DE19844598B4

DE19844598B4 - Implantierbarer Kardioverter, insbesondere Defibrillator

Info

Publication number: DE19844598B4
Application number: DE19844598A
Authority: DE
Inventors: Tran Dr. Portland Thong
Original assignee: Biotronik SE and Co KG
Current assignee: Biotronik SE and Co KG
Priority date: 1998-09-29
Filing date: 1998-09-29
Publication date: 2009-04-02
Anticipated expiration: 2018-09-30
Also published as: DE19844598A1; US6345199B1

Abstract

Implantierbarer Kardioverter, insbesondere Defibrillator, mit einem Morphologie-Detektor (3) zur Erfassung und Auswertung von Elektrokardiogramm-(EKG-)Signalen im Hinblick auf eine Differenzierung zwischen unterschiedlichen Tachykardie-Zuständen des Herzens, dadurch gekennzeichnet, dass der Morphologie-Detektor (3) aufweist:
– einen Signalbreiten-Detektor (10), mittels dem jeweils die Breite (w) eines EKG-Signal-Peaks zwischen zwei aufeinander folgenden Durchgängen (d2) durch die isoelektrische Linie (Z) des EKG's bestimmbar ist,
– einen Schwellenwert-Diskriminator (11) zur Bestimmung, ob das EKG-Signal zwischen zwei solchen aufeinander folgenden Durchgängen (d1, d2) einen definierten Schwellenwert (T) überschreitet, und
– einen mit dem Signalbreiten-Detektor (10) und dem Schwellenwert-Diskriminator (11) gekoppelten Komparator (12) für die Signalbreite (ws), der den jeweils vom Schwellenwert-Diskriminator (11) selektierten und vom Signalbreiten-Detektor (10) ermittelten aktuellen Signalbreitenwert (ws) mit einem vorgegebenen Selektierungsparameter zur Differenzierung zwischen zwei unterschiedlichen Tachykardie-Zuständen vergleicht.

Description

Die Erfindung betrifft einen implantierbaren Kardioverter, insbesondere einen Defibrillator, mit einem Morphologie-Detektor zur Erfassung und Auswertung von Elektrokardiogramm-(EKG)-Signalen im Hinblick auf eine Differenzierung zwischen unterschiedlichen Tachykardie-Zuständen des Herzens.
Zum Hintergrund der Erfindung ist grundsätzlich festzuhalten, dass als Krankheitsbild krankhafte Rhythmusstörungen des Herzens, sogenannte "Tachykardien", existieren, die atrial oder ventrikulär, also im Vorhof des Herzens oder in der Herzkammer, auftreten können. Es handelt sich dabei um einen Zustand des Herzens mit einer krankhaft erhöhten Schlagfrequenz, die deutlich mehr als 100 Schläge pro Minute betragen kann. Es werden in diesem Zusammenhang generell zwei verschiedene Störungsmuster unterschieden, nämlich einerseits das atriale bzw. ventrikuläre Flattern und andererseits das atriale bzw. ventrikuläre Flimmern. Beim "Flattern" handelt es sich um eine schnelle Folge relativ regelmäßiger Herzaktionen, bei der noch eine gewisse Pumpleistung des Herzens verfügbar bleibt. Beim "Flimmern" liegt dagegen eine asynchrone Aktion der Herzmuskelzellen vor, wodurch keine effektive Pumpleistung mehr erzielt wird.
Beide vorgenannten Zustände können dieselbe Schlagfrequenz besitzen, jedoch in der Stabilität und damit in ihren Auswirkungen für den Patienten sehr unterschiedlich sein. Die beiden Störungen "Flattern" und "Flimmern" verlangen also unterschiedliche kardiologische Maßnahmen. Ein moderner Herzschrittmacher oder Kardioverter muss also zwischen Flatter- und Flimmerzuständen exakt differenzieren können, um entsprechende Aktionen ergreifen zu können. Dazu weisen diese Geräte den angesprochenen Morphologie-Detektor auf, der in geeigneter Weise das EKG-Signal erfasst und bewertet. Für die Art und Weise der dabei eingesetzten Signalaufbereitung und -umsetzung ist naturgemäß eine große Bandbreite an Möglichkeiten gegeben, die in erster Linie durch den speziellen Einsatzort und die damit verbundenen Randbedingungen eines Kardioverters oder Defibrillators begrenzt wird.
Zum Stand der Technik ist darauf hinzuweisen, dass bekannte Morphologie-Detektoren beispielsweise die Breite des gesamten Depolarisations-Komplexes des EKG-Signals messen. Die Messung der Breite einzelner Zacken findet nicht statt. Dies trifft beispielsweise für die Detektoren gemäß den US-Patentschriften 5 542 430 A und 5 447 519 A zu. Bei US 5 348 021 A werden zwei gesamte Depolarisations-Komplexe bestimmt, die dann durch einen Mikroprozessor verglichen werden, um zu prüfen, ob eine Depolarisation stattgefunden hat. Bei dem Morphologie-Detektor gemäß US-Patentschrift 5,560,369 wird ferner vorwiegend ein automatisches Setzen von Schwellenwerten behandelt, nicht jedoch eine Differenzierung zwischen den dargestellten Tachykardie-Zuständen.
Bei der in der US-Patentschrift 5 086 772 A gezeigten Vorrichtung zur Überwachung von Herzrhythmusstörungen kann u. a. zwischen ventrikulären und supra-ventrikulären Tachykardie-Zuständen differenziert werden. Hierzu wird die sogenannte 50%-Breite der R-Welle des EKG-Signals herangezogen. Eine Differenzierung zwischen "Flattern" und "Flimmern" findet nicht statt.
Aus der EP 0 592 625 B1 und der parallelen US 5 312 441 A ist ein Kardioverter oder Defibrillator bekannt, der einen Elektrogramm-Wellenformanalysator umfasst. Die elektrischen Signale vom Herzen des Patienten werden dabei digitalisiert und sequentiell gespeichert. Diese gespeicherten Signale werden innerhalb eines Zeitfensters abgetastet und durch Differenzbildung praktisch die Steigung der Signale ermittelt. Diese dient als Basis für die Auswahl geeigneter Therapiemaßnahmen des Kardioverters oder Defibrillators.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen implantierbaren Kardioverter so zu verbessern, dass sein Morphologie-Detektor zuverlässig zwischen unterschiedlichen Tachykardie-Zuständen des Herzens und insbesondere zwischen einem "Flattern" und einem "Flimmern" differenzieren kann.
Diese Aufgabe wird durch einen implantierbaren Kardioverter mit einem Morphologie-Detektor gelöst, der folgende Merkmale aufweist:

