DE19632706A1 - Verfahren zur dynamischen Feldfocussierung bei der Stimulation von reizbarem Körpergewebe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Es besteht bei der Stimulation beispielsweise des Herzens über flottierende wandferne Elektroden oder auch über wandständige Elektroden bei den verschiedensten Impulskonfigurationen und Impulsformen ein Zusammenhang zwischen der Reizschwelle, also der nötigen Mindestenergie, die eine Erregung der erregba­ ren Zellen auslöst, mit der Dichte der Feldlinien an einem Punkt der Zelloberfläche. Darauf hat der Abstand der Elektroden vom zu stimulierenden Gewebe entscheidenden Einfluß. Dieser Ab­ stand ist bei wandständigen Elektroden sehr gering, so daß bei dieser Anordnung erwartungsgemäß wesentlich niedrigere Reiz­ schwellen erforderlich sind als bei der Anordnung flottierender wandferner Elektroden.

Die Implantation wandferner flottierender Elektroden ist ver­ gleichsweise einfach und belastet den Patienten vergleichswei­ se gering, so daß sie grundsätzlich vorteilhaft ist. Eine Erregung des Myokards ist zwar möglich, allerdings mit vergleichsweise hohen Reizschwellen verbunden, so daß es unbeabsichtigt zu einer Mitstimulation des Phrenicusnerves kommen kann.

Ein weiterer Nachteil bei flottierenden Elektroden besteht darin, daß zwar bei grundsätzlich gleicher Körperhaltung, Atemfre­ quenz und -tiefe sowie gleichem Atemzyklusabschnitt eines Pa­ tienten ein grundsätzlich gleicher Abstand der Elektroden von dem stimulierbaren Gewebe eingehalten wird, daß sich jedoch bei einer grundsätzlichen Änderung eines oder mehrerer dieser Parameter die Elektroden gegenüber dem benachbarten stimu­ lierbaren Herzgewebe bewegen, so daß die Feldliniendichte im Bereich des zu stimulierenden Gewebes erheblich verändert werden kann. Bei Anwendung mehrerer Elektroden, deren elek­ trische Felder sich überlappen und deren elektrische Feldlinien einen bewußt angeordneten Focussierungspunkt aufweisen, kann diese Lageveränderung der Elektroden dazu führen, daß sich der Focussierungspunkt in den Bereich des Phrenicusner­ ves verschiebt, so daß einerseits die Reizschwellen deutlich er­ höht und gleichzeitig eine unerwünschte Mitstimulation des Phrenicusnerves induziert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren dahingehend zu verbessern, das elektrische Feld der Elektrode hinsichtlich seiner Lage und - bei Anwendung mehre­ rer Elektroden - insbesondere eines Focussierungspunktes der Feldlinien zu verändern.

Diese der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Die Erfindung schlägt mit anderen Worten vor, durch Verände­ rung der Impedanz das elektrische Feld zu beeinflussen und diese Beeinflussung an unterschiedliche Betriebsbedingungen anzupassen. Diese Anpassung kann in vorgegebenen Zeitinter­ vallen erfolgen oder in Abhängigkeit von sich verändernden Randbedingungen, wie beispielsweise der Körperhaltung des Patienten, so daß nicht für jede einzelnen Impuls eine Neube­ stimmung der Impedanz erfolgt. Gegebenenfalls kann jedoch für jeden Impuls die Impedanz neu bestimmt werden, wobei die Im­ pedanz vor der Impulsabgabe auf einen bestimmten Wert fest­ gelegt oder auch während der Impulsabgabe verändert werden kann.

Unabhängig von dem Stimulationsmodus kann auf diese Weise eine Optimierung des elektrischen Feldes bei jeder elektrischen Stimulation reizbaren Körpergewebes erfolgen.

Insbesondere ist es möglich, in Abhängigkeit von der Haltung des Patienten eine Korrektur des elektrischen Feldes vorzu­ nehmen, um eine veränderte Lage wandferner flottierender Elektroden bei einer Stimulation des Herzgewebes auszuglei­ chen. Neben diesem Korrektureffekt, der die Elektrodenbewe­ gung kompensiert, kann ein Focusierungseffekt hervorgerufen werden, indem die elektrischen Felder mehrerer Elektroden durch Beeinflussung der Impedanz einer oder der Impedanzen mehrerer dieser Elektroden beeinflußt werden. Auf diese Weise läßt sich eine Erhöhung der Feldliniendichte erzielen, wodurch es zu einer Reduktion der Reizschwelle kommen kann.

Insgesamt sind drei Arbeitsprinzipien möglich, die auf einer ver­ änderlichen Impedanz aufbauen und die einzeln oder in Kombi­ nation miteinander verwirklicht werden können. Dabei umfaßt der hier verwendete Begriff der "Impedanz oder "Elektrodenim­ pedanz" die Impedanz vom Herzschrittmacher oder einem ver­ gleichbaren Impulsgenerator bis zur Elektrodenoberfläche.

• 1. Die Elektrodenimpedanz kann geändert werden, um die Dichte elektrischer Feldlinien zu optimieren und eine Herab­ setzung der Reizschwelle zu bewirken. In Abhängigkeit von der Anordnung mehrerer Elektroden kann so eine Feldfocus­ sierung durch die Beeinflussung der Impedanz von einer einzigen, oder mehreren, oder sämtlichen Elektroden bewirkt werden.
• 2. Vor der Impulsabgabe kann die Elektrodenimpedanz derart eingestellt werden, daß auch bei einer veränderten Lage der Elektrode, insbesondere bei einem unterschiedlichen Abstand zum reizbaren Körpergewebe, eine ausreichende Reizung des zu stimulierenden Gewebes sichergestellt werden kann und eine ausreichend niedrige Reizung des Körpergewebes erzielt werden kann, die eine unerwünschte Mitstimulation weiteren reizbaren Körpergewebes ausschließt.
  Diese die Lageänderung der Elektroden berücksichtigen der Impedanzänderung kann während einer laufenden Bewegung vorausberechnet werden, so daß zum Abgabezeitpunkt des Impulses eine optimale Feldlinienverteilung erzielbar ist.
• 3. Während der Abgabe des Impulses kann die Elektrodenim­ pedanz beeinflußt werden, um eine wandernde Feldlinien­ verdichtung zu erzeugen. Auf diese Weise wird gegenüber einer punktförmigen Focussierung der Feldlinien ein größe­ rer Bereich elektrisch reizbaren Gewebes durch den Impuls stimuliert, was ggf. eine weitere Herabsetzung der Reiz­ schwelle bewirken kann und ggf. die Sicherheit des Stimu­ lationserfolges verbessern kann.

Die Impedanzen einer oder aller Elektroden können erhöht oder herabgesetzt werden, so daß der Ladungsfluß bewußt umgelei­ tet und ein veränderter Verzerrungseffekt erzielt wird, so daß der Focussierungspunkt der elektrischen Feldlinien veränderlich ist. Die Änderung der Impedanzen der einzelnen Elektrode kann in technisch vielfältiger Art und Weise erfolgen. Grundsätzlich ist eine Art Potentiometer denkbar, welches der Elektrode vor­ geschaltet ist und welches auf ein Triggersignal hin kontinuier­ lich oder schlagartig die Impedanz verändert.

Eine Unterschiedlichkeit der Elektroden bei einer mehrere Elek­ troden umfassenden Anordnung kann bewußt gewählt werden, um eine definierte elektrische Feldorientierung mit bestimmten Verzerrungsmustern vorzugeben. Die Effekte der elektrischen Feldfokussierung können dadurch verstärkt oder unter Umstän­ den sogar erst ermöglicht werden. Eine derartige Unterschied­ lichkeit kann durch die unterschiedliche Größe der Elektroden oder auch durch deren unterschiedliche Materialien, beispiels­ weise unterschiedliche Legierungen, bewirkt werden.

Anhand der Abb. 1 bis 8 werden mehrere Ausführungs­ beispiele dargestellt, die nach dem erfindungsgemäßen Verfah­ ren arbeiten.

Dabei sind jeweils zwei oder mehr Elektroden dargestellt und mit "E₁", bis "E₃ sowie mit "ground" bezeichnet, wobei eine dieser Elektroden beispielsweise in Form des Gehäuses eines Schritt­ machers "SM" ausgestaltet sein kann. In Abhängigkeit von den unterschiedlichen Polaritäten der Elektroden und den unter­ schiedlichen Impedanzen ergeben sich die schematisch ange­ deuteten unterschiedlichen Feldlinienverläufe. Die Abb. 1 bis 8 stellen nur vereinfachte Modelle einer rein beispielhaft darge­ stellten Anordnung von Elektroden dar, wobei in der Praxis ver­ schiedene von den Darstellungen abweichende Ausgestal­ tungen und Anordnungen der Elektroden möglich sind. Die Darstellung der Feldlinienverläufe stellt lediglich ein vereinfach­ tes Modell dar: In der Realität kommt es nicht zu den überlappenden Feldlinienverläufen, sondern es stellen sich Ver­ zerrungen ein, die von der jeweiligen Feldstärke und Orien­ tierung der Feldlinien abhängig sind und die durch eine Ände­ rung der Elektrodenimpedanz verändert werden können.

Für die frequenzadaptive Stimulation von Patienten ist eine Vielzahl von Detektoren zur Positionsbestimmung des Patienten bekannt. Diese können erfindungsgemäß dazu verwendet wer­ den, die detektierte Position des Patienten mit einer aus Erfah­ rungswerten gewonnenen Elektrodenposition im Herzen zu kor­ relieren, so daß die Elektrodenanordnung, die einer bestimmten Position des Patienten entspricht, als Maß des Abstandes zwi­ schen den einzelnen Elektroden und dem ihnen zugeordneten zu stimulierenden Gewebe dient.

In Fig. 1 ist eine Anordnung mit unipolarer Stimulation darge­ stellt, während Fig. 2 eine Anordnung mit bipolarer Stimulation zeigt.

Fig. 3 zeigt Beispiele für eine Feldlinienfocussierung bei über­ lappenden elektrischen Feldern, die mit einem monophasischen Impuls induziert sind bei zentraler Überlappung und peripherer Feldfocussierung.

Fig. 4 betrifft Beispiele ähnlich der Anordnung gemäß Fig. 3, jedoch bei zentraler Überlappung und zentraler Feldfocussie­ rung.

Die Beispiele gemäß Fig. 5 betreffen ebenfalls überlappende elektrische Felder induziert mit einem monophasischen Impuls bei zentraler Überlappung und peripherer Feldfocussierung, wobei jedoch nicht das Schrittmachergehäuse als eine Elektrode dient. Gleichermaßen unterscheiden sich die Beispiele gemäß Fig. 6 von denen gemäß Fig. 4.

Die Fig. 7 und 8 betreffen jeweils Beispiele für die Feldlinien­ focussierung während überlappender elektrischer Felder, indu­ ziert mit zwei überlappenden monophasischen Impulsen, wobei die Beispiele gemäß Fig. 7 für zentrale Überlappung und peri­ phere Feldfocussierung gelten, während die Beispiele gemäß Fig. 8 für Zentralüberlappung und eine ebenfalls zentrale Feld­ focussierung gelten.

Bei allen in den Figuren dargestellten Beispielen ist gültig, daß die jeweiligen Prinzipien sowohl während als auch vor der Sti­ mulation angewendet werden können.

Hinsichtlich der Änderung der Elektrodenimpedanz vor der Ab­ gabe eines Impulses in Abhängigkeit von der gemessenen und/oder vorausberechneten Elektrodenposition ist zu erwar­ ten, daß mit der Änderung der Eingangswiderstände sich auch die Signalerkennung ändert, da diese von den Eingangsfilterei­ genschaften und vom Elektrodenverhalten abhängig ist. Mögli­ cherweise werden daher auch die sonst beobachteten Amplitu­ denschwankungen während einer Signalregistrierung über flot­ tierende Elektroden ausgeglichen und möglicherweise ist ein stabiles, wenig schwankendes Signal erzielbar. Von herkömmli­ chen wandständigen sowie flottierenden Elektroden ist eine sehr gute Korrelation zwischen guter Wahrnehmung und niedri­ ger Reizschwelle bekannt.

Bei der Änderung der Elektrodenimpedanz während der Impuls­ abgabe zur Erzeugung einer wandernden Feldlinienverdichtung könnte diese Erregungsform eine Verbesserung im Sinne einer Synchronisation der Vorhoferregung bzw., der ventrikulären Er­ regung darstellen, wenn die beiden Elektroden jeweils im Be­ reich des rechten und linken Vorhofs bzw. Ventrikels plaziert wären.

Die Änderung der Elektrodenimpedanz kann für eine oder meh­ rere einzelne Elektroden oder für sämtliche Elektroden erfolgen, und zwar entweder gemeinsam oder unabhängig voneinander, wobei die Änderung vor oder während der Impulsabgabe erfol­ gen kann.

Claims (6)

1. Verfahren zur Stimulation von reizbarem Körpergewebe mittels eines elektrischen Feldes, wobei einer Elektrode ein elektrischer Impuls in Form einer elektrischen Spannung angelegt wird und wobei die elektrische Energie von der Energiequelle bis zur Elek­ trode durch einen oder mehrere elektrische Leiter mit bestimmter Impedanz fließt, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz von einem Impuls zu einem darauf folgenden Impuls neu festgelegt und ggf. verändert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor Abgabe des Impulses die Impedanz in Abhängigkeit von der Position des Patienten bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wäh­ rend der Abgabe des Impulses die Impedanz verändert wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Elektroden verwendet werden, wo­ bei die Impedanz einer oder mehrerer Elektroden beeinflußt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere elektrische Felder mittels mehrerer Elektroden erzeugt werden, deren Impulse synchronisiert werden, wobei die Impedanz einer oder mehrerer Elektroden auf die Impe­ danzen der anderen Elektroden abgestimmt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Elektroden verwendet werden, wo­ bei die Elektroden unterschiedliche Abmessungen aufweisen und/oder aus unterschiedlichen Materialien bestehen.