DE2809091C2

DE2809091C2 - Herzschrittmacher

Info

Publication number: DE2809091C2
Application number: DE2809091A
Authority: DE
Inventors: José Luis Madrid Bozal Gonzalez
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-03-03
Filing date: 1978-03-02
Publication date: 1983-03-03
Also published as: ES226859U; DE2809091A1; ES226859Y; US4201219A

Description

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Die Erfindung betrifft einen Herzschrittmacher, desen Impulsfolgefrequenz entsprechend der jeweiligen Belastung des Patienten gesteuert wird, mit einem Neurodetektor, der abhängig von der Belastung des Herzinhabers eine Impulsfolge erzeugt, die einer Nervenimpulsfolge entspricht, wobei die Impulsfolgefrequenz der vom Neurodetektor gelieferten Impulsfolge dazu verwendet wird, die Impulsfolgefrequenz des Herzschrittmachers physiologisch zu modifizieren.

Ein derartiger Herzschrittmacher ist aus der US-PS 48 707 bekannt Dieser bekannte Herzschrittmacher wird von der P-WeIIe des Elektrokardiogramms gesteuert. Dabei wird die Neurodetektorwirkung des Sinusknotens im rechten Herzvorhof ausgewertet Diese Detektorwirkung geht so vor sich, daß die Efferenten Herznerven Sympathikus bzw. Parasympa* thikus die Überträgerstoffe AcetylGholin bzw. Noradrenalin und Adrenalin in Abhängigkeit von der sie durchströmenden Folge von Nervenimpulsen absondern, wobei diese Nervenimpulsfolgen von der Belastung des Herzinhabers abhängen, per Sinusknoten wandelt die in den abgesonderten Überträgerstoffen enthaltene Information in elektrische Signale um, wobei die Impulsfolgefrequenz der Signale durch den Überträgerstoff Acetylcholin verringert, durch die Überträgerstoffe Noradrenalin und Adrenalin hingegen erhöht wird, d, h, die Impulsfolgefrequenji der S'musknotensignale wird entsprechend der jeweiligen Belastung des Herztahabers physiologisch modifiziert, Die Impulsfolgefrequenz der Sinusknotensignale -wiräjURl — über die P-Welle — zur Steuerung der Irnpulsfolgerrequenz des Herzschrittmachers herangezogen, ? wobei diese beiden Impulsfolgefrequenzen in der Regel — mit Ausnahme zwischendurch auftretender natürlicher Kammeraktivitäten — identisch sind.

Aus der US-PS 35 93 718 ist ein Herzschrittmacher bekannt, dessen Impulsfolgefrequenz entsprechend der jeweiligen Aktivität des Patienten gesteuert wird. Bei diesem bekannten Herzschrittmacher wird eine physiologische Funktion wie insbesondere die Atemfrequenz zur Änderung der Erzeugung elektrischer Impulse verwendet, die einer an die Herzkammer angeschlossenen Konstantstromquelle zugeführt werden. In der bekannten Anordnung wird zur Verwendung der Atmung als Steuerfaktor ein Impedanzpneumograph verwendet, dessen Wellenform in eine Gleichspannung umgewandelt wird, die einen Gleichstromimpuls-Oszillator zündet· Die Impulse gelangen dabei zu einer Konstantstromquelle, mit welcher eine in der Herzkammer implantierte Elektrode verbunden ist Diese Anordnung ist gegenüber Bewegungen des Kranken sehr empfindlich.

Schließlich ist aus der US-PS 39 03 897 ein durch die P-WeIIe gesteuerter Herzschrittmacher bekannt

Das Herz verfügt über ein eigenes System zur Leitung der Impulse, das die Synchronisierung sämtlicher Fasern des Herzmuskels ermöglicht Der Sinusknoten ist der Initiator des Herzschlages und demnach der hauptsächliche natürliche Schrittmacher.