– einen Signalbreiten-Detektor (10), mittels dem jeweils die Breite (w) eines EKG-Signal-Peaks zwischen zwei aufeinander folgenden Durchgängen (d2) durch die isoelektrische Linie (Z) des EKG's bestimmbar ist,
– einen Schwellenwert-Diskriminator (11) zur Bestimmung, ob das EKG-Signal zwischen zwei solchen aufeinander folgenden Durchgängen (d1, d2) einen definierten Schwellenwert (T) überschreitet, und
– einen mit dem Signalbreiten-Detektor (10) und dem Schwellenwert-Diskriminator (11) gekoppelten Komparator (12) für die Signalbreite (ws), der den jeweils vom Schwellenwert-Diskriminator (11) selektierten und vom Signalbreiten-Detektor (10) ermittelten aktuellen Signalbreitenwert (ws) mit einem vorgegebenen Selektierungsparameter zur Differenzierung zwischen zwei unterschiedlichen Tachykardie-Zuständen vergleicht.

Die vorstehende Erfindung macht sich die Erkenntnis zu Nutze, dass in einem Flatter-Zustand des Herzens das EKG-Signal zur Grund- oder isoelektrischen Null-Linie zurückkehrt und schmale Peaks (Zacken) aufweist. In einem Flimmer-Zustand des Herzens dagegen weicht das EKG-Signal im Mittel stärker von der Grundlinie ab und besitzt wesentlich breitere Peaks. Dies wird anhand der späteren Figurenbeschreibung noch deutlicher gemacht.
Der erfindungsgemäß vorgeschlagene Morphologie-Detektor setzt nun auf die Breite des EKG-Signals zwischen zwei Nulldurchgängen durch die Grundlinie auf, wobei grundsätzlich nur solche EKG-Signalpeaks berücksichtigt werden, deren Amplitude einen definierten Schwellenwert überschreitet. Für die vorstehenden Funktionalitäten arbeiten der angegebene Signalbreiten-Detektor und Schwellenwert-Diskriminator zusammen. Zum Begriff "definierter Schwellenwert" ist festzuhalten, dass es sich dabei nicht zwingend um einen konstanten Schwellenwert handeln muss. Dieser kann auch ein sogenannter "adaptiver Schwellenwert" sein, der aufgrund einer laufenden Auswertung des EKG-Signals auf der Basis der jeweiligen Peak-Amplitude dynamisch ermittelt wird. Eine adaptive Schwellen wert-Einstellung als solche ist im übrigen auf dem Gebiet von Kardiovertern bekannt und wird praktisch eingesetzt.
Der ferner vorgesehene Komparator für die Signalbreite vergleicht den aktuellen Signalbreitenwert mit einem vorgegebenen, die Tachykardie-Zustände "Flattern" und "Flimmern" so zuverlässig wie möglich trennenden Selektierungsparameter. Es wird also verglichen, ob der ermittelte und ggf. über übliche statistische Verfahren und Bewertungen aufbereitete Signalbreitenwert über dem Selektierungsparameter liegt und damit eher ein Flimmer-Zustand (breite Peaks) vorliegt oder der Selektierungsparameter unterschritten wird, was aufgrund der zugehörigen schmäleren Peaks auf ein Herzflattern hinweist.
Bevorzugte Ausführungsformen des Kardioverters mit Morphologie-Detektoren sind in den Unteransprüchen angegeben. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ferner in der nachfolgenden Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 und 2 zwei typische EKG-Signalverläufe für die anormalen Tachykardie-Zustände "Flattern" und "Flimmern",
3 ein höchst schematisches Schaubild eines implantierbaren Kardioverters mit Morphologie-Detektor, und
4 ein Kurvenschaubild zur Darstellung der Funktionsweise des Morphologie-Detektors.
Anhand der 1 und 2 ist der grundsätzliche Unterschied zwischen EKG-Signalen bei Herzflattern (1) und Herzflimmern (2) zu erläutern. Im ersteren Fall weisen die einen definierten, adaptiven Schwellenwert T überschreitenden Peaks 1 des in 1 gezeigten EKG-Signals eine geringe Signalbreite wd bzw. ws auf. Diese Signalbreite ist definiert als zeitlicher Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden Durchgängen des EKG-Signals durch die Grundlinie bzw. isoelektrische Null-Linie Z des EKG's.
