vermeidet die Vorrichtung 105 ein Zuführen des Mehrphasenstimulus bei dem Vorhandensein von anderen störenden Signalen wie beispielsweise Telemetriesignalen, die die Schwierigkeit des genauen Detektierens einer Antwort erhöhen. Wieder mit Bezug auf die 1 weist die Vorrichtung 105 bei einem Ausführungsbeispiel eine Telemetriesende-/-empfangseinrichtung 185 zum Kommunizieren mit einem externen Programmiergerät 190 über Telemetriesignale (zum Beispiel Telemetrieimpulse) wie beispielsweise durch induktiv gekoppelte Spulen in sowohl der Vorrichtung 105 als auch dem externen Programmiergerät 190 auf. Wenn durch die Telemetrieempfangseinrichtung in der Vorrichtung 105 Telemetrieimpulse detektiert werden und eine geplante Zuführung des Mehrphasenstimulus mit der Detektion der Telemetrieimpulse zusammenfällt, verzögert die Steuereinrichtung 165 die Zuführung des Mehrphasenstimulus (zum Beispiel der Stromimpulse 301–304) beispielsweise um annähernd 1 Millisekunde. Dies vermeidet Ungenauigkeiten bei dem Antwortsignal auf die Stromimpulse 301–304, die sich aus den Telemetrieimpulsen oder auf ähnliche Weise aus dem Vorhandensein von anderen störenden Signalen ergeben können.
Signalverarbeitungseinrichtung
Die 4 zeigt ein Blockschaltbild, das ein Ausführungsbeispiel von Abschnitten der Signalverarbeitungseinrichtung 155 beispielhaft, aber nicht in beschränkender Weise, allgemein veranschaulicht. Die Signalverarbeitungseinrichtung 155 weist eine analoge Signalverarbeitungsschaltung 400 und eine digitale Signalverarbeitungsschaltung 405 auf. Eingänge eines Vorverstärkers 410 (auf den auch als einen Vorverst. oder eine Empfangseinrichtung Bezug genommen wird) der analogen Signalverarbeitungsschaltung 400 sind zum Empfangen eines Signals als Antwort auf die durch die Erregungseinrichtung 150 bereitgestellten vorstehend beschriebenen Stimuli sowohl mit der indifferenten Elektrode 145 als auch mit der Spitzenelektrode 120 elektrisch gekoppelt. Die analoge Signalverarbeitungsschaltung 400 weist auch eine Demodulationseinrichtung 415 auf, die die Ausgabe des Vorverstärkers 410 empfängt und ein Ausgangssignal für ein Bandpaßfilter 420 bereitstellt. Ein Ausgangssignal von dem Bandpaßfilter 420 wird durch einen Analog-Digital-(A/D-)Wandler 425 empfangen. Ein Ausgangssignal von dem A/D-Wandler 425 wird bei einem Hochpaßfilter 430 der digitalen Signalverarbeitungsschaltung 405 empfangen.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist die digitale Signalverarbeitungsschaltung 405 zum Beispiel als eine Folge von durch einen Mikroprozessor ausgeführten Anweisungen in der Steuereinrichtung 165 enthalten. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel weist die digitale Signalverarbeitungsschaltung 405 getrennt realisierte Hardwareabschnitte auf, die einem Durchführen der nachstehend beschriebenen Aufgaben der digitalen Signalverarbeitung ausschließlich zugeordnet sind. Ein Ausgangssignal von dem Hochpaßfilter 430 wird durch ein adaptives Tiefpaßfilter 435 der digitalen Signalverarbeitungsschalten 405 empfangen. Ein Minutenventilationsberechnungsmodul 440 empfängt ein Ausgangssignal von dem adaptiven Tiefpaßfilter 435 und stellt ein sich ergebendes Signal der angegebenen Frequenz für die Steuereinrichtung 165 bei dem Knoten 160 bereit.
Vorverstärker
Die 5 zeigt ein schematisches Diagramm, das ein Ausführungsbeispiel des Vorverstärkers 410 beispielhaft, aber nicht in beschränkender Weise, allgemein veranschaulicht. Der Vorverstärker 410 weist einen Differenzverstärker mit geschalteten Kondensatoren (SC) (switched-capacitor (SC) differential amplifier) 500 auf. Der Vorverstärker 410 ist über jeweilige Schalter 510 und 515 und jeweilige Widerstände 520 und 525 elektrisch mit der indifferenten Elektrode 145 und der Spitzenelektrode 120 gekoppelt. Die Schalter 510 und 515 werden nur während der annähernden Zeit, wenn die Stromimpulse 301–304 der Stimuli durch die Erregungseinrichtung 150 zugeführt werden, eingeschaltet. Die Widerstände 520 und 525 stellen ein Antialiasing/eine Bandbegrenzung der von der indifferenten Elektrode 145 und der Spitzenelektrode 120 empfangenen Eingangssignale bereit.
Der Differenzverstärker 500 weist Eingangskondensatoren 530 und 535 auf, die mit den Widerständen 520 bzw. 525 gekoppelt sind und auch mit einem jeweiligen positiven Eingang bei einem Knoten 540 und einem negativen Eingang bei einem Knoten 545 eines Operationsverstärkers mit Differenzeingang/Differenzausgang 550 gekoppelt sind. Rückkopplungskondensatoren 560 und 565 sind von einem jeweiligen negativen Ausgang bei einem Knoten 570 und einem positiven Ausgang bei einem Knoten 575 des Operationsverstärkers 550 mit seinem jeweiligen positiven Eingang bei dem Knoten 540 und negativen Eingang bei dem Knoten 545 gekoppelt. Bei einem Ausführungsbeispiel weisen die Eingangskondensatoren 530 und 535 annähernd zehnmal den Kapazitätswert der jeweiligen Rückkopplungskondensatoren 560 und 565 auf.
Der Differenzverstärker 500 weist auch automatisch auf null stellende Eingangsschalter (autozeroing input switches) 580 und 585 auf, die jeweilige Eingangsknoten 540 und 545 mit jeweiligen Bezugsspannungen (zum Beispiel einer Erdspannung) koppeln. Automatisch auf null stellende Ausgangsschalter (autozeroing output switches) 590 und 595 koppeln jeweilige Ausgangsknoten 570 und 575 mit jeweiligen Bezugsspannungen (zum Beispiel einer Erdspannung). Die Schalter 580, 585, 590 und 595 stellen ein Stellen auf null der entsprechenden Rückkopplungskondensatoren 560 und 565 bereit. Die Schalter 580 und 585 setzen weiterhin die Vorspannungspunkte der Eingangsknoten 540 und 545 des Operationsverstärkers 550 fest, wie beispielsweise während eines Abtastens von Signalen von der indifferenten Elektrode 145 und der Spitzenelektrode 120 bei Eingangskondensatoren 530 und 535.