In den letzten Jahren hat sich die Implantation künstlicher Herzschrittmacher bei solchen Kranken durchgesetzt denen die Kapazität zur Aufrechterhaltung des erforderlichen Rhythmus und Synchronismus der zum Pumpen des Blutes notwendigen Elemente verlorengegangen ist

Bei dem Herzschrittmacher handelt es sich um eine Vorrichtung, die in rhythmischer Form elektrische Impulse zum Herzmuskel leitet so daß das Herz gezwungen wird, in diesem Rhythmus zu schlagen, d. h. die natürliche elektrische Erregung wird elektronisch ersetzt.

Gemäß dem Stand der Technik unterscheidet man drei Typen von Schrittmachern, nämlich die asynchronen Schrittmacher oder Schrittmacher mit festem Rhythmus, welche eine festgelegte Folgefrequenz der Herzschläge hervorrufen, die synchronen Schrittmacher, welche ihren Rhythmus der noch bestehenden Kontraktion anpassen, und schließlich die sogenannten Schrittmacher »auf Abruf«, welche nicht ansprechen, solange das Vorhandensein von natürlichen QRS-Kompiexen nachgewiesen wird.

Der hauptsächliche Nachteil bekannter Schrittmacher besteht darin, daß eine Regulierung des Rhythmus in Abhängigkeit von den biologischen Notwendigkeiten gemäß der jeweiligen Aktivität des Patienten entweder nicht vorgesehen ist oder wie einleitend erwähnt wurde sehr empfindlich gegenüber Bewegungen des Kranken anspricht.

Ein normales gesundes Herz reguliert den Rhythmus der Blutspeisung an die Gewebe in Abhängigkeit der Anforderungen, und zwar mittels Nervenleitungen, deren hinführende Wege von den Nervenrezeptoren, Chemorezeptoren eic. ausgehen und deren wegführende Wege auf die natürlichen Herzschrittmacher wie

Sinusknoten, Atrium-Voninkularknoten etc, einwirken,

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, einen Herzschrittmaoher der eingangs genannten Art zu schaffen, dessen Impulsfolgefrequenz auch bei einem Funktionsausfall des Sinusknotens im s Atrium physiologisch in Abhängigkeit von der Aktivität des Patienten gesteuert ist

Ausgehend von dem Herzschrittmacher der eingangs definierten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daB der Neurodetektor aus einer mit einem Kabel verbundenen Mikroelektrode besteht, die im Sinus und Glomus der Karotide erzeugte Nervenimpulse erfaßt, weiche im Hering-Nerv auftreten, daß aus dem Signal des Neurodetektors mittels eines Trennfilters die Impulse des Sinus und diejenigen des Glomus der Karotide voneinander getrennt werden, daß mit Hilfe von Zählwerken die mittlere Folgefrequenz der Impulse des Sinus und der des Glomus der Karotide ermittelt wird und daß in einem Spannungserzeuger nach Maßgabe der mittleren Folgefrequenzen des Sinus und des Glomus der Karotide eine Spannung erzeugt wird, weiche die Impulsfolgefrequenz aes Herzschrittmachers entsprechend der Belastung des Patienien, wie sie in den Parametern Blutdruck, Sauerstoff- und Kohlendioxid-Partialdruck des Blutes ihren Niederschlag findet, steuert

Eine Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet daß der Neurodetektor einen Kopf aufweist welcher eine Befestigungsöffnung und zwei Mikroelektroden aufweist deren jeweiliges vorderes Ende als Silberkugel ausgebildet ist und die mit einer Teflonschicht isoliert sind.

Durch diese Konstruktion der Mikroelektrode wird ein Nachweis von Nervenimpulsen und/oder Aktionspotentialen ermöglicht ohne das Nervengewebe oder den Nervenrezeptor zu beschädigen.

Der beanspruchte Schrittmacher enthält also einen Detektor in den Nervenleitern und/oder -rezeptoren sowie angeschlossene elektronische Schaltungen, welche die nachgewiesenen Nervenimpulse in Signale verwandeln urd die Folgefrequenz des Herzschrittmachers und damit den Herzrhythmus modifizieren.