Im Vergleich dazu sind die Signalbreiten w bei den Peaks 1 des in 2 gezeigten EKG-Signals's im Mittel wesentlich größer. Insofern kann also die Detektion insbesondere der gespeicherten Signalbreiten ws der Peaks 1 zur Differenzierung zwischen in ihrer Herzrate vergleichbaren Rhythmusstörungen herangezogen werden.
Zu den beiden 1 und 2 ist im Zusammenhang mit dem definierten, adaptiven Schwellenwert T festzuhalten, dass dieser der Einfachheit halber in den beiden Zeichnungen als konstanter Wert eingetragen ist. Wie bereits eingangs erörtert, kann und wird sich der Schwellenwert T jedoch aufgrund der vorgenommenen Adaption mit der Zeit und insbesondere von Refraktär-Periode zu Refraktär-Periode und auch dazwischen ändern.
Ein entsprechend ausgerüsteter implantierbarer Kardioverter 2 mit einem integrierten Morphologie-Detektor 3 zur Erfassung und Auswertung von EKG-Signalen im Hinblick auf eine Differenzierung zwischen solchen unterschiedlichen Tachykardie-Zuständen des Herzens ist in 3 höchst schematisch dargestellt. In üblicher Weise weist ein solcher Kardioverter als weitere funktionale Baugruppen einen Herzratendetektor 4, einen Mikroprozessor-gesteuerte Zentraleinheit 5 mit nicht näher dargestellter zentraler Recheneinheit (CPU), Arbeits-, Daten- und Programmspeicher, eine Pulseinheit 6 zur Erzeugung von Spannungsimpulsen entsprechend dem detektierten Herzzustand sowie eine Telemetrieeinheit 7 auf, über die der Kardioverter 1 von aussen umprogrammiert werden kann. Über entsprechende Elektroden 8, die in das Herz eingeführt oller aussenseitig aufgelegt sein können, detektiert der Kardioverter die EKG-Signale des Herzens 9 und gibt die vorstehend erwähnten Spannungsimpulse ab.
Da die generelle Wirkungsweise von Kardiovertern, Defibrillatoren und Herzschrittmachern im allgemeinen wohl bekannt ist, müssen zum generellen Aufbau der in 3 gezeigten Vorrichtung keine weiteren Ausführungen gemacht werden.
Genauer zu erläutern ist lediglich der Morphologie-Detektor 3, der als funktionale Baugruppe einen Signalbreiten-Detektor 10 zur Bestimmung der Signalbreite w des EKG-Signals zwischen zwei aufeinander folgenden Durchgängen durch die isoelektrische Linie Z des EKG's, einen Schwellenwert-Diskriminator 11 zur Bestimmung, ob das EKG-Signal zwischen zwei solchen aufeinander folgenden Durchgängen einen definierten Schwellenwert T überschreitet, einen Komparator 12, eine Maximalwert-Halteeinrichtung 13 mit Vergleicher (14) und Speicher (15) sowie einen Spitzenwert-Anzeiger 16 aufweist. Die Funktionsweise dieser vorstehenden Einheiten 10 bis 16 lässt sich anhand von 4 erläutern. So erfasst der Morphologie-Detektor 3 durch seine in 3 gezeigte Verbindung beispielsweise mit atrial im Herzen verankerten Elektroden 8 das EKG-Signal. Der Signalbreiten-Detektor 10 stellt dabei einen Durchgang d1 des EKG-Signals durch die Null-Linie Z fest. Anschließend überschreitet das EKG-Signal betragsmäßig den Schwellenwert T, so dass der Peak 1.1 als relevantes Ereignis behandelt wird. Wie aus den beiden unten in 4 dargestellten Verläufen der Signale ST ("STORE") für den Speicher 15 und PD ("PEAK DETECT") für den Spitzenwert-Anzeiger deutlich wird, werden durch die Überschreitung des Schwellenwertes T diese beiden Signale gesetzt. Der Spitzenwert-Anzeiger 16 verfolgt den Verlauf