Der Vorverstärker 410 empfängt basierend auf der transthorakalen Impedanz zwischen der indifferenten Elektrode 145 und der Spitzenelektrode 120 eine Spannung. Eine transthorakale Impedanz von 50 Ohm führt zum Beispiel zu einer Spannung zwischen den Eingängen des Differenzverstärkers 500 von annähernd 16 Millivolt. Die transthorakale Impedanz variiert, wenn der Patient atmet, wobei sie zunimmt, wenn während einer Einatmungsphase Luft die Brusthöhle des Patienten füllt, und abnimmt, wenn während einer Ausatmungsphase Luft freigesetzt wird. Die transthorakale Impedanz kann während einer Atmung zum Beispiel um annähernd 2 Ohm variieren, was zu einer Modulation von annähernd 0,64 Millivolt des zwischen den Eingängen des Differenzverstärkers 500 erscheinenden Basisliniensignals von annähernd 16 Millivolt führt. Diese Werte der Impedanz und der Spannung werden nur beispielhaft angeführt; tatsächliche Werte der Impedanz und der Spannung werden unter anderem gemäß Differenzen bei der Anatomie des Patienten und der Elektrodenplazierung variieren.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind beispielhaft, aber nicht in beschränkender Weise, die zum Zuführen des Erregungsstroms verwendeten Elektroden (zum Beispiel die Ringelektrode 125 und die Behälterelektrode 135) von den zum Erfassen der Antwort darauf verwendeten Elektroden (zum Beispiel der indifferenten Elektrode 145 und der Spitzenelektrode 120) verschieden. Dies verringert vorteilhafterweise die Größe der Basislinienkomponente des Signals der transthorakalen Impedanz, wodurch der relative Beitrag der Ventilationskomponente des Signals der transthorakalen Impedanz erhöht wird und der Störabstand (SNR) erhöht wird. Alternativ können die gleichen Elektroden zum Zuführen des Erregungsstroms und Erfassen der Antwort darauf verwendet werden.
Bei einem Ausführungsbeispiel stellt der Differenzverstärker 500 einen effektiven Spannungsverstärkungsfaktor von annähernd 6 bereit. Bei dem vorstehenden Beispiel wird das Basisliniensignal von 16 Millivolt durch den Differenzverstärker 500 auf annähernd 100 Millivolt verstärkt, und das sich ergebende Signal wird für die Demodulationseinrichtung 415 bereitgestellt.
Demodulationseinrichtung
Die Demodulationseinrichtung 415 tastet das nach der vorstehend beschriebenen Verstärkung durch den Vorverstärker 410 als Antwort auf die Stromimpulse 301–304 erhaltene Signal ab. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die Ausgabe des Vorverstärkers 410 an dem Ende jedes der Stromimpulse 301–304 abgetastet. Die Demodulationseinrichtung 415 kombiniert diese vier Abtastwerte unter Verwendung eines gewichteten Durchschnitts in einem einzelnen Wert. Der sich ergebende gewichtete Durchschnitt stellt die für die Folge von vier Stromimpulsen 301–304 erhaltene gesamte Impedanz (das heißt einschließlich sowohl der Basislinienkomponente als auch der Ventilationskomponente) dar.
Bei einem Ausführungsbeispiel wird der gewichtete Durchschnitt durch ein Gewichten der aus jeweiligen Stromimpulsen 302 und 303 erhaltenen zweiten und dritten Abtastwerte mit einem Faktor von annähernd 3,0 relativ zu den aus jeweiligen Stromimpulsen 301 und 304 erhaltenen ersten und vierten Abtastwerten gebildet. Das Gewichten der Abtastwerte stellt vorteilhafterweise eine zusätzliche Hochpaßfilterfunktion bereit, die im wesentlichen das Signal der transthorakalen Impedanz bei der Trägerfrequenz von 25 Kilohertz der Stromimpulse 301–304 überträgt, während sie Signale außerhalb des Bands im wesentlichen ablehnt. Die Demodulationseinrichtung 415 stellt insbesondere eine zusätzliche Ablehnung von niederfrequenten Signalen wie beispielsweise R-Wellen und anderen durch das Herz 115 erzeugten elektrischen Signalen bereit. Eine durch ein Ausführungsbeispiel der Demodulationseinrichtung 415 bereitgestellte Übertragungsfunktion wird in dem z-Bereich beschrieben wie in einer Gleichung 2 veranschaulicht. H(z) = 0,219(2–3 – 3z–2 + 3z–1 – 1) (2)
Bei diesem Ausführungsbeispiel stellt die Demodulationseinrichtung 415 einen Spannungsverstärkungsfaktor bereit, der für das Signal der transthorakalen Impedanz in dem Band annähernd zwischen 1,75 und 2,0 beträgt. Die Demodulationseinrichtung 415 dämpft vorteilhafterweise auch Signale bei Frequenzen unterhalb von 100 Hz einschließlich derartiger Signale wie R-Wellen und anderer durch das Herz 115 erzeugter elektrischer intrinsischer Herzaktivitätssignale, die ein Erfassen der transthorakalen Impedanz des Patienten stören können, um einen Faktor von zumindest annähernd 120 dB.
Die 6 zeigt ein schematisches Diagramm, das ein Ausführungsbeispiel einer Demodulationseinrichtung mit geschalteten Kondensatoren (switched-capacitor demodulator) 415 beispielhaft, aber nicht in beschränkender Weise, allgemein veranschaulicht. Das Ausgangssignal von dem Vorverstärker 410 wird als Antwort auf den Stromimpuls 301 bei Kondensatoren 600A–B, als Antwort auf den Stromimpuls 302 bei Kondensatoren 605A–B, als Antwort auf den Stromimpuls 303 bei Kondensatoren 610A–B und als Antwort auf den Stromimpuls 304 bei Kondensatoren 615A–B abgetastet. Die Kondensatoren 605A–B und 610A–B stellen dreimal den Kapazitätswert der Kondensatoren 600A–B und 615A–B bereit, um die vorstehend beschriebene Gewichtung der Abtastwerte bereitzustellen. Nach der gewichteten Abtastung der Ausgabe des Vorverstärkers 410 als Antwort auf die vier Stromimpulse 301–304 werden diese gewichteten Abtastwerte durch eine Integrationseinrichtung mit geschalteten Kondensatoren (switched-capacitor integrator) 620 (auf die auch als eine Summationseinrichtung Bezug genommen wird) summiert.