Der Begriff Neurodetektor umfaßt im Prinzip jegliche physikalische Einrichtung, die in der Lage ist Folgen von Nervenimpulsen und/oder Aktionspotentialen nachzuweisen, welche die hinführenden oder wegführende« Nervenleiter durchströmen oder in den Nervenrezeptoren der Herz-Lungen-Regulierung erzeugt werden, und diese in elektrische Signale zu verwandeln. so

Bei den angeschlossenem elektronischen Schaltungen handelt es sich um Vorrichtungen, welche die in den NeurodetektCren erscheinenden elektrischen Signale umwandeln und derart kombinieren, daß die Folgefrequenz des Impulsgenerators des Schrittmachers modifiziert wird.

In der nachfolgenden Beschreibung ist die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist, näher erläutert in den Zeichnungen zeigt *o

F i g. 1 eine allgemeine schematische Ansicht des beanspruchten Herzschrittmachers,

F i g. 2, 3 und 4 eine ebenfalls schematische Ansicht einer möglichen Ausführungsform eines zweipoligen Neurodetektors mit detaillierten Ansichten der hauptsächlichen Elemente,

F i g. 5 und 6 die Form der durch den Neurodetektor nachgewiesenen Folgen vrr.· Impulsen in verschiedenen physiologischen Situationen,

F ί g, 7 ein Diagramm des Zusammenhanges zwischen dem Blutdruck im Sinus der Karotide und der Anzahl der Impulse pro Sekunde, wobei auch die Anwendung auf die in den Fig.5 und 6 dargestellten Fälle veranschaulicht ist

F i g, 8 ein Diagramm des Zusammenhangs zwischen den Teildrücken von Sauerstoff und Kohlendioxid im Glomus der Karotide und der nachgewiesenen Anzahl der Impulse pro Sekunde, wobei auch der Zusammenhang mit den in den F i g. 5 und 6 dargestellten Fällen veranschaulicht ist

Fig.9, 10 und 11 jeweils Schaubilder der Veränderung der Herzfrequenz, des maximalen Blutdrucks und der Teildrücke von Sauerstoff und Kohlendioxid in der Arterie, in Abhängigkeit von der durchgeführten körperlichen Arbeit

Fig. 12 ein Schaubild der Relation zwischen der Herzfrequenz und der vom Neurodetektor nachgewiesenen Impulsen pro Sekunde und

F i g. 13 eine schematische Darstellung der verschiedenen elektronischen Bauteile der Schaltung zur Modifizierung der Impulsfolgefrequenz des Herzschrittmachers.

Zur Vereinfachung wurde ein Ausführungsbeispiel gewählt in dem nur ein einziger Neurodetektor Verwendung findet der im Sinus und Glomus der Karotide an der Verbindung eines Hering-Nervs angebracht ist wobei jedoch ausdrücklich darauf hingewiesen wird, daß die Erfindung nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt ist sondern die Verwendung einer beliebigen Anzahl von Neurodetektoren umfaßt die an den entsprechenden Nervenrezeptoren oder -leitern der Herz-Lungen-Regulierung angebracht werden können.

In F i g. 1 sind das Herz mit seinen hauptsächlichen Gefäßen mit 1, die hinführenden Fasern des Rückenmarks mit 2, die Fasern des Sympathikus mit 3, die wegführenden Fasern des Nervus Vagus mit 4, die hinführenden Fasern des rechten Vorhofes des Herzens und der großen Hohlvene mit 5, die hinführenden Fasern des Nervus Vagus mit 6 und die hinführenden Fasern des Sinus und Glomus der Karotide mit 7 bezeichnet.

Die Lage des Glomus der Karotide im Punkt der Teilung der Karotide ist mit 8 bezeichnet und das Bezugszeichen 9 entspricht dem Neurodetektor, der am Glomus der Karotide angebracht und gemäß Fig. 15 mit dem, Körper des Schrittmachers 11 verbunden ist.

Die Rfeizelektrode ist mit 10 bezeichnet und bei 16 an den Körper des Schrittmachers angeschlossen, in dessen Innerm die Schaltung 12 zur Modifizierung der Impulsfolgefrequenz an den Impulsgenerator 13 angeschlossen ist, wobei beide Elemente durch die Batterie 14 gisptisl werden.