des Peaks 1.1 bis zu dessen Maximum (Amplitude a1), durch deren Erreichen das Signal PD wieder rückgesetzt wird. Der Amplitudenwert a1 wird dadurch erfasst. Da der Signalverlauf im Peak 1.1 danach in Richtung Nullinie läuft, wird das "PEAK DETECT"-Signal PD nicht mehr aktualisiert. Durch den zweiten Null-Durchgang d2 wird der durch den Null-Durchgang d1 gestartete Zähler des Signalbreiten-Detektors abgefragt und die Signalbreite w1 des Peaks 1.1 erfasst. Da ferner das "STORE"-Signal ST gesetzt ist, wird der Signalbreitenwert w1 gespeichert.
Im weiteren Signalverlauf nach dem Null-Durchgang w2 wird der Spitzenwert-Anzeiger 16 solange nicht aktualisiert, bis der Signalwert im Verlauf des Peaks 1.2 den Amplitudenmaximalwert a1 des Peaks 1.1 betragsmäßig überschreitet. Sobald dies der Fall ist, wird das "PEAK DETECT"-Signal PD wieder gesetzt und bei Durchlaufen des maximalen Amplitudenwertes a2 im Peak 1.2 dieser Spitzenwert erfasst. Gleichzeitig mit Setzen des "PEAK DETECT"-Signals PD wird wiederum das "STORE"-Signal ST für den Speicher 15 gesetzt.
Anschließend wird der nächste Null-Durchgang d3 durch den Signalbreiten-Detektor 10 registriert und die zugehörige Signalbreite w2 erfasst. Diese wird mittels des Vergleichers 14 mit den im Speicher 15 abgelegten früheren Signalbreitenwert w1 verglichen. So wird im gezeigten Fall gemäß 4 der Wert w2 zum Maximum bestimmt und gespeichert. Die auf diese Weise erhaltenen Maximalwerte bei den einzelnen EKG-Signalen können mit einem z. B. in der Zentraleinheit 5 vorgegebenen Selektierungsparameter zur Differenzierung zwischen zwei unterschiedlichen Tachykardie-Zuständen verglichen werden.
Wie aus 4 ferner deutlich gemacht werden kann, ist der Morphologie-Detektor 3 so ausgelegt, dass er jeweils während der Refraktär-Periode RP das EKG-Signal erfasst. Diese Periode beträgt erfahrungsgemäß grob etwa 100 ms. Unter gewissen Umständen, z. B. wenn große Repolarisations-Wellenformen (T-Wellen in Ventrikel) auftreten, ist es wünschenswert, jede Refraktär-Periode auszudehnen. Da die Erfassung des EKG-Signals jedoch nur die Depolarisations-Wellen (also die P-Welle und den QRS-Komplex) und nicht die Repolarisations-Welle betreffen soll, kann während einer vorgebbaren Refraktär-Periode die eigentliche Abtast- oder Erfassungsperiode des Morphologie-Detektors durch Deaktivierung verkürzt werden.
Zur Verdeutlichung des in 4 beispielhaft gezeigten Detektionsvorganges der EKG-Signalmorphologie sind in den 1 und 2 jeweils detektierte Signalbreiten (wd) und durch den Vergleich auf der Basis des Vergleichers 14 selektierte und gespeicherte Signalbreiten (ws) eingezeichnet. Desgleichen sind die jeweiligen Refraktär-Perioden RP der EKG-Signale vermerkt. Durch eine entsprechende Auslegung der Refraktär-Periode kann der Morphologie-Detektor 3 auch die Breite der Signalimpulse des atrialen und/oder ventrikulären Depolarisations-Wellenkomplexes des EKG-Signals detektieren.
Es versteht sich, dass die vorstehenden funktionalen Baugruppen des Morphologie-Detektors 3 in die Zentraleinheit 5 integriert und durch eine für die Tachykardie-Differenzierung ausgelegte Steuersoftware implementiert werden können. Ferner ist darauf hinzuweisen, dass der Morphologie-Detektor 3 als Sekundär-Detektor dem Herzraten-Detektor 4 des Kardioverters hierarchisch nachgeordnet ist. Dies bedeutest, dass nur bei Vorliegen einer bestimmten Herzrate, die auf einem Tachykardie-Zustand hinweist, der Morphologie-Detektor 3 zur Differenzierung zwischen Herzflimmern und -flattern herangezogen wird.

Claims

Implantierbarer Kardioverter, insbesondere Defibrillator, mit einem Morphologie-Detektor (3) zur Erfassung und Auswertung von Elektrokardiogramm-(EKG-)Signalen im Hinblick auf eine Differenzierung zwischen unterschiedlichen Tachykardie-Zuständen des Herzens, dadurch gekennzeichnet, dass der Morphologie-Detektor (3) aufweist: – einen Signalbreiten-Detektor (10), mittels dem jeweils die Breite (w) eines EKG-Signal-Peaks zwischen zwei aufeinander folgenden Durchgängen (d2) durch die isoelektrische Linie (Z) des EKG's bestimmbar ist, – einen Schwellenwert-Diskriminator (11) zur Bestimmung, ob das EKG-Signal zwischen zwei solchen aufeinander folgenden Durchgängen (d1, d2) einen definierten Schwellenwert (T) überschreitet, und – einen mit dem Signalbreiten-Detektor (10) und dem Schwellenwert-Diskriminator (11) gekoppelten Komparator (12) für die Signalbreite (ws), der den jeweils vom Schwellenwert-Diskriminator (11) selektierten und vom Signalbreiten-Detektor (10) ermittelten aktuellen Signalbreitenwert (ws) mit einem vorgegebenen Selektierungsparameter zur Differenzierung zwischen zwei unterschiedlichen Tachykardie-Zuständen vergleicht.
Kardioverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – im Morphologie-Detektor (3) eine Maximalwert-Halteeinrichtung (13) vorgesehen ist, die einen Vergleicher (14) und einen Speicher (15) aufweist, wobei der Vergleicher (14) einen jeweils aktuellen Signalbreitenwert (w2) mit einem im Speicher (15) abgelegten früheren Signalbreitenwert (w1) vergleicht sowie bei Überschreiten den früheren Signalbreitenwert (w1) mit dem aktuellen Signalbreitenwert (w2) überschreibt, und dass – der so ermittelte und gespeicherte maximale Signalbreitenwert (w2) zur Tachykardie-Differenzierung mittels des Komparators mit dem vorgegebenen Selektierungsparameter vergleichbar ist.
Kardioverter nach Anspruch 1 oder 2 mit einem Morphologie-Detektor, gekennzeichnet durch einen Spitzenwert-Anzeiger (16) für das EKG-Signal, wobei ein vom Signalbreiten-Detektor (10) ermittelter Signalbreitenwert (w2) des EKG-Signals nur dann zur Tachykardie-Differenzierung heranziehbar ist, wenn der dem jeweiligen Signalbreitenwert (w2) zugeordnete Spitzenwert (a2) des EKG-Signals größer als der vorangegangene Spitzenwert (a1) des EKG-Signals ist.
Kardioverter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Morphologie-Detektor (3) während einer vorgebbaren Refraktär-Periode des Herzens deaktivierbar ist.
Kardioverter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Morphologie-Detektor (3) als sekundärer Detektor einem Herzraten-Detektor (4) des Kardioverters (2) hierarchisch nachgeordnet ist.
Kardioverter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Morphologie-Detektor (3) die Breite der Signalimpulse des atrialen und/oder ventrikulären Depolarisations-Wellenkomplexes des EKG-Signals detektiert.