In der 6 sind auch Blindkondensatoren (dummy capacitors) 625A–B veranschaulicht. Jeder der Blindkondensatoren 625A–B weist einen Kapazitätswert auf, der das Doppelte des Kapazitätswerts von einem der Kondensatoren 600A–B und das Doppelte des Kapazitätswerts von einem der Kondensatoren 615A–B beträgt. Die Blindkondensatoren 625A–B werden während einer Abtastung der Stromimpulse 301 und 304 eingeschaltet. Infolgedessen präsentiert die Demodulationseinrichtung 415 dem Vorverstärker 410 während der Abtastung jedes der vier Stromimpulse 301–304 die gleiche Lastkapazität. Wie in der 6 zu sehen ist jedoch die Ladung, die bei den Blindkondensatoren 625A–B abgetastet wird, nicht in dem gewichteten Abtastwert enthalten (das heißt die sich ergebende Ladung ist nicht in der durch die Integrationseinrichtung 620 bereitgestellten Integration enthalten). Ferner ist es selbstverständlich, daß bei einem Ausführungsbeispiel die in der 6 veranschaulichten Kondensatoren vor einem Abtasten einer speziellen Folge von Stromimpulsen 301–304 initialisiert (zum Beispiel entladen) werden.
In der 6 weist die Integrationseinrichtung 620 Eingangskondensatoren 650 und 655 auf, die wie veranschaulicht während der Taktphase φ_AZ durch Schalter automatisch auf null gestellt werden. Ein Integrationskondensator 660, der sich in dem Rückkopplungspfad um einen Operationsverstärker 665 befindet, summiert die als Antwort auf die vier Stromimpulse 301–304 während einer Integrationstaktphase φ_I erhaltenen gewichteten Abtastwerte. Ein Rauschabtast-/-integrationskondensator (noise sampling/integration capacitor) 630, der sich ebenfalls in dem Rückkopplungspfad um den Operationsverstärker 665 befindet, summiert die bei dem Fehlen von zugeführten Stromimpulsen während einer Rauschintegrationstaktphase φ_NI erhaltenen gewichteten Abtastwerte wie nachstehend beschrieben. Die Integrationseinrichtung 620 stellt auch ein Anpassungsnetz 670 zum Anpassen des vorstehend beschriebenen Betriebs der geschalteten Kondensatoren bei dem anderen Eingang des Operationsverstärkers 665 bereit.
Bei einem Ausführungsbeispiel stellt die Demodulationseinrichtung 415 auch eine Rauscherfassungsbetriebsart bereit. Bei einem normalen Betrieb tastet die Demodulationseinrichtung 415 die Ausgabe des Filters/Verstärkers 410 als Antwort auf die durch die Erregungseinrichtung 115 bereitgestellten Stromimpulse 301–304 ab. Während einer Rauscherfassungsbetriebsart wird die Erregungseinrichtung 150 ausgeschaltet (das heißt die Stromimpulse 301–304 werden nicht bereitgestellt), und die Demodulationseinrichtung 415 tastet bei dem eingeschalteten Rauschabtast-/-integrationskondensator 630 ein von externen Quellen (zum Beispiel Herzsignalen oder beliebigen Umgebungsrauschquellen) stammendes Rauschen und ein durch mit dem Eingang der Demodulationseinrichtung 415 gekoppelte Schaltungen erzeugtes internes Rauschen ab. Die Demodulationseinrichtung 415 ist insbesondere dazu in der Lage, ein Rauschen zu erfassen, das bei Frequenzen nahe an der Trägerfrequenz von 25 Kilohertz der Stromimpulse 301–304 vorhanden ist.
Bei einem Ausführungsbeispiel wird der Verstärkungsfaktor der Demodulationseinrichtung 415 während einer Rauscherfassungsbetriebsart erhöht (zum Beispiel um einen Faktor von annähernd 2,0–2,5), um eine empfindlichere Rauschdetektion bereitzustellen. Der während der Rauscherfassung verwendete Rauschabtast-/-integrationskondensator 630 ist zum Beispiel in seinem Wert von einem während des normalen Betriebs der Demodulationseinrichtung 415 verwendeten entsprechenden Integrationskondensator verschieden, um während der Rauscherfassung einen anderen Verstärkungsfaktor bereitzustellen.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Vorrichtung 105 auch eine auf dem durch die Demodulationseinrichtung 415 dann, wenn die Erregungseinrichtung 150 ausgeschaltet ist, erfaßten Rauschen basierende Rauschumkehrungsschaltung (noise reversion circuit) auf. Eine Rauschvergleichseinrichtung (noise comparator) 635 empfängt ein aus der Ausgabe der Demodulationseinrichtung 415 abgeleitetes Signal. Die Vergleichseinrichtung 635 bestimmt es, ob das detektierte Rauschen über einen speziellen programmierbaren Schwellenwert hinausgeht. Falls das detektierte Rauschen über den Schwellenwert hinausgeht, ignorieren nachfolgende Schaltungen die Ausgabe der Demodulationseinrichtung 415 (zum Beispiel bis das detektierte Rauschen wieder unter den Schwellenwert fällt). Bei einem Ausführungsbeispiel ist der durch die Vergleichseinrichtung 635 verwendete programmierbare Schwellenwert als eine programmierbare Anordnung von geschalteten Kondensatoren realisiert, die sich zwischen annähernd 4–120 Millivolt erstreckende Schwellenspannungen bei dem Ausgang der Demodulationseinrichtung 415 bereitstellt (einer Impedanzrauschschwelle zwischen annähernd 0,4–12 Ohm entsprechend).