Innerhalb des Körpers des Schrittmachers ist der Neurodetektor an die Schaltung 12 angeschlossen, wobei die Pfeilrichtung den Informationsfluß ins Innere anzeigt.

Der Impulsgenerator 13 ist mit der Reizelektrode 10 verbunden, wobei die Pfeilrichtung den Impulsfluß anzeigt.

Der Neurodetektor, der im vorliegender. Beispiel aus einer mit seinem Kabel verbundenen Mikroelektrode besteht, registriert die im Sinus und Glomus der Karotide erzeugten Nc -venimpulse, welche im Hering-Nerv auftreten und zur Schaltung 12 geführt werden, in der sie gefiltert werden und die mittlere Dichte der

Impulse, d. h. ihre Folgefrequenz, errechnet wird. Es wird eine elektrische Spannung erzeugt, die die Folgefrequenz des ^: .ipulsgenerators modifiziert, und zwar mit dem erforderlichen Herzrhythmus für die in Fig.8 dargestellten Werte des Blutdrucks sowie des Sauerstoff- und des Kohlendioxid-Partialdrucks pO₂ und pCO₂.

Der Impulsgenerator bildet den an die Reizelektrode weiterzugebenden Reizimpuls.

In F i g. 2 ist der Neurodetektor dargestellt, der eine Steckverbindung 17 zum Körper des Schrittmachers sowie eine Befestigungsvorrichtung 18 enthält. Das Kabel 19 besteht aus Fasern eines gut leitenden Materials, die zur Erreichung einer guten Flexibilität verflochten sind und die in bioverträglichen Silikonen eingebettet sind. Mit 20 ist der Kopf des Neurodetektors bezeichnet, an dessen Ende sich die Mikroelektrode befindet.

Der Kopf des Neurodetektors ist in F i g. 3 vergrößert dargestellt, iviit 2\ ist eine Queröffnung zur Duroiiiuiirung des Befestigungsfadens und mit 22 und 23 sind die Mikroelektroden bezeichnet, von denen eine in F i g. 4 vergrößert dargestellt ist. Hier ist am äußeren Ende die Silberkugel 24 sowie die Isolierschicht 25 aus Teflon erkennbar. Diese Mikroelektroden lassen sich leicht herstellen. Der Durchmesser der Silberkugel beträgt ca. V₂ mm.

In Fig.5 sind die durch den Neurodetektor nachgewiesenen Signale mit 26 bezeichnet; sie entsprechen der Impulsfolge im Hering-Nerv bei Einatmung von Außenluft durch eine gesunde Person bei Normalwerten von pO2 und pCO₂.

Mit 27 ist die Kurve des mit der Folge von Nervenimpulsen synchronen Blutdrucks bezeichnet. Die Impulse mit der größten Amplitude entsprechen den Aktionspotentialen der Barorezeptoren des Sinus der Karotide, die an den Spitzen des Blutdrucks erscheinen. Die Impulse mit der geringsten Amplitude und der größten Folgefrequenz entsprechen den Aktionspotentialen der Chemorezeptoren des Glomus der Karotide.

In F i g. 6 sind die gleichen Schaubilder wie in F i g. 5 dargestellt, jedoch bei Einatmung einer sauerstoffarmen Mischung. Die Bezugszeichen 28 und 29 der F i g. 6 entsprechen den Bezugszeichen 26 und 27 der F i g. 5.

Es ist ersichtlich, daß das Fehlen von Sauerstoff und demnach der niedrige pC>2-Wert eine bedeutende Erhöhung der Folgefrequenz der Impulse der Chemorezeptoren mit sich bringt.

Das Schaubild der Änderung der mittleren Folgefrequenz der Impulse im Neurodetektor, die von der Erregung des Sinus der Karotide herrühren, in Abhängigkeit vom Blutdruck (Ps) ist in Fig. 7 dargestellt.

In der Abszisse ist der Druck in mm Hg im Sinus angegeben, während in der Ordinate der Prozentsatz der Impulse pro Sekunde in bezug auf den möglichen Höchstwert angegeben ist.

Der in der Kurve herausgestellte Punkt von 150 mm Hg und 40% entspricht den Fällen gemäß den F i g. 5 und 6.

Das Schaubild der Veränderung der mittleren Folgefrequenz der Impulse, die im Neurodetektor erscheinen und von der Erregung des Glomus der Karotide herrühren, m Abhängigkeit von den pO?- und pCO₂-Werten im Blut, ist in F i g. 8 dargestellt

In der Abszisse des Schaubildes ist der pOrWert in mm Hg angegeben und in der Ordinate der Prozentsatz der Impulse pro Sekunde in bezug auf den möglichen Maximalwert.

Weiterhin ist eine Kurvenschar in Abhängigkeit von den pCOj-Werten dargestellt.

Der im Schaubild herausgestellte Punkt A bei 100 mm Hg und 10% bei der pCO₂-Kurve mit 40 mm Hg entspricht dem Fall gemäß F i g. 5 bei Einatmung von Außenluft und normalen pO₂- und pCO₂-Werten, in welchem Fall sich eine geringe Anzahl von Impulsen pro Sekunde ergibt.

Der im selben Schaubild herausgestellte Punkt B bei 50 mm Hg und 50% bei der pCO₂- Kurve mit 60 mm Hg entspricht dem Fall gemäß F i g. 6 bei Einatmung einer sauerstoffarmen Mischung, d.h. Verminderung der pO2-Werte und Erhöhung der pCO2-Werte, wodurch sich eine große Anzahl von Impulsen pro Sekunde ergibt.

Diese Schaubilder dienen der Erklärung des Verhaltens des Sinus und Glomus der Karotide und des bestehenden Zusammenhangs zwischen den nachgewiesenen impulsen und der physiologischen Si·¹¹?»*'"" des Patienten in bezug auf den Blutdruck (Ps) und die Kombination des Teildrucks von Sauerstoff (PO2) und Kohlendioxid (pCO₂), die bekanntlich einen Kompensationseffekt in den Kurven der Dissoziation des Oxidhämoglobins hat.

Aus den vorhergehenden Ausführungen ergibt sich eindeutig, daß die Anzahl der Impulse pro Sekunde, die vom Neurodetektor ausgewiesen werden und die sich aus den impulsen des Sinus und des Glomus der Karotide zusammensetzen, die geeignete Information bezüglich der physiologischen Situation des Patienten liefern.

In Fig.9 ist ein Schaubild des Zusammenhangs zwischen der Herzfrequenz (Fc) und der körperlichen Arbeit (W) bei einem normalen gesunden Herzen dargestellt. In dem Diagramm kommt zum Ausdruck, wie das Herz bei erhöhtem Bedarf an Sauerstoff zur Anpassung der Sauerstoffzufuhr zu den Geweben an die Anstrengung den Herzrhythmus erhöht.

In F i g. 10 ist ein Schaubild über die Veränderung des maximalen Blutdrucks (Pa) in Abhängigkeit von der körperlichen Arbeit dargestellt. Es ist ersichtlich, daß der Blutdruck bei erhöhter körperlicher Anstrengung steigt.

In der F i g. 11 ist ein Schaubild der Veränderung des Teildrucks von Sauerstoff (pO₂) und Kohlendioxid (PCO2) in der Arterie in Abhängigkeit von der körperlichen Anstrengung (H^dargestellt.

Bei erhöhter körperlicher Anstrengung verringert sich der pO2-Wert und der pCO2-Wert nimmt zu. Bei mäßiger Anstrengung sind die Veränderungen nur gering, insbesondere die Veränderung des pCO₂-V. zrts. Wenn jedoch die Anstrengung die Kapazität der Sauerstoffzufuhr übersteigt, ergeben sich starke Veränderungen der Teildrücke. Bei den ersten Abschritten des Schaubildes wirken die Regulierungsmechanismen, die große Veränderungen verhindern.

Hiermit sind die bestehenden Zusammenhänge zwischen der körperlichen Arbeit (W), dem Herzrhythmus (Fc), dem maximalen Blutdruck (P_A), dem Teildruck von Sauerstoff (PO2), dem Teildruck von Kohlendioxid (pCO₂), den Impulsen pro Sekunde im Sinus der Karotide (I_s) und den Impulsen pro Sekunde im Glomus der Karotide (Ig) aufgezeigt

Aus der Gesamtheit dieser Schaubilder wurde das Schaubild gemäß Fig. 12 gewonnen, in dem die Veränderung der Herzfrequenz (Fc) in Abhängigkeit von der Folgefrequenz der Impulse des Sinus und des

Glomus der Karotide dargestellt ist. Dieses Schaubild stellt demnach das Verhalten des beanspruchten Herzschrittmachers dar und damit die Funktion des Neurodetektors und der Regulierungsschaltung.

Die Schaubilder 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 und 12 besitzen ausschließlich Angabenwerte bezüglich Größenordnungen und Tendenzen und können Änderungen erfahren, ohne daß hierdurch die Erfindungsidee verlassen wird.

Schlieuiidi zeigt die Fig. 13 in Form eines Diagramms eine Ausführungsform der elektronischen Schaltung zur Modifizierung der Folgefrequenz der Impulse des Schrittmachers.

Das Signal des Neurodetektors wird durch den Verstärker 30 verstärkt und gelangt dann zum Trennfilter 31. an dessen Ausgang die Impulse des Sinus der Karotide und des Glomus der Karotide getrennt erhalten werden, deren mittlere Folgefrequenz durch die Zählwerke 32 und 33 errechnet wird. Danach werden beide Signale zu einer Schaltung 34 geführt, die eine Spannung V, erzeugt, welche proportional der gewünschten Herzfrequenz in Übereinstimmung mit dem Schaubild in Fig. 12 ist.

Diese Spannung V„ die proportional der gewünschten Herzfrequenz ist, modifiziert die Folgefrequenz des Impulsgenerators.

Die vorgenannten Ausführungen mit den Beispielen der Kurven und Schaubilder sind auch auf andere Nervenrezeptoren anwendbar ind/oder ausdehnbar.

Ebenfalls ist die Anwendung auf die wegführenden Nervenleiter möglich und von Interesse.

Hierzu 8 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

28Q9O%1₅

1, Herzschrittmacher, Jessen Impulsfolgefrequenz entsprechend der jeweiligen Belastung des Patienten gesteuert wird, mit einem Neurodetelctor, der abhängig von der Belastung des Herzinhabers eine Impulsfolge erzeugt, die einer Nervenimpulsfolge entspricht, wobei die Impulsfolgefrequenz der vom Neurodetektor gelieferten Impulsfolge dazu verwendet wird, die Impulsfolgefrequenz des Herz-Schrittmachers physiologisch zu modifizieren, dadurch gekennzeichnet, daß der Neurodetektor (Fig.2) aus einer mit einem Kabel (19) verbundenen Mikroelektrode (20) besteht, die im Sinus und Glomos der Karotide erzeugte Nervenim- is pulse erfaßt, welche im Hering-Nerv auftreten, daß aus dem Signal des Neurodetektors mittels eines Trennfilters (31) die Impulse des Sinus und diejenigen des Glomus der Karotide voneinander getrennt werden, daß mit Hilfe von Zählwerten (32 und 33) die itjttlere Folgefrequenz der Impulse des Sinus und der des Glomus der Karotide ermittelt wird, und daß in einem Spannungserzeuger (34) nach Maßgabe der mittleren Folgefrequenzen der Impulse des Sinus und des Glomus der Karotide eine Spannung erzeugt wird, welche die Impulsfolgefrequenz des Herzschrittmachers entsprechend der Belastung des Patienten, wie sie in den Parametern Blutdruck (P,), Sauerstoff- und Kohlendioxid-Partialdruck (pOz, CO2) des Blutes ihren Niederschlag findet, steuert
2. Herzschrittmacher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Neurodetektor (Fig.2) einen Kopf (20) aufweist, welcher eine Befestigungsöffnung (21) und zwei Mikroelektroden (22, 23) aufweist, deren jeweiliges vcj-deres Ende als Silberkugel ausgebildet ist und die mit einer Teflonschicht (25) isoliert sind.