Bandpaßfilter
Bei einem Ausführungsbeispiel stellt das Bandpaßfilter 420 ein Durchgangsband zwischen Einzelpoleckfrequenzen bei 0,1 Hz und 2,0 Hz bereit und weist eine Verstärkungsstufe auf, die einen Spannungsverstärkungsfaktor bereitstellt, der programmierbar ist (zum Beispiel 6x, 12x und 24x). Der niederfrequente (Hochpaß) Pol bei 0,1 Hz dämpft im wesentlichen die Basislinienkomponente des Signals der transthorakalen Impedanz, aber überträgt im wesentlichen die die Ventilation darstellende zeitveränderliche Komponente des Signals der transthorakalen Impedanz. Der hochfrequente (Tiefpaß) Pol bei 2,0 Hz dämpft im wesentlichen andere zeitveränderliche Komponenten des Signals der transthorakalen Impedanz, die keine wesentlichen Ventilationsinformationen beitragen. Insbesondere trägt der Tiefpaßpol wirksam zu der Dämpfung von dem sich aus dem Schlagen des Herzes 115 ergebenden Herzschlagsignal zuzuschreibenden Signalkomponenten bei. Wie vorstehend beschrieben ist die Entfernung des Schlagsignals sowohl schwierig als auch besonders wichtig für ein richtiges Anpassen der auf der Minutenventilation basierenden zugeführten Herzschrittmacherfrequenz, da das Schlagsignal bei der Frequenz sehr nahe an dem gewünschten Ventilationssignal ist. Der Tiefpaßpol filtert auch ein anderes Rauschen bei Frequenzen, die über die Tiefpaßpolfrequenz hinausgehen, heraus.
Viele verschiedene Realisierungen des Bandpaßfilters 420 werden zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung geeignet sein. Bei einem Ausführungsbeispiel weist das Bandpaßfilter 420 eine biquadratische Filterstufe mit geschalteten Kondensatoren (switched-capacitor biquadratic filter stage) auf, die mit einer nachfolgenden Verstärkungsstufe mit geschalteten Kondensatoren (switched-capacitor gain stage) in Reihe geschaltet ist. Kapazitätswerte der Verstärkungsstufe mit geschalteten Kondensatoren sind durch einen Benutzer programmierbar, wodurch sich unterscheidende Spannungsverstärkungsfaktoren wie vorstehend beschrieben erhalten werden. Die Ausgabe der in dem Bandpaßfilter 420 enthaltenen Verstärkungsstufe mit geschalteten Kondensatoren wird für den Eingang des A/D-Wandlers 425 bereitgestellt.
Analog-Digital-(A/D-)Wandler
Der A/D-Wandler 425 empfängt das Ausgangssignal des Bandpaßfilters 420 und stellt ein sich ergebendes digitalisiertes Ausgangssignal für das Hochpaßfilter 430 der digitalen Signalverarbeitungsschaltung 405 bereit. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der A/D-Wandler 425 als ein 8-Bit-A/D-Wandler des Typs der sukzessiven Näherung mit geschalteten Kondensatoren realisiert, der einen Eingangsbereich von annähernd 1 Volt aufweist. Gemäß einem Ausführungsbeispiel stellt der A/D-Wandler 425 ein jeder Folge von durch die Erregungseinrichtung 150 zugeführten vier Stromimpulsen 301–304 entsprechendes digitales 8-Bit-Wort bereit. Viele verschiedene Realisierungen des A/D-Wandlers 425 werden zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung geeignet sein. Es kann zum Beispiel eine andere Auflösung des A/D-Wandlers (größer oder kleiner als 8 Bits) verwendet werden.
Digitale Signalverarbeitungsschaltung
Das Hochpaßfilter 430 weist bei einem Ausführungsbeispiel ein digitales Filter mit Einzelpol und unendlicher Impulsantwort (IIR) auf, das das digitale 8-Bit-Ausgangssignal von dem A/D-Wandler 425 empfängt, wobei es Frequenzkomponenten unterhalb seiner Hochpaßgrenzfrequenz von annähernd 0,1 Hz entfernt. Viele andere verschiedene Ausführungsbeispiele des Hochpaßfilters 430 werden ebenfalls zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung geeignet sein. Das Hochpaßfilter 430 dämpft ferner vorteilhafterweise Basisliniengleichstromkomponenten der transthorakalen Impedanz und irgendwelche durch den A/D-Wandler 425 erzeugten Gleichstromoffsetspannungen. Die Ausgabe des Hochpaßfilters 430 wird für das adaptive Tiefpaßfilter 435 bereitgestellt.
Das adaptive Tiefpaßfilter 435 empfängt das Ausgangssignal des Hochpaßfilters 430 und dämpft Frequenzkomponenten des Signals, die über die Tiefpaßgrenzfrequenz des adaptiven Tiefpaßfilters 435 hinausgehen. Gedämpfte Frequenzen umfassen das sich aus Änderungen des Blutvolumens des Herzes 115, wenn es sich während jedes Herzzyklus zusammenzieht, ergebende Herzschlagsignal, das als eine Komponente des Signals der transthorakalen Impedanz erscheint. Somit verwirrt das Herzschlagsignal die den Stoffwechselbedarf zum Einstellen der Herzschrittmacherfrequenz angebenden gewünschten Ventilationsinformationen.
Wie vorstehend beschrieben kann die dem Schlagsignal zuzuschreibende Komponente der transthorakalen Impedanz wesentlich sein. Infolgedessen ist die Dämpfung des Schlagsignals zum richtigen Anpassen der auf der Minutenventilation basierenden zugeführten Herzschrittmacherfrequenz besonders wichtig. Überdies ist das Schlagsignal schwer zu dämpfen, da es bei der Frequenz sehr nahe an dem gewünschten Ventilationssignal ist. Ferner variieren die Frequenzen jedes der Schlag- und Ventilationssignale gemäß der Aktivität des Patienten, was es schwierig macht, die Schlag- und Ventilationssignale zu trennen.
Das adaptive Tiefpaßfilter 435 stellt eine wirksame Dämpfung der Schlagkomponente des von dem Hochpaßfilter 430 empfangenen verarbeiteten Signals der transthorakalen Impedanz bereit. Frequenzkomponenten oberhalb einer Tiefpaßgrenzfrequenz werden gedämpft. Bei einem Ausführungsbeispiel werden die Frequenzkomponenten oberhalb der Tiefpaßgrenzfrequenz um zumindest 30 Dezibel gedämpft, während Ventilationsinformationen mit Frequenzkomponenten unterhalb der Tiefpaßgrenzfrequenz erhalten werden. Die Tiefpaßgrenzfrequenz basiert adaptiv auf einer Herzfrequenz des Patienten und ist gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung unabhängig von einem von dem Patienten erhaltenen Atemfrequenzsignal. Bei einem Ausführungsbeispiel wird die Herzfrequenz des Patienten durch Leseverstärker 175 detektiert und beispielsweise durch die Steuereinrichtung 165 für das adaptive Tiefpaßfilter 435 bereitgestellt, um die Tiefpaßgrenzfrequenz des adaptiven Tiefpaßfilters 435 entsprechend einzustellen. Eine Tabelle 1 veranschaulicht beispielhaft, aber nicht in beschränkender Weise, eine Zuordnung von verschiedenen Tiefpaßgrenzfrequenzen des adaptiven Tiefpaßfilters 435 zu Bereichen der Herzfrequenz des Patienten. Es können auch andere Zuordnungen verwendet werden.
Tabelle 1. Auf verschiedenen erfaßten Herzfrequenzen basierende beispielhafte Tiefpaßgrenzfrequenzen des adaptiven Tiefpaßfilters 435.
Wie die Tabelle 1 veranschaulicht wird eine Grenzfrequenz von 0,5 Hz verwendet, wenn die erfaßte Herzfrequenz weniger als 68 Schläge pro Minute beträgt. Wenn die Herzfrequenz des Patienten über 68 Schläge pro Minute steigt, schaltet das adaptive Tiefpaßfilter 435 seine Tiefpaßgrenzfrequenz auf 0,75 Hz um. Wenn die Herzfrequenz des Patienten über 88 Schläge pro Minute steigt, schaltet das adaptive Tiefpaßfilter 435 seine Tiefpaßgrenzfrequenz auf 1,0 Hz um. Auf ähnliche Weise stellt das adaptive Tiefpaßfilter 435 die Tiefpaßgrenzfrequenz gemäß der Tabelle 1 ein, wenn die Herzfrequenz abnimmt. Infolgedessen erhält das adaptive Tiefpaßfilter 435 die Ventilationsinformationen bei höheren Atemfrequenzen (die Atemfrequenz steigt zusammen mit der Herzfrequenz), während es fortfährt, das Schlagsignal zu dämpfen.
Das vorliegende Ausführungsbeispiel stützt die adaptive Einstellung der Tiefpaßgrenzfrequenz nur auf die Herzfrequenz. Dies verringert unter anderem die Berechnungskomplexität und den Energieverbrauch, die mit der Überwachung der Atemfrequenz zum Einstellen der Tiefpaßgrenzfrequenz verbunden sind. Dies stellt auch sicher, daß das adaptive Tiefpaßfilter 435 das Schlagsignal für alle speziellen Kombinationen von Atmungsfrequenz und Herzfrequenz entfernt, so daß die Herzschrittmacherfrequenz basierend auf der Minutenventilation passend eingestellt wird.
Bei einem Ausführungsbeispiel verwendet das adaptive Filter 435 ein 4-Pol-Chebyshev-Filter, das besser für durch weniger Bits (zum Beispiel eine 8-Bit-Festpunktarithmetik) dargestellte Daten geeignet ist. Dies spart Energie und vermeidet eine Instabilität und andere potentielle Probleme der Quantisierung. Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung verwendet das adaptive Tiefpaßfilter 435 eine Zustandsraumstruktur statt einer bekannten Direktformstruktur (direct form structure). Die Zustandsraumstruktur verringert die Wirkungen der Koeffizientenquantisierung und des Rundungsrauschens (roundoff noise) weiter. Ein Beispiel für eine derartige Zustandsraumstruktur ist in Leland B. Jackson, "Digital Filters and Signal Processing," 2. Ausgabe, Seiten 332–340, Kluwer Academic Publishers, Boston, MA beschrieben.
Die 7 zeigt ein Signalflußdiagramm, das ein Ausführungsbeispiel des adaptiven Filters 435 mit einer Zustandsraumtopologie allgemein veranschaulicht. Die 7 weist Skalierungselemente, Verzögerungselemente und Summationselemente auf. Von Summationselementen ausgegebene Signale werden auch skaliert wie in der 7 veranschaulicht. Wie mit jedem DSP-Filter sollte eine Sättigung von Signalen bei speziellen Knoten durch ein Einstellen der Koeffizienten gemäß bekannten DSP-Koeffizientenskalierungstechniken vermieden werden. Ein Ausführungsbeispiel von hexadezimalen Werten der Filterkoeffizienten ist beispielhaft, aber nicht in beschränkender Weise, in einer Tabelle 2 veranschaulicht.
Das adaptive Tiefpaßfilter 435 gibt ein auf der transthorakalen Impedanz basierendes und Ventilationsinformationen tragendes Signal aus. Die Schlagkomponente des Signals der transthorakalen Impedanz wird im wesentlichen entfernt. Die Ausgabe des adaptiven Tiefpaßfilters 435 wird für das MV-Berechnungsmodul 440 bereitgestellt, das basierend auf den Ventilationsinformationen eine die Herzschrittmacherfrequenz angebende Minutenventilation berechnet.
Tabelle 2: beispielhafte Skalierungskoeffizienten für das adaptive Filter 435
Minutenventilationsberechnungsmodul
Bei einem Ausführungsbeispiel ist das MV-Berechnungsmodul 440 als eine Folge von durch einen beliebigen geeigneten Mikroprozessor wie beispielsweise einen Mikroprozessor des Zilog Z80-Typs ausgeführten Anweisungen realisiert. Alternativ ist das MV-Berechnungsmodul 440 als eine beliebige andere Hardware- oder Softwarekonfiguration realisiert, die zum Berechnen einer auf Ventilationsinformationen basierenden angegebenen Herzschrittmacherfrequenz in der Lage ist. Ein Beispiel für eine derartige Folge von auf einem Mikroprozessor ausgeführten Anweisungen zum Berechnen einer durch die Minutenventilation angegebenen Frequenz ist nachstehend beschrieben und in dem Flußdiagramm der 8 veranschaulicht.
Das MV-Berechnungsmodul 440 empfängt ein eine zeitveränderliche transthorakale Impedanz darstellendes digitales Signal von dem adaptiven Tiefpaßfilter 435. Bei einem Ausführungsbeispiel ist das Impedanzsignal um null zentriert, wobei positive Werte ein Einatmen darstellen und negative Werte ein Ausatmen darstellen. In einem Schritt 800 werden die maximalen (positivsten) und minimalen (negativsten) Werte des Impedanzsignals in getrennten Speicherregistern gespeichert. Nach jedem Atemzug wird eine Unterbrechung für den Mikroprozessor bereitgestellt, wie beispielsweise bei jedem ansteigenden Nulldurchgang.
In einem Schritt 805 wird das Atemzugvolumen (TV) bei einem Empfangen der Unterbrechung berechnet. Das Atemzugvolumen wird erhalten, indem die Speicherregister gelesen werden und die Differenz zwischen den gehaltenen maximalen und minimalen Werten des Impedanzsignals für den vorhergehenden Atemzug des Patienten genommen wird. Ein größeres Atemzugvolumen gibt einen tieferen Atemzug als ein kleineres Atemzugvolumen an. In dem Schritt 805 wird für jeden Atemzug durch den Patienten ein Atemzugvolumendatenpunkt erzeugt.
In einem Schritt 810 wird das Atemzugvolumen für eine vorbestimmte Zeitspanne (zum Beispiel annähernd 8 Sekunden) integriert (das heißt die Atemzugvolumendatenpunkte werden summiert), wobei ein Minutenventilationsdatenpunkt wie in der Gleichung 1 beschrieben erhalten wird. Nach jeder Integrationsperiode von 8 Sekunden wird der Minutenventilationsdatenpunkt ausgegeben, und eine neue Integration (das heißt Summation) des Atemzugvolumens beginnt.
Schritte 815 und 820 umfassen ein Ausführen gleichzeitiger gleitender Kurzzeit- bzw. Langzeitdurchschnitte. Genauer stellt der Kurzzeitdurchschnitt ("STA", auf den auch als einen "Güterwagen"-Durchschnitt ("boxcar" average) Bezug genommen wird) in dem Schritt 815 einen gleitenden Durchschnitt der Minutenventilationsdatenpunkte über die vorhergehenden annähernd 32 Sekunden zu einem speziellen Zeitpunkt dar. Der Kurzzeitdurchschnitt stellt die gegenwärtige Minutenventilationsangabe des Stoffwechselbedarfs dar. Auf ähnliche Weise stellt der Langzeitdurchschnitt ("LTA") in dem Schritt 820 einen gleitenden Durchschnitt der Minutenventilationsdatenpunkte über die vorhergehenden annähernd 2 Stunden zu einem speziellen Zeitpunkt dar. Der Langzeitdurchschnitt nähert den Ruhezustand des Minutenventilationsindikators an. Bei einem Ausführungsbeispiel wird die Langzeitdurchschnittsbildung in dem Schritt 820 durch ein digitales IIR-Filter ausgeführt.
In einem Schritt 825 werden die Kurzzeit- und Langzeitdurchschnitte verglichen. Bei einem Ausführungsbeispiel schließt dieser Vergleich ein Subtrahieren des Langzeitdurchschnitts von dem Kurzzeitdurchschnitt ein. Die Differenz wird optional skaliert und zum Einstellen der Herzschrittmacherfrequenz verwendet, wenn der Kurzzeitdurchschnitt über den Langzeitdurchschnitt hinausgeht. Bei einem Ausführungsbeispiel wird die Frequenz gemäß einer Gleichung 3 eingestellt. RATEMV = LRL + K(STA – LTA) (3)
In der Gleichung 3 stellt STA den Kurzzeitdurchschnitt dar, LTA stellt den Langzeitdurchschnitt dar, K stellt einen optionalen Skalierungskoeffizienten dar, LRL ist eine programmierbare untere Frequenzgrenze, zu der die durch einen Inkrementalsensor gesteuerte Frequenz addiert wird, und RATE_MV ist die durch die Minutenventilation angegebene Frequenz, mit der die Herzschrittmachertherapie zugeführt wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist RATE_MV eine lineare Funktion der Differenz STA-LTA. Falls der Wert des Kurzzeitdurchschnitts kleiner als der Wert des Langzeitdurchschnitts ist, wird ferner bei diesem Ausführungsbeispiel die Herzschrittmachertherapie mit der unteren Frequenzgrenze (LRL) zugeführt.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird mehr als ein Skalierungskoeffizient K verwendet, wobei eine stückweise lineare Zuordnung der Minutenventilation zu der sich ergebenden durch die Minutenventilation angegebenen Frequenz erhalten wird. Wenn zum Beispiel die Differenz STA-LTA über einen bestimmten Schwellenwert hinausgeht, wird ein kleinerer Skalierungskoeffizient K verwendet. Dies verringert die inkrementelle Erhöhung der Herzschrittmacherfrequenz für hohe Herzschrittmacherfrequenzen im Vergleich zu der inkrementellen Erhöhung der Herzschrittmacherfrequenz für Herzschrittmacherfrequenzen nahe an der unteren Frequenzgrenze (LRL).
Der Schritt 825 ist alternativ als ein Verhältnis STA/LTA statt der Differenz STA-LTA realisiert. Bei einem derartigen Ausführungsbeispiel wird die Frequenz gemäß einer Gleichung 4 eingestellt, wenn STA über LTA hinausgeht.
In der Gleichung 4 stellt STA den Kurzzeitdurchschnitt dar, LTA stellt den Langzeitdurchschnitt dar, C stellt einen optionalen Skalierungskoeffizienten dar, LRL ist eine programmierbare untere Frequenzgrenze, zu der die durch einen Inkrementalsensor gesteuerte Frequenz addiert wird, und RATE_MV ist die durch die Minutenventilation angegebene Frequenz, mit der die Herzschrittmachertherapie zugeführt wird. Falls der Wert des Kurzzeitdurchschnitts kleiner als der Wert des Langzeitdurchschnitts ist, wird die Herzschrittmachertherapie mit der unteren Frequenzgrenze (LRL) zugeführt. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird unter Verwendung von mehr als einem Skalierungskoeffizienten wie vorstehend beschrieben eine verringerte inkrementelle Frequenz bei hohen Herzschrittmacherfrequenzen erhalten.
Es können auch andere Frequenzmodifikatoren verwendet werden, um eine durch die Minutenventilation angegebene Frequenz zu erhalten. Überdies kann die durch die Minutenventilation angegebene Frequenz mit anderen Frequenzindikatoren wie beispielsweise den von verschiedene Indikatoren des Stoffwechselbedarfs (zum Beispiel die Beschleunigung) bereitstellenden verschiedenen Sensoren abgeleiteten kombiniert, gemischt oder anderweitig in Verbindung damit verwendet werden. Derartige Indikatoren können andere Kennlinien (zum Beispiel Zeitverzögerung nach dem Einsetzen von Übungen) aufweisen, die vorteilhafterweise mit der vorstehend beschriebenen Minutenventilationsfrequenzangabe kombiniert werden.
In einem Schritt 830 wird die angegebene Frequenz (zum Beispiel RATE_MV) für die Steuereinrichtung 165 bereitgestellt, um die Frequenz der durch die Therapieschaltung 170 zugeführten Herzschrittmachertherapie einzustellen.
Alternatives Ausführungsbeispiel der Minutenventilationsberechnung
Die 9 zeigt ein Flußdiagramm ähnlich dem der 8, das ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung allgemein veranschaulicht, das eine Atemzug-für-Atemzug-Minutenventilationsberechnung verwendet. In einem Schritt 900 werden den Spitzen und Tälern des Antwortsignals entsprechende Zeitdifferenzen zum Erhalten von den in dem Schritt 805 erhaltenen Atemzugvolumendatenpunkten entsprechenden Atmungsperiodendatenpunkten verwendet. In einem Schritt 910 wird eine Atemzug-für-Atemzug-Angabe der Minutenventilation erhalten, wie beispielsweise durch ein Teilen der Atemzugvolumendatenpunkte durch die entsprechenden Atmungsperiodendatenpunkte zum Erhalten von Minutenventilationsdatenpunkten. Die Frequenz des Zuführens der Herzrhythmusregulationstherapie wird daraufhin basierend auf den Minutenventilationsdatenpunkten eingestellt wie vorstehend mit Bezug auf die 8 beschrieben.
Alternatives Ausführungsbeispiel der Signalverarbeitungseinrichtung
Die vorstehende Beschreibung veranschaulicht ein spezielles Ausführungsbeispiel der Signalverarbeitungseinrichtung 155 wie in der 4 veranschaulicht und Verfahren für ihre Verwendung beispielhaft, aber nicht in beschränkender Weise. Es sind viele andere mögliche Ausführungsbeispiele der Signalverarbeitungseinrichtung 155 vorhanden und ebenfalls in der vorliegenden Erfindung enthalten. Die 10 zeigt ein Blockschaltbild, das eine derartige Variation bei der Signalverarbeitungseinrichtung 155 allgemein veranschaulicht. Das Bandpaßfilter 420 gemäß der 4 ist in der Signalverarbeitungseinrichtung 155 gemäß der 10 digital realisiert. Andere Variationen sind ebenfalls möglich, ohne von der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Alternatives Ausführungsbeispiel der Frequenzeinstellung
Die vorstehende Beschreibung veranschaulicht beispielhaft, aber nicht in beschränkender Weise, ein spezielles Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei dem Ventilationsinformationen aus einer detektierten transthorakalen Impedanz extrahiert werden und die Frequenz der Zuführung der Herzrhythmusregulationstherapie basierend auf einem aus den Ventilationsinformationen abgeleiteten Indikator eingestellt wird. Weitere Ausführungsbeispiele umfassen jedoch auch die Extraktion von anderen Informationen (zum Beispiel Herzschlaginformationen) aus der transthorakalen Impedanz, wie beispielsweise zum Einstellen der Frequenz der Zuführung der Herzrhythmusregulationstherapie basierend auf einem aus derartigen Informationen extrahierten Indikator. Ein derartiges Beispiel ist in Warren et al., US-Patentnummer 5,156,147, mit dem Titel "VARIABLE RATE PACEMAKER HAVING UPPER RATE LIMIT GOVERNOR BASED ON HEMODYNAMIC PERFORMANCE" offenbart. Ein anderes derartiges Beispiel ist in Spinelli, US-Patentnummer 5,235,976, mit dem Titel "METHOD AND APPARATUS FOR MANAGING AND MONITORING CARDIAC RHYTHM MANAGEMENT USING ACTIVE TIME AS THE CONTROLLING PARAMETER" offenbart.
Ergebnis
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung stellen unter anderem eine Herzrhythmusregulationsvorrichtung bereit, die eine transthorakale Impedanz erfaßt und eine Zuführungsfrequenz der Herzrhythmusregulationstherapie basierend auf aus der transthorakalen Impedanz extrahierten Informationen einstellt. Bei einem Ausführungsbeispiel entfernt ein adaptives Tiefpaßfilter das Schlagsignal aus dem Signal der transthorakalen Impedanz, während die Ventilationsinformationen erhalten werden. Das adaptive Filter weist eine Tiefpaßgrenzfrequenz auf, die adaptiv auf der Herzfrequenz des Patienten basiert, aber unabhängig von einem Atemfrequenzsignal ist. Eine gewichtete Demodulation stellt ein Filtern bereit, das eine Ablehnung von unerwünschten Signalen verbessert. Eine Minutenventilation wird aus einem aus den Ventilationsinformationen erhaltenen Atemzugvolumen erhalten. Eine angegebene Frequenz basiert auf einer Differenz zwischen oder einem Verhältnis von Kurz- und Langzeitdurchschnitten der Minutenventilationsinformationen, sofern nicht ein über eine Schwelle hinausgehendes Rauschen detektiert wird.
Die Ausführungsbeispiele regulieren die Herzfrequenz des Patienten basierend auf einer genauen Angabe des Stoffwechselbedarfs wirksam, sorgen für einen robusten Betrieb bei dem Vorhandensein von fremden Rauschsignalen, die die Angabe des Stoffwechselbedarfs verwirren, und sorgen auch für einen die Verwendungslebensdauer der batteriebetriebenen implantierbaren Vorrichtung erhöhenden niedrigen Energieverbrauch.

Claims

Vorrichtung (105) mit: einer zum Koppeln mit einem Thorax eines Patienten zum wiederholten Zuführen eines Mehrphasenstimulus zu diesem eingerichteten Erregungseinrichtung (150); einer Signalverarbeitungseinrichtung (155), die eine Empfangseinrichtung (410) zum auf die Stimuli antwortenden Erhalten einer transthorakalen Impedanz aufweist, wobei die Signalverarbeitungseinrichtung zum Extrahieren von Ventilationsinformationen aus der transthorakalen Impedanz betreibbar ist, wobei die Signalverarbeitungseinrichtung ein adaptives Tiefpaßfilter (435) aufweist, das zum Entfernen einer Herzschlagkomponente des Signals der transthorakalen Impedanz dient und derart, daß eine Grenzfrequenz des adaptiven Tiefpaßfilters adaptiv auf einer Herzfrequenz des Patienten basiert, und derart, daß die Grenzfrequenz des adaptiven Tiefpaßfilters unabhängig von einem Atemfrequenzsignal von dem Patienten ist, betreibbar ist, und wobei die Signalverarbeitungseinrichtung eine Demodulationseinrichtung (415) aufweist, wobei die Demodulationseinrichtung Abtastelemente zum Demodulieren der transthorakalen Impedanz als Antwort auf verschiedene Phasen des Mehrphasenstimulus aufweist und wobei die Demodulationseinrichtung zum Kombinieren von gewichteten Abtastwerten der Informationen der transthorakalen Impedanz zum Abschwächen unerwünschter Signale betreibbar ist; und einer mit der Signalverarbeitungseinrichtung gekoppelten Steuereinrichtung (165) zum Einstellen einer Frequenz der Zuführung von Energieimpulsen basierend auf den Ventilationsinformationen, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung zum Auswählen zwischen einer Anzahl von diskreten Tiefpaßgrenzfrequenzen eingerichtet ist, wobei jede Tiefpaßgrenzfrequenz einem speziellen Bereich von Werten der Herzfrequenz entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Signalverarbeitungseinrichtung aufweist: eine analoge Signalverarbeitungsschaltung (400), die zum Empfangen des Signals der transthorakalen Impedanz dient und einen Analog-Digital-(A/D-)Wandler zum Bereitstellen eines antwortenden digitalen Signals der transthorakalen Impedanz aufweist; und wobei das adaptive Tiefpaßfilter ein digitales 4-Pol-Chebyshev-Filter einschließlich einer Zustandsraumstruktur aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Steuereinrichtung zum Auswählen der Grenzfrequenz des adaptiven Tiefpaßfilters derart, daß sie höher ist, wenn das Herzaktivitätssignal eine höhere Herzfrequenz angibt, und niedriger ist, wenn das Herzaktivitätssignal eine niedrigere Herzfrequenz angibt, betreibbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Steuereinrichtung zum Auswählen der Grenzfrequenz des adaptiven Tiefpaßfilters bei annähernd 0,5 Hz, 0,75 Hz und 1,0 Hz, wenn die Herzfrequenz jeweils annähernd weniger als 68 Schläge pro Minute, zwischen 68 und 88 Schlägen pro Minute und mehr als 88 Schläge pro Minute beträgt, betreibbar ist.
System (100), das die Vorrichtung nach Anspruch 1 aufweist, wobei das System ferner umfaßt: eine endokardiale Zuleitung (110), die erste und zweite Elektroden (120, 125) trägt, wobei die Zuleitung mit der Vorrichtung gekoppelt ist; und ein Gehäuse (130), das die Vorrichtung trägt, wobei das Gehäuse dritte und vierte Elektroden (135, 145) aufweist.
System nach Anspruch 5, wobei die erste Elektrode eine Spitzenelektrode (120) ist, die zweite Elektrode eine Ringelektrode (125) ist, die dritte Elektrode eine Behälterelektrode (135) ist und die vierte Elektrode eine indifferente Elektrode (145) ist.
System nach Anspruch 6, wobei die indifferente Elektrode durch einen Kopfabschnitt (140) des Gehäuses getragen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Demodulationseinrichtung Abtastelemente zum Demodulieren der transthorakalen Impedanz als Antwort auf verschiedene Phasen des Mehrphasenstimulus aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der die Erregungseinrichtung eine Brückenschalteinrichtung (200) zum Bereitstellen des Mehrphasendiagnostizierteststimulus aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der die Erregungseinrichtung aufweist: erste und zweite Kondensatoren (215A, 215B), die zum Koppeln der Brückenschalteinrichtung mit dem Thorax des Patienten eingerichtet sind; und eine Vorspannungsschaltung (225A, 225B) zum Vorladen der ersten und zweiten Kondensatoren.
Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der die Demodulationseinrichtung eine Abtast- und Integrationseinrichtung mit geschalteten Kondensatoren (620) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der die Abtasteinrichtung mit geschalteten Kondensatoren Kondensatoren (605A–B, 610A–B, 600A–B, 615A–B) aufweist, die zum Gewichten von Impulsen entsprechend den Phasen in dem Mehrphasendiagnostizierteststimulus betreibbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 9, ferner mit einer mit der Demodulationseinrichtung gekoppelten Rauschumkehrungsschaltung (635) zum Empfangen eines Rauschantwortsignals bei dem Fehlen von Stimuli; einer in der Rauschumkehrungsschaltung enthaltenen Rauschvergleichseinrichtung (635) zum Vergleichen des Rauschantwortsignals mit einem Schwellenwert und zum Bereitstellen eines sich ergebenden Rauschvergleichseinrichtungsausgangssignals, das es angibt, ob das Rauschantwortsignal über den Schwellenwert hinausgeht; und wobei die Steuereinrichtung dazu betreibbar ist, die Frequenz der Zuführung der Impulse unabhängig von der transthorakalen Impedanz einzustellen, falls die Vergleichseinrichtungsausgabe es angibt, daß das Rauschantwortsignal über den Schwellenwert hinausgeht.
System, das die Vorrichtung nach Anspruch 8 aufweist, wobei das System ferner umfaßt: eine endokardiale Zuleitung (110), die erste und zweite Elektroden trägt, wobei die Zuleitung mit der Vorrichtung gekoppelt ist; und ein Gehäuse (130), das die Vorrichtung trägt, wobei das Gehäuse dritte und vierte Elektroden (135, 145) aufweist.
System nach Anspruch 14, wobei die erste Elektrode eine Spitzenelektrode (120) ist, die zweite Elektrode eine Ringelektrode (125) ist, die dritte Elektrode eine Behälterelektrode (135) ist und die vierte Elektrode eine indifferente Elektrode (145) ist.
System nach Anspruch 15, wobei die indifferente Elektrode durch einen Kopfabschnitt (140) des Gehäuses getragen